第四章 過程控制裝置

1、過控教研室過控教研室 過程控制裝置與被控對(duì)象構(gòu)成了過程控制系統(tǒng)的基本要素。過程式控制裝置必須由測(cè)量變送單元、調(diào)節(jié)器和執(zhí)行器（如調(diào)節(jié)閥）三個(gè)環(huán)節(jié)組成 。由于工業(yè)過程式的復(fù)雜性，在進(jìn)行過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須根據(jù)過程特性和工藝要求，通過合理選用過程檢測(cè)控制裝置組成自動(dòng)控制系統(tǒng)，并通過調(diào)節(jié)器 PID 參數(shù)的整定，使系統(tǒng)運(yùn)行在最佳狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的最優(yōu)控制。 4.1 變送器4.2 調(diào)節(jié)器4.3 執(zhí)行器附錄一：本章的重點(diǎn)和難點(diǎn)附錄二：思考題與習(xí)題差壓變送器用來把差壓、流量、液位等被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換成為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，并將此統(tǒng)一信號(hào)輸送給指示、記錄儀表或調(diào)節(jié)器等，以實(shí)現(xiàn)對(duì)上述參數(shù)的顯示、記錄或調(diào)節(jié)。根據(jù)敏

2、感元件的類型不同，可分為膜盒式差壓變送器、電容式差壓變送器等型式。 按照變送器的驅(qū)動(dòng)能源來分有氣動(dòng)變送器和電動(dòng)變送器，以壓縮空氣為驅(qū)動(dòng)能源的是氣動(dòng)變送器；以電力為能源的便是電動(dòng)變送器。變送器的理想輸入輸出特性成線性關(guān)系。如圖41所示。 （1）氣動(dòng)差壓變送器）氣動(dòng)差壓變送器 氣動(dòng)差壓變送器主要利用了力平衡原理，其敏感元件為膜片或膜盒。主要用于測(cè)量液體、氣體或蒸汽的壓力、差壓、流量、液位等物理量。氣動(dòng)差壓變送器可以將壓力信號(hào) p 成比例地轉(zhuǎn)換成20100kPa的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號(hào)，送往氣動(dòng)單元組合儀表的調(diào)節(jié)器或顯示儀表進(jìn)行調(diào)節(jié)、指示和記錄。在分析氣動(dòng)差壓變送器之前，先討論一下氣動(dòng)儀表中常遇到的氣動(dòng)元

3、件與組件。 氣動(dòng)元件及組件 氣動(dòng)元件和組件按照一定的規(guī)律和原則構(gòu)成了氣動(dòng)儀表。常見的元件有氣阻、氣容。常見的組件有組容耦合組件、噴嘴-擋板機(jī)構(gòu)、功率放大器等。 氣阻 氣體流過節(jié)流元件時(shí)，會(huì)受到一定的阻力，這種節(jié)流元件叫做氣阻。氣阻的作用和電阻相似，它在氣動(dòng)儀表中阻礙氣體的流動(dòng)，起著降壓（產(chǎn)生壓力降）和限流（調(diào)節(jié)氣體流量）的作用。氣阻按其結(jié)構(gòu)可分為恒氣阻與變氣阻兩類。 恒氣阻是指流通截面積不能調(diào)整的節(jié)流元件，其氣阻值不可改變。恒氣阻的結(jié)構(gòu)一般有三種形式，如圖42所示。 變氣阻是指流通截面積可以調(diào)整的節(jié)流元件，其氣阻值可以隨意改變。變氣阻的結(jié)構(gòu)形式很多，常見的結(jié)構(gòu)形式如圖43所示。 如果在氣阻的兩

4、端加上一個(gè)壓力差，就有一定流量的氣體流過氣阻。流過氣阻的氣體流量與其兩端壓力差之間的關(guān)系，稱為氣阻的流量特性。 流過氣阻的氣體流量與其兩端壓力差成線性關(guān)系的氣阻稱為線性氣阻，如圖42（a）、（b）所示的恒氣阻和圖43（a）所示的變氣阻，這時(shí)通過氣阻的氣流為層流狀態(tài)。而流過氣阻的氣體流量與其兩端壓力差不成線性關(guān)系的氣阻稱為非線性氣阻，如圖42（c）所示的恒氣阻和圖43（b）所示的變氣阻，這時(shí)通過氣阻的氣流呈紊流狀態(tài)。線性氣阻與非線性氣阻的差別基本上是由流體的流動(dòng)狀態(tài)所決定的。一般情況下，當(dāng)氣阻前后的壓差足夠小時(shí)，所有氣阻都可表現(xiàn)為線性流量關(guān)系。 氣阻對(duì)空氣流動(dòng)阻礙的程度，一般用氣阻值 R 來定量

5、表示。在一般情況下，線性氣阻的氣阻值的大小等于每增加單位體積流量的氣體所需要增加的壓力差，即VqpR（41）式中 p 氣阻前后的壓降； q V 流過氣阻的體積流量； R 氣阻值。 氣容 凡是在氣路中能貯存或釋放出氣體的氣室稱為氣容。氣容在氣動(dòng)儀表中起緩沖、防止振蕩的作用，與電容在電路中的充放電作用相類似。通常用氣容 C 來定量的表示氣室貯存空氣量的能力。 所謂氣容就是指改變單位壓力所需要的氣體的體積流量。可表示為dpdtqCV（42） 氣容分為固定氣容和彈性氣容兩種，如圖44所示。在固定氣容中氣室壓力可變而容積不變，而在彈性氣容中氣室壓力和容積均可變化。在氣動(dòng)儀表中，很少單獨(dú)使用氣容，往往是由

6、氣容和氣阻組成阻容耦合組件使用。 阻容耦合組件 常見的阻容耦合組件有節(jié)流通室和節(jié)流盲室。 節(jié)流通室 是由變氣阻、流通氣室與恒氣阻串聯(lián)而成的組件，如圖45（a）所示。 根椐流體的連續(xù)性定律，在穩(wěn)定狀態(tài)下，單位時(shí)間內(nèi)流過氣阻 R1的氣體質(zhì)量流量qm1，必定等于單位時(shí)間內(nèi)流過氣阻 R2的氣體質(zhì)量流量qm2。若在氣阻前后的氣體密度 不變，則有610倍。所以，這種放大器是能將壓力與氣量都同時(shí)進(jìn)行放大的功率放大器。 氣動(dòng)差壓變送器 由測(cè)量部分和氣動(dòng)轉(zhuǎn)換部分組成。圖410給出了單杠桿式氣動(dòng)差壓變送器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，其放大器采用氣動(dòng)放大器，反饋部分采用反饋波紋管，杠桿系統(tǒng)為單杠桿。 因此測(cè)量部分實(shí)際上已將對(duì)壓力的

7、測(cè)量轉(zhuǎn)換成對(duì)輸入力 F i 的測(cè)量了。輸入力 F i 作用于主杠桿 5 的下端，對(duì)支點(diǎn)（即軸封膜片4）產(chǎn)生一個(gè)順時(shí)針方向的偏轉(zhuǎn)。與此同時(shí)，變送器輸出信號(hào) p 0引入反饋波紋管7內(nèi)，并產(chǎn)生一個(gè)反饋力 F f，也作用于主杠桿上，使主杠桿對(duì)支點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)逆時(shí)針方向力矩 M f，這樣主杠桿上作用著兩個(gè)力矩M i和M f。這兩個(gè)力矩決定著主杠桿的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)兩者相等時(shí)，主杠桿就處于平衡狀態(tài)，噴嘴擋板間的距離就不再改變。兩者不等時(shí)， M i和M f之差使杠桿系統(tǒng)產(chǎn)生一極小角度的偏轉(zhuǎn)，這就使擋板9也產(chǎn)生微小位移S。因此擋板與噴嘴間的距離發(fā)生變化，其變化量再通過放大器10轉(zhuǎn)換并放大為20100kPa的輸出壓力，

8、這就是變送器的輸出信號(hào)。 在自動(dòng)化儀表與自動(dòng)化系統(tǒng)中，經(jīng)常把輸出信號(hào)經(jīng)過一些環(huán)節(jié)后引回到輸入端，這個(gè)過程稱為反饋。如果反饋信號(hào)是加強(qiáng)輸入的 4.1.2 防爆安全柵防爆安全柵 圖 427 齊納安全柵的原理圖 正常的工作電流值。在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生4.1.3 溫溫 度度 變變 送送 器器 熱電偶溫度變送器的工作原理介紹如下。熱電偶溫度變送器的工作原理介紹如下。 4.1.4 變送器與電源的連接方式變送器與電源的連接方式 4.2.1 調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律的實(shí)現(xiàn)方法調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律的實(shí)現(xiàn)方法 4.2.2 PID 調(diào)節(jié)器的硬件結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)器的硬件結(jié)構(gòu) （1）PID 調(diào)節(jié)器的組成及原理 4.3.1 氣動(dòng)執(zhí)行器氣動(dòng)執(zhí)行器4.3.2 電動(dòng)執(zhí)行器電動(dòng)執(zhí)行器附錄一 本章的重點(diǎn)和難點(diǎn) 一、本章的重點(diǎn) 1、第一節(jié)的“4.1.1 差壓變送器”中的“（1）氣動(dòng)差壓變送器”； 2、