《过程装备控制技术及应用》课程教学资源（教案讲义）第四章 过程控制装置

过程装备控制技术及应用教案 2a9d840847424cedb907ec759bb41001.doc过程控制装置 第1页共 第四章过程控制装置 过程控制系统基本要素:过程控制装置与被控对象 过程控制装置必须由测量变送单元、调节器,执行器三个环节组成 4.1变送器 变送器是单元组合仪表中不可缺少的基本单元之一。工业生产过程中,在测量元件将压力、温度、 流量、液位等参数检测出来后,需要由变送器将测量元件的信号转换成一定的标准信号,送至显示仪表 或调节仪表进行显示、记录或调节。 分类 根据变送参数不同可分为:压力、差压、温度、流量、液位变送器等: 根据变送器驱动能源的不同可分为:气动、电动变送器 变送器的理想输入、输出特性成线性 4.1.1差压变送器 差压变送器用来将差压、流量、液位等被测参数转换成统一标准信号,并将此统一信号输出送给指 示、记录仪表或调节器等,以实现对上述参数的显示、记录和调节。 (1)气动差压变送器 动差压变送器主要利用了力平衡原理,其敏感元件为膜片或膜盒,主要用于测量液体、气体或蒸汽 的压力、差压、流量、液位等物理量。 气动差压变送器可将压力信号成比例地转换成20-100KPa的统一标准压力信号,送往气动单元组 合仪表的调节器或显示仪表进行调节、指示和记录 其杠杆系统形式有三种:单杠杆、双杠杆与失量机构。 ①气动元件及组件 常用的气动元件有气阻、气容。常见的组件有阻容耦合组件,喷嘴一挡板机构、功率放大器等。 气阻:气体流过节流元件时,会受到一定的阻力,这种节流元件叫气阻。其作用是降压和限流 气阻按其结构特点可分为恒气阻和变气阻两类 恒气阻结构有三种:毛细管式、缝隙式和薄壁小孔式,其用符号或表示。 变气阻结构(常见):圆锥一圆锥型、圆柱一圆锥、球圆锥型。其用符号表示。 气阻流量特性指流过气阻的气体流量与其两端压力差之间的关系。根据流量与压差之间关系可分为 线性及非线性气阻。气流状态分别为层流和紊流。 气阻对气体流动阻碍的程度,一般用气阻值R来定量表示。线性气阻的气阻值R=AP/q 气容:凡是在气路中能贮存或释放出气体的气室称为气容。其作用是在气动仪表中起缘冲、防止振 荡作用,与电容在电路中的充放电作用相类似。用气容C来定量表示气室贮存空气量的能力 所谓气容是指改变单位压力所需要的气体积流量C=jt/P 气容分为固定气容和弹性气容两种 阻容耦合组件:通常有节流通室和节流盲室。 节流通室:是由变气阻,流通气室与恒气阻串联而成的组件。 单位时间为流过气阻R的气体质量流量qm1,必定等于单位时间内流过气阻R2的质量流量qm2

过程装备控制技术及应用教案 2a9d840847424cedb907ec759bb41001.doc 过程控制装置 第 1 页 共 19 页 第四章 过程控制装置 过程控制系统基本要素：过程控制装置与被控对象。 过程控制装置必须由测量变送单元、调节器，执行器三个环节组成。 4.1 变送器 变送器是单元组合仪表中不可缺少的基本单元之一。工业生产过程中，在测量元件将压力、温度、 流量、液位等参数检测出来后，需要由变送器将测量元件的信号转换成一定的标准信号，送至显示仪表 或调节仪表进行显示、记录或调节。 分类： 根据变送参数不同可分为：压力、差压、温度、流量、液位变送器等； 根据变送器驱动能源的不同可分为：气动、电动变送器。 变送器的理想输入、输出特性成线性。 4.1.1 差压变送器 差压变送器用来将差压、流量、液位等被测参数转换成统一标准信号，并将此统一信号输出送给指 示、记录仪表或调节器等，以实现对上述参数的显示、记录和调节。 （1）气动差压变送器 动差压变送器主要利用了力平衡原理，其敏感元件为膜片或膜盒，主要用于测量液体、气体或蒸汽 的压力、差压、流量、液位等物理量。 气动差压变送器可将压力信号成比例地转换成 20—100KPa 的统一标准压力信号，送往气动单元组 合仪表的调节器或显示仪表进行调节、指示和记录。 其杠杆系统形式有三种：单杠杆、双杠杆与失量机构。 ①气动元件及组件 常用的气动元件有气阻、气容。常见的组件有阻容耦合组件，喷嘴—挡板机构、功率放大器等。 气阻：气体流过节流元件时，会受到一定的阻力，这种节流元件叫气阻。其作用是降压和限流。 气阻按其结构特点可分为恒气阻和变气阻两类。 恒气阻结构有三种：毛细管式、缝隙式和薄壁小孔式，其用符号 或 表示。 变气阻结构（常见）：圆锥—圆锥型、圆柱—圆锥、球圆锥型。其用符号 表示。 气阻流量特性指流过气阻的气体流量与其两端压力差之间的关系。根据流量与压差之间关系可分为 线性及非线性气阻。气流状态分别为层流和紊流。 气阻对气体流动阻碍的程度，一般用气阻值 R 来定量表示。线性气阻的气阻值 R P qv =  / 气容：凡是在气路中能贮存或释放出气体的气室称为气容。其作用是在气动仪表中起缘冲、防止振 荡作用，与电容在电路中的充放电作用相类似。用气容 C 来定量表示气室贮存空气量的能力。 所谓气容是指改变单位压力所需要的气体体积流量 C qvdt dP  = 气容分为固定气容和弹性气容两种。 阻容耦合组件：通常有节流通室和节流盲室。 节流通室：是由变气阻，流通气室与恒气阻串联而成的组件。 单位时间为流过气阻 R1 的气体质量流量 m1 q ，必定等于单位时间内流过气阻 R2 的质量流量 m2 q ：

过程装备控制技术及应用教案 2a9d840847424cedb907ec759bb41001.doc过程控制装置 第2页共 R2 P-P P-P R 假设P3通大气,即P0(表压)=0 则B=R2 P=KP R+r 式中K=R为比例系数 R1+R2 节流盲室:由一个变气阻和一个气室串联在一起所构成的组件称为节流盲室 若R为线性变气阻,则 P-P R 根据气容的定义式得 q dt 所以 P-P 2=C g即R R dP +p=p 令RC=T,则 P=P 假设P为定值,并令P1=0,则 P 该式即为节流音室的特性方程 放过程的特性方程:P2=P 结论: ①若P为阶跃信号,则P2呈指数曲线变化,P2先快后慢,1→∞时,B=B2

过程装备控制技术及应用教案 2a9d840847424cedb907ec759bb41001.doc 过程控制装置 第 2 页 共 19 页   2 2 3 1 1 2 1 2 R P P q R P P qm m − = = − = 即 2 2 3 1 1 2 R P P R P P − = − 假设 P3 通大气，即 P0（表压）＝0 则 1 1 1 2 2 2 P KP R R R P = + = 式中 1 2 2 R R R K + = 为比例系数 节流盲室：由一个变气阻和一个气室串联在一起所构成的组件称为节流盲室。 若 R 为线性变气阻，则 R P P qv 1 − 2 = 根据气容的定义式得 dt dP qv C 2 = 所以 dt dP C R P P qv 1 2 2 = − = 即 2 1 2 P P dt dP RC + = 令 RC =T ，则 2 1 2 P P dt dP T + = 假设 P1 为定值，并令 0 0 2 = t = P ，则 ( ) t T P P e / 2 1 1 − = − 该式即为节流音室的特性方程 放过程的特性方程： t T P Pe / 2 1 − = 结论： ①若 P 为阶跃信号，则 P2 呈指数曲线变化，P2 先快后慢， t →  时， P1 = P2

过程装备控制技术及应用教案 2a9d840847424cedb907ec759bb41001.doc过程控制装置 第3页共 ②当tT时,P2=P(1-e-)=0632P1。T=RC叫做时间常数,它在数值上等于当P1为阶跃变化时,P2 上升到0632P1时所需的时间。 ③T反映了P2的变化速度,T越大,表示P2变化速度越慢。因为T=RC所以当C一定时只要改变R 就可调整P2的变化速度。 喷嘴一挡板机构:它是由喷嘴和挡板构成的变气阻、一个恒气阻和一个气容串联而成的节流通室, 其作用是把输入的微小位移信号转换成相应的气压信号输出,在气路中用符号→表示。 喷嘴一挡板机构的输出信号(P)与输入信号(挡板位移h)之间的关系,即为喷嘴一挡板机构的 静特性。h与为非线性关系,因此喷嘴挡板机构一般工作在中间区段(相当于P为0.0250.13MPa) 功率放大器:气动功率是指气体压力与流量的乘积。功率放大器的作用就是将气动信号进行流量和 压力的放大。功率放大器一般用符号 表示 按结构原理,功率放大可分为两类:力平衡式和节流式。以节流式功率放大器为例讲述其工作原理 ②气功差压变送器 由测量部分和气动转换部分组成。 以单杠杆式气动差压变送器为例讲述其工作原理 输入转换部分:其作用是把被测差压△P转换成为作用于主杠杆下端的输入力F。它由轴封膜片 敏感元件(膜盒或膜片)、C型簧片、基座以及主杠杆组成 正、负压室的被测压力P1、P2作用于膜盒两侧,膜盒将感测到的差压按一定比例转换成相应的输入 力F1 F=PA-PA 制造时A1=A2=A F=(P-B)A=△PA E与△P为线性关系。 变送器的静特性 单杠杆气动差压变送器方框图 以上方框图可简化为 由该方框图可得P与△P的关系: M=AP·41,M=42,△MlkC=P 又因为

过程装备控制技术及应用教案 2a9d840847424cedb907ec759bb41001.doc 过程控制装置 第 3 页 共 19 页 ②当 t=T 时，P2=P1(1-e -1 )=0.632P1。T=RC 叫做时间常数，它在数值上等于当 P1 为阶跃变化时，P2 上升到 0.632 P1 时所需的时间。 ③T 反映了 P2 的变化速度，T 越大，表示 P2 变化速度越慢。因为 T=RC 所以当 C 一定时只要改变 R 就可调整 P2 的变化速度。 喷嘴—挡板机构：它是由喷嘴和挡板构成的变气阻、一个恒气阻和一个气容串联而成的节流通室， 其作用是把输入的微小位移信号转换成相应的气压信号输出，在气路中用符号 | 表示。 喷嘴—挡板机构的输出信号（ P背 ）与输入信号（挡板位移 h）之间的关系，即为喷嘴—挡板机构的 静特性。h 与 P背 为非线性关系，因此喷嘴挡板机构一般工作在中间区段（相当于 P背 为 0.025~0.13MPa） 功率放大器：气动功率是指气体压力与流量的乘积。功率放大器的作用就是将气动信号进行流量和 压力的放大。功率放大器一般用符号 表示。 按结构原理，功率放大可分为两类：力平衡式和节流式。以节流式功率放大器为例讲述其工作原理。 ②气功差压变送器 由测量部分和气动转换部分组成。 以单杠杆式气动差压变送器为例讲述其工作原理。 输入转换部分：其作用是把被测差压 Pi 转换成为作用于主杠杆下端的输入力 Fi 。它由轴封膜片、 敏感元件（膜盒或膜片）、C 型簧片、基座以及主杠杆组成。 正、负压室的被测压力 P1、P2 作用于膜盒两侧，膜盒将感测到的差压按一定比例转换成相应的输入 力 F1： Fi = P1A1 − P2A2 制造时 A1 = A2 = Ad 故 ( ) Fi = P1 − P2 Ad = PiAd Fi 与 Pi 为线性关系。 变送器的静特性 单杠杆气动差压变送器方框图 以上方框图可简化为 由该方框图可得 Po 与 Pi 的关系： 1 M P A l i i d =   ， 2 M P A l f = o b ， C Po M l 3 k / = 又因为

过程装备控制技术及应用教案 2a9d840847424cedb907ec759b641001.doc过程控制装置 第4页共 △M=M-M 所以 P C APA, 1-PA4 P A,47k/C AP 1+13,/C 1+Kp 当满足KB>1时, P_441 △PAl2 K一单杠杆式气动差压变送器的转换系数 a、当KB>>1时,变送器的整机静特性取决于输入转换部分和反馈部分的持性,要保证变送器的 精度,必须要求Ky为常做 KβB值越大变送器精度就愈高,反之愈低。提高放大器的放大倍数K可以提高仪表精度。但不 宜提高过多,否则变送器输出易产生振荡现象。 c、改变比例系数K可改变变送器的量程范围,而K是由A、A、4、l2决定的。量程调整的 目的是使变送器输出信号的上限值与测量范围的上限值相对应 变送器的零点调整和零点迁移是通过调零弹簧和零点迁移弹簧进行的。未加零点迁移弹簧的情况 其方框图为: 加调零信号后单杠杆气动差压变送器方框图 零件过移机构:在实际应用中,差压的测量范围不一定从零开始,有时有一不为零的起始值。 调零点的迁移不改变仪表的量程。 变送器中进行零点迁移,同时调整仪表量程,可提高仪表的测量精度和灵敏度 已知被测参数的波动范围为4000~5000Pa,若零点不迁移,需选择量移为0-5000Pa的变送器,对 应输出为20-100KPa。若零点迁移,可选下限为4000Pa、上限为5000Pa的变送器,其量程为1000Pa 若变送器精度同为1.0级,不迁移时 基本误差为:5000×1%=50Pa

过程装备控制技术及应用教案 2a9d840847424cedb907ec759bb41001.doc 过程控制装置 第 4 页 共 19 页 M = Mi − M f 所以 1 2 3 PA l P A l l k P C i d o b o =  −  即 K KD l kAl C A l l k C P P b d i o + = + =  1 / 1 / 3 2 1 3 当满足 K 1 时， sp b d i o K A l A l P P = =  2 1 Ksp —单杠杆式气动差压变送器的转换系数。 讨论： a、当 K 1 时，变送器的整机静特性取决于输入转换部分和反馈部分的持性，要保证变送器的 精度，必须要求 Ksp 为常做。 b、 K 值越大变送器精度就愈高，反之愈低。提高放大器的放大倍数 K 可以提高仪表精度。但不 宜提高过多，否则变送器输出易产生振荡现象。 c、改变比例系数 Ksp 可改变变送器的量程范围，而 Ksp 是由 Ad 、 Ab 、 1 l 、 2 l 决定的。量程调整的 目的是使变送器输出信号的上限值与测量范围的上限值相对应。 变送器的零点调整和零点迁移是通过调零弹簧和零点迁移弹簧进行的。未加零点迁移弹簧的情况， 其方框图为： 加调零信号后单杠杆气动差压变送器方框图 零件过移机构：在实际应用中，差压的测量范围不一定从零开始，有时有一不为零的起始值。 调零点的迁移不改变仪表的量程。 变送器中进行零点迁移，同时调整仪表量程，可提高仪表的测量精度和灵敏度。 已知被测参数的波动范围为 4000~5000Pa，若零点不迁移，需选择量移为 0~5000Pa 的变送器，对 应输出为 20~100 KPa。若零点迁移，可选下限为 4000Pa、上限为 5000Pa 的变送器，其量程为 1000Pa， 若变送器精度同为 1.0 级，不迁移时 基本误差为： 50001% = 50 Pa

过程装备控制技术及应用教案 2a9d840847424cedb907ec759bb41001.doc过程控制装置 第5页共 仪表灵敏度:20)80KF 500 000Pa 迁移后 基本误并为:1000×19%=10Pa 仪表灵敏度为:0020)280KPa 1000Pa 迁移后测量精度和灵敏度均提高5倍 零点调整:通过调零弹簧进行。旋动调零螺钉改变副杠杆位移,即改变差动变送器调零弹簧到主 杠杆的距离来改变仪表的零位 (2)电的动差压变送器 电动差压变送器能将压力信号AP;成比例地转换成0~10mA(DDZⅡ型)或420mA(DDZⅢ型) 直流电流统一标准信号,送往调节器或显示仪表进行指示、记录和调节。 下面以DDZⅢ型差压变送器为例进行分析。 DDZⅢ型差压变送器是两线制安全火花型变送器,主要用于测量液体、气体或蒸汽的差压、流量 液位、相对密度等物理量 参照教材P18图4-16讲解其工作原理结构 ①工作原理 被测差压信号P1、P2分别进入敏感元件两侧的正、负压室,敏感元件将差压转换为作用在主杠杆 下端下的输入力F=△P·A,使主杠杆以轴封膜片为支点顺时针偏转该偏转力矩为M=F·l,偏 转使杠杆以力F1设水平方向推动矢量机构,该力为F=F·1/2。矢量机构将F1分解成F2和F3,根据 力的平行四边形法则,得F2=1g0.F。F2使矢量机构的推板向上运动,并通过连接簧片带动副杠杆以 点M逆时针偏转,该偏转力矩为输入力矩M=F2·l。这使固定在副杆上的差动变压器的衔铁靠近差 动变压器,两点之间距离的变化量再次通过低频位移检测放大器转换并放大为4-20mA直流电流I,作 为变送器的输出信号:同时该电流又流过电磁反馈装置的反馈动圈,产生电磁反馈力F=K。(K 电磁反馈装置的转换系数),使副杠杆顺时针偏转。当输入力与反馈力对系统所产生的力矩M,、M达 到平衡时,变送器便达到一个新的稳定状态。此时低频位移检测放大器的输出电流L便反映了所测差压 △P的大小。 DDZⅢ型差压变送器的整机方框图。 K。称为矩量机构电动差压变送器的转换系数 上式说明,在量程一定时,变送器的输出电流与输入信号之间呈线性关系 ②电磁反馈装置

过程装备控制技术及应用教案 2a9d840847424cedb907ec759bb41001.doc 过程控制装置 第 5 页 共 19 页 仪表灵敏度： ( ) Pa KPa 5000 80 5000 100 20 = − 迁移后 基本误并为： 10001% =10 Pa 仪表灵敏度为： ( ) Pa KPa 1000 80 1000 100 20 = − 迁移后测量精度和灵敏度均提高 5 倍。 零点调整：通过调零弹簧进行。旋动调零螺钉改变副杠杆位移，即改变差动变送器调零弹簧到主 杠杆的距离来改变仪表的零位。 （2）电的动差压变送器 电动差压变送器能将压力信号 Pi ；成比例地转换成 0~10mA(DDZⅡ型)或 4~20mA(DDZⅢ型) 直流电流统一标准信号，送往调节器或显示仪表进行指示、记录和调节。 下面以 DDZⅢ型差压变送器为例进行分析。 DDZⅢ型差压变送器是两线制安全火花型变送器，主要用于测量液体、气体或蒸汽的差压、流量 液位、相对密度等物理量。 参照教材 P181 图 4-16 讲解其工作原理结构 ①工作原理 被测差压信号 P1、P2 分别进入敏感元件两侧的正、负压室，敏感元件将差压转换为作用在主杠杆 下端下的输入力 Fi Pi Ad =   ，使主杠杆以轴封膜片为支点顺时针偏转,该偏转力矩为 1 M F l i i =  ，偏 转使杠杆以力 F1 设水平方向推动矢量机构，该力为 1 1 2 F F l /l i =  。矢量机构将 F1 分解成 F2和 F3，根据 力的平行四边形法则，得 2 F1 F = tg  。F2 使矢量机构的推板向上运动，并通过连接簧片带动副杠杆以 点 M 逆时针偏转，该偏转力矩为输入力矩 2 3 M F l i =  。这使固定在副杆上的差动变压器的衔铁靠近差 动变压器，两点之间距离的变化量再次通过低频位移检测放大器转换并放大为 4~20mA 直流电流 Io，作 为变送器的输出信号；同时该电流又流过电磁反馈装置的反馈动圈，产生电磁反馈力 f f o F = K I （ K f — 电磁反馈装置的转换系数），使副杠杆顺时针偏转。当输入力与反馈力对系统所产生的力矩 Mi 、M f 达 到平衡时，变送器便达到一个新的稳定状态。此时低频位移检测放大器的输出电流 Io 便反映了所测差压 Pi 的大小。 DDZⅢ型差压变送器的整机方框图。 Kac 称为矩量机构电动差压变送器的转换系数。 上式说明，在量程一定时，变送器的输出电流与输入信号之间呈线性关系。 ②电磁反馈装置