5-2 自动化仪表基本知识

§5-2自动化仪表基本知识一、自动化仪表的品质指标1．基本误差与附加误差基本误差：仪表本身的缺陷（间隙、摩擦、刻度不均或分度不准等）造成的误差。附加误差：仪表规定的使用条件（环境温湿度、振动等）发生变化引起的误差。2．绝对误差（指示误差）绝对误差：Δ=A—A0=测量值—真值。A0很难得到，一般以高精度标准仪表测得的平均值来代替A0。Δ不能反映仪表的精度。3、相对误差δ——绝对误差Δ占指示误差的百分数。δ=Δ/A×100%δ反映仪表的精度。4、仪表的精度——测量中的最大指示误差与量程（最大测量范围）的比值。常用的等级有：0.1、0.2、0.35、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5级等例：求量程为5.9KPa（600mmH2O）的一级精度气动差压变送器的最大指示误差。/max0AOmmHA2/0max6600%15．仪表的灵敏度：仪表达到稳定工作状态时，输出变化量Δy与引起变化的输入变化量Δx之比S=Δy/Δx可见，S↑→越能测出微小的输入变化，灵敏度↑。一般小量程仪表的S大量程仪表的S具有均匀刻度的仪表：S=常数具有不均匀刻度的仪表：S≠常数6、仪表的不灵敏度、灵敏限和变差（1）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，输出不变。——即不灵敏区（2）灵敏限——引起仪表输出发生微小变化量，所需输入量的最小变化值。一般认为灵敏限=1/2不灵敏区（3）变差——仪表在同一测量点，其正反行程指示值之差。可见：不灵敏区以输入量的变化变差以输出量的变化来表示仪表结构不完善程度自学教材P91：2、3、4、5、6、9、10、12、13、15、16、18二、气动仪表的基本元件包括：弹性元件、节流元件、气室、喷咀档板机构和功率放大器1．弹性元件分两类：★弹性敏感元件——将所受的压力或轴向推力转变成位移信号。包括波纹管、金属膜片和膜盒、弹簧管、橡胶膜片等★弹性支承元件——用于增加弹性敏感元件的刚度，确定弹性敏感元件的初始位置及仪表调零等。包括柱簧、片簧等常用弹性元件（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。片簧金属膜片波汶管FFP返回本节（1）刚度和灵敏度刚度E——弹性元件产生单位位移变形所需的轴向力，表示弹性元件的软硬程度。E=N/S灵敏度δ——单位外力作用下，弹性元件所产生的位移变形，即：δ=1/E弹性元件的刚度E↓→灵敏度δ↑在气动仪表工作范围内，弹簧管、波纹管、金属膜片或膜盒的位移与推力近似为线性关系，即E=常数，而橡胶膜片在小的工作范围时，E≈0。（2）弹性灵敏元件的有效面积FeN=P·FeFe——有效面积一般Fe≠几何面积πD2/4，通常Fe几何面积在弹性元件的弹性范围内，通常Fe=常数，实际应用中对弹性元件的处理：①在安装波纹时，采用预压缩方法②金属膜片制成波纹状；③采用多圈弹簧管。④橡胶膜片制成波纹状，中间加硬芯——增大刚度橡胶膜片多用于有无气压信号的瞬间动作可增大线性使用范围2、节流元件节流元件——用以阻碍气体流动，产生压力降或改变空气流量表示节流元件特性的参数：气阻R——气体在节流元件两端产生的压降与气体流量间的关系。表示节流元件对气体流动阻碍能力的大小。若节流孔中为层流流动，则：R=ΔP/G或ΔP=G·R2节流元件节流元件：前后压力差的大小随气流量成比例变化，比例系数取决于元件的弹性大小。与输入输出无关。Δp(t)=RΔq(t)G(s)=ΔP(s)/ΔQ(s)=R返回本节节流元件的种类——恒节流孔和变节流孔（1）恒节流孔——恒气阻或固定气阻毛细管式——d=0.18∽0.3mm的不锈钢或玻璃钢管小孔式——长4mm，孔径有0.25、0.3、0.5几种规格。（2）变节流孔——流通面积（气阻R）可调整。圆锥—圆锥型常见形式圆柱—圆锥型圆球—圆锥型用途：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（气容）作用：在气路中能贮存或放出气体对压力变化起惯性作用。种类：定容气容——气室容积是固定的。弹性气容——气室容积随压力而变。气容C：气体容室内每升高单位压力所需增加的空气量，表示气容贮存空气能力大小。C=dm/dP气容C的大小取决于气容的体积V，V↑→升高单位压力所需的空气量↑→贮存空气能力↑→气容C↑对于定容气室：C=常数；对于弹性气室：V可变，C≠常数。ppmm气体容室储蓄特性由：所以：则传递函数为：CGdtdmCdtdP1质量流量dtdmGtGdtCP01CSSGSPSW1)()()(4、喷咀档板机构组成——恒气阻(恒节流孔1）+背压室2+喷咀档板（喷嘴3+挡板4）串联而成作用——将档板相对于喷咀的微小位移转换成相应的气压信号，相当于变气阻单元。是气动仪表最基本最精密的元件是一放大系数很大的放大环节。4喷嘴挡板机构4.喷嘴挡板机构：输出压力随喷嘴挡板的开度成比例变化恒节流孔背压室喷嘴挡板喷嘴挡板机构结构示意图气源返回本节输出0.10MPa0.02MPa1022h(um)MPa喷嘴挡板机构的静特性返回本节喷咀档板机构静特性——在稳定工况时背压室的输出压力P与档板位移h之间的关系①当档板盖住喷咀时（h=0），理论上应有P=P0=0.14MPa。实际上由于加工精度限制（漏气）使P略低于P0②当档板离开喷咀一定距离时，h的变化将不再引起压力P的变化。档板与喷咀间形成的气流出口是一小圆柱侧面的形状，当其面积πd2h=咀孔流通面积πd22/4时，档板不再起节流作用这时h=d2/4当h≥d2/4时，理论上P=Pb（大气压力），但实际上由于气流对档板的冲量作用，使P偏高于大气压力③当h=0～d2/4.时，h↑→P↓，呈非线性关系，但在喷咀档板机构的工作范围（P=0.02—0.1MPa）内，即a—b段可近似当成线性关系，这样有：ΔP=K1·Δh是一比例环节。K1——ab段的平均斜率。5、气动功率放大器喷咀档板机构中，恒节流孔径很小（d1=0.15—0.3mm），工作时输出气量少，不能直接推动执行机构（也很难远距离传送），所以在喷咀档板机构后要加一功率放大器（进行流量或流量压力放大），两者一起又称二级功率放大。5放大器5.放大器：对输入信号成比例放大气源输出输入气动功率放大器返回本节耗气型气动功率放大器起流量和压力放大作用。组成：放大气路——两变节流阀球阀：控制来自气源的进气量（较小位移时，G变化大，满足大流量的要求）。锥阀：控制排气量弹性元件——金属膜片+弹簧片使阀杆产生位移IIIIIISP输入FP0Pa返回本节当P↑→阀杆下移→开大球阀关小锥阀，流量放大（进气量排气量）→Pout↑。可见：阀杆位移的大小决定输出压力大小设输入压力为Pi，金属膜片面积为F，推力PiF与位移S的关系分三个阶段SS00P0FPaFPiFⅠⅡⅢ第二阶段：当PiP0时，由于PiF弹簧片预紧力+气源压力作用，阀杆无位移。第三阶段：PiPaF后，阀杆开始有位移。SS00P0FPaFPiFⅠⅡⅢ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Pa——放大器起步压力（27.33Kpa）换用不同刚度膜片和弹簧片可调整Pa当P↑→阀杆位移ΔS与ΔPi成正比→称为放大器的工作段。此段内：输出压力增量ΔP出=K2·ΔPi→比例环节。K2——放大器放大倍数（取决于膜片有效面积F及弹性组件刚度）二、气动仪表的基本环节气动仪表的三个基本组成环节放大环节反馈环节比较环节放大环节反馈环节输入信号反馈信号比较信号输出信号+-1、气动仪表的放大器——二级气动功率放大器。在喷嘴挡板机构中的输出端，串联一个气动功率放大器，称为二级气动功率放大器。喷嘴挡板是一级放大。下图是其原理图。输入与输出之间的关系△PB=K×△h（K=K1×K2）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1、气动仪表的放大器——二级气动功率放大器。一般输出PB=0.02∽0.1MPa，ΔP=0.08MPa假设功率放大器的压力放大系数为10，则喷咀档板机械的输出压力的最大变化范围为0.08/10=0.008，它只占喷咀档板机构的静特性曲线很小的一段abPb——起步压力。如起步压力Pb调整适当，放大器工作特性曲线最徒，最接近于直线的部分ab，使仪表具有较高的灵敏度、精度和工作稳定性如Pb调整过高或过低，则放大器工作在ab或a'b'段，各点斜率不同。Δh变化大，灵敏度↓，稳定性↓调整起步压力Pb的方法：调换刚度不同的金属膜片或改变弹簧片预紧力2、气动仪表的反馈环节（1）节流分压室（节流通室）由可调气阻RF、流通气室p1及节流孔R串联而成。两个气阻都工作于层流，流通气室面积很小，可不计它对压力变化的惯性影响。（1）节流分压室（节流通室）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）间的关系分析（一般p2是大气压力）：根据气体流动的连续性原理，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前后保持不变，则：RPPGRPPGF212101如果P2通大气，即P2=0，则：K=R/（RF+R），RF不变时，K=常数，P1与P0成正比。变节流阀全开，RF=0，P1=P0变节流阀全关，RF=∞，P1=0改变RF，可使K=0～1。应用：节流分压器与1：1跟踪器配合使用，可用来调整比例带001KPPRRRPF（2）节流盲室节流盲室是在节流元件（可调气阻或恒气阻）之后串联一个定容气室（盲室）构成。如图所示。Pi是节流盲室的输入量PO是输出量R表示节流元件气阻pip0R（2）节流盲室经过气室的气流量等于进入盲室的空气量，即：dm=C·dPodm/dt=G是进入盲室的空气流量，这个空气流量就等于流经气阻的流量（Pi-P0）/R，T=RC。可见，节流盲室是一个惯性环节，T是该环节的时间常数。RPPdtdmdtdPCi00iPPdtdPT00pip0R传递函数：这是一个一阶惯性环节。如果Pi是一阶跃变化，则：变化速度取决于时间常数T=RC，其中C为常数，故改变气阻R即可调整T，T↑→P0变化越慢。在实际应用中，常将节流盲室置于调节器的正反馈回路中，得到积分作用，此时改变气阻值就可调整积分时间。11)()()(TSSPSPSWio)1(0TtiePPPsrE/Psc（3）比例惯性环节组成：弹性气室（波纹管E与壳体之间的腔室）、波纹管E/、可调气阻R及连接管路。Psr是输入量，Psc是输出量。其工作情况与节流盲室相近，不同的是：①节流盲室E'的容积是变化的，Psr的变化会引起波纹管E的伸缩，盲室的容积随之变化，C≠常数②作用于节流盲室E'的气路有两条通道：一条是Psr经过可调气阻R对盲室充放气；另一条是波纹管E伸缩造成挤排作用对弹性气室形成的通道。特性曲线Psr→首先挤压气室E，使Psc突增→比例作用Psr经R不断向Psc充气，Psc↑，而E逐渐收缩，直到Psc=Psr为止→惯性充气环节气动调节器中，常用比例惯性环节作负反馈，实现实际比例微分作用。3、气动仪表的比较环节按线性叠加原理工作。比较环节的输出等于各输入信号的代数和，各信号的变化调整互不影响按平衡原理有三种形式：（1）位移平衡式反馈信号产生的档板位移与输入信号产生的档板位移相平衡（先大后小，有一微小变化，可不计）（2）力平衡式反馈信号产生的力与输入信号产生的力相平衡。（比较环节几乎无位移）误差小（3）力矩平衡式反馈信号产生的力矩与输入信号产生的力矩相平衡，精度高小结：节流分压器/室：比例作用；调节气阻可调节其比例带，负反馈节流盲室：是一个惯性环节，作正反馈环节实现积分作用改变气阻改变积分时间比例惯性环节（弹性气室）：作为负反馈可实现比例微分作用，改变气阻改变微分时间pip0RPsrE/Psc