控制仪表及计算机控制装置概论

1、控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录1q过程控制仪表与装置总体概述过程控制仪表与装置总体概述第一章第一章 概概 论论 v 自动控制系统和过程控制仪表v 过程控制仪表与装置的分类及特点v 信号制q仪表防爆的基本知识控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录2第一节 过程控制仪表与装置总体概述控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录3一、自动控制系统和过程控制仪表 过程控制仪表与装置是实现生产过程自动过程控制仪表与装置

2、是实现生产过程自动化必不可少的工具。化必不可少的工具。 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录4基本要求： 1.掌握控制仪表的构成原理和基本概念； 2.能够选用合适的仪表构成所需的控制系统。控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录5二、过程控制仪表与装置的分类及特点按能源形式分类按信号类型分类按结构形式分类控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录6按能源形式分类按能源形式分类可分为电动，气动，液动和机械式等。工业上

3、普遍使用电动和气动控制仪表。 导管，管路板 导线，印刷电路板 接线 气动元件（气阻、气容、气动放大器等） 电子元器件（电阻、电容、电子放大器、集成电路等）构成 气压信号 电信号（电流、电压或脉冲）传输信号气源（140 kPa） 电源（220VAC）交流 （24V DC）直流 能源 气动控制仪表气动控制仪表 电动控制仪表电动控制仪表 表表1-1 1-1 电动控制仪表和气动控制仪表的比较电动控制仪表和气动控制仪表的比较控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录7按信号类型分类按信号类型分类 模拟式模拟式控制仪表由模拟元器件构成，其传输信号为

4、连续变化的模拟量，如电流、电压、气压信号等。数字式数字式控制仪表以微处理器，单片机芯片为核心。其传输信号为断续变化的数字量，由于可以进行各种数字运算和逻辑判断，能解决模拟式控制仪表难以解决的问题。 分为模拟式和数字式两大类：控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录8按结构形式分类按结构形式分类单元组合式控制仪表单元组合式控制仪表 基地式控制仪表基地式控制仪表 集散型计算机控制系统集散型计算机控制系统 现场控制系统现场控制系统控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录9单元组合式

5、单元组合式控制控制仪表仪表它们都经历了型，型和型的三个阶段。电动单元组合仪表中还有模拟和数字技术相结合的DDZ-S型系列仪表。各个仪表之间用统一的标准信号进行联系用统一的标准信号进行联系，将各将各种独立仪表进行不同的组合种独立仪表进行不同的组合，可以构成适用于各种不同场合的自动检测或控制系统。这类仪表有电动单元组合仪表（DDZ）和气动单元组合仪表（QDZ）两大类。控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录10单元组合式单元组合式控制控制仪表仪表单元组合仪表可分为变送单元，执行单元，单元组合仪表可分为变送单元，执行单元，调节单元，转换单元

6、，运算单元，显示单元，调节单元，转换单元，运算单元，显示单元，给定单元和辅助单元等八类。给定单元和辅助单元等八类。 . .变送单元变送单元：它能将各种被测参数，如温度，压力，流量，液位等变换成相应的标准统一信号（4-20mA，0-10mA或20-100kPa）传送到接收仪表，以供指示、记录或控制。变送单元的品种有：温度、压力、差压、流量、液位变送器等。 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录11单元组合式单元组合式控制控制仪表仪表2.转换单元转换单元: 将电压，频率等电信号转换为标准统一信号，或者进行标准统一信号之间的转换。 转换单

7、元的品种有：直流毫伏转换器、频率转换器、电-气转换器、气-电转换器等。3.调节单元调节单元P P、I I、D D: 它将测量信号与给定信号进行比较，按偏差控制执行器的动作，使测量值与给定值相等。调节单元的品种有：比例积分微分调节器、比例积分调节器、微分调节器以及具有特种功能的调节器等。 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录12单元组合式单元组合式控制控制仪表仪表4.运算单元运算单元:它将几个标准统一信号进行加、减、乘、除、开方、平方等运算，适用于多种参数综合控制、配比控制、流量信号的温度压力水补偿计算等。 运算单元的品种有：加减器

8、、乘除器和开方器等。 5.显示单元显示单元:它对各种被测参数进行指示、记录、报警和积算，供操作人员监视控制系统工况之用。显示单元的品种有：指示仪、指示记录仪、报警器、比例积算器和开方积算器等。 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录13单元组合式单元组合式控制控制仪表仪表6.给定单元给定单元:输出标准统一信号，作为被控变量的给定值送到调节单元，实现定值控制。其输出信号可以供给其它仪表作为参考基准值。给定单元的品种有：恒流给定器、定值器、比值给定器和时间程序给定器等。 7.执行单元执行单元:它按照调节器输出的控制信号或手动操作信号，操

9、作执行元件，改变控制变量的大小。执行单元的品种有：角行程电动执行器、直行程电动执行器和气动薄膜调节阀等。 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录14单元组合式单元组合式控制控制仪表仪表8.辅助单元:辅助单元是为了满足自动控制系统某些要求而增设的仪表。 如：操作器、阻尼器、限幅器、安全栅等。控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录15基地式基地式控制控制仪表仪表 基地式控制仪表相当于把单元组合仪表的几个单元组相当于把单元组合仪表的几个单元组合在一起，构成一个仪表合在一起，构成

10、一个仪表。通常以指示、记录仪表为主体，附加控制、测量、给定等部件，其控制信号输出一般为开关量，也可以是标准统一信号。也有在数字式变送器或执行器附带的数字式转换器中带有调节器功能。 一个基地式仪表具有多种功能，与执行器联用或与变送器联用，便可构成一个简单的调节系统。控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录16集散型控制系统集散型控制系统(DCS(DCS系统系统) ) DCS系统是一种以微型计算机为核心的计算机控制装置。其基本特点是分散控制分散控制、集中管理集中管理。 DCS系统通常由控制站（下位机）、操作站（上位机）和过程通讯网络三部分

11、组成：控制站完成数据采集、处理及控制的作用；操作站完成生产过程信息的集中显示、操作和管理等作用；过程通讯网络用于实现操作站与控制站的连接，完成信息、控制命令等传输。DCS系统可以实现单元组合仪表中变送和执行单元之外所有的功能，但DCS的功能是单元组合仪表无法比拟。 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录17现场总线控制系统现场总线控制系统(FCS(FCS系统系统) )FCS系统是基于现场总线技术的一种新型计算机控制装置。其特点是现场控制现场控制和双向数字通讯双向数字通讯，即将传统上集中于控制室的控制功能分散到现场设备中，实现现场控制

12、，而现场设备与控制室内的仪表或装置之间为双向数字通讯。现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。其中现场设备是指系统最底层的监测、执行和计算设备，如智能化的变送器、执行器或控制器等。FCS系统具有全数字化、全分散式、可互操作、开放式以及现场设备状态可控等优点。FCS系统中还可能出现以以太网技术和以无线通信技术为基础的计算机控制系统。控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录18三、信号制三、信号制信号制即信号标准，是指仪表之间采用的传输信号的类型和数值。 目的：达到通用性和相互兼容性的要求，以便不同

13、系列或不同厂家生产的仪表能够共同使用在同一控制系统中，实现系统的功能。控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录19信号标准信号标准我国国家标准GB777化工自动化仪表模拟气动信号规定了气动仪表信号的下限值和上限值，如表1-2所示，该标准与国际IEC382是一致的。100kPa(1Kgf/cm2)20kPa(0.2Kgf/cm2)上限下限1 1、气动仪表的信号标准、气动仪表的信号标准控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录20信号标准信号标准 序号1的规定与国际标准IEC381

14、 A一致。序号2考虑到DDZ-系列单元组合仪表当时仍在广泛使用而设置的。 0-10mAmA电流信号欧欧欧负载电阻序号2 2、电动仪表的信号标准、电动仪表的信号标准(GB339)控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录21电动仪表信号标准的使用1、现场与控制室仪表之间采用直流电流信号直流电流信号 优点：优点：a. 直流比交流干扰少b. 直流信号对负载的要求简单c. 电流比电压更利于远传信息要求：要求：接收仪表输入电阻小。 缺点：缺点：多个仪表接收同一电流信息，它们必须串联。 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下

15、页目目 录录上页上页下页下页目目 录录22 任何一个仪表在拆离信号回路之前首先要把该仪表的两个输入端短接，否则其它仪表将会因电流中断而失去信号 仪表无公共接地点，须浮空工作控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录232、控制室内部仪表之间采用直流电压信号优点：优点： 任何一个仪表拆离信号回路都不会影响其它仪表的运行。 各个仪表具有公共接地点，可以共用一个直流电源。要求：要求：接收仪表的输入阻抗要足够高控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录24电动仪表信号标准的使用3、控制系

16、统仪表之间典型联接方式Io：发送仪表的输出电流Ro：发送仪表的输出电阻Ri：接收仪表的输入电阻R ：电流电压转换电阻，Io=420mA时R取250。 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录25第二节仪表防爆的基本知识在某些生产现场存在着各种易燃、易爆气体。安装在这种危险场所的仪表如果产生火花，就容易引起爆炸，因而必须具有防爆性能。 气动仪表从本质上来说具有防爆性能。电动仪表必须采取必要的防爆措施才具有防爆性能，其防爆措施不同，防爆性能也将不同，适合应用的危险场所也不同。控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页

17、目目 录录上页上页下页下页目目 录录26一、防爆仪表的标准 iaIICT5 iaIICT6 dIIBT3v防爆仪表的分类 v防爆仪表的分级和分组 v防爆仪表的标志国家标准GB3836.1爆炸性环境用防爆电气设备通用要求控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录27防爆仪表的分类 II类(工厂用)电气设备又分为8种类型。其标志如下： S特殊型 n无火花型 q充沙型 O充油型 P正压型 i本质安全型 e增安型 d隔爆型 按照国标GB3836.1规定，防爆电气设备分为两大类： I I 类：煤矿井下用电气设备类：煤矿井下用电气设备 II II类

18、：工厂用电气设备类：工厂用电气设备控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录28防爆仪表的分级和分组在爆炸性气体或蒸汽中使用的仪表，引起爆炸主要有两方面原因：（1） 仪表产生能量过高的电火花或仪表内部因故障产生的火焰通过表壳的缝隙引燃仪表外的气体或蒸汽（2） 仪表过高的表面温度因此，根据上述两个方面对II类（工厂用）防爆仪表进行了分级和分组，规定其适用范围。 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录29防爆仪表的分级和分组防爆仪表的分级 根据：最大试验安全间隙dmax 或 最小

19、点燃电流的比值MICR级别dmax (mm) MICR II A dmax0.9 MICR0.8 II B 0.9 dmax0.5 0.8MICR0.45 II C 0.5dmax 0.45MICR 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录30防爆仪表的分级和分组防爆仪表的分组 根据：仪表最高表面温度温度组别T1T2T3T4T5T6最高表面温度45030020013510085仪表的最高表面温度 = 实测最高表面温度 实 测时环境温度+ 规定最高环境温度 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上

20、页下页下页目目 录录31防爆仪表的标志防爆仪表的防爆标志为“Ex”；仪表的防爆等级标志的顺序为：防爆型式、类别、级别、温度组别。 过程控制仪表常见的防爆等级有iaIICT5 (iaIICT6)和dIIBT3二种。前者表示II类本质安全型ia等级C级T5组；后者表示II类隔爆型B级T3组。 * 防爆仪表的分级与分组，与易燃易爆气体或蒸汽的分级和分组是相对应的。 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录32组别T1450 T2300400 T3200300 T4135200 T5100135 T685100 IIA 甲烷、氨、乙甲烷、氨、

21、乙烷、丙烷、丙烷、丙烷、丙酮、苯、甲苯、酮、苯、甲苯、一氧化碳、丙一氧化碳、丙烯酸、甲脂、烯酸、甲脂、苯乙烯、醋酸苯乙烯、醋酸乙脂、醋酸、乙脂、醋酸、氯苯、醋酸甲氯苯、醋酸甲脂脂 乙醇、丁醇、乙醇、丁醇、丁烷、醋酸丁丁烷、醋酸丁脂、醋酸戊脂、脂、醋酸戊脂、环戊烷、丙烯、环戊烷、丙烯、乙苯、甲醇、乙苯、甲醇、丙醇丙醇 环乙烷、环乙烷、戊烷、己戊烷、己烷、庚烷、烷、庚烷、辛烷、汽辛烷、汽油、煤油、油、煤油、柴油、戊柴油、戊醇、己醇、醇、己醇、环乙醇环乙醇 乙醛、三乙醛、三甲胺甲胺 亚硝酸亚硝酸乙脂乙脂 IIB 丙烯脂、二甲丙烯脂、二甲醚、环丙烷、醚、环丙烷、市用煤气市用煤气 环氧丙烷、丁环氧丙烷、

22、丁二烯、乙烯二烯、乙烯 二甲醚、二甲醚、丙烯醛、丙烯醛、碳化氢碳化氢 乙醚、二乙醚、二乙醚乙醚 IIC 氢、水煤气氢、水煤气 乙炔乙炔 二硫化二硫化碳碳 硝酸乙硝酸乙脂脂 级别易爆性气体或蒸汽级别和组别一览表易爆性气体或蒸汽级别和组别一览表 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录33二、过程控制仪表的防爆措施过程控制仪表主要有: 隔爆型防爆仪表 本质安全型防爆仪表 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录34隔爆型防爆仪表 特点：仪表的电路和接线端子全部置于防爆壳体内仪表的

23、电路和接线端子全部置于防爆壳体内 防爆措施：v采用耐压采用耐压8080100N/cm100N/cm2 2以上的表壳以上的表壳v表壳外部的温升不得超过由易爆性气体或蒸汽的引燃温度所规表壳外部的温升不得超过由易爆性气体或蒸汽的引燃温度所规定的数值定的数值v表壳接合面的缝隙宽度及深度，应根据它的容积和易爆性气体表壳接合面的缝隙宽度及深度，应根据它的容积和易爆性气体的级别采用规定的数值的级别采用规定的数值使用注意：* *揭开仪表表壳后，将失去了防爆性能揭开仪表表壳后，将失去了防爆性能 * *长期使用会逐渐降低防爆性能长期使用会逐渐降低防爆性能 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下

24、页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录35本质安全型防爆仪表v本质安全型防爆仪表也称安全火花型防爆仪表。这种仪表，在正常状态下或规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不会引起规定的易爆性气体混合物爆炸。v 正常状态指在设计规定条件下的工作状态，故障状态指电路中非保护性元件损坏或产生短路、断路、接地及电源故障等情况。控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录36本质安全型防爆仪表本质安全型ia和ib两个等级分别表示： 1. ia 等级在正常工作、一个故障和两个故障时均不能点燃爆炸性气体混合物的电气设备。 2. ib 等级在正常工作和一

25、个故障时不能点燃爆炸性气体的电气设备。控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录37本质安全型防爆仪表安全火花型防爆仪表所采取的措施主要有： 1. 仪表采用低工作电压和小工作电流低工作电压和小工作电流。通常，正常工作电压不大于24VDC，电流不大于20mADC；故障时电压不大于35VDC，电流不大于35mADC； 2. 在线路设计上，对处于危险场所的电路，选择适当大小适当大小的电阻、电容和电感参数参数，使其只产生安全火花；同时在较大的电容、电感回路中并联双重化二并联双重化二极管极管，以消除不安全火花。控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计

26、算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录38三、控制系统的防爆措施 要使整个测量或控制系统的防爆性能符合安全火花防爆要求，必须满足：1.在危险场所使用安全火花型防爆仪表2.在控制室仪表与危险场所仪表之间设置安全栅控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录39 1.必须正确地安装安全栅和布线。（1）安全栅必须有良好的接地。（2）安全栅的输入、输出端的接线，应该分别布设，不能走同一条线槽。 （3）对由安全栅通向现场仪表的信号线的分布电容和分布电感有一定的限制。要真正实现安全火花防爆，必须做到：要真正实现安全火花防爆，

27、必须做到：控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录40（4 4）因为信号线与穿线管管壁之间存在的分布）因为信号线与穿线管管壁之间存在的分布电容也具有储能作用。穿管安装时，穿线管的直电容也具有储能作用。穿管安装时，穿线管的直径宜足够大径宜足够大0rsllLna0rsllCna分布电感、分布电容的数值可按下公式计算分布电感、分布电容的数值可按下公式计算2.2.安全火花型现场仪表在危险场所时，虽然允许打安全火花型现场仪表在危险场所时，虽然允许打开表壳进行检查开表壳进行检查, , 携带到现场的检修用的仪器仪表携带到现场的检修用的仪器仪表必须是

28、安全火花型的。必须是安全火花型的。控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录41第三节仪表的分析方法从仪表整体结构上看，模拟式控制仪表有两种构从仪表整体结构上看，模拟式控制仪表有两种构成形式：成形式： 1.1.仪表整机采用单个放大器，其放大器可由仪表整机采用单个放大器，其放大器可由若干级放大电路或不同的放大器串联而成。属若干级放大电路或不同的放大器串联而成。属于这一类的仪表有于这一类的仪表有DDZ-IIDDZ-II型仪表、大部分的变型仪表、大部分的变送器以及气动仪表等。送器以及气动仪表等。2.2.整机由数目不等的运算放大器电路以不同整机

29、由数目不等的运算放大器电路以不同形式（主要是串联形式）组装而成。采用运算放形式（主要是串联形式）组装而成。采用运算放大器的仪表都属于这一类构成形式，如大器的仪表都属于这一类构成形式，如DDZ-IIIDDZ-III型系列、型系列、I I系列和系列和EKEK系列仪表等。系列仪表等。 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录42一、采用单个放大器的仪表分析这类仪表一般具有如图所示的典型结构，整个仪这类仪表一般具有如图所示的典型结构，整个仪表可以划分为：输入部分、放大器和反馈部分表可以划分为：输入部分、放大器和反馈部分。 K Ki i输入部分

30、的转换系数；输入部分的转换系数； K K放大器的放大系数；放大器的放大系数； K Kf f反馈部分的反馈系数反馈部分的反馈系数。fiKKKKxy1控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录43当满足当满足KKKKf f11的条件时，的条件时，fiKKxy2.在满足KKf 1的条件时，放大器的净输入趋向于零（ 0）。 特点：特点：.在满足KKf 1的条件时，仪表的输出与输入关系仅取决于输入部分的特性和反馈部分的特性。fiKKKKxy1由于 Z Zi i = DX Z= DX Zf f = =K Kf fy y Z Zi i= Z= Zf

31、f因此 = Z= Zi i -Z-Zf f = 0= 0控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录44分析方法分析方法 1 1、将仪表划分为输入部分、放大器和反馈部分；、将仪表划分为输入部分、放大器和反馈部分； 2 2、对各个部分分析，重点是输入部分和反馈部分；、对各个部分分析，重点是输入部分和反馈部分； 3 3、求出整机输出与输入之间的关系，得整机特性。、求出整机输出与输入之间的关系，得整机特性。比较环节的确定可以从放大器的输入端即比较环节的确定可以从放大器的输入端即 所加位所加位置着手；置着手；取样环节的确定可以从仪表的输出信号回路

32、着手取样环节的确定可以从仪表的输出信号回路着手 。控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录45电动仪表的两种比较方式1.1.串联比较串联比较2.2.并联比较并联比较控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录46电动仪表的两种取样方式1.电流取样2.电压取样控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录47气动仪表的比较环节气动仪表的比较环节主要有：力比较和力矩比较二种方式。力比较是输入力和反馈力作用在比较元件上，力比较是输入

33、力和反馈力作用在比较元件上，其差值使比较元件产生微小的位移；其差值使比较元件产生微小的位移； 力矩比较是输入力矩和反馈力矩作用在作为力矩比较是输入力矩和反馈力矩作用在作为比较元件的杠杆上，其差值使杠杆产生微小的偏比较元件的杠杆上，其差值使杠杆产生微小的偏转。转。 气动仪表的取样方式是将仪表输出气压信号气动仪表的取样方式是将仪表输出气压信号直接引入反馈部分。直接引入反馈部分。 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录48二、采用运算放大器的仪表分析方法二、采用运算放大器的仪表分析方法这类仪表的线路是由若干个运算放大器若干个运算放大器电路

34、组装而成，主要是运算放大器电路以电路组装而成，主要是运算放大器电路以串联形式相联串联形式相联。由于每一个运算放大器电路的输出电阻很小，而输入电阻又都足够大，这样，前、后级运算放大器电路之间相互影响很小。分析这类仪表时，可以把整个仪表线路分成一个个运把整个仪表线路分成一个个运算放大器电路单独地进行分析，最后再综合得到整算放大器电路单独地进行分析，最后再综合得到整机的特性机的特性。控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录49运算放大器的基本知识1 1输入端（输入端（+ +、- -）：）：+ +端为同端为同相输入端，相输入端，- -端为反相

35、输入端。电压端为反相输入端。电压差差U Ud d 的正方向是从同相端到反相端。的正方向是从同相端到反相端。U UT T 为同相端对地（正、负电源的公为同相端对地（正、负电源的公共端）的电压，共端）的电压，U UF F 为反相端对地的为反相端对地的电压。电压。 2 2输出端：输出端：U Uo o 为输出端对地为输出端对地的电压，的电压， 即输出电压。即输出电压。3 3电源端（电源端（U U 、U U- - ）1、运算放大器的引出端、运算放大器的引出端把运算放大器看成是双端输入、单端输出的三端器件。把运算放大器看成是双端输入、单端输出的三端器件。控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页

36、上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录50运算放大器的基本性能. .运算放大器的使用条件运算放大器的使用条件222dcFTFTFUUUUUUU-222dcFTFTTUUUUUUU-为差模输入电压为差模输入电压cUdU为共模输入电压为共模输入电压控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录51 任何一个运算放大器，其允许承受的任何一个运算放大器，其允许承受的 和和 都有一定的限制，制造厂规定了运算放都有一定的限制，制造厂规定了运算放大器的最大差模输入电压（又称大器的最大差模输入电压（又称差模输入范差模输入范围围）和）和 最大共模输

37、入电压（又称最大共模输入电压（又称共模输入范共模输入范围围）。）。 运算放大器的输出电压和电流也都有一运算放大器的输出电压和电流也都有一定的限制，最大输出电压一般比电源电压定的限制，最大输出电压一般比电源电压低低1 12V,2V,最大输出电流一般为最大输出电流一般为5mA5mA或或10mA10mA，在仪表电路中需要输出大电流时，往往采在仪表电路中需要输出大电流时，往往采用三极管进行电流放大。用三极管进行电流放大。cUdU控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录52运算放大器的基本性能运算放大器的基本性能. .运算放大器的基本特征运算放

38、大器的基本特征 理想运算放大器特点：理想运算放大器特点： 1 1输入电阻输入电阻R Ri i=； 2 2输出电阻输出电阻R Ro o=0=0；3 3开环电压增益开环电压增益K Ko o= = ； 4 4失调及其漂移为零。失调及其漂移为零。 dUbTIbFI两条重要的结论：两条重要的结论：1 1差模输入电压为零，即差模输入电压为零，即 = 0 = 0 或或 U UT T = =U UF F 2 2输入端输入电流为零，即输入端输入电流为零，即 = 0 , = 0 = 0 , = 0 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录53运算放大器电

39、路运算放大器电路1.反相端输入 UT = 0 OiFURRRURRRU211212-OiFURRRURRRU211212-12RRUUio-= 0控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录54特点：特点： 1 1输出电压与输入电压成正比，其比输出电压与输入电压成正比，其比例系数为例系数为R R2 2/R/R1 1； 2 2输出与输入极性相反；输出与输入极性相反； 3 3反相端不接地，但反相端不接地，但U UF F =0 =0，故称反相，故称反相端为端为“虚地虚地”； 4 4输入电阻约等于输入回路电阻输入电阻约等于输入回路电阻R R1 1

40、； 5 5输入回路电流输入回路电流I Ii i，全部流经反馈回路，全部流经反馈回路，即即I I f f = = I Ii i 。控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录55. .同相端输入同相端输入 OFURRRU211OiURRRU211121RRUUiO控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录56 特点：特点： 1 1输出电压与输入电压成正比，其比例系数为输出电压与输入电压成正比，其比例系数为（1+R1+R2 2/R/R1 1）；）；2 2输出与输入极性相同；输出与输入极

41、性相同；3 3同相端和反相端存在共模电压同相端和反相端存在共模电压UC = ；4 4输入电阻等于运算放大起本身的共模输入电阻，输入电阻等于运算放大起本身的共模输入电阻，其值很大，通常为其值很大，通常为1 1 500M 500MW W。 iU控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录573.3.差动输入差动输入 4321RRRROiFFURRRURRRU211212iTTURRRU434iFiTOURRURRRRRRU12434121-idiFTOURRUUiRRU1212-如果取则控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页

42、下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录58特点：特点：在满足 电阻匹配条件时，差动输入放大器电路的输出电压仅仅取决于两个输入电压之差U Uidid = = U UiT iT - -U UiFiF ，即这种电路只放大差动信号，不放大共模信号，且与差动信号Uid 成正比，比例系数为R2/R1。输出电压与差动信号极性相同。 在仪表线路中，往往取得R1=R3、R2=R4，形成所谓对称差动运放电路。 运算放大器输入端存在共模电压4321RRRRiTCURRRU434控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录594.电压跟随器 U U0 0

43、= = U Ui i 特点特点：输入电阻高：输入电阻高 输出电阻低输出电阻低 它在仪表电路应用中，起隔离作用它在仪表电路应用中，起隔离作用控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录60单电源供电的运算放大器电路 出于仪表总体设计的需要、便于仪表的安装以及变送器采用二线制等原因，在仪表线路中，一般都采用单电源供电，即由一组+24V电源供电。 运算放大器采用单电源供电后，只影响其本身的使用条件，而并不影响运算放大器电路的运算关系和特性。 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录61

44、单电源供电时运算放大器的使用条件 双电源供电和单电源供电的实质是电位基准问题 2）而单电源供电是以电源负极为基准1）双电源供电，是以正、负电源公共端C为基准控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录62单电源供电时运算放大器的使用条件 、双电源 、单电源控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录63单电源供电时运算放大器的使用条件DDZ-III型等系列仪表的信号范围为1 5V，在24V单电源供电时，显然不能满足共模输入范围的要求。为此，在仪表的电路中，采用电平移动的方法，即另加电

45、平移动电源UB ，以便使UT 和UF 进入共模输入范围以内。 另加电平移动电源UB 之后，运算放大器电路在单电源供电时以UB 为基准的运算关系，跟双电供电时以地（0V）为基准的运算关系，在形式上完全相同。控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录64单电源供电的运算放大电路 为以UB为基准的输出电压 如以地为基准的输出电压为 运算放大器差模输入电压 没有改变 共模电压共模电压（应相对于（应相对于0V0V）如取U UB B作为输入、输出信号的基准作为输入、输出信号的基准idUOUidOURRU12BidBOOUURRUUU12iFiTiF

46、iTidUUUUU-iTBTURRRURRRU434433UC 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录65单电源供电的运算放大电路 24V24V单电源供电的对称差动运算放大器电路，除了一般的差动单电源供电的对称差动运算放大器电路，除了一般的差动运放电路的特点之外，还具有如下两个特点：运放电路的特点之外，还具有如下两个特点：1.1.能实现信号电平的移动。能实现信号电平的移动。U Uo o只取决于只取决于U Uidid，而与输入信号的，而与输入信号的基准无关，同时基准无关，同时U U0 0又是以又是以U UB B为基准，因此能把为基准，因此能把0V0V为基准的输入电为基准的输入电压压U UiTiT、U UiFiF转换为以转换为以U UB B为基准的输出电压为基准的输出电压U Uo o