3 1气动仪表基本知识精编版

1、第三章第三章 船用自动化仪表船用自动化仪表 3-1 3-1 气动仪表基本知识气动仪表基本知识 一、气动仪表的基本元件一、气动仪表的基本元件 包括：包括：弹性元件、节流元件、气室、喷咀档板机构和功率放大器弹性元件、节流元件、气室、喷咀档板机构和功率放大器 1 1弹性元件弹性元件 分两类：分两类： 弹性敏感元件弹性敏感元件 将所受的压力或轴向推力转变成位移信号。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用于增加弹性敏感元件的刚度，确定

2、弹性敏感元件的初始位置及仪表调零等。始位置及仪表调零等。包括柱簧、片簧等包括柱簧、片簧等 常用弹性元件常用弹性元件 （1 1）刚度和灵敏度）刚度和灵敏度 刚度刚度E E弹性元件产生单位位移变形所需的轴向力，表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。示弹性元件的软硬程度。 E=N/S E=N/S 灵敏度灵敏度单位外力作用下，弹性元件所产生的位移单位外力作用下，弹性元件所产生的位移 变形，即：变形，即： =1/E 1/E 弹性元件的刚度弹性元件的刚度EE灵敏度灵敏度 在气动仪表工作范围内，弹簧管、波纹管、金属膜片或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

3、推力近似为线性关系，即膜盒的位移与推力近似为线性关系，即 E=E=常数，而橡胶膜片在常数，而橡胶膜片在小的工作范围时，小的工作范围时，EE0 0。 （2 2）弹性灵敏元件的有效面积）弹性灵敏元件的有效面积F Fe e N=PN=PF Fe e F Fe e 有效面积有效面积 一般一般F Fe e几何面积几何面积DD2 2/4/4，通常，通常F Fe e 几何面积几何面积 在弹性元件的弹性范围内，通常在弹性元件的弹性范围内，通常F Fe e = =常数，实际应用中常数，实际应用中对弹性元件的处理：对弹性元件的处理： 在安装波纹时，采用预压缩方法在安装波纹时，采用预压缩方法 金属膜片制成波纹状；金

4、属膜片制成波纹状； 采用多圈弹簧管。采用多圈弹簧管。 可增大可增大 线性使线性使 用范围用范围 橡胶膜片制成波纹状，中间加硬芯橡胶膜片制成波纹状，中间加硬芯增大刚度增大刚度 橡胶膜片多用于有无气压信号的瞬间动作橡胶膜片多用于有无气压信号的瞬间动作 2 2、节流元件、节流元件 节流元件节流元件用以阻碍气体流动，产生压力降或改变用以阻碍气体流动，产生压力降或改变 空气流量空气流量 表示节流元件特性的参数：表示节流元件特性的参数： 气阻气阻R R气体在节流元件两端产生的压降与气体流量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。间的关系。表示节流元件对气体流

5、动阻碍能力的大小。 若节流孔中为层流流动，则：若节流孔中为层流流动，则： R=P/GR=P/G 或或 P=GP=GR R 节流元件的种类节流元件的种类恒节流孔和变节流孔恒节流孔和变节流孔 （1 1）恒节流孔）恒节流孔恒气阻或固定气阻恒气阻或固定气阻 毛细管式毛细管式d=0.18d=0.180.3mm0.3mm的不锈钢或玻璃钢管的不锈钢或玻璃钢管 小孔式小孔式长长4mm4mm，孔径有，孔径有0.250.25、0.30.3、0.50.5几种规格。几种规格。 （2 2）变节流孔）变节流孔流通面积（气阻流通面积（气阻R R）可调整。）可调整。 圆锥圆锥圆锥型圆锥型 常见形式常见形式 圆柱圆柱圆锥型圆锥

6、型 圆球圆球圆锥型圆锥型 用途：用变节流孔组成变节流阀用途：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用于调整比例带，积分时间和微分时间 3 3气体容室（气容）气体容室（气容） 作用：作用：在气路中能贮存或放出气体在气路中能贮存或放出气体 对压力变化起惯性作用。对压力变化起惯性作用。 种类：种类：定容气容定容气容气室容积是固定的。气室容积是固定的。 弹性气容弹性气容气室容积随压力而变。气室容积随压力而变。 气容气容C 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。贮存空气能力大小。 C=dm/dPC=

7、dm/dP 气容气容C C的大小取决于气容的体积的大小取决于气容的体积V V，VV升高单位压力所需的升高单位压力所需的 空气量空气量贮存空气能力贮存空气能力气容气容CC 对于定容气室：对于定容气室：C=C=常数；常数； 对于弹性气室：对于弹性气室：V V可变，可变，CC常数。常数。 p p m 气体容室储蓄特性气体容室储蓄特性 m dP1dm G? 由：由： dtCdtC G?dmdt? 质量流量1 所以：所以： P?C?t0Gdt 则传递函数为：则传递函数为： P(S) 1W(S)?G(S)CS4 4、喷咀档板机构、喷咀档板机构 组成组成恒气阻恒气阻( (横节流孔横节流孔1 1）+ +背压室

8、背压室2+2+喷咀档板（喷嘴喷咀档板（喷嘴3+3+挡板挡板4 4）串联而成）串联而成 作用作用将档板相对于喷咀的微小位移转换成相应的气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。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。是一放大系数很大的放大环节。 喷咀档板机构静特性喷咀档板机构静特性 在稳定工况时背压室的输出压力在稳定工况时背压室的输出压力P P与档板位移与档板位移h h之间的关系之间的关系 当档板盖住喷咀时（当档板盖住喷咀时（h=0h=0），理论上应有），理论上应有P=PP=P0 0=0.14MP

9、a=0.14MPa。 实际上由于加工精度实际上由于加工精度 限制（漏气）使限制（漏气）使P P略略 低于低于P P0 0 当档板离开喷咀一定距离时，当档板离开喷咀一定距离时，h h的变化将不再引起压力的变化将不再引起压力P P的变的变化。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，当其面积其面积dd2 2h=h=咀孔流通面积咀孔流通面积dd2 22 2/4/4时，档板不再起节流作用这时，档板不再起节流作用这时时h=dh=d2 2/4 /4 当当hdhd2 2/4/4时，理论上时，理论上P=PP=Pb b（大气压力），但实际上由于气流（大

10、气压力），但实际上由于气流对档板的冲量作用，使对档板的冲量作用，使P P偏高于大气压力偏高于大气压力 当当h=0h=0d d2 2/4./4.时，时，hPhP，呈非线性关系，但在喷咀，呈非线性关系，但在喷咀档板机构的工作范围（档板机构的工作范围（ P=0.02 P=0.02 0.1MPa0.1MPa）内，即）内，即a ab b段可近段可近似当成线性关系，这样有：似当成线性关系，这样有： P=KP=K1 1hh 是一比例环节。是一比例环节。 K K1 1 abab段的平均斜率。段的平均斜率。 自学教材自学教材P95P95：2323、2424、2626、2727、3232、4343、4444、45

11、45、4646、6161、78 78 5 5、气动功率放大器、气动功率放大器 喷咀档板机构中，恒节流孔径很小（喷咀档板机构中，恒节流孔径很小（d d1 1 =0.15 =0.150.3mm0.3mm），工作时输出气量少，不能直接推动执行机构），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（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。级功率放大。 耗气型气动功率放大器耗气型气动功率放大器 起流量和压力放大作用。起流量和压力放大作用。 组成

12、：组成： 放大气路放大气路两变节流阀两变节流阀 球阀：球阀：控制来自气源的进气量（较小位移时，控制来自气源的进气量（较小位移时， G G变化大，满足大流量的要求）。变化大，满足大流量的要求）。 锥阀：锥阀：控制排气量控制排气量 弹性元件弹性元件金属膜片金属膜片+ +弹簧片使阀杆产生位移弹簧片使阀杆产生位移 S S0 0 P0F PaF PiF 当当PP阀杆下移阀杆下移开大球阀关小锥阀，流量放大（进气量开大球阀关小锥阀，流量放大（进气量 排气量）排气量）P Poutout。可见：阀杆位移的大小决定输出压力大小。可见：阀杆位移的大小决定输出压力大小 设输入压力为设输入压力为P Pi i ，金属膜片

13、面积为，金属膜片面积为F F，推力，推力P Pi iF F与位移与位移S S的关的关 系分三个阶段系分三个阶段 S 第一阶段：第一阶段：P Pi i = =大气压力时，膜片大气压力时，膜片 与阀杆端有一定间隙与阀杆端有一定间隙S S0 0 ，当，当P Pi i 时，使时，使S S0 0。当。当P Pi i = P = P0 0 时，时，S S0 0=0 =0 （膜片正好与阀杆接触），这一段（膜片正好与阀杆接触），这一段 阀杆无位移阀杆无位移 0 S0 P0F PaF PiF 第二阶段：第二阶段：当当P Pi i P P0 0 时，由于时，由于P Pi i FFP Pa aF F后，阀杆开始有位

14、后，阀杆开始有位 移。移。 P Pa a放大器起步压力（放大器起步压力（27.33Kpa27.33Kpa） 换用不同刚度膜片和弹簧片可调整换用不同刚度膜片和弹簧片可调整P Pa a 器的工作段。器的工作段。 K K2 2放大器放大倍数（取决于膜片有效放大器放大倍数（取决于膜片有效面积面积F F及弹性组件刚度）及弹性组件刚度） 自学教材自学教材P98P98：4747、4848、4949、5050、5252、55 55 当当PP阀杆位移阀杆位移SS与与PPi i成正比成正比称为放大称为放大 此段内：输出压力增量此段内：输出压力增量PP出出=K=K2 2PPi i比例环节。比例环节。二、气动仪表的基

15、本环节二、气动仪表的基本环节 气动仪表的三个基本组成环节气动仪表的三个基本组成环节 放大环节放大环节 反馈环节反馈环节 比较环节比较环节 输入信号输入信号 反馈信号反馈信号 + 放大放大 环节环节 输出信号输出信号 - 比较信号比较信号 反馈反馈 环节环节 1 1、气动仪表的放大器、气动仪表的放大器二级气动功率放大器。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。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。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输入与输出之

16、间的关系PB=K h（K=K1 K2） K K1 1是喷嘴挡板机构的放大倍数是喷嘴挡板机构的放大倍数 K K2 2是耗气型气动放大器的放大倍数是耗气型气动放大器的放大倍数 1 1、气动仪表的放大器、气动仪表的放大器 二级气动功率放大器。二级气动功率放大器。 一般输出一般输出P PB B=0.02=0.020.1MPa0.1MPa，P=P=0.08MPa 0.08MPa 假设功率放大器的压力放大系数为假设功率放大器的压力放大系数为 1010，则喷咀，则喷咀档档 板板 机机 械械 的的 输输 出出 压压 力力 的的 最最 大大 变变 化化 范范 围围 为为0.08/10=0.0080.08/10=

17、0.008 ，它只占喷咀档板机构的静特性曲线，它只占喷咀档板机构的静特性曲线很小的一段很小的一段ab ab P Pb b起步压力。起步压力。如起步压力如起步压力P Pb b调整适当，放大器工作特性曲调整适当，放大器工作特性曲线最徒，最接近于直线的部分线最徒，最接近于直线的部分 abab，使仪表具有较高的灵敏度、，使仪表具有较高的灵敏度、精度和工作稳定性精度和工作稳定性 如如P Pb b调整过高或过低，则放大器工作在调整过高或过低，则放大器工作在 abab或或abab段，各段，各点斜率不同。点斜率不同。hh变化大，灵敏度变化大，灵敏度，稳定性，稳定性 调整起步压力调整起步压力P Pb b的方法：

18、调换刚度不同的金属膜片或改变的方法：调换刚度不同的金属膜片或改变弹簧片预紧力弹簧片预紧力 2 2、气动仪表的反馈环节、气动仪表的反馈环节 （1 1）节流分压室（节流通室）节流分压室（节流通室） 由可调气阻由可调气阻R RF F、流通气室、流通气室p p1 1及节流孔及节流孔R R串联而成串联而成。两两个气阻都工作于层流，流通气室面积很小，可不计它对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。压力变化的惯性影响。 （1 1）节流分压室（节流通室）节流分压室（节流通室） 流通气室压力流通气室压力p p1 1（输出量）与控制信号压力（输出量）与控制信号压力p p0 0和和p

19、p2 2（节流分（节流分压器的输入量）间的关系分析（一般压器的输入量）间的关系分析（一般p p2 2是大气压力）：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根据气体流动的连续性原理，在稳定情况下通过可调气阻R RF F的流量的流量G G1 1必定等于通过恒节流孔必定等于通过恒节流孔R R的气体流量的气体流量G G2 2，如果气体密度，如果气体密度在节流前后保持不变，则：在节流前后保持不变，则： P0?PP11?P2G1?G2?RFRR如果如果P P2 2通大气，即通大气，即P P2 2=0=0，则：，则： PP0?KP01?RF?R 变节流阀全开，变节流阀全开，R RF

20、 F=0=0，P P1 1=P=P0 0 K=R/K=R/（R RF F+R+R），），R RF F不变时，不变时，K=K=常数，常数，P P1 1与与P P0 0成正比。成正比。 变节流阀全关，变节流阀全关，R RF F=，P P1 1=0 =0 改变改变R RF F，可使，可使K=0K=01 1。 应用：应用：节流分压器与节流分压器与1 1：1 1跟踪器配合使用，可用来调整跟踪器配合使用，可用来调整 比例带比例带 pi R p0 （2 2）节流盲室）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。

21、联一个定容气室（盲室）构成。如图所示。 P Pi i是节流盲室的输入量是节流盲室的输入量 P PO O是输出量是输出量 R R表示节流元件气阻表示节流元件气阻 （2 2）节流盲室）节流盲室 经过气室的气流量等于进入盲室的空气量，即：经过气室的气流量等于进入盲室的空气量，即：dm=Cdm=CdPdPo o dP0dm Pi?P0 C?dtdtR 阻的流量（阻的流量（P Pi i-P-P0 0）/R/R，T=RCT=RC。 dP0T?Pi?P0dt dm/dt=G dm/dt=G是进入盲室的空气流量，这个空气流量就等于流经气是进入盲室的空气流量，这个空气流量就等于流经气 可见，节流盲室是一个惯性环

22、节，可见，节流盲室是一个惯性环节，T T是该环节的时间常数。是该环节的时间常数。 R p0 pi 传递函数：传递函数： Po(S)1W(S)?Pi(S)TS?1?t这是一个一阶惯性环节。如果这是一个一阶惯性环节。如果P Pi i是一阶跃变化，则：是一阶跃变化，则： P0?Pi(1?eT) 变化速度取决于时间常数变化速度取决于时间常数T=RCT=RC，其中，其中C C为常数，故改变气阻为常数，故改变气阻R R即即 可调整可调整T T，TPTP0 0变化越慢。变化越慢。 在实际应用中，常将节流在实际应用中，常将节流 盲室置于调节器的盲室置于调节器的正反馈回路中，正反馈回路中， 得到积分作用，得到积

23、分作用，此时改变气阻值此时改变气阻值 就可调整积分时间。就可调整积分时间。 （3 3）比例惯性环节）比例惯性环节 组成：弹性气室（波纹管组成：弹性气室（波纹管E E与壳体之间的腔室）、波纹管与壳体之间的腔室）、波纹管E E/ /、 可调气阻可调气阻R R及连接管路。及连接管路。PsrPsr是输入量，是输入量，PscPsc是输出量。是输出量。 其工作情况与节流盲室相近，不同的是：其工作情况与节流盲室相近，不同的是： 节流盲室节流盲室EE的容积是变化的，的容积是变化的，PsrPsr的变化会引起波纹管的变化会引起波纹管E E的伸缩，的伸缩， 盲室的容积随之变化，盲室的容积随之变化，CC常数常数 作用

24、于节流盲室作用于节流盲室EE的气路有两条通道：的气路有两条通道： 一条是一条是PsrPsr经过可调气阻经过可调气阻R R对盲室充放气；对盲室充放气； 另一条是波纹管另一条是波纹管E E伸缩造成挤排作用对弹性气室形成的通道。伸缩造成挤排作用对弹性气室形成的通道。 Psr Psc E/ 特性曲线特性曲线 P Psrsr 首先挤压气室首先挤压气室E E，使，使P Pscsc突增突增比例作用比例作用 P Psrsr经经R R不断向不断向P Pscsc充气，充气，P Pscsc，而，而E E逐渐收缩，直逐渐收缩，直到到P Pscsc=P=Psrsr为止为止惯性充气环节惯性充气环节 气动调节器中，常用比例

25、惯性环节作气动调节器中，常用比例惯性环节作 负反馈，实负反馈，实现实际比例微分作用。现实际比例微分作用。 3 3、气动仪表的比较环节、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：按平衡原理有三种形式： （1 1）位移平衡式）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）衡（先大后小，有一微小变化，可不计） （2 2）力平衡式）力平衡

26、式 反馈信号产生的力与输入信号产生的力相平衡。（比较环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）误差小节几乎无位移）误差小 （3 3）力矩平衡式）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：小结： 节流分压器节流分压器/ /室：室：比例作用；调节气阻可调节其比例带，负反馈比例作用；调节气阻可调节其比例带，负反馈 节流盲室：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是一个惯性环节，作正反馈环节实现积分作用改变气阻 R 改变积分时间改变积分时间 pi p0 比例惯性环节（弹性气室）

27、：比例惯性环节（弹性气室）：作为负反馈可实现比例微分作用，改作为负反馈可实现比例微分作用，改 变气阻改变微分时间变气阻改变微分时间 Psr Psc E/ 自学教材自学教材P100P100：7979、80 80 P104 P104：8787、8888、9393、9595、9797、9898、103103、110110、111111、112112、114114、116 116 三、自动化仪表的品质指标三、自动化仪表的品质指标 1 1基本误差与附加误差基本误差与附加误差 基本误差基本误差 ：仪表本身的缺陷（间隙、摩擦、刻度不均或仪表本身的缺陷（间隙、摩擦、刻度不均或分度不准等）造成的误差。分度不准等）造成的误差。 发生变化引起的误差。发生变化引起的误差。 2 2绝对误差（指示误差）绝对误差（指示误差） 绝对误差：绝对误差：=A=AA A0 0= =测量值测量值真值。真值。 附加误差：附加误差： 仪表规定的使用条件（环境温湿度、振动等）仪表规定的使用条件（环境温湿度、振动等） A A0 0很难得到，一般以高精度标准仪表测得的平均值来很难得到，一般以高精度标准仪表测得的平均值来 代替代替A A0 0。不能反映仪表的精度。不能反映仪表的精度。 3 3、相对误差、相对误差绝对误差绝对误差占指示误差的百分数。占指示误差的百分数。 =/A=/A100% 100% 反映仪表的精度。反映仪表