控制儀表及裝置第03章

1、控制儀表及裝置控制儀表及裝置第三章第三章 運算器和執(zhí)行器運算器和執(zhí)行器 第一節(jié)第一節(jié) 運算器運算器一、乘除器一、乘除器二、開方器二、開方器 第二節(jié)第二節(jié) 執(zhí)行器執(zhí)行器一、電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)一、電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)二、氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)二、氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)三、閥門定位器三、閥門定位器四、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)四、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)五、執(zhí)行器的選型五、執(zhí)行器的選型v 運算器接受來自變送器或轉(zhuǎn)換器的統(tǒng)一運算器接受來自變送器或轉(zhuǎn)換器的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號，可對一個或幾個輸入信號進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)信號，可對一個或幾個輸入信號進(jìn)行加、減、乘、除、開方、平方等多種行加、減、乘、除、開方、平方等多種運算，以實現(xiàn)各種算法，滿足自動檢測運算，以實現(xiàn)各種算法，滿足自動檢測和控制系統(tǒng)

2、的要求。和控制系統(tǒng)的要求。v 本章介紹兩種典型的運算器：本章介紹兩種典型的運算器： 乘除器和開方器乘除器和開方器第一節(jié)第一節(jié) 運算器運算器（一）（一）概述概述一、乘除器一、乘除器可對兩個或三個15V的直流電壓信號進(jìn)行四種運算, 結(jié)果以15V 直流電壓或420mA 直流電流輸出。乘除運算關(guān)系式為：U0 = N(Ui11)(Ui2 + K2)Ui3 + K3+ 1式中： Ui1、Ui2、Ui3 乘除器的輸入信號； U0 乘除器的輸出信號； N 運算系數(shù)； K2、 K3 可調(diào)偏置電壓。另可實現(xiàn)乘后開方、乘法和除法三種運算。對于單向矩形脈沖（圖3-1），其直流分量為：矩形脈沖周期矩形脈沖幅值矩形脈沖寬

3、度直流分量 = 3-1PDmtUUT（）UmTt0tpU圖3-1 單向矩形脈沖乘法運算的實現(xiàn)方法乘法運算的實現(xiàn)方法1 12 21 2 1 2 , PPDmmDtTtSSTUS USk xUk xUkk x x，表征矩形脈沖的高電位與低電位持續(xù)時間的不對稱程度，稱為占空比，用 表示 即，于是設(shè)，則濾波取直流分量，完成乘法運算控制矩形脈沖的寬度（調(diào)寬）控制矩形脈沖的幅值（調(diào)高）調(diào)寬電路k1濾波電路調(diào)高電路k2x1sUDx2M圖3-2 簡單乘法電路方框圖 x2濾波電路調(diào)高電路k2調(diào)寬電路k1SUDM1放大器Kx3調(diào)高電路k3濾波電路xfM2x1圖3-3 乘除器構(gòu)成方框圖乘除器的構(gòu)成原理負(fù)反饋乘除器的

4、構(gòu)成原理負(fù)反饋11121222133331332123323123- 11,fDDfDDxxSKkKk k x xUUk SxKk k xxk SxKk k xk x xUk xkkx xUx當(dāng) ，設(shè)則x2濾波電路調(diào)高電路k2調(diào)寬電路k1SUDM1放大器Kx3調(diào)高電路k3濾波電路xfM2x1111102220333 1 0(-1)(-1)(-1)BiiiUUN UUN UUN U輸入電路的作用： 減 ，電平移動（），輸入電路1N1乘法電路1比較器比例放大電路N0輸出電路輸入電路2N2附加偏置電路1乘法電路2附加偏置電路2輸入電路3N3Ui1Ui2Ui3Uo3+UfSU22Uo2UoU11U31

5、U21U23圖3-4 乘除器方框圖自激振蕩時間分割器U22U11U21/U3122122223133333 (-1)(-1)oPiPoPiPUUUN UUUUUN UU附加偏置電路的作用：提供偏壓23022UNU比例放大電路作用：調(diào)量程23022 1 011BUUoUN U 輸出電路的作用：加電平移動（）功率放大12233(1)()1 iioiUUKUNUK（二）（二）工作原理工作原理U11UFUT+IC1R3C1R1R2R4C2Ui1+UB =UB0.5VUB=10V圖3-5 輸入電路（三）線路分析（三）線路分析輸入電路輸入電路UFUTR26R27Ui2+IC5U02UB1VR29C19R2

6、8R32VZ1R52R53C20R30*8765R31340202343312TRVVVRRTFVV2102pVVV附加偏置電路附加偏置電路13141516R36R33R34R35VBV21Vo2R55R54W6MNP*Vp2-C22+-IC6（a）原理電路自激振蕩時間分割器自激振蕩時間分割器（b）等效電路U11UfU22U21K1K3K4U31R9R6C12C5C7K2abcd+-IC2Q2 22 13 1ppftUUTtUUT112221113111212231fUUUUUUUUUU當(dāng)U11Uf+h Q為正 K1、K3通 K2 、 K4斷 U31通過R6向C7充電 Uf增加 直至Uf U1

7、1 IC2翻轉(zhuǎn) Q為負(fù) K1 、 K3斷 K2 、 K4通 C7通過R6放電 Uf降低 直至Uf U11 Q又為正23022UNU1112p1012p1RRRNRR調(diào)整電位器RP1，可改變N0的大小，借此改變儀表量程。比例放大電路比例放大電路U22UF+IC3U23R10R11R12RP1 將 U23轉(zhuǎn)換成整流輸出信號Uo和Io23231oBpUUUUU輸出電路輸出電路VT5874524vVD3R18R15R16R14C14R13U23UBUp=9vR1741U+IC4開方器對15V直流電壓信號進(jìn)行開方運算, 結(jié)果以15V 直流電壓或420mA 直流電流輸出，運算關(guān)系為：o 11oiiUK U

8、UUK式中開方器的輸入信號開方器的輸出信號開方系數(shù)（一）（一）概述概述二、開方器二、開方器22121212 PK qxKPK K qyKxKK Kqyq 這樣，呈線性關(guān)系開方器在節(jié)流裝置流量測量中的應(yīng)用開方器在節(jié)流裝置流量測量中的應(yīng)用差壓 變送器節(jié)流 裝置開方器指示 記錄儀比例 積算器控制器瞬時流量累計流量qPxy 開方運算的實現(xiàn)開方運算的實現(xiàn)通過改變乘除器信號線的連接方式來實現(xiàn)開方運算或?qū)Τ顺骶€路作適當(dāng)改進(jìn)，也可采用折線逼近和應(yīng)用霍爾元件等方法來實現(xiàn)。小信號切除小信號切除2 y Kdydx由可得xKx可見，x很小時,動態(tài)放大系數(shù)很大，x稍有波動，就會引起輸出y的很大變化，造成開方器在小信號

9、輸入時的較大運算誤差。所以, 在信號小于輸入滿量程的1%時，應(yīng)將輸出信號切除。UiUo輸入電路1N1乘法電路1K2比較器乘法電路2K3+UfSU22U21比例放大電路N2小信號切除電路輸出電路N0U23U23開方運算部分U11圖 3-13 開方器方框圖 （二）（二） 工作原理工作原理 振蕩條件：振蕩條件：23111123232222222 0 4 4 4 2 2 BUUUUVVUVUN UUUV是以為參考的電壓，取上限值，有即U23U21 （4.5V）U11212222181211 BG BG 4.5 2UVUUCBGUV當(dāng)飽和，截止時，即為對的充電電壓。忽略的飽和壓降，則振蕩條件為滿足條件自

10、激振蕩時間分割器的起振條件自激振蕩時間分割器的起振條件 1.041%1.04 3-14iiUVUV（滿量程的），切除；，正常工作電路見圖23221111221231.04 13 1 1.040.60.6iiiiLLUVUN UUN N UUUUVUVUVU切除點的具體當(dāng)時，輸出被切除這時 當(dāng)時值：，所以數(shù)實際的切除值可通過UL來調(diào)整小信號切除電路小信號切除電路開方器的輸入輸出特性開方器的輸入輸出特性v 執(zhí)行器的構(gòu)成：執(zhí)行器的構(gòu)成： 執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生推力或位移的裝置。執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生推力或位移的裝置。 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)直接改變能量或物料輸送量的裝置，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)直接改變能量或物料輸送量的裝置，通常稱為控制閥或調(diào)節(jié)閥

11、。通常稱為控制閥或調(diào)節(jié)閥。v 執(zhí)行器的分類：執(zhí)行器的分類： 氣動、電動和液動氣動、電動和液動第二節(jié)第二節(jié) 執(zhí)行器執(zhí)行器一、電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)一、電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)有角行程和直行程兩種，是以兩相交流電機(jī)為動力的位置伺服機(jī)構(gòu)，它將輸入的直流電流信號線性地轉(zhuǎn)換成位移量。（一）基本結(jié)構(gòu)和工作原理（一）基本結(jié)構(gòu)和工作原理伺服放大器位置發(fā)送器伺服電機(jī)操作器減速器閥位指示放大器執(zhí)行機(jī)構(gòu)420mAIiIf電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)方框圖電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)方框圖090O（二）伺服放大器（二）伺服放大器組成：信號隔離器、綜合放大電路、觸發(fā)電路、固態(tài)繼電器等。信號隔離器采用光電隔離電路，實現(xiàn)信號隔離和電流電壓轉(zhuǎn)換。綜合放大和觸發(fā)電路見

12、圖。作用是將伺服放大器輸出的電功率轉(zhuǎn)換成機(jī)械轉(zhuǎn)矩，并且當(dāng)伺服放大器沒有輸出時，電機(jī)又能可靠地制動。（三）執(zhí)行機(jī)構(gòu)（三）執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成：伺服電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、位置發(fā)送器等。 伺服電機(jī)伺服電機(jī)減速器減速器把伺服電機(jī)高轉(zhuǎn)速、小轉(zhuǎn)矩的輸出功率轉(zhuǎn)換成執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸的低轉(zhuǎn)速、大力矩的輸出功率，以推動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。采用正齒輪和行星齒輪機(jī)構(gòu)相結(jié)合的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)。i ( )z1 擺輪的齒數(shù) z2 內(nèi)齒輪的齒數(shù)行星齒輪機(jī)構(gòu)相結(jié)合的減速比：z2 z1 z1位置發(fā)送器位置發(fā)送器作用：將輸出軸090的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成420mADC直流電流，作為閥位信號和反饋信號。氣氣二、氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)二、氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受電/氣轉(zhuǎn)換器 (或電/氣閥門定

13、位器) 輸出的氣壓信號，將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的輸出力和推桿直位移量，以推動調(diào)節(jié)動作。有薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)和活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)：薄膜式：氣壓推動薄膜并帶動連桿運動, 結(jié)構(gòu)簡單, 動作可靠，維修方便，價格較低，但輸出行程小； 活塞式：氣壓推動活塞并帶動連桿運動，輸出推力大，行程長，但價格較高，只用于特殊需要的場合。v 輸入信號氣體壓力：0.020.1MPav 輸出連桿位移 行程，規(guī)格有：10，16，25，40，60，100mm氣動薄膜式執(zhí)行結(jié)構(gòu)氣動薄膜式執(zhí)行結(jié)構(gòu)有正作用(信號壓力增加時推桿向下動作，ZMA)和反作用(信號壓力增加時推桿向上動作，ZMB)兩種型式。結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)見右圖。 當(dāng)信號壓力通過上膜蓋1和波紋

14、膜片2組成的氣室時，在膜片上產(chǎn)生推力,使推桿5下移并壓縮彈簧 6。當(dāng)彈簧力與膜片推力相平衡時，推桿穩(wěn)定在相應(yīng)的位置上。膜片的有效面積有：200、280、400、630、1000、1600cm2等。靜態(tài)特性靜態(tài)特性在平衡狀態(tài)時，氣動薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的力平衡方程式可表示如下：式中：P1CsAeL = L 推桿位移； Ae 膜片有效面積； P1 輸入壓力； Cs 彈簧剛度。輸入輸出特性見右圖。存在非線性偏差和正反行程偏差。動態(tài)特性動態(tài)特性在動態(tài)情況下，輸入信號管線存在阻力，管線和薄膜氣室近似作為氣容，故執(zhí)行機(jī)構(gòu)可看成一個阻容環(huán)節(jié)，薄膜氣室壓力P1與控制器輸出壓力P0關(guān)系為：RCS+11 = =P1P0

15、TS+11式中 R、C分別為氣阻、氣容，T為時間常數(shù)?？傻每刂破鬏敵鰤毫0與推桿位移L之間的關(guān)系為：(TS+1)CsAe = =LP0TS+1K式中 T為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的放大系數(shù)。三、閥門定位器三、閥門定位器閥門定位器與氣動控制閥配套使用，它接受控制器的輸出信號，成比例地輸出壓力至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，推桿移動后的位移量反饋至定位器，構(gòu)成一閉環(huán)系統(tǒng)。定位器控制器P0氣源位置反饋P1閥門定位器示意圖閥門定位器可增加執(zhí)行器輸出功率，減小信號傳遞滯后，加快閥桿位移速度，提高線性度，克服閥桿摩擦力，保證正確定位。電氣閥門定位器電氣閥門定位器具有電 / 氣轉(zhuǎn)換器和閥門定位器的雙重作用， 它接受電動控制器輸出的420電流

16、信號，成比例地輸出20100kPa(或40200kPa)氣動信號至執(zhí)行機(jī)構(gòu)。組成組成轉(zhuǎn)換組件：永久磁鋼、線圈、杠桿、噴嘴、擋板及調(diào)零裝置等。氣路組件：氣動放大器、氣阻、壓力表、手 - 自動切換閥。反饋組件：反饋彈簧、反饋拉桿、反饋壓板等。接線盒組件：接線盒、端子板及電纜引線等。工作原理工作原理 見下圖應(yīng)用場合應(yīng)用場合推力大，可用于高差壓、大口徑、高壓、高溫、低溫及介質(zhì)中含有固體懸浮物或粘性流體的場合。動作速度快，可用于控制器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)距離較遠(yuǎn)的場合。可用于需分程控制的場合，兩臺定位器由一個控制器操縱，每臺定位器的工作由分程點決定?？筛纳瓶刂崎y的流量特性，通過改變反饋凸輪的幾何形狀，使定位器的輸

17、出特性發(fā)生變化，從而達(dá)到修正流量特性的目的。四、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)四、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)又稱控制閥(或調(diào)節(jié)閥)，是一個局部阻力可變的節(jié)流元件。閥芯移動改變了閥芯 與閥座間的流通面積，即改變 了閥的阻力系數(shù)，使被控介質(zhì) 流量相應(yīng)改變。（一）（一）控制閥結(jié)構(gòu)控制閥結(jié)構(gòu)由上閥蓋、下閥蓋、閥體、閥座、閥芯、閥桿、填料和壓板等構(gòu)成。為適應(yīng)多種使用要求，閥芯和閥體有不同的結(jié)構(gòu)，使用的材料也各不相同。閥的結(jié)構(gòu)型式閥的結(jié)構(gòu)型式v 直通單座閥v 直通雙座閥v 角形閥v 三通閥v 蝶閥v 套筒閥v 偏心旋轉(zhuǎn)閥v 高壓閥閥芯型式閥芯型式有直行程閥芯和角行程閥芯兩類。直行程閥芯又分為：平板型、柱塞型、窗口型和多級閥芯。各種閥芯的型式見下

18、圖。角行程閥芯有偏心旋轉(zhuǎn)型、蝶型和球型。見右。流體對閥芯作用形式：流體對閥芯作用形式：流開閥和流閉閥閥芯的安裝形式：閥芯的安裝形式： 正裝閥和反裝閥（二）（二）控制閥特性控制閥特性控制閥的流量方程：控制閥的流量方程：Q =式中 Q 體積流量，m3/hA 2(P1 P2)P1 、P2 閥前后壓力，100kPa 流體密度，g/cm3 A 閥接口流通面積，cm2 閥阻力系數(shù)，與閥門結(jié)構(gòu)、開度等有關(guān)= 5.09A P在閥口徑一定和P、 不變的情況下，流量Q僅隨阻力系數(shù) 變化。流量系數(shù)流量系數(shù)上式可改寫為：)( KV PQ= KV= 5.09A KV稱為流量系數(shù)，其大小反映了通過閥門的流量，即流通能力的

19、大小。KV與流體性質(zhì)、閥結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，根據(jù)KV值可確定閥門口徑。采用國際單位制時，流量系數(shù)定義為：在閥全開，閥前后壓差為100kPa，流體密度為1g/cm3(5400C的水)時，每小時通過閥門的流量數(shù)(m3)。流量系數(shù)的計算流量系數(shù)的計算：將上式中P的單位取為kPa，可得不可壓縮流體KV值的計算公式為： 10QKV = P在計算流量系數(shù)時，應(yīng)考慮不同流體的影響因素，例如液體的粘度、氣體的壓縮因數(shù)等。流體的流動狀態(tài)也影響KV的大小，當(dāng)閥前后壓差達(dá)到某一臨界值時的阻塞流狀態(tài)，KV計算要引入壓力恢復(fù)系數(shù)、臨界壓差比等。流量系數(shù)的見教材表3-1計算公式,也可參閱控制閥工程設(shè)計手冊?？刂崎y的可調(diào)比控制閥

20、的可調(diào)比控制閥所能控制的最大與最小流量之比。以R 表示。理想可調(diào)比理想可調(diào)比控制閥前后壓差不變時的可調(diào)比： sQmaxR =Qmin=KVmaxKVmin實際可調(diào)比實際可調(diào)比 (考慮閥前后壓差變化時的可調(diào)比)串聯(lián)管道時的可調(diào)比Rr = R= RPminPmax P P1Q令 S =PminPmax并聯(lián)管道時的可調(diào)比令閥全開時的流量與總管最大流量之比：x Q1maxQmin則：Rr =RR (R - 1)x11 x Q1Q P并聯(lián)管道并聯(lián)管道可調(diào)比特性可調(diào)比特性串聯(lián)管道串聯(lián)管道可調(diào)比特性可調(diào)比特性S x RrRr30 30 1.0 1.0 0 0 控制閥的流量特性控制閥的流量特性指介質(zhì)流過控制閥

21、相對流量(與相對位移(Q1maxQmin) 之間的關(guān)系，即：lL) Q1maxQmin= f (lL) 理想流量特性理想流量特性(閥前后壓差不隨閥的開度而變)v 直線特性： Q/Qmax= K ( l/L )+ C v 對數(shù)特性： Q/Qmax= R (l/L-1) v 拋物線特性：Q/Qmax= 1/R 1+( 1) l/L 2 v 快開特性：隨著開度增大, 流量很快達(dá)最大。 各種流量特性及其閥芯形狀如圖所示。1 快開；2 直線；3 拋物線；4 修正拋物線；5 等百分比。工作流量特性工作流量特性(閥前后壓差隨閥的開度而變)串聯(lián)管道時的工作流量特性Qmax表示管道阻力等于零時的閥全開流量。并聯(lián)

22、管道時的工作流量特性v 使理想流量特性發(fā)生畸變, 串聯(lián)管道尤為嚴(yán)重, 放大大系數(shù)隨開度增大而減小, 并聯(lián)管道總比原來小。 v 使控制閥可調(diào)比降低，并聯(lián)管道尤為嚴(yán)重。 v 串聯(lián)管道使總流量減少，并聯(lián)管道則增加。結(jié)論結(jié)論（二）（二）空化作用及其避免空化作用及其避免閃蒸與空化閃蒸與空化閃蒸是液體通過閥節(jié)流后，縮流處靜壓降至低于飽和蒸汽壓時，部分液體汽化成氣液兩相共存的現(xiàn)象。當(dāng)靜壓回升到飽和蒸汽壓以上時，閃蒸形成的氣泡破裂，重新轉(zhuǎn)化為液體，其過程稱為空化?？栈钠茐淖饔茫嚎栈钠茐淖饔茫簱p壞材質(zhì)、振動和噪音空化的避免空化的避免閥前后壓差不大于最大允許壓差 Pc： Pc Kc (P1 P2) P1 、P2分別為閥入口壓力和飽和