第四章 过程控制装置

根椐流体的连续性定律，在稳定状态下，单位时间内流过气阻 R1的气体质量流量qm1，必定等于单位时间内流过气阻 R2的气体质 量流量qm2。若在气阻前后的气体密度 ρ 不变，则有
6～10倍。所以，这种放大器是能将压力与气量都同时进行放大的功 率放大器。 ②气动差压变送器 由测量部 分和气动转换部分组成。图4－10 给出了单杠杆式气动差压变送器的 结构简图，其放大器采用气动放大 器，反馈部分采用反馈波纹管，杠 杆系统为单杠杆。
过程装备控制技术 及应用
过控教研室
第置与被控对象构成了过程控制系统的 基本要素。过程式控制装置必须由测量变送单元、调 节器和执行器（如调节阀）三个环节组成 。由于工业 过程式的复杂性，在进行过程控制系统设计时，必须 根据过程特性和工艺要求，通过合理选用过程检测控 制装置组成自动控制系统，并通过调节器 PID 参数的 整定，使系统运行在最佳状态，从而实现对生产过程 的最优控制。
4.3.1 气动执行器
4.3.2 电动执行器
附录一 本章的重点和难点 一、本章的重点 1、第一节的“4.1.1 差压变送器”中的“（1）气动差压变送 器”； 2、第一节中的“4.1.2 防爆安全栅”; 3、第二节中的“（2）气动调节器”； 4、第三节中的“4.3.1 气动执行器”。 二、本章的难点 1、气动差压变送器的结构及其工作原理； 2、气动差压变送器中的功率放大器的结构及其工作原理； 3、调节阀的流量特性。
9也产生微小位移S。因此挡板与喷嘴间的距离发生变化，其变化量 再通过放大器10转换并放大为20～100kPa的输出压力，这就是变送 器的输出信号。
在自动化仪表与自动化系统中，经常把输出信号经过一些环节 后引回到输入端，这个过程称为反馈。如果反馈信号是加强输入的
4.1.2 防爆安全栅
R
p qV
（4－1）
式中 △p —— 气阻前后的压降； q V —— 流过气阻的体积流量； R —— 气阻值。 气容 凡是在气路中能贮存或释放出气体的气室称为气容。气 容在气动仪表中起缓冲、防止振荡的作用，与电容在电路中的充放 电作用相类似。通常用气容 C 来定量的表示气室贮存空气量的能力。 所谓气容就是指改变单位压力所需要的气体的体积流量。可表 示为 qV dt （4－2） C
量与其两端压力差不成线性关系的气阻称为非线性气阻，如图4－2 （c）所示的恒气阻和图4－3（b）所示的变气阻，这时通过气阻的 气流呈紊流状态。线性气阻与非线性气阻的差别基本上是由流体的 流动状态所决定的。一般情况下，当气阻前后的压差足够小时，所 有气阻都可表现为线性流量关系。 气阻对空气流动阻碍的程度，一般用气阻值 R 来定量表示。在 一般情况下，线性气阻的气阻值的大小等于每增加单位体积流量的 气体所需要增加的压力差，即
正常的工作电流值。在现场发生
图 4－27 齐纳安全栅的原理图
4.1.3 温 度 变 送 器
热电偶温度变送器的工作原理介绍如下。
4.1.4 变送器与电源的连接方式
4.2.1 调节器的调节规律的实现方法
4.2.2 PID 调节器的硬件结构 （1）PID 调节器的组成及原理
变气阻是指流通截面积可以调整的节流元件，其气阻值可以随 意改变。变气阻的结构形式很多，常见的结构形式如图4－3所示。 如果在气阻的两端加上一个压力差，就有一定流量的气体流过 气阻。流过气阻的气体流量与其两端压力差之间的关系，称为气阻 的流量特性。 流过气阻的气体流量与其两端压力差成线性关系的气阻称为线 性气阻，如图4－2（a）、（b）所示的恒气阻和图4－3（a）所示 的变气阻，这时通过气阻的气流为层流状态。而流过气阻的气体流
4.1 变送器 4.2 调节器 4.3 执行器 附录一：本章的重点和难点 附录二：思考题与习题
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。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为一定的标准信号（如4～20mA直流电流）， 送往显示仪表或调节仪表进行显示、记录或调节。变送器的类型很 多，主要有：压力变送器、差压变送器、温度变送器、流量变送器、 液位变送器等。本章主要分析差压变送器和温度变送器。
（1）气动差压变送器 气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。气动差压变送器可以将压力信号 p 成比例地转换成 20～100kPa的统一标准气压信号，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。在分析气动差压变送器之 前，先讨论一下气动仪表中常遇到的气动元件与组件。 ①气动元件及组件 气动元件和组件按照一定的规律和原则 构成了气动仪表。常见的元件有气阻、气容。常见的组件有组容 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 元件叫做气阻。气阻的作用和电阻相似，它在气动仪表中阻碍气 体的流动，起着降压（产生压力降）和限流（调节气体流量）的 作用。气阻按其结构可分为恒气阻与变气阻两类。 恒气阻是指流通截面积不能调整的节流元件，其气阻值不可改 变。恒气阻的结构一般有三种形式，如图4－2所示。
因此测量部分实际上已将对压力的测量转换成对输入力 F i 的测 量了。输入力 F i 作用于主杠杆 5 的下端，对支点（即轴封膜片4） 产生一个顺时针方向的偏转。与此同时，变送器输出信号 p 0引入反 馈波纹管7内，并产生一个反馈力 F f，也作用于主杠杆上，使主杠 杆对支点产生一个逆时针方向力矩 M f，这样主杠杆上作用着两个力 矩M i和M f。这两个力矩决定着主杠杆的运动状态。当两者相等时， 主杠杆就处于平衡状态，喷嘴挡板间的距离就不再改变。两者不等 时， M i和M f之差使杠杆系统产生一极小角度α的偏转，这就使挡板
4.1.1差压变送器 差压变送器用来把差压、流量、液位等被测参数转换成为统一 标准信号，并将此统一信号输送给指示、记录仪表或调节器等，以 实现对上述参数的显示、记录或调节。根据敏感元件的类型不同， 可分为膜盒式差压变送器、电容式差压变送器等型式。 按照变送器的驱动能源来分有气动变送器和电动变送器，以压 缩空气为驱动能源的是气动变送器；以电力为能源的便是电动变送 器。变送器的理想输入输出特性成线性关系。如图4－1所示。
附录二
dp
气容分为固定气容和弹性气容两种，如图4－4所示。在固定气 容中气室压力可变而容积不变，而在弹性气容中气室压力和容积 均可变化。在气动仪表中，很少单独使用气容，往往是由气容和 气阻组成阻容耦合组件使用。
阻容耦合组件 常见的阻容耦合组件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，如 图4－5（a）所示。