第3章3.3过程控制装置及系统设计

第三章过程控制装置李臻峰过程控制装置及系统设计22023/2/4主要内容3.1概述3.2变送器3.3控制器3.4执行器和防爆栅3.1概述为了熟悉控制装置，先复习一下控制系统的组成：过程控制装置及系统设计32023/2/4图

简单控制系统方框图3.4执行器和防爆栅执行器在现代生产过程自动化中起着十分重要作用。它在自动控制系统中接受调节器的控制信号，自动地改变操作变量，达到对被调参数(如温度、压力、液位等)进行调节的目的，使生产过程按预定要求正常进行。过程控制装置及系统设计42023/2/43.4执行器和防爆栅过程控制装置及系统设计52023/2/4气动执行器电动执行器液动执行器液动执行器的特点是输出推力很大，但在化工、炼油等生产过程中基本上不使用。因此，只对气动执行器和电动执行器以及电—气转换器进行介绍。3.4执行器和防爆栅1.气动执行器气动执行器是以压缩空气为能源的执行器。它的主要特点：结构简单，输出推力大、动作可靠、性能稳定、维护方便、价格便宜、本质安全防爆等。它不仅能与气动调节仪表配套使用，而且还可以通过电／气转换器或电／气阀门定位器与电动调节仪表或工业控制计算机配套使用。因此，广泛用于化工、石油、冶金、电力等工业部门。过程控制装置及系统设计62023/2/43.4执行器和防爆栅过程控制装置及系统设计72023/2/4气动执行器由执行机构和控制机构两部分组成3.4执行器和防爆栅过程控制装置及系统设计82023/2/4上部为执行机构，下部为控制机构。执行机构是执行器的推动装置，它按控制信号压力的大小产生相应的推力，推动控制机构动作，所以它是将信号压力的大小转换为阀杆位移的装置。控制机构是执行器的控制部分，它直接与被控介质接触，控制流体的流量，所以它是将阀杆的位移转换为流过阀的流量的装置。3.4执行器和防爆栅1）气动执行机构气动执行机构常用的有薄膜式和活塞式两大类。薄膜式执行机构最为常用，它使用弹性膜片将输入气压转变为对推杆的推力，通过推杆使阀芯产生相应的位移，改变阀的开度。过程控制装置及系统设计92023/2/43.4执行器和防爆栅该机构可以用作一般控制阀的推动装置，组成气动薄膜式执行器，习惯上称为气动薄膜控制阀，其的结构简单、价格便宜、维修方便、应用广泛。

气动活塞式执行机构以气缸内的活塞输出推力，故推力较大，主要适用于大口径、高压降的控制阀或蝶阀的推动装置。

过程控制装置及系统设计102023/2/43.4执行器和防爆栅一个典型的气动薄膜执行机构主要由弹性薄膜、压缩弹簧和推杆组成。气动薄膜执行机构的输出是位移，它与信号压力的关系为过程控制装置及系统设计112023/2/43.4执行器和防爆栅过程控制装置及系统设计122023/2/4式中p——通入气室的信号压力；

A——波纹膜片的有效面积；

K——弹簧的刚度；

L——执行机构的推杆位移当执行机构的规格确定后，A和K便为常数，因此执行机构的位移与信号压力成比例关系。

3.4执行器和防爆栅原理：当信号压力通入薄膜气室时，此压力乘上膜片的有效面积得到推力，使推杆移动，弹簧受压，直到弹簧产生的反作用力与薄膜上的推力相平衡为止。信号压力越大，推力越大，推杆的位移即弹簧的压缩量也就越大。推杆的位移范围就是执行机构的行程。推杆从零走到全行程，阀门就从全开（或全关）到全关（或全开）。

过程控制装置及系统设计132023/2/43.4执行器和防爆栅2）控制（调节）机构控制机构即控制阀，实际上是一个局部阻力可以改变的节流元件。通过阀杆上部与执行机构相连，下部与阀芯相连。由于阀芯在阀体内移动，改变了阀芯与阀座之间的流通面积，即改变了阀的阻力系数，被控介质的流量也就相应地改变，从而达到控制工艺参数的目的。

过程控制装置及系统设计142023/2/43.4执行器和防爆栅根据不同的使用要求，控制阀的结构型式很多，主要包括有:

直通单座控制阀直通双座控制阀角形控制阀三通控制阀隔膜控制阀碟阀、球阀、凸轮挠曲阀、笼式阀等。过程控制装置及系统设计152023/2/43.4执行器和防爆栅过程控制装置及系统设计162023/2/43.4执行器和防爆栅控制阀流量特性控制阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（相对位移）间的关系。即过程控制装置及系统设计172023/2/43.4执行器和防爆栅过程控制装置及系统设计182023/2/4式中:——相对流量

——控制阀在某一开度时的流量

——控制阀在全开时的流量；——控制阀在某一开度时阀芯的行程；——控制阀全开时的行程3.4执行器和防爆栅通过控制阀的流量大小不仅与阀的开度有关，还和前后的压差高低有关。工作在管路中的控制阀，当阀开度改变时，随着流量的变化，阀前后的压差也发生变化。为分析方便，在研究阀的特性时，先把阀前后压差固定为恒值进行研究，然后再考虑阀在管路中的实际情况进行分析。过程控制装置及系统设计192023/2/43.4执行器和防爆栅（1）控制阀的理想流量特性在不考虑控制阀前后压差变化时得到的流量特性称为理想流量特性。它取决于阀芯的形状。过程控制装置及系统设计202023/2/4主要有直线、对数、抛物线及快开等几种。

1-快开2-直线3-抛物线4-对数3.4执行器和防爆栅直线流量特性直线流量特性是指控制阀的相对流量与相对开度成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是常数。用数学式表示为

过程控制装置及系统设计212023/2/4式中K——常数，即控制阀的放大系数。

将上式积分可得式中C——积分常数3.4执行器和防爆栅边界条件为时；时。把边界条件代入上式可分别得：过程控制装置及系统设计222023/2/4R是最大流量与最小流量的比值，称为可调比，又称可调范围。代入式得3.4执行器和防爆栅上式表明与之间呈线性关系，在直角坐标上是一条直线。要注意的是当可调比R不同时，特性曲线在纵坐标上的起点是不同的。为便于分析和计算，假设R=∞，即特性曲线以坐标原点为起点，这时当位移变化10%所引起的流量变化总是10%。但流量变化的相对值是不同的。过程控制装置及系统设计232023/2/43.4执行器和防爆栅为便于分析和计算，假设R=∞，即特性曲线以坐标原点为起点，这时当位移变化10%所引起的流量变化总是10%。但流量变化的相对值是不同的。10%时，50%时，80%时，过程控制装置及系统设计242023/2/43.4执行器和防爆栅可见，在流量小时，流量变化的相对值大；在流量大时，流量变化的相对值小。也就是说，当阀门在小开度时控制作用太强，而在大开度时控制作用太弱，这是不利于控制系统的正常运行的。过程控制装置及系统设计252023/2/43.4执行器和防爆栅从控制系统来讲，当系统处于小负荷时，要克服外界干扰的影响，希望控制阀动作所引起的流量变化量不要太大，以免控制作用太强产生超调，甚至发生振荡。系统处于大负荷时，要克服外界干扰的影响，希望控制阀动作所引起的流量变化量要大一些。以免控制作用微弱而使控制不够灵敏，直线流量特性不能满足以上要求。

过程控制装置及系统设计262023/2/43.4执行器和防爆栅对数流量特性又称等百分比流量特性，是指单位相对行程变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系。即控制阀的放大系数随相对流量的增加而增大。用数学式表示为积分得过程控制装置及系统设计272023/2/43.4执行器和防爆栅将边界条件代入，可得最后得相对开度与相对流量成对数关系。放大系数随行程的增大而增大。在同样的行程变化值下，流量小时，流量变化小，控制平稳缓和；流量大时，流量变化大，控制灵敏有效。

过程控制装置及系统设计282023/2/43.4执行器和防爆栅抛物线流量特性与之间呈抛物线关系，在直角坐标上为一条抛物线。它介于直线特性及对数特性之间，数学表达式为

过程控制装置及系统设计292023/2/43.4执行器和防爆栅快开流量特性

这种流量特性在开度较小时就有较大流量，随开度的增大，流量很快就达到最大，为快开特性。快开特性的阀芯形式是平板形的，用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统。过程控制装置及系统设计302023/2/43.4执行器和防爆栅控制阀的工作流量特性在实际的工艺装置上，控制阀由于和其他阀门、设备、管道等串联或并联，使阀两端的压差随流量变化而变化，这时的流量特性称为工作流量特性。过程控制装置及系统设计312023/2/43.4执行器和防爆栅其结果使控制阀的工作流量特性不同于固有流量特性。串联的阻力越大，流量变化引起的控制阀的压降分配比值变化也越大，特性变化得也越厉害。所以阀的工作流量特性除与阀的结构有关外，还取决于配管情况。过程控制装置及系统设计322023/2/43.4执行器和防爆栅①串联管道工作流量特性

过程控制装置及系统设计332023/2/4表示的是控制阀与工艺设备及管道阻力串联的情况，这是一种最常见的典型情况。

3.4执行器和防爆栅

过程控制装置及系统设计342023/2/4如果总压差恒定，那么当阀开度加大时，随着流量q的增加，设备及管道上的压降将随流量q的平方增加。

3.4执行器和防爆栅过程控制装置及系统设计352023/2/4理想流量特性是直线的阀理想流量特性是对数的阀3.4执行器和防爆栅过程控制装置及系统设计362023/2/4该图纵坐标是相对流量，表示串联管道阻力为零时，阀全开时达到的最大流量。表示存在管道阻力的情况下，阀全开时阀前后最小压差占总压差的百分数。3.4执行器和防爆栅②并联管道工作流量特性控制阀一般都装有旁路，以便手动操作和维护。当生产量提高或控制阀选小了时，只好将旁路阀打开一些，此时就是并联管道的情况。

过程控制装置及系统设计372023/2/43.4执行器和防爆栅过程控制装置及系统设计382023/2/4理想特性为直线型(b)理想特性为等百分比型图并联管道时控制阀的工作特性3.4执行器和防爆栅综合串、并联管道的情况，可得如下结论：a．串、并联管道都会使阀的理想流量特性发生畸变，串联管道的影响尤为严重。b．串、并联管道都会使控制阀的可调范围降低，并联管道尤为严重。c．串联管道使系统总流量减少，并联管道使系统总流量增加。过程控制装置及系统设计392023/2/43.4执行器和防爆栅d．串、并联管道会使控制阀的放大系数减小，即输入信号变化引起的流量变化值减少。串联管道时控制阀若处于大开度，则S值降低对放大系数影响更为严重；并联管道时控制阀若处于小开度，则S值降低对放大系数影响更为严重。过程控制装置及系统设计402023/2/43.4执行器和防爆栅控制阀口径的选择控制阀的口径选择是由控制阀流量系数C值决定的。

过程控制装置及系统设计412023/2/4在给定的行程下，当阀两端压差为100KPa时，流体密度为1g/cm3时，流经控制阀的流体流量（以m3/h表示）控制阀流量系数表示控制阀容量的大小，是表示控制阀流通能力的参数。3.4执行器和防爆栅对于不可压缩的流体，且阀前后压差不太大（即流体为非阻塞流）时，其流量系数C的计算公式为

式中——流体密度，g/cm3；

p1-p2——阀前后的压差，kPa；q——流经阀的流量，m3/h。

从上式可以看出，如果控制阀前后压差保持为100KPa，流经阀的水（1g/cm3）流量Q即为该阀的C值。过程控制装置及系统设计422023/2/43.4执行器和防爆栅2．电动执行器它是以电为能源的执行器，接收来自控制器的0~10mA或4~20mA的直流电流信号，并将其转换成相应的角位移或直行程位移，去操纵阀门、挡板等控制机构，以实现自动控制。过程控制装置及系统设计432023/2/43.4执行器和防爆栅它的主要特点：能源取用方便，信号传输速度快，传送距离远，便于集中控制，停电时执行器保持原位不动，不影响主设备的安全；灵敏度和精度较高；与电动调节仪表配合方便，安装接线简单。缺点是结构复杂、体积较大、推力小、价格贵，平均故障率高于气动执行器。适用于防爆要求不高及缺乏气源和使用数量不太多的场合。过程控制装置及系统设计442023/2/43.4执行器和防爆栅电动执行器有角行程（DKJ型）、直行程（DKZ型）和多转式等类型。几种类型的电动执行机构在电气原理上基本上是相同的，只是减速器不一样。角行程电动执行机构以电动机为动力元件，将输入的直流电流信号转换为相应的角位移（0~90°）这种执行机构适用于操纵蝶阀、挡板之类的旋转式控制阀。过程控制装置及系统设计452023/2/43.4执行器和防爆栅直行程执行机构接收输入的直流电流信号后，使电动机转动，然后经减速器减速并转换为直线位移输出，去操纵单座、双座、三通等各种控制阀和其他直线式控制机构。多转式电动执行机构主要用来开启和关闭闸阀、截止阀等多转式阀门，由于它的电机功率比较大，最大的有几十千瓦，一般多用作就地操作和遥控。过程控制装置及系统设计462023/2/43.4执行器和防爆栅过程控制装置及系统设计472023/2/4上图为电动执行器的主要部分，它主要由伺服放大器(DFC)、电动操作器(DFD)、伺服电动机组成。

3.4执行器和防爆栅过程控制装置及系统设计482023/2/4图伺服放大器框图3.4执行器和防爆栅过程控制装置及系统设计492023/2/4上图为电动执行器的伺服放大器（DFC），它是由前置磁放大器，触发器I和II以及品闸管主回路等组成。伺服放大器有三个输入通道和一个反馈通道，可同时输入三输入信号和一个反馈信号，以满足复杂控制系统的要求。3.4执行器和防爆栅电动执行器的执行机构（DZA）是由两相交流伺服电动机（SM）、位置发送器（WF）和减速器（J）组成。两相伺服电动机是执行机构的动力部分，它具有启动转矩大而启动电流较小的特点。过程控制装置及系统设计502023/2/43.4执行器和防爆栅位置发送器是根据差动变压器的工作原理，利用输出轴的位移改变铁心在差动线圈中的位置，以产生反馈信号和位置信号。由于电动执行器所用电动机转速很高，而执行器输出轴全行程时间需25s，即输出轴转速0.6r/min，因此电动机主输出轴间要有减速器，减速比为1000~1500。过程控制装置及系统设计512023/2/43.4执行器和防爆栅3．电/气转换器及阀门定位器电/气转换器是电动单元组合仪表中的一个转换单元。它能将电动控制系统的标准信号（0~10mA或4~20mA）转换为标准气压信号（0.2×105~1.0×105Pa或0.4×105~2.0×105Pa）。过程控制装置及系统设计522023/2/43.4执行器和防爆栅通过它可以组成电/气混合系统以便发挥各自的优点，扩大其使用范围。它可用来把电动调节器输出信号经转换后用以驱动气动执行器，或将来自各种电动变送器的输出信号经转换后送往气动调节器。过程控制装置及系统设计532023/2/43.4执行器和防爆栅过程控制装置及系统设计542023/2/4图电/气转换器简化原理图1-喷嘴2-挡板3-导磁件4-支点5-平衡锤

6-波纹管7-放大器8-气阻9-调零弹簧3.4执行器和防爆栅过程控制装置及系统设计552023/2/4电/气转换器是基于力矩平衡原理进行工作的。来自变送器或调节器的标准电流信号通过线圈后，产生一个电磁场。此电磁场把可动铁心磁化，并在磁钢的永久磁场作用下产生一电磁力矩，使可动铁心绕支点作逆时针转动。此时固定在可动铁心上的挡板便靠近喷嘴改变喷嘴和挡板之间的距离。3.4执行器和防爆栅过程控制装置及系统设计562023/2/4喷嘴挡板机构是气动仪表中一种最基本的变换和放大环节。它能将挡板对于喷嘴的微小位移灵敏地变换成气压信号。气压信号经过气动功率放大器后产生的输出压力功率增大。此压力反馈到波纹管中，便可在动铁心另一端产生一个反馈力矩，此力矩与线圈产生的电磁力矩相平衡，构成闭环系统。从而达到使输出压力与输入电信号成比例地变化。3.4执行器和防爆栅DDZ—III型电/气转换器按其防爆型式可分为一般型，安全火花型和安全防爆型。它们的输入信号为4～20mA，

输出信号为0.2×105~1.0×105

（大功率0.4×105~2.0×105Pa）

气源压力为1.4×9.81×104Pa（大功率2.4×9.81×104Pa)这种转换可用来直接推动气动执行机构或作较远距离的传送过程控制装置及系统设计572023/2/43.4执行器和防爆栅过程控制装置及系统设计582023/2/4图

电/气阀门定位器1—力矩马达；2—主杠杆；3—平衡弹簧；4—反馈凸轮支点；5—反馈凸轮；6—副杠杆；7—副杠杆支点；8—薄膜执行机构；9—反馈杆；10—滚轮；11—反馈弹簧；12—调零弹簧；13—挡板；14—喷嘴；15—主杠杆支点3.4执行器和防爆栅电气阀门定位器一方面具有电气转换器的作用，可用电动控制器输出的0~10mA或4~20mA信号去操纵气动执行机构；另一方面还具有气动阀门定位器的作用，可以使阀门位置按控制器送来的信号准确定位（即输入信号与阀门位置呈一一对应关系）。同时，改变图中反馈凸轮5的形状或安装位置，还可以改变控制阀的流量特性和实现正、反作用。过程控制装置及系统设计592023/2/43.4执行器和防爆栅动作原理：当信号电流通入力矩马达1的线圈时，它与永久磁钢作用后，对主杠杆2产生一个力矩，于是挡板13靠近喷嘴14，经放大器放大后，送入薄膜气室使杠杆向下移动，并带动反馈杆9绕其支点4转动，连在同一轴上的反馈凸轮也作逆时针方向转动，通过滚轮使副杠杆6绕其支点偏转，拉伸反馈弹簧11。当反馈弹簧对主杠杆的拉力与力矩马达作用在主杠杆上的力两者力矩平衡时，仪表达到平衡状态。此时，一定的信号电流就对应于一定的阀门位置。过程控制装置及系统设计602023/2/43.4执行器和防爆栅【特别提示】1.执行机构选择的主要考虑因素：执行机构选择的主要考虑因素是：①可靠性；②经济性；③动作平稳、足够的输出力矩；④结构简单、维护方便。过程控制装置及系统设计612023/2/43.4执行器和防爆栅2.电动执行机构与气动执行机构的选择比较：（1）气动执行机构简单可靠；老式电动执行机构可靠性差是它过去的一贯弱点，然而在90年代电子式执行机构的发展彻底解决了这一问题，可以在5~10年内免维修，它的可靠性甚至超过了气动执行机构。过程控制装置及系统设计622023/2/43.4执行器和防爆栅（2）驱动源气动执行机构的最大不足就是需别设置气源站，增加了费用；电动阀的驱动源随地可取。（3）价格方面气动执行机构必须附加阀门定位器，再加上气源，其费用与电动阀不相上下（进口电气阀门定位器与进口电子式执行机构价格相当；国产定位器与国产电动执行器不相上下）。过程控制装置及系统设计632023/2/43.4执行器和防爆栅（4）推力和刚度：两者相当。（5）防火防爆：“气动执行机构+电气阀门定位器”略好于电动执行机构。过程控制装置及系统设计642023/2/43.4执行器和防爆栅3.4.2防爆栅在某些生产现场存在着各种易燃、易爆气体或蒸汽，或存在有爆炸性粉尘、易燃纤维等，它们与空气混合或接触即具有爆炸危险，使其周围空间成为具有不同程度爆炸危险的扬所。安装在这种危险场所的现场仪表（如变送器或执行器）如果产生火花，就容易引起燃烧或爆炸。因此，安装在危险场所的现场仪表应具有防爆性能。过程控制装置及系统设计652023/2/43.4执行器和防爆栅气动仪表从本质上说具有防爆性能，过去在石油、化工等工业部门几乎都采用气动仪表。后来，随着工业的大型化、复杂化以及对自动化要求的相应提高，电动仪表和装置占据了绝对的统治地位，这种发展的关键技术之一是现场仪表及整个系统的防爆问题的解决。过程控制装置及系统设计692023/2/43.4执行器和防爆栅1．危险场所我国在1987年公布的《爆炸危险场所电气安全规程》（试行）将爆炸危险场所划分为两种五级。1）第一种场所第一种场所指爆炸性气体或可燃蒸汽与空气混合形成爆炸性气体温合物的场所。按其危险程度的大小分为三个区域等级。过程控制装置及系统设计702023/2/43.4执行器和防爆栅（1）0级区域（0区）：在正常情况下，爆炸性气体混合物连续地、短时间频繁地出现或长时间存在的场所。（2）1级区域（1区）：在正常情况下，爆炸性气体温合物有可能出现的场所。（3）2级区域（2区）：在正常情况下，爆炸性气体混合物不能出现，仅在不正常情况下偶尔短时间出现的场所。过程控制装置及系统设计712023/2/43.4执行器和防爆栅2）第二种场所第二种场所指爆炸性粉尘或易燃纤维与空气混合形成爆炸性混合物的场所。按其危险程度的大小分为二个区域等级。过程控制装置及系统设计722023/2/43.4执行器和防爆栅（1）10级区域（10区）：在正常情况下，爆炸性粉尘或易燃纤维与空气的混合物可能连续地、短时间频繁地出现或长时间存在的场所。（2）11圾区域（11区）：在正常情况下，爆炸性粉尘或易燃纤维与空气的混合物不能出现，仅在不正常情况下偶尔短时间出现的场所。过程控制装置及系统设计732023/2/43.4执行器和防爆栅2．防爆栅的工作原理

防爆栅的种类很多，有电阻式、齐纳式、隔离式等。其中电阻限流式最简单，只在两根电源线（也是信号线）上串联一定的电阻，对进入危险场所的电流作必要的限制。其缺点是正常工作状况下电源电压也受衰减，且防爆定额低，使用范围不大。目前用得最多的防爆栅有：齐纳式防爆栅及隔离式防爆栅。过程控制装置及系统设计742023/2/43.4执行器和防爆栅1）齐纳式防爆栅齐纳式防爆栅利用齐纳二极管的击穿特性进行限压，用电阻进行限流，是一种应用较多的安全单元，其原理线路如图所示。过程控制装置及系统设计752023/2/43.4执行器和防爆栅当输入电压Vi在正常范围（24V）内时，齐纳管VD1、VD2不动作、只有当输入出现过电压，达到齐纳管击穿电压（约28V）时，齐纳管导通，于是大电流流过快速熔断丝F，使熔丝很快熔断，一方面保护齐纳管不致损坏，同时使危险电压与现场隔离。过程控制装置及系统设计762023/2/43.4执行器和防爆栅在熔丝熔断前，防爆栅输出电压Vo不会大于齐纳管VD1的击穿电压VZ，而进入现场的电流被限流电阻R1限制在安全的范围之内。图中为保证限压的可靠性，用了两级齐纳管限压电路。过程控制装置及系统设计772023/2/43.4执行器和防爆栅齐纳安全栅的优点是结构简单、尺寸小、精度高、价格便宜、可靠、通用性高，而且防爆额定电压也可做得很高。齐纳安全栅对其主要构成元件有很高要求。主要要求有：当反向电压超过其击穿电压V0，但不超过其额定功率时，在反向电压除去或降压后应恢复其原有特性；快速熔断丝F在超过其额定电流时应迅速熔断，其熔断时间应不超过齐纳二极管过电流断路时间的1/1000s。过程控制装置及系统设计782023/2/43.4执行器和防爆栅但是这种简单的齐纳式防爆栅合两个不完善的地方。首先，限流电阻R1、R2的存在，对仪表正常范围内的工作仍有影响，这些电阻值取小了起不到限流作用，取大了影响仪表的恒流特性。理想的限流电阻在安全范围内应不起限流作用，即阻值为零；而当电流一旦超出安全范围，其阻值骤增（动态电阻值为无穷大），起强烈的限制作用。显然，用固定电阻来限流是达不到这样的要求的。过程控制装置及系统设计792023/2/43.4执行器和防爆栅这个防爆栅的另一个不足之处是负端需要接地，通常一个信号回路只允许一点接地，若有两点以上接地会造成信号通过大地短路或形成干扰。现在如果在防爆栅上把一个端直接接了地，那么其他地方，如变送器、调节器等就不能再有接地点，这在使用中往往是不可行的。过程控制装置及系统设计802023/2/43.4执行器和防爆栅下图是一种改进型的齐纳式防爆栅。与基本电路相比，在两处做了重要改进：过程控制装置及系统设计812023/2/43.4执行器和防爆栅过程控制装置及系统设计822023/2/4①这里增加了一套由齐纳管VD3、VD4和快速熔断丝F1、F2组成的限压电器，并取消了直接接地点，改为在背靠背连接的齐纳管中点接地。这样，在正常工作范围内，这些齐纳管都不导通，防爆栅是不接地的。在事故情况下，输入出现过电压时，这些齐纳管导通，对输入过电压进行限制，并通过中间接地点，保证两根信号线上分别对地的电压不超过一定的数值。3.4执行器和防爆栅②这里用晶体管限流电路取代基本电路中的固定电阻，可以达到近于理想的限流效果。图3-60中，限流电路用虚线框着，实际装置中为确保安全，用这样完全相同的两套电路串联，这里只画出了其中的一套。这个电路的工作原理是这样的，场效应管VT3工作于零偏压，作为恒流源向晶体管VTl提供足够的基极电流，保证VT1在信号电流为4—20mA的正常范围内处于饱和导通状态。过程控制装置及系统设计832023/2/43.4执行器和防爆栅因此，在正常工作时，防爆栅的电阻很小，信号电流可十分流畅地通过。在事故状态下，如果回路电流超过24mA，则电阻R1上的压降将超过0.6V，于是晶体管VT2导通，使恒流管VT3的电流一部分流向VT2，出于VTl的基极电流被减小，VTl将退出饱和，在集电极-发射极间呈现一定电阻值，起到限流作用。随着回路电流的进一步加大，限流作用也愈加强烈，最终把电流限制在不超过30mA。过程控制装置及系统设计842023/2/43.4执行器和防爆栅这种经过改进的齐纳式防爆栅因对上面提到的两个问题有了较好的解决，在生产上有一定的应用。总的来说，齐纳式防爆栅结构简单，价格便宜，防爆定额可以做得比较高，可靠性也比较好，被认为是防爆栅的一个重要的发展方向。过程控制装置及系统设计852023/2/43.4执行器和防爆栅不过，这种防爆栅要求特殊的快速熔断丝。由于齐纳二极管过载能力低，所以对熔丝的熔断时间和可靠性要求非常高，当电流超过安全值时，要求它能很快熔断。一般要求流过的电流为额定电流10倍时，应在1ms的时间内熔断。这种快速熔断丝的制造有一定难度，对选材和制造工艺有很高的要求。即使满足了这些要求，熔丝的特性仍可能比较分散。由于熔丝是一次性使用的元件，无法进行逐个测试，所以有人认为这种防爆栅的可靠性是不理想的。过程控制装置及系统设计862023/2/43.4执行器和防爆栅2）隔离式防爆栅我国生产的DDZ—III型仪表中，在要求较高的场合，防爆栅采用隔离式的方案，以变压器作为隔离元件，分别将输入、输出和电源电路进行隔离，以防止危险能量直接窜入现场。同时用晶体管限压限流电路，对事故状况下的过电压或过电流作截止式的控制。过程控制装置及系统设计872023/2/43.4执行器和防爆栅DDZ—III型仪表的隔离式防爆栅有两种，一种是和变送器配合使用的检测端防爆栅一种是和执行器配合使用的执行端防爆栅过程控制装置及系统设计882023/2/43.4执行器和防爆栅（1）检测端防爆栅过程控制装置及系统设计892023/2/4图检测防爆栅的框图3.4执行器和防爆栅防爆栅的原理：24V直流电源经直流—交流变换器变成8kHz的交流电压，经变压器T1传递，一路经整流滤波和限压限流电路为变送器提供电源（仍为直流24V），另一路经整流滤波为解调放大器提供电源。过程控制装置及系统设计902023/2/43.4执行器和防爆栅从变送器获得的4—20mA信号电流经限压限流电路进入调制器，被调制成交流后，由变压器T2耦合给解调放大器，经解调后恢复成4—20mA的直流信号，输出给控制室仪表。所以，从信号传送的角度来看，防爆栅是一个传递系数为1的传送器，被传送的信号经过→调制变压器耦合→解调的过程后，照原样送出。这里电源、变送器、控制室仪表之间除磁通联系之外，电路上是互相绝缘的。过程控制装置及系统设计912023/2/43.4执行器和防爆栅检测端防爆栅作为现场变送器与控制室仪表和电源的联系纽带，一方面向变送器提供电源，同时把变送器送来的信号电流经隔离变压器1：1的传送给控制室仪表。在上述传递过程中，依靠双重限压限流电路，使任何情况下输往危险场所的电压和电流不超过30V、30mA（直流），从而确保危险场所的安全。

过程控制装置及系统设计922023/2/43.4执行器和防爆栅过程控制装置及系统设计932023/2/4图3-68检测端防爆栅的简化原理图3.4执行器和防爆栅电源直流交流变换器：它由晶体管VTl、VT2、二极管VD1—VD4和变压器T1等组成。这是一个磁耦合自激多谐振荡器。晶体管限压限流电路：图中防爆栅中为了可靠，串联使用了两套完全相同的限压限流电路，晶体管VT3、VT4、齐纳管VD15等为一套，晶体管VT5、VT6、齐纳管VD16等为另一套。过程控制装置及系统设计942023/2/43.4执行器和防爆栅为叙述方便，图中画出了其中的一套。晶体管VT4和变送器串联，执行限压限流动作。VT4的基极电路被晶体管化控制，在正常工作中VT3是不通的，VT4由电容C3两端的整流滤波电压经电阻R7取得足够的基极电流，处于饱和导通状态，变送器的4～20mA信号电流可十分流场地通过限压限流电路。过程控制装置及系统设计952023/2/43.4执行器和防爆栅看一下晶体管VT3的基极—发射极电路便可发现，如果电阻R5、R6上的压降超过0.6V，VT3开始导通，使晶体管VT4的基极电流减小。过程控制装置及系统设计962023/2/4图3-69限压限流电路3.4执行器和防爆栅若VT3的电流很大，则经过R7的电流将大部分或全部通过VT3又，而不流入VT4的基极，使晶体管VT4退出饱和，进入放大或截止区。过程控制装置及系统设计972023/2/4图3-69限压限流电路3.4执行器和防爆栅电路出现这种情况的原因有如下两种：①电源出现过电压：图中齐纳管VD15的击穿电压约为30V。如果滤波电容C4上的整流电压超过30V，则齐纳管VD15导通，经电阻R4向晶体管VT3的基极提供电流，VT3导通且夺取VT4的基极电流，使VT4趋于关断，送往现场的电压UAB减小，起到限制电压的作用。过程控制装置及系统设计982023/2/4图3-69限压限流电路3.4执行器和防爆栅②变送器出现过电流：图中电阻R6上信号电流在20mA的正常范围内时压降不超过0.6V，另外由于电阻R5（18kΩ)的存在，R6上的压降即使稍微超过0.6V，VT3也不会充分导通。过程控制装置及系统设计992023/2/4图3-69限压限流电路3.4执行器和防爆栅如果变送器电流超过25mA左右时，R6上的压降将逐渐使VT3又充分导通，夺取VT4的基极电流，使VT4发挥作用，把流入现场的电流限制在30mA以内。过程控制装置及系统设计1002023/2/4图3-69限压限流电路3.4执行器和防爆栅过程控制装置及系统设计1012023/2/4上述限压限流电路的特性如图3-70所示。当滤波电容C4的整流电压UC4小于30V时，输出电压UAB＝UC4，晶体管VT4不起任何限压作用3.4执行器和防爆栅过程控制装置及系统设计1022023/2/4但UC4＞30V时，VT4很快趋于关断,随着UC4的增大，UAB很快降为零。同理，电路的限流作用也是通过晶体管VT4使输出电压UAB降低来实现的。3.4执行器和防爆栅这里需要说明的是，上页图中限压限流晶体管VT4、VT6的耐压必须足够高。因为当电源出现过电压时，VT4、VT6都处于关断状态，这样全部过电压都加在这两个晶体管上。过程控制装置及系统设计1032023/2/43.4执行器和防爆栅DDZ—III型仪表防爆栅的防爆定额为交直流220V，当这样高的事故电压加在防爆栅的电源端时，实验测得的变压器T1副边最大峰值电压约为100V（按原副边匝数比要超过220V，但由于铁氧体磁心饱和，输出电压没有那样高）过程控制装置及系统设计1042023/2/43.4执行器和防爆栅为了安全，设计时按220V直接加到限压限流电路输入端考虑；再留一些裕量，这些晶体管的反向击穿电压VCBO加取350V。与限压限流电路串联的二极管VD17、VD18是为防止电压反向而设置的。过程控制装置及系统设计1052023/2/43.4执行器和防爆栅

调制和解调放大部分：过程控制装置及系统设计1062023/2/4图3-71调制和解调放大电路二线制变送器的电源是靠二极管VD9、VD10、VD13、VD14全波整流供给的。3.4执行器和防爆栅过程控制装置及系统设计1072023/2/4由于VD13和VD14是在电源正负半波交替工作的，因此将变压器B2初级线圈的上下两半分别接入这两个二极管支路中时，在VD13、VD14的开关作用下，变送器的4—20mA直流信号电流将交替地进入变压器初级线圈的上下两部分，使其次级出现方波电压。

这里，变压器T2