过程控制装置

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20—100KPa 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。

①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，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v q P R /∆=

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dP dt q C v ⎰=

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R 1的气体质量流量1m q ，必定等于单位时间内流过气阻R 2的质量流量2m q ： ρρ2

3212121R P P q R P P q m m -==-=

即

2

32121R P P R P P -=- 假设P 3通大气，即P 0（表压）＝0 则112

122KP P R R R P =+= 式中212R R R K +=

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

R

P P q v 21-= 根据气容的定义式得 dt dP C

q v 2= 所以

dt

dP C R P P q v 221=-=

即 122P P dt

dP RC

=+ 令T RC =，则

122P P dt dP T =+ 假设1P 为定值，并令002

==t P ，则 ()

T t e P P /121--= 该式即为节流音室的特性方程

放过程的特性方程：T t e

P P /12-=

结论：

①若P 为阶跃信号，则P 2呈指数曲线变化，P 2先快后慢，∞→t 时，21P P =

②当t=T 时，P 2=P 1(1-e -1)=0.632P 1。T=RC 叫做时间常数，它在数值上等于当P 1为阶跃变化时，P 2上升到0.632 P 1时所需的时间。

③T 反映了P 2的变化速度，T 越大，表示P 2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P 2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（背P ）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 与背P 为非线性关系，因此喷嘴挡板机构一般工作在中间区段（相当于背P 为0.025~0.13MPa ）

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。 ②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i P ∆转换成为作用于主杠杆下端的输入力i F 。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P 1、P 2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F 1： 2211A P A P F i -=

制造时d A A A ==21

故

()d i d i A P A P P F ∆=-=21

i F 与i P ∆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

以上方框图可简化为

由该方框图可得o P 与i P ∆的关系：

1l A P M d i i ⋅∆=，2l A P M b o f =，o P C k l M =⋅∆/3

又因为

f i M M M -=∆

所以

213l A P l A P k

l C P b o d i o -∆=⋅ 即

β

K KD C l kA l C k l l A P P b d i o +=+=∆1/1/2331