第三章：过程控制仪表及装置wxs.ppt

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1、第三章：过程控制仪表及装置第三章：过程控制仪表及装置第三章：过程控制仪表及装置第三章：过程控制仪表及装置 P127 Process Control Instrumentation 过程控制装置过程控制装置的三大硬件的三大硬件1.变送器变送器transducer2.调节器调节器(控制器控制器)regulator(controller)3.执行器执行器 actuator3.1变送器变送器变送器的功能变送器的功能：把测量的信号转换成为一定标准的信号（如：把测量的信号转换成为一定标准的信号（如：420mA），），再送往显示仪表或调节仪表进行显示、记录或调节。再送往显示仪表或调节仪表进行显示、记录或调节

2、。变送器的类型变送器的类型1.压力变送器压力变送器2.差压变送器差压变送器3.温度变送器温度变送器4.流量变送器流量变送器5.液位变送器液位变送器 按变送器按变送器的驱动能源的驱动能源分为：分为：1.气动变送器气动变送器：驱动能源：压缩空气驱动能源：压缩空气2.电动变送器电动变送器驱动能源：电力驱动能源：电力变送器的理想输入变送器的理想输入x和输出和输出y特性应为线性关系特性应为线性关系 见图见图4-1 P127 例：一台压力变送器的压力输入范围为例：一台压力变送器的压力输入范围为01.6MPa，输出为，输出为420mA，试确，试确定该变送器输出和输入之间的关系。定该变送器输出和输入之间的关系

3、。解：解：设变送器的输入压力为设变送器的输入压力为pi，输出为输出为po，根据上式有：，根据上式有：3.1.1差压变送器差压变送器力平衡式电动差压变送器力平衡式电动差压变送器 力平衡式电动力平衡式电动差压变送器的组成差压变送器的组成 图图4-2 P1281.测量部分测量部分2.放大器放大器3.反馈部分反馈部分 DDZ-型电动差压型电动差压变送器的结构与工作原理变送器的结构与工作原理 图图4-3 P129被测量的压差信号被测量的压差信号 力力直流电流（直流电流（420mA）。）。压差信号压差信号 Pi 力力Fi F1 F2、F3 位移位移 放大器输出电流放大器输出电流I0 反馈线圈、负反馈线圈、

4、负载载 反馈力反馈力Ff 反力矩：当杠杆平衡式，输出的电流与被测差压成正比。反力矩：当杠杆平衡式，输出的电流与被测差压成正比。DDZ-型电动差压变送器的整机方块图型电动差压变送器的整机方块图 图图4-14图图4-15 P135136 DDZ-型电动差型电动差压变送器的主要性能压变送器的主要性能指标指标1.输出信号：输出信号：420mA2.供电：供电：24V DC103.负载电阻：负载电阻：2503504.基本误差基本误差 0.55.变差变差 0.256.灵敏度灵敏度 0.057.稳定性稳定性0.3压差信号压差信号 Pi 力力Fi F1 F2、F3 位移位移 放大器输出电流放大器输出电流I0 反

5、馈线圈、负反馈线圈、负载载 反馈力反馈力Ff 反力矩：当杠杆平衡式，输出的电流与被测差压成正比。反力矩：当杠杆平衡式，输出的电流与被测差压成正比。1.杠杆机构杠杆机构 P1292.矢量机构矢量机构 P1303.电磁反馈装置电磁反馈装置 P1304.低频位移检测放大器低频位移检测放大器 P1311.低频振荡器低频振荡器2.整流滤波电路整流滤波电路3.功率放大器功率放大器5.安全火花防爆措施安全火花防爆措施 P134 结构结构与原理与原理1.量程调整量程调整2.零点迁移零点迁移3.零点调整零点调整P134变送器的变送器的量程调整的量程调整的目的目的：使变送器的得输出信号上限值与测量值的上限值相对应

6、。：使变送器的得输出信号上限值与测量值的上限值相对应。实质实质：改变输入输出特性曲线的斜率（即比例系数）。：改变输入输出特性曲线的斜率（即比例系数）。反馈部分的反馈部分的反馈系数反馈系数量程量程零点迁移的零点迁移的目的目的：使变送器的得输出信号下限值与测量值的下限值相对应。：使变送器的得输出信号下限值与测量值的下限值相对应。实质实质：扩大使用范围但不改变量程、提高测量精度。：扩大使用范围但不改变量程、提高测量精度。（即把量程的起点由零（即把量程的起点由零迁移到某一数值）迁移到某一数值）正迁移、负迁移、无迁移正迁移、负迁移、无迁移零点调整的零点调整的目的目的：同样是使变送器的得输出信号下限值与测

7、量值的下限值相对应。：同样是使变送器的得输出信号下限值与测量值的下限值相对应。实质实质：将起始值调整为零。：将起始值调整为零。具体的计算参见具体的计算参见 例例4-2 P1353.1.2 防爆安全栅防爆安全栅 P138在易燃、燃爆的场合所安装的一切仪表装置等应该在易燃、燃爆的场合所安装的一切仪表装置等应该具有安全火花防爆性能。具有安全火花防爆性能。安全火花：安全火花：是指火花的能量不足以对其周围可燃介质构成点火源。是指火花的能量不足以对其周围可燃介质构成点火源。安全火花型防爆仪表：仪表所产生的火花均为安全火花。安全火花型防爆仪表：仪表所产生的火花均为安全火花。危险场所的分类危险场所的分类 （P

8、139）1.形成爆炸性气体混合物的场所形成爆炸性气体混合物的场所2.形成爆炸性混合物的场所形成爆炸性混合物的场所0级区域（级区域（0区）区）1级区域（级区域（1区）区）2级区域（级区域（2区）区）10级区域（级区域（10区）区）11级区域（级区域（11区）区）爆炸物爆炸物 （P139）1.分类分类2.爆炸性气体的分级与分组爆炸性气体的分级与分组 见表见表4-1 P140类物质：矿井甲烷类物质：矿井甲烷类物质：爆炸性气体、可燃蒸汽类物质：爆炸性气体、可燃蒸汽类物质：爆炸性粉尘、易燃纤维类物质：爆炸性粉尘、易燃纤维3.爆炸性粉尘的分级与分组爆炸性粉尘的分级与分组 见表见表4-2 P140防爆防爆仪

9、表仪表1.隔爆型仪表：隔爆型仪表：标志标志“d”，仪表电路和接线端子放在隔爆壳体内。，仪表电路和接线端子放在隔爆壳体内。2.本质安全型仪表：本质安全型仪表：标志标志“i”，仪表及设备产生的火花能量不会引起爆炸。，仪表及设备产生的火花能量不会引起爆炸。采用低的工作电压（采用低的工作电压（24V DC）和电流（）和电流（20mA）；）；故障电压故障电压35V DC、电流、电流 35mA。防爆仪表铭牌：必须标明合格证、防爆类型、等级等内容。防爆仪表铭牌：必须标明合格证、防爆类型、等级等内容。如：如：ExdiaCT6 (P142)防爆安全栅的作用：防爆安全栅的作用：阻隔非本质安全电路中过大的能量传入本

10、质安全电路中。阻隔非本质安全电路中过大的能量传入本质安全电路中。防爆安全栅电路防爆安全栅电路本质安全电路本质安全电路非本质安全电路非本质安全电路防爆安全防爆安全栅种类栅种类1.齐纳式安全栅（电路）：齐纳式安全栅（电路）：限流、限压；断路保护限流、限压；断路保护 见图见图4-21 P1422.变压器隔离式安全栅：限流、限压。变压器隔离式安全栅：限流、限压。隔离器件采用变压器隔离器件采用变压器图图4-20 本质安全防爆系统结构图本质安全防爆系统结构图 P1413.1.3 温度变送器温度变送器 P142温度变送器：把被测量温度线性地转换为：温度变送器：把被测量温度线性地转换为：010mA或或420m

11、A DC电流信号电流信号.温度变送器温度变送器图图4-23 P1431.直流毫伏变送器直流毫伏变送器2.电阻体温度变送器电阻体温度变送器3.热电偶温度变送器热电偶温度变送器 温度变送器温度变送器的负反馈形式的负反馈形式1.线性反馈线性反馈（线性电阻网络）（线性电阻网络）ViIo成线性关系成线性关系2.非线性反馈非线性反馈T Vo成线性关系成线性关系T Io成线性关系成线性关系 热电偶热电偶温度变送器温度变送器组成组成1.热电偶输入回路热电偶输入回路2.放大回路放大回路（负反馈）（负反馈）热电偶温度变送器原理热电偶温度变送器原理 图图4-27 P1463.1.4 标准仪表的信号标准以及与电源的连

12、接方式标准仪表的信号标准以及与电源的连接方式 P146标准仪表标准仪表的信号标准的信号标准 模拟仪表模拟仪表与电源的连接与电源的连接1.气压信号：气压信号：20100kPa2.电信号电信号1.电流：电流：15mA；420mA 电压：电压：05V；10V DC等等电动变送器：输出信号与电源的电动变送器：输出信号与电源的连接连接方式为方式为两线制两线制。图图4-28 P1462.模拟仪表：模拟仪表：420mA DC两线制两线制变送器变送器P1461.电流条件电流条件2.电压条件电压条件3.功率条件功率条件3.2.调节器调节器 P147调节器作用：调节器作用：对参数的测量值和参数的给定值进行比较，得

13、出偏差后，再根据对参数的测量值和参数的给定值进行比较，得出偏差后，再根据 一定的一定的调节规律调节规律产生输出信号，从而推动执行器工作。产生输出信号，从而推动执行器工作。调节器调节器（也称为控制器）（也称为控制器）1.正作用调节器：被调参数的测量值正作用调节器：被调参数的测量值调节器的输出信号调节器的输出信号2.反作用调节器：被调参数的测量值反作用调节器：被调参数的测量值调节器的输出信号调节器的输出信号调节器的分类调节器的分类1.直接作用调节器：直接作用调节器：调节器不需要外加能源，如自力式调节器。调节器不需要外加能源，如自力式调节器。2.间接作用调节器间接作用调节器：调节器需要外加能源。：调

14、节器需要外加能源。1.电动调节器电动调节器2.气动调节器气动调节器3.液动调节器液动调节器3.2.1 调节器调节调节器调节规律的实现方法规律的实现方法PID调节器调节器1.积分时间积分时间Ti,PD调节器调节器2.微分时间微分时间TD=0,PI调节器调节器3.积分时间积分时间Ti和微分时间和微分时间TD=0,P调节器调节器构成各种调节规律的方框图：构成各种调节规律的方框图：见图见图4-29 P147调节器传递函数调节器传递函数W(S):K 利用反馈回路特性利用反馈回路特性实现各种调节规律实现各种调节规律PID调节器实际上是一个运算装置调节器实际上是一个运算装置运算功能的组成运算功能的组成2.运

15、算放大器运算放大器:见表见表4-4 P149 1.阻容（阻容（RC）电路）电路：见表：见表4-3 P148 基本的基本的PID电路电路见图见图4-30 P149PID调节器的组成：输入电路、调节器的组成：输入电路、PID运算电路和输出电路。运算电路和输出电路。3.2.2 PID调节器调节器 的硬件结构的硬件结构PID调节器的组成调节器的组成 见图见图4-31 P1501.输入电路输入电路：偏差检测、内给定稳压电源、内外给：偏差检测、内给定稳压电源、内外给定切换开关、正反作用开关、滤波等电路。定切换开关、正反作用开关、滤波等电路。见图见图4-32 P1502.PID运算电路：运算电路：对偏差进行

16、运算对偏差进行运算3.输出电路：输出电路：提供调节器的输出信号提供调节器的输出信号6.指示电路：指示电路：如偏差指示、输入指示、输出指示如偏差指示、输入指示、输出指示4.手动操作电路手动操作电路：把人工控制的把人工控制的“手动电流手动电流”输出到执行输出到执行器器5.输出限幅电路：输出限幅电路：把输出的信号限制在一定的范围把输出的信号限制在一定的范围输入电路输入电路见图见图4-32 P150 电动调节器电动调节器（DDZ-型）型）1.基型调节器基型调节器2.特殊调节器特殊调节器1.全刻度指示调节器全刻度指示调节器 原理图、线路图见图原理图、线路图见图4-3334 P1521532.偏差指示调节

17、器偏差指示调节器全刻度指示调全刻度指示调节器工作状态节器工作状态1.自动操作自动操作2.软手动操作：手动操作软手动操作：手动操作动作动作停止停止输出变化就停止。输出变化就停止。3.硬手动操作：手动操作杆硬手动操作：手动操作杆位置位置输出变化的大小（对应关系）输出变化的大小（对应关系）DDZDDZ型调节器型调节器全刻度指示调节器原理图全刻度指示调节器原理图调节微调节微分时间分时间调节比例调节比例度（度（PB）调节积分时调节积分时间间基型调节器组成部分的工作原理：基型调节器组成部分的工作原理：P152输入回路输入回路：比较输入信号：比较输入信号Vi与给定信号与给定信号Vs 得出偏差信号得出偏差信号

18、 电平移位电平移位 以参考电位以参考电位Vb作为基准信号。作为基准信号。见图见图4-35 P154(输入信号输入信号Vi与给定信号与给定信号Vs)V01的关系的关系（Vi-Vs)=e输出信号输出信号输入信号输入信号V01运算回路运算回路：1.PD回路功能：回路功能：输出信号输出信号V02与输入信号与输入信号V01大小、变化速度和极性有关大小、变化速度和极性有关 见图见图4-36 P1552.PI回路功能：回路功能：偏差存在则输出信号就会不断变化，直至消除偏差。偏差存在则输出信号就会不断变化，直至消除偏差。输出信号输出信号V03与输入信号与输入信号V02的关系的关系 见图见图4-39 P156输

19、入信号输入信号V01输出信号输出信号V02输入信号输入信号V02输出信号输出信号V03（15V）调节微调节微分时间分时间调节比例调节比例度（度（PB）积分时积分时间档位间档位调节积调节积分时间分时间 输出回路功能输出回路功能：把把运算回路运算回路的输出电压信号的输出电压信号V03（15V DC）转换成为转换成为调节器调节器的输出电流信号的输出电流信号Io（420mA DC）见图见图4-42 P158输入信号输入信号V03（15V）输出信号输出信号Io（420mA）手动操作回路：手动操作回路：通过通过“手动手动-自动自动”开关切换开关切换 见图见图4-43 P159输出信号输出信号V03（15V

20、）输入信号输入信号V02手动手动1-软手动操作软手动操作手动手动2-硬手动操作硬手动操作硬手动时：调节硬手动时：调节位置位置输出的关系输出的关系调节积分时间调节积分时间软手动时：软手动时：改变调节器改变调节器输出变化速度输出变化速度指示回路指示回路：如利用电流表、电压表等作为信号指示表：如利用电流表、电压表等作为信号指示表 见图见图4-44 P159仪表面板布置仪表面板布置 见图见图4-4647 P160161正面正面侧面侧面输入信号输入信号Vi（15V）输出信号输出信号Io（15mA）取取3V时：时：指示表应指指示表应指示示50%3.3.执行器执行器 actuator P161执行器：执行器

21、：是自动控制系统的终端部件。它的作用是接受调节器送是自动控制系统的终端部件。它的作用是接受调节器送来的信号，自动改变操纵量（动作），对被调参数进行调节。来的信号，自动改变操纵量（动作），对被调参数进行调节。执行器执行器1.气动执行器气动执行器 Pneumatic actuator2.电动执行器电动执行器 Electric actuator3.液动执行器液动执行器 Hydraulic actuator电动执行器电动执行器气动执行器气动执行器3.3.1 气动执行器气动执行器气动执行器：是以压缩空气作为能源的执行器（如气动调节阀）气动执行器：是以压缩空气作为能源的执行器（如气动调节阀）气动执行气动执

22、行器的组成器的组成1.气动执行机构气动执行机构：气压：气压推力推力位移（阀杆）位移（阀杆）动作动作2.调节机构（阀体）：调节机构（阀体）：如利用阀杆位移如利用阀杆位移 调节流通面积调节流通面积调节流量调节流量图图4-4849 P162 气动执行机构气动执行机构：气压气压推力推力位移（阀杆）位移（阀杆）动作动作 调节机构（阀体）：调节机构（阀体）：如利用阀杆位移如利用阀杆位移 调节流通面积调节流通面积调节流量调节流量气动薄膜控制阀气动薄膜控制阀外形外形反装阀反装阀气开式气开式执行器执行器正作用正作用执行机执行机构构P入入正作用式正作用式气动薄膜气动薄膜控制阀控制阀阀芯的正装与反装形成气开、气关正

23、装反装进气位置与阀芯的四种组合 反作用反作用正作用正作用气关式气关式气开式气开式反装阀反装阀正装阀正装阀P入入P入入P入入P入入QQQQQ气动执行气动执行器的结构器的结构1.执行机构执行机构2.调节机构：调节机构：通过阀芯在阀体内的位移通过阀芯在阀体内的位移改变流通面积改变流通面积调节流量调节流量（调节阀）（调节阀）调节阀结构见图调节阀结构见图4-51 P1641.气动薄膜执行机构：气动薄膜执行机构：气压信号气压信号P推力推力推杆位移推杆位移新的平衡位置新的平衡位置2.活塞执行机构：活塞执行机构：允许操作压力大。允许操作压力大。利用活塞两侧的压差利用活塞两侧的压差推力推力位移位移 图图4-50

24、 P1634.碟阀碟阀 见图见图4-55 P165调节阀调节阀分类分类1.直通单座阀直通单座阀 见图见图4-52 P1642.直通双座阀直通双座阀 见图见图4-53 P1643.三通阀三通阀 见图见图4-54 P165调节阀的调节阀的流量特性：流量特性：（理想特性）（理想特性）P166调节阀流量特性方程：调节阀流量特性方程：P165可调比（可调范围）可调比（可调范围）R1.直线流量特性直线流量特性 放大倍数放大倍数K2.对数流量特性对数流量特性3.抛物线抛物线流量特性流量特性图图4-56 P166调节阀调节阀的的工作流量特工作流量特性：性：P1671.串联管路的工作流量特性：串联管路的工作流量

25、特性：系统总压差系统总压差=管路系统的压差管路系统的压差+调节阀的压差调节阀的压差串联管路的工作特性串联管路的工作特性:见图见图4-59 P1682.并联管路的工作流量特性：并联管路的工作流量特性：并联管路的工作特性并联管路的工作特性:见图见图4-60 P168 调节阀的选择：调节阀的选择：查看调节阀的产品说明书！查看调节阀的产品说明书！3.3.2 电动执行器电动执行器 P171电动执行器电动执行器的组成：的组成：1.电动执行机构：输入电信号电动执行机构：输入电信号位移输出信号位移输出信号2.调节机构：调节机构：位移信号位移信号调节调节电动执行器电动执行器的分类：的分类：1.按照输入位移分为：

26、按照输入位移分为：角行程角行程（DKJ型）型）直行程直行程（DKZ型）：推力大型）：推力大2.按照特性分为：按照特性分为：比例式：比例式：位移输出信号与输入电信号成正比位移输出信号与输入电信号成正比积分式：积分式：位移输出信号与输入电信号成积分关系位移输出信号与输入电信号成积分关系图图4-61 P172DKZ型系列直行程型系列直行程电动执行器的组成电动执行器的组成直通单（双）座调节阀直通单（双）座调节阀DKZ型直行程型直行程电动执行器电动执行器1.二相低速同步电机（交流位置伺服系统）二相低速同步电机（交流位置伺服系统）2伺服放大器伺服放大器3.执行机构执行机构 机械减速器机械减速器见图见图4-

27、64 P173永磁式低速同步电机永磁式低速同步电机 见图见图4-63 P1733.3.3 电电气转换器气转换器电电气（气气（气电）信号的转换电）信号的转换驱动调节驱动调节电信号：电信号：010mA或或420mA气信号：气信号：0.020.1MPa电电气转换器气转换器电电气转换器的基本结构原理图气转换器的基本结构原理图 图图4-65 P174电电气阀门定位器气阀门定位器 图图4-66 P175 电电/气阀门定位器气阀门定位器将来自控制器或其它单元的将来自控制器或其它单元的420mADC电流信号电流信号转换转换成成气压信号气压信号去驱动执去驱动执行机构。行机构。同时，从阀杆的位移取得反馈信号，构成

28、具同时，从阀杆的位移取得反馈信号，构成具有阀位负反馈的闭环系统，因而不仅改善了执行有阀位负反馈的闭环系统，因而不仅改善了执行器的静态特性，使输入电流与阀杆位移之间保持器的静态特性，使输入电流与阀杆位移之间保持良好的线性关系；而且改善了气动执行器的动态良好的线性关系；而且改善了气动执行器的动态特性，使阀杆的移动速度加快，减少了信号的传特性，使阀杆的移动速度加快，减少了信号的传递滞后。递滞后。1喷嘴喷嘴 2 挡板挡板 3 杠杆杠杆 4 调零弹簧调零弹簧 5 永久磁钢永久磁钢 6、7 线圈线圈 8 反馈弹簧反馈弹簧 9 夹子夹子 10 拉杆拉杆 11 固定螺钉固定螺钉 12 放大器放大器 13 反馈轴反馈轴 14反馈压板反馈压板 15 调量程支点调量程支点 16 反馈机体反馈机体