气动仪表的主要元部件及主要环节

相对误差：绝对误差占指示值的百分数，能反应仪表精度。
4、精度：最大指示误差Δmax占量程（最大测量范围）的百分数 精度等级δ0：精度除掉百分号（0.1，0.2，0.35级用于标准仪表）
5、灵敏度：仪表对输入信号开始有反应的灵敏程度
Δx：输入变化量 Δy：输出变化量
仪表的灵敏度越大，越能测出微小的输入变化。所以，一般小 量程仪表的灵敏度比大量程的灵敏度大。
（3）比例惯性环节——比例微分
弹性气室
Psr
波纹管E
R
输 出 Psc
Psc Psr Psc
惯性环节输出部分
比例输出部分
0
t
由弹性气室、波纹管、可调气阻组成
输入阶跃上升，弹性气室中的波纹管立即伸长， 排挤弹性气室的气体使输出立即升高（比例环节）； 而经过可调气阻是缓慢向弹性气室充气，使输出在 比例输出的基础上缓慢增加，直到输出与输入相等 （ Psc = Psr ），波纹管E恢复原状。
二、气动仪表的基本环节
比较环节
Δ Psr
设定值
+ -
ΔH
放大环节：要求 具有较高的灵敏 性和足够大的的 功率输出 Δ Psc
Δ PE
K>
反馈值
反馈环节
气动仪表的组成原理
气动仪表有三个环节：放大(信号放大)、反 馈（实现不同的调节作用规律）、比较（输入与 反馈信号比较）
1、放大环节
放大环节：喷嘴挡板机构（一级）输出端串联气动功率放大器（二级） 气动功率放大器的起步压力：放大器输出信号0.020.1MPa，最大变化量0.08。对应放大器最小输出压力 0.02MPa对应放大器的输入压力（即喷嘴挡板机构的输出值 就是放大器的起步压力。 起步压力的调整：使放大器工作在喷嘴挡板机构静特性 曲线很小范围、最接近线性的部分（斜率最大的中间段）。
波纹管的有效面积大于其顶面几何面积。 面积在弹性变形范围内，其变形与作用力成正比。
弹性元件的分类： 弹性支承元件、弹性敏感元件
支承元件：螺旋弹簧，片簧等 用于支承、平衡或增强弹性敏感元件的刚度、 调整的弹性敏感元件初始位置。 特点：刚度大、灵敏度较大。对轴向推力变化反 应敏感。
敏感元件:膜片，波纹管，弹簧管，膜盒 将承受的压力转换成位移信号。 特点：刚度小、灵敏度较大。对轴向推力 变化反应敏感。
2）输出特性 ：推力与膜片位移的关系
该工作段，阀杆位移量ΔS正比于输入压力 变化量ΔPd，放大器的输出压力变化量ΔP出 与阀杆位移量ΔS成比例，所以：
S
ΔP出=K2 ΔPd
A
II
III
B 起步压力
I：克服金属膜片与阀杆之 间存在的初间隙Sb，金属膜 片下移使间隙减小直到输 入压力Pd=P0时，间隙为 0。 II：克服弹簧片及气源对 球阀的作用力，输入增加， 但膜片无位移。 III：放大器的工作段，B 点始阀杆下移，开大球阀 关小锥阀，放大器开始有 输出。
特点：
输入量为气体流量，输出量为气容气压
4、喷嘴挡板机构：把挡板微小的位移转换成相应的
气压信号。背压室 输出压力P随喷嘴挡板的开度h成比例变化
1）结构：
恒节流孔
0.14MPa
背 压 室：恒节流孔与 喷嘴的气室 喷 嘴：喷嘴轴 心与挡板垂直。 挡板与喷嘴具有 良好密封性
D
气源
d
喷嘴孔径D＞ ＞恒节流孔直径d h
挡板 不同挡板开度 对应不同的背 压室压力
喷 嘴 挡 板 机 构 结 构 示 意 图
ST
2）喷嘴挡板机构的静特性：背压室压力p (输出量)与挡板开度
h(输入量)之间的一一对应关系
P
MPa
① 挡板全关（h=0），背压室输出压力 接近气源压力； 挡板全开（h≥D/4），背压室输出压 力接近大气压力。
≈0.14MPa
节流分压器可以调整 （调节器）的比例带。
（2）节流盲室——积分环节
组成：在节流元件（使流通面积局部收缩）后面串联一个定 容气室C（盲室） R 输入Pi， 输出P0 pi p0 进入盲室的空气流量
G=流经气阻的流量， 即T=RC，T是该环 节的时间常数。
节流盲室
因为T=CR,气容C固定不变 调整R改变时间 常数： R=0（全开），积分时间小，输出变化快 R→∞（全关），积分时间长，输出变化慢 类似于控制对象的动态特性：输入突变时，输出的变 化滞后于输入的变化，并按指数规律趋近于输入值。
弹性元件在弹性变形范围内，其变
形与作用力成正比。
F=CＳ
F——轴向力 Ｓ——位移 C——弹性元件的刚度 刚度大则同样外力产生的变形位移小，即 灵敏度低
（2） 有效面积
弹性元件的输出力与承受力之比。
对于气室中承受压力的弹性元件，其有效 面积一般不等于其截面几何面积，如：膜片的 有效面积小于其几何面积；
输 入 D
机构输出流量小，压力信号 需要串联气动功率放大器。
1
大气
C
B
0.14MPa 气源
2
输出
A
3
6
1、只放大流量
5
4
非耗气型功率放大器（流量放大）
1、2-橡胶膜片；3-弹簧；4-锥形弹簧；5-阀杆；6-球阀座；7-锥阀座
耗气型：对输入信号成比例放大（流量、压力放大）
输入压力Pd增大 克服金属膜片2 和弹簧片3的张 力使阀杆下移， 球阀开大锥阀关 小导致B室压力 增大，空气流量 增大：因此阀杆 位移S决定放大 器输出压力的大 小
实现比例微分作用。通过可调气阻对微分时间 进行调整。 注意：弹性气室实现比例作用，而可调气阻实现微分 作用。比例惯性环节作为反馈环节，实现调节器比例 微分作用。
一、自动化仪表的主要品质指标
实际应用中，仪表测量值与真实值之间总是存在一 定差别，习惯上成为误差。
误差：测量值与真值之间的差别
1、按误差性质 基本误差：仪表本身缺陷造成（间隙、摩擦、刻度不均或分度不准） 附加误差：仪表使用条件的影响（环境温度、湿度、振动） 2、按数值表示 绝对误差：又称指示误差，被测量值A与真值A0之差Δ=A-A0；不 能完全反应仪表的精度。
S0
Ⅰ
Ⅱ
0
P0 F
PaF
PiF
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。
第三阶段： Pi >PaF后，阀杆开始有位
移。
气动调节仪表中，气动功率放大器分两种，一种是耗气 型功率放大器，一种是非耗气型功率放大器。 耗气型功 率放大器和非耗气型功率放大器的相同点是：它们都是 功率放大器，在气动仪表中用得都很广泛。 耗气型功率 放大器和非耗气型功率放大器的不同点如下。 （1）非 耗气型放大器是基于力平衡原理工作的。稳定时，输入 信号（背压）产生的力和输出信号产生的反馈力相平衡 ，放大系统有反馈作用，呈闭环式；工作时，两个活门 基本上都处于关闭状态，耗气量很小，故称非耗气式功 率放大器。 （2）耗气型放大器是基于位移平衡原理工 作的。输入信号（背压）作用于膜片，使其产生位移， 再以膜片位移和刚度的乘积，即弹性元件的弹力与输入 力相平衡，所以这种放大系统呈开环式。稳态时，两个 活门都有一定的开度，总有一部分空气排大气，故称耗 气型功率放大器。 （3）非耗气型放大器的压力不进行 放大，耗气型放大器的压力、流量都进行放大。
2、节流元件：作用阻碍气体流动、产生压降、改变流
量
①恒节流孔式（毛细管式和小孔式）： 流通面积不变——恒气阻 ②变节流孔式（圆锥-圆锥型、圆锥-圆柱型、圆球-圆锥型）：流通面 积可调——可调气阻（调整比例带、积分时间、微分时间） 常用变节流孔组成变节流阀
符号：
气阻R：节流元件对气体流动阻碍作用的大小，恒节流孔内径不能改变，气阻 不能改变。
I P0
Pa（起步压力） PdF
注意：A——转折点，取决于金属膜片的刚度以及初间隙的大小
B——起步压力，取决于弹簧片及气源对球阀的作用力 请思考:放大倍数K2的影响因素？金属膜片有效 面积、弹性组件刚度、放大器的结构因素
ST
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 Ⅲ
2、弹性敏感元件：将承受的压力、轴向推力转变成位移信号
F
F
P
螺旋弹簧 片簧
波汶管 非金属膜 金属膜片
ST
弹性敏感元件
P：输入波纹管的气压信号 Fe:波纹管的有效面积 E:波纹管和支撑弹簧的总刚度 S：输出量、波纹管的位移
膜盒
弹簧管
波汶管
膜片
弹簧管
弹性元件的基本特性：弹性特性及有效面积
（1） 弹性特性
输入气源Pd
C
锥阀（控制 排气量） 金属膜片2（设定有效面 积F，则膜片承受的轴向 推力： Pd * F ）
大气压力
输出
B
气源0.14MPa
A 弹簧片3
球阀4： 控制进气量
1、输入信号Pd=大气压力时，金属膜片2与阀杆之间存在间隙Sb 当Pd增大到P0时，间隙S=0即视图I 2、当Pd由P0继续增大到Pa时需克服弹簧片3的预紧力及气源对球阀的作用力 ，膜片2与阀杆均不产生位移。即视图II/3 3、只有Pd大于Pa时，放大器工作在斜率III（放大器的工作段）
第二节
船用自动化仪表基本知识
本章主要内容 ： •气动仪表主要元部件及主要环节 •气动变送器 •气动显示仪表 •气动调节器 •执行机构及气动仪表管理要点
ST
船用自动化仪表
自动化仪表基本知识 1、组成自动控制系统的各种仪表： 变送器、显示仪表、调节器、执行机构及辅助仪表 等。 2、分类： 按结构：基地式仪表：测量仪表、显示仪表、调节 器组装成一个整体。不用统一信号。 单元组合式仪表：控制系统的各种功能都分 别用独立仪表来实现，并统一信号。 按能源：电动调节仪表（信号4-20mA或010mA）、气动调节仪表（0.02-0.1MPa， 1MPa=10公斤）
仪表的不灵敏区、灵敏限、变差 6、 不灵敏区：仪表活动部件的摩擦、间 隙、弹性元件的滞后使输入信号有微小 变化而输出仍然不变。 灵敏限：引起仪表输出微小变化所需 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） 变差：外界条件不变，多次从不同方 向输入同一真值，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）。
弹性元件的压缩变形比拉伸变形具有更 好的线性关系，实际使用波纹管时常采用预 压缩的方法。
膜盒压力表工作原理
膜盒
P1 P2
被测量介质的压力从接头进入 膜盒内腔， 波纹膜盒在被测介质的压力作 用下， 产生相应的弹性变形 受压而产生位移 ，通过连杆机构带动机芯齿轮 旋转， 指针指示出被测压力值在表盘 上指示出来
0.10MPa
②ab段是静特性曲线的线性段（陡）对应 输出压力0.02～0.10MPa作为工作段
a ΔP=K1Δh K1 :ab两点间的平均斜率 ΔP：背压室压力的变化 Δh：挡板开度的变化
0.02MPa 10
b
h(um)
h
22
喷嘴挡板机构的静特性
5、气动功率放大器
喷嘴挡板 7 衰减大，难推动执行机构。
所以：不灵敏区用输入量的变化表示，而 变差以输出量的变化表示。
二、 气动仪表的主要元部件及组成原理
（一）、主要元部件：弹性元件、节流元件、气体容室、喷嘴 挡板机构和功率放大器等
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。
1、弹性支承元件：用于支撑平衡或增强弹性敏感元件的刚度
阻值R
P0
流通气室
P1
P2
两个气阻工作在层流状态，层流（laminar flow）是流体的一 种流动状态，它作层状的流动。流体的流速在管中心处最大， 其近壁处最小。
在稳定状态下，可调气阻的流量G1=恒节流孔的流量G2,则
P1=K*P0即P1随P0成比例变化。
RF=0（全开），K=1 RF→∞（全关），k→0 改变节流阀的可调气阻，使K在0-1之间变 化。
调整方法：调换刚度不同的金属膜片，改变弹簧片的预 紧力。（刚度越大、预紧力越大，则起步压力越大）
输入
锥阀（排大 气量） 金属膜片 C
Leabharlann Baidu
输出
变节流孔
B
大气
气源0.14MPa
A 弹簧片
球阀：B室 进气量
二级气动功率放大器
最陡 线性度最好
精度高 灵敏度好 稳定性好
2、启动仪表的反馈环节
（1）节流分压器：又称节流通室，由可调气阻R 流通气室及恒节流孔串联组成 可调气阻RF（变节流孔） 恒节流孔
流量G
压降ΔP
恒节流孔
圆锥-圆锥型 圆柱-圆柱型 圆球-圆锥型
ST
3、气体容室 ：储存或放出气体，对压力变化起惯
性作用
①定容气室—积分 ②弹性气室—微分：在空腔中加入波纹管， 其气室体积随波纹管压力的变化而变化
G
p
气容不变
P P0
气容改变
气容C：气体容室内，每升高一单位的压力所需的空气质量。
弹性 气室 在充 放气 过程 中气 容是 变化 的。