自动化仪表基本知识

1、5-2 5-2 自动化仪表基本知识自动化仪表基本知识一、自动化仪表的品质指标一、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。 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） 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。 A A0 0很难得到，一般以高精度标准仪表测得的平

2、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。反映仪表的精度。 4 4、仪表的精度、仪表的精度测量中的最大指示误差与量程（最大测量中的最大指示误差与量程（最大测量范围）的比值。测量范围）的比值。 常用的等级有：常用的等级有：0.10.1、0.20.2、0.350.35、0.50.5、1.01.0、1.51.5、2.02.0、2.52.5级等级等 例：求量程为例：求量程为5.95.9KPaKPa（60

3、0mmH600mmH2 2O O）的一级精度气动的一级精度气动差压变送器的最大指示误差。差压变送器的最大指示误差。/max0AOmmHA2/0max6600%15 5仪表的灵敏度：仪表的灵敏度：仪表达到稳定工作状态时，输出变仪表达到稳定工作状态时，输出变化量化量y y与引起变化的输入变化量与引起变化的输入变化量x x之比之比 S= S=y/y/x x 可见，可见，S S越能测出微小的输入变化，灵敏度越能测出微小的输入变化，灵敏度。 一般小量程仪表的一般小量程仪表的SS大量程仪表的大量程仪表的S S 具有均匀刻度的仪表：具有均匀刻度的仪表：S=S=常数常数 具有不均匀刻度的仪表：具有不均匀刻度的

4、仪表：S S常数常数6 6、仪表的不灵敏度、灵敏限和变差、仪表的不灵敏度、灵敏限和变差 （1 1）由于仪表活动部件的摩擦、间隙、弹性元件滞后现象的存）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。在，当输入信号有一微小变化时，输出不变。 即不灵敏区即不灵敏区 （2 2）灵敏限灵敏限引起仪表输出发生微小变化量，所需输入量的最引起仪表输出发生微小变化量，所需输入量的最小变化值。一般认为灵敏限小变化值。一般认为灵敏限=1/2=1/2不灵敏区不灵敏区 （3 3）变差变差仪表在同一测量点，其正反行程指示值之差。仪表在同一测量点，其正反行程指示值之差。 可见：不

5、灵敏区以输入量的变化变差以输出量的变化来表示可见：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仪表结构不完善程度自学教材自学教材P91P91：2 2、3 3、4 4、5 5、6 6、9 9、1010、1212、1313、1515、1616、1818 二、气动仪表的基本元件二、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

6、、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）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。片簧片簧金属膜片金属膜片波汶管波汶管FFP返回本节返回本节（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

7、软硬程度。 E=N/SE=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E E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，而橡胶膜片在小常数，而橡胶膜片在小的工作范围时，的工作范围时，E E0 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

8、Fe e几何面积几何面积D D2 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；金属膜片制成波纹状； 采用多圈弹簧管。采用多圈弹簧管。 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可增大可增大线性使线性使用范围用范围2 2、节流元件、节流元件 节流元件节流元件用以

9、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=R=P/G P/G 或或 P=GP=GR 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。p (t)=Rq (t)G (s)=P (s)/ Q(s) = R返回

10、本节返回本节 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=0.180.3mmd=0.180.3mm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4 4mmmm，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

11、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/C=dm/dPdP 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，V V升高单位压力所需的升高单位压力

12、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。 ppmm气体容室储蓄特性气体容室储蓄特性 由：由： 所以：所以：则传递函数为：则传递函数为： CGdtdmCdtdP1质量流量dtdmGtGdtCP01CSSGSPSW1)()()(4 4、喷咀档板机构、喷咀档板机构组成组成恒气阻恒气阻( (恒节流孔恒节流孔1 1）+ +背压室背压室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

13、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。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恒节流孔背背 压压 室室喷喷 嘴嘴挡挡 板板喷 嘴 挡 板 机 构 结 构 示 意 图喷 嘴 挡 板 机 构 结 构 示 意 图气源返回本节返回本节输出0.10MPa0.02MPa1022h(um)MPa喷嘴挡板机构的静特性喷嘴挡板机构的静特性返回本节返回本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

14、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=0.14MPa=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的变化将不再引起的变化将不再引起压力压力P P的变化。的变化。档板与喷咀间形成的气流出口是一小圆档板与喷咀间形成的气流出口是一小圆柱侧面的形状，当其面积柱侧面的形状，当其面积dd2 2h=h=咀孔流通面积咀孔流通面积d d2 22 2/4/4

15、时，时，档板不再起节流作用这时档板不再起节流作用这时h=dh=d2 2/4/4 当当h hd d2 2/4/4时，理论上时，理论上P=P=P Pb b（大气压力），但实际大气压力），但实际上由于气流对档板的冲量作用，使上由于气流对档板的冲量作用，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，h hPP，呈非线性关系，呈非线性关系，但在喷咀档板机构的工作范围（但在喷咀档板机构的工作范围（P=0.02 P=0.02 0.1MPa0.1MPa）内，内，即即a ab b段可近似当成线性关系，这样有：段可近似当成线性关系，这样有： P=KP=K1 1h h 是一比

16、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。 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（也工作时输出气量少，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。率放大。 5 放大器5. 放大器：对输入信号成比例放大 输出输出

17、输入输入气气动动功功率率放放大大器器返回本节返回本节 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：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 IIIIIISP输入FP0Pa返回本节返回本节 当当P P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

18、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 SS00P0FPaFPiF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 FF P Pa aF F后，阀杆开始有位后，阀杆开始有位移。移。 SS00P0FPaFPiF 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，

19、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P Pa a放大器起步压力（放大器起步压力（27.3327.33KpaKpa） 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 当当P P阀杆位移阀杆位移SS与与P Pi i成正比成正比称为放大称为放大器的工作段。器的工作段。此段内：输出压力增量此段内：输出压力增量PP出出= =K K2 2P Pi i比例环节。比例环节。 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

20、F F及弹性组件刚度）及弹性组件刚度）二、气动仪表的基本环节二、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 比较环节比较环节放大放大环节环节反馈反馈环节环节输入信号输入信号反馈信号反馈信号比较信号比较信号输出信号输出信号+-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

21、入与输出之间的关系输入与输出之间的关系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=0.020.1MPa=0.020.1MPa，P=0.08MPaP=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 板 机 械 的 输 出 压 力 的 最 大 变 化 范 围 为档 板 机 械 的 输 出 压 力 的 最 大 变

22、化 范 围 为0.08/10=0.0080.08/10=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abab 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、精使仪表具有较高的灵敏度、精度和工作稳定性度和工作稳定性 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

23、 调整起步压力调整起步压力P Pb b的方法：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（

24、输出量）与控制信号压力p p0 0和和p 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：RPPGRPPGF212101如果如果P P2 2通大气，即通大气，即P P2 2=0=0，则：则：K=R/K=R/（R RF F+R+R

25、），），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。 变节流阀全开，变节流阀全开，R RF F=0=0，P P1 1=P=P0 0 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 001KPPRRRPF（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

26、。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 pip0R（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=dm=C CdPdPo o dm/ dm/dtdt=G=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阻的流量（阻的流量（P Pi i-P-P0 0）/R/R，T=RCT=RC。 可见，节流盲室是一个惯性环节，可见，节流盲室是一个惯性环节，T T是该环节的时间常

27、数。是该环节的时间常数。RPPdtdmdtdPCi00iPPdtdPT00pip0R传递函数：传递函数：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： 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，T TP P0 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。11)()()(

28、TSSPSPSWio)1 (0TtiePPPsrE/Psc（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，C C常数常数作用于节流盲室作用于节流盲室EE的气路有