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1、过程装备控制技术及应用教案 89ec06a1620b20f2563ece26ba844fd1.pdf 过程控制装置 第 19 页 共 19 页第四章 过程控制装置过程控制系统基本要素：过程控制装置与被控对象。过程控制装置必须由测量变送单元、调节器，执行器三个环节组成。4.1 变送器变送器是单元组合仪表中不可缺少的基本单元之一。工业生产过程中，在测量元件将压力、温度、流量、液位等参数检测出来后，需要由变送器将测量元件的信号转换成一定的标准信号，送至显示仪表或调节仪表进行显示、记录或调节。分类：根据变送参数不同可分为：压力、差压、温度、流量、液位变送器等；根据变送器驱动能源的不同可分为：气动、电动
2、变送器。变送器的理想输入、输出特性成线性。4.1.1差压变送器差压变送器用来将差压、流量、液位等被测参数转换成统一标准信号，并将此统一信号输出送给指示、记录仪表或调节器等，以实现对上述参数的显示、记录和调节。（1）气动差压变送器动差压变送器主要利用了力平衡原理，其敏感元件为膜片或膜盒，主要用于测量液体、气体或蒸汽的压力、差压、流量、液位等物理量。气动差压变送器可将压力信号成比例地转换成20100KPa的统一标准压力信号，送往气动单元组合仪表的调节器或显示仪表进行调节、指示和记录。其杠杆系统形式有三种：单杠杆、双杠杆与失量机构。气动元件及组件常用的气动元件有气阻、气容。常见的组件有阻容耦合组件，
3、喷嘴挡板机构、功率放大器等。气阻：气体流过节流元件时，会受到一定的阻力，这种节流元件叫气阻。其作用是降压和限流。气阻按其结构特点可分为恒气阻和变气阻两类。恒气阻结构有三种：毛细管式、缝隙式和薄壁小孔式，其用符号 或 表示。变气阻结构（常见）：圆锥圆锥型、圆柱圆锥、球圆锥型。其用符号 表示。气阻流量特性指流过气阻的气体流量与其两端压力差之间的关系。根据流量与压差之间关系可分为线性及非线性气阻。气流状态分别为层流和紊流。气阻对气体流动阻碍的程度，一般用气阻值R来定量表示。线性气阻的气阻值气容：凡是在气路中能贮存或释放出气体的气室称为气容。其作用是在气动仪表中起缘冲、防止振荡作用，与电容在电路中的充
4、放电作用相类似。用气容C来定量表示气室贮存空气量的能力。所谓气容是指改变单位压力所需要的气体体积流量气容分为固定气容和弹性气容两种。阻容耦合组件：通常有节流通室和节流盲室。节流通室：是由变气阻，流通气室与恒气阻串联而成的组件。单位时间为流过气阻R1的气体质量流量，必定等于单位时间内流过气阻R2的质量流量：即假设P3通大气，即P0（表压）0则式中为比例系数节流盲室：由一个变气阻和一个气室串联在一起所构成的组件称为节流盲室。若R为线性变气阻，则根据气容的定义式得所以即令，则假设为定值，并令，则该式即为节流音室的特性方程放过程的特性方程：结论：若P为阶跃信号，则P2呈指数曲线变化，P2先快后慢，时，
5、 当t=T时，P2=P1(1-e-1)=0.632P1。T=RC叫做时间常数，它在数值上等于当P1为阶跃变化时，P2上升到0.632 P1时所需的时间。T反映了P2的变化速度，T越大，表示P2变化速度越慢。因为T=RC所以当C一定时只要改变R就可调整P2的变化速度。喷嘴挡板机构：它是由喷嘴和挡板构成的变气阻、一个恒气阻和一个气容串联而成的节流通室，其作用是把输入的微小位移信号转换成相应的气压信号输出，在气路中用符号 表示。喷嘴挡板机构的输出信号（）与输入信号（挡板位移h）之间的关系，即为喷嘴挡板机构的静特性。h与为非线性关系，因此喷嘴挡板机构一般工作在中间区段（相当于为0.0250.13MPa
6、）功率放大器：气动功率是指气体压力与流量的乘积。功率放大器的作用就是将气动信号进行流量和压力的放大。功率放大器一般用符号 表示。按结构原理，功率放大可分为两类：力平衡式和节流式。以节流式功率放大器为例讲述其工作原理。气功差压变送器由测量部分和气动转换部分组成。以单杠杆式气动差压变送器为例讲述其工作原理。输入转换部分：其作用是把被测差压转换成为作用于主杠杆下端的输入力。它由轴封膜片、敏感元件（膜盒或膜片）、C型簧片、基座以及主杠杆组成。正、负压室的被测压力P1、P2作用于膜盒两侧，膜盒将感测到的差压按一定比例转换成相应的输入力F1：制造时故与为线性关系。变送器的静特性单杠杆气动差压变送器方框图以
7、上方框图可简化为由该方框图可得与的关系：，又因为所以即当满足时，单杠杆式气动差压变送器的转换系数。 讨论：a、当时，变送器的整机静特性取决于输入转换部分和反馈部分的持性，要保证变送器的精度，必须要求为常做。b、值越大变送器精度就愈高，反之愈低。提高放大器的放大倍数K可以提高仪表精度。但不宜提高过多，否则变送器输出易产生振荡现象。c、改变比例系数可改变变送器的量程范围，而是由、决定的。量程调整的目的是使变送器输出信号的上限值与测量范围的上限值相对应。变送器的零点调整和零点迁移是通过调零弹簧和零点迁移弹簧进行的。未加零点迁移弹簧的情况，其方框图为：加调零信号后单杠杆气动差压变送器方框图零件过移机构
8、：在实际应用中，差压的测量范围不一定从零开始，有时有一不为零的起始值。调零点的迁移不改变仪表的量程。变送器中进行零点迁移，同时调整仪表量程，可提高仪表的测量精度和灵敏度。已知被测参数的波动范围为40005000Pa，若零点不迁移，需选择量移为05000Pa的变送器，对应输出为20100 KPa。若零点迁移，可选下限为4000Pa、上限为5000Pa的变送器，其量程为1000Pa，若变送器精度同为1.0级，不迁移时基本误差为： Pa仪表灵敏度：迁移后 基本误并为： Pa仪表灵敏度为：迁移后测量精度和灵敏度均提高5倍。零点调整：通过调零弹簧进行。旋动调零螺钉改变副杠杆位移，即改变差动变送器调零弹簧
9、到主杠杆的距离来改变仪表的零位。（2）电的动差压变送器电动差压变送器能将压力信号；成比例地转换成010mA(DDZ型)或420mA(DDZ型) 直流电流统一标准信号，送往调节器或显示仪表进行指示、记录和调节。下面以DDZ型差压变送器为例进行分析。DDZ型差压变送器是两线制安全火花型变送器，主要用于测量液体、气体或蒸汽的差压、流量液位、相对密度等物理量。参照教材P181图4-16讲解其工作原理结构工作原理被测差压信号P1、P2分别进入敏感元件两侧的正、负压室，敏感元件将差压转换为作用在主杠杆下端下的输入力 ，使主杠杆以轴封膜片为支点顺时针偏转,该偏转力矩为，偏转使杠杆以力F1设水平方向推动矢量机
10、构，该力为。矢量机构将F1分解成F2和F3，根据力的平行四边形法则，得 。F2使矢量机构的推板向上运动，并通过连接簧片带动副杠杆以点M逆时针偏转，该偏转力矩为输入力矩。这使固定在副杆上的差动变压器的衔铁靠近差动变压器，两点之间距离的变化量再次通过低频位移检测放大器转换并放大为420mA直流电流Io，作为变送器的输出信号；同时该电流又流过电磁反馈装置的反馈动圈，产生电磁反馈力（电磁反馈装置的转换系数），使副杠杆顺时针偏转。当输入力与反馈力对系统所产生的力矩、达到平衡时，变送器便达到一个新的稳定状态。此时低频位移检测放大器的输出电流Io便反映了所测差压 的大小。DDZ型差压变送器的整机方框图。称为
11、矩量机构电动差压变送器的转换系数。上式说明，在量程一定时，变送器的输出电流与输入信号之间呈线性关系。电磁反馈装置1 首先说明何为反馈、正反馈、分应馈；2 第二陈述电动差压变送器的电磁反馈装置的作用：把变送器的输出电流Io转换成电磁反馈力。3第三讲述电磁反馈装置的结构（参照教材P182图4-17）及工作原量。得出反馈力的计算公式：矩量机构1、组成：由厚金属板及可挠曲的弹性片组成，其传动比用表示。2、工作原理：矩量板的A、C两端经弹性板固定在基座上，斜角为。U型板中央有一I型芯板，其两端分别用弹性板固定在U型板和水平推板上。当力F1作用在水平推板上时，B端对I型芯板施加倾斜拉力F3，同时出现向上的
12、力F2 ：。低频位移检测放大器它是个位移电流转换器。它在整机中的作用最将副杠杆上的位移检测片的微小位移S转换成420mA的直流电流输出。组成：差动变压器、低频振荡器、整流滤波电路及功率放大器所组成。各个组成部分的结构及工作原理不做要求，可自学。 4.1.2防安全栅概念：安全火花是指该火花的能量不足以对其周围介质构成点火源。（1）危险场所的划分按照中国1987年公布的爆炸危险场所电气安全规程的规定，将爆炸危险场所为两咱场所五个级别。第一场所：指爆炸性气体或可燃蒸气与空气混合形成爆炸性气体混合物的场所。0级压域：指在正常情况下，爆炸性气体混合物连续、短时间频繁出现或长时间存在的场所。1级压域：指在
13、正常情况下，爆炸性气体混合物有可能出现的场所2级压域：指在正常情况下，爆炸性气体混合物不能出现，而仅在非正常情况下偶尔短时间出现的场所第二场所：指爆炸性粉尘或易燃纤维与空气混合形成爆炸混合物的场所。10级应域：指在正常情况下，爆炸性粉尘或易燃纤维与空气的混合物可能连续地频繁出现或长时间存在的场所。11级应域：指在正常情况下，爆炸性粉尘或易燃纤维与空气的混合物不能出现，仅在不正常情况下偶尔短时间出现的场所。（2）爆炸性物质的分类、分级与分组分类类物质：矿井甲烷；类物质：爆炸性气体、可燃蒸气；类物质：爆炸性粉尘、易燃纤维。分级与分组爆炸性气体的分级与分组（、类）：在标准试验条件下，按照其最大试验安
14、全间隙和最小引爆电流比分级，按其引燃温度值分组（见教材P181表4-1）。爆炸性粉尘和易燃纤维的分级与分组（类）：按物理性质分级、按其自燃温度分组。（3）防爆仪表的分类、分级和分组防爆仪表的分类、分级和分组与爆炸性物质的分类、分级和分组方法相同，其等级参数和符号也相同。两种防爆结构类型：隔爆型，标志为“d”；本质安全型，标志为“i”。隔爆型特点：仪表的电路和接线瑞子全部置于隔爆壳体中，表壳的强度足够大，表壳结合面间隙足够深，最大的间隙宽度又足够窄。设计措施：采用耐压0.81Mpa以上的表壳，表壳内部的温升不得超过由气体或蒸气的自燃温度所规定的数值，表壳结合面的缝隙宽度和深度应根据它的容积和气体
15、的级别采取规定的数值。注意事项：1不能在道电运行的下打开外壳进行检修或调整。 2对于组别、级别高的易燃易爆气体不宜采用隔爆型防爆仪表。本质安全防爆型特点：在正常状态下和故障状态下，由电路及设备产生的火花能量和达到的温度都不能引起易燃易爆气体或蒸气爆炸的防爆类型。解释何为正常状态、故障状态。两种电路：危险场所中的本质安全电路及非危险场所中的非本质安全电路。在危险场所和非危险场所之间采用防爆安全栅，可使整个仪表系统其有本质安全防爆性能。本质安全防爆系统的性能主要由以下措施求保证：1、首先，本质安全防爆仪表采用低的工作电压和小的工作电流。如正常工作，；故障情况 ，。限制仪表的R、L、C参数大小，保证在正常、故障条件时产生的火化能量不足以点燃爆炸性混合物。2、其次用防爆安全栅
