气动仪表的主要元部件及主要环节

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二节 船用自动化仪表基本知识,ST,本章主要内容 ：,气动仪表主要元部件及主要环节,气动变送器,气动显示仪表,气动调节器,执行机构及气动仪表管理要点,自动化仪表基本知识,1,、组成自动控制系统的各种仪表：,变送器、显示仪表、调节器、执行机构及辅助仪表等。,2,、分类：,按结构：基地式仪表：测量仪表、显示仪表、调节器组装成一个整体。不用统一信号。,单元组合式仪表：控制系统的各种功能都分别用独立仪表来实现，并统一信号。,按能源：电动调节仪表（信号,4-20mA,或,0-10mA,）、气动调节仪表（,0.02-0.1MPa,，,1MPa=10,公斤）,船用自动化仪表,一、自动化仪表的主要品质指标,实际应用中，仪表测量值与真实值之间总是存在一定差别，习惯上成为误差。,误差：测量值与真值之间的差别,1,、按误差性质,基本误差：仪表本身缺陷造成（间隙、摩擦、刻度不均或分度不准）,附加误差：仪表使用条件的影响（环境温度、湿度、振动）,2,、按数值表示,绝对误差：又称指示误差，被测量值,A,与真值,A,0,之差,=A-A,0,；不能完全反应仪表的精度。,相对误差：绝对误差占指示值的百分数，能反应仪表精度。,4,、精度：最大指示误差,max,占量程（最大测量范围）的百分数,精度等级,0,：精度除掉百分号（,0.1,，,0.2,，,0.35,级用于标准仪表）,5,、灵敏度：仪表对输入信号开始有反应的灵敏程度,x,：输入变化量,y,：输出变化量,仪表的灵敏度越大，越能测出微小的输入变化。所以，一般小量程仪表的灵敏度比大量程的灵敏度大。,6,、,不灵敏区,：仪表活动部件的摩擦、间隙、弹性元件的滞后使输入信号有微小变化而输出仍然不变。,灵敏限,：引起仪表输出微小变化所需输入量的最小变化值。（一般认为：不灵敏限等于,1/2,不灵敏区）,变差,：外界条件不变，多次从不同方向输入同一真值，仪表指示值之间的最大误差（即仪表在同一测量点，其正行程和反行程指示值之差）。,所以：不灵敏区用输入量的变化表示，而变差以输出量的变化表示。,仪表的不灵敏区、灵敏限、变差,二、 气动仪表的主要元部件及组成原理,ST,1,、弹性元件：,位移随外力大小成比例变化，比例系数取决于元件的弹性大小，与输入输出无关。,1,、弹性支承元件：用于支撑平衡或增强弹性敏感元件的刚度,2,、弹性敏感元件：将承受的压力、轴向推力转变成位移信号,螺旋弹簧 片簧,非金属膜 金属膜片,波汶管,F,P,（一）、主要元部件：,弹性元件、节流元件、气体容室、喷嘴挡板机构和功率放大器,等,F,弹簧管,膜盒,弹性敏感元件,P,：输入波纹管的气压信号,Fe:,波纹管的有效面积,E:,波纹管和支撑弹簧的总刚度,S,：输出量、波纹管的位移,波汶管,膜片 弹簧管,（1） 弹性特性,弹性元件,在弹性变形范围内，其变形与作用力成正比。,F=C,F,轴向力,位移,C,弹性元件的刚度,刚度大则同样外力产生的变形位移小，即灵敏度低,弹性元件的基本特性：弹性特性及有效面积,（2） 有效面积,弹性元件的输出力与承受力之比。,对于气室中承受压力的弹性元件，其有效面积一般不等于其截面几何面积，如：膜片的有效面积小于其几何面积；,波纹管的有效面积大于其顶面几何面积。面积,在弹性变形范围内，其变形与作用力成正比。,支承元件：螺旋弹簧，片簧等,用于支承、平衡或增强弹性敏感元件的刚度、调整的弹性敏感元件初始位置。,特点：刚度大、灵敏度较大。对轴向推力变化反应敏感。,弹性元件的分类：,弹性支承元件、弹性敏感元件,弹性元件的压缩变形比拉伸变形具有更好的线性关系，实际使用波纹管时常采用预压缩的方法。,敏感元件:膜片，波纹管，弹簧管，膜盒 将承受的压力转换成位移信号。,特点：刚度小、灵敏度较大。对轴向推力变化反应敏感。,P,1,P,2,膜盒,膜盒压力表,工作原理,被测量介质的压力从接头进入膜盒内腔，,波纹膜盒在被测介质的压力作用下，,产生相应的弹性变形,受压而产生位移,，通过,连杆机构,带动机芯齿轮旋转，,指针指示出被测压力值在表盘上指示出来,ST,2,、节流元件：,作用,阻碍气体流动、产生压降、改变流量,恒节流孔式（毛细管式和小孔式）： 流通面积不变,恒气阻,变节流孔式（圆锥,-,圆锥型、圆锥,-,圆柱型、圆球,-,圆锥型）：流通面积可调,可调气阻（调整比例带、积分时间、微分时间）,常用变节流孔组成变节流阀,气阻,R,：节流元件对气体流动阻碍作用的大小，恒节流孔内径不能改变，气阻不能改变。,流量,G,压降,P,恒节流孔,圆锥,-,圆锥型,圆柱,-,圆柱型,圆球,-,圆锥型,符号：,G,特点：,输入量为气体流量，输出量为气容气压,3,、气体容室 ：,储存或放出气体，对压力变化起惯性作用,定容气室,积分,气容,C,：气体容室内，每升高一单位的压力所需的空气质量。,弹性气室,微分：在空腔中加入波纹管，其气室体积随波纹管压力的变化而变化,P,0,P,p,气容不变 气容改变,弹性气室在充放气过程中气容是变化的。,ST,4,、,喷嘴挡板机构,：,把挡板微小的位移转换成相应的气压信号。背压室 输出压力,P,随喷嘴挡板的开度,h,成比例变化,喷嘴挡板机构结构示意图,1,）结构：,恒节流孔,背 压 室：恒节流孔与喷嘴的气室,喷 嘴：喷嘴轴心与挡板垂直。挡板与喷嘴具有良好密封性,挡 板,不同挡板开度对应不同的背压室压力,气源,喷嘴孔径,D, 恒节流孔直径,d,0.14MP,a,h,d,D,0.10MPa,0.02MPa,10,22,h(um),MPa,喷嘴挡板机构的静特性,P,h,2,）喷嘴挡板机构的静特性：,背压室压力,p,(,输出量,),与挡板开度,h(,输入量,),之间的一一对应关系,a,b,0.14MP,a,挡板全关（,h=0,），背压室输出压力接近气源压力；,挡板全开（,hD/4,），背压室输出压力接近大气压力。,ab,段是静特性曲线的线性段（陡）对应输出压力,0.02,0.10MP,a,作为工作段,P=K,1,h,K1 :ab,两点间的平均斜率,P,：背压室压力的变化,h,：挡板开度的变化,5,、,气动功率放大器 喷嘴挡板 机构输出流量小，压力信号衰减大，难推动执行机构。 需要串联气动功率放大器。,非耗气型功率放大器（流量放大）,1,、,2-,橡胶膜片；,3-,弹簧；,4-,锥形弹簧；,5-,阀杆；,6-,球阀座；,7-,锥阀座,输入,气源,输出,D,C,B,A,4,6,1,2,3,5,7,0.14MPa,大气,1,、只放大流量,耗气型：对输入信号成比例放大（流量、压力放大）,气源,0.14MP,a,1,、输入信号,P,d,=,大气压力时，金属膜片,2,与阀杆之间存在间隙,S,b,当,P,d,增大到,P0,时,，间隙,S=0,即视图,I,2,、当,P,d,由,P0,继续,增大到,P,a,时,需克服弹簧片,3,的预紧力及气源对球阀的作用力，膜片,2,与阀杆均不产生位移。即视图,II/3,3,、只有,P,d,大于,Pa,时，放大器工作在斜率,III,（放大器的工作段）,输出,输入气源,P,d,锥阀（控制排气量）,球阀,4,： 控制进气量,大气压力,A,B,C,金属膜片,2,（设定有效面积,F,，则膜片承受的轴向推力：,P,d *,F,）,弹簧片,3,输入压力,P,d,增大,克服金属膜片,2,和弹簧片,3,的张力使阀杆下移，球阀开大锥阀关小导致,B,室压力增大，空气流量增大：,因此阀杆位移,S,决定放大器输出压力的大小,ST,I,II,III,S,P,d,F,P,0,P,a,（起步压力）,2,）输出特性 ：推力与膜片位移的关系,A,起步压力,I,：克服金属膜片与阀杆之间存在的初间隙,S,b,，,金属膜片下移使间隙减小直到输入压力,P,d,=P,0,时，间隙为,0,。,II,：克服弹簧片及气源对球阀的作用力，输入增加，但膜片无位移,。,III,：放大器的工作段，,B,点始,阀杆下移，开大球阀关小锥阀，放大器开始有输出。,B,注意：,A,转折点，取决于金属膜片的刚度以及初间隙的大小,B,起步压力，取决于弹簧片及气源对球阀的作用力,该工作段，阀杆位移量,S,正比于输入压力变化量,P,d,，,放大器的输出压力变化量,P,出,与阀杆位移量,S,成比例，所以：,P,出,=K,2,P,d,请思考,:,放大倍数,K,2,的影响因素？金属膜片有效面积、弹性组件刚度、放大器的结构因素,第二阶段：,当,P,i,P,0,时，由于,P,i,FP,a,F,后，阀杆开始有位,移。,S,S,0,0,P,0,F,P,a,F,P,i,F,第一阶段：,P,i,=,大气压力时，膜片,与阀杆端有一定间隙,S,0,，,当,P,i,时，使,S,0,。,当,P,i,= P,0,时，,S,0,=0,（,膜片正好与阀杆接触），这一段,阀杆无位移,气动调节仪表中，气动功率放大器分两种，一种是耗气型功率放大器，一种是非耗气型功率放大器。 耗气型功率放大器和非耗气型功率放大器的相同点是：它们都是功率放大器，在气动仪表中用得都很广泛。 耗气型功率放大器和非耗气型功率放大器的不同点如下。 （,1,）非耗气型放大器是基于力平衡原理工作的。稳定时，输入信号（,背压,）产生的力和输出信号产生的反馈力相平衡，放大系统有反馈作用，呈,闭环,式；工作时，两个活门基本上都处于关闭状态，耗气量很小，故称非耗气式功率放大器。 （,2,）耗气型放大器是基于位移平衡原理工作的。输入信号（,背压,）作用于膜片，使其产生位移，再以膜片位移和刚度的乘积，即弹性元件的,弹力,与输入力相平衡，所以这种放大系统呈开环式。稳态时，两个活门都有一定的开度，总有一部分空气排大气，故称耗气型功率放大器。 （,3,）非耗气型放大器的压力不进行放大，耗气型放大器的压力、流量都进行放大,。,气动仪表的组成原理,设定值,反馈值,K,-,H,反馈环节,比较环节,放大环节：要求具有较高的灵敏性和足够大的的功率输出,Psr,P,E,Psc,+,二、气动仪表的基本环节,气动仪表有三个环节：放大,(,信号放大,),、反馈（实现不同的调节作用规律）、比较（输入与反馈信号比较）,放大环节,：,喷嘴挡板机构（一级）输出端串联气动功率放大器（二级）,气动功率放大器的起步压力：放大器输出信号,0.02-0.1MP,a,，最大变化量,0.08,。对应放大器最小输出压力,0.02MP,a,对应,放大器的输入压力（即,喷嘴挡板机构的输出值,就是放大器的起步压力。,起步压力的调整：使放大器工作在喷嘴挡板机构静特性曲线,很小范围、最接近线性的,部分（斜率最大的中间段）。,调整方法：调换刚度不同的金属膜片，改变弹簧片的预紧力。（刚度越大、预紧力越大，则起步压力越大）,1,、放大环节,气源,0.14MP,a,二级气动功率放大器,输出,输入,锥阀（排大气量）,球阀：,B,室 进气量,大气,A,B,C,金属膜片,弹簧片,变节流孔,最陡,线性度最好,精度高,灵敏度好,稳定性好,2,、启动仪表的反馈环节,（,1,）节流分压器：又称节流通室，由可调气阻,R,流通气室及恒节流孔串联组成,P,0,流通气室,P,1,P,2,阻值,R,可调气阻,R,F,（变节流孔）,恒节流孔,两个气阻工作在层流状态，层流（,laminar flow,）是,流体,的一种流动状态，它作层状的流动。,流体的,流速,在管中心处最大，其近壁处最小。,在稳定状态下，可调气阻的流量,G1=,恒节流孔的流量,G2,则,P1=K*,P,0,即,P1,随,P0,成比例变化。,R,F,=0,（全开），,K=1,R,F,（全关），,k0,改变节流阀的可调气阻，使,K,在,0-1,之间变化。,节流分压器可以调整 （调节器）的比例带。,（,2,）节流盲室,积分环节,类似于控制对象的动态特性,：,输入突变时，输出的变化滞后于输入的变化，并按指数规律趋近于输入值。,组成：在节流元件（使流通面积局部收缩）后面串联一个定容气室,C,（盲室）,输入,P,i,，,输出,P,0,进入盲室的空气流量,G=,流经气阻的流量，即,T=RC,，,T,是该环节的时间常数。,因为,T=CR,气容,C,固定不变 调整,R,改变时间常数：,R=0,（全开），积分时间小，输出变化快,R,（全关），积分时间长，输出变化慢,p,0,p,i,R,节流盲室,P,sr,输出,P,sc,R,0,P,sc,P,sr,t,比例输出部分,惯性环节输出部分,（,3,）比例惯性环节,比例微分,弹性气室,波纹管,E,Psc,由弹性气室、波纹管、可调气阻组成,输入阶跃上升，弹性气室中的波纹管立即伸长，排挤弹性气室的气体使输出立即升高（比例环节）；而经过可调气阻是缓慢向弹性气室充气，使输出在比例输出的基础上缓慢增加，直到输出与输入相等（,P,sc,=,P,sr,）,，波纹管,E,恢复原状。,实现比例微分作用。通过可调气阻对微分时间进行调整。,注意：弹性气室实现比例作用，而可调气阻实现微分作用。比例惯性环节作为反馈环节，实现调节器比例微分作用。,3,、比较环节,输入信号与反馈信号始终进行比较，指挥挡板开度变化，直到反馈信号对挡板的作用与输入信号对,挡板开度,的作用相平衡，输出才能稳定。,比较环节的平衡作用原理：,位移平衡：输入信号与反馈信号使挡板开度的变化平衡,力平衡：输入信号与输出信号对挡板的作用力效应平衡,力矩平衡：输入信号与输出信号对挡板产生的力矩平衡,前两周轮机自动化作业,（下周三上交）,1,、反馈控制系统的组成，评价反馈控制系统的指标。,2,、,画出柴油机,汽缸冷却水温度控制过程示意图并说明工作过程。,3,、气动仪表的主要元部件及组成原理。,4,、画图说明气动仪表中常用的三个反馈气路。,