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1、第二节 船用自动化仪表基本知识ST本章主要内容本章主要内容 ：气动仪表主要元部件及主要环节气动仪表主要元部件及主要环节 气动变送器气动变送器气动显示仪表气动显示仪表气动调节器气动调节器执行机构及气动仪表管理要点执行机构及气动仪表管理要点 o自动化仪表基本知识o1、组成自动控制系统的各种仪表： 变送器、显示仪表、调节器、执行机构及辅助仪表等。o2、分类： 按结构：基地式仪表：测量仪表、显示仪表、调节器组装成一个整体。不用统一信号。 单元组合式仪表：控制系统的各种功能都分别用独立仪表来实现，并统一信号。 按能源：电动调节仪表（信号4-20mA或0-10mA）、气动调节仪表（0.02-0.1MPa，
2、1MPa=10公斤）船用自动化仪表一、自动化仪表的主要品质指标一、自动化仪表的主要品质指标 实际应用中，仪表测量值与真实值之间总是存在一实际应用中，仪表测量值与真实值之间总是存在一定差别，习惯上成为误差。定差别，习惯上成为误差。o误差：测量值与真值之间的差别1、按误差性质基本误差：仪表本身缺陷造成（间隙、摩擦、刻度不均或分度不准）附加误差：仪表使用条件的影响（环境温度、湿度、振动）2、按数值表示 绝对误差：又称指示误差，被测量值A与真值A0之差=A-A0；不能完全反应仪表的精度。 相对误差：绝对误差占指示值的百分数，能反应仪表精度。 4、精度：最大指示误差max占量程（最大测量范围）的百分数精
3、度等级0：精度除掉百分号（0.1，0.2，0.35级用于标准仪表）5、灵敏度：仪表对输入信号开始有反应的灵敏程度x：输入变化量y：输出变化量 仪表的灵敏度越大，越能测出微小的输入变化。所以，一般小量程仪表的灵敏度比大量程的灵敏度大。6、 不灵敏区不灵敏区：仪表活动部件的摩擦、间隙、弹性元件的滞后使输入信号有微小变化而输出仍然不变。 灵敏限灵敏限：引起仪表输出微小变化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） 变差变差：外界条件不变，多次从不同方向输入同一真值，仪表指示值之间的最大误差（即仪表在同一测量点，其正行程和反行程指示值之差）。 所以：不灵敏区用输入量的变化表示，而
4、变差以输出量的变化表示。仪表的不灵敏区、灵敏限、变差二、 气动仪表的主要元部件及组成原理ST1、弹性元件：位移随外力大小成比例变化，比例系数取决于元件的弹性大小，与输入输出无关。1、弹性支承元件：用于支撑平衡或增强弹性敏感元件的刚度2、弹性敏感元件：将承受的压力、轴向推力转变成位移信号 螺旋弹簧螺旋弹簧 片簧片簧非金属膜非金属膜 金属膜片金属膜片波汶管波汶管FP（一）、主要元部件：（一）、主要元部件：弹性元件、节流元件、气体容室、喷嘴弹性元件、节流元件、气体容室、喷嘴挡板机构和功率放大器挡板机构和功率放大器等等F弹簧管弹簧管膜盒膜盒弹性敏感元件P：输入波纹管的气压信号Fe:波纹管的有效面积 E
5、:波纹管和支撑弹簧的总刚度S：输出量、波纹管的位移波汶管波汶管膜片 弹簧管o（1） 弹性特性 弹性元件在弹性变形范围内，其变形与作用力成正比。 F=C F轴向力 位移 C弹性元件的刚度o刚度大则同样外力产生的变形位移小，即灵敏度低弹性元件的基本特性：弹性特性及有效面积o（2） 有效面积 弹性元件的输出力与承受力之比。 对于气室中承受压力的弹性元件，其有效面积一般不等于其截面几何面积，如：膜片的有效面积小于其几何面积； 波纹管的有效面积大于其顶面几何面积。面积在弹性变形范围内，其变形与作用力成正比。o支承元件：螺旋弹簧，片簧等 用于支承、平衡或增强弹性敏感元件的刚度、调整的弹性敏感元件初始位置。
6、o特点：刚度大、灵敏度较大。对轴向推力变化反应敏感。弹性元件的分类： 弹性支承元件、弹性敏感元件 弹性元件的压缩变形比拉伸变形具有更好的线性关系，实际使用波纹管时常采用预压缩的方法。o敏感元件敏感元件:膜片，波纹管，弹簧管，膜盒膜片，波纹管，弹簧管，膜盒 将承受的压力转换成位移信号。将承受的压力转换成位移信号。o特点：刚度小、灵敏度较大。对轴向推力变化反应敏感。P1P2膜盒膜盒压力表工作原理被测量介质的压力从接头进入膜盒内腔，波纹膜盒在被测介质的压力作用下，产生相应的弹性变形受压而产生位移，通过连杆机构带动机芯齿轮旋转，指针指示出被测压力值在表盘上指示出来 ST2、节流元件：作用阻碍气体流动、
7、产生压降、改变流量 恒节流孔式（毛细管式和小孔式）： 流通面积不变恒气阻 变节流孔式（圆锥-圆锥型、圆锥-圆柱型、圆球-圆锥型）：流通面积可调可调气阻（调整比例带、积分时间、微分时间） 常用变节流孔组成变节流阀气阻R：节流元件对气体流动阻碍作用的大小，恒节流孔内径不能改变，气阻不能改变。流量G压降P恒节流孔圆锥-圆锥型圆柱-圆柱型圆球-圆锥型符号：G特点： 输入量为气体流量，输出量为气容气压3、气体容室、气体容室 ：储存或放出气体，对压力变化起惯储存或放出气体，对压力变化起惯性作用性作用定容气室积分气容C：气体容室内，每升高一单位的压力所需的空气质量。弹性气室微分：在空腔中加入波纹管，其气室体
8、积随波纹管压力的变化而变化P0Pp气容不变 气容改变 弹性气室在充放气过程中气容是变化的。ST4、喷嘴挡板机构：把挡板微小的位移转换成相应的气压信号。背压室 输出压力P随喷嘴挡板的开度h成比例变化喷喷 嘴嘴 挡挡 板板 机机 构构 结结 构构 示示 意意 图图1）结构：恒节流孔恒节流孔背背 压压 室：恒节流孔与室：恒节流孔与喷嘴的气室喷嘴的气室喷喷 嘴：喷嘴轴嘴：喷嘴轴心与挡板垂直。心与挡板垂直。挡板与喷嘴具有挡板与喷嘴具有良好密封性良好密封性挡挡 板板不同挡板开度不同挡板开度对应不同的背对应不同的背压室压力压室压力气源喷嘴孔径喷嘴孔径D 恒节流孔直径恒节流孔直径d0.14MPahdD0.10
9、MPa0.02MPa1022h(um)MPa喷嘴挡板机构的静特性喷嘴挡板机构的静特性Ph2）喷嘴挡板机构的静特性：背压室压力p (输出量)与挡板开度h(输入量)之间的一一对应关系ab0.14MPa 挡板全关（挡板全关（h=0），背压室输出压力），背压室输出压力接近气源压力；接近气源压力； 挡板全开（挡板全开（hD/4），背压室输出压），背压室输出压力接近大气压力。力接近大气压力。ab段是静特性曲线的线性段（陡）对应段是静特性曲线的线性段（陡）对应输出压力输出压力0.020.10MPa作为工作段作为工作段 P=K1h K1 :ab两点间的平均斜率两点间的平均斜率P：背压室压力的变化：背压室压力的
10、变化h：挡板开度的变化：挡板开度的变化5、气动功率放大器 喷嘴挡板 机构输出流量小，压力信号衰减大，难推动执行机构。 需要串联气动功率放大器。非耗气型功率放大器（流量放大）1、2-橡胶膜片；3-弹簧；4-锥形弹簧；5-阀杆；6-球阀座；7-锥阀座输入气源输出DCBA46123570.14MPa大气大气1、只放大流量耗气型：对输入信号成比例放大（流量、压力放大）气源气源气源气源0.14MP0.14MPa a 1、输入信号、输入信号Pd=大气压力时，金属膜片2与阀杆之间存在间隙Sb 当当Pd增大到P0时，间隙S=0即视图I2、当Pd由P0继续增大到Pa时需克服弹簧片3的预紧力及气源对球阀的作用力，
11、膜片2与阀杆均不产生位移。即视图II/33、只有Pd大于Pa时，放大器工作在斜率III（放大器的工作段）输出输出输入气源输入气源Pd锥阀（控制排气量）球阀4： 控制进气量 大气压力大气压力A BC金属膜片2（设定有效面积F，则膜片承受的轴向推力： Pd * F ）弹簧片3 输入压力Pd增大克服金属膜片2和弹簧片3的张力使阀杆下移，球阀开大锥阀关小导致B室压力增大，空气流量增大：因此阀杆位移S决定放大器输出压力的大小STIIIIIISPdFP0Pa（起步压力）2）输出特性 ：推力与膜片位移的关系 A起步压力I：克服金属膜片与阀杆之：克服金属膜片与阀杆之间存在的初间隙间存在的初间隙Sb，金属膜金属
12、膜片下移使间隙减小直到输入片下移使间隙减小直到输入压力压力Pd=P0时，间隙为时，间隙为0。II：克服弹簧片及气源对：克服弹簧片及气源对球阀的作用力，输入增加，球阀的作用力，输入增加，但膜片无位移但膜片无位移。III：放大器的工作段，：放大器的工作段，B点始点始阀杆下移，开大球阀关阀杆下移，开大球阀关小锥阀，放大器开始有输出。小锥阀，放大器开始有输出。B注意：注意：A转折点，取决于金属膜片的刚度以及初间隙的大小转折点，取决于金属膜片的刚度以及初间隙的大小B起步压力，取决于弹簧片及气源对球阀的作用力起步压力，取决于弹簧片及气源对球阀的作用力该工作段，阀杆位移量该工作段，阀杆位移量S正比于输入压力
13、正比于输入压力变化量变化量Pd，放大器的输出压力变化量放大器的输出压力变化量P出出与阀杆位移量与阀杆位移量S成比例，所以：成比例，所以：P出出=K2 Pd请思考请思考:放大倍数放大倍数K2的影响因素？金属膜片有效的影响因素？金属膜片有效面积、弹性组件刚度、放大器的结构因素面积、弹性组件刚度、放大器的结构因素第二第二阶段：段：当当Pi P0 时，由于，由于Pi FPaF后，后，阀杆开始有位杆开始有位移。移。 SS00P0FPaFPiF 第一第一阶段：段：Pi =大气大气压力力时，膜片，膜片与与阀杆端有一定杆端有一定间隙隙S0 ，当当Pi 时，使，使S0。当当Pi = P0 时，S0=0（膜片正好
14、与膜片正好与阀杆接触），杆接触），这一段一段阀杆无位移杆无位移o气动调节仪表中，气动功率放大器分两种，一种是耗气型功率放大器，一种是非耗气型功率放大器。 耗气型功率放大器和非耗气型功率放大器的相同点是：它们都是功率放大器，在气动仪表中用得都很广泛。 耗气型功率放大器和非耗气型功率放大器的不同点如下。 （1）非耗气型放大器是基于力平衡原理工作的。稳定时，输入信号（背压）产生的力和输出信号产生的反馈力相平衡，放大系统有反馈作用，呈闭环式；工作时，两个活门基本上都处于关闭状态，耗气量很小，故称非耗气式功率放大器。 （2）耗气型放大器是基于位移平衡原理工作的。输入信号（背压）作用于膜片，使其产生位移，
15、再以膜片位移和刚度的乘积，即弹性元件的弹力与输入力相平衡，所以这种放大系统呈开环式。稳态时，两个活门都有一定的开度，总有一部分空气排大气，故称耗气型功率放大器。 （3）非耗气型放大器的压力不进行放大，耗气型放大器的压力、流量都进行放大。 气动仪表的组成原理设定值反馈值K -H反馈环节比较环节放大环节：要求具有较高的灵敏性和足够大的的功率输出PsrPEPsc+二、气动仪表的基本环节二、气动仪表的基本环节 气动仪表有三个环节：放大气动仪表有三个环节：放大(信号放大信号放大)、反、反馈（实现不同的调节作用规律）、比较（输入与馈（实现不同的调节作用规律）、比较（输入与反馈信号比较）反馈信号比较） 放大
16、环节放大环节：喷嘴挡板机构（一级）输出端串联气动功率放大器（二级）喷嘴挡板机构（一级）输出端串联气动功率放大器（二级） 气动功率放大器的起步压力：放大器输出信号气动功率放大器的起步压力：放大器输出信号0.02-0.1MPa，最大变化量，最大变化量0.08。对应放大器最小输出压力。对应放大器最小输出压力0.02MPa对应对应放大器的输入压力（即放大器的输入压力（即喷嘴挡板机构的输出值喷嘴挡板机构的输出值就是放大器的起步压力。就是放大器的起步压力。 起步压力的调整：使放大器工作在喷嘴挡板机构静特性起步压力的调整：使放大器工作在喷嘴挡板机构静特性曲线曲线很小范围、最接近线性的很小范围、最接近线性的部
17、分（斜率最大的中间段）。部分（斜率最大的中间段）。 调整方法：调换刚度不同的金属膜片，改变弹簧片的预调整方法：调换刚度不同的金属膜片，改变弹簧片的预紧力。（刚度越大、预紧力越大，则起步压力越大）紧力。（刚度越大、预紧力越大，则起步压力越大）1、放大环节气源气源气源气源0.14MP0.14MPa a 二级气动功率放大器二级气动功率放大器输出输出输入输入锥阀（排大气量）球阀：B室 进气量 大气ABC金属膜片弹簧片 变节流孔最陡线性度最好精度高灵敏度好稳定性好2、启动仪表的反馈环节（1）节流分压器：又称节流通室，由可调气阻）节流分压器：又称节流通室，由可调气阻R 流通气室及恒节流孔串联组成流通气室及
18、恒节流孔串联组成P0流通气室P1P2 阻值R可调气阻可调气阻RF（变节流孔）恒节流孔恒节流孔两个气阻工作在层流状态，层流（laminar flow）是流体的一种流动状态，它作层状的流动。流体的流速在管中心处最大，其近壁处最小。在稳定状态下，可调气阻的流量G1=恒节流孔的流量G2,则P1=K*P0即P1随P0成比例变化。 RF=0（全开），（全开），K=1 RF（全关），（全关），k0改变节流阀的可调气阻，使改变节流阀的可调气阻，使K在在0-1之间变之间变化。化。节流分压器可以调整 （调节器）的比例带。（2）节流盲室）节流盲室积分环节积分环节类似于控制对象的动态特性：输入突变时，输出的变化滞后于
19、输入的变化，并按指数规律趋近于输入值。组成：在节流元件（使流通面积局部收缩）后面串联一个定组成：在节流元件（使流通面积局部收缩）后面串联一个定容气室容气室C（盲室）（盲室）输入输入Pi， 输出输出P0进入盲室的空气流量进入盲室的空气流量G=流经气阻的流量，流经气阻的流量，即即T=RC，T是该环是该环节的时间常数。节的时间常数。因为因为T=CR,气容气容C固定不变固定不变 调整调整R改变时间改变时间常数：常数：R=0（全开），积分时间小，输出变化快（全开），积分时间小，输出变化快R（全关），积分时间长，输出变化慢（全关），积分时间长，输出变化慢p0piR节流盲室Psr输出PscR0PscPsrt
20、比例输出部分惯性环节输出部分（3）比例惯性环节）比例惯性环节比例微分比例微分弹性气室波纹管EPsc由弹性气室、波纹管、可调气阻组成由弹性气室、波纹管、可调气阻组成 输入阶跃上升，弹性气室中的波纹管立即伸长，输入阶跃上升，弹性气室中的波纹管立即伸长，排挤弹性气室的气体使输出立即升高（比例环节）；排挤弹性气室的气体使输出立即升高（比例环节）；而经过可调气阻是缓慢向弹性气室充气，使输出在比而经过可调气阻是缓慢向弹性气室充气，使输出在比例输出的基础上缓慢增加，直到输出与输入相等（例输出的基础上缓慢增加，直到输出与输入相等（ Psc = Psr ），波纹管，波纹管E恢复原状。恢复原状。 实现比例微分作用
21、。通过可调气阻对微分时间进实现比例微分作用。通过可调气阻对微分时间进行调整。行调整。注意：弹性气室实现比例作用，而可调气阻实现微分作用。比例惯性环节作为反馈环节，实现调节器比例微分作用。3、比较环节输入信号与反馈信号始终进行比较，指挥挡板开度变化，直到反馈信号对输入信号与反馈信号始终进行比较，指挥挡板开度变化，直到反馈信号对挡板的作用与输入信号对挡板的作用与输入信号对挡板开度挡板开度的作用相平衡，输出才能稳定。的作用相平衡，输出才能稳定。比较环节的平衡作用原理：比较环节的平衡作用原理：位移平衡：输入信号与反馈信号使挡板开度的变位移平衡：输入信号与反馈信号使挡板开度的变化平衡化平衡力平衡：输入信号与输出信号对挡板的作用力效力平衡：输入信号与输出信号对挡板的作用力效应平衡应平衡力矩平衡：输入信号与输出信号对挡板产生的力力矩平衡：输入信号与输出信号对挡板产生的力矩平衡矩平衡前两周轮机自动化作业（下周三上交）1、反馈控制系统的组成，评价反馈控制系统的指标。2、画出柴油机汽缸冷却水温度控制过程示意图并说明工作过程。3、气动仪表的主要元部件及组成原理。4、画图说明气动仪表中常用的三个反馈气路。
