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調節閥執行機構的選用及形式
本章討論目前*廣泛地用于操作調節閥的通用執行機構的形式，這些執行機構可分成六種通用的形式：
1、氣動薄膜式執行機構；
2、活塞（氣缸）式執行機構；
3、電動—液壓式執行機構；
4、高性能伺服執行機構；
5、電動執行機構；
6、手動手輪執行機構。
在目前的實際應用中，十分可能有80%以上的調節閥執行機構是采用氣動活塞式或薄膜式執行機構，因此本章大量論述的是這兩種執行機構。
選擇參數
在考慮任何執行機構之前，不如先考慮選用執行機構的種個參數更為好些，這也許比考慮置于調節回咱中的執行機構特性更為重要。
在任何調節回路中，當然有被控制的工藝過程，在被測參數的范圍以內也可能出現偏差。在這個范圍內，調節回路的部分是偏差的檢測裝置。這就是測量被調參數，并使之與一個容許的數值相比較的儀表。如果確定了被調參數與容許的數值之間存在偏差，儀表就會自動地向調節閥發送出一個偏差校正信號。
這個偏差校正信號可以采取許多種形式，可以是一個低功率的電信號，也可以是液壓信號或氣動信號。這些偏差校正信號可能有足夠的量值，作為調節閥的動力源，用來控制工藝過程，特別是這些信號如果是液壓信號或氣動信號尤其如此。偏差校正信號（也可能是個動力）被傳送到*終控制單元，這是通過在調節閥內的壓力損失來引起系統中出現能量轉換的裝置。執行機構把調節閥的閥桿及閥芯移動到這樣的位置，使進入工藝過程中的能量改變，以便恢復到按誤差測量裝置所決定的那個容許的數值上去。
因此，執行機構是*終控制單元的一部分，它根據來自偏差檢測裝置的誤差校正信號，以推動調節閥。它不是使調節閥作直線運動（例如在球形閥中），就是作旋轉運動（例如在蝶閥和球閥中）。
執行機構尤其要與偏差校正信號相適應，例如，或從儀表來的偏差校正信號是液壓信號，那么，執行機構必須是能適用于液壓流體的。
執行機構尤其要與偏差校正信號中產生足夠的力，以克服在閥體內部由于壓力降所產生的*大不平衡力，這個力在球形閥中是等于壓力乘上面積的線性關系，而在蝶閥內作為力矩出現的是可變的力。
*后，執行機構必須適應其操作環境，所謂環境適應性可以舉例說明，比如在煉油或化工廠中使用，那里由電氣引起火災或的可能性很大，就要求在電動或電動—液壓執行機構上有防爆的外殼。環境適應性還會要求準備特種抗腐蝕或耐酸的油漆，特別是會所執行機構曝露于酸蒸氣或其他腐蝕劑的環境狀態下，尤其如此。
執行機構的形式
薄膜式執行機構的壓力密封氣室位于膜片的上方，該氣室中壓力增加時，引起了向下運動，這樣的執行機構通常被稱為正作用薄膜式執行機構。
在執行機構推桿的周圍來用密封的方法，可以使下氣室構成壓力密封，調節系統的氣動信號可以連接到該氣室上，把上氣室接通大氣，并改變彈簧的安裝方案，使推桿向上移動時壓縮彈簧。這樣，在下氣室中的信號壓力增加時就會造成推桿向上運動。這種形式的執行機構通常被稱為反作用執行機構。每種形式的薄膜式執行機構的剖面連同必要的術語于圖1和圖2中。
薄膜式執行機構，不管是正作用的還是反作用的，都無需與按管道尺寸決定的閥門規格發生直接關系。每一種薄膜式執行機構都經過計算，保證是強有力的，足以克服使用時閥體組合件的不平衡力，因為執行機構*的用途就是按照偏差較正信號來推動閥門。所有較大的調節閥制造廠都編有關于執行機構的范圍相當廣泛的目錄，列出了執行機構的尺寸、一般英寸；但是，如果是高壓差下使用的小管道閥門，仍然很有可能小閥門要求配用很大的薄膜式執行機構。相反，在低壓差下使用的大口徑閥門，也完全有可能配用一個小的執行機構。
考慮如圖3中所示的單座正使用閥的閥體組合件簡圖，假設進口壓力（P1）為40磅/英寸2表壓；出口壓力表（P1）為10磅/英寸2表壓，閥門的流通面積為12.56平方英寸（公稱通徑為4"的閥門），沿閥桿的軸向所產生的力有助于打開閥門，此力為（P1—P2）X流通面積（30磅/英寸2×12.56平方英寸）即376.8磅。
我們希望此閥在3磅/英寸2表壓的信號時開始向下移動；假設儀表信號為3～15磅/英寸2表壓，這是從調節儀表送來的常規的信號值，又進一步假設它是正作用響應，（即執行機構的信號壓力增加會導致執行機構推桿的向下移動），是氣關的、比例式作用。我們因而可以假設在閥門的全行程內有一個恒定的向上的閥桿推力。用儀表信號3磅/英寸2表壓來除總力376.8 磅，求出執行機構要有125平方英寸的面積才能滿足在3磅/英寸2表壓下開始推動閥門，但是我們還要考慮到閥門達到行程終點時，作用在閥桿上的力是15磅/英寸2表壓（儀表的信號壓力）×125平方英寸，即1875磅的力。因此，有一個過量的力作用在閥座上，此力為1875磅減376.8磅，即有1499磅多余的凈力作用到閥座上，所以需要用其所長范圍彈簧來吸收這個附加的功多余的力，如果能夠幸運地找到一家制造廠有125平方英寸的膜片的話。假設閥門的行程為1英寸，我們就應把一根剛度為每英寸1499磅的彈簧放到閥內，此處未考慮閥座密封力所需要的附加壓力。
應當注意上述是真正的理想情況，是假設了125平方英寸面積的膜片能夠找到，又能選到剛度合適的彈簧與之相配。在實際應用中，通常情況并非如此，絕大多數情況是要在彈簧范圍與膜片面積之間進行一些折衷，以便盡可能接近儀表的信號和功率輸出。大多數的調節閥制造廠都備有范圍足夠廣泛的薄膜式執行機構和彈簧，這樣在正常的儀表信號和功率范圍內（3～15磅/英寸2表壓、3～27磅/英寸2表壓和6～30磅/英寸2表壓）才能夠受的適應到1/2磅/英寸2表壓的給定范圍。
在結束薄膜式執行機構的討論時，請參閱圖4，這是某制造廠生產的一種反作用執行機構（正作用執行機構擁有同樣的零部件），圖上列出了所有名稱。請注意實際上只有兩上零件是受環境狀態的巨大影響的。這兩個零件是膜片——不論正反作用膜頭都如此，還有反作用膜頭上的推桿密封件。大多數的閥門制造廠都使用玻璃纖維、棉紗或尼龍增強的氯丁橡膠膜片作為正常的環境條件下使用。如果環境條件超過200℉，就要使用高溫材料諸如帶滌綸或玻璃纖維織物的硅橡膠、氟橡膠或了聚丙烯酸樹脂等來作膜片。偶然也有用濉壓或其他作薄膜執行機構的壓力源的，這就需要在膜片上襯以或鋪上一薄塊耐流體的柔性材料，諸如聚四氟乙烯或聚三氟氯乙烯。關于推桿密封（通常是O形環）或膜片材料的使用，很多較大的調節閥制造廠對給定的環境或可通遼存在原腐蝕問題能夠提供特殊的解決辦法。
正如我們已經指出的，薄膜式執行機構是目前比例調節中用得*廣泛的。其主要的優點是：a）由于大多數制造廠都有范圍高高興興的薄膜式執行機構規格或供選用，能配得上各式各樣的閥門規格和適應各種環境狀態；b)薄膜式執行機構仍然是市場上可采用的*廉價的比例作用的執行機構。
盡管它有適應性強和價格便宜等優點，但是仍有一些事例表明薄膜式執行機構是不能滿意地應用的。薄膜式執行機構一個固有的缺點是必須使用較大的膜片面積，這就要求有較大的膜片盒。當膜片盒變得更大，保持壓力的有效能力就變小了。例如某些制造廠有一個300平方英寸的執行機構，但膜室內能承受的壓力只有30磅/英寸2表壓。雖然這個膜頭能產生9000磅的力，膜片盒子外徑已達27英寸；因此配在不平衡力大的功所產生的力大的小閥門上時，整個裝配件就變得頭重腳輕，在閥門和操作器連接上還會出現其他的應力問題。
活塞式執行機構通 常可在大多數閥門制造廠中買到的另一種形式的氣勸或液壓執行機構是活塞式執行機構（也稱氣缸式執行機構）。雖然活塞式執行機構具有一些薄膜式執行機構所沒有的優點。
通常氣缸是鑄造或鍛造的，比薄膜式執行機構的鑄造或沖壓的膜片盒能承受更高的壓力。由于它具有更高的壓力等級，因此，用較小的直徑就能送出更大的力。活塞式執行機構作為應付高壓降的手工勞動段是非常有效的，特別是配上閥門定位器使用時，定位器能發送到執行機構的壓力往往高達工廠極限的空氣額定壓力。
氣缸式執行機構可以是彈簧回程的，雖然一般的氣負荷式執行機構通常配上閥門定位器，用于比例或定位調節閥時只是使用空氣壓力。
圖5是一個帶冷藏定位器的氣缸式執行機構，并裝有氣墊。儀表信號饋送到裝在氣缸頂上的閥門定位器中，反饋彈簧是放在閥門定位器的下面。由于壓力作用在活塞上，通過閥門定位器使儀表信號與閥門位置發生聯系，開始在活塞的上方加載或制裁，以推動閥桿到達要求的位置。
活塞下方通以恒定的氣壓（稱為氣墊），由減壓閥維持恒壓。如果活塞被推向下方，氣路釋放壓力；如果需要活塞向上移動，氣路增加壓力，以維持活塞下方的恒定氣壓。
圖5還表示同一形式的氣缸，利用一個反作用的定位器連接成代替原來的正作用（即儀表信號增加引起活塞香山下移動的作用），變成儀表售增加引起操作器推桿向上移動。這種特殊連接也表明另一特點，即萬一氣源斷開時閥桿有可能向下移動。如果氣源斷開時，氣源管線上的止回閥關上，三通閥打開，允許貯氣罐來的氣壓直接進入氣缸的氣室，把閥桿向下推。與此同時，氣墊式減壓閥來的氣壓。它仍然留在氣缸的下部，活塞向下移動時就會被排出。
圖6表示出一個不帶任何附屬儀表或控制裝置的雙作用氣缸。這樣的執行機構明顯地打算用來作雙位控制用，配上三通電磁閥空氣滑閥時，便于工作能夠很快地進行開啟和關閉的動作，這種執行機構在間歇操作或周期性工作時是很有用的。這種執行機構可以用管子或離心鑄造制成，能夠用到極高的操作壓力，供大推力的場合使用。
圖7表示一個氣缸式執行機構，利用常規的薄膜式執行機構的支架，并帶有彈簧以反抗其運動。它能象常規的薄膜式執行機構那樣使用，但能夠在給定的支架和彈簧組合下提供更長的行程。這種執行機構刀可如插圖所示配上一個定位器，并且不需要附加的“氣墊”和隨之而來的管道。
電動—液壓式執行機構近幾年來，在儀表裝備和控制工業中對電動儀表的采用有所增加。這些儀表產生各種各樣的低功率電信號，以代替氣動偏差校正信號，這個電信號在現場變送或轉換，送到氣動調節閥上，如*九章所述；或者與一個電動—液壓式的閥門執行機構配用，能夠構成單一的調節回路，不需要任何附加的氣源。但這樣做，則要求一個單獨的電源。
這些低功率電信號通常為24～65伏直流，數量級為1～5、4～20或10～50毫安。
在一個有代表性的設計中，如圖8所示，電流信號饋送至一個移動的線圈中，當信號電流變化時，線圈的*磁鐵的磁場內相應地移動。在這個特定設計中的線圈還連接有個擺動噴嘴，高壓油流從噴嘴中噴出。當信號使得線圈的位置變化時，轉軸隨之而變，噴嘴把高壓測量方法噴入兩個油缸壓力接收器中的一個之內，使活塞兩邊中的一邊壓力增加或減少，引起閥桿移動。閥桿到達新的位置上時，作用在噴嘴上的力平衡了，因為噴嘴重新回到油缸兩個壓力接收器的中間，閥桿不再進一步移動。
市場上出售的其他的電動—液壓式執行機構和這里所述的相類似，只是油缸接受液壓的方法稍有差別。其他制造廠起碼是使用了線圈帶常規的噴嘴的擋板機構，來改變活塞兩邊另一邊的壓力。
一般說來，電動—液壓式執行機構的優點是可以安裝在離儀表很遠的地方，可以不需要有其他輔助的壓力，例如不需要氣動壓力來操縱閥門。這種執行機構還不能為化工和石油加工工廠所廣泛接受，也許是因為同帶電氣轉換器的薄膜推動的調節閥機構比起來，連續運行的費用比較昂貴，而且由于這種機構本身需要一個懷定的壓力源，意味著要使用穩壓電源，用泵來壓送流體。還有，這種執行機構的操作速度有時還低于薄膜式執行機構所能達到的速度，即使到寫作本文時，這種執行機構的*大推力仍然稍低于大膜頭的執行機構或高壓氣缸式執行機構。
高性能伺服執行機構 許多公司已經研制了電動—液壓式執行機構的一種變型，供靜壓極高、閥內的壓差極大、而且還隨之要求開關速度很高、要求閥桿以極高速移動或者有極高的頻率響應特性的場合使用。
圖9表示這種高性能伺服執行機構的操作原理。閥桿的動作通過電位器或線性差動變壓器在伺服放大器內和儀表信號相比較。然后有個信號送到高性能伺服閥內，此閥把高壓油加進高壓油缸執行機構的這一側或那一側。或者從其中放出高壓油，執行機構則直接固定在閥桿上。多余的液壓油則返回集油器。
通常，這些高性能伺服操作器使用的液壓操作壓力范圍為1000～3000磅/英寸2表壓在這樣的壓力和流量下能得到極高的閥桿速度，對變化的儀表信號條件能夠獲得極快的響應，而且能夠適應極高的靜壓或主閥內極高的壓力降。
主雜的缺點是它們也需要十分強有力的外部液壓源。當然，這個液壓源能夠用來供給很多閥門，從早到晚由于操作費用和安裝費用很高，限制了它們的銷路，主要用于航空和宇航領域。
電動執行機構近年發展起來用作比例調節的其他執行機構形式還有電動執行機構。電動—洗衣盆壓式執行機構的主要缺點之一，即恒速轉動的電機和示，在電動執行機構中就不出現了。電動閥門執行機構扔組成有：由電機傳動的齒輪組和絲杠，用以驅動閥桿。還有電子式定位器和一個電子反饋裝置。一個典型的例子如釁10中所示。輸入信號的變化，其量值相當于在閥內的閥桿所要求的位置，此信號輸進定位器中（通常是一個差動放大器），產生一個電壓來推動電機連接的齒輪組和絲杠。閥桿和連在其上的輸出機構的合成運動傳到電位器或線性差動變壓器，產生一個電壓，使行程增加，并反饋到定位器。當輸入信號電壓和反饋電壓相等時，輸出到電機的電壓趨近于零，電機停轉，閥桿停留在要求的位置上。相反，當電壓不等時，則電機向著使電壓相等的方向旋轉。
電動閥門執行機構明顯地和電動—液壓式執行機構的現場使用時具有同樣的優點。能夠在長距離中使用，只有微不足道的信號輸遲后。還能避免氣動系統在極冷的環境條件下結霜的問題。但電動執行機構通常仍然是比較昂貴的，雖然它比電動—液壓單元更為有效。
手動執行機構 手動執行機構嚴格地說不是比例執行機構，雖然如此，因為手動機構用于調節系統中，本章還是對它們作了簡要的指述。
在圖11中所示的是一種不帶動力源的純粹手動的執行機構型式。這就真正使得調節閥的閥體組合件比手動閥多不了什么東西。但是有這種場合，即使沒有和自動控制系統連上，也需要流過閥門的流量很。調節閥閥體組合件帶一個手動執行機構便可以用于流量特性已知的場合。這些閥門能直接從閥門行程指示器讀出閥位，即裝有的輔助指示器以作更為的操作之用。
