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Chapter2自动化仪表Section1气动仪表的主要元部件及主要环节Section2气动变送器Section3气动显示仪表Section4气动调节器Section5执行机构及气动仪表的管理要点本章的基本要求掌握气动仪表的主要元件及基本环节；自动化仪表的品质指标；了解气动变送器、气动显示仪表和气动调节器的基本结构和工作过程；掌握迁移原理；掌握调节其参数整定的一般原则Section1自动化仪表的分类•按能源分：—电动仪表、气动仪表、液动仪表•按功能分：—测量仪表、显示仪表、调节器、执行机构•按结构形式分：—基地式—单元组合式：标准信号气动：0.02MPa～0.1MPa电动：4mA～20mADC气动仪表的主要元部件2、弹性元件3、节流元件4、气体容室5、喷嘴挡板机构6、气动功率放大器1、压力基础知识简介压力基础知识简介压力检测及仪表压力是工业生产中的重要工艺参数之一。如在化工、炼油等生产工艺中，经常会遇到压力，包括高压、超高压和真空度（负压）的测量。压力检测的方法工程上习惯把垂直作用于作用单位面积上的力称为“压力”。即P=F/SSF压力的单位是“帕斯卡”-----1Pa=1N/m21MPa=106Pa1工程大气压=1kg/cm2=9.80665×104Pa≈0.1MPa=1bar工程中压力的表示方式有：表压、负压（真空度）、差压、绝对压力。工业中所用仪表的压力指示值，大多数为表压和差压。p差压=p被测压力1-p被测压力2表压、绝对压力、负压（真空度）、差压之间的关系：p被测压力p被测压力p表压=p绝对压力-p大气压力p真空度=p大气压力-p绝对压力气动仪表的主要元部件及主要环节构成气动仪表的主要元件有：弹性元件、节流元件、气体容室、喷嘴挡板机构和功率放大器。常用的弹性元件有5种：（1）单圈弹簧管将截面为椭圆形的金属空心管弯成270°圆弧形，顶端封口，当通入压力p后，它的自由端就会产生位移。测压范围较宽，可高达1000MPa。（2）多圈弹簧管为了在测低压时增加位移，可以将弹簧管制成多圈状。（3）膜片用金属或非金属材料做成的具有弹性的圆片（有平膜片和波纹膜片）。在压力作用下，其中心产生变形位移。可测低压。（4）膜盒将两张金属膜片沿周口对焊，内充硅油。使膜片增加强度。（5）波纹管位移最大，可测微压（＜1MPa)。P*Fe=S*EFe是有效面积；E是弹性系数（刚度）•恒节流孔•变节流孔气阻(节流元件的特性参数)GpR=线性气阻非线性气阻pkGΔ?=恒气阻可调气阻变气阻节流元件具体分为毛细管式(D=0.18~0.3mm)和小孔式(D=0.25,0.3,0.5mm)结构形式：圆锥-圆锥型，圆柱-圆锥型，圆球-圆锥型G为流量气体容室气室储存空气量能力的大小GdtCdp1=两边积分∫tGdtCp01=两边拉式变换)(•1=)(sGsCsPsCsGsPsW•1=)()(=)(dpdmCGdtdt==dmCdp=mPG气体容室内，每升高单位压力所需增加的空气量。将微分方程转换成相应的传递函数G为流量弹性气体容室储蓄特性喷嘴挡板机构喷嘴挡板机构示意图挡板恒节流孔背压室p喷嘴hdD输入输出气源abh0p0.1（静特性：稳定工况下，背压室压力p与挡板开度h之间对应的关系。）0.02d=0.325mmD=1.038mm式中，K1=tgφ，是比例系数，实际上它是a、b两点间的平均斜率。0.14气动仪表的气源压力为0.14MPa，由滤清减压阀来调整。喷嘴挡板机构的静特性背压室的压力变化范围为0.02~0.1MPaφ静特性定义：在稳定工况下，背压与挡板开度之间的对应关系。特性曲线的特点：（1）挡板全关，背压接近气源压力。（2）挡板全开，背压接近大气压力。（3）挡板全关到全开，背压随挡板开度增大而下降。0.11020304050600.02D＝1.038mmd＝0.325mmPh﹝微米﹞ab喷嘴挡板机构的静特性气动功率放大器ADCB输入气源耗气型气动功率放大器结构原理图球阀与锥阀金属横片和弹簧片几乎所有的气动仪表，都在喷嘴挡板机构的输出端串联一个气动功率放大器。对喷嘴挡板结构输出的压力信号进行流量放大，或流量、压力放大，即功率放大。0.14MPa输入↑→推杆下移→球阀开大、锥阀开小→输出↑IIISIIIp0FpaF起步压力27-33kPa阶段1：膜片有位移，阀杆无位移（消除膜片与锥阀的间隙）阶段2：都无位移阶段3：膜片和阀杆同时位移s0工作段2BdPKPΔ=ΔPa称放大器的起步压力（克服弹簧3的预紧力）pdF气动功率放大器结构形式：•流量放大，压力不放大•流量压力都放大K2为气动功率放大器的放大倍数气动仪表的组成原理1、放大环节2、反馈环节3、比较环节气动仪表的构成原理例：由喷嘴挡板机构和气动功率放大器组成的二级功率放大器，已知气动功率放大器的放大倍数为16，求气动功率放大器的压力输出范围。解：因为喷嘴挡板机构的输出气压为（0.02~0.1MPa）所以气动功率放大器的气压输出范围为如果起步压力调整得合适，放大器将工作在曲线更陡、更接近直线部分，（如a-b段），这样仪表能够获得较高的灵敏度、精度和工作的稳定性。16*(0.1-0.02)=1.28MPa负反馈：当放大倍数足够大时，消除主回路的非线性影响因素，补偿干扰引起的误差，提高仪表的精度；采用不同的反馈回路，可以很方便的实现不同的调节规律。如比例、积分和微分的作用规律。节流通室（节流分压器）：比例调节节流盲室：积分调节比例惯性环节：微分调节K0Gf(s)xy气动仪表的反馈环节在气动仪表中，总是把输出端的输出信号引回到输入端，构成负反馈气路。1）节流分压器特性：比例环节实现比例作用规律2）节流盲室特性：一阶惯性环节实现积分作用规律3）比例惯性环节实现比例微分作用规律比较环节：信号的综合和比较位移平衡式：—将信号转换成位移，按位移平衡原理在一根不定支点转动的杠杆上进行比较，其位移差就是挡板的位移变化量。力平衡式：—将信号转换成力的形式出现在比较环节上，按力平衡原理进行比较，所得的不平衡力经弹性元件转换成挡板位移，作为气动放大器的输入信号。力矩平衡式：—将信号转换成力矩的形式，按力矩平衡原理在一根定支点转动的杠杆上进行比较，将不平衡力矩转换成挡板位移。自动化仪表的主要品质指标1、仪表的误差2、仪表的灵敏度3、仪表的稳定性基本误差由于仪表结构中的间隙、摩擦、刻度不均或分度不准等原因造成的误差，即为仪表本身缺陷所造成的误差。附加误差由外界条件变化引起的误差成为附加误差。绝对误差（又称指示误差）检测仪表的指示值X与被测量真值Xt之间存在的差值称为绝对误差Δ。表示为：Δ=|X－Xt|相对误差相对误差是指仪表的绝对误差和检测仪表的指示值之比的百分数。表示为：相对误差=（Δ/指示值）*100%相对误差的大小可以反映仪表的测量准确度由于真值是无法得到的理论值。实际计算时，可用精确度较高的标准表所测得的标准值X0代替真值Xt，表示为：Δ=|X－X0|仪表在其标尺范围内各点读数的绝对误差中最大的绝对误差称为最大绝对误差Δmax。仪表精确度（精度）为了便于量值传递，国家规定了仪表的精确度（精度）等级系列。如0.5级，1.0级，1.5级等。仪表精度的确定方法：将仪表的基本误差去掉“±”号及“％”号，套入规定的仪表精度等级系列。例如：某台仪表的基本误差为±1.0％，则确认该表的精确度等级符合1.0级；如果某台仪表的基本误差为±1.3％，则该表的精确度等级符合1.5级。某台测温仪表的测温范围为－100～700℃，校验该表时测得全量程内最大绝对误差为＋5℃，试确定该仪表的精度等级。解：该仪表的基本误差为：将该表的δ去掉“十”号与“％”号，其数值为0.625。由于国家规定的精度等级中没有0.625级仪表，而该仪表的误差超过了0.5级仪表所允许的最大绝对误差。故：这台测温仪表的精度等级为1.0级。Illustration%625.0=%100*100+7005灵敏度表示指针式测量仪表对被测参数变化的敏感程度，常以仪表输出（如指示装置的直线位移或角位移）与引起此位移的被测参数变化量之比表示：灵敏限表示指针式仪表在量程起点处，能引起仪表指针动作的最小被测参数变化值。S－仪表灵敏度；ΔY－仪表指针位移的距离（或转角）；ΔX－引起ΔY的被测参数变化量。×100℃YSXΔ=Δ灵敏度和分辨率仪表的稳定性在相同的外界条件下，仪表对同一个测量点多次测量结果的稳定程度。不灵敏区由于仪表活动部件的摩擦、间隙、弹性元件滞后现象的存在，当输入信号有一微小变化时，仪表输出仍然不变，这就是不灵敏区。灵敏限引起仪表输出有一微小变化时，所需输入量的最小变化值，一般认为不灵敏限等于1/2不灵敏区。对于数字式仪表，则用分辨率或分辨力表示灵敏度和灵敏限。分辨率表示仪表显示值的精细程度。万分之一。数字仪表的显示位数越多，分辨率越高。气动仪表的主要元部件及主要环节构成气动仪表的主要元件有：弹性元件、节流元件、气体容室、喷嘴挡板机构和功率放大器。气动仪表的组成原理放大环节、反馈环节和比较环节自动化仪表的主要品质指标仪表的误差ReviewSection2气动变送器Part1气动差压变送器的结构和工作原理Part3调零和调量程Part4迁移原理Part2差压变送器的特性分析Part5差压变送器使用时的保护Part6常见的故障分析及排除变送器定义：连续测量被测参数并将其转变为统一信号的仪表分类：气动变送器(0.02-0.1MPa)，温度变送器，压力变送器，压差变送器。结构：测量+气动转化+反馈三部分，测量部分因被测参数、敏感元件不同而有所不同，但气动转化部分相同.气动差压变送器磁铁Fi（1）测量部分－把被控量变为轴向推力△p→q测＝△p·F膜;M测=q测*l1=F膜*l1*△p1、基体2、基座3、膜片4、硬芯5、单向过载保护密封圈6、主杠杆7、密封圈8、出轴密封簧片9、主杠杆10、C型弹簧片11、硅油气动差压变送器的结构和工作原理QBC单杠差压变送器结构原理图气动差压变送器的结构和工作原理（2）气动转换部分把测量部分输出的挡板微小位移转换成0.02MPa～0.1MPa的气压信号作为差压变送器的输出。（4）力矩平衡原理M测量＝M反馈大小相等，方向相反测量部分弹性支点气动转换部分反馈部分（3）反馈部分帮助系统达到新的平衡态，防止失稳。M测＝△p·F膜·l1M反＝p出·F波·l2M测＝M反pΔK=pΔlFlFp21****＝单波膜出负压正压K单=F膜*l1/F波*l2单杠杆差压变送器的放大系数K单单杠杆差压变送器受力分析图力矩平衡原理M测量＝M反馈大小相等，方向相反在K单中，F膜、F波和l1都是固定不变的，唯一可调的是l2。反馈波纹管上移→l2↑→K单↓→量程↑；反馈波纹管下移→l2↓→K单↑→量程↓。要得到较大的量程，就必然使l2增长。为不使变送器体积过于庞大，将大量程变送器制作成双杠杆式变送器。可见，差压变送器的输出P出于测量信号放大环节反馈环节比较环节K单=F膜*l1/F波*l2pΔK=p*单出P出=0.02-0.1MPa每次投入工作前，都需要调零和调量程调零：调量程：调零和调量程0=pΔ02MPa.0=出pmaxpΔ=pΔ1MPa.0=p出调节方法：1.让正负压室均通大气，使∆p=0，观察变送器输出压力是否为0.02MPa，若不是，调节迁移（调零）弹簧，使p出=0.02MPa.2.单杠差压变送器中，F膜、F波和l1都是固定的，因此只需要向上移动波纹管，使l2变大，看是否会输出0.1MPa的气压，否则应松开量程支点的锁紧螺母，上移支点调整。3.重新调零、调量程，直到零点和量程准确为止。pΔK=pΔlFlFp21****＝单波膜出注意：绝不是输入的测量信号为0，P出也等于0。双杠杆式变送器双杠杆差压变送器工作原理图双杠杆差压变送器受力分析图单杠杆差压变送器的量程有限，为了进一步扩大量程，可采用双杠杆差压变送器。上移量程支点时，l4减小的同时，l3增大，因此K双进一步减小，当l4l3时，双杠杆差压变送器的量程比单杠的最大量程还要大。差压变送器有微差变送器、低差压变送器、中差压变送器和