一个自动调节系统的目的在于：当输入量是xi，反馈量是Xr时，使自动化过程EA的输出量xc保持不变，如图1-1所示。

当由于扰动量的作用使输出量xc改变时，变送器T通过反馈量xr，把这个改变的信息送给调节器R；调节器按照xi与xc的极限偏差值进行调节，产生控制量xc；xc通过执行元件EE作用于自动化过程；在xc的作用下，xm发生变化，渤过渡过程结束时,xm的变化补偿了干扰的影响，使被调参数重新回到给定值(这仅适用于无极限偏差的自动调节系统)。

图1-2所示为按极限偏差调节温度的自动调节系统。实际上遇到的自动化系统比较复杂，但从执行元件来说，问题是一样的。因此，现仅就这个自动化系统来进行研究。

首先可以看出，系统中有一个执行元件，通过它作用于被调节对象，根据控制信号值，执行元件改变自动化过程的输入量。实际上，图1中信号xm是调节因素，在大多数情况下它是流量（空气、蒸汽、水、石油化工产品等）。调节流量最常用的执行元件是调节阀。

 图1－2按极限偏差调节温度的自动化系统

C－调节器  TT－温度变送器  EE一执行元件

SCx－换热器CDx冷凝器xi－输入量 xc一输出量

 

　其次可以看出自动化仪表包括变送器、调节器和执行元件。与被调节对象在两处连接，即在进口处与执行元件连接，在出口处与变送器连接。在自动化系统设计中，这两种连接使得设计复杂化。变送器只需从样本中选择。调节阀的选择必须进行大量计算，要考虑各个方面因素，如驱动方式、结构、工艺、经济性等。

　　如图3所示，调节阀由两部分组成：执行机构和调节机构（阀门）。

　　调节阀的输入是从调节器来的信号xc，一般取0.02～0.1Mpa的气信号或者是电动信号，而输出是工艺流程的流量。在气动信号xc的作用下，执行机构的阀杆移动H（mm），这同时也是阀门的输入。阀杆行程H使阀瓣处在不同的位置，导致通过阀门的介质流通面积改变，从而有了不同的流量qv。由此得到通过阀门的流量与输入信号xc的关系。

在自动化系统中，调节阀具有一定的静态特性和一定的动态特性。调节阀的这些特性影响着自动化系统的稳定性和自动调节过程的品质。

　　调节阀有两种选择的可能：①线性的动态特性和静态特性;②带有某些特点的非线性动态特性和静态特性。

　　当自动化系统的其他儿件组成一个线性子系统时一，属十第一种情况。在这种情况下，为了不破坏自动化系统的线性，即在整个土作范围内，使调节过程具有同样的稳定性和品质特性，必须选择一个具有线性特性的调节阀。

当自动化系统的其他儿件组成一个非线性子系统时一，属十第二种情况。在这种情况下，要选择一个调节阀，以便通过它的静态特性来补偿其他儿件的非线性，使整个自动化系统是线性的。

　　这两种情况在具有特殊性质的非线性自动化系统中都能遇到。一般地说，选择一个具有特定的静态特性或者一是其他特性的调节阀，尤其是第二种情况下的调节阀选择问题，还没有足够的论著和阐述。

 图1一3调节阀原理图

SA一执行机构 OR一调节机构(调节阀)

xc一气动控制信号 H－阀杆的行程

qv一通过阀门的体积流量

【例1一1】试确定在一个液体流量自动调节系统中，调节阀具有何种静态特性时才能使系统是线性的?己知带孔板的流量变送器是非线性儿件。

解己知带孔板的流量变送器的静态特性关系式是：(1)

式中  K—常数;

      qv—通过管子的体积流量；

      xr—变送器的输出信号。

　　因为流量变送器是非线性的，所以为使整个系统为线性的，要求变送器。导管一调节阀组成子线性系统，如图4所示。子线性系统的输入量是xc输出量是xr。

要求有线性关系式(2)

式中a—直线的斜率。

问题是要求函数qv(xc)的满足式(2}，把式(2)代入式(1)，得

即(3)

式(3)表示了要回答的问题。在图1 -3中描绘了这两个非线性儿件的特性。由此可见，调节阀在自动化调节系统中的重要性。

图1-4 流量自动调节系统

a)原理图 b)变送器的静态曲线 c)调节阀需要的静态曲线

Df孔板 AD—变送器 C－调节器 RR—调节阀

　　先进的现代工业是以生产自动化为标志的。从自动化系统的发展历史和进步来看，技术工具的变革起着极为重要的作用。各种先进的控制手段虽然不断出现，但基本的控制规律没有改变，而技术工具的变化则是日新月异。人们已经不再满足于传统的生产方式，开始用模拟电路、数字化、微机化等先进技术进行革新。智能仪表的研制和使用更为工业自动化开创了美好的未来。

　　图1-1是一个典型的热交换器的自动调节系统图。从图中可以看出，调节阀的信号来自调节器，根据信号的变化直接改变蒸汽—被调介质的流量，即改变输入到对象（热交换器）的热量，使出口热水的温度保持在给定的温度值。这种典型的自动化控制系统主要有三个环节—检测、控制、执行三大部分。近年，检测仪表和控制仪表受到数字技术和微处理器技术的影响，发生的变化已是众目共睹，而执行器这一环节，特别是作为主要产品的调节阀，也有长足的进步。传统使用的调节阀虽然基本上满足许多工业系统的需要，但随着现代化工业的大规模发展，如何生产出更多、更好的先进产品，如何提高产品质量标准，如何更有效，更安全地操作，如何更充分地利用资源，节约能源和保护生态环境，都给社会、给人们提出新的课题，人们已经对调节阀提出更严格、更高的要求。

这些要求可归纳如下。

图1-1 热交换器温度调节系统

1—温度变送器；2—调节器；3—调节阀；4—热交换器

(1)质量更稳定，工作更可靠，操作更安全

　　在过程控制中，调节阀直接和控制流体相接触，一旦发生故障，后果不堪设想。在石油工业中，从油田到炼油厂，各种生产装置都大规模地集中监测和控制，大部分操作条件都是在高温低压或高温高压中进行，介质都是易燃易爆的各种油品，因此，调节阀的可靠性和防火防爆性被提到首位。在化学工业中，过程的多样性及工艺条件的变化，对温度、压力、流量和液位四大热工变量的控制和执行中，都有很多特殊问题要求调节阀能够适用。在电力工业中，火力发电厂要对锅炉进行控制，锅炉调节系统中保持水位的正常至关重要，避免调节阀的误开、误关，避免事故的发生又是何等的重要。

 

(1)保证调节阀的质量  调节阀的选用要经过严格的计算；类型、口径、各项性能都要符合要求；调节阀各种重要零件的材料要严格地挑选；要有足够的强度和刚度；要按照国家标准通过耐压试验，气密性等试验；生产厂家的制造技术和测试方法必须符合标准，要由主管部门鉴定认可。严禁不具备生产条件的小厂进行生产。

(2)确保可靠的操作性 这里不仅指调节阀本身的制造质量，而且包括对操作人员的培训和素质的提高。为了防止误操作，工艺人员一定要注意铭牌所标的注意事项，根据我国新气动调节阀新标准（GB/T4213-92)，执行机构的铭牌至少要标出制造厂名、产品型号、额定流量系数、设计位号、产品编号及制造年月等项；阀体上则要铸出或冲出表示介质流动方向的箭头和“DN"”数值以及“PN"”的字样及数值，也可以标志在与阀体牢牢固定的铭牌上。重要的阀门都要装有足够的附件，如阀门定位器、极限开关等。要有足够的安装空间和操作空间，有足够的照明，有严格的操作规程。温州哲成自控阀门有限公司主要产品有电气动调节阀、自力式调节阀等控制阀产品，欢迎广大顾客惠顾。

(3)有应急装置  当高压气体设备发生事故时，为防止直接损害其他设备，必须在连接设备的管路上安装切断装置，必要时安装快速切断阀。对快速切断阀的泄漏量要有严格规定。在容易发生火灾的场合，要从结构上考虑到调节阀的耐火性，或者用防火涂层等办法。应急的装置有防火袋，它在几分钟之内就可以套上，袋的材料含有多层的陶瓷纤维或玻璃纤维；还可以采用连杆保护的方法，夹持元件可以用一些易熔连杆，电热连杆，这些连杆受热时启动，在着火的危险时刻断开，使阀门移动到一个保险的位置。

 

　　保护自然环境、生活环境的重要性和必要性是众所周知的。调节阀对环境造成不良影响的因素主要是大气污染和噪音等问题，公众和社会对此都有强烈的要求。应该有相应的对策。

(1)防止大气污染 “跑、冒、滴、漏”是许多化工厂、炼油厂的常见公害，也是不易解决的问题。设备泄漏不仅浪费大量宝贵的物料和能源，而且污染环境，诱发中毒，引起火灾和爆炸。

为了防止大气污染，阀的密封部位不能泄漏。要注意密封方法和密封材料的选用，当流体有毒性时，例如氯气或一氧化碳等介质，就要考虑用波纹管密封或更可靠的密封方法。为了防止更为可怕的辐射性流体的泄漏，更要遵照核电站的使用要求和规定，采用特殊的方法。

(2)防止噪声 在使用调节阀的环境保护问题中，噪声问题十分突出。由于调节阀的使用必然造成流体的减压、速度变化和振动，噪声的产生是难以避免的，问题是要控制它的噪声级的大小。在过程装置中，能产生噪声的设备有电动机，泵、压缩机、锅炉、调节阀等，而调节阀的噪声占有很大比例。调节阀噪声的类型有机械噪声、液体动力噪声和空气动力噪声，对其产生的机理、预估和防止，将在第5章进行详细的讨论。

 

　　在使用调节阀的过程中要把节能问题和调节阀的结构、使用、安装、维修联系起来。

(1)采用低阻抗阀门 使流体流过阀门的阻抗最小，减少能耗。在使用球阀时，在全开状态球芯孔与管道的口径如果相同，就可以节约压缩机、泵等设备的电力消耗。与某些传统阀门相比，凸轮挠曲阀具有更大的容量，可以在较小压差的情况下进行相同流量的调节，达到减少能耗的目的。利用一些阀内件结构改变的阀门，例如，使用低S值调节阀，能够达到节能的目的。

(2)提高阀芯、阀座的密封性能" 阀芯、阀座密封性能不好，阀门就不能完全关闭，泄漏引起的压力下降造成动力损失。为了提高密封性，可以采用掺有玻璃纤维的聚四氟乙烯或石墨等材料来代替纯四氟乙烯制造阀座，采用高硬度的密封垫片，采用迷宫式密封面等办法。还要保护密封面不能损伤。

(3)尽量使用电动执行机构采用气动执行机构要始终保持一定的气压才能动作，这样，一年所消耗的能源很多，如果用电动执行机构，只需在改变开度时供电，当阀门达到所需的开度就停止供电。虽然电动执行机构造价高，防爆性能差，但从节能的角度看，有明显的优点。

 

　　长期以来，石油是一种主要能源，而近年已经出现了许多新能源，这些新能源从加工生产到运输、储存，都对调节阀提出特殊的要求。

(1)液化天然气 液化天然气是一种洁净的能源，它可以解决燃烧石油后产生污染大气的公害问题。

由于生产液化天然气装置的流体温度低达 -162℃在这种低温情况下，对低温调节阀及其所用的材料和结构都有新的要求。关键在于解决材料的强度、脆裂性和变形问题，要求动作部分不能冻结。如果低温阀用于超低温的宇宙火箭的液态氢（-253℃)及液态氦（-269℃）的控制系统，则从结构到材料处理都要求特殊的方法。

(2)液化煤浆 将煤粉粉碎后与溶剂混合，再经过一系列处理和脱硫，得到一种优质

燃料—液化煤浆。用于这种系统的调节阀受煤浆的高速冲刷，会很快磨蚀而损坏，材料的硬度，耐磨性、耐热性及韧性都很重要，除选用适用的材料外，还可以用分段式或迷宫式结构来缓和煤浆的冲刷作用。

(3)原子能 核电站的自动控制系统必然使用调节阀。在核聚合反应过程中控制超电导的低温液态氦，这种阀门必须满足下面的要求：

a.具有防止放射性物质外泄的结构；

b.优良的动作性能；

c.调整、维修简便；

d.材料能经受放射性照射；

e.不能使用禁忌物质（如含氯等卤素材料）。

　　可见，与常规阀门相比，这种调节阀的设计、制造、试验、检查和使用环节更特殊，更严格，为了确保安全，必须从各方面给予保证。

　　展望未来，要面临的问题会更多：原材料供不应求，石油、煤、水资源的消耗和欠缺；社会对提高生产力和改善工作条件的要求；环境保护及人类生活质量提高的呼声。要解决这些问题，就要对旧的过程控制系统进行改造，或者创造出更新的过程控制方法，而新的系统对调节阀的要求就更高。