第三章 船用气动仪表 第一节 自动化仪表的基本知识227

考点1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种误差的来源以提高仪表的准确度。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-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=0.01MPa，若测量范围是10MPa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。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%100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，即%100'max0A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Δx，相对应的输出量变化Δy则仪表的灵敏度S为xyS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。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。考点21．气动仪表的基本元部件（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撑元件。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。②弹性支撑元件弹性支撑元件的作用是支承、平衡或增强弹性敏感元件的刚度。弹性支撑元件有螺旋弹簧和片簧等。螺旋弹簧刚度较大，通常与弹性敏感元件组合使用，以增加其刚度，也多用于调整弹性敏感元件的初始位置。（2）节流元件①恒节流孔毛细管式可用不锈钢或玻璃管制成，直径为0.18～0.3mm。小孔式恒节流孔的内径有几种规格，即0.25mm、0.30mm、0.50mm，长度为4mm。衡量节流元件特性的参数是气阻。通常把气体流过节流元件在两端产生的压降与气体流量之间的对应关系称为节流孔的流量特性。显然，节流孔内径越小，产生的压降也就越大。我们常用气阻R来表示节流元件对气体流动阻碍作用的大小，若气体在节流孔中处于层流状态时，气阻R、压降ΔP和流量G之间的关系为GPRRGP由于恒节流孔内径不能改变，气阻不能调整，所以常称为恒气阻或固定气阻。（2）变节流孔变节流孔是指，气体经过节流孔流通时的流通面积是可以调整和改变的。常用变节流孔组成变节流阀，用于调整比例带、积分时间和微分时间。（3）气体容室气体容室指具有一定容量的气室，简称气容，在气动仪表或气路中能储存或放出气体，对压力变化起惯性作用。①定容气室定容气室的特点是气室容积是固定的，它是连接在气动管路上的一个能储存气体或放出气体的空腔。②弹性气室弹性气室是在固定的气室内加装了一个波纹管所构成的。（4）喷嘴挡板机构喷嘴挡板机构是气动仪表中最精密的核心元件，它的作用是，把挡板微小的位移转换成相应的气压信号并作为它的输出。图3-1-1喷嘴挡板机构示意图1-横节流孔；2-背压室；3-喷嘴；4-挡板喷嘴挡板机构的结构如图3-1-1所示。它由恒节流孔1，喷嘴3，挡板4及背压室2（恒节流孔与喷嘴之间的气室）所组成。在结构方，通常对喷嘴挡板机构有如下几点要求：（a）喷嘴的端面应进行精密加工，保证在挡板盖住喷嘴时不漏气；（b）喷嘴的轴心线必须与挡板平面保持垂直，保证挡板全关（靠上喷嘴）时，具有良好的密封性。这时背压室的压力接近气源压离0.14MPa；（c）喷嘴的孔径D与恒节流孔的孔径d相比较要力0.14MPa；（d）喷嘴的孔径D与恒节流孔的孔径d相比较要大得多（一般D=4～6d），保证挡板全开（远离喷嘴）时，背压室的压力能降低到接近大气压力。图3-1-2喷嘴挡板机构的静特性在气动仪表中，0.14MPa的气源直接送到喷嘴挡板机构的入口，经恒节流孔1进入背压室2，再由喷嘴3与挡板的缝隙排入大气。当挡板4越靠近喷嘴3，挡板开度h越小（挡板离喷嘴越近），气体从喷嘴流出的气阻越大，背压室中的压力越高。反之，挡板4越离开喷嘴，挡板开度h越大（挡板离喷嘴远），气阻越小，背压室中的压力越低。实际上，喷嘴挡板是起到变气阻的作用。不同的挡板开度就对应-个不同的背压室的压力，在稳定工况下（恒节流孔与喷嘴流量相等），背压室中压力不变，即背压室压力P（输出量）与挡板开度h（输入量）之间的一一对应关系称为喷嘴挡板机构的静特性。其实验曲线如图3-1-2所示。它有以下特点：①当挡板处于全关（h=0）状态时，由于喷嘴挡板的加工和装配精度所限，难免有一点漏气，这样背压室的压力不能等于，而只能接近于气源压力0.14MPa。②在挡板全开（即h≥41D）时，由于喷嘴孔径远大于恒节流孔的孔径，使背压室压力接近大气压力。③挡板从全关逐渐移到全开时，背压室中的压力P将从接近气源压力逐渐降低到接近大气压力。从静特性曲线图上还可看到，各点的斜率是不相同的。换言之，背压室的压力与挡板开度之间不是严格的线性关系，特别是静特性曲线上、下两头，是明显的非线性关系。但是，在a、b两点之间，随挡板开度h的变化，背压室压力变化很快，静特性曲线很陡。这时用a、b两点间的直线来代替a、b两点间的曲线其误差是不大的。这样，在喷嘴挡板机构的工作范围（背压室压力为0.02～0.1MPa）内，可把它看成是线性元件。这样，喷嘴挡板机构背压室中压力的变化量ΔP与挡板开度之间的变化量Δh可表示为hKP1式中，K1=tanφ，是比例系数或称喷嘴挡板机构的放大倍数，实际上它是a、b两点间的平均斜率。喷嘴挡板机构通常是工作在a、b段上，称之为工作段，由于工作段线性度好，能保证仪表的精度和灵敏度。从喷嘴挡板机构的静特性曲线可见，它确实是一个很精密的元件，挡板的位移h变化十几个微米，背压室压力就能变化全范围。因此，在安装时，喷嘴的轴心线必须与挡板平面垂直，在挡板靠上喷嘴时有良好的气密性。平时不要随意用手搬动挡板，以免挡板变形影响仪表的精度，要求保持气源清洁，不应有油、水和其他污物，以免堵死喷嘴和恒节流孔，它们的堵、漏常常是造成仪表故障的主要原因。（5）气动功率放大器由于喷嘴挡板机构中，恒节流孔的孔径很小（d=0.15～0.3mm），工作时输出的空气量很少，很难直接动作执行机构，或传送较远远距离。因此，几乎所有的气动仪表都必须在喷嘴挡板机构的输出端串联一个气动功率放大器，对喷嘴挡板机构输出的压力信号进行流量放大，或流量、压力放大，即功率放大。耗气型气动功率放大器输出压力的变化量ΔP出与阀杆位移的变化量ΔS存在近似的比例关系为d2PKP出式中，K2称为气动功率放大器的放大倍数。它与金属膜片的有效面积、弹性组件的刚度及放大器的结构因素有关，当金属膜片及弹簧片选定后，可以近似把K2看做是常数，所以气动功率放大器是一个放大倍数为K2的比例环节。它除了压力放大了K2倍以外，流量也放大了许多倍。因此，它具有流量压力放大作用。考点3所有气动仪表的构成原理如图3-1-7所示，都是由三个基本环节（放大、反馈、比较）构成。其中，放大环节起信号放大作用，要求它具有较高的灵敏性和足够大的功率输出；反馈环节起信号的运算作用，通常是把仪表的输出信号P出通过反馈回路，送回到仪表的输入端与输入信号进行综合，如果放大环节放大倍数足够大，仪表的信号传递关系只决定于反馈回路的信号传递关系。这样，可消除放大环节各种非线性因素的影响，提高仪表的精度。同时，在调节器中，采用不同的反馈回路，可实现不同的调节作用规律；比较环节起信号比较作用，使输入信号与反馈信号在此比较，其输出信号等于各信号的代数和。总之，只要我们掌握了放大、反馈和比较等三个基本环节，就能比较容易地分析一台仪表的工作原理及功能。图3-1-7气动仪表的组成原理1．气动仪表的放大环节前面介绍过，几乎所有气动仪表，在喷嘴挡板机构的输出端，都要串联一个气动功率放大器。在结构上两者往往组成一体，称为二级气动功率放大器。其中喷嘴挡板机构为一级放大。图3-1-8是耗气型二级气动放大器的原理图。这种类型的二级气动功率放大器的输入与输出之间的传递关系为：hKPB式中，K＝K1·K2是二级气动放大器的放大倍数；K1是喷嘴挡板机构的放大倍数；K2是耗气型气动放大器的放大倍数。图3-1-8耗气型二级气动放大器原理图2．气动仪表的反馈环节基于反馈控制原理，如果仪表放大环节的放大倍数足够大，则仪表的信号传递关系只决定于反馈回路的信号传递关系。因此，在气动仪表中，总是把输出端的输出信号引回到输入端，构成负反馈气路，但除1∶1的负反馈外，在调节器中引用不同的反馈气路，就可以实现比例、积分和微分的作用规律。下面介绍一些常用的反馈气路。（1）节流分压器节流分压器又称节流通室，它是由可调气阻RF、流通气室p1及恒节流孔R串联而成，如图3-1-9所示，两个气阻一般都工作在层流状态。流通气室容积很小，可不考虑对其压力变化的惯性影响。仅分析流通气室压力p1（输出量）与控制信号压力P0和P2（节流分压器的输入量）之间的关系。一般p2是大气压力，根据气体流动的连续性定理，在稳定情况下，通过可调气阻RF的流量G1必定等于通过恒节流孔R的气体流量G2，如果气体密度在节流孔前后保持不变，则RPPGRPPGF212101；201PRRRPRRRPFFF如果P2通大气，即02P，则上式可简化为001KPPRRRPF式中，K＝R／RF＋R0称为节流分压器的分压系数，K值的大小取决于变节流阀的开度，当RF一定时，K是常数，P1随P0成比例变化。若P0不变，改变可调气阻RF，可改变P1与P0之间的比值，变节流阀全开时，RF=0，P1=P0；当变节流阀全关时，RF→∞，P1≒0。因此，改变变节流阀的可调气阻，可使K在0～1之间变化。在调节器中，利用节流分压器作为反馈环节，可实现比例作用，改变变节流阀的可调气阻可用来调整调节器的比例带。图3-1-9节流分压器结构示意图（2）节流盲室节流盲室是在节流元件（可调气阻或恒气阻）后面串联一个定容气室（盲室）构成的，如图3-1-10所示。Pi是节流盲室的输入量。P0是输出量，用R表