过程装备与控制工程-第四章 变送器课件

1、第四章过程控制装置1本章概括学习和掌握的主要内容：1.变送器：变送器的在自动控制系统中的作用，差压变送器、温度变送器的类型、工作原理及应用条件。变送器与电源的连接方式。2.调节器：调节器的作用及分类，调节器的调节规律的实现方法，PID调节器的硬件结构，包括PID调节器的组成及原理，气动调节器、电动调节器的工作原理、组成及特点。3.执行器：执行器的作用，气动执行器、电动执行器及电-气转换器及电-气阀门定位器的工作原理、结构组成及调节特性。2 过程控制系统的基本元素 过程控制装置 + 被控对象 过程控制装置的组成环节 测量变送单元 + 调节器 + 执行器 过程控制系统的设计过程 根据过程特性和工艺

2、要求，合理选用过程检测控制装置，并通过PID参数整定，使系统运行在最优状态354.1.1 差压变送器 差压变送器的作用将差压、流量、液位等可统一用压力差来表征的被测参数转换成标准信号 按敏感元件类型不同的分类膜盒式、电容式等6（）气动差压变送器 主要用途 测量液体、气体或蒸汽的压力、差压、流量、液位等物理量 气动差压变送器的工作原理 力平衡原理，将压力信号成比例地转换成 kPa的统一标准气压信号 杠杆系统的三种形式：单杠杆、双杠杆、和矢量机构 敏感元件为膜片或膜盒 7）气动仪表中常用的气动元件与组件气阻气路中的节流元件与电阻的作用相似：降压、限流恒气阻（图4-2） 流通截面积不能调整，气阻值不

3、可改变，常用表示符号变气阻（图4-3） 流通截面积可以调整，气阻值可以随意改变，常用表示符号 8气阻的流量特性 流过气阻的气体流量qv与其两端压力差p间的关系线性气阻和非线性气阻主要区别是流体的流动状态：层流和紊流 线性、非线性气阻与恒、变气阻的实例区别：线性气阻：图4-2(a)、(b)和4-3(a) 非线性气阻：图4-2(c) 和4-3(b) 、(c)气阻的度量气阻值 Rp/qv 1012 节流盲室（图4-5） 一个变气阻和一个气室串联 节流盲室的两种操作：P1P2时对节流盲室充气， P1P2时放气 节流盲室的特性方程：描述了充气过程中气室压力与时间的函数关系 充气过程特性方程 放气过程特性

4、方程 其中T=RC，为时间常数14 节流盲室特性方程的讨论(图4-6) 若输入压力P1为阶跃信号，则气容中的压力P2随时间的变化规律呈指数曲线变化关系 当t=T时， 时间常数T反映了气容中压力P2的变化速度，T越大， P2变化的速度越慢。当C一定时，只要改变R，就可调整P2的变化速度。15 喷嘴-挡板机构 喷嘴-挡板机构的组成（图4-7） 1个恒气阻+1个变气阻+1个气容 喷嘴-挡板机构的作用气动控制元件 把输入的微小位移信号（挡板相对于喷嘴的距离）转换成相应的气压信号输出。 气路中的表示符号16 喷嘴-挡板机构的工作原理 机构输入挡板与喷嘴间距离h（挡板位移） 机构输出喷嘴背压P背 根据式4

5、-5，当挡板发生位移时，变气阻R2变化，而P1恒定，从而使气室背压发生变化。 喷嘴-挡板机构的静特性（图4-8） 输出信号（背压）与输入信号（挡板位移）间的关系，较小范围的线性1718）气动差压变送器 由测量部分和气动转换部分组成（图4-10） 基本工作原理 差压变化膜片位移杠杆作用挡板位移背压变化功率放大输出气压变化2021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，产生输入力 使主杠杆以轴封膜片为支点顺时针偏转,该偏转力矩为偏转使杠杆以力F1沿水平方向推动矢量机构，该力为矢量机构将F1分解成F2和F3，根据力的平行四边形法则，得 F2使矢量机构的推板向上运动，并通过连

6、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23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420mA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 （ 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 的大小。、244.1.2 量程、零点调整和零点迁移（1）量程调整（2）零点迁移（3）零点调整26 电容式差压变送器是没有杠杆机构的变送器。它采用差动电容

7、作为检测元件，整个变送器无机械传动、调整装置，并且测量部分采用全封闭焊接的固体化结构。4.1.3 电容式差压变送器27变送器包括测量部分和转换放大电路两部分。其结构图如下。此电容变化量由电容-电流转换电路转换成直流信号，电流信号与调零信号的代数和同反馈信号进行比较，其差值送入放大电路，经放大得到整机的输出电流Io。28304.1.2 防爆安全栅 生产过程的复杂性，存在许多易燃、易爆的气体、粉尘或其他易燃易爆材料，必须考虑仪器、仪表的防爆安全性 安全火花的概念 火花的能量不足以对其周围可燃介质构成点火源 气动仪表具有本质防爆性，但随着工业的复杂化、大型化的发展对自动化要求的提高，电动仪表和装置逐

8、渐占据统治地位，其现场防爆问题成为技术发展的关键技术之一31防爆基本知识危险场所的划分 爆炸危险场所电气安全规程的规定，两种场所，五个级别爆炸性物质的分类、分级与分组（表4-1）防爆仪表的分类、分级与分组 设备的分类、分级、分组与爆炸性物质的分类、分级、分组方法相同，其等级参数及符号也相同 自动化仪表的防爆结构 隔爆型 “d”；本质安全型 “i” 32331) 隔爆型仪表 隔爆型仪表的特点 所有电路置于有足够强度和密封要求的防爆壳体中，即使因事故产生火花，也不会引起仪表外部物质爆炸 保证隔爆的具体措施 耐压表壳，温升限制，表壳结合面密封措施 隔爆型仪表的弱点 不能在通电运行情况下打开外壳检修调

9、整 不适用于高级别的易燃易爆气体环境342) 本质安全防爆型 本质安全防爆型的定义 在正常和故障状态下，电路及设备产生的火花能量都不足于引起爆炸的防爆类型 本质安全防爆系统构成（图4-26） 两种场所、两种电路 安装在危险场所的本质安全电路及安装在非危险场所的非本质安全电路，两者间采用防爆安全栅隔离3536 本质安全防爆型仪表的保证措施 仪表的防爆性能是靠电路设计来实现和保证：采用低的工作电压和小的工作电流；用防爆安全栅将危险与非危险场所电路隔开；现场和控制室之间仪表的连接导线不得形成过大的分布电感和电容 本质安全防爆型的特点 防爆性能好，理论上适用于一切危险场所；安全性能不随时间而变化；可在

10、线进行维修、调整 本质安全防爆型的铭牌标志 四段标志：ExABC37(4)防爆安全栅 防爆安全栅的作用 放在安全场所的入口处，不会影响仪表的正常工作，只起到防止危险能量由安全场所进入危险场所的作用 齐纳防爆安全栅的工作原理（图4-27） R限制电流 齐纳二极管限制电压 快速熔断丝保护齐纳二极管384.1.3 温度变送器 温度变送器的作用 与各种热电偶或热电阻配合使用，将被测温度线性转换为0-10mA或4-20mA直流电流信号，便于后续处理 温度变送器的三种结构（图4-28） DDZ-III型热电偶温度变送器 热电偶温度变送器的工作原理 利用非线性的反馈回路来抵消热电偶的非线性，以得到整个变送器的线性3940热电偶温度变送器 工作原理41则热电偶输入温度变送器的传递函数为424.1.4 变送器与电源的连接方式 四线制连接电源与信号线分开（图4-33a） 两线制电源电压与4-20mADC输出电流