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 ： ρρ23212121R P P q R P P q m m -==-=即232121R P P R P P -=- 假设P 3通大气，即P 0（表压）＝0 则112122KP 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RP P q v 21-= 根据气容的定义式得 dt dP Cq v 2= 所以dtdP C R P P q v 221=-=即 122P P dtdP 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 eP 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 ∆=-=21i 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 kl C P b o d i o -∆=⋅ 即βK KD C l kA l C k l l A P P b d i o +=+=∆1/1/2331当满足1>>βK 时，sp b d i o K l A l A P P ==∆21 sp K —单杠杆式气动差压变送器的转换系数。

讨论：a 、当1>>βK 时，变送器的整机静特性取决于输入转换部分和反馈部分的持性，要保证变送器的精度，必须要求sp K 为常做。

b 、βK 值越大变送器精度就愈高，反之愈低。

提高放大器的放大倍数K 可以提高仪表精度。

但不宜提高过多，否则变送器输出易产生振荡现象。

c 、改变比例系数sp K 可改变变送器的量程范围，而sp K 是由d A 、b A 、1l 、2l 决定的。

量程调整的目的是使变送器输出信号的上限值与测量范围的上限值相对应。

变送器的零点调整和零点迁移是通过调零弹簧和零点迁移弹簧进行的。

未加零点迁移弹簧的情况，其方框图为：加调零信号后单杠杆气动差压变送器方框图零件过移机构：在实际应用中，差压的测量范围不一定从零开始，有时有一不为零的起始值。

调零点的迁移不改变仪表的量程。

变送器中进行零点迁移，同时调整仪表量程，可提高仪表的测量精度和灵敏度。

已知被测参数的波动范围为4000~5000Pa ，若零点不迁移，需选择量移为0~5000Pa 的变送器，对应输出为20~100 KPa 。

若零点迁移，可选下限为4000Pa 、上限为5000Pa 的变送器，其量程为1000Pa ，若变送器精度同为1.0级，不迁移时基本误差为：50%15000=⨯ Pa仪表灵敏度：()PaKPa 500080500020100=- 迁移后基本误并为：10%11000=⨯ Pa仪表灵敏度为：()PaKPa 100080100020100=- 迁移后测量精度和灵敏度均提高5倍。

零点调整：通过调零弹簧进行。

旋动调零螺钉改变副杠杆位移，即改变差动变送器调零弹簧到主杠杆的距离来改变仪表的零位。

（2）电的动差压变送器电动差压变送器能将压力信号i P ∆；成比例地转换成0~10mA(DDZ Ⅱ型)或4~20mA(DDZ Ⅲ型) 直流电流统一标准信号，送往调节器或显示仪表进行指示、记录和调节。

下面以DDZ Ⅲ型差压变送器为例进行分析。

DDZ Ⅲ型差压变送器是两线制安全火花型变送器，主要用于测量液体、气体或蒸汽的差压、流量液位、相对密度等物理量。

参照教材P 181图4-16讲解其工作原理结构①工作原理被测差压信号P 1、P 2分别进入敏感元件两侧的正、负压室，敏感元件将差压转换为作用在主杠杆下端下的输入力d i i A P F ⋅∆= ，使主杠杆以轴封膜片为支点顺时针偏转,该偏转力矩为1l F M i i ⋅=，偏转使杠杆以力F 1设水平方向推动矢量机构，该力为211/l l F F i ⋅=。

矢量机构将F 1分解成F 2和F 3，根据力的平行四边形法则，得 12F tg F ⋅=θ。

F 2使矢量机构的推板向上运动，并通过连接簧片带动副杠杆以点M 逆时针偏转，该偏转力矩为输入力矩32l F M i ⋅=。

这使固定在副杆上的差动变压器的衔铁靠近差动变压器，两点之间距离的变化量再次通过低频位移检测放大器转换并放大为4~20mA 直流电流I o ，作为变送器的输出信号；同时该电流又流过电磁反馈装置的反馈动圈，产生电磁反馈力o f f I K F =（f K —电磁反馈装置的转换系数），使副杠杆顺时针偏转。

当输入力与反馈力对系统所产生的力矩i M 、f M 达到平衡时，变送器便达到一个新的稳定状态。

此时低频位移检测放大器的输出电流I o 便反映了所测差压 i P ∆的大小。

DDZ Ⅲ型差压变送器的整机方框图。

ac K 称为矩量机构电动差压变送器的转换系数。

上式说明，在量程一定时，变送器的输出电流与输入信号之间呈线性关系。

②电磁反馈装置1 首先说明何为反馈、正反馈、分应馈；2 第二陈述电动差压变送器的电磁反馈装置的作用：把变送器的输出电流I o 转换成电磁反馈力f F 。

3第三讲述电磁反馈装置的结构（参照教材P 182图4-17）及工作原量。

得出反馈力f F 的计算公式：o f o c f I K WI BD F =⨯=-610π③矩量机构1、组成：由厚金属板及可挠曲的弹性片组成，其传动比用θtg 表示。

2、工作原理：矩量板的A 、C 两端经弹性板固定在基座上，斜角为θ。

U 型板中央有一I 型芯板，其两端分别用弹性板固定在U 型板和水平推板上。

当力F 1作用在水平推板上时，B 端对I 型芯板施加倾斜拉力F 3，同时出现向上的力F 2 ：θtg F F 12=。

④低频位移检测放大器它是个位移—电流转换器。

它在整机中的作用最将副杠杆上的位移检测片的微小位移S 转换成4~20mA 的直流电流输出。

组成：差动变压器、低频振荡器、整流滤波电路及功率放大器所组成。

各个组成部分的结构及工作原理不做要求，可自学。

4.1.2防安全栅概念：安全火花是指该火花的能量不足以对其周围介质构成点火源。

（1）危险场所的划分按照中国1987年公布的《爆炸危险场所电气安全规程》的规定，将爆炸危险场所为两咱场所五个级别。