自動化儀表與裝置第四章其他儀表

1、控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄1其它常用的單元儀表其它常用的單元儀表 在用單元組合儀表構成控制系統(tǒng)時，有時還需在用單元組合儀表構成控制系統(tǒng)時，有時還需要使用一些其它單元的儀表，如運算單元、顯示與要使用一些其它單元的儀表，如運算單元、顯示與積算單元和輔助單元等積算單元和輔助單元等 控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄2 4.1. 開方器開方器 4.1.1. 開方器的作用開方器的作用 開方器的作用是對某一統(tǒng)一標準信號進行開方運算，并將運算結果以統(tǒng)一標準信號輸出，供其它儀表使用 控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機

2、控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄3開方器的作用當采用差壓方式測量流量時當采用差壓方式測量流量時, ,系統(tǒng)構成如圖所示系統(tǒng)構成如圖所示 開方器在流量檢測系統(tǒng)中的應用控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄4開方器的作用 差壓方式測流量，被測量與差壓信號關系：差壓變送器輸出信號與輸入信號的關系：開方器的輸出信號：2312312SqUKKK qKKKq21qKP PKUP2PsqUKU3控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄54.1.2. 開方器的構成原理開方器的構成原理 在模擬式儀表中有多種方法可用來實現(xiàn)開方運算。在模擬式儀表

3、中有多種方法可用來實現(xiàn)開方運算?？梢岳枚O管的開關作用，也可以利用負反饋原理可以利用二極管的開關作用，也可以利用負反饋原理使其輸入與輸出之間呈開方運算特性使其輸入與輸出之間呈開方運算特性 開方特性實現(xiàn)原理控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄6 還有一種開方器是由乘除器演變來的開方器還有一種開方器是由乘除器演變來的開方器 乘法運算的方法單向矩形脈沖法。如圖所示 單向矩形脈沖控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄7其直流分量可表示其直流分量可表示 maxUTtUpD占空比，用占空比，用S來表示則來表示則 11UKTtSp再

4、假設再假設： 22maxUKU則可得則可得 2121UUKKUD由此可見，由此可見，UD與與U1、U2的乘積成正比，從而實現(xiàn)的乘積成正比，從而實現(xiàn)了乘法運算了乘法運算 控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄8 根據(jù)這一原理，我們可以構造乘法運算電路，根據(jù)這一原理，我們可以構造乘法運算電路，如圖所示。其中，調高電路和濾波電路實現(xiàn)了乘如圖所示。其中，調高電路和濾波電路實現(xiàn)了乘法運算，稱之為乘法電路。法運算，稱之為乘法電路。 乘法運算電路構成方框圖乘法運算電路構成方框圖控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄9 在此基礎上，我們就

5、可以利用負反饋原理來進一步實現(xiàn)在此基礎上，我們就可以利用負反饋原理來進一步實現(xiàn)乘除運算，其構成原理如圖所示。乘除運算，其構成原理如圖所示。這里有兩套乘法這里有兩套乘法電路，一套用于電路，一套用于實現(xiàn)輸入信號實現(xiàn)輸入信號U1與與U2的乘法運算。的乘法運算。另一套乘法電路另一套乘法電路設置在反饋通道設置在反饋通道中，就整機特性中，就整機特性來講相當于進行來講相當于進行除法運算，所以除法運算，所以輸入信號輸入信號U3為除為除數(shù)數(shù) 乘除器構成方框圖控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄10由圖可知由圖可知 SUKUf33由于深度負反饋由于深度負反饋 由上面兩式由上面

6、兩式得得1UUf設設K2 = K3，則有，則有若使若使U3 = UD 331UKUS SUKUD22321UUUUD21UUUD即可以實現(xiàn)對即可以實現(xiàn)對U1的開方運算的開方運算 控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄11 4.1.3. DDZIII型開方器型開方器 DDZIII型開方器的作用是對型開方器的作用是對1 5VDC的輸?shù)妮斎胄盘栠M行開方運算，運算結果以入信號進行開方運算，運算結果以1 5VDC或或4 20 mADC輸出輸出 11 ioUKU運算關系式運算關系式控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄124.1.3.

7、1. DDZIII型開方器的構成型開方器的構成 DDZIII型開方器由輸入電路、開方運算電型開方器由輸入電路、開方運算電路、小信號切除電路及輸出電路等組成。路、小信號切除電路及輸出電路等組成。 開方器構成方框圖開方器構成方框圖輸入電路 N1開方運算電路比例放大電路N2小信號切除電路輸出電路控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄13 4.1.3.2. 電路分析電路分析（1）輸入電路輸入電路作用：減去與運算無關的零點電壓并將電路作用：減去與運算無關的零點電壓并將電路基準移動到內(nèi)部基準基準移動到內(nèi)部基準UB 為克服共為克服共模干擾，模干擾，輸入信號輸入信號采用差動

8、采用差動輸入方式輸入方式 控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄14 差動電路的輸出差動電路的輸出iUU11可求得可求得 同相端輸出同相端輸出 1)1 (1432221BaaUUURRRRRU11iUU由于由于 12111UUU所以所以 11BiUUU控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄15開方運算電路開方運算電路 開方運算電路是開方器的核心電路，用開方運算電路是開方器的核心電路，用于實現(xiàn)開方運算于實現(xiàn)開方運算它是由自激振蕩時間分割器和比例放大它是由自激振蕩時間分割器和比例放大電路兩部分組成的。電路兩部分組成的?？刂苾x表

9、和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄16自激振蕩時間分割器自激振蕩時間分割器 自激振蕩時間分割器圖自激振蕩時間分割器圖控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄17自激振蕩時間分割器電壓波形控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄18 比例放大電路比例放大電路 比例放大電路的作用是將自激振蕩時間分割器的輸出信比例放大電路的作用是將自激振蕩時間分割器的輸出信號號UD放大，其輸出信號放大，其輸出信號U3一方面送至小信號切除電路，一方面送至小信號切除電路，另一方面反饋至乘法電路另一方面反饋至乘法電路2，以

10、便實現(xiàn)開方運算，以便實現(xiàn)開方運算 +-A3R10R11R12C14UDUBU3 比例放大電路圖1111103)(RURRUD1111102RRRN設DUNU23則控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄19小信號切除電路小信號切除電路 U3 UL由于由于VT7的飽和壓降很小，可以忽略不計，的飽和壓降很小，可以忽略不計，所以此時的輸出為所以此時的輸出為 U4 = U3 而當而當U3 UL由于由于VT8的飽和壓降很小，可以忽略的飽和壓降很小，可以忽略不計不計 U4 = 0此電路可以實現(xiàn)信號的切除。此電路可以實現(xiàn)信號的切除。當輸入信號小于滿量程的當輸入信號小于滿量程

11、的1%（即（即Ui 1.04V）時，將開方）時，將開方器的輸出切除器的輸出切除而而當輸入信號大于或等于滿當輸入信號大于或等于滿量程的量程的1%時，輸出與輸入時，輸出與輸入之間呈開方運算關系。之間呈開方運算關系。 小信號切除電路圖 控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄20 輸出電路的作輸出電路的作用是將以用是將以UB為為基準的信號基準的信號U4轉換為以轉換為以0V為為基準的信號，基準的信號，同時加上同時加上1V的的零點值，并進零點值，并進行功率放大，行功率放大，最終得到整機最終得到整機輸出輸出Uo和和Io。 輸出電路輸出電路 輸出電路圖控制儀表和計算機控制裝

12、置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄21 4.1.3.3 整機特性整機特性在輸入信號大于在輸入信號大于1.04V時，時，U4 = U3 130UNUo將開方運算部分特性將開方運算部分特性11220UUNNUo1223UUNU 代入代入得得112ioUU最終得最終得1111220iioUKUUNNU令令2K控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄22 開方器原理電路圖開方器原理電路圖控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄23 4.2 積算器積算器積算器屬于顯示單元儀表，其作用是積算器屬于顯示單元儀表，其作用是對

13、輸入信號進行累計積算對輸入信號進行累計積算 比例積算器比例積算器 開方積算器開方積算器控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄24 4.2.1 積算的基本概念與原理積算的基本概念與原理 以流量累計積算為例，對于比例積算器，其輸入以流量累計積算為例，對于比例積算器，其輸入信號為與瞬時流量成正比的信號信號為與瞬時流量成正比的信號 流體總量可表示為流體總量可表示為 累計字數(shù)累計字數(shù)N用脈沖頻率積分表示用脈沖頻率積分表示 流體總量的積分流體總量的積分KNQ tfdtN0tqdtQ0從而得從而得 NfqQ 控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁

14、目目 錄錄25電流信號轉換為脈沖頻率信號電流信號轉換為脈沖頻率信號電流信號轉換為脈沖頻率信號可通過電容的充放電來電流信號轉換為脈沖頻率信號可通過電容的充放電來實現(xiàn)實現(xiàn) C兩端的電壓UC與充電電流之間的關系為 電流頻率轉換原理圖IiCS (a) 電容充放電原理電路圖 (b) 電容充放電波形圖UaUCttiCdtICU01控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄26tCIdtCIUitiC0TCIUiaaiUCITf1由由得得充電電流與脈沖頻率充電電流與脈沖頻率的關系示意圖的關系示意圖TtUaUCTtU（a） 充電電流小TtUaUCtUT（b） 充電電流大控制儀表

15、和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄274.2.2 4.2.2 比例積算器比例積算器 比例積算器的作用是將比例積算器的作用是將15VDC信號轉換為信號轉換為010PPS(Pulses Per Second)的脈沖信號，經(jīng)整的脈沖信號，經(jīng)整形及功率放大后驅動計數(shù)器轉動，實現(xiàn)對輸入形及功率放大后驅動計數(shù)器轉動，實現(xiàn)對輸入信號的累計積算。信號的累計積算。 HT2012功能框圖 控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄282.2.1 2.2.1 比例積算器的構成原理比例積算器的構成原理 它由輸入電路、積分電路、比較電路、它由輸入電路、積分

16、電路、比較電路、整形電路及步進電機驅動電路等幾部分組成整形電路及步進電機驅動電路等幾部分組成 輸輸 入入電電 路路比較比較電路電路整形整形電電 路路積分積分電路電路步進步進電機電機驅動驅動電路電路積算積算計數(shù)器計數(shù)器Uo1UiUo2比例積算器構成框圖比例積算器構成框圖控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄294.2.2.2 電路分析電路分析 （1）輸入電路）輸入電路 (2) U / f轉換電路轉換電路 （3）脈沖整形及步進電機驅動電路）脈沖整形及步進電機驅動電路 控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄30輸入電路為差動輸入

17、電平移動兼減輸入電路為差動輸入電平移動兼減1V電路其電路電路其電路如圖所示如圖所示 輸入電路輸入電路 -+A1+R1R4R3R2R30R29C2UBUiC3UO1 輸入電路圖控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄31差動輸入運放輸出為ioURRU1211同相端輸出為 BBoURRRURRRRRRRRU2930302930301243321)1 (于是得 BioURRRURRU) 1(302930121以0V為基準的與以UB為基準的Uo1有如下關系 BooUUU11控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄32 U / f轉換電

18、路 U / f轉換電路的作用是將輸入電路的輸出信號Uo1轉換為鋸齒波脈沖信號，且該鋸齒波脈沖的頻率與Uo1成正比 U-f轉換器電路圖R28V7R6-+A2+-+A3+R9C8C7C5C4R7W3C6R5UBUBUO2W2UBR24Uo1UaV1R26RCRb控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄33U / f轉換電路UaUBUo2tUa0UT3t U/f轉換器輸出波形圖Uo1為為階躍輸入階躍輸入tCRUUoo5612當當Uo2 = Ua時，時，t = T1可得鋸齒波脈沖信號的頻率為 ：1561TCRUUoa1561oaUUCRT|1156011aUCRUTT

19、f控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄34脈沖整形及步進電機驅動電路 脈沖整形及步進電機驅動電路的作用是將U-f轉換電路輸出的010Hz鋸齒波信號轉換為010Hz的方波信號，經(jīng)功率放大并倍頻后推動計數(shù)器的步進電機轉動 脈沖整形與輸出電路圖控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄35脈沖整形電路 脈沖整形電路的作用是將鋸齒波信號Uo2轉換為同頻率的方波信號Uo4，以便用作計數(shù)器的步進電機控制信號。 Uo2與Uo4的波形對應關系如圖4-21所示。0Uo2 (V)t-90Uo4 (V)t13 脈沖整形電路輸出波形圖UT4控制儀表

20、和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄36步進電機驅動電路 步進電機驅動電路的作用是對脈沖整步進電機驅動電路的作用是對脈沖整形電路的輸出信號形電路的輸出信號Uo4進行功率放大，進行功率放大，同時具有倍頻作用，將同時具有倍頻作用，將010Hz的方波的方波信號轉換為信號轉換為020Hz的步進電機驅動信的步進電機驅動信號。號。所以，該電路也稱為所以，該電路也稱為 脈沖倍頻及功率脈沖倍頻及功率放大電路。放大電路?？刂苾x表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄37積算計數(shù)器 積算計數(shù)器是積算器的顯示單元，它是由步進電機及由步進電機帶動的一套機械傳動

21、機構和計數(shù)字輪組成的。其構成如圖所示。步進電機步進電機ABC999999交換齒輪交換齒輪 積算計數(shù)器圖控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄38 開方積算器作用：作用：先對輸入信號（通常來自變壓器）進行開方運算，再對經(jīng)過處理的信號進行比例積算。所以，開方積算器可以看成由開方器和所以，開方積算器可以看成由開方器和積算器共同組成的積算器共同組成的控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄394.3 輔助單元儀表輔助單元儀表 4.3.1 安全柵安全柵安全柵是構成安全火花防爆系統(tǒng)的關鍵儀表，其作用是：一方面保證信號的正常傳輸，另一方面

22、控制流入危險場所的能量在爆炸性氣體或爆炸性混合物的點火能量以下，以確保系統(tǒng)的安全火花性能。常用的安全柵有兩種，一種是齊納式安全柵，一種是隔離式安全柵。 控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄404.3.1.1齊納式安全柵齊納式安全柵 齊納式安全柵是基于齊納二極管反向擊穿特性來工作的，其原理線路如圖所示。圖中：VZ1和VZ2為齊納二極管，F(xiàn)為快速熔斷器，R為限流電阻。 齊納式安全柵原理電路圖控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄414.3.1.2 隔離式安全柵隔離式安全柵（1）檢測端安全柵 檢測端安全柵用于為兩線制變送器進行隔離式供電，并將變送器送來的420mADC信號轉換成隔離的且與之成正比的420mADC或15VDC的信號，而且在故障狀態(tài)下，可限制其電流和電壓值，使進入危險場所的能量限制在安全額定值以下。 控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄42隔離式安全柵隔離式安全柵（2