3-1气动仪表基本知识

1、第三章 船用自动化仪表,3-1 气动仪表基本知识,一、气动仪表的基本元件 包括：弹性元件、节流元件、气室、喷咀档板机构和功率放大器 1弹性元件 分两类： 弹性敏感元件 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 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始位置及仪表调零等。包括柱簧、片簧等,常用弹性元件,（1）刚度和灵敏度 刚度E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。 E=N/S 灵敏度单位外力作用下，弹性元件所产生的位移 变形，即： =1/E 弹性元件的刚度E灵敏度 在气动仪表工作范围内，弹簧管、波纹管

2、、金属膜片或膜盒的位移与推力近似为线性关系，即E=常数，而橡胶膜片在小的工作范围时，E0。,（2）弹性灵敏元件的有效面积Fe N=PFe Fe 有效面积 一般Fe几何面积D2/4，通常Fe 几何面积 在弹性元件的弹性范围内，通常Fe =常数，实际应用中对弹性元件的处理： 在安装波纹时，采用预压缩方法 金属膜片制成波纹状； 采用多圈弹簧管。 橡胶膜片制成波纹状，中间加硬芯增大刚度 橡胶膜片多用于有无气压信号的瞬间动作,可增大 线性使 用范围,2、节流元件 节流元件用以阻碍气体流动，产生压力降或改变 空气流量 表示节流元件特性的参数： 气阻R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

3、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： R=P/G 或 P=GR,节流元件的种类恒节流孔和变节流孔 （1）恒节流孔恒气阻或固定气阻 毛细管式d=0.180.3mm的不锈钢或玻璃钢管 小孔式长4mm，孔径有0.25、0.3、0.5几种规格。,（2）变节流孔流通面积（气阻R）可调整。 圆锥圆锥型 常见形式 圆柱圆锥型 圆球圆锥型 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,3气体容室（气容） 作用：在气路中能贮存或放出气体 对压力变化起惯性作用。 种类：定容气容气室容积是固定的。 弹性气容气室容积随压力而变。,气容C：气体容室内每升高单位压力所需增加的空

4、气量，表示气容 贮存空气能力大小。 C=dm/dP 气容C的大小取决于气容的体积V，V升高单位压力所需的 空气量贮存空气能力气容C 对于定容气室：C=常数； 对于弹性气室：V可变，C常数。,由： 所以： 则传递函数为：,4、喷咀档板机构 组成恒气阻(横节流孔1）+背压室2+喷咀档板（喷嘴3+挡板4）串联而成 作用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。 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。,喷咀档板机构静特性 在稳定工况时背压室的输出压力P与档板位移h之间的关系 当档板盖住喷咀时（h=0），理论上应有P=P0=0.14MPa。 实际上由于加工精度

5、 限制（漏气）使P略 低于P0,当档板离开喷咀一定距离时，h的变化将不再引起压力P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，当其面积d2h=咀孔流通面积d22/4时，档板不再起节流作用这时h=d2/4 当hd2/4时，理论上P=Pb（大气压力），但实际上由于气流对档板的冲量作用，使P偏高于大气压力 当h=0d2/4.时，hP，呈非线性关系，但在喷咀档板机构的工作范围（P=0.02 0.1MPa）内，即ab段可近似当成线性关系，这样有： P=K1h 是一比例环节。 K1 ab段的平均斜率。 自学教材P95：23、24、26、27、32、43、44、45、46、61、78,5、气动功

6、率放大器 喷咀档板机构中，恒节流孔径很小（d1 =0.150.3mm），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。,耗气型气动功率放大器 起流量和压力放大作用。 组成： 放大气路两变节流阀 球阀：控制来自气源的进气量（较小位移时， G变化大，满足大流量的要求）。 锥阀：控制排气量 弹性元件金属膜片+弹簧片使阀杆产生位移,当P阀杆下移开大球阀关小锥阀，流量放大（进气量 排气量）Pout。可见：阀杆位移的大小决定输出压力大小 设输入压力为Pi ，金属膜片面积为F，推力PiF与位移S的关 系分

7、三个阶段,第二阶段：当Pi P0 时，由于Pi FPaF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,Pa放大器起步压力（27.33Kpa） 换用不同刚度膜片和弹簧片可调整Pa 当P阀杆位移S与Pi成正比称为放大 器的工作段。 此段内：输出压力增量P出=K2Pi比例环节。 K2放大器放大倍数（取决于膜片有效面积F及弹性组件刚度） 自学教材P98：47、48、49、50、52、55,二、气动仪表的基本环节 气动仪表的三个基本组成环节 放大环节 反馈环节 比较环节

8、,1、气动仪表的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 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。 输入与输出之间的关系PB=K h（K=K1 K2） K1是喷嘴挡板机构的放大倍数 K2是耗气型气动放大器的放大倍数,1、气动仪表的放大器二级气动功率放大器。 一般输出PB=0.020.1MPa，P=0.08MPa 假设功率放大器的压力放大系数为10，则喷咀档板机械的输出压力的最大变化范围为0.08/10=0.008，它只占喷咀档板机构的静特性曲线很小的一段ab,Pb起步压力。如起步压力Pb调整适当，放大器工作特性曲线最徒，最接近于直线的

9、部分ab，使仪表具有较高的灵敏度、精度和工作稳定性 如Pb调整过高或过低，则放大器工作在ab或ab段，各点斜率不同。h变化大，灵敏度，稳定性 调整起步压力Pb的方法：调换刚度不同的金属膜片或改变弹簧片预紧力,2、气动仪表的反馈环节 （1）节流分压室（节流通室）,由可调气阻RF、流通气室p1及节流孔R串联而成。两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。,（1）节流分压室（节流通室）,流通气室压力p1（输出量）与控制信号压力p0和p2（节流分压器的输入量）间的关系分析（一般p2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RF的流量G1必定等于通过恒

10、节流孔R的气体流量G2，如果气体密度在节流前后保持不变，则：,如果P2通大气，即P2=0，则： K=R/（RF+R），RF不变时，K=常数，P1与P0成正比。 变节流阀全开，RF=0，P1=P0 变节流阀全关，RF=，P1=0 改变RF，可使K=01。 应用：节流分压器与1：1跟踪器配合使用，可用来调整 比例带,（2）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 联一个定容气室（盲室）构成。如图所示。 Pi是节流盲室的输入量 PO是输出量 R表示节流元件气阻,（2）节流盲室 经过气室的气流量等于进入盲室的空气量，即：dm=CdPo dm/dt=G是进入盲室的空气流量，这个空气流量就

11、等于流经气 阻的流量（Pi-P0）/R，T=RC。 可见，节流盲室是一个惯性环节，T是该环节的时间常数。,传递函数： 这是一个一阶惯性环节。如果Pi是一阶跃变化，则： 变化速度取决于时间常数T=RC，其中C为常数，故改变气阻R即 可调整T，TP0变化越慢。 在实际应用中，常将节流 盲室置于调节器的正反馈回路中， 得到积分作用，此时改变气阻值 就可调整积分时间。,（3）比例惯性环节 组成：弹性气室（波纹管E与壳体之间的腔室）、波纹管E/、 可调气阻R及连接管路。Psr是输入量，Psc是输出量。 其工作情况与节流盲室相近，不同的是： 节流盲室E的容积是变化的，Psr的变化会引起波纹管E的伸缩， 盲

12、室的容积随之变化，C常数 作用于节流盲室E的气路有两条通道： 一条是Psr经过可调气阻R对盲室充放气； 另一条是波纹管E伸缩造成挤排作用对弹性气室形成的通道。,特性曲线 Psr 首先挤压气室E，使Psc突增比例作用 Psr经R不断向Psc充气，Psc，而E逐渐收缩，直到Psc=Psr为止惯性充气环节 气动调节器中，常用比例惯性环节作负反馈，实现实际比例微分作用。,3、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： （1）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衡（先大后小，有一微小变化，可不计

13、） （2）力平衡式 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 （3）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,小结： 节流分压器/室：比例作用；调节气阻可调节其比例带，负反馈 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 改变积分时间 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 变气阻改变微分时间 自学教材P100：79、80 P104：87、88、93、95、97、98、103、110、111、112、114、116,三、自动化仪表的品质指标 1基本误差与附加误差 基本误差：仪表本身的缺陷（间隙、摩擦、刻度不

14、均或分度不准等）造成的误差。 附加误差：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。 2绝对误差（指示误差） 绝对误差：=AA0=测量值真值。 A0很难得到，一般以高精度标准仪表测得的平均值来 代替A0。不能反映仪表的精度。,3、相对误差绝对误差占指示误差的百分数。 =/A100% 反映仪表的精度。 4、仪表的精度测量中的最大指示误差与量程（最大测量范围）的比值。 常用的等级有：0.1、0.2、0.35、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5级等 例：求量程为5.9KPa（600mmH2O）的一级精度气动差压变送器的最大指示误差。,5仪表的灵敏度：仪表达到稳定工作状态时，输出变 化量y与引起变化的输入变化量x之比 S=y/x 可见，S越能测出微小的输入变化，灵敏度。 一般小量程仪表的S大量程仪表的S 具有均匀刻度的仪表：S=常数 具有不均匀刻度的仪表：S常