《过程装备控制技术及应用》课程教学资源（教案讲义）第四章 过程控制装置

过程装备控制技术及应用教案 2a9d840847424cedb907ec759bb41001.doc过程控制装置 第1页共 第四章过程控制装置 过程控制系统基本要素:过程控制装置与被控对象 过程控制装置必须由测量变送单元、调节器,执行器三个环节组成 4.1变送器 变送器是单元组合仪表中不可缺少的基本单元之一。工业生产过程中,在测量元件将压力、温度、 流量、液位等参数检测出来后,需要由变送器将测量元件的信号转换成一定的标准信号,送至显示仪表 或调节仪表进行显示、记录或调节。 分类 根据变送参数不同可分为:压力、差压、温度、流量、液位变送器等: 根据变送器驱动能源的不同可分为:气动、电动变送器 变送器的理想输入、输出特性成线性 4.1.1差压变送器 差压变送器用来将差压、流量、液位等被测参数转换成统一标准信号,并将此统一信号输出送给指 示、记录仪表或调节器等,以实现对上述参数的显示、记录和调节。 (1)气动差压变送器 动差压变送器主要利用了力平衡原理,其敏感元件为膜片或膜盒,主要用于测量液体、气体或蒸汽 的压力、差压、流量、液位等物理量。 气动差压变送器可将压力信号成比例地转换成20-100KPa的统一标准压力信号,送往气动单元组 合仪表的调节器或显示仪表进行调节、指示和记录 其杠杆系统形式有三种:单杠杆、双杠杆与失量机构。 ①气动元件及组件 常用的气动元件有气阻、气容。常见的组件有阻容耦合组件,喷嘴一挡板机构、功率放大器等。 气阻:气体流过节流元件时,会受到一定的阻力,这种节流元件叫气阻。其作用是降压和限流 气阻按其结构特点可分为恒气阻和变气阻两类 恒气阻结构有三种:毛细管式、缝隙式和薄壁小孔式,其用符号或表示。 变气阻结构(常见):圆锥一圆锥型、圆柱一圆锥、球圆锥型。其用符号表示。 气阻流量特性指流过气阻的气体流量与其两端压力差之间的关系。根据流量与压差之间关系可分为 线性及非线性气阻。气流状态分别为层流和紊流。 气阻对气体流动阻碍的程度,一般用气阻值R来定量表示。线性气阻的气阻值R=AP/q 气容:凡是在气路中能贮存或释放出气体的气室称为气容。其作用是在气动仪表中起缘冲、防止振 荡作用,与电容在电路中的充放电作用相类似。用气容C来定量表示气室贮存空气量的能力 所谓气容是指改变单位压力所需要的气体积流量C=jt/P 气容分为固定气容和弹性气容两种 阻容耦合组件:通常有节流通室和节流盲室。 节流通室:是由变气阻,流通气室与恒气阻串联而成的组件。 单位时间为流过气阻R的气体质量流量qm1,必定等于单位时间内流过气阻R2的质量流量qm2

过程装备控制技术及应用教案 2a9d840847424cedb907ec759bb41001.doc 过程控制装置 第 1 页 共 19 页 第四章 过程控制装置 过程控制系统基本要素：过程控制装置与被控对象。 过程控制装置必须由测量变送单元、调节器，执行器三个环节组成。 4.1 变送器 变送器是单元组合仪表中不可缺少的基本单元之一。工业生产过程中，在测量元件将压力、温度、 流量、液位等参数检测出来后，需要由变送器将测量元件的信号转换成一定的标准信号，送至显示仪表 或调节仪表进行显示、记录或调节。 分类： 根据变送参数不同可分为：压力、差压、温度、流量、液位变送器等； 根据变送器驱动能源的不同可分为：气动、电动变送器。 变送器的理想输入、输出特性成线性。 4.1.1 差压变送器 差压变送器用来将差压、流量、液位等被测参数转换成统一标准信号，并将此统一信号输出送给指 示、记录仪表或调节器等，以实现对上述参数的显示、记录和调节。 （1）气动差压变送器 动差压变送器主要利用了力平衡原理，其敏感元件为膜片或膜盒，主要用于测量液体、气体或蒸汽 的压力、差压、流量、液位等物理量。 气动差压变送器可将压力信号成比例地转换成 20—100KPa 的统一标准压力信号，送往气动单元组 合仪表的调节器或显示仪表进行调节、指示和记录。 其杠杆系统形式有三种：单杠杆、双杠杆与失量机构。 ①气动元件及组件 常用的气动元件有气阻、气容。常见的组件有阻容耦合组件，喷嘴—挡板机构、功率放大器等。 气阻：气体流过节流元件时，会受到一定的阻力，这种节流元件叫气阻。其作用是降压和限流。 气阻按其结构特点可分为恒气阻和变气阻两类。 恒气阻结构有三种：毛细管式、缝隙式和薄壁小孔式，其用符号 或 表示。 变气阻结构（常见）：圆锥—圆锥型、圆柱—圆锥、球圆锥型。其用符号 表示。 气阻流量特性指流过气阻的气体流量与其两端压力差之间的关系。根据流量与压差之间关系可分为 线性及非线性气阻。气流状态分别为层流和紊流。 气阻对气体流动阻碍的程度，一般用气阻值 R 来定量表示。线性气阻的气阻值 R P qv =  / 气容：凡是在气路中能贮存或释放出气体的气室称为气容。其作用是在气动仪表中起缘冲、防止振 荡作用，与电容在电路中的充放电作用相类似。用气容 C 来定量表示气室贮存空气量的能力。 所谓气容是指改变单位压力所需要的气体体积流量 C qvdt dP  = 气容分为固定气容和弹性气容两种。 阻容耦合组件：通常有节流通室和节流盲室。 节流通室：是由变气阻，流通气室与恒气阻串联而成的组件。 单位时间为流过气阻 R1 的气体质量流量 m1 q ，必定等于单位时间内流过气阻 R2 的质量流量 m2 q ：

过程装备控制技术及应用教案 2a9d840847424cedb907ec759bb41001.doc过程控制装置 第2页共 R2 P-P P-P R 假设P3通大气,即P0(表压)=0 则B=R2 P=KP R+r 式中K=R为比例系数 R1+R2 节流盲室:由一个变气阻和一个气室串联在一起所构成的组件称为节流盲室 若R为线性变气阻,则 P-P R 根据气容的定义式得 q dt 所以 P-P 2=C g即R R dP +p=p 令RC=T,则 P=P 假设P为定值,并令P1=0,则 P 该式即为节流音室的特性方程 放过程的特性方程:P2=P 结论: ①若P为阶跃信号,则P2呈指数曲线变化,P2先快后慢,1→∞时,B=B2

过程装备控制技术及应用教案 2a9d840847424cedb907ec759bb41001.doc 过程控制装置 第 2 页 共 19 页   2 2 3 1 1 2 1 2 R P P q R P P qm m − = = − = 即 2 2 3 1 1 2 R P P R P P − = − 假设 P3 通大气，即 P0（表压）＝0 则 1 1 1 2 2 2 P KP R R R P = + = 式中 1 2 2 R R R K + = 为比例系数 节流盲室：由一个变气阻和一个气室串联在一起所构成的组件称为节流盲室。 若 R 为线性变气阻，则 R P P qv 1 − 2 = 根据气容的定义式得 dt dP qv C 2 = 所以 dt dP C R P P qv 1 2 2 = − = 即 2 1 2 P P dt dP RC + = 令 RC =T ，则 2 1 2 P P dt dP T + = 假设 P1 为定值，并令 0 0 2 = t = P ，则 ( ) t T P P e / 2 1 1 − = − 该式即为节流音室的特性方程 放过程的特性方程： t T P Pe / 2 1 − = 结论： ①若 P 为阶跃信号，则 P2 呈指数曲线变化，P2 先快后慢， t →  时， P1 = P2

过程装备控制技术及应用教案 2a9d840847424cedb907ec759bb41001.doc过程控制装置 第3页共 ②当tT时,P2=P(1-e-)=0632P1。T=RC叫做时间常数,它在数值上等于当P1为阶跃变化时,P2 上升到0632P1时所需的时间。 ③T反映了P2的变化速度,T越大,表示P2变化速度越慢。因为T=RC所以当C一定时只要改变R 就可调整P2的变化速度。 喷嘴一挡板机构:它是由喷嘴和挡板构成的变气阻、一个恒气阻和一个气容串联而成的节流通室, 其作用是把输入的微小位移信号转换成相应的气压信号输出,在气路中用符号→表示。 喷嘴一挡板机构的输出信号(P)与输入信号(挡板位移h)之间的关系,即为喷嘴一挡板机构的 静特性。h与为非线性关系,因此喷嘴挡板机构一般工作在中间区段(相当于P为0.0250.13MPa) 功率放大器:气动功率是指气体压力与流量的乘积。功率放大器的作用就是将气动信号进行流量和 压力的放大。功率放大器一般用符号 表示 按结构原理,功率放大可分为两类:力平衡式和节流式。以节流式功率放大器为例讲述其工作原理 ②气功差压变送器 由测量部分和气动转换部分组成。 以单杠杆式气动差压变送器为例讲述其工作原理 输入转换部分:其作用是把被测差压△P转换成为作用于主杠杆下端的输入力F。它由轴封膜片 敏感元件(膜盒或膜片)、C型簧片、基座以及主杠杆组成 正、负压室的被测压力P1、P2作用于膜盒两侧,膜盒将感测到的差压按一定比例转换成相应的输入 力F1 F=PA-PA 制造时A1=A2=A F=(P-B)A=△PA E与△P为线性关系。 变送器的静特性 单杠杆气动差压变送器方框图 以上方框图可简化为 由该方框图可得P与△P的关系: M=AP·41,M=42,△MlkC=P 又因为

过程装备控制技术及应用教案 2a9d840847424cedb907ec759bb41001.doc 过程控制装置 第 3 页 共 19 页 ②当 t=T 时，P2=P1(1-e -1 )=0.632P1。T=RC 叫做时间常数，它在数值上等于当 P1 为阶跃变化时，P2 上升到 0.632 P1 时所需的时间。 ③T 反映了 P2 的变化速度，T 越大，表示 P2 变化速度越慢。因为 T=RC 所以当 C 一定时只要改变 R 就可调整 P2 的变化速度。 喷嘴—挡板机构：它是由喷嘴和挡板构成的变气阻、一个恒气阻和一个气容串联而成的节流通室， 其作用是把输入的微小位移信号转换成相应的气压信号输出，在气路中用符号 | 表示。 喷嘴—挡板机构的输出信号（ P背 ）与输入信号（挡板位移 h）之间的关系，即为喷嘴—挡板机构的 静特性。h 与 P背 为非线性关系，因此喷嘴挡板机构一般工作在中间区段（相当于 P背 为 0.025~0.13MPa） 功率放大器：气动功率是指气体压力与流量的乘积。功率放大器的作用就是将气动信号进行流量和 压力的放大。功率放大器一般用符号 表示。 按结构原理，功率放大可分为两类：力平衡式和节流式。以节流式功率放大器为例讲述其工作原理。 ②气功差压变送器 由测量部分和气动转换部分组成。 以单杠杆式气动差压变送器为例讲述其工作原理。 输入转换部分：其作用是把被测差压 Pi 转换成为作用于主杠杆下端的输入力 Fi 。它由轴封膜片、 敏感元件（膜盒或膜片）、C 型簧片、基座以及主杠杆组成。 正、负压室的被测压力 P1、P2 作用于膜盒两侧，膜盒将感测到的差压按一定比例转换成相应的输入 力 F1： Fi = P1A1 − P2A2 制造时 A1 = A2 = Ad 故 ( ) Fi = P1 − P2 Ad = PiAd Fi 与 Pi 为线性关系。 变送器的静特性 单杠杆气动差压变送器方框图 以上方框图可简化为 由该方框图可得 Po 与 Pi 的关系： 1 M P A l i i d =   ， 2 M P A l f = o b ， C Po M l 3 k / = 又因为

过程装备控制技术及应用教案 2a9d840847424cedb907ec759b641001.doc过程控制装置 第4页共 △M=M-M 所以 P C APA, 1-PA4 P A,47k/C AP 1+13,/C 1+Kp 当满足KB>1时, P_441 △PAl2 K一单杠杆式气动差压变送器的转换系数 a、当KB>>1时,变送器的整机静特性取决于输入转换部分和反馈部分的持性,要保证变送器的 精度,必须要求Ky为常做 KβB值越大变送器精度就愈高,反之愈低。提高放大器的放大倍数K可以提高仪表精度。但不 宜提高过多,否则变送器输出易产生振荡现象。 c、改变比例系数K可改变变送器的量程范围,而K是由A、A、4、l2决定的。量程调整的 目的是使变送器输出信号的上限值与测量范围的上限值相对应 变送器的零点调整和零点迁移是通过调零弹簧和零点迁移弹簧进行的。未加零点迁移弹簧的情况 其方框图为: 加调零信号后单杠杆气动差压变送器方框图 零件过移机构:在实际应用中,差压的测量范围不一定从零开始,有时有一不为零的起始值。 调零点的迁移不改变仪表的量程。 变送器中进行零点迁移,同时调整仪表量程,可提高仪表的测量精度和灵敏度 已知被测参数的波动范围为4000~5000Pa,若零点不迁移,需选择量移为0-5000Pa的变送器,对 应输出为20-100KPa。若零点迁移,可选下限为4000Pa、上限为5000Pa的变送器,其量程为1000Pa 若变送器精度同为1.0级,不迁移时 基本误差为:5000×1%=50Pa

过程装备控制技术及应用教案 2a9d840847424cedb907ec759bb41001.doc 过程控制装置 第 4 页 共 19 页 M = Mi − M f 所以 1 2 3 PA l P A l l k P C i d o b o =  −  即 K KD l kAl C A l l k C P P b d i o + = + =  1 / 1 / 3 2 1 3 当满足 K 1 时， sp b d i o K A l A l P P = =  2 1 Ksp —单杠杆式气动差压变送器的转换系数。 讨论： a、当 K 1 时，变送器的整机静特性取决于输入转换部分和反馈部分的持性，要保证变送器的 精度，必须要求 Ksp 为常做。 b、 K 值越大变送器精度就愈高，反之愈低。提高放大器的放大倍数 K 可以提高仪表精度。但不 宜提高过多，否则变送器输出易产生振荡现象。 c、改变比例系数 Ksp 可改变变送器的量程范围，而 Ksp 是由 Ad 、 Ab 、 1 l 、 2 l 决定的。量程调整的 目的是使变送器输出信号的上限值与测量范围的上限值相对应。 变送器的零点调整和零点迁移是通过调零弹簧和零点迁移弹簧进行的。未加零点迁移弹簧的情况， 其方框图为： 加调零信号后单杠杆气动差压变送器方框图 零件过移机构：在实际应用中，差压的测量范围不一定从零开始，有时有一不为零的起始值。 调零点的迁移不改变仪表的量程。 变送器中进行零点迁移，同时调整仪表量程，可提高仪表的测量精度和灵敏度。 已知被测参数的波动范围为 4000~5000Pa，若零点不迁移，需选择量移为 0~5000Pa 的变送器，对 应输出为 20~100 KPa。若零点迁移，可选下限为 4000Pa、上限为 5000Pa 的变送器，其量程为 1000Pa， 若变送器精度同为 1.0 级，不迁移时 基本误差为： 50001% = 50 Pa

过程装备控制技术及应用教案 2a9d840847424cedb907ec759bb41001.doc过程控制装置 第5页共 仪表灵敏度:20)80KF 500 000Pa 迁移后 基本误并为:1000×19%=10Pa 仪表灵敏度为:0020)280KPa 1000Pa 迁移后测量精度和灵敏度均提高5倍 零点调整:通过调零弹簧进行。旋动调零螺钉改变副杠杆位移,即改变差动变送器调零弹簧到主 杠杆的距离来改变仪表的零位 (2)电的动差压变送器 电动差压变送器能将压力信号AP;成比例地转换成0~10mA(DDZⅡ型)或420mA(DDZⅢ型) 直流电流统一标准信号,送往调节器或显示仪表进行指示、记录和调节。 下面以DDZⅢ型差压变送器为例进行分析。 DDZⅢ型差压变送器是两线制安全火花型变送器,主要用于测量液体、气体或蒸汽的差压、流量 液位、相对密度等物理量 参照教材P18图4-16讲解其工作原理结构 ①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,敏感元件将差压转换为作用在主杠杆 下端下的输入力F=△P·A,使主杠杆以轴封膜片为支点顺时针偏转该偏转力矩为M=F·l,偏 转使杠杆以力F1设水平方向推动矢量机构,该力为F=F·1/2。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=1g0.F。F2使矢量机构的推板向上运动,并通过连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M=F2·l。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4-20mA直流电流I,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F=K。(K 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M,、M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L便反映了所测差压 △P的大小。 DDZⅢ型差压变送器的整机方框图。 K。称为矩量机构电动差压变送器的转换系数 上式说明,在量程一定时,变送器的输出电流与输入信号之间呈线性关系 ②电磁反馈装置

过程装备控制技术及应用教案 2a9d840847424cedb907ec759bb41001.doc 过程控制装置 第 5 页 共 19 页 仪表灵敏度： ( ) Pa KPa 5000 80 5000 100 20 = − 迁移后 基本误并为： 10001% =10 Pa 仪表灵敏度为： ( ) Pa KPa 1000 80 1000 100 20 = − 迁移后测量精度和灵敏度均提高 5 倍。 零点调整：通过调零弹簧进行。旋动调零螺钉改变副杠杆位移，即改变差动变送器调零弹簧到主 杠杆的距离来改变仪表的零位。 （2）电的动差压变送器 电动差压变送器能将压力信号 Pi ；成比例地转换成 0~10mA(DDZⅡ型)或 4~20mA(DDZⅢ型) 直流电流统一标准信号，送往调节器或显示仪表进行指示、记录和调节。 下面以 DDZⅢ型差压变送器为例进行分析。 DDZⅢ型差压变送器是两线制安全火花型变送器，主要用于测量液体、气体或蒸汽的差压、流量 液位、相对密度等物理量。 参照教材 P181 图 4-16 讲解其工作原理结构 ①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，敏感元件将差压转换为作用在主杠杆 下端下的输入力 Fi Pi Ad =   ，使主杠杆以轴封膜片为支点顺时针偏转,该偏转力矩为 1 M F l i i =  ，偏 转使杠杆以力 F1 设水平方向推动矢量机构，该力为 1 1 2 F F l /l i =  。矢量机构将 F1 分解成 F2和 F3，根据 力的平行四边形法则，得 2 F1 F = tg  。F2 使矢量机构的推板向上运动，并通过连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 2 3 M F l i =  。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 4~20mA 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 f f o F = K I （ K f — 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 Mi 、M f 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 Pi 的大小。 DDZⅢ型差压变送器的整机方框图。 Kac 称为矩量机构电动差压变送器的转换系数。 上式说明，在量程一定时，变送器的输出电流与输入信号之间呈线性关系。 ②电磁反馈装置

过程装备控制技术及应用教案 2a9d840847424cedb907ec759bb41001.doc过程控制装置 第6页共 1首先说明何为反馈、正反馈、分应馈 2第二陈述电动差压变送器的电磁反馈装置的作用:把变送器的输出电流I转换成电磁反馈力 3第三讲述电磁反馈装置的结构(参照教材P图417)及工作原量。得出反馈力F的计算公式: F=zBDW。×10=K ③矩量机构 1、组成:由厚金属板及可挠曲的弹性片组成,其传动比用1g表示 2、工作原理:矩量板的A、C两端经弹性板固定在基座上,斜角为θ。U型板中央有一I型芯板, 其两端分别用弹性板固定在U型板和水平推板上。当力F1作用在水平推板上时,B端对I型芯 板施加倾斜拉力F3,同时出现向上的力F2:F2=F1gb。 ④低频位移检测放大器 它是个位移一电流转换器。它在整机中的作用最将副杠杆上的位移检测片的微小位移S转换成 4~20mA的直流电流输出 组成:差动变压器、低频振荡器、整流滤波电路及功率放大器所组成。 各个组成部分的结构及工作原理不做要求,可自学 4.1.2防安全栅 概念:安全火花是指该火花的能量不足以对其周围介质构成点火源。 (1)危险场所的划分 按照中国1987年公布的《爆炸危险场所电气安全规程》的规定,将爆炸危险场所为两咱场所五个 级别。 ①第一场所:指爆炸性气体或可燃蒸气与空气混合形成爆炸性气体混合物的场所 0级压域:指在正常情况下,爆炸性气体混合物连续、短时间频繁出现或长时间存在的场所 1级压域:指在正常情况下,爆炸性气体混合物有可能出现的场所 2级压域:指在正常情况下,爆炸性气体混合物不能出现,而仅在非正常情况下偶尔短时间出现 的场所 ②第二场所:指爆炸性粉尘或易燃纤维与空气混合形成爆炸混合物的场所。 10级应域:指在正常情况下,爆炸性粉尘或易燃纤维与空气的混合物可能连续地频繁出现或长时 间有 存在的场所。 ll级应域:指在正常情况下,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 (2)爆炸性物质的分类、分级与分组 ①分类 Ⅰ类物质:矿井甲烷 Ⅱ类物质:爆炸性气体、可燃蒸气 Ⅲ类物质:爆炸性粉尘、易燃纤维 ②分级与分组 爆炸性气体的分级与分组(Ⅰ、Ⅱ类):在标准试验条件下,按照其最大试验安全间隙和最小引爆 电流比分级,按其引燃温度值分组(见教材P181表4-1) 爆炸性粉尘和易燃纤维的分级与分组(Ⅲ类):按物理性质分级、按其自燃温度分组

过程装备控制技术及应用教案 2a9d840847424cedb907ec759bb41001.doc 过程控制装置 第 6 页 共 19 页 1 首先说明何为反馈、正反馈、分应馈； 2 第二陈述电动差压变送器的电磁反馈装置的作用：把变送器的输出电流 Io 转换成电磁反馈力 Ff 。 3 第三讲述电磁反馈装置的结构（参照教材 P182图 4-17）及工作原量。得出反馈力 Ff 的计算公式： f c o f o F = BD WI  = K I −6  10 ③矩量机构 1、组成：由厚金属板及可挠曲的弹性片组成，其传动比用 tg 表示。 2、工作原理：矩量板的 A、C 两端经弹性板固定在基座上，斜角为  。U 型板中央有一 I 型芯板， 其两端分别用弹性板固定在 U 型板和水平推板上。当力 F1 作用在水平推板上时，B 端对 I 型芯 板施加倾斜拉力 F3，同时出现向上的力 F2 ： F2 = F1 tg 。 ④低频位移检测放大器 它是个位移—电流转换器。它在整机中的作用最将副杠杆上的位移检测片的微小位移 S 转换成 4~20mA 的直流电流输出。 组成：差动变压器、低频振荡器、整流滤波电路及功率放大器所组成。 各个组成部分的结构及工作原理不做要求，可自学。 4.1.2 防安全栅 概念：安全火花是指该火花的能量不足以对其周围介质构成点火源。 （1）危险场所的划分 按照中国 1987 年公布的《爆炸危险场所电气安全规程》的规定，将爆炸危险场所为两咱场所五个 级别。 ①第一场所：指爆炸性气体或可燃蒸气与空气混合形成爆炸性气体混合物的场所。 0 级压域：指在正常情况下，爆炸性气体混合物连续、短时间频繁出现或长时间存在的场所。 1 级压域：指在正常情况下，爆炸性气体混合物有可能出现的场所 2 级压域：指在正常情况下，爆炸性气体混合物不能出现，而仅在非正常情况下偶尔短时间出现 的场所 ②第二场所：指爆炸性粉尘或易燃纤维与空气混合形成爆炸混合物的场所。 10 级应域：指在正常情况下，爆炸性粉尘或易燃纤维与空气的混合物可能连续地频繁出现或长时 间存在的场所。 11 级应域：指在正常情况下，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。 （2）爆炸性物质的分类、分级与分组 ①分类 Ⅰ类物质：矿井甲烷； Ⅱ类物质：爆炸性气体、可燃蒸气； Ⅲ类物质：爆炸性粉尘、易燃纤维。 ②分级与分组 爆炸性气体的分级与分组（Ⅰ、Ⅱ类）：在标准试验条件下，按照其最大试验安全间隙和最小引爆 电流比分级，按其引燃温度值分组（见教材 P181 表 4-1）。 爆炸性粉尘和易燃纤维的分级与分组（Ⅲ类）：按物理性质分级、按其自燃温度分组

过程装备控制技术及应用教案 2a9d840847424cedb907ec759bb41001.doc过程控制装置 第7页共 (3)防爆仪表的分类、分级和分组 防爆仪表的分类、分级和分组与爆炸性物质的分类、分级和分组方法相同,其等级参数和符号也 相同 两种防爆结构类型:隔爆型,标志为“d”:本质安全型,标志为“i” ①隔爆型 特点:仪表的电路和接线瑞子全部置于隔爆壳体中,表壳的强度足够大,表壳结合面间隙足够深, 最大的间隙宽度又足够窄。 设计措施:采用耐压0.8~Mpa以上的表壳,表壳内部的温升不得超过由气体或蒸气的自燃温度 所规定的数值,表壳结合面的缝隙宽度和深度应根据它的容积和气体的级别采取规定的数值 注意事项:1不能在道电运行的下打开外壳进行检修或调整。 2对于组别、级别高的易燃易爆气体不宜采用隔爆型防爆仪表 ②本质安全防爆型 特点:在正常状态下和故障状态下,由电路及设备产生的火花能量和达到的温度都不能引起易燃 易爆气体或蒸气爆炸的防爆类型 解释何为正常状态、故障状态 两种电路:危险场所中的本质安全电路及非危险场所中的非本质安全电路 在危险场所和非危险场所之间采用防爆安全栅,可使整个仪表系统其有本质安全防爆性能 本质安全防爆系统的性能主要由以下措施求保证: 1、首先,本质安全防爆仪表采用低的工作电压和小的工作电流。如正常工作V≤24DC ≤20mADC:故障情况≤35VDC,I≤35mADC。限制仪表的R、L、C参数大小,保证在正 常、故障条件时产生的火化能量不足以点燃爆炸性混合物 2、其次用防爆安全栅将危险场所和非危险场所的电路隔开 3、再次在现场仪表到控制仪表之间的连接导线不得形成过大的分布电流和电感。 优点:本质安全防爆性仪表 本质安全型仪表及与其相关联的电气设备,按照所使用场所的安全程度分为ia和ib两个等级,ia 级适用于0区,ib级适用于1区 防爆标志分为四段: EXABC。Ex表明防爆仪表;A表示防爆类型,如d、ia、ib等:B表示防爆 仪表的类和级,如I、ⅢA、ⅢB、ⅡC级;C表示防爆仪表的表面温度组别,也是其能够适用的危险物 质的自燃温度组别,如T1~T6。 Exd ialICt6表示有隔爆和本质安全功能,可在ⅡC级T6组以下级别 中使用的防爆仪表 (4)防爆安全栅 作用:简述 齐纳安全栅工作原理:利用在本质安全电路与非本质安全电路之间串接的电阻R来限制进入本质安 全电路的电流,利用齐纳二极管VD1及V2来限制进入本质安全电路的电压,并且快速熔断然FU保护齐 纳二极管 4.1.3温度变送器 温度变送器与各种热电偶或热电阻混合使用,被测温度线性地转换为0-10mA或4-20mA直流电流 信号,以便与显示、记录和调节单元配合工作 根据温度变送器分为三种类型:直流毫伏变送器,电阻体温度变送器和热电偶温度变送器。它们结 构上都分为量程单元和放大单元两部分,其中放大单元是通用的,量程单元则随变送器的类型及量程范

过程装备控制技术及应用教案 2a9d840847424cedb907ec759bb41001.doc 过程控制装置 第 7 页 共 19 页 （3）防爆仪表的分类、分级和分组 防爆仪表的分类、分级和分组与爆炸性物质的分类、分级和分组方法相同，其等级参数和符号也 相同。 两种防爆结构类型：隔爆型，标志为“d”；本质安全型，标志为“i”。 ①隔爆型 特点：仪表的电路和接线瑞子全部置于隔爆壳体中，表壳的强度足够大，表壳结合面间隙足够深， 最大的间隙宽度又足够窄。 设计措施：采用耐压 0.8~1Mpa 以上的表壳，表壳内部的温升不得超过由气体或蒸气的自燃温度 所规定的数值，表壳结合面的缝隙宽度和深度应根据它的容积和气体的级别采取规定的数值。 注意事项：1 不能在道电运行的下打开外壳进行检修或调整。 2 对于组别、级别高的易燃易爆气体不宜采用隔爆型防爆仪表。 ②本质安全防爆型 特点：在正常状态下和故障状态下，由电路及设备产生的火花能量和达到的温度都不能引起易燃 易爆气体或蒸气爆炸的防爆类型。 解释何为正常状态、故障状态。 两种电路：危险场所中的本质安全电路及非危险场所中的非本质安全电路。 在危险场所和非危险场所之间采用防爆安全栅，可使整个仪表系统其有本质安全防爆性能。 本质安全防爆系统的性能主要由以下措施求保证： 1、首先，本质安全防爆仪表采用低的工作电压和小的工作电流。如正常工作 V  24V DC ， I  20mADC ；故障情况 V  35V DC ，I  35mADC 。限制仪表的 R、L、C 参数大小，保证在正 常、故障条件时产生的火化能量不足以点燃爆炸性混合物。 2、其次用防爆安全栅将危险场所和非危险场所的电路隔开。 3、再次在现场仪表到控制仪表之间的连接导线不得形成过大的分布电流和电感。 优点：本质安全防爆性仪表 本质安全型仪表及与其相关联的电气设备，按照所使用场所的安全程度分为 ia 和 ib 两个等级，ia 级适用于 0 区，ib 级适用于 1 区。 防爆标志分为四段：ExABC。Ex 表明防爆仪表；A 表示防爆类型，如 d、ia、ib 等；B 表示防爆 仪表的类和级，如Ⅰ、ⅡA、ⅡB、ⅡC 级；Ｃ表示防爆仪表的表面温度组别，也是其能够适用的危险物 质的自燃温度组别，如Ｔ1~Ｔ6。Exd iaⅡCＴ6 表示有隔爆和本质安全功能，可在ⅡC 级Ｔ6 组以下级别 中使用的防爆仪表。 （4）防爆安全栅 作用：简述 齐纳安全栅工作原理：利用在本质安全电路与非本质安全电路之间串接的电阻 R 来限制进入本质安 全电路的电流，利用齐纳二极管 D1 V 及 D2 V 来限制进入本质安全电路的电压，并且快速熔断然 FU 保护齐 纳二极管。 4.1.3 温度变送器 温度变送器与各种热电偶或热电阻混合使用，被测温度线性地转换为 0~10mA 或 4~20mA 直流电流 信号，以便与显示、记录和调节单元配合工作。 根据温度变送器分为三种类型：直流毫伏变送器，电阻体温度变送器和热电偶温度变送器。它们结 构上都分为量程单元和放大单元两部分，其中放大单元是通用的，量程单元则随变送器的类型及量程范

过程装备控制技术及应用教案 2a9d840847424cedb907ec759b641001.doc过程控制装置 第8页共 围不同而不同。 下面以DDz-Ⅲ型热电偶温度变送器为对象进行分析 工作原理:热电偶温度变送器要求变送器的输出电压信号与相应的变送器输入的温度信号成线性关 系。但一般热电偶输出的毫伏值与所代表的温度之间是非线性的。各种热电偶的非线性也不一样而且同 一种热电偶在不同的测量范围其非线性程度也不相同。热电偶温度变送器是由热电偶输入回路和放大回 路两部分组成,热电偶是非线性的而温度变送器放大回路是线性的,若将热电偶的热电势直接接到变送 器的放大回路,则温度T与变送器的输出电压U之间的关系也必是非线性的。因此为了使T与U保 持线性关系,则放大回路特性不能是线性的。假设热电偶的特性是凹向上的,若使T与U,保持线性, 则变送器放大回路的特性曲线必须是凹向下的。 放大回路的非线性,一般是采用反馈电路非线性来实现的 温度送器的传递函数 W(s)=W(s)×W2(s) W(s)热电偶的传递函数 W2()放大回路的传递函数 下推导W2(s) △U=U1-U, U=△U·K 所以 W=U/K 11+kH=H() 若K很大,则可忽略上式分母中的第一项,则 ()=x 则热电偶输入温度变送器的传递函数为

过程装备控制技术及应用教案 2a9d840847424cedb907ec759bb41001.doc 过程控制装置 第 8 页 共 19 页 围不同而不同。 下面以 DDZ-III 型热电偶温度变送器为对象进行分析。 工作原理：热电偶温度变送器要求变送器的输出电压信号与相应的变送器输入的温度信号成线性关 系。但一般热电偶输出的毫伏值与所代表的温度之间是非线性的。各种热电偶的非线性也不一样而且同 一种热电偶在不同的测量范围其非线性程度也不相同。热电偶温度变送器是由热电偶输入回路和放大回 路两部分组成，热电偶是非线性的而温度变送器放大回路是线性的，若将热电偶的热电势直接接到变送 器的放大回路，则温度 T 与变送器的输出电压 Usc 之间的关系也必是非线性的。因此为了使 T 与 Usc 保 持线性关系，则放大回路特性不能是线性的。假设热电偶的特性是凹向上的，若使 T 与 Usc 保持线性， 则变送器放大回路的特性曲线必须是凹向下的。 放大回路的非线性，一般是采用反馈电路非线性来实现的。 温度送器的传递函数 W(s) W (s) W (s) = 1  2 W (s) 1 —热电偶的传递函数 W (s) 2 —放大回路的传递函数 下推导 W (s) 2 ： U =Ui −U f 而 U U K U U W sc f sc f =   =  所以 Ui −Usc Wf = Usc K 即 W (s) KW K U U i f sc 2 1 = + = 若 K 很大，则可忽略上式分母中的第一项，则 ( ) W (s) W s f 1 2 = 则热电偶输入温度变送器的传递函数为

过程装备控制技术及应用教案 2a9d840847424cedb907ec759bb41001.doc过程控制装置 第9页共 f(y)=() 上式说明,欲使热电偶温度变送器保持线性,就要使反馈电路的特性曲线与热电偶的特性曲线相同 亦即变送器放大回路的反馈电路输入与输出特性要模拟热电偶的非线性特关系 热电偶输入的温度变送器的线性化原理图 4变送器与电源的连接方式 两种连接方式:四线制和两线制解释说明参照下图 两线制与四线制相比所具有的三个伏点: ◆节省电缆 ◇只需一根穿线管道 ◇只需配用一个安全栅(装于易燃易爆环境) 总之,两线制变送器不仅可使设备减少,成本降低,安全性能提高,而且还可以节省人力,加快安 装速度 两线制变送器所须满足的三个条件: 变送器正常工作电流I必须小于等于其输出电流(信号电流)的最小值;I≤l。mn 在下列条件下,变送器能保持正常工作 ≤Emn-lm(R2=+r) 式中 V一变送器输出端电压 E一电源电压的最小值 J。m-输出电流的上限值; r一连接导线的电阻值 R 最大负载电阻值 变送器的最小有效功率P为 P<l 。mnR 4.2调节器 作用:将参数测量值和规定的参数值相比较,得出被调量的偏差,再根据一定的调节规律产生输 出信号,从而推动执行器工作,对生产过程进行自动调节 正作用调节器:被调参测量值增加,调节器的输出信号也增加ε 负作用调节器:被调参测量值增加,调节器的输出信号减小 分类 ①直接作用调节器(自力式调节器):利用被调介质本身作为能源工作 ②间接(外力式调节器):利用外加能源,又可分为电动、气动、液动调节器

过程装备控制技术及应用教案 2a9d840847424cedb907ec759bb41001.doc 过程控制装置 第 9 页 共 19 页 ( ) ( ) W (s) W s W s f 1 = 上式说明，欲使热电偶温度变送器保持线性，就要使反馈电路的特性曲线与热电偶的特性曲线相同， 亦即变送器放大回路的反馈电路输入与输出特性要模拟热电偶的非线性特关系。 热电偶输入的温度变送器的线性化原理图。 4.1.4 变送器与电源的连接方式 两种连接方式：四线制和两线制 解释说明参照下图 两线制与四线制相比所具有的三个伏点：  节省电缆  只需一根穿线管道  只需配用一个安全栅（装于易燃易爆环境） 总之，两线制变送器不仅可使设备减少，成本降低，安全性能提高，而且还可以节省人力，加快安 装速度。 两线制变送器所须满足的三个条件： 变送器正常工作电流 I 必须小于等于其输出电流（信号电流）的最小值； omin I  I 在下列条件下，变送器能保持正常工作 V E I (R r) T  min − omax Lmax + 式中 VT －变送器输出端电压 Emin －电源电压的最小值； o max I －输出电流的上限值； r －连接导线的电阻值； RL max —最大负载电阻值。 变送器的最小有效功率 P 为 ( ) omin min ominRLmax P  I E − I 4.2 调节器 作用：将参数测量值和规定的参数值相比较，得出被调量的偏差，再根据一定的调节规律产生输 出信号，从而推动执行器工作，对生产过程进行自动调节。 正作用调节器：被调参测量值增加，调节器的输出信号也增加。 负作用调节器：被调参测量值增加，调节器的输出信号减小。 分类： ①直接作用调节器（自力式调节器）：利用被调介质本身作为能源工作。 ②间接 （外力式调节器）：利用外加能源，又可分为电动、气动、液动调节器

过程装备控制技术及应用教案 2a9d840847424cedb907ec759bb41001.doc过程控制装置 第10页共 调节规律:指调节器的输出信号y与输入信号e之间随时间变化的规律 4.1.2调节规律的实现方法 PID调节器是一个运算装置,实现对输入信号的比例、积分、微分等各种运算功能。能够实现这 些运算的方法很多,但在电动调节器中,用得最多的是采用运算放大器与阻容(RC)电路相结合的方法实 现,用不同的RC电路与运算放大器进行不同的组合,就可得到各种运算规律的电路 构成种种调节规律的方框图 用传递函数表示输出与输入并系: K +Kw (s) K一放大器增益 (s)-调节器传递函数 W()-反馈回路的传递函数 当K→∞时,W(s)= W/() 即只要放大器的增益足够大,调节器的传递函数W(s)即为反馈 回路传递函数W(S)的倒数。这就使反馈电路和整个闭环放大器在运算功能上是相反的。这就是利用负 反馈回路实现各种调节规律的基本原理 集成运算放大器具有高增益,高输入阻抗、低输出阻抗等特点,因此各种运算规律可真接由加接 到线性运算放大器的负反馈回路上来实现 42.2PID调节的硬件结构 (1)组成及原理 从整定方式来分调节器有普通型和电压整定型两种。它们基本组成是相同的,压别只是在参数整 定电路方面 普通型调节器的参数整定只能就地进行,可用调整电位器的阻值或用波段开关切换电阻或电容来 改变整定参数 电压整定型调节器的整定参数P、T、T受外给电压控制,因此可以做到远程整定、第三参数整 定、自整定等 组成:主要由输入电路、运算电路和输出电路三部分组成。以外还可能有指示电路、手动操作电 路及限幅电路。指示电路分为偏差批示、给定值与输入值的全刻度指示两种, PID调节器组成框图 原理:PID调节器一般接受来自变送器的电流输出信号,变为电压信号后与给定值进行比较,产 生偏差信号。该偏差信号经PID运算电路处理后,再由输岀电路送出调节信号电流I,以使执行器产生 相应的动作 指示电路用以监视系统的调节运行情况,手动操作电路可直接由人工操作“手动信号”到执行器 中去,以代替调节器的自动信号,进行遥控。 ①输入电路 组成:包括偏差检测电路、内给定稳压电源电路、内外给定切换开关、正反作用开关及滤波电路

过程装备控制技术及应用教案 2a9d840847424cedb907ec759bb41001.doc 过程控制装置 第 10 页 共 19 页 调节规律：指调节器的输出信号 y 与输入信号 e 之间随时间变化的规律。 4.1.2 调节规律的实现方法 PID 调节器是一个运算装置，实现对输入信号的比例、积分、微分等各种运算功能。能够实现这 些运算的方法很多，但在电动调节器中，用得最多的是采用运算放大器与阻容(RC)电路相结合的方法实 现，用不同的 RC 电路与运算放大器进行不同的组合，就可得到各种运算规律的电路。 构成种种调节规律的方框图 用传递函数表示输出与输入并系： ( ) KW (s) K W s + f = 1 K－放大器增益 W(s) －调节器传递函数 W (s) f －反馈回路的传递函数 当 K → 时， ( ) W (s) W s f 1 = ，即只要放大器的增益足够大，调节器的传递函数 W(s) 即为反馈 回路传递函数 W (s) f 的倒数。这就使反馈电路和整个闭环放大器在运算功能上是相反的。这就是利用负 反馈回路实现各种调节规律的基本原理。 集成运算放大器具有高增益，高输入阻抗、低输出阻抗等特点，因此各种运算规律可真接由加接 到线性运算放大器的负反馈回路上来实现。 4.2.2 PID 调节的硬件结构 （1）组成及原理 从整定方式来分调节器有普通型和电压整定型两种。它们基本组成是相同的，压别只是在参数整 定电路方面。 普通型调节器的参数整定只能就地进行，可用调整电位器的阻值或用波段开关切换电阻或电容来 改变整定参数； 电压整定型调节器的整定参数 P1、TI、TD 受外给电压控制，因此可以做到远程整定、第三参数整 定、自整定等。 组成：主要由输入电路、运算电路和输出电路三部分组成。以外还可能有指示电路、手动操作电 路及限幅电路。指示电路分为偏差批示、给定值与输入值的全刻度指示两种。 PID 调节器组成框图 原理：PID 调节器一般接受来自变送器的电流输出信号，变为电压信号后与给定值进行比较，产 生偏差信号。该偏差信号经 PID 运算电路处理后，再由输出电路送出调节信号电流 I。，以使执行器产生 相应的动作。 指示电路用以监视系统的调节运行情况，手动操作电路可直接由人工操作“手动信号”到执行器 中去，以代替调节器的自动信号，进行遥控。 ①输入电路 组成：包括偏差检测电路、内给定稳压电源电路、内外给定切换开关、正反作用开关及滤波电路