-氣動儀表基本知識課件

1、3-1 氣動儀表基本知識3-1 氣動儀表基本知識 一、氣動儀表的基本元件 包括：彈性元件、節(jié)流元件、氣室、噴咀檔板機構(gòu)和功率放大器 1彈性元件 分兩類：彈性敏感元件 將所受的壓力或軸向推力轉(zhuǎn)變成位移信號。 包括波紋管、金屬膜片和膜盒、彈簧管、橡膠膜片等 彈性支承元件 用于增加彈性敏感元件的剛度，確定彈性敏感元件的初始位置及儀表調(diào)零等。包括柱簧、片簧等常用彈性元件（1）剛度和靈敏度 剛度E彈性元件產(chǎn)生單位位移變形所需的軸向力，表示彈性元件的軟硬程度。 E=N/S 靈敏度單位外力作用下，彈性元件所產(chǎn)生的位移變形，即： =1/E 彈性元件的剛度E靈敏度 在氣動儀表工作范圍內(nèi)，彈簧管、波紋管、金屬膜片

2、或膜盒的位移與推力近似為線性關(guān)系，即E=常數(shù)，而橡膠膜片在小的工作范圍時，E0。（2）彈性靈敏元件的有效面積Fe N=PFe Fe 有效面積 一般Fe幾何面積D2/4，通常Fe 幾何面積 在彈性元件的彈性范圍內(nèi)，通常Fe =常數(shù)，實際應(yīng)用中對彈性元件的處理： 在安裝波紋時，采用預(yù)壓縮方法 金屬膜片制成波紋狀； 采用多圈彈簧管。 橡膠膜片制成波紋狀，中間加硬芯增大剛度 橡膠膜片多用于有無氣壓信號的瞬間動作可增大線性使用范圍2、節(jié)流元件 節(jié)流元件用以阻礙氣體流動，產(chǎn)生壓力降或改變空氣流量 表示節(jié)流元件特性的參數(shù)： 氣阻R氣體在節(jié)流元件兩端產(chǎn)生的壓降與氣體流量間的關(guān)系。表示節(jié)流元件對氣體流動阻礙能力

3、的大小。 若節(jié)流孔中為層流流動，則： R=P/G 或 P=GR 節(jié)流元件的種類恒節(jié)流孔和變節(jié)流孔（1）恒節(jié)流孔恒氣阻或固定氣阻 毛細管式d=0.180.3mm的不銹鋼或玻璃鋼管 小孔式長4mm，孔徑有0.25、0.3、0.5幾種規(guī)格。 （2）變節(jié)流孔流通面積（氣阻R）可調(diào)整。 圓錐圓錐型 常見形式 圓柱圓錐型 圓球圓錐型 用途：用變節(jié)流孔組成變節(jié)流閥 用于調(diào)整比例帶，積分時間和微分時間3氣體容室（氣容） 作用：在氣路中能貯存或放出氣體 對壓力變化起慣性作用。 種類：定容氣容氣室容積是固定的。 彈性氣容氣室容積隨壓力而變。 氣容C：氣體容室內(nèi)每升高單位壓力所需增加的空氣量，表示氣容 貯存空氣能力

4、大小。 C=dm/dP 氣容C的大小取決于氣容的體積V，V升高單位壓力所需的空氣量貯存空氣能力氣容C 對于定容氣室：C=常數(shù)； 對于彈性氣室：V可變，C常數(shù)。 ppmm氣體容室儲蓄特性 由： 所以：則傳遞函數(shù)為： 4、噴咀檔板機構(gòu)組成恒氣阻(橫節(jié)流孔1）+背壓室2+噴咀檔板（噴嘴3+擋板4）串聯(lián)而成 作用將檔板相對于噴咀的微小位移轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的氣壓信號，相當于變氣阻單元。 是氣動儀表最基本最精密的元件 是一放大系數(shù)很大的放大環(huán)節(jié)。噴咀檔板機構(gòu)靜特性 在穩(wěn)定工況時背壓室的輸出壓力P與檔板位移h之間的關(guān)系 當檔板蓋住噴咀時（h=0），理論上應(yīng)有P=P0=0.14MPa。實際上由于加工精度限制（漏氣）

5、使P略低于P0 當檔板離開噴咀一定距離時，h的變化將不再引起壓力P的變化。檔板與噴咀間形成的氣流出口是一小圓柱側(cè)面的形狀，當其面積d2h=咀孔流通面積d22/4時，檔板不再起節(jié)流作用這時h=d2/4 當hd2/4時，理論上P=Pb（大氣壓力），但實際上由于氣流對檔板的沖量作用，使P偏高于大氣壓力 當h=0d2/4.時，hP，呈非線性關(guān)系，但在噴咀檔板機構(gòu)的工作范圍（P=0.02 0.1MPa）內(nèi)，即ab段可近似當成線性關(guān)系，這樣有： P=K1h 是一比例環(huán)節(jié)。 K1 ab段的平均斜率。自學(xué)教材P95：23、24、26、27、32、43、44、45、46、61、78 5、氣動功率放大器 噴咀檔板

6、機構(gòu)中，恒節(jié)流孔徑很?。╠1 =0.150.3mm），工作時輸出氣量少，不能直接推動執(zhí)行機構(gòu)（也很難遠距離傳送），所以在噴咀檔板機構(gòu)后要加一功率放大器（進行流量或流量壓力放大），兩者一起又稱二級功率放大。 耗氣型氣動功率放大器 起流量和壓力放大作用。組成：放大氣路兩變節(jié)流閥球閥：控制來自氣源的進氣量（較小位移時， G變化大，滿足大流量的要求）。錐閥：控制排氣量彈性元件金屬膜片+彈簧片使閥桿產(chǎn)生位移 當P閥桿下移開大球閥關(guān)小錐閥，流量放大（進氣量排氣量）Pout?？梢姡洪y桿位移的大小決定輸出壓力大小 設(shè)輸入壓力為Pi ，金屬膜片面積為F，推力PiF與位移S的關(guān)系分三個階段 SS00P0FPaFP

7、iF第二階段：當Pi P0 時，由于Pi FPaF后，閥桿開始有位移。 SS00P0FPaFPiF 第一階段：Pi =大氣壓力時，膜片與閥桿端有一定間隙S0 ，當Pi 時，使S0。當Pi = P0 時，S0=0（膜片正好與閥桿接觸），這一段閥桿無位移Pa放大器起步壓力（27.33Kpa） 換用不同剛度膜片和彈簧片可調(diào)整Pa 當P閥桿位移S與Pi成正比稱為放大器的工作段。此段內(nèi)：輸出壓力增量P出=K2Pi比例環(huán)節(jié)。 K2放大器放大倍數(shù)（取決于膜片有效面積F及彈性組件剛度）自學(xué)教材P98：47、48、49、50、52、55二、氣動儀表的基本環(huán)節(jié) 氣動儀表的三個基本組成環(huán)節(jié) 放大環(huán)節(jié) 反饋環(huán)節(jié) 比較

8、環(huán)節(jié)放大環(huán)節(jié)反饋環(huán)節(jié)輸入信號反饋信號比較信號輸出信號+-1、氣動儀表的放大器二級氣動功率放大器。 在噴嘴擋板機構(gòu)中的輸出端，串聯(lián)一個氣動功率放大器，稱為二級氣動功率放大器。 噴嘴擋板是一級放大。下圖是其原理圖。 輸入與輸出之間的關(guān)系PB=K h（K=K1 K2） K1是噴嘴擋板機構(gòu)的放大倍數(shù) K2是耗氣型氣動放大器的放大倍數(shù) 1、氣動儀表的放大器二級氣動功率放大器。 一般輸出PB=0.020.1MPa，P=0.08MPa 假設(shè)功率放大器的壓力放大系數(shù)為10，則噴咀檔板機械的輸出壓力的最大變化范圍為0.08/10=0.008，它只占噴咀檔板機構(gòu)的靜特性曲線很小的一段ab Pb起步壓力。如起步壓力

9、Pb調(diào)整適當，放大器工作特性曲線最徒，最接近于直線的部分ab，使儀表具有較高的靈敏度、精度和工作穩(wěn)定性 如Pb調(diào)整過高或過低，則放大器工作在ab或ab段，各點斜率不同。h變化大，靈敏度，穩(wěn)定性 調(diào)整起步壓力Pb的方法：調(diào)換剛度不同的金屬膜片或改變彈簧片預(yù)緊力2、氣動儀表的反饋環(huán)節(jié)（1）節(jié)流分壓室（節(jié)流通室） 由可調(diào)氣阻RF、流通氣室p1及節(jié)流孔R串聯(lián)而成。兩個氣阻都工作于層流，流通氣室面積很小，可不計它對壓力變化的慣性影響。 （1）節(jié)流分壓室（節(jié)流通室） 流通氣室壓力p1（輸出量）與控制信號壓力p0和p2（節(jié)流分壓器的輸入量）間的關(guān)系分析（一般p2是大氣壓力）： 根據(jù)氣體流動的連續(xù)性原理，在穩(wěn)

10、定情況下通過可調(diào)氣阻RF的流量G1必定等于通過恒節(jié)流孔R的氣體流量G2，如果氣體密度在節(jié)流前后保持不變，則：如果P2通大氣，即P2=0，則：K=R/（RF+R），RF不變時，K=常數(shù)，P1與P0成正比。 變節(jié)流閥全開，RF=0，P1=P0 變節(jié)流閥全關(guān)，RF=，P1=0 改變RF，可使K=01。 應(yīng)用：節(jié)流分壓器與1：1跟蹤器配合使用，可用來調(diào)整比例帶 （2）節(jié)流盲室 節(jié)流盲室是在節(jié)流元件（可調(diào)氣阻或恒氣阻）之后串聯(lián)一個定容氣室（盲室）構(gòu)成。如圖所示。 Pi是節(jié)流盲室的輸入量 PO是輸出量 R表示節(jié)流元件氣阻 pip0R（2）節(jié)流盲室經(jīng)過氣室的氣流量等于進入盲室的空氣量，即：dm=CdPo d

11、m/dt=G是進入盲室的空氣流量，這個空氣流量就等于流經(jīng)氣阻的流量（Pi-P0）/R，T=RC。 可見，節(jié)流盲室是一個慣性環(huán)節(jié)，T是該環(huán)節(jié)的時間常數(shù)。pip0R傳遞函數(shù)：這是一個一階慣性環(huán)節(jié)。如果Pi是一階躍變化，則： 變化速度取決于時間常數(shù)T=RC，其中C為常數(shù)，故改變氣阻R即可調(diào)整T，TP0變化越慢。 在實際應(yīng)用中，常將節(jié)流盲室置于調(diào)節(jié)器的正反饋回路中，得到積分作用，此時改變氣阻值就可調(diào)整積分時間。PsrE/Psc（3）比例慣性環(huán)節(jié) 組成：彈性氣室（波紋管E與殼體之間的腔室）、波紋管E/、可調(diào)氣阻R及連接管路。Psr是輸入量，Psc是輸出量。其工作情況與節(jié)流盲室相近，不同的是：節(jié)流盲室E的

12、容積是變化的，Psr的變化會引起波紋管E的伸縮，盲室的容積隨之變化，C常數(shù)作用于節(jié)流盲室E的氣路有兩條通道： 一條是Psr經(jīng)過可調(diào)氣阻R對盲室充放氣； 另一條是波紋管E伸縮造成擠排作用對彈性氣室形成的通道。 特性曲線 Psr 首先擠壓氣室E，使Psc突增比例作用 Psr經(jīng)R不斷向Psc充氣，Psc，而E逐漸收縮，直到Psc=Psr為止慣性充氣環(huán)節(jié) 氣動調(diào)節(jié)器中，常用比例慣性環(huán)節(jié)作負反饋，實現(xiàn)實際比例微分作用。3、氣動儀表的比較環(huán)節(jié) 按線性疊加原理工作。比較環(huán)節(jié)的輸出等于各輸入信號的代數(shù)和，各信號的變化調(diào)整互不影響 按平衡原理有三種形式： （1）位移平衡式 反饋信號產(chǎn)生的檔板位移與輸入信號產(chǎn)生的

13、檔板位移相平衡（先大后小，有一微小變化，可不計） （2）力平衡式 反饋信號產(chǎn)生的力與輸入信號產(chǎn)生的力相平衡。（比較環(huán)節(jié)幾乎無位移）誤差小 （3）力矩平衡式 反饋信號產(chǎn)生的力矩與輸入信號產(chǎn)生的力矩相平衡，精度高小結(jié)：節(jié)流分壓器/室：比例作用；調(diào)節(jié)氣阻可調(diào)節(jié)其比例帶，負反饋節(jié)流盲室：是一個慣性環(huán)節(jié)，作正反饋環(huán)節(jié)實現(xiàn)積分作用改變氣阻改變積分時間比例慣性環(huán)節(jié)（彈性氣室）：作為負反饋可實現(xiàn)比例微分作用，改變氣阻改變微分時間自學(xué)教材P100：79、80 P104：87、88、93、95、97、98、103、110、111、112、114、116pip0RPsrE/Psc三、自動化儀表的品質(zhì)指標1基本誤差與附加誤差 基本誤差：儀表本身的缺陷（間隙、摩擦、刻度不均或分度不準等）造成的誤差。 附加誤差：儀表規(guī)定的使用條件（環(huán)境溫濕度、振動等） 發(fā)生變化引起的誤差。2絕對誤差（指示誤差） 絕對誤差：=AA0=測量值真值。 A0很難得到，一般以高精度標準儀表測得的平均值來代替A0。不能反映儀表的精度。 3、相對誤差絕對誤差占指示誤差的百分數(shù)。 =/A100% 反映儀表的精度。 4、儀表的精度測量中的最大指示誤