第四章 过程控制装置

4.1 变送器 4.2 调节器 4.3 执行器 附录一：本章的重点和难点 附录二：思考题与习题
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。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为一定的标准信号（如4～20mA直流电流）， 送往显示仪表或调节仪表进行显示、记录或调节。变送器的类型很 多，主要有：压力变送器、差压变送器、温度变送器、流量变送器、 液位变送器等。本章主要分析差压变送器和温度变送器。
dp
气容分为固定气容和弹性气容两种，如图4－4所示。在固定气 容中气室压力可变而容积不变，而在弹性气容中气室压力和容积 均可变化。在气动仪表中，很少单独使用气容，往往是由气容和 气阻组成阻容耦合组件使用。
阻容耦合组件 常见的阻容耦合组件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，如 图4－5（a）所示。
（1）气动差压变送器 气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。气动差压变送器可以将压力信号 p 成比例地转换成 20～100kPa的统一标准气压信号，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。在分析气动差压变送器之 前，先讨论一下气动仪表中常遇到的气动元件与组件。 ①气动元件及组件 气动元件和组件按照一定的规律和原则 构成了气动仪表。常见的元件有气阻、气容。常见的组件有组容 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 元件叫做气阻。气阻的作用和电阻相似，它在气动仪表中阻碍气 体的流动，起着降压（产生压力降）和限流（调节气体流量）的 作用。气阻按其结构可分为恒气阻与变气阻两类。 恒气阻是指流通截面积不能调整的节流元件，其气阻值不可改 变。恒气阻的结构一般有三种形式，如图4－2所示。
根椐流体的连续性定律，在稳定状态下，单位时间内流过气阻 R1的气体质量流量qm1，必定等于单位时间内流过气阻 R2的气体质 量流量qm2。若在气阻前后的气体密度 ρ 不变，则有
6～10倍。所以，这种放大器是能将压力与气量都同时进行放大的功 率放大器。 ②气动差压变送器 由测量部 分和气动转换部分组成。图4－10 给出了单杠杆式气动差压变送器的 结构简图，其放大器采用气动放大 器，反馈部分采用反馈波纹管，杠 杆系统为单杠杆。
附录二
R
p qV
（4－1）
式中 △p —— 气阻前后的压降； q V —— 流过气阻的体积流量； R —— 气阻值。 气容 凡是在气路中能贮存或释放出气体的气室称为气容。气 容在气动仪表中起缓冲、防止振荡的作用，与电容在电路中的充放 电作用相类似。通常用气容 C 来定量的表示气室贮存空气量的能力。 所谓气容就是指改变单位压力所需要的气体的体积流量。可表 示为 qV dt （4－2） C
过程装备控制技术 及应用
过控教研室
第四章 过 程 控 制 装 置
过程控制装置与被控对象构成了过程控制系统的 基本要素。过程式控制装置必须由测量变送单元、调 节器和执行器（如调节阀）三个环节组成 。由于工业 过程式的复杂性，在进行过程控制系统设计时，必须 根据过程特性和工艺要求，通过合理选用过程检测控 制装置组成自动控制系统，并通过调节器 PID 参数的 整定，使系统运行在最佳状态，从而实现对生产过程 的最优控制。
9也产生微小位移S。因此挡板与喷嘴间的距离发生变化，其变化量 再通过放大器10转换并放大为20～100kPa的输出压力，这就是变送 器的输出信号。
在自动化仪表与自Fra Baidu bibliotek化系统中，经常把输出信号经过一些环节 后引回到输入端，这个过程称为反馈。如果反馈信号是加强输入的
4.1.2 防爆安全栅
量与其两端压力差不成线性关系的气阻称为非线性气阻，如图4－2 （c）所示的恒气阻和图4－3（b）所示的变气阻，这时通过气阻的 气流呈紊流状态。线性气阻与非线性气阻的差别基本上是由流体的 流动状态所决定的。一般情况下，当气阻前后的压差足够小时，所 有气阻都可表现为线性流量关系。 气阻对空气流动阻碍的程度，一般用气阻值 R 来定量表示。在 一般情况下，线性气阻的气阻值的大小等于每增加单位体积流量的 气体所需要增加的压力差，即
4.3.1 气动执行器
4.3.2 电动执行器
附录一 本章的重点和难点 一、本章的重点 1、第一节的“4.1.1 差压变送器”中的“（1）气动差压变送 器”； 2、第一节中的“4.1.2 防爆安全栅”; 3、第二节中的“（2）气动调节器”； 4、第三节中的“4.3.1 气动执行器”。 二、本章的难点 1、气动差压变送器的结构及其工作原理； 2、气动差压变送器中的功率放大器的结构及其工作原理； 3、调节阀的流量特性。
4.1.1差压变送器 差压变送器用来把差压、流量、液位等被测参数转换成为统一 标准信号，并将此统一信号输送给指示、记录仪表或调节器等，以 实现对上述参数的显示、记录或调节。根据敏感元件的类型不同， 可分为膜盒式差压变送器、电容式差压变送器等型式。 按照变送器的驱动能源来分有气动变送器和电动变送器，以压 缩空气为驱动能源的是气动变送器；以电力为能源的便是电动变送 器。变送器的理想输入输出特性成线性关系。如图4－1所示。
因此测量部分实际上已将对压力的测量转换成对输入力 F i 的测 量了。输入力 F i 作用于主杠杆 5 的下端，对支点（即轴封膜片4） 产生一个顺时针方向的偏转。与此同时，变送器输出信号 p 0引入反 馈波纹管7内，并产生一个反馈力 F f，也作用于主杠杆上，使主杠 杆对支点产生一个逆时针方向力矩 M f，这样主杠杆上作用着两个力 矩M i和M f。这两个力矩决定着主杠杆的运动状态。当两者相等时， 主杠杆就处于平衡状态，喷嘴挡板间的距离就不再改变。两者不等 时， M i和M f之差使杠杆系统产生一极小角度α的偏转，这就使挡板
变气阻是指流通截面积可以调整的节流元件，其气阻值可以随 意改变。变气阻的结构形式很多，常见的结构形式如图4－3所示。 如果在气阻的两端加上一个压力差，就有一定流量的气体流过 气阻。流过气阻的气体流量与其两端压力差之间的关系，称为气阻 的流量特性。 流过气阻的气体流量与其两端压力差成线性关系的气阻称为线 性气阻，如图4－2（a）、（b）所示的恒气阻和图4－3（a）所示 的变气阻，这时通过气阻的气流为层流状态。而流过气阻的气体流
正常的工作电流值。在现场发生
图 4－27 齐纳安全栅的原理图
4.1.3 温 度 变 送 器
热电偶温度变送器的工作原理介绍如下。
4.1.4 变送器与电源的连接方式
4.2.1 调节器的调节规律的实现方法
4.2.2 PID 调节器的硬件结构 （1）PID 调节器的组成及原理