气动仪表及气动调节系统

97第五章气动仪表及气动调节系统气动调节与控制系统与电控系统、液控系统一样都是实际生产过程中自动控制的一种。气动仪表是气动调节系统的核心。从二十世纪三十年代到现在，气动仪表由基地式调节仪表发展到单元组合仪表和集装式调节仪表。由于电子工业和电子技术的飞速发展，尤其是电子计算机的出现，为电动仪表的发展开拓了广阔的前景。众所周知，电动仪表与计算机联用，无论在传递速度还是在传送距离方面，特别是在它能很方便地把各种非电的物理量转换成电量方面，具有气动仪表无法比拟的优点。近年来，很多大中型企业越来越多地采用电动控制装置。但是必须看到，气动调节仪表仍在许多方面具有独特的优点，特别是它从电动仪表的发展中吸取了不少优点，出现了反应快、结构小巧、性能稳定、功能齐全的新系列产品。国际国内仍广泛使用气动仪表。就我国目前情况看，“电气共存”“相互补充”的局面将长期存在，气动仪表及其控制系统仍有广阔的发展前景。第一节气动仪表及气动调节系统的基础知识一、气动调节系统的组成及气动仪表的作用为了说明自动调节系统的概念，我们先看一个实例。图5—1所示为一控制贮罐中液位高度的控制系统。物料从阀1流入，从阀2流出，贮罐内的液位必须维持在某一高度。由于工况的变化，从阀1的流入量与阀2的流出量不等，液位将发生变化。变送器检测贮罐内的液位变化，并将这一参数（称为被控参数）送到显示仪表和调节器。调节器将变送器送来的被控参数与预期的液位高度进行比较，得到偏差值，将这一偏差值输出给气动调节阀1。调节阀1控制其流量作相应的改变使液位保持在预期的给定值。自动调节系统包括以下几个部分：被调对象（贮罐）、变送器、显示仪表、调节器和执行器。图5—2是液位控制系统的调节原理方框图。图5—1贮罐液位自动调节原理图图5—2自动调节系统方框图1—气动调节阀；2—出料阀98图5—2中各方框的意义如下：被调对象——简称对象，就是被调节的设备。变送器——将被调参数转换成与其成比例的统一信号。气动变送器的统一信号为0.2～1.0×102KPa。调节器——把变送器送来的测量信号与给定器送来的给定信号进行比较，并把所得的偏差信号按照一定调节规律运算放大之后，输出一个相应的控制信号去指挥执行器。显示仪表——指示、记录被调参数、给定值和调节器输出信号。执行器——包括执行机构和调节阀。执行机构将调节器的输出信号转变成推力，用以推动调节阀；调节阀则改变被调介质的流入量或流出量。常见的执行器是气动薄膜执行器。除对象之外，每一个方框，都可以构成一个独立的单元；把变送器、显示仪表和调节器组装在同一个壳体内则构成基地式调节仪表。本章只介绍变送器、调节器、计算单元及辅助单元的结构及工作原理等。二、气动仪表的元件与组件气动仪表的种类很多，在结构上千差万别。但它们都是由为数不多的几种基本元件与组件按一定的原则组合而成。常见的元件有气阻、气容，常见的组件有阻容耦合元件、喷嘴挡板机构、功率放大器，这些内容前面已经介绍过，不再重述。三、气动仪表的构成原理气动仪表是将输入的位移信号转换成气压信号，或者将输入的气压信号再转换成相应的气压信号的转换装置。按这种转换原理，气动仪表可分为直接作用式和反馈式两类。（一）直接作用式气动仪表图5—3是直接作用式气动仪表的构成原理图。图5—3（a）是将输入的位移信号转换成标准气压信号的装置。图5—3（b）是将输入的压力信号转换成指针位移的装置。图5—3直接作用式气动仪表构成原理图这类气动仪表实际上是喷嘴挡板机构的直接应用，其结构简单、工作可靠。但是由于部件的非线性影响，工作特性不理想。特别是当供气压力、环境温度变化时，仪表的特性也将随之变化，影响仪表精度，带来转换误差。因此，这类直接作用式气动仪表，多用来99做报警装置或显示仪表。对于常见的气动变送器和气动调节装置，则要引入反馈机构进行补偿，以改善仪表特性。（二）反馈式气动仪表常见的气动仪表，绝大多数是带有反馈机构的。引入反馈机构的目的是为了补偿主回路系统各部件的非线性特性，保证输入与输出之间有确定的关系。反馈式气动仪表可分为位移平衡式和力（力矩）平衡式两种。1．位移平衡式气动仪表位移平衡式气动仪表的工作原理如图5—4所示。输入信号pi作用于测量波纹管，使A点产生位移Xi，平衡杠杆绕B点逆时针偏转，喷嘴挡板间产生测量位移X1。由于喷嘴背压的变化，经功率放大器放大，有输出信号P出。输出信号同时反馈至反馈波纹管，使B点产生位移Xf，平衡杠杆绕A点顺时针偏转，喷嘴挡板间产生反馈位移X2。显然，在测量信号pi作用下，喷嘴挡板间所获得的实际位移X=X1—X2由于测量位移与反馈位移使平衡杠杆达到新的平衡状态，所以输出信号P出与输入信号Pi成比例关系。输出与输入关系可从图5—5方框图求得。图5—5位移平衡式仪表工作原理方框图由图5—5求得传递函数WspspsAkllkkkkAkllliiinrnrfs()()()出2112111式中Ai——测量波纹管有效面积；Af——反馈波纹管有效面积；kn——喷嘴挡板机构放大系数；图5—4位移平衡式气动仪表工作原理图100kr——功率放大器放大系数；ks——反馈波纹管刚度；ki——测量波纹管刚度。设计时保证分母第二项》1，则WskAlkAllKsiif()()212即P出=KPi（5—1）K称为整机放大系数。由上式可知，引入负反馈作用后，整机传递函数与主回路的kn、kr特性无关，也就消除了喷嘴挡板机构和功率放大器非线性特性对整机特性的影响。我们把输入信号的测量位移与反馈位移，在平衡杠杆上建立平衡关系的工作方式，称为位移平衡或位移补偿。位移平衡工作原理因为位移量较大、摩擦损失大、响应慢、结构不紧凑、易受环境温度影响。所以要制造出一定精度的仪表，对设计和加工的精度要求就比较高。2．力平衡式气动仪表力平衡式气动仪表的工作原理如图5—6所示。从图上我们可以看出：力平衡式气动仪表平衡杠杆有一个固定支点0。当测量信号Pi作用于测量波纹管时，测量力通过A点对O点产生测量力矩。平衡杠杆绕O点偏转，使喷嘴挡板之间隙变化，喷嘴背压变化经功率放大器放大，引起输出信号P出变化。输出信号同时又反馈到反馈波纹管，对B点产生反馈力，形成对支点O的反馈力矩。当测量力矩与反馈力矩达到新的平衡时，输出信号P出与输入信号Pi成比例关系。我们把输入力矩与反馈力矩在平衡杠杆上进行平衡的工作方式称为力矩平衡。力矩平衡是力平衡的一个特例。力矩平衡式工作原理图中输入信号与输出信号的关系，可由图5—7方框图求得图5—7力矩平衡式气动仪表方框图图5—6力平衡式气动仪表工作原理图101由图5—7可求得整机传递函数WspspsAlCkkCkklAiinrnrf()()()出21111式中Ai——测量波纹管有效面积；Af——反馈波纹管有效面积；C——系统角刚度。若设计时分母第二项》1，则WslAlAKif()21即p出=Kpi（5—2）可以看出，输出信号与输入信号成比例关系，且与主回路的喷嘴挡板机构和功率放大器特性无关。我们把输入力矩与反馈力矩，在平衡杠杆上建立平衡关系的工作方式，称为力矩平衡，或称力矩补偿。力矩（或力）平衡工作原理，因为位移量较小、摩擦损失较小、响应快、结构紧凑、不易受环境温度影响，所以应用广泛。WspspsAlCkkCkklAiinrnrf()()()出21111式中Ai——测量波纹管有效面积；Af——反馈波纹管有效面积；C——系统角刚度。若设计时分母第二项》1，则WslAlAKif()21即p出=Kpi（5—2）可以看出，输出信号与输入信号成比例关系，且与主回路的喷嘴挡板机构和功率放大器特性无关。我们把输入力矩与反馈力矩，在平衡杠杆上建立平衡关系的工作方式，称为力矩平衡，或称力矩补偿。力矩（或力）平衡工作原理，因为位移量较小、摩擦损失较小、响应快、结构紧凑、不易受环境温度影响，所以应用广泛。第二节气动变送单元气动变送器在自动调节系统中的作用，是将被测参数（如温度、压力、液面、流量等）变换成标准的气压信号，根据需要，送入有关单元，以组成自动检测、自动调节或信号连续保护系统等。因为各种变送器首先接触被测参数，所以又把变送器称为“一次仪表”，102而把各种显示仪表和调节单元、计算单元等称为“二次仪表”。根据被测参数的不同，常见的变送器有差压变送器、压力变送器、绝对压力变送器和温度变送器等。近几年来，各种特殊用途的变送器也已相继生产，如测量高粘度、带悬浮物及液化气体等特殊流体流量的靶式流量计；测量高压小流量的浮子式流量计以及浓度计等。对各种变送器，要求能达到下述几个共同的技术指标：1．基本误差不大于全量程的1%，灵敏度不超过全量程多0.1%；2．反应滞后小；3．抗干扰的能力强；4．输出功率较大，以便远距离传送。虽然气动变送器的类型、品种较多，但在结构上不管哪种变送器都由测量和气动转换两部分组成。大多数测量不同参数的变送器，都有着共同的气动转换部分，不同的只是测量部分。考虑到差压变送器在各种气动变送器中具有典型性，所以我们就较全面地分析差压变送器，为进一步掌握其它气动变送器的一般规律打下基础。一、气动差压变送器的动作原理差压变送器是测量差压的仪表。具体应用时，除了可以直接测量差压外，还可以间接测量液位、分界面、密度及流量等参数。以双杠杆式差压变送器为例，其结构原理如图5—8所示。代表差压信号的p1、p2分别送到膜盒两侧的正、负压室。由于p1p2，所以正压室膜片受力F1比负压室受力F2大。F1与F2之差称为测量力。膜盒1内充满硅油，通过硅油的传递，测量力经“C”型簧片17作用于主杠杆16的下端。主杠杆的中部有出轴密封膜片15作为支点，于是测量力使主杠杆产生顺时针方向偏转的测量力矩。通过塔架12带动副杠杆3也作顺时针偏转，使顶丝9离开挡板10，挡板借自身弹力靠近喷嘴11，使喷嘴背压增加。此压力经功率放大器13的放大即为输出。与此同时，输出压力通过反馈波纹管产生一个反馈力，并形成一个以量程螺钉6为支点的逆时针的反馈力矩。此力矩通过塔架12的传递又作用到主杠杆16上。这样，主杠杆上作用着两个力矩：由测量力产生的顺时针力矩和由反馈波纹管产生的逆时针的反馈力矩。当这两个力矩互相平衡时，主杠杆就处于平衡，喷嘴挡板间的距离也就一定。这时，就有一个与差压相应的气压信号输出。103图5—8双杠杆差压变送器结构原理图图5—9测量部分结构原理图1—膜盒；2—负压室；3—副杠杆；4—调零弹簧1—基体；2—基座；3—膜片；4—硬5—反馈波纹管；6—量程螺钉；7—静压轮；8—芯；5—密封圈；6—出轴密封膜片；7—迁移弹簧；9—顶丝；10—挡板；11—喷嘴；12—主杠杆（上段）；8—支架；9—硅油；10—塔架；13—放大器；14—支架；15—密封膜片；“C”型簧片；11—主杠杆（下段）；12—16—主杠杆；17—“C”型弹簧，18—正压室单向过载保护密封圈当差压变化时，主杠杆的平衡就要破坏，通过反馈作用，又建立新的平衡状态，这时差压变送器就有新的输出。于是，输出压力与差压信号便成一一对应的比例关系。二、差压变送器的基本结构及其分析如上述，气动差压变送器由测量部分和气动转换部分所组成。测量部分的作用是感受差压的变化，并将此差压转换成相应的测量力，这个力作为气动转换部分的输入。根据有关资料得知，此力的范围最好选在50～100牛顿之间。力取得太小时，会影响变送器的工作稳定性及其它特性。反之，如果取得太大，由于构件的变形，变送器精度反而降低。气动转换部分接受测量部分产生的力，并把它转换成相应的标准气压信号，作为变送器的输出。下面，我们将分别进行较全面的分析，以便从中找出它的规律性。（一）测量部分测量部分在整个变送器结构中是个重要的组成部分，因为它首先接触被测参数，并将其转换成力。所以，它的性能好坏，将直接影响整个变送器的质量。测量部分结构原理如图5—9所示。它主要由出轴密封装置、检测元件（膜盒）、基体等组成。膜盒与基体分别组成正负测量室。膜盒在测量部分是