氣動儀表的主要元部件及主要環(huán)節(jié)

1、第二節(jié) 船用自動化儀表基本知識ST本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容 ：氣動儀表主要元部件及主要環(huán)節(jié)氣動儀表主要元部件及主要環(huán)節(jié) 氣動變送器氣動變送器氣動顯示儀表氣動顯示儀表氣動調(diào)節(jié)器氣動調(diào)節(jié)器執(zhí)行機構(gòu)及氣動儀表管理要點執(zhí)行機構(gòu)及氣動儀表管理要點 o 自動化儀表基本知識o 1、組成自動控制系統(tǒng)的各種儀表： 變送器、顯示儀表、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行機構(gòu)及輔助儀表等。o 2、分類： 按結(jié)構(gòu)：基地式儀表：測量儀表、顯示儀表、調(diào)節(jié)器組裝成一個整體。不用統(tǒng)一信號。 單元組合式儀表：控制系統(tǒng)的各種功能都分別用獨立儀表來實現(xiàn)，并統(tǒng)一信號。 按能源：電動調(diào)節(jié)儀表（信號4-20mA或0-10mA）、氣動調(diào)節(jié)儀表（0.02-0.1M

2、Pa，1MPa=10公斤）船用自動化儀表一、自動化儀表的主要品質(zhì)指標(biāo)一、自動化儀表的主要品質(zhì)指標(biāo) 實際應(yīng)用中，儀表測量值與真實值之間總是存在一實際應(yīng)用中，儀表測量值與真實值之間總是存在一定差別，習(xí)慣上成為誤差。定差別，習(xí)慣上成為誤差。o 誤差：測量值與真值之間的差別1、按誤差性質(zhì)基本誤差：儀表本身缺陷造成（間隙、摩擦、刻度不均或分度不準(zhǔn)）附加誤差：儀表使用條件的影響（環(huán)境溫度、濕度、振動）2、按數(shù)值表示 絕對誤差：又稱指示誤差，被測量值A(chǔ)與真值A(chǔ)0之差=A-A0；不能完全反應(yīng)儀表的精度。 相對誤差：絕對誤差占指示值的百分數(shù)，能反應(yīng)儀表精度。 4、精度：最大指示誤差max占量程（最大測量范圍）的

3、百分數(shù)精度等級0：精度除掉百分號（0.1，0.2，0.35級用于標(biāo)準(zhǔn)儀表）5、靈敏度：儀表對輸入信號開始有反應(yīng)的靈敏程度x：輸入變化量y：輸出變化量 儀表的靈敏度越大，越能測出微小的輸入變化。所以，一般小量程儀表的靈敏度比大量程的靈敏度大。6、 不靈敏區(qū)不靈敏區(qū)：儀表活動部件的摩擦、間隙、彈性元件的滯后使輸入信號有微小變化而輸出仍然不變。 靈敏限靈敏限：引起儀表輸出微小變化所需輸入量的最小變化值。（一般認為：不靈敏限等于1/2不靈敏區(qū)） 變差變差：外界條件不變，多次從不同方向輸入同一真值，儀表指示值之間的最大誤差（即儀表在同一測量點，其正行程和反行程指示值之差）。 所以：不靈敏區(qū)用輸入量的變化

4、表示，而變差以輸出量的變化表示。儀表的不靈敏區(qū)、靈敏限、變差二、 氣動儀表的主要元部件及組成原理ST1、彈性元件：位移隨外力大小成比例變化，比例系數(shù)取決于元件的彈性大小，與輸入輸出無關(guān)。1、彈性支承元件：用于支撐平衡或增強彈性敏感元件的剛度2、彈性敏感元件：將承受的壓力、軸向推力轉(zhuǎn)變成位移信號 螺旋彈簧螺旋彈簧 片簧片簧非金屬膜非金屬膜 金屬膜片金屬膜片波汶管波汶管FP（一）、主要元部件：（一）、主要元部件：彈性元件、節(jié)流元件、氣體容室、噴嘴彈性元件、節(jié)流元件、氣體容室、噴嘴擋板機構(gòu)和功率放大器擋板機構(gòu)和功率放大器等等F彈性敏感元件P：輸入波紋管的氣壓信號Fe:波紋管的有效面積 E:波紋管和支

5、撐彈簧的總剛度S：輸出量、波紋管的位移波汶管波汶管膜片 彈簧管o （1） 彈性特性 彈性元件在彈性變形范圍內(nèi)，其變形與作用力成正比。 F=C F軸向力 位移 C彈性元件的剛度o 剛度大則同樣外力產(chǎn)生的變形位移小，即靈敏度低彈性元件的基本特性：彈性特性及有效面積o（2） 有效面積 彈性元件的輸出力與承受力之比。 對于氣室中承受壓力的彈性元件，其有效面積一般不等于其截面幾何面積，如：膜片的有效面積小于其幾何面積； 波紋管的有效面積大于其頂面幾何面積。面積在彈性變形范圍內(nèi)，其變形與作用力成正比。o 支承元件：螺旋彈簧，片簧等 用于支承、平衡或增強彈性敏感元件的剛度、調(diào)整的彈性敏感元件初始位置。o 特

6、點：剛度大、靈敏度較大。對軸向推力變化反應(yīng)敏感。彈性元件的分類： 彈性支承元件、彈性敏感元件 彈性元件的壓縮變形比拉伸變形具有更好的線性關(guān)系，實際使用波紋管時常采用預(yù)壓縮的方法。o 敏感元件敏感元件:膜片，波紋管，彈簧管，膜盒膜片，波紋管，彈簧管，膜盒 將承受的壓力轉(zhuǎn)換成位移信號。將承受的壓力轉(zhuǎn)換成位移信號。o 特點：剛度小、靈敏度較大。對軸向推力變化反應(yīng)敏感。P1P2膜盒膜盒壓力表工作原理被測量介質(zhì)的壓力從接頭進入膜盒內(nèi)腔，波紋膜盒在被測介質(zhì)的壓力作用下，產(chǎn)生相應(yīng)的彈性變形受壓而產(chǎn)生位移，通過連桿機構(gòu)帶動機芯齒輪旋轉(zhuǎn)，指針指示出被測壓力值在表盤上指示出來 ST2、節(jié)流元件：作用阻礙氣體流動、

7、產(chǎn)生壓降、改變流量 恒節(jié)流孔式（毛細管式和小孔式）： 流通面積不變恒氣阻 變節(jié)流孔式（圓錐-圓錐型、圓錐-圓柱型、圓球-圓錐型）：流通面積可調(diào)可調(diào)氣阻（調(diào)整比例帶、積分時間、微分時間） 常用變節(jié)流孔組成變節(jié)流閥氣阻R：節(jié)流元件對氣體流動阻礙作用的大小，恒節(jié)流孔內(nèi)徑不能改變，氣阻不能改變。流量G壓降P恒節(jié)流孔圓錐-圓錐型圓柱-圓柱型圓球-圓錐型符號：G特點： 輸入量為氣體流量，輸出量為氣容氣壓3、氣體容室、氣體容室 ：儲存或放出氣體，對壓力變化起慣儲存或放出氣體，對壓力變化起慣性作用性作用定容氣室積分氣容C：氣體容室內(nèi)，每升高一單位的壓力所需的空氣質(zhì)量。彈性氣室微分：在空腔中加入波紋管，其氣室體

8、積隨波紋管壓力的變化而變化P0Pp氣容不變 氣容改變 彈性氣室在充放氣過程中氣容是變化的。ST4、噴嘴擋板機構(gòu)：把擋板微小的位移轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的氣壓信號。背壓室 輸出壓力P隨噴嘴擋板的開度h成比例變化噴 嘴 擋 板 機 構(gòu) 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖噴 嘴 擋 板 機 構(gòu) 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖1）結(jié)構(gòu)：恒節(jié)流孔恒節(jié)流孔背背 壓壓 室：恒節(jié)流孔與室：恒節(jié)流孔與噴嘴的氣室噴嘴的氣室噴噴 嘴：噴嘴軸嘴：噴嘴軸心與擋板垂直。心與擋板垂直。擋板與噴嘴具有擋板與噴嘴具有良好密封性良好密封性擋擋 板板不同擋板開度不同擋板開度對應(yīng)不同的背對應(yīng)不同的背壓室壓力壓室壓力氣源噴嘴孔徑噴嘴孔徑D 恒節(jié)流孔直徑恒節(jié)流孔直徑d0.14

9、MPahdD0.10MPa0.02MPa1022h(um)MPa噴嘴擋板機構(gòu)的靜特性噴嘴擋板機構(gòu)的靜特性Ph2）噴嘴擋板機構(gòu)的靜特性：背壓室壓力p (輸出量)與擋板開度h(輸入量)之間的一一對應(yīng)關(guān)系ab0.14MPa 擋板全關(guān)（擋板全關(guān)（h=0），背壓室輸出壓力），背壓室輸出壓力接近氣源壓力；接近氣源壓力； 擋板全開（擋板全開（hD/4），背壓室輸出壓），背壓室輸出壓力接近大氣壓力。力接近大氣壓力。ab段是靜特性曲線的線性段（陡）對應(yīng)段是靜特性曲線的線性段（陡）對應(yīng)輸出壓力輸出壓力0.020.10MPa作為工作段作為工作段 P=K1h K1 :ab兩點間的平均斜率兩點間的平均斜率P：背壓室壓力

10、的變化：背壓室壓力的變化h：擋板開度的變化：擋板開度的變化5、氣動功率放大器 噴嘴擋板 機構(gòu)輸出流量小，壓力信號衰減大，難推動執(zhí)行機構(gòu)。 需要串聯(lián)氣動功率放大器。非耗氣型功率放大器（流量放大）1、2-橡膠膜片；3-彈簧；4-錐形彈簧；5-閥桿；6-球閥座；7-錐閥座輸入氣源輸出DCBA46123570.14MPa大氣大氣1、只放大流量耗氣型：對輸入信號成比例放大（流量、壓力放大） 1、輸入信號、輸入信號Pd=大氣壓力時，金屬膜片2與閥桿之間存在間隙Sb 當(dāng)當(dāng)Pd增大到P0時，間隙S=0即視圖I2、當(dāng)Pd由P0繼續(xù)增大到Pa時需克服彈簧片3的預(yù)緊力及氣源對球閥的作用力，膜片2與閥桿均不產(chǎn)生位移。

11、即視圖II/33、只有Pd大于Pa時，放大器工作在斜率III（放大器的工作段）輸出輸出輸入氣源輸入氣源Pd錐閥（控制排氣量）球閥4： 控制進氣量 大氣壓力大氣壓力A BC金屬膜片2（設(shè)定有效面積F，則膜片承受的軸向推力： Pd * F ）彈簧片3 輸入壓力Pd增大克服金屬膜片2和彈簧片3的張力使閥桿下移，球閥開大錐閥關(guān)小導(dǎo)致B室壓力增大，空氣流量增大：因此閥桿位移S決定放大器輸出壓力的大小STIIIIIISPdFP0Pa（起步壓力）2）輸出特性 ：推力與膜片位移的關(guān)系 A起步壓力I：克服金屬膜片與閥桿之：克服金屬膜片與閥桿之間存在的初間隙間存在的初間隙Sb，金屬膜金屬膜片下移使間隙減小直到輸片

12、下移使間隙減小直到輸入壓力入壓力Pd=P0時，間隙為時，間隙為0。II：克服彈簧片及氣源對：克服彈簧片及氣源對球閥的作用力，輸入增加，球閥的作用力，輸入增加，但膜片無位移但膜片無位移。III：放大器的工作段，：放大器的工作段，B點始點始閥桿下移，開大球閥閥桿下移，開大球閥關(guān)小錐閥，放大器開始有關(guān)小錐閥，放大器開始有輸出。輸出。B注意：注意：A轉(zhuǎn)折點，取決于金屬膜片的剛度以及初間隙的大小轉(zhuǎn)折點，取決于金屬膜片的剛度以及初間隙的大小B起步壓力，取決于彈簧片及氣源對球閥的作用力起步壓力，取決于彈簧片及氣源對球閥的作用力該工作段，閥桿位移量該工作段，閥桿位移量S正比于輸入壓力正比于輸入壓力變化量變化量

13、Pd，放大器的輸出壓力變化量放大器的輸出壓力變化量P出出與閥桿位移量與閥桿位移量S成比例，所以：成比例，所以：P出出=K2 Pd請思考請思考:放大倍數(shù)放大倍數(shù)K2的影響因素？金屬膜片有效的影響因素？金屬膜片有效面積、彈性組件剛度、放大器的結(jié)構(gòu)因素面積、彈性組件剛度、放大器的結(jié)構(gòu)因素第二階段：第二階段：當(dāng)當(dāng)P Pi i P P0 0 時，由于時，由于P Pi i FFP Pa aF F后，閥桿開始有位后，閥桿開始有位移。移。 SS00P0FPaFPiF 第一階段：第一階段：P Pi i = =大氣壓力時，膜片大氣壓力時，膜片與閥桿端有一定間隙與閥桿端有一定間隙S S0 0 ，當(dāng)當(dāng)P Pi i 時

14、，使時，使S S0 0。當(dāng)當(dāng)P Pi i = P = P0 0 時，時，S S0 0=0=0（膜片正好與閥桿接觸），這一段膜片正好與閥桿接觸），這一段閥桿無位移閥桿無位移o 氣動調(diào)節(jié)儀表中，氣動功率放大器分兩種，一種是耗氣型功率放大器，一種是非耗氣型功率放大器。 耗氣型功率放大器和非耗氣型功率放大器的相同點是：它們都是功率放大器，在氣動儀表中用得都很廣泛。 耗氣型功率放大器和非耗氣型功率放大器的不同點如下。 （1）非耗氣型放大器是基于力平衡原理工作的。穩(wěn)定時，輸入信號（背壓）產(chǎn)生的力和輸出信號產(chǎn)生的反饋力相平衡，放大系統(tǒng)有反饋作用，呈閉環(huán)式；工作時，兩個活門基本上都處于關(guān)閉狀態(tài)，耗氣量很小，故

15、稱非耗氣式功率放大器。 （2）耗氣型放大器是基于位移平衡原理工作的。輸入信號（背壓）作用于膜片，使其產(chǎn)生位移，再以膜片位移和剛度的乘積，即彈性元件的彈力與輸入力相平衡，所以這種放大系統(tǒng)呈開環(huán)式。穩(wěn)態(tài)時，兩個活門都有一定的開度，總有一部分空氣排大氣，故稱耗氣型功率放大器。 （3）非耗氣型放大器的壓力不進行放大，耗氣型放大器的壓力、流量都進行放大。 氣動儀表的組成原理設(shè)定值反饋值K -H反饋環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)放大環(huán)節(jié)：要求具有較高的靈敏性和足夠大的的功率輸出PsrPEPsc+二、氣動儀表的基本環(huán)節(jié)二、氣動儀表的基本環(huán)節(jié) 氣動儀表有三個環(huán)節(jié)：放大氣動儀表有三個環(huán)節(jié)：放大(信號放大信號放大)、反、反饋（實現(xiàn)

16、不同的調(diào)節(jié)作用規(guī)律）、比較（輸入與饋（實現(xiàn)不同的調(diào)節(jié)作用規(guī)律）、比較（輸入與反饋信號比較）反饋信號比較） 放大環(huán)節(jié)放大環(huán)節(jié)：噴嘴擋板機構(gòu)（一級）輸出端串聯(lián)氣動功率放大器（二級）噴嘴擋板機構(gòu)（一級）輸出端串聯(lián)氣動功率放大器（二級） 氣動功率放大器的起步壓力：放大器輸出信號氣動功率放大器的起步壓力：放大器輸出信號0.02-0.1MPa，最大變化量，最大變化量0.08。對應(yīng)放大器最小輸出壓力。對應(yīng)放大器最小輸出壓力0.02MPa對應(yīng)對應(yīng)放大器的輸入壓力（即放大器的輸入壓力（即噴嘴擋板機構(gòu)的輸出值噴嘴擋板機構(gòu)的輸出值就是放大器的起步壓力。就是放大器的起步壓力。 起步壓力的調(diào)整：使放大器工作在噴嘴擋板機

17、構(gòu)靜特性起步壓力的調(diào)整：使放大器工作在噴嘴擋板機構(gòu)靜特性曲線曲線很小范圍、最接近線性的很小范圍、最接近線性的部分（斜率最大的中間段）。部分（斜率最大的中間段）。 調(diào)整方法：調(diào)換剛度不同的金屬膜片，改變彈簧片的預(yù)調(diào)整方法：調(diào)換剛度不同的金屬膜片，改變彈簧片的預(yù)緊力。（剛度越大、預(yù)緊力越大，則起步壓力越大）緊力。（剛度越大、預(yù)緊力越大，則起步壓力越大）1、放大環(huán)節(jié) 二級氣動功率放大器二級氣動功率放大器輸出輸出輸入輸入錐閥（排大氣量）球閥：B室 進氣量 大氣ABC金屬膜片彈簧片 變節(jié)流孔最陡線性度最好精度高靈敏度好穩(wěn)定性好2、啟動儀表的反饋環(huán)節(jié)（1）節(jié)流分壓器：又稱節(jié)流通室，由可調(diào)氣阻）節(jié)流分壓器：

18、又稱節(jié)流通室，由可調(diào)氣阻R 流通氣室及恒節(jié)流孔串聯(lián)組成流通氣室及恒節(jié)流孔串聯(lián)組成P0流通氣室P1P2 阻值R可調(diào)氣阻可調(diào)氣阻RF（變節(jié)流孔）恒節(jié)流孔恒節(jié)流孔兩個氣阻工作在層流狀態(tài)，層流（laminar flow）是流體的一種流動狀態(tài)，它作層狀的流動。流體的流速在管中心處最大，其近壁處最小。在穩(wěn)定狀態(tài)下，可調(diào)氣阻的流量G1=恒節(jié)流孔的流量G2,則P1=K*P0即P1隨P0成比例變化。 RF=0（全開），（全開），K=1 RF（全關(guān)），（全關(guān)），k0改變節(jié)流閥的可調(diào)氣阻，使改變節(jié)流閥的可調(diào)氣阻，使K在在0-1之間變之間變化。化。節(jié)流分壓器可以調(diào)整 （調(diào)節(jié)器）的比例帶。（2）節(jié)流盲室）節(jié)流盲室積分環(huán)

19、節(jié)積分環(huán)節(jié)類似于控制對象的動態(tài)特性：輸入突變時，輸出的變化滯后于輸入的變化，并按指數(shù)規(guī)律趨近于輸入值。組成：在節(jié)流元件（使流通面積局部收縮）后面串聯(lián)一個定組成：在節(jié)流元件（使流通面積局部收縮）后面串聯(lián)一個定容氣室容氣室C（盲室）（盲室）輸入輸入Pi， 輸出輸出P0進入盲室的空氣流量進入盲室的空氣流量G=流經(jīng)氣阻的流量，流經(jīng)氣阻的流量，即即T=RC，T是該環(huán)是該環(huán)節(jié)的時間常數(shù)。節(jié)的時間常數(shù)。因為因為T=CR,氣容氣容C固定不變固定不變 調(diào)整調(diào)整R改變時間改變時間常數(shù)：常數(shù)：R=0（全開），積分時間小，輸出變化快（全開），積分時間小，輸出變化快R（全關(guān)），積分時間長，輸出變化慢（全關(guān)），積分時間長，輸出變化慢p0piR節(jié)流盲室Psr輸出PscR0PscPsrt比例輸出部分慣性環(huán)節(jié)輸出部分（3）比例慣性環(huán)節(jié)）比例慣性環(huán)節(jié)比例微分比例微分彈性氣室波紋管EPsc由彈性氣室、波紋管、可調(diào)氣阻組成由彈性氣室、波紋管、可調(diào)氣阻組成 輸入階躍上升，彈性氣室中的波紋管立即伸長，輸入階躍上升，彈性氣室中的波紋管立即伸長，排擠彈性氣室的氣體使輸出立即升高（比例環(huán)節(jié)