气动仪表的主要元部件及主要环节

第二节船用自动化仪表基本知识,ST,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,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0-10mA）、气动调节仪表（0.02-0.1MPa，1MPa=10公斤）,船用自动化仪表,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=A-A0；不能完全反应仪表的精度。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max占量程（最大测量范围）的百分数精度等级0：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,x：输入变化量y：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。,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）。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。,仪表的不灵敏区、灵敏限、变差,二、气动仪表的主要元部件及组成原理,ST,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2、弹性敏感元件：将承受的压力、轴向推力转变成位移信号,螺旋弹簧片簧,非金属膜金属膜片,波汶管,P,（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,弹簧管,膜盒,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,波汶管,膜片弹簧管,（1）弹性特性弹性元件在弹性变形范围内，其变形与作用力成正比。F=CF轴向力位移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,弹性元件的基本特性：弹性特性及有效面积,（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；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。,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。,弹性元件的分类：弹性支承元件、弹性敏感元件,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。,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。,P1,P2,膜盒,膜盒压力表工作原理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,ST,2、节流元件：作用阻碍气体流动、产生压降、改变流量恒节流孔式（毛细管式和小孔式）：流通面积不变恒气阻变节流孔式（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,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。流量G压降P,恒节流孔,圆锥-圆锥型,圆柱-圆柱型,圆球-圆锥型,符号：,G,特点：输入量为气体流量，输出量为气容气压,3、气体容室：储存或放出气体，对压力变化起惯性作用,定容气室积分,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,气容不变气容改变,弹性气室在充放气过程中气容是变化的。,ST,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,喷嘴挡板机构结构示意图,1）结构：,0.10MPa,0.02MPa,10,22,h(um),MPa,喷嘴挡板机构的静特性,P,h,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,a,b,0.14MPa,挡板全关（h=0），背压室输出压力接近气源压力；挡板全开（hD/4），背压室输出压力接近大气压力。ab段是静特性曲线的线性段（陡）对应输出压力0.020.10MPa作为工作段,P=K1hK1:ab两点间的平均斜率P：背压室压力的变化h：挡板开度的变化,5、气动功率放大器喷嘴挡板机构输出流量小，压力信号衰减大，难推动执行机构。需要串联气动功率放大器。,1、只放大流量,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,ST,I,II,III,S,PdF,P0,Pa（起步压力）,2）输出特性：推力与膜片位移的关系,A,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。,B,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,该工作段，阀杆位移量S正比于输入压力变化量Pd，放大器的输出压力变化量P出与阀杆位移量S成比例，所以：P出=K2Pd,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,第二阶段：当PiP0时，由于PiFPaF后，阀杆开始有位移。,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,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。,二、气动仪表的基本环节,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）,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0.02-0.1MPa，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）。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）,1、放大环节,变节流孔,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,两个气阻工作在层流状态，层流（laminarflow）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=1RF（全关），k0改变节流阀的可调气阻，使K在0-1之间变化。,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,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。,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）,输入Pi，输出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。,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,（3）比例惯性环节比例微分,弹性气室,波纹管E,Psc,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。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。,3、比较环节,输入信号与反馈信号始终进行比较，指挥挡板开度变化，直到反馈信号对挡板的作用