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1、3-1 气动仪表基本知识3-1 3-1 气动仪表基本知识气动仪表基本知识 一、气动仪表的基本元件一、气动仪表的基本元件 包括：包括：弹性元件、节流元件、气室、喷咀档板机构和功率放大器弹性元件、节流元件、气室、喷咀档板机构和功率放大器 1 1弹性元件弹性元件 分两类：分两类：弹性敏感元件弹性敏感元件 将所受的压力或轴向推力转变成位移信号。将所受的压力或轴向推力转变成位移信号。 包括波纹管、金属膜片和膜盒、弹簧管、橡胶膜片等包括波纹管、金属膜片和膜盒、弹簧管、橡胶膜片等 弹性支承元件弹性支承元件 用用于于增增加加弹弹性性敏敏感感元元件件的的刚刚度度，确确定定弹弹性性敏敏感感元元件件的的初初始位置及
2、仪表调零等。始位置及仪表调零等。包括柱簧、片簧等包括柱簧、片簧等常用弹性元件常用弹性元件（1 1）刚度和灵敏度）刚度和灵敏度 刚度刚度E E弹性元件产生单位位移变形所需的轴向力，表弹性元件产生单位位移变形所需的轴向力，表示弹性元件的软硬程度。示弹性元件的软硬程度。 E=N/SE=N/S 灵敏度灵敏度单位外力作用下，弹性元件所产生的位移单位外力作用下，弹性元件所产生的位移变形，即：变形，即： =1/E=1/E 弹性元件的刚度弹性元件的刚度EE灵敏度灵敏度 在在气气动动仪仪表表工工作作范范围围内内，弹弹簧簧管管、波波纹纹管管、金金属属膜膜片片或或膜膜盒盒的的位位移移与与推推力力近近似似为为线线性性
3、关关系系，即即E=E=常常数数，而而橡橡胶胶膜膜片片在在小的工作范围时，小的工作范围时，E0E0。（2 2）弹性灵敏元件的有效面积）弹性灵敏元件的有效面积F Fe e N=PN=PF Fe e F Fe e 有效面积有效面积 一般一般F Fe e几何面积几何面积DD2 2/4/4，通常通常F Fe e 几何面积几何面积 在在弹弹性性元元件件的的弹弹性性范范围围内内，通通常常F Fe e = =常常数数，实实际际应应用用中中对弹性元件的处理：对弹性元件的处理： 在安装波纹时，采用预压缩方法在安装波纹时，采用预压缩方法 金属膜片制成波纹状；金属膜片制成波纹状； 采用多圈弹簧管。采用多圈弹簧管。 橡
4、胶膜片制成波纹状，中间加硬芯橡胶膜片制成波纹状，中间加硬芯增大刚度增大刚度 橡胶膜片多用于有无气压信号的瞬间动作橡胶膜片多用于有无气压信号的瞬间动作可增大可增大线性使线性使用范围用范围2 2、节流元件、节流元件 节流元件节流元件用以阻碍气体流动，产生压力降或改变用以阻碍气体流动，产生压力降或改变空气流量空气流量 表示节流元件特性的参数：表示节流元件特性的参数： 气阻气阻R R气体在节流元件两端产生的压降与气体流量气体在节流元件两端产生的压降与气体流量间的关系。表示节流元件对气体流动阻碍能力的大小。间的关系。表示节流元件对气体流动阻碍能力的大小。 若节流孔中为层流流动，则：若节流孔中为层流流动，
5、则： R=P/G R=P/G 或或 P=GP=GR R 节流元件的种类节流元件的种类恒节流孔和变节流孔恒节流孔和变节流孔（1 1）恒节流孔）恒节流孔恒气阻或固定气阻恒气阻或固定气阻 毛细管式毛细管式d=0.180.3mmd=0.180.3mm的不锈钢或玻璃钢管的不锈钢或玻璃钢管 小孔式小孔式长长4 4mmmm，孔径有孔径有0.250.25、0.30.3、0.50.5几种规格。几种规格。 （2 2）变节流孔）变节流孔流通面积（气阻流通面积（气阻R R）可调整。可调整。 圆锥圆锥圆锥型圆锥型 常见形式常见形式 圆柱圆柱圆锥型圆锥型 圆球圆球圆锥型圆锥型 用途：用变节流孔组成变节流阀用途：用变节流孔
6、组成变节流阀 用于调整比例带，积分时间和微分时间用于调整比例带，积分时间和微分时间3 3气体容室（气容）气体容室（气容） 作用：作用：在气路中能贮存或放出气体在气路中能贮存或放出气体 对压力变化起惯性作用。对压力变化起惯性作用。 种类：种类：定容气容定容气容气室容积是固定的。气室容积是固定的。 弹性气容弹性气容气室容积随压力而变。气室容积随压力而变。 气容气容C C：气体容室内每升高单位压力所需增加的空气量，表示气容气体容室内每升高单位压力所需增加的空气量，表示气容 贮存空气能力大小。贮存空气能力大小。 C=dm/dPC=dm/dP 气容气容C C的大小取决于气容的体积的大小取决于气容的体积V
7、 V，VV升高单位压力所需的升高单位压力所需的空气量空气量贮存空气能力贮存空气能力气容气容CC 对于定容气室：对于定容气室：C=C=常数；常数； 对于弹性气室：对于弹性气室：V V可变，可变，CC常数。常数。 ppmm气体容室储蓄特性气体容室储蓄特性 由：由： 所以：所以：则传递函数为：则传递函数为： 4 4、喷咀档板机构、喷咀档板机构组成组成恒气阻恒气阻( (横节流孔横节流孔1 1）+ +背压室背压室2+2+喷咀档板（喷嘴喷咀档板（喷嘴3+3+挡板挡板4 4）串联而成）串联而成 作作用用将将档档板板相相对对于于喷喷咀咀的的微微小小位位移移转转换换成成相相应应的的气气压信号，相当于变气阻单元。
8、压信号，相当于变气阻单元。 是气动仪表最基本最精密的元件是气动仪表最基本最精密的元件 是一放大系数很大的放大环节。是一放大系数很大的放大环节。喷咀档板机构静特性喷咀档板机构静特性 在稳定工况时背压室的输出压力在稳定工况时背压室的输出压力P P与档板位移与档板位移h h之间的关系之间的关系 当档板盖住喷咀时（当档板盖住喷咀时（h=0h=0），），理论上应有理论上应有P=PP=P0 0=0.14MPa=0.14MPa。实际上由于加工精度实际上由于加工精度限制（漏气）使限制（漏气）使P P略略低于低于P P0 0 当当档档板板离离开开喷喷咀咀一一定定距距离离时时，h h的的变变化化将将不不再再引引起
9、起压压力力P P的的变变化化。档档板板与与喷喷咀咀间间形形成成的的气气流流出出口口是是一一小小圆圆柱柱侧侧面面的的形形状状，当当其其面面积积dd2 2h=h=咀咀孔孔流流通通面面积积dd2 22 2/4/4时时，档档板板不不再再起起节节流流作作用用这这时时h=dh=d2 2/4/4 当当hdhd2 2/4/4时时，理理论论上上P=PP=Pb b（大大气气压压力力），但但实实际际上上由由于于气气流流对档板的冲量作用，使对档板的冲量作用，使P P偏高于大气压力偏高于大气压力 当当h=0h=0d d2 2/4./4.时时，hPhP，呈呈非非线线性性关关系系，但但在在喷喷咀咀档档板板机机构构的的工工作
10、作范范围围（P=0.02 P=0.02 0.1MPa0.1MPa）内内，即即a ab b段段可可近近似当成线性关系，这样有：似当成线性关系，这样有： P=KP=K1 1h h 是一比例环节。是一比例环节。 K K1 1 abab段的平均斜率。段的平均斜率。自学教材自学教材P95P95：2323、2424、2626、2727、3232、4343、4444、4545、4646、6161、7878 5 5、气动功率放大器、气动功率放大器 喷咀档板机构中，恒节流孔径很小（喷咀档板机构中，恒节流孔径很小（d d1 1 =0.15 =0.150.3mm0.3mm），），工作时输出气量少，不能直接推动执行机
11、构工作时输出气量少，不能直接推动执行机构（也很难远距离传送），所以在喷咀档板机构后要加一功（也很难远距离传送），所以在喷咀档板机构后要加一功率放大器（进行流量或流量压力放大），两者一起又称二率放大器（进行流量或流量压力放大），两者一起又称二级功率放大。级功率放大。 耗气型气动功率放大器耗气型气动功率放大器 起流量和压力放大作用。起流量和压力放大作用。组成：组成：放大气路放大气路两变节流阀两变节流阀球球阀阀：控控制制来来自自气气源源的的进进气气量量（较较小小位位移移时时， G G变变化大，满足大流量的要求）。化大，满足大流量的要求）。锥阀：锥阀：控制排气量控制排气量弹性元件弹性元件金属膜片金属膜
12、片+ +弹簧片使阀杆产生位移弹簧片使阀杆产生位移 当当PP阀杆下移阀杆下移开大球阀关小锥阀，流量放大（进气量开大球阀关小锥阀，流量放大（进气量 排气量）排气量）P Poutout。可见：阀杆位移的大小决定输出压力大小可见：阀杆位移的大小决定输出压力大小 设输入压力为设输入压力为P Pi i ，金属膜片面积为金属膜片面积为F F，推力推力P Pi iF F与位移与位移S S的关的关系分三个阶段系分三个阶段 SS00P0FPaFPiF第二阶段：第二阶段：当当P Pi i P P0 0 时，由于时，由于P Pi i FFP Pa aF F后，阀杆开始有位后，阀杆开始有位移。移。 SS00P0FPaF
13、PiF 第一阶段：第一阶段：P Pi i = =大气压力时，膜片大气压力时，膜片与阀杆端有一定间隙与阀杆端有一定间隙S S0 0 ，当当P Pi i 时，使时，使S S0 0。当当P Pi i = P = P0 0 时，时，S S0 0=0=0（膜片正好与阀杆接触），这一段膜片正好与阀杆接触），这一段阀杆无位移阀杆无位移P Pa a放大器起步压力（放大器起步压力（27.3327.33KpaKpa） 换用不同刚度膜片和弹簧片可调整换用不同刚度膜片和弹簧片可调整P Pa a 当当PP阀杆位移阀杆位移SS与与PPi i成正比成正比称为放大称为放大器的工作段。器的工作段。此段内：输出压力增量此段内：输
14、出压力增量PP出出= =K K2 2PPi i比例环节。比例环节。 K K2 2放放大大器器放放大大倍倍数数（取取决决于于膜膜片片有有效效面积面积F F及弹性组件刚度）及弹性组件刚度）自学教材自学教材P98P98：4747、4848、4949、5050、5252、5555二、气动仪表的基本环节二、气动仪表的基本环节 气动仪表的三个基本组成环节气动仪表的三个基本组成环节 放大环节放大环节 反馈环节反馈环节 比较环节比较环节放大放大环节环节反馈反馈环节环节输入信号输入信号反馈信号反馈信号比较信号比较信号输出信号输出信号+-1 1、气动仪表的放大器、气动仪表的放大器二级气动功率放大器。二级气动功率放
15、大器。 在喷嘴挡板机构中的输出端，串联一个气动功率放大器，称在喷嘴挡板机构中的输出端，串联一个气动功率放大器，称为二级气动功率放大器。为二级气动功率放大器。 喷嘴挡板是一级放大。下图是其原理图。喷嘴挡板是一级放大。下图是其原理图。 输入与输出之间的关系输入与输出之间的关系PB=Kh（K=K1K2） K K1 1是喷嘴挡板机构的放大倍数是喷嘴挡板机构的放大倍数 K K2 2是耗气型气动放大器的放大倍数是耗气型气动放大器的放大倍数 1 1、气动仪表的放大器、气动仪表的放大器二级气动功率放大器。二级气动功率放大器。 一般输出一般输出P PB B=0.020.1MPa=0.020.1MPa，P=0.0
16、8MPaP=0.08MPa 假假设设功功率率放放大大器器的的压压力力放放大大系系数数为为1010，则则喷喷咀咀档档 板板 机机 械械 的的 输输 出出 压压 力力 的的 最最 大大 变变 化化 范范 围围 为为0.08/10=0.0080.08/10=0.008，它它只只占占喷喷咀咀档档板板机机构构的的静静特特性性曲曲线线很小的一段很小的一段abab P Pb b起起步步压压力力。如如起起步步压压力力P Pb b调调整整适适当当，放放大大器器工工作作特特性性曲曲线线最最徒徒，最最接接近近于于直直线线的的部部分分abab，使使仪仪表表具具有有较较高高的的灵灵敏敏度度、精精度和工作稳定性度和工作稳
17、定性 如如P Pb b调调整整过过高高或或过过低低，则则放放大大器器工工作作在在abab或或abab段段，各各点点斜率不同。斜率不同。hh变化大，灵敏度变化大，灵敏度，稳定性，稳定性 调调整整起起步步压压力力P Pb b的的方方法法：调调换换刚刚度度不不同同的的金金属属膜膜片片或或改改变变弹簧片预紧力弹簧片预紧力2 2、气动仪表的反馈环节、气动仪表的反馈环节（1 1）节流分压室（节流通室）节流分压室（节流通室） 由可调气阻由可调气阻R RF F、流通气室、流通气室p p1 1及节流孔及节流孔R R串联而成串联而成。两两个气阻都工作于层流，流通气室面积很小，可不计它对个气阻都工作于层流，流通气室
18、面积很小，可不计它对压力变化的惯性影响。压力变化的惯性影响。 （1 1）节流分压室（节流通室）节流分压室（节流通室） 流通气室压力流通气室压力p p1 1（输出量）与控制信号压力（输出量）与控制信号压力p p0 0和和p p2 2（节流分（节流分压器的输入量）间的关系分析（一般压器的输入量）间的关系分析（一般p p2 2是大气压力）：是大气压力）： 根据气体流动的连续性原理，在稳定情况下通过可调气阻根据气体流动的连续性原理，在稳定情况下通过可调气阻R RF F的流量的流量G G1 1必定等于通过恒节流孔必定等于通过恒节流孔R R的气体流量的气体流量G G2 2，如果气体密度在，如果气体密度在节
19、流前后保持不变，则：节流前后保持不变，则：如果如果P P2 2通大气，即通大气，即P P2 2=0=0，则：则：K=R/K=R/（R RF F+R+R），），R RF F不变时，不变时，K=K=常数，常数，P P1 1与与P P0 0成正比。成正比。 变节流阀全开，变节流阀全开，R RF F=0=0，P P1 1=P=P0 0 变节流阀全关，变节流阀全关，R RF F=，P P1 1=0 =0 改变改变R RF F，可使可使K=0K=01 1。 应用：应用：节流分压器与节流分压器与1 1：1 1跟踪器配合使用，可用来调整跟踪器配合使用，可用来调整比例带比例带 （2 2）节流盲室）节流盲室 节流
20、盲室是在节流元件（可调气阻或恒气阻）之后串节流盲室是在节流元件（可调气阻或恒气阻）之后串联一个定容气室（盲室）构成。如图所示。联一个定容气室（盲室）构成。如图所示。 P Pi i是节流盲室的输入量是节流盲室的输入量 P PO O是输出量是输出量 R R表示节流元件气阻表示节流元件气阻 pip0R（2 2）节流盲室）节流盲室经过气室的气流量等于进入盲室的空气量，即：经过气室的气流量等于进入盲室的空气量，即：dm=Cdm=CdPdPo o dm/dt=G dm/dt=G是进入盲室的空气流量，这个空气流量就等于流经气是进入盲室的空气流量，这个空气流量就等于流经气阻的流量（阻的流量（P Pi i-P-
21、P0 0）/R/R，T=RCT=RC。 可见，节流盲室是一个惯性环节，可见，节流盲室是一个惯性环节，T T是该环节的时间常数。是该环节的时间常数。pip0R传递函数：传递函数：这是一个一阶惯性环节。如果这是一个一阶惯性环节。如果P Pi i是一阶跃变化，则：是一阶跃变化，则： 变化速度取决于时间常数变化速度取决于时间常数T=RCT=RC，其中其中C C为常数，故改变气阻为常数，故改变气阻R R即即可调整可调整T T，TPTP0 0变化越慢。变化越慢。 在实际应用中，常将节流在实际应用中，常将节流盲室置于调节器的盲室置于调节器的正反馈回路中，正反馈回路中，得到积分作用，得到积分作用，此时改变气阻
22、值此时改变气阻值就可调整积分时间。就可调整积分时间。PsrE/Psc（3 3）比例惯性环节）比例惯性环节 组成：弹性气室（波纹管组成：弹性气室（波纹管E E与壳体之间的腔室）、波纹管与壳体之间的腔室）、波纹管E E/ /、可调气阻可调气阻R R及连接管路。及连接管路。PsrPsr是输入量，是输入量，PscPsc是输出量。是输出量。其工作情况与节流盲室相近，不同的是：其工作情况与节流盲室相近，不同的是：节流盲室节流盲室EE的容积是变化的，的容积是变化的，PsrPsr的变化会引起波纹管的变化会引起波纹管E E的伸缩，的伸缩，盲室的容积随之变化，盲室的容积随之变化，CC常数常数作用于节流盲室作用于节
23、流盲室EE的气路有两条通道：的气路有两条通道： 一条是一条是PsrPsr经过可调气阻经过可调气阻R R对盲室充放气；对盲室充放气； 另一条是波纹管另一条是波纹管E E伸缩造成挤排作用对弹性气室形成的通道。伸缩造成挤排作用对弹性气室形成的通道。 特性曲线特性曲线 P Psrsr 首先挤压气室首先挤压气室E E，使使P Pscsc突增突增比例作用比例作用 P Psrsr经经R R不不断断向向P Pscsc充充气气，P Pscsc，而而E E逐逐渐渐收收缩缩，直直到到P Pscsc=P=Psrsr为止为止惯性充气环节惯性充气环节 气动调节器中，常用比例惯性环节作气动调节器中，常用比例惯性环节作负反馈
24、，实负反馈，实现实际比例微分作用。现实际比例微分作用。3 3、气动仪表的比较环节、气动仪表的比较环节 按按线线性性叠叠加加原原理理工工作作。比比较较环环节节的的输输出出等等于于各各输输入入信信号号的的代数和，各信号的变化调整互不影响代数和，各信号的变化调整互不影响 按平衡原理有三种形式：按平衡原理有三种形式： （1 1）位移平衡式）位移平衡式 反反馈馈信信号号产产生生的的档档板板位位移移与与输输入入信信号号产产生生的的档档板板位位移移相相平平衡（先大后小，有一微小变化，可不计）衡（先大后小，有一微小变化，可不计） （2 2）力平衡式）力平衡式 反反馈馈信信号号产产生生的的力力与与输输入入信信号
25、号产产生生的的力力相相平平衡衡。（比比较较环环节几乎无位移）误差小节几乎无位移）误差小 （3 3）力矩平衡式）力矩平衡式 反馈信号产生的力矩与输入信号产生的力矩相平衡，精度高反馈信号产生的力矩与输入信号产生的力矩相平衡，精度高小结：小结：节流分压器节流分压器/ /室：室：比例作用；调节气阻可调节其比例带，负反馈比例作用；调节气阻可调节其比例带，负反馈节流盲室：节流盲室：是一个惯性环节，作正反馈环节实现积分作用改变气阻是一个惯性环节，作正反馈环节实现积分作用改变气阻改变积分时间改变积分时间比例惯性环节（弹性气室）：比例惯性环节（弹性气室）：作为负反馈可实现比例微分作用，改作为负反馈可实现比例微分
26、作用，改变气阻改变微分时间变气阻改变微分时间自学教材自学教材P100P100：7979、8080 P104P104：8787、8888、9393、9595、9797、9898、103103、110110、111111、112112、114114、116116pip0RPsrE/Psc三、自动化仪表的品质指标三、自动化仪表的品质指标1 1基本误差与附加误差基本误差与附加误差 基基本本误误差差：仪仪表表本本身身的的缺缺陷陷（间间隙隙、摩摩擦擦、刻刻度度不不均均或或分度不准等）造成的误差。分度不准等）造成的误差。 附加误差：附加误差：仪表规定的使用条件（环境温湿度、振动等）仪表规定的使用条件（环境温
27、湿度、振动等） 发生变化引起的误差。发生变化引起的误差。2 2绝对误差（指示误差）绝对误差（指示误差） 绝对误差：绝对误差：=A=AA A0 0= =测量值测量值真值。真值。 A A0 0很难得到，一般以高精度标准仪表测得的平均值来很难得到，一般以高精度标准仪表测得的平均值来代替代替A A0 0。不能反映仪表的精度。不能反映仪表的精度。 3 3、相对误差、相对误差绝对误差绝对误差占指示误差的百分数。占指示误差的百分数。 =/A=/A100% 100% 反映仪表的精度。反映仪表的精度。 4 4、仪仪表表的的精精度度测测量量中中的的最最大大指指示示误误差差与与量量程程（最最大大测量范围）的比值。测
28、量范围）的比值。 常常用用的的等等级级有有：0.10.1、0.20.2、0.350.35、0.50.5、1.01.0、1.51.5、2.02.0、2.52.5级等级等 例例：求求量量程程为为5.95.9KPaKPa（600mmH600mmH2 2O O）的的一一级级精精度度气气动动差压变送器的最大指示误差。差压变送器的最大指示误差。5 5仪表的灵敏度：仪表的灵敏度：仪表达到稳定工作状态时，输出变仪表达到稳定工作状态时，输出变化量化量yy与引起变化的输入变化量与引起变化的输入变化量xx之比之比 S=y/x S=y/x 可见，可见，SS越能测出微小的输入变化，灵敏度越能测出微小的输入变化，灵敏度。 一般小量程仪表的一般小量程仪表的SS大量程仪表的大量程仪表的S S 具有均匀刻度的仪表：具有均匀刻度的仪表：S=S=常数常数 具有不均匀刻度的仪表：具有不均匀刻度的仪表：SS常数常数
