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控制仪表及装置 李正强天津理工大学中环信息学院自动化工程系2014.

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第一章 绪论 各种控制仪表及装置是实现工业自动化必不可少的工具,在自动控制系统中,检测仪表将被测量转换成测量信号后,还需要送控制仪表,以便使控制生产过程的正常进行,使被测量达到预期的要求.本章将主要介绍控制仪表及装置基本知识,控制仪表防爆的基本知识,控制仪表的分析方法,本课程的性质、内容和任务. 绪论 1.1 控制仪表及装置基本知识1.2 控制仪表防爆的基本知识1.3 控制仪表的分析方法1.4 本课程的性质、内容和任务

1 控制仪表及装置总体概述控制系统是实现生产过程自动化的平台,而过程控制仪表与装置是过程控制系统不可缺少的重要组成部分.这些仪表可以是电动仪表,气动仪表等各种系列的仪表,也可以是各种控制装置,所有这些仪表或装置都属于控制仪表与装置的范畴.工程上将构成一个过程控制系统的各个仪表统称为控制仪表.本书涉及到的控制仪表包括:在自动控制系统中广泛使用的变送器、控制器、执行器等,以及新型控制仪表及装置. 1.1 控制仪表及装置基本知识 锅炉水位控制原理 加热炉控制原理

2 控制仪表及装置的分类及特点 控制仪表及装置可按能源形式、信号类型和结构形式来分类. (1)按能源形式分类 可分为气动、电动、液动等几类.工业上通常使用气动控制仪表和电动控制仪表.(下表是两者的比较) (2)按信号类型分类 分为模拟式和数字式两大类 模拟式控制仪表的传输信号通常为连续变化的模拟量. 数字式控制仪表的传输信号通常为断续变化的数字量. (3)按结构形式分类 基地式控制仪表单元组合式控制仪表组装式综合控制装置数字化控制仪表集散控制系统现场总线控制系统 爆炸必须具备的三个条件爆炸性物质氧气点燃源 1.2 控制仪表防爆的基本知识 客观上很多工业现场满足爆炸条件.当爆炸性物质与氧气的混合浓度处于爆炸极限范围内时,若存在爆炸源,将会发生爆炸.因此在这些场所使用的仪表和控制系统必须具有防爆性能.

1 防爆仪表的标准 防爆仪表必须符合国家标准GB 3836.1《爆炸性环境用防爆电气设备通用要求》的规定. (1) 防爆仪表的分类 按照国标GB 3836.1规定,防爆电气设备分为两大类 Ⅰ类:煤矿井下用电气设备. Ⅱ类:工厂用电气设备. Ⅱ类(工厂用)电气设备又分为8 种类型.这8种类型及其标志如表所示 电动仪表主要有隔爆型(d)和本质安全型(i)两种.本质安全型又分为两个等级:ia和ib. (1) 防爆仪表的分级和分组 在爆炸性气体或蒸汽中使用的仪表,有两方面原因可能引起爆炸 仪表产生能量过高的电火花或仪表内部因故障产生的火焰通过表壳的缝隙引燃仪表外的气体或蒸汽;

仪表过高的表面温度. 根据上述两个方面对Ⅱ类防爆仪表进行了分级和分组,规定其适用范围. 防爆仪表的分级 防爆仪表的分组 (3)防爆仪表的标志 防爆仪表的防爆标志为 Ex ;

仪表的防爆等级标志的顺序为:防爆型式、类别、级别、温度组别. 控制仪表常见的防爆等级有iaⅡCT5和dⅡBT3两种.前者表示Ⅱ类本质安全型ia等级C级T5组;

后者表示Ⅱ类隔爆型B级T3组.

2 控制仪表的防爆措施 控制仪表防爆措施主要有隔爆型和本质安全型. (1)隔爆型防爆仪表 采用隔爆型防爆措施的仪表称隔爆型防爆仪表,其特点是仪表的电路和接线端子全部置于防爆壳体内,其表壳强度足够大,接合面间隙足够深,最大的间隙宽度又足够窄. 隔爆型防爆仪表不能在通电运行的情况下打开表壳进行检修或调整. 隔爆型防爆结构的具体防爆措施是采用耐压80~100N/cm2以上的表壳;

表壳外部的温升不得超过由易爆性气体或蒸汽的引燃温度所规定的数值;

表壳接合面的缝隙宽度及深度,应根据它的容积和易爆性气体的级别采用规定的数值等. (2) 本质安全型防爆仪表 采用本质安全型防爆措施的仪表称本质安全型防爆仪表(简称本安仪表),也称安全火花型防爆仪表. 本质安全型防爆仪表在电路设计上采用低工作电压和小工作电流.通常采用不大于24VDC工作电压和不大于20mA的工作电流.对处于危险场所的电路,适当选择电阻、电容和电感的参数值,用来限制火花能量,使其只产生安全火花;

在较大电容和电感回路中并联双重化二极管,以消除不安全火花. 常用本安型仪表有电Ⅲ型的差压变送器、温度变送器、电/气阀门定位器以及安全栅等.

3 控制系统的防爆措施 (1) 在危险场所使用安全火花型防爆仪表;

(2) 在控制室仪表与危险场所仪表之间设置安全栅(3) 按照安全火花防爆的要求进行系统的安装和维护. 安全火花型防爆系统 1.3 控制仪表的分析方法

1 控制仪表总体分析思路 模拟仪表先用框图的形式分析其结构功能,掌握仪表的外部特性,内部电路要根据功能的要求分析其 核 ;

数字仪表要熟悉其硬件和软件资源,掌握其编程方法和操作方法,通过工程案例分析,掌握工程方案实现和功能分配方法.

2 采用单个放大器的分析方法 (1)采用单个放大器的仪表特点 典型结构 (2)采用单个放大器分析方法 首先要将仪表分为输入、放大和反馈三个部分.然后对各个部分进行分析,尤其是输入部分和反馈部分,最后根据下面的公式之一求得仪表的输出和输入之间关系. 实际仪表划分出输入、放大和反馈这三个部分的关键,在于找出比较环节和引出负反馈的取样环节. 气动仪表一般依据力或力矩平衡原理找出这两个环节是很直观的,比较环节一般是膜片或杠杆,取样是仪表输出;

电动仪表的比较环节一般从放大器的输入端去找,取样环节从仪表的输出端去找. 电动仪表的比较环节一般从放大器的输入端去找,取样环节从仪表的输出端去找. 电动仪表的比较方式有两种:串联比较和并联比较. 电压串联比较结构 电压通过电阻并联比较结构 电动仪表的取样方式有两种:电流取样和电压取样. 电流取样结构 电压取样结构

3 采用运算放大器的分析方法 (1) 集成运算放大器基本特征 运算放大器等效模型 (2)集成运算放大器典型电路 电压跟随器电路 差动输入运算放大器电路 同相输入运算放大器电路 反相输入运算放大器电路 (3)单电源供电的运算放大器电路 过程控制仪表出于总体设计的需要,便于仪表的安装以及变送器采用二线制等原因,在仪表线路中,一般都采用单电源供电,即由一组24VDC电源供电.运算放大器采用单电源供电,实质改变的是电位基准,由于电位基准发生了改变,因此运算放大器的允许工作条件将跟着改变.为了保证运算放大器正常工作,常采用电平移动的办法,这并不影响运算放大器电路的运算关系和特性. (4)采用运算放大器的仪表分析方法 采用运算放大器的仪表分析方法,是把整个仪表线路分成一个个运算放大器电路单独地进行分析,最后再综合得到整机的特性.具体方法有如下两种 1)熟练灵活掌握基本运算放大器电路的关系式,就能很容易地看出运算放大器电路的运算关系,并能很快地了解整个仪表的特性. 2)利用理想运算放大器输入端的两个特征 仪表的分析步骤 1)了解仪表作用和结构框图;

2)按照结构框图将整机线路划分成相应的部分;

3)根据信号的传递方向,对各部分逐一进行分析;

在分析中注意应用以下几种方法:①对复杂的部分可画出其构成框图,作进一步划分,直到划分为最基本的构成部件为止.② 画等效电路.在画等效电路时,可以忽略一些次要元件,以便突出主要部分,也可以把电路画成习惯的形式.③ 应用电路理论中的一些基本定律,如欧姆定律、分流公式、分压公式、等效电源定理、叠加定理、阻抗变换等,以便把复杂的电路转化为简单的形式.4)综合仪表的整机特性. 1.4 本课程的性质、内容和任务 控制仪表与装置是自动控制专业的一门专业课.任务是将生产过程控制中常用仪表的结构、工作原理、选用方法、安装使用方法、校验方法传授给学生.使学生从中学到利用过程控制仪表构成控制系统的方法和实现手段,理解各控制仪表的原理结构,获得控制仪表安装使用、校验、维护方面的基本知识和技能. 本课程特点 本课程实践性很强,在学习过程中,要认真听课,注意老师对问题的分析,通过案例分析和实训环节获得过程控制仪表的使用、校验和维护方法;

理论联系实际,带着问题学,在用眼、用脑的同时还要多动手;

对所学的仪表,要做到 面熟 、 手熟 ;

学习某一块仪表不是最终目的,重要的是通过某一部分内容的学习,总结出共性的知识,举一反三;

最终学会应用学过的仪表构成实际的控制方案. ........

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