自动化仪表的基本知识

信号是0～10mA或4～20mA。使用时可按不同要求，方便地 将各单元组合成简单的或复杂的反馈控制系统。 基地式 仪表是指，把测量仪表、显示仪表和调节器组装在一个壳 体内，成为不可分的整体，它们之间也不用统一信号联系。 在实际应用中，电动控制系统很少用电动单元组合仪表组 成，故电动单元组合仪表本章不加介绍。关于电动基地式 仪表的结构和工作特性，将在第四章结合实际操作系统予 以说明。在船上所采用的气动仪表中，基地式仪表和单元 组合式仪表两种形式都有，而气动单元组合仪表应用得更 多一些。本章主要介绍自动化仪表的基本知识、组成气动 仪表的基本元部件和气动单元组合仪表的结构、工作特性 及在管理中应注意的问题。 一、自动化仪表的主要品质指标
二、气动仪表的元部件及组成原理 1．气动仪表的基本元部件 气动仪表的类型很繁多，即使是功能相同的仪表，但在 结构上也可能有又很大差。但是，构成这些仪表的基本元 部件为数并不多，常用的基本元部件有弹性元件、节流元 件、气体容室、喷嘴档板机构和功率放大器等。 1）弹性元件 根据弹性元件在仪表中所起的作用，可分为弹性敏感元 件和弹性支承元件。
第一节 自动化仪表的基本知识
自动化仪表在船舶机舱中的应用很广泛。自动化仪表不 仅能组成反馈控制系统，对动力装置的运行参数进行自动 控制，而且还可以对运行参数进行测量和显示。因此，自 动化仪表是实现机能分类：有测量仪表、 显示仪表、调节器和执行机构；按使用能源分类：有气动 仪表和电动仪表；按结构形式分类：有单元组合仪表和基 地式仪表。所谓单元组合仪表是指，控制系统的各种功能 都分别用一台独立的仪表来实现，包括测量仪表、显示仪 表、调节器等，各仪表之间用统一的标准信号联系起来。 气动仪表的统一信号是0.02～0.1 MPa；电动仪表的统一
3．相对误差 相对误差δ是指，仪表的绝对误差与指示值之比的百分数， 即：
A 相对误差的大小可以反映出仪表的测量准确度。 4．仪表的精度 仪表的精度是指测量中的最大指示误差Δmax占仪表的最 大测量范围 ( 量程 ) A′的百分数δ0，即：

100 %
0
max 100 % ' A
S PFe E
式中，Fe是波纹管的有效面积。E是波纹管和支承弹簧 （如有支承弹簧）的总刚度。 从上面的式子可以看出，弹性元件在弹性变形范围内， 其刚度E为常数，波纹管的有效面积为常数。则弹性元件 的输出量S与输入量之间是成比例关系的。实验结果表明， 对波纹管的压缩变形比拉伸变形具有更好的线性关系，且 处于压缩状态能承受较大的压力。如果一开始让波纹管处 于自由状态,其工作过程中是处于拉伸变形 ,则它
附加误差是仪表在使用中，由于外界条件的影响，如 环境温度、湿度、振动等所引起的误差。一般在仪表设计 中预先都采取了一些补偿措施来减小附加误差，但不可能 彻底消除。在仪表的说明书中，规定了使用方法和使用条 件，以免带来过大的附加误差。 2．绝对误差 绝对误差又称指示误差，若仪表表示的被测参数值为A， 而被测参数的真值是A0，则绝对误差Δ ＝A一A0，被测参 数的绝对真值是很难得到的，一般是用精度高的标准仪表 所测得的平均值作为被测参数的真值A，绝对误差往往是 不能完全反映仪表的精度的，比如Δ ＝ 0.01 MPa，若测 量范围是10 MPa的话，该误差可忽略不计。但若测量范围 是0.02～0.1MPa，则这个误差已大到该仪表不能再使用了。
（1）弹性敏感元件 弹性敏感元件的作用是将承受的压力或轴向推力转变成 位移信号。弹性敏感元件的刚度E较小、灵敏度(刚度的倒 数) δ较大，当对弹性敏感元件施加一定的轴向推力时，
其变形位移量较大，也就是说，它们对轴向推力的变化 反应是敏感的。
图3-1-1 常用弹性敏感元件
弹性敏感元件有波纹管、金属膜片、橡胶膜片、弹簧 管和金属膜盒等。如图3-1-1所示。假定，送人波纹管的 气压信号P，它是弹性敏感元件的输入量，波纹管的位移 量S是弹性敏感元件的输出量，显然输出与输入的关系是：
在自动控制和监视系统中，被控参数的测量及控制是否 准确，对系统的正常使用管理和安全运行有直接影响。 实际上不论用什么方法测量，所用仪表多么精密，所测结 果与参数的真值之间总有一定的差别，习惯上称为“误 差”。对自动化仪表品质的要求，主要是看它能以多大的 准确度来反映被测量参数的真值。测量值与真值越接近， 仪表的误差就越小，测量精度也就越高。但仅用误差来描 述仪表的好坏是不够的，还必须从多方面来鉴别仪表的品 质，如仪表精度、灵敏度、不灵敏区等。 1. 基本误差与附加误差 基本误差是由于仪表结构中的间隙、摩擦、刻度不均或 分度不准等原因所造成的误差，即为仪表本身缺陷所造成 的误差。因此，在设计制造仪表时，总是设法减少造成这
通常用去掉百分号的数字表示仪表精度的等级。仪表的 精度就是仪表盘或说明书中所写的精度等级，常见的等级 有0.1级、0.2级、0.35级、0.5级、1.0级、1.5；级、2.0 级、2.5级等，其中0.1级、0.2级和0.35级多用于标准仪 表。 5．仪表的灵敏度 灵敏度是指，仪表对输入信号开始有反映的灵敏程度， 若仪表的输入量变化Δ x，相对应的输出量变化Δ y则仪表 的灵敏度S为： 可见，仪表的灵敏度越大，越能测出微小的输入 变化。一般小量程仪表的灵敏度比大量程的灵敏度高。
S
y x
6．仪表的不灵敏区、灵敏限、变差 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，仪表输出仍然不变， 这就是不灵敏区。 灵敏限是指，引起仪表输出有一微小变化时，所需输 入量的最小变化值，一般认为不灵敏限等于1／2不灵敏区。 仪表的变差是指在外界条件不变的情况下，多次由不 同方向使仪表输入为同一真值时，仪表指示值之间的最大 误差。即仪表在同一测量点，其正行程和反行程指示值之 差。可见，仪表的不灵敏区是由输入量的变化来表示的， 而变差是以输出量的指示变化来表示的，它们都是仪表结 构不完善程度的标志。