n过程控制装置三环节：变送器：压力变送器，差压变送器，温度变送器，流量变送器，液位变送器。调节器：PID调节器。执行器：气动执行器，电动执行器，电气转换 器。第4章 过程控制装置1对工业过程进行检测、显示、控制和执行等 仪表总称为自动控制仪表，又称自动化仪表。自动化仪表的作用是代替人对生产过程进行 测量、控制、监督和保护，在了解控制原理的同 时，还要理解自动化仪表的工作原理和性能特点 ，以便合理地选择和正确地使用。2n自动控制仪表可以从不同的角度分类，下 面仅从使用能源种类和结构形态分类。按能源分类气动仪表以压缩空气为能源及传递信号的仪表 ，其传送距离受到限制，具有防爆特点， 其执行器作用力大、工作平稳可靠。3电动仪表以电作为能源及传送信号的仪表，传送距离 远，便于与计算机配合，在生产自动化中被广泛 应用。电动仪表又分为电气（又称电动机械）式 和电子式两大类。电气式不使用电子元器件，依靠传感器从被 测介质中取得能量，就可以推动电接点或电位器 动作。它的结构简单、价格便宜。电子式采用电子元器件，由于采用放大器等 电子器件，不但可提高测量精度，还可以利用反 馈电路，对输入信号进行各种控制规律的运算， 从而实现多种控制 规律，提高控制品质。4直接作用式仪表这种仪表不需要辅加能源，只是传感器从被 测（控）介质中取得能量，就足以推动执行器动 作，故又称自力式仪表。常见的有浮球式液位调 节器、膨胀式温度调节器和燃气压力直接作用调 节器等。它们将传感器、控制器及执行器等组合 在一起，习惯上称为调节器。它们结构简单，不 产生火花，使用安全，维修方便，适用于控制精 度要求不高的场合。 5 按结构形式分类基地式仪表以指示、记录仪表为主体，附加调节装置而组成 ，即把变送、调节、显示等部分装在一个壳内形成整 体。利用一台仪表就能完成一个简单控制系统的测量 、记录 及控制等全部功能。结构比较简单,常用于单机控制系统单机控制系统。6单元组合式仪表单元组合式仪表把整套仪表按照其功能和使用要 求，分成若干独立作用的单元，各单元之间用统一的 标准信号联系。使用时，针对不同的要求,将各单元以不同的形 式组合，可以组成各种各样的自动检测和控制系统。 优点 可以用有限的单元组成各种各样的控制 系统,具有高度的通用性和灵活性。 可以通过转换单元,把气动表、电动表, 甚至液动表联系起来,混合使用。 7 由于各单元独立作用,所以在布局、安装、维护上 也更合理、更方便。 仪表大都采用力平衡或力矩平衡原理,工作位移小 、无机械摩擦、精度高、使用寿命长、性能较好。 由于零部件的标准化、系列化,有利于大规模生产 ,降低了成本,提高了产量和质量。 有利于发展新品种,采用新工艺、新技术。8分类根据使用能源的不同使用能源的不同,单元组合仪表主要分 为气动单元组合仪表和电动单元组合仪表。单元组合仪表一般可以分为七大类单元。单元组合仪表一般可以分为七大类单元。 变送单元(B) 显示单元(X) 给定单元(G) 辅助单元(F) 控制单元(T) 计算单元(J) 转换单元(Z)在电动单元组合仪表中还包括执行单元(K)。9气动单元组合仪表气动单元组合仪表是以 0.14MPa压缩空气为 能源,各单元之间以统一的 0.020.1MPa气压标准 信号相联系,整套仪表的精度为1级。电动单元组合式仪表的发展阶段电动单元组合式仪表的发展阶段：DDZ-型电子管器件为主要器件DDZ-型晶体管等分立元件为主要器件DDZ-型线性集成电路作为核心器件10组装电子式调节仪表组装电子式调节仪表是在单元组合仪表的基 础上发展起来的成套仪表装置。它的基本组件是 一块一块具有不同功能的功能模件。功能模件，是指各种典型线路构成的标准电 路板，每种电路板具有一种或数种功能，并有同 一规格尺寸、输入输出端子、电源和信号灯。这 种仪表又称功能模件式仪表或插入式仪表。现代 化的大型控制，需要组成各种复杂控 制系统及集 中的显示操作。设计人员只要根据工程要求，选 用相应的功能模件，配上标准化的机箱和外部设 备，就可灵活地组成各种专用的控制装置。11组装电子式调节仪表特点：n功能齐全、组装灵活。由于组件系列化、标准化、功 能独立、插接件和输入输出信号统一，因此可以合理地 组成各种不同装置，以满足不同对象的要求。 n安全可靠、维修方便。可以根据每个组件的特点，确 定合理的例行试验条件，有利于提高整机的可靠性。当 某一组件有故障时，可以迅速更换备用组件，保证系统 正常运行。而且由于组件标准化，检查和维修也容易。n操作方便，便于集中监督管理。组件采用集成电路和 小型元器件，装置小，控制盘（板）面小，操作方便。n成套性，便于选型设计。由于采用通用接线，以适用 成套装置的形式提供用户，方 便了设计，缩短安装调 校时间。12使用常规仪表的中央控制室13早期的DCS控制系统14DCS控制系统15变送器和转换器的作用是分别将各种工艺 变量(如温度、压力、流量、液位)和电信号（ 如电压、电流、频率、气压信号等）转换成相 应的统一标准信号(4-20mA电流信号）。4.1 变送器变送器分类：气动变送器电动变送器161.构成原理变送器是基于负反馈原理工作的，其构成原 理如图所示，它包括测量部分（既输入转换部 分）、放大器和反馈部分。4.1.0 变送器原理与量程调整零点迁移1718192.量程调整、零点调整和零点迁移变送器涉及的另一个问题是量程、零点调整和零点漂移 。v量程调整其目的是使变送器输出信号的上限值ymax与测量范围的上 限值xmax相对应。相当于改变输入输出特性的斜率，也就是改 变y与x的比例系数。量程调整通常是通过改变反馈 系数F的大小来实现的。F大，量程 就大。F小，量程就小。也有些变送器还可以通过改变 转换系数c来调整量程。20v零点调整和零点迁移使变送器的输出信号下限值ymiin与测量范围的下限值xmin 对应。在xmin=0时，称为零点调整；在xmin0时，称为零点迁移。由上图可知，零点迁移后变送器的输出特性沿x坐标向右或 左平移，其斜率没有变，即变送器量程不变。进行零点迁移， 在辅以量程调整，可提高仪表的测量灵敏度。21例4-2 已知被测参数的最大波动范围为4000-5000Pa,按照 不进行零点迁移和进行零点迁移分别选择测量变送器，并 分析精度为1.0级时各自变送器的基本误差值和仪表灵敏 度。解：当不进行零点迁移时，需选择量程为0-5000Pa的变送 器，输出为4-20mADC.若有迁移，可选用4000-5000Pa的变 送器，量程为1000Pa.若精度为1.0级，不加迁移时，仪表的误差为：5000Pa1%=50Pa,仪表的灵敏度为：（20-4）mA/5000Pa使用迁移后，仪表的基本误差为：1000Pa1%=10Pa,仪表 的灵敏度为： （20-4）mA/1000Pa。零点迁移后，测量精度与灵敏度都提高了5倍。224.1.1 差压变送器v力平衡式差压变送器v电容式差压变送器v扩散硅式差压变送器差压变送器是将液体、气体或蒸汽的压力、流量、液位等 工艺量转换成统一的标准信号，作为记录仪、调节器或计算机 装置的输入信号，以实现对上述变量的显示、记录或自动控制 。本节着重讨论普遍使用的力平衡式差压变送器和电容式差压变送器。23 力平衡式差压变送器 概述力平衡式差压变送器包括:测量部分杠杆部分位移检测放大器电磁反馈机构工作原理：力矩平衡原理。 24测量部分是将被测差压Pi转换成相应的输入力Fi，该力 与电磁反馈机构输出的作用力Ff一起作用于杠杆系统，使杠杆 系统产生微小的偏移，在经位移检测放大器转换成统一的直流 电流输出信号。由于采用了深度负反馈，因而测量精度较高，而且保证了 被测差压Pi和输出电流Io之间的线性关系。2526工作原理：被测差压信号P1、P2分别引入元件3的两侧，则Pi转换为Fi， 该力作用于主杠杆的下端，使主杠 杆以轴封膜片4为支点偏转，F1沿 水平推动8。F1分解F2和F3，F2带 动14以M为支点逆时针偏转，此时 12靠近差动变压器，使两者间气隙 减小。检测片的位移变化量通过 15转换为420mA的Io，作 为输出。Io又流过16，产生Ff使副杠杆顺时针偏转，当Ff和Fi力矩平衡时，变 送器状态稳定。 27由上述工作原理可画出其传输方框图：A-膜片有效面积 L1、L2Fi、F1到主杠杆支点H的力臂L3、Lo、LfF2、Fo、Ff到副杠杆支点M的力臂L4检测片12到副杠杆支点M的距离tg矢量机构的力传递系数， 为矢量角K1副杠杆力矩-位移转换系数 Kf电磁反馈机构的电磁结构常数K2低频位移检测放大器位移-电流转换系数 28在差压变送器的放大系数（K1K2）和反馈系数（LfKf）的乘积足 够大时，当变送器处于稳定时，将满足力矩平衡关系：Mi+Mo=MfIo=KpPi+LoFo/LfKf29 结构：（具体各部结构及作用）检测部分: P 输入力Fi ，组成：由高低压式膜盒、轴 封膜片，双膜片结构可减小温度的影响（双膜片受温度变化抵 消）。膜盒内有充有硅油。工作过程： P作用膜盒上时，膜片2和硬心同时向右移动， 迫使盒内硅油通过孔向右流动，并在连接片6上产生集中力Fi当Pi逐渐加大，超过额定差压时，膜片与机座接触，起到单 向过载保护作用。杠杆系统：是变送器中机械传动和力矩平衡部分作用：使F1产生力矩与电磁反馈力Ff产生的力矩进行比较，再 转化为检测片的位移。现分析其主要机构： 30、 调零和零点迁移机构：零点迁移：调节迁移弹簧来实现。调零：由调零弹簧来调整。迁移弹簧对杠杆施加一个迁移力Fo设Fo到主杠杆支点的距离为Lo,则有：31、静压调整和过载保护装置：产生原因：膜盒两侧的膜片有效面积不等。 主杠杆、拉 条等装配不正，会使主杠杆产生一个附加力矩。消除方法：在主杠杆上安装一个静压调整装置。、平衡锤：在副杠杆重心与支点M重合，从而提高了仪表的耐冲击，耐振 动性能，而且仪表不垂直安装时也不影响精度。 、矢量机构：组成：由矢量板、推板组成。改变可改变差压变送器的量程。当仅用矢量机构调整量程时的量程比为：323.电磁反馈机构作用是将输出电流Io转换成电磁反馈力Ff，此力作用于副杠杆 ，产生反馈力矩Mf，以便和测量部分产生的输入力矩Mi相平衡 。反馈力Ff的大 小为：Ff=Kf IoKf是电磁结构 常数，其值为 ：33 低频位移检测放大器作用：是将副杠杆上检测片的微小位移s转换成直流输出电流Io其原理线路图2-12如下页：其组成有：差动变压器低频振荡器整流滤波电路功率放大器。3435 差动变压器差动变压器是由检测片（衔铁）、上、下罐形磁芯 和四组线圈构成。如图2-13所示，其作用是将检测片的位移s 转换成相应的电压信号uCD36讨论： 当s=/2 时 e2=e2 UCD=e2- e2=0差动变压器变压器输出 当se2 UCD=e2- e20此时UCD与UAB同相当s/2 时，因差动变压器，上半部磁路磁阻增大互感减 小 e21可在R120上并联 一个电阻，如R119此时 负反馈减小，输出Ua增 加。如要求后一段直线斜率 小于前一段则可在Ra上 并联一电阻。此时输出 Ua减小。1015.热电阻温度变送器量程单元与上述两种变送器的区别：线性化电路，置于输入回路中；热 电阻引线补偿电路。102I、线性化原理及分析 热电阻线性化电路原理如图：现把IC2看成是理想运算放大器 ，UT=UF可得：103II、引线电阻补偿电路为消除引线电路的影响，热电阻采用三线接法。由R23、R24、2构成的支路为引线电阻补偿电路。若不考虑此电路,则： Ut=Ut+2It若存在引线补偿电路，有电流I流过2、3，调整R24使I= It则流过3的电流大小相等，方