控制仪表与计算机控制装置-其他仪表工作原理

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1

4.1.开方器

4.1.1.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

2当采用差压方式测量流量时,系统构成如图所示

开方器在流量检测系统中的应用UΔP=K2△P开方器的输出y与被测流量q成线性关系。34.1.2.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。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

开方特性实现原理4

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5其直流分量可表示

占空比，用S来表示则

再假设：

则可得

由此可见，UD与U1、U2的乘积成正比，从而实现了乘法运算

6

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法运算，称之为乘法电路。

乘法运算电路构成方框图7

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。这里有两套乘法

电路，一套用于

实现输入信号U1

与U2的乘法运算。

另一套乘法电路

设置在反馈通道

中，就整机特性

来讲相当于进行

除法运算，所以

输入信号U3为除数

乘除器构成方框图8由图可知

由于深度负反馈

由上面两式得设K2=K3，则有若使U3

=UD

即可以实现对U1的开方运算

（4-9）

（4-10）

（4-13）

（4-12）

（4-11）

9

4.1.3.DDZ—III型开方器

DDZ—III型开方器的作用是对1~5VDC的输入信号进行开方运算，运算结果以1~5VDC或4~20mADC输出

运算关系式104.1.3.1.DDZ—III型开方器的构成

DDZ—III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。

开方器构成方框图11

4.1.3.2.电路分析

输入电路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UB

为克服共模干扰，输入信号采用差动输入方式

输入电路图12

差动电路的输出同相端输出

可求得

由于

所以（4-20）

13开方运算电路开方运算电路是开方器的核心电路，用于实现开方运算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。14自激振荡时间分割器自激振荡时间分割器图1516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号UD放大，其输出信号U3一方面送至小信号切除电路，另一方面反馈至乘法电路2，以便实现开方运算

+-A3R10R11R12C14UDUBU3比例放大电路图设则17小信号切除电路

U3>UL由于VT7的饱和压降很小，可以忽略不计，所以此时的输出为U4=U3

而当U3<UL由于VT8的饱和压降很小，可以忽略不计

U4

=0此电路可以实现信号的切除。当输入信号小于满量程的1%（即Ui<1.04V）时，将开方器的输出切除而当输入信号大于或等于满量程的1%时，输出与输入之间呈开方运算关系。

小信号切除电路图18

输出电路的作用是将以UB为基准的信号U4转换为以0V为基准的信号，同时加上1V的零点值，并进行功率放大，最终得到整机输出Uo和Io。

输出电路图输出电路19

4.1.3.3整机特性在输入信号大于1.04V时，U4=U3

将开方运算部分特性代入得最终得20

开方器原理电路图21

4.2积算器积算器属于显示单元仪表，其作用是对输入信号进行累计积算

比例积算器

开方积算器224.2.1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，其输入信号为与瞬时流量成正比的信号

流体总量可表示为

累计字数N用脉冲频率积分表示

流体总量的积分从而得

23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UaUCt24由得充电电流与脉冲频率的关系示意图TtUaUCTtU（a）充电电流小TtUaUCtUT（b）充电电流大254.2.2比例积算器

比例积算器的作用是将1~5VDC信号转换为0~10PPS的脉冲信号，经整形及功率放大后驱动计数器转动，实现对输入信号的累计积算。

262.2.1比例积算器的构成原理

它由输入电路、积分电路、比较电路、整形电路及步进电机驱动电路等几部分组成

输入电路比较电路整形电路积分电路步进电机驱动电路积算计数器Uo1UiUo2比例积算器构成框图Ua274.2.2.2电路分析

（1）输入电路

(2)U/f转换电路

（3）脉冲整形及步进电机驱动电路

28输入电路为差动输入电平移动兼减1V电路其电路如图所示

输入电路

-+A1+R1R4R3R2R30R29C2UBUiC3UO1输入电路图29差动输入运放输出为同相端输出为

于是得

以0V为基准的与以UB为基准的Uo1有如下关系

-+A1+R1R4R3R2R30R29C2UBUiC3UO1输入电路图30U/f转换电路

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R28VD7R6-+A2+-+A3+R9C8C7C5C4R7W3C6R5UBUBUO2W2UBR24Uo1UaVT1R26RCRb31UaUBUo2tUa0UT3tU/f转换器输出波形图Uo1为阶跃输入当Uo2=Ua时，t=T1可得锯齿波脉冲信号的频率为：32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0~10Hz锯齿波信号转换为0~10Hz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33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UT434步进电机驱动电路

步进电机驱动电路的作用是对脉冲整形电路的输出信号Uo4进行功率放大，同时具有倍频作用，将0~10Hz的方波信号转换为0~20Hz的步进电机驱动信号。所以，该电路也称为

脉冲倍频及功率放大电路。35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机构和计数字轮组成的。其构成如图所示。步进电机ABC999999交换齿轮积算计数器图364.3辅助单元仪表

4.3.1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。

374.3.1.1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384.3.1.2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4～20mADC信号转换成隔离的且与之成正比的4～20mADC或1～5VDC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。

（2）操作端安全栅

操作端安全栅是将控制仪表送来的4～20mADC信号由调制器利用直流/交流转换器提供的供电方波转换为交流方波信号

394.3.2操作器

操作器的作用是以手动设定方式在输出端输出4～20mADC信号，以此进行手动遥控操作或为调节器提供外部给定信号

操作器构成框图404.3.3电源箱

这里所说的电源箱是指24V直流电源箱，其作用是将220V交流电转换为24V直流电，经稳压处理后，向DDZ-III各单元