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1、 变送器是单元组合仪表中不可缺少的基本单元之一。变 送器的任务是把各种非电量的工艺参数(如压力、流量 、温度、液位等),变换成统一标准信号,然后根据系 统的需要,传送到有关单元控制和显示或记录。变送单元根据被测参数的不同,可分为压力变送器、差 压变送器、液位变送器和温度变送器等。根据能源来分,有气动变送器和电动变送器,下面我们 先介绍气动变送器。 第五节 压力、差压变送器(一)气动仪表基本元部件气动仪表中常遇到的元件及组件: 1气阻:在气动单元组合仪表中,如同电子线路中“电 阻”的作用一样,气阻在气动管路中起着压力降和改变 气体流量的作用。气阻按其结构,可分为恒气阻与可调气阻两类。 恒气阻:在
2、气动单元组合仪表中称为恒节流孔。即流通 截面积不能调整的节流元件,在气路中恒气阻用下列符 号表示。压力、差压变送器(续)气动仪表基本元部件(续)恒气阻的结构一般有三种形式,如下图所示。可调气阻:即流通截面积可以调整、气体通过时压力降 可以改变的节流元件。在气路中可调气阻用下列符号表示。在气动单元组合仪表中是个关键元件。通过它可以整定微 分时间、积分时间、比例度和配比值。可调气阻的结构形式很多,常见的结构形式如图所示 气动仪表基本元部件(续)气阻对空气流动的阻碍程度,一般用气阻R来定量的表 示。气阻值的大小等于每增加单位质量流量的气体所需 要增加的压力差,即:式中: P 气阻前后的压降;M 流过
3、气阻的质量流量;R 气阻值。 气动仪表基本元部件(续)2气容 凡是气体流过时,能储存或放出气体的气室称为气容。气 容在气动仪表中起缓冲、防止振荡的作用。气容在数值上定义:使气室内压力增加或减少单位数值, 所需要增加(或减少)的空气量。可表示为在气动仪表中很少单独使用气容,往往与气阻组成阻容藕 荷组件 气动仪表基本元部件(续)3、节流通室 由一个变气阻、一个气容和一个恒气阻串联而成的组件 叫节流通室。如图所示。 在稳定的状态下,单位时间内流过气阻R1的流量M1,应等 于单位时间流过气阻R2的流量M2。由于所以 节流通室示意图气动仪表基本元部件(续)当P3通大气,即P3(表压)= 0 上式整理可得
4、式中 可见,当可调气阻R1一定时,即K为定值时,P2随P1成比例变化。改变R1的阻值,就可以改变P1与P2的比例关系。 气动仪表基本元部件(续)4喷嘴挡板机构 喷嘴挡板机构是气动仪表中的气动控 制元件,也是最基本的元件之一,一般用下面符号表示 。喷嘴挡板机构是由恒气阻、 气容和喷嘴挡板构成的变气阻 串联而成的节流通室, 其机结构如右图所示喷嘴后的气容称为喷嘴背压室,室内压力称为喷嘴背压P背,此压力即为喷嘴挡板机构的输出压力。 压缩空气(约0.14MPa)作为气源,经恒气阻进入背压室 后,再由喷嘴挡板间隙排出(一般排入大气)。气动仪表基本元部件(续)气动仪表基本元部件(续)气流经过恒气阻时,由于
5、恒节流孔孔径很小(一般为 0.150.3mm),它将对压缩空气的流动造成很大的阻力 ,只是很少流量的气流通过恒节流孔进入背压室。而背压 室中的压力是随喷嘴挡板间的相对位移而变化的。当挡板 靠近喷嘴时,气阻增大,背压室内的气体不易排出,则P背上升;反之,挡板离开喷嘴时,气阻减小,由于喷嘴内径(一般为0.81.2mm)比恒节流孔径大,所以压缩空 气很自由地跑到大气中,则P背下降。因此喷嘴挡板间的 距离h不同,就有不同的P背,从而完成了挡板的微小位移 转换成气压信号的任务。喷嘴挡板间的距离h与背压室内的压力P背间的关系一般由实 验求得。特性曲线如图所示。从特性曲线可以看出,曲线不 够陡,也不直,即喷
6、嘴挡板机构的灵敏度与线性均不好。常 常只用中间ab段。在此段,挡板位移h与P背的变化比较符 合线性规律,并且斜率也较陡。在此段内各点均有较稳定的 放大倍数,机构工作既灵敏又稳定. 与曲线a至b这一段相应 的位移hbha,一般只有百分只几毫米。压力变化范围PaPb只有0.008MPa,但经放大器放大10倍后,输出压力在0.020.1MPa范围内变化。 气动仪表基本元部件(续)5功率放大器利用喷嘴挡板机构,可以将挡板微小的位移量转换成相 当大的喷嘴背压P背,而且在一定的工作范围内,两者近 似成线性关系。在输出气压之前,要先把背压进行功率放大(压力和流 量都放大),使它变为标准统一信号并有足够的功率
7、将 信号远传。因此,功率放大器是气动仪表的主要部件之一,功率放大器一般用符号表示。 气动仪表基本元部件(续)耗气型功率放大器原理图1一阀杆; 2一膜片: 3一弹簧片:4一球阀耗气型功率放大器:主要由金属膜片2、阀杆1、弹簧片3和球阀4组成。阀杆的 上下端各构成一个变气阻。一个是圆球圆柱形,一个是圆 锥圆柱型组成的节流通室。功率放大器的输入是喷嘴背压 室的压力。而通室B中的压力就是功率放大器输出的压力。气动仪表基本元部件(续)通室压力的变化取决于两个变节流阀的开度比。当挡板靠近喷嘴时,背压增大,作用于金属膜片2上的压力 就增大。因此,通过金属膜片2对阀杆产生的推力就增大, 阀杆向下位移。使球阀开
8、大,锥阀关小,改变了两个变节流 阀之间的开度比,即决定了放大器的输出。因为锥阀的变小 ,C气室的排气量减少。球阀的打开使气源由A室大量进入B 室,由于排气量减少,进气量增加,所以B气室的输出气压 增加。反之,如背压减少,阀杆上移,关小进气球阀开大排气锥阀 ,故B室的输出气压降低。气源A室与输出B室之间仅有一个球阀控制,只要球阀一微小 的位移,就可保证有足够的气量从A室进入B室,输出由B室 引出。这个气流输出量大大地超过了进入D室的气流量,实 现了气流量的放大,同时把背压也放大了约610倍。气动仪表基本元部件(续)(二)气动压力变送器压力变送器的作用是,连续测量生产过程中各种液体、 蒸汽和气体压
9、力,并把这一压力成比例地转换成统一的气 压信号(0.020.1MPa),送至有关的气动单元仪表, 以实现压力的显示和调节。压力变送器可分为测量表压的普通压力变送器和测量绝对 压力的绝对压力变送器。1基本原理:气动压力变送器,是根据力矩平衡原理工 作的。它是由测量部分和气动转换部分组成。前者接受被 测压力,并将其转换成力;后者将此力再转换成0.02 0.1MPa的气压信号。压力变送器测量部分的测压敏感元件根据所产生测量力 的范围而定。常用的有下列几种:气动仪表基本元部件(续)(1)波纹管式波纹管式用来测量低压力(02.5MPa)的敏感元件一般 采用黄铜或不锈钢制成的波纹管,其结构原理如图所示。
10、当被测压力通入测量室时,波纹管产生一轴向推力,经测 量波纹管转换成测量力,通过推杠作用在主杠杆上,传递 到气动转换部分。波纹管式1-测量波纹管;2测量室 3推杆;4螺帽;5主杠杆 6出轴膜片 气动压力变送器(续)(2)弹簧管式测量中、高压(2.510MPa、1060MPa)的敏感元 件一般采用铬钒钢制成的弹簧管,其测量部分的结构原 理如图所示。当被测压力P进入弹簧管内时,弹簧管末 端便产生一径向力,这个力经过拉杆传递到气动转换部 分的主杠杆上。弹簧管式 1弹簧管;2推杆;3主杠杆 4-出轴膜片;5支架;6-螺帽 7壳体 气动压力变送器(续)(3)双波纹管真空补偿式双波纹管真空补偿式,用来测量绝
11、对压力,测量部分结 构原理如图所示。它是由安装在同一轴线上有效面积相 同的两个不锈钢波纹管组成,波纹管1为测量波纹管,波 纹管2为补偿波纹管,预先抽成真空,然后密封。其工 作原理如下。双波纹管式 1测量波纹管;2补偿波纹管 3推杆;4主杠杆气动压力变送器(续)由于两个波纹管的有效面积相同,即A1 = A2,当被测的 绝对压力P1进入测量波纹管1时,在被测压力P1与大气压 力P2的差压作用下,测量波纹管底部产生一个推力F1, 其值为: F1P 1 A 1P 2 A 2 由于补偿波纹管内部已抽成真空,所以它仅仅受到周围 大气压力P2的作用,在它的底部所产生的轴向压缩力:F 2 = P2A2因此,作
12、用在主杠杆4上的合力(即测量力)为:FF.1F.2P1A1P 2 A 2P 2 A 2P 1 A 1从上式可以看出,测量力F与被测绝对压力P1成正比, 而与大气压力无关,故测得的压力为绝对压力。补偿了 由于大气压力变化而引起的测量误差。 气动压力变送器(续)气动压力变送器(续)2单杠杆压力变送器 单杠杆压力变送器是根据力矩平衡 原理工作的。被测压力P通过弹性元 件转换为测量力F1,作用在主杠杆的 下端,对支点(即密封膜片)产生 一个顺时针方向的力矩M1,使主杠 杆作顺时针方向偏转。主杠杆上端 的挡板靠近喷嘴,引起喷嘴背压增 加,此压力经过功率放大器放大后 作为P出输出。变送器输出也进入反 馈波
13、纹管内,并产生一个反馈力F2, 由于反馈力的作用使主杠杆对支点 产生一个逆时针方向力矩M2,这样 ,主杠杆上作用着两个力矩.单杠杆压力变送器(续)主杠杆上作用着两个力矩,即由测量部分产生的 顺时针方向力矩M1和由反馈波纹管产生的逆时针 方向力矩M2,这两个力矩决定着主杠杆的运动状 况。当两者相等时,主杠杆就处于平衡状态,喷 嘴挡板间的距离就不再改变。这时,就有一个与 压力P相对应的气压信号P出输出。根据力矩平衡原理推导出P出与P的关系。 假定反馈波纹管的有效面积为A2,波纹管内的压力为P出, 则有反馈力F2为:F2P出A2 (1) 同理测量力F1可以写成F1PA1 (2) 式中 P被测压力A1
14、-决定于弹性元件特性的一个系数。假定测量力F1离支点的距离为l1,反馈力F2离支点的距离 l2,则作用在主杠杆上的两个力矩分别为M1F1 l1 =PA1 l1 (3)M2F2 l2=P出A2l2 (4) 单杠杆压力变送器(续)当M1M2时,则有PA1l1P出A2l2 (5)(6)由此可见,根据上述力矩平衡关系,A1、A2近似常数,l1 是恒定不变的,而l2调整到某一固定值,主杠杆平衡时, 变送器输出信号P出与输入压力P之间具有固定的一一对应 的比例关系。若令 (7) 则(6)式可写成 P出K1P (8) 式中K1称为单杠杆压力变送器的放大系数,改变K1就可改变 变送器的测量范围。单杠杆压力变送
15、器(续)当变送器结构确定后,A1、A2、l1都是固定的,要 改变K1唯一可变的是l2。l2可以通过移动量程支点( 即反馈波纹管的支点)来改变。当l2变大(负反馈 力矩变大)时,则K1变小,在输出范围(0.02 0.1MPa)相同时,量程就可以变大;反之,l2减小 ,K1值就增加,量程就变小。当量程支点移到主杠 杆的最上端时,l2增至最大,K1最小,变送器达到 它的最大量程。要使这种变送器的最大和最小量程之比越大,主杠 杆就应越长。主杠杆过长,一方面影响变送器的精 度;另一方面使仪表体积变大。所以,单杠杆压力 变送器的最大和最小量程之比不能太大(一般为 6.25),这是它的缺点。为了提高量程的可变范围 ,可以采用双杠杆压力变送器。单杠杆压力变送器(续)(三)力平衡式电动差压变送器力平衡式电动变送器是DDZ-型表,采用 了420mA DC的信号制,可使电源及信号传 递共有二根线,构成二线制变送器,同时24V 电源供电提高了安全性。变送器量程调整方便,可采用更换动圈抽头和 改变矢量角的办法调整量程,比改变杠杆活动 支点的方法方便