自动化仪表与装置第四章其他仪表

1、控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录1其它常用的单元仪表其它常用的单元仪表 在用单元组合仪表构成控制系统时，有时还需在用单元组合仪表构成控制系统时，有时还需要使用一些其它单元的仪表，如运算单元、显示与要使用一些其它单元的仪表，如运算单元、显示与积算单元和辅助单元等积算单元和辅助单元等 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录2 4.1. 开方器开方器 4.1.1. 开方器的作用开方器的作用 开方器的作用是对某一统一标准信号进行开方运算，并将运算结果以统一标准信号输出，供其它仪表使用 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机

2、控制装置上页上页下页下页目目 录录3开方器的作用当采用差压方式测量流量时当采用差压方式测量流量时, ,系统构成如图所示系统构成如图所示 开方器在流量检测系统中的应用控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录4开方器的作用 差压方式测流量，被测量与差压信号关系：差压变送器输出信号与输入信号的关系：开方器的输出信号：2312312SqUKKK qKKKq21qKP PKUP2PsqUKU3控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录54.1.2. 开方器的构成原理开方器的构成原理 在模拟式仪表中有多种方法可用来实现开方运算。在模拟式仪表

3、中有多种方法可用来实现开方运算。可以利用二极管的开关作用，也可以利用负反馈原理可以利用二极管的开关作用，也可以利用负反馈原理使其输入与输出之间呈开方运算特性使其输入与输出之间呈开方运算特性 开方特性实现原理控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录6 还有一种开方器是由乘除器演变来的开方器还有一种开方器是由乘除器演变来的开方器 乘法运算的方法单向矩形脉冲法。如图所示 单向矩形脉冲控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录7其直流分量可表示其直流分量可表示 maxUTtUpD占空比，用占空比，用S来表示则来表示则 11UKTtSp再

4、假设再假设： 22maxUKU则可得则可得 2121UUKKUD由此可见，由此可见，UD与与U1、U2的乘积成正比，从而实现的乘积成正比，从而实现了乘法运算了乘法运算 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录8 根据这一原理，我们可以构造乘法运算电路，根据这一原理，我们可以构造乘法运算电路，如图所示。其中，调高电路和滤波电路实现了乘如图所示。其中，调高电路和滤波电路实现了乘法运算，称之为乘法电路。法运算，称之为乘法电路。 乘法运算电路构成方框图乘法运算电路构成方框图控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录9 在此基础上，我们就

5、可以利用负反馈原理来进一步实现在此基础上，我们就可以利用负反馈原理来进一步实现乘除运算，其构成原理如图所示。乘除运算，其构成原理如图所示。这里有两套乘法这里有两套乘法电路，一套用于电路，一套用于实现输入信号实现输入信号U1与与U2的乘法运算。的乘法运算。另一套乘法电路另一套乘法电路设置在反馈通道设置在反馈通道中，就整机特性中，就整机特性来讲相当于进行来讲相当于进行除法运算，所以除法运算，所以输入信号输入信号U3为除为除数数 乘除器构成方框图控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录10由图可知由图可知 SUKUf33由于深度负反馈由于深度负反馈 由上面两式由上面

6、两式得得1UUf设设K2 = K3，则有，则有若使若使U3 = UD 331UKUS SUKUD22321UUUUD21UUUD即可以实现对即可以实现对U1的开方运算的开方运算 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录11 4.1.3. DDZIII型开方器型开方器 DDZIII型开方器的作用是对型开方器的作用是对1 5VDC的输的输入信号进行开方运算，运算结果以入信号进行开方运算，运算结果以1 5VDC或或4 20 mADC输出输出 11 ioUKU运算关系式运算关系式控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录124.1.3.

7、1. DDZIII型开方器的构成型开方器的构成 DDZIII型开方器由输入电路、开方运算电型开方器由输入电路、开方运算电路、小信号切除电路及输出电路等组成。路、小信号切除电路及输出电路等组成。 开方器构成方框图开方器构成方框图输入电路 N1开方运算电路比例放大电路N2小信号切除电路输出电路控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录13 4.1.3.2. 电路分析电路分析（1）输入电路输入电路作用：减去与运算无关的零点电压并将电路作用：减去与运算无关的零点电压并将电路基准移动到内部基准基准移动到内部基准UB 为克服共为克服共模干扰，模干扰，输入信号输入信号采用差动

8、采用差动输入方式输入方式 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录14 差动电路的输出差动电路的输出iUU11可求得可求得 同相端输出同相端输出 1)1 (1432221BaaUUURRRRRU11iUU由于由于 12111UUU所以所以 11BiUUU控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录15开方运算电路开方运算电路 开方运算电路是开方器的核心电路，用开方运算电路是开方器的核心电路，用于实现开方运算于实现开方运算它是由自激振荡时间分割器和比例放大它是由自激振荡时间分割器和比例放大电路两部分组成的。电路两部分组成的。控制仪表

9、和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录16自激振荡时间分割器自激振荡时间分割器 自激振荡时间分割器图自激振荡时间分割器图控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录17自激振荡时间分割器电压波形控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录18 比例放大电路比例放大电路 比例放大电路的作用是将自激振荡时间分割器的输出信比例放大电路的作用是将自激振荡时间分割器的输出信号号UD放大，其输出信号放大，其输出信号U3一方面送至小信号切除电路，一方面送至小信号切除电路，另一方面反馈至乘法电路另一方面反馈至乘法电路2，以

10、便实现开方运算，以便实现开方运算 +-A3R10R11R12C14UDUBU3 比例放大电路图1111103)(RURRUD1111102RRRN设DUNU23则控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录19小信号切除电路小信号切除电路 U3 UL由于由于VT7的饱和压降很小，可以忽略不计，的饱和压降很小，可以忽略不计，所以此时的输出为所以此时的输出为 U4 = U3 而当而当U3 UL由于由于VT8的饱和压降很小，可以忽略的饱和压降很小，可以忽略不计不计 U4 = 0此电路可以实现信号的切除。此电路可以实现信号的切除。当输入信号小于满量程的当输入信号小于满量程

11、的1%（即（即Ui 1.04V）时，将开方）时，将开方器的输出切除器的输出切除而而当输入信号大于或等于满当输入信号大于或等于满量程的量程的1%时，输出与输入时，输出与输入之间呈开方运算关系。之间呈开方运算关系。 小信号切除电路图 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录20 输出电路的作输出电路的作用是将以用是将以UB为为基准的信号基准的信号U4转换为以转换为以0V为为基准的信号，基准的信号，同时加上同时加上1V的的零点值，并进零点值，并进行功率放大，行功率放大，最终得到整机最终得到整机输出输出Uo和和Io。 输出电路输出电路 输出电路图控制仪表和计算机控制装

12、置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录21 4.1.3.3 整机特性整机特性在输入信号大于在输入信号大于1.04V时，时，U4 = U3 130UNUo将开方运算部分特性将开方运算部分特性11220UUNNUo1223UUNU 代入代入得得112ioUU最终得最终得1111220iioUKUUNNU令令2K控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录22 开方器原理电路图开方器原理电路图控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录23 4.2 积算器积算器积算器属于显示单元仪表，其作用是积算器属于显示单元仪表，其作用是对

13、输入信号进行累计积算对输入信号进行累计积算 比例积算器比例积算器 开方积算器开方积算器控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录24 4.2.1 积算的基本概念与原理积算的基本概念与原理 以流量累计积算为例，对于比例积算器，其输入以流量累计积算为例，对于比例积算器，其输入信号为与瞬时流量成正比的信号信号为与瞬时流量成正比的信号 流体总量可表示为流体总量可表示为 累计字数累计字数N用脉冲频率积分表示用脉冲频率积分表示 流体总量的积分流体总量的积分KNQ tfdtN0tqdtQ0从而得从而得 NfqQ 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页

14、目目 录录25电流信号转换为脉冲频率信号电流信号转换为脉冲频率信号电流信号转换为脉冲频率信号可通过电容的充放电来电流信号转换为脉冲频率信号可通过电容的充放电来实现实现 C两端的电压UC与充电电流之间的关系为 电流频率转换原理图IiCS (a) 电容充放电原理电路图 (b) 电容充放电波形图UaUCttiCdtICU01控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录26tCIdtCIUitiC0TCIUiaaiUCITf1由由得得充电电流与脉冲频率充电电流与脉冲频率的关系示意图的关系示意图TtUaUCTtU（a） 充电电流小TtUaUCtUT（b） 充电电流大控制仪表

15、和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录274.2.2 4.2.2 比例积算器比例积算器 比例积算器的作用是将比例积算器的作用是将15VDC信号转换为信号转换为010PPS(Pulses Per Second)的脉冲信号，经整的脉冲信号，经整形及功率放大后驱动计数器转动，实现对输入形及功率放大后驱动计数器转动，实现对输入信号的累计积算。信号的累计积算。 HT2012功能框图 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录282.2.1 2.2.1 比例积算器的构成原理比例积算器的构成原理 它由输入电路、积分电路、比较电路、它由输入电路、积分

16、电路、比较电路、整形电路及步进电机驱动电路等几部分组成整形电路及步进电机驱动电路等几部分组成 输输 入入电电 路路比较比较电路电路整形整形电电 路路积分积分电路电路步进步进电机电机驱动驱动电路电路积算积算计数器计数器Uo1UiUo2比例积算器构成框图比例积算器构成框图控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录294.2.2.2 电路分析电路分析 （1）输入电路）输入电路 (2) U / f转换电路转换电路 （3）脉冲整形及步进电机驱动电路）脉冲整形及步进电机驱动电路 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录30输入电路为差动输入

17、电平移动兼减输入电路为差动输入电平移动兼减1V电路其电路电路其电路如图所示如图所示 输入电路输入电路 -+A1+R1R4R3R2R30R29C2UBUiC3UO1 输入电路图控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录31差动输入运放输出为ioURRU1211同相端输出为 BBoURRRURRRRRRRRU2930302930301243321)1 (于是得 BioURRRURRU) 1(302930121以0V为基准的与以UB为基准的Uo1有如下关系 BooUUU11控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录32 U / f转换电

18、路 U / f转换电路的作用是将输入电路的输出信号Uo1转换为锯齿波脉冲信号，且该锯齿波脉冲的频率与Uo1成正比 U-f转换器电路图R28V7R6-+A2+-+A3+R9C8C7C5C4R7W3C6R5UBUBUO2W2UBR24Uo1UaV1R26RCRb控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录33U / f转换电路UaUBUo2tUa0UT3t U/f转换器输出波形图Uo1为为阶跃输入阶跃输入tCRUUoo5612当当Uo2 = Ua时，时，t = T1可得锯齿波脉冲信号的频率为 ：1561TCRUUoa1561oaUUCRT|1156011aUCRUTT

19、f控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录34脉冲整形及步进电机驱动电路 脉冲整形及步进电机驱动电路的作用是将U-f转换电路输出的010Hz锯齿波信号转换为010Hz的方波信号，经功率放大并倍频后推动计数器的步进电机转动 脉冲整形与输出电路图控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录35脉冲整形电路 脉冲整形电路的作用是将锯齿波信号Uo2转换为同频率的方波信号Uo4，以便用作计数器的步进电机控制信号。 Uo2与Uo4的波形对应关系如图4-21所示。0Uo2 (V)t-90Uo4 (V)t13 脉冲整形电路输出波形图UT4控制仪表

20、和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录36步进电机驱动电路 步进电机驱动电路的作用是对脉冲整步进电机驱动电路的作用是对脉冲整形电路的输出信号形电路的输出信号Uo4进行功率放大，进行功率放大，同时具有倍频作用，将同时具有倍频作用，将010Hz的方波的方波信号转换为信号转换为020Hz的步进电机驱动信的步进电机驱动信号。号。所以，该电路也称为所以，该电路也称为 脉冲倍频及功率脉冲倍频及功率放大电路。放大电路。控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录37积算计数器 积算计数器是积算器的显示单元，它是由步进电机及由步进电机带动的一套机械传动

21、机构和计数字轮组成的。其构成如图所示。步进电机步进电机ABC999999交换齿轮交换齿轮 积算计数器图控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录38 开方积算器作用：作用：先对输入信号（通常来自变压器）进行开方运算，再对经过处理的信号进行比例积算。所以，开方积算器可以看成由开方器和所以，开方积算器可以看成由开方器和积算器共同组成的积算器共同组成的控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录394.3 辅助单元仪表辅助单元仪表 4.3.1 安全栅安全栅安全栅是构成安全火花防爆系统的关键仪表，其作用是：一方面保证信号的正常传输，另一方面

22、控制流入危险场所的能量在爆炸性气体或爆炸性混合物的点火能量以下，以确保系统的安全火花性能。常用的安全栅有两种，一种是齐纳式安全栅，一种是隔离式安全栅。 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录404.3.1.1齐纳式安全栅齐纳式安全栅 齐纳式安全栅是基于齐纳二极管反向击穿特性来工作的，其原理线路如图所示。图中：VZ1和VZ2为齐纳二极管，F为快速熔断器，R为限流电阻。 齐纳式安全栅原理电路图控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录414.3.1.2 隔离式安全栅隔离式安全栅（1）检测端安全栅 检测端安全栅用于为两线制变送器进行隔离式供电，并将变送器送来的420mADC信号转换成隔离的且与之成正比的420mADC或15VDC的信号，而且在故障状态下，可限制其电流和电压值，使进入危险场所的能量限制在安全额定值以下。 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录42隔离式安全栅隔离式安全栅（2