5-2 自动化仪表基本知识

P0 Pi (1 e
可调整T，T↑→P0变化越慢。 在实际应用中，常将节流
t
T
)
变化速度取决于时间常数T=RC，其中C为常数，故改变气阻R即
盲室置于调节器的正反馈回路中，
得到积分作用，此时改变气阻值
就可调整积分时间。
（3）比例惯性环节
组成：弹性气室（波纹管E与壳体之间的腔室）、波纹管E/、
例：求量程为5.9KPa（600mmH2O）的一级精度气动 差压变送器的最大指示误差。
max 0 A 1% 600 6mmH 2O
/
5．仪表的灵敏度：仪表达到稳定工作状态时，输出变 化量Δy与引起变化的输入变化量Δx之比 S=Δy/Δx 可见，S↑→越能测出微小的输入变化，灵敏度↑。 一般小量程仪表的S>大量程仪表的S 具有均匀刻度的仪表：S=常数 具有不均匀刻度的仪表：S≠常数
仪表结构不完善程度
自学教材P91：2、3、4、5、6、9、10、12、13、15、16、18
二、气动仪表的基本元件 包括：弹性元件、节流元件、气室、喷咀档板机构和功率放大器 1．弹性元件 分两类： ★弹性敏感元件 ——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
dP 1 dm G 由： dt C dt C
G dm dt 质量流量
所以： P 1 则传递函数为：
C
t
0
Gdt
P( S ) 1 W (S ) G ( S ) CS
4、喷咀档板机构 组成——恒气阻(恒节流孔1）+背压室2+喷咀档板（喷嘴
3+挡板4）串联而成
作用 ——将档板相对于喷咀的微小位移转换成相应的气 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 是一放大系数很大的放大环节。
①当档板盖住喷咀时（h=0），理论上应有P=P0=0.14MPa。 实际上由于加工精度 限制（漏气）使P略 低于P0
②当档板离开喷咀一定距离时， h 的变化将不再引起
压力 P 的变化。档板与喷咀间形成的气流出口是一小圆 档板不再起节流作用这时h=d2/4
当h≥d2/4 时，理论上 P=Pb（大气压力），但实际 上由于气流对档板的冲量作用，使P偏高于大气压力 ③当h=0～d2/4.时，h↑→P↓，呈非线性关系， 但在喷咀档板机构的工作范围（P=0.02
弹性元件——金属膜片+弹簧片使阀杆产生位移
S III II I P0 Pa P输入F
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S
Ⅲ
S0
Ⅰ
Ⅱ
0
P0 F
PaF
PiF
当P↑→阀杆下移→开大球阀关小锥阀，流量放大（进气量> 排气量）→Pout↑。可见：阀杆位移的大小决定输出压力大小
设输入压力为Pi ，金属膜片面积为F，推力PiF与位移S的关
应用：节流分压器与1：1跟踪器配合使用，可用来调整
比例带
pi
R
p0
（2）节流盲室 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。
Pi是节流盲室的输入量
PO是输出量
R表示节流元件气阻
（2）节流盲室
经过气室的气流量等于进入盲室的空气量，即：dm=C· dPo
dP0 dm Pi P0 C dt dt R
6、仪表的不灵敏度、灵敏限和变差
（1）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，输出不变。 ——即不灵敏区
（2）灵敏限——引起仪表输出发生微小变化量，所需输入量的最 小变化值。一般认为灵敏限=1/2不灵敏区 （3）变差——仪表在同一测量点，其正反行程指示值之差。 可见：不灵敏区以输入量的变化变差以输出量的变化来表示
可调气阻R及连接管路。Psr是输入量，Psc是输出量。 其工作情况与节流盲室相近，不同的是：
①节流盲室E'的容积是变化的，Psr的变化会引起波纹管E的伸缩，
盲室的容积随之变化，C≠常数 ②作用于节流盲室E'的气路有两条通道： 一条是Psr经过可调气阻R对盲室充放气； 另一条是波纹管E伸缩造成挤排作用对弹性气室形成的通道。 Psr Psc E/
柱侧面的形状，当其面积πd2h=咀孔流通面积πd22/4时，
—0.1MPa）内，
即a—b段可近似当成线性关系，这样有：
ΔP=K1·Δh 是一比例环节。
K1 ——ab段的平均斜率。
5、气动功率放大器 喷咀档板机构中，恒节流孔径很小（d1 =0.15— 0.3mm），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率放
一般Fe≠几何面积πD2/4，通常Fe >几何面积
在弹性元件的弹性范围内，通常Fe =常数，实际应用中
对弹性元件的处理： ①在安装波纹时，采用预压缩方法 ②金属膜片制成波纹状； ③采用多圈弹簧管。
可增大
线性使 用范围
④橡胶膜片制成波纹状，中间加硬芯——增大刚度
橡胶膜片多用于有无气压信号的瞬间动作
2、节流元件 节流元件——用以阻碍气体流动，产生压力降或改变 空气流量 表示节流元件特性的参数： 气阻R——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。 若节流孔中为层流流动，则： R=ΔP/G 或 ΔP=G·R
代替A0。Δ不能反映仪表的精度。
3、相对误差δ——绝对误差Δ占指示误差的百分数。
δ=Δ/A×100%
δ反映仪表的精度。
4、仪表的精度——测量中的最大指示误差与量程（最大 测量范围）的比值。 常用的等级有：0.1、0.2、0.35、0.5、1.0、1.5、 2.0、2.5级等
0
max A
/
4 喷嘴挡板机构
4. 喷嘴挡板机构：输出压力随喷嘴挡板的开度成比例变化 恒节流孔 背压室
喷嘴
挡板
气源
输出
喷 嘴 挡 板 机 构 结 构 示 意 图
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MPa
0.10MPa
0.02MPa 10 22
h(um)
喷嘴挡板机构的静特性
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喷咀档板机构静特性
——在稳定工况时背压室的输出压力P与档板位移h之间的关系
2 节流元件
节流元件：前后压力差的大小随气流量成比例变化，比 例系数取决于元件的弹性大小。与输入输出
无关。
Δp (t)=RΔq (t) G (s)=ΔP (s)/ ΔQ(s) = R
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节流元件的种类——恒节流孔和变节流孔
（1）恒节流孔——恒气阻或固定气阻 毛细管式——d=0.18∽0.3mm的不锈钢或玻璃钢管
★弹性支承元件
——用于增加弹性敏感元件的刚度，确定弹性敏感元件的初 始位置及仪表调零等。包括柱簧、片簧等
常用弹性元件
（1）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。
F
F
金属膜片
片簧
P 波汶管
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（1）刚度和灵敏度 刚度E——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。
P0 P P 1 1P 2 G1 G2 RF R
如果P2通大气，即P2=0，则：
K=R/（RF+R），RF不变时，K=常数，P1与P0成正比。
变节流阀全开，RF=0，P1=P0 变节流阀全关，RF=∞，P1=0
R P1 P0 KP0 RF R
改变RF，可使K=0～1。
由可调气阻RF、流通气室p1及节流孔R串联而成。两 个气阻都工作于层流，流通气室面积很小，可不计它对 压力变化的惯性影响。
（1）节流分压室（节流通室）
流通气室压力p1（输出量）与控制信号压力p0和p2（节流分 压器的输入量）间的关系分析（一般p2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RF 的流量G1必定等于通过恒节流孔R的气体流量G2，如果气体密度 在节流前后保持不变，则：
系分三个阶段
S
第一阶段：Pi =大气压力时，膜片
与阀杆端有一定间隙S0 ，当Pi ↑ 时，使S0↓。当Pi = P0 时，S0=0 （膜片正好与阀杆接触），这一段 阀杆无位移 第二阶段：当Pi >P0 时，由于Pi F<弹 簧片预紧力+气源压力作用，阀杆无 位移。
0 S0
Ⅰ Ⅱ Ⅲ
P0 F
PaF
PiF
阻的流量（Pi-P0）/R，T=RC。
dP0 T P 0 Pi dt
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 可见，节流盲室是一个惯性环节，T是该环节的时间常数。 R p0
pi
传递函数：
Po ( S ) 1 W (S ) Pi ( S ) TS 1
这是一个一阶惯性环节。如果Pi是一阶跃变化，则：
特性曲线 Psr→ 首先挤压气室E，使Psc突增→比例作用 Psr 经 R 不断向 Psc 充气， Psc↑，而 E 逐渐收缩，直 到Psc=Psr为止→惯性充气环节
气动调节器中，常用比例惯性环节作负反馈，实 现实际比例微分作用。
3、气动仪表的比较环节 按线性叠加原理工作。比较环节的输出等于各输入信号 的代数和，各信号的变化调整互不影响 按平衡原理有三种形式： （1）位移平衡式 反馈信号产生的档板位移与输入信号产生的档板位移相平 衡（先大后小，有一微小变化，可不计） （2）力平衡式 反馈信号产生的力与输入信号产生的力相平衡。（比较环 节几乎无位移）误差小
小孔式——长4mm，孔径有0.25、0.3、0.5几种规格。
（2）变节流孔——流通面积（气阻R）可调整。
圆锥—圆锥型
常见形式 圆柱—圆锥型 圆球—圆锥型
用途：用变节流孔组成变节流阀