过程控制仪表基本知识

自动,控制仪表,电子工业出版社,EXIT,第,43,页,掌握控制仪表的信号标准及使用方法,掌握控制仪表防爆知识,理解DDZ-型仪表的型号含义和命名方法,掌握DDZ-型仪表分析方法,能理解电动仪表采用电流信号传送和控制室采用电压信号接线的道理,能识别控制仪表铭牌上关于型号、防爆等级的含义,第1章 过程控制仪表的基本知识,知识目标,技能目标,1.1 控制仪表的信号制,1.2 电动仪表信号标准的使用,1.3 控制仪表的防爆知识,1.4 过程控制仪表的型号命名,1.5 过程控制仪表的分析方法,第1章 过程控制仪表的基本知识,1.1 信号制,信号制即,信号标准,，是指仪表之间采用的传输信号的类型和数值。,目的：达到通用性和相互兼容性的要求，以便不同系列或不同厂家生产的仪表能够共同使用在同一控制系统中，实现系统的功能。,1.2 电动仪表信号标准的使用,现场与控制室仪表之间采用,直流电流信号,优点：直流比交流干扰少,直流信号对负载的要求简单,电流比电压更利于远传信息,缺点：多个仪表接收同一电流信息，它们 必须串联。,要求：接收仪表输入电阻小,任何一个仪表在拆离信号回路之前首先要把该仪表的两个输入端短接，否则其它仪表将会因电流中断而失去信号,仪表无公共接地点，须浮空工作,变送器,发送者,r,r,I,o,R,L1,R,L2,负载,接受者,现场,控制室,控制室内部仪表之间采用直流电压信号,I,o,Vi,R,L1,R,L2,R,L3,现场,控制室,优点：,任何一个仪表拆离信号回路都不会影响其它仪表的运行。,各个仪表具有公共接地点，可以共用一个直流电源。,要求：接收仪表的输入阻抗要足够高,1.3 仪表防爆的基本知识,气动仪表从本质上来说具有防爆性能（不可能产生火花）。,电动仪表必须采取必要的防爆措施才具有防爆性能。,原因：在某些生产现场存在着各种易燃、易爆气体（炼油、化工等生产现场）。安装在这种危险场所的仪表如果产生火花，就容易引起爆炸，因而必须具有防爆性能。,1.防爆仪表的标准,防爆仪表的分类,防爆仪表的分级和分组,防爆仪表的标志,标准：,国家标准GB3836.1,爆炸性环境用防爆电气设备通用要求,标志：,iaIICT5，iaIICT6，dIIBT3,防爆仪表的分类,S,特殊型,n,无火花型,q,充沙型,O,充油型,P,正压型,i,本质安全型,e,增安型,d,隔爆型,按照国标GB3836.1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。其标志如下：,在爆炸性气体或蒸汽中使用的仪表，引起爆炸主要有两方面原因：,2.仪表过高的表面温度,II类(工厂用)防爆仪表的分级和分组就是针对上述两个方面进行的。,1.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,防爆仪表的分级,0.45MICR,0.5dmax,II C,0.8MICR0.45,0.9 dmax0.5,II B,MICR0.8,d,max0.9,II A,MICR,d,max (mm),级别,根据：最大试验安全间隙,d,max 或,最小点燃电流的比值MICR,防爆仪表的分组,根据：仪表最高表面温度,450,T1,300,T2,200,T3,135,T4,85,100,最高表面温度,T6,T5,温度组别,仪表的最高表面温度=实测最高表面温度实测时环境温度,+规定最高环境温度,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,。过程控制仪表常见的防爆等级有,iaIICT5,(,iaIICT6,)和,dIIBT3,二种。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。,防爆仪表的分级与分组，与易燃易爆气体或蒸汽的分级和分组是相对应的。,硝酸乙脂,二硫化碳,乙炔,氢、水煤气,IIC,乙醚、二乙醚,二甲醚、丙烯醛、碳化氢,环氧丙烷、丁二烯、乙烯,丙烯脂、二甲醚、环丙烷、市用煤气,IIB,亚硝酸乙脂,乙醛、三甲胺,环乙烷、戊烷、己烷、庚烷、辛烷、汽油、煤油、柴油、戊醇、己醇、环乙醇,乙醇、丁醇、丁烷、醋酸丁脂、醋酸戊脂、环戊烷、丙烯、乙苯、甲醇、丙醇,甲烷、氨、乙烷、丙烷、丙酮、苯、甲苯、一氧化碳、丙烯酸、甲脂、苯乙烯、醋酸乙脂、醋酸、氯苯、醋酸甲脂,IIA,T6,85,100,T5,100,135,T4,135,200,T3,200,300,T2,300,400,T1450,组别,过程控制仪表的防爆措施,过程控制仪表主要有:,隔爆型防爆仪表,本质安全型防爆仪表,隔爆型防爆仪表,特点：,仪表的电路和接线端子全部置于防爆壳体内,防爆措施：,采用耐压,80,100N/cm,2,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,使用注意：,*,揭开仪表表壳后，将失去了防爆性能,*,长期使用会逐渐降低防爆性能,本质安全型防爆仪表,正常状态指在设计规定条件下的工作状态，故障状态指电路中非保护性元件损坏或产生短路、断路、接地及电源故障等情况。,本质安全型防爆仪表也称安全火花型防爆仪表。这种仪表，在正常状态下或规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不会引起规定的易爆性气体混合物爆炸。,本质安全型ia和ib两个等级分别表示：,ia,等级,在正常工作、一个故障和两个故障时均不能点燃爆炸性气体混合物的电气设备。,ib,等级,在正常工作和一个故障时不能点燃爆炸性气体的电气设备。,控制系统的防爆措施,要使整个测量或控制系统的防爆性能符合安全火花防爆要求，必须满足：,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,变送器,安全栅,控制器,安全栅,执行器,现场,危险场所,控制室,非危险场所,要真正实现安全火花防爆，必须注意：,4方面的要求。,（8）执行单元：气动执行器、电气阀门定位器等。,1.4 过程控制仪表的型号命名,按过程控制仪表在系统中的作用和特点可分为八类。,（1）变送单元：温度变送器、差压变送器、液位变送器、 压力变送器等。,（2）调节单元：基型控制器、特种控制器。,（3）给定单元：恒流给定器、比值给定器。,（4）转换单元：电/气转换器、电流转换器。,（5）计算单元：加减器、乘除器、开方器等。,（6）显示单元：积算器、记录仪等。,（7）辅助单元：安全栅、配电器、操作器等。,DDZ-型仪表的型号及命名,DDZ-型仪表各单元的型号由三部分组成，各部分之向用短横线隔开，格式如下。,第一部分由三个汉语拼音大写字母所组成。,第一个字母均为D，表示属于电动单元组合仪表。,D-,第二个字母代表仪表大类，字母含意如下：,B-变送单元； T-调节单元；X-显示单元；,J-计算单元；Z-转换单元； K-执行单元；,G-给定单元； F-辅助单元。,在变送单元中： W-温度和温差；Y-压力； C-差压。,在调节单元中：L-连续； D-断续。,在运算单元中： J-加减； S-乘除；K-开方。,在显示单元中： Z-指示； J-记录；B-报警； S-积算。,在执行单元中： Z-直行程；J-角行程。,第三个字母代表各大类中的产品小类，同一字母在不同大类中有不同的含义，如：,例如,DBC-2310为一台差压变送器的型号规格。其中第一位数字“2”表示工作压力为400kPa，第二位数字“3”表示测量范围为0600Pa至04kPa，第三位数字“l”表示带单平法兰，第四位数字“0”表示序号。,第二部分由四位阿拉伯数字组成，这四位数字代表产品的种类、规格和结构特征。,第三部分由一个或数个汉语拼音大写字母组成，标志产品的特殊用途。,例如,安全火花防爆（A）、隔离防爆（B）、防腐（F）、船用（C）等。当具备一个以上特殊用途时，按字母顺序排列。,第三个字母表示测量参数或仪表品种,QDZ型仪表的型号及命名,QDZ型仪表型号格式为Q-，,第二个字母代表仪表大类，字母含义同DDZ-型仪表,最后一个部分是阿拉伯数字，用以表示产品系列、规格、结构特征等编号。,1.5 过程控制仪表的分析方法,过程控制仪表的总体分析思路,采用单个放大器电路分析方法,采用集成运算放大器电路分析方法,总体分析思路,从仪表整体结构上看，模拟式控制仪表有两种构成形式：,1.仪表整机采用单个放大器，,其放大器可由若干级放大电路或不同的放大器串联而成。,属于这一类的仪表有：,DDZ-II型仪表、 大部分的变送器、气动仪表等。,2.整机由数目不等的运算放大器电路以不同形式（主要是串联形式）组装而成。,采用运算放大器的仪表都属于这一类构成形式,如：,DDZ-III型系列、I系列、EK系列仪表等。,采用单个放大器的仪表分析,采用单个放大器的仪表一般有如下的结构：输入部分、放大器和反馈部分。,单回路负反馈,Ki,K,Kf,+ zi, zf,x,y,输入部分,放大器,反馈部分,求传递函数？仪表的特性,如果该仪表满足深度负反馈（,K*Kf1,)，则：,特点：,.在满足,K*Kf1,的条件时，仪表的输出与输入关系仅取决于输入部分的特性和反馈部分的特性；,2. 在满足,K*Kf1,的条件时，放大器的净输入,e,趋向于零（,e,0）。,分析方法,1、将仪表划分为输入部分、放大器和反馈部分；,2、对各个部分分析，重点是输入部分和反馈部分；,3、求出整机输出与输入之间的关系，得整机特性。,比较环节的确定可以从放大器的输入端即,所加位置着手；,取样环节的确定可以从仪表的输出信号回路着手 。,采用运算放大器的仪表分析方法,这类仪表的线路是由,若干个运算放大器电路组装而成，主要是运算放大器电路以串联形式相联,。,由于每一个运算放大器电路的输出电阻很小，而输入电阻又都足够大，这样，前、后级运算放大器电路之间相互影响很小。,分析这类仪表时，,可以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,。,运算放大器的基本知识,运算放大器的引出端,输入端(+、-)：+端为同相输入端,-端为反相输入端,U,T,为同相端对地的电压,U,F,为反相端对地的电压,电压差,U,d,从同相端到反相端,输出端：,U,o,为输出端对地的电压(输出电压),U,T,U,F,U,d,Uo,U,+,U,电源端（U+ 、U- ）,分析线路时往往把运算放大器看成是双端输入、单端输出的三端器件。,运算放大器的基本性能,U,c,为共模输入电压,U,d,为差模输入电压,任何一个运算放大器，其允许承受的U,c,和U,d,都有一定的限制，制造厂规定了运算放大器的最大差模输入电压(又称差模输入范围)和最大共模输入电压(又称共模输入范围)。,运算放大器的输出电压和电流也都有一定的限制，最大输出电压一般比电源电压低12V,最大输出电流一般为5mA或10mA，在仪表电路中需要输出大电流时，往往采用三极管进行电流放大。,如果对两个输入端信号进行改写：,理想运算放大器的基本,性能,+,+,K,o,R,o,R,i,U,F,U,T,I,bF,I,bT,U,d,U,o,输入电阻：R,i,R,i,输出电阻：R,o,R,o,0,开环增益：Ko Ko,失调、漂移为零,重要结论（理想运放在,正常,使用过程中满足）：,差模输入为,0,：,UT,UF,（,Ud,0,）,输入端电流为,0,：,IbF,0,，,IbT,0,基本运放电路：反相端输入,= 0,U,F,U,T,U,o,U,i,R,1,R,2,R,3,U,T,= ?,U,T,= 0,U,F,= ?,结果：,1输出电压与输入电压成正比，其比例系数为R,2,/R,1,；,2输出与输入极性相反；,3反相端不接地，但,U,F,=0，故称反相端为“虚地”；,4输入电阻约等于输入回路电阻R,1,；,5输入回路电流I,i,，全部流经反馈回路，即,I,f,=,I,i,特点：,I,i,I,f,基本运放电路：同相端输入,= U,i,U,T,= ?,U,T,= U,i,U,F,= ?,结果：,U,F,U,T,U,o,U,i,R,1,R,2,R,3,1输出电压与输入电压成正比，其比例系数为（1+R2/R1）；,2输出与输入极性相同；,3同相端和反相端存在共模电压,U,C,=U,i,；,4输入电阻等于运放本身的输入电阻，通常为1 500M。,特点：,基本运放电路：差动输入,U,T,= ?,U,F,= ?,结果：,1在满足,R,1,/R,3,=,R,2,/R,4,电阻匹配条件时，差动输入放大器电路的输出电压仅仅取决于两个输入电压之差,U,id,=,U,iT,-,U,iF,，即这种电路只放大差动信号，不放大共模信号，且与差动信号,U,id,成正比，比例系数为R,2,/R,1,。输出电压与差动信号极性相同。,在仪表线路中，往往取得R,1,=R,3,、R,2,=R,4,，形成所谓对称差动运放电路。,2运算放大器输入端存在共模电压,特点：,U,F,U,T,U,o,U,iT,R,1,R,2,R,3,U,iF,R,4, I,bT,=0, I,bF,=0,U,T,=U,F,R,1,/R,3,=,R,2,/R,4,基本运放电路：电压跟随器,U,o,U,i,U,0,=,U,i,特点,：输入电阻高,输出电阻低,它在仪表电路应用中，起隔离作用,基本运放电路：反相端输入,基本运放电路：同相端输入,基本运放电路：差 动 输入,基本运放电路：电压跟随器,U,0,=,U,i,运算放大器的单电源供电,运算放大器需要电源，通常有2种供电方式：单电源供电和双电源供电,U,o,U,T,U,F,E= E,p,+E,o,U,o,U,T,U,F,E,p,E,n,出于仪表总体设计的需要、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+24V电源供电。,运算放大器的使用条件,运算放大器不论采用单电源供电还是双电源供电，都必须满足以下条件：,U,o,U,T,U,F,U,U,0V,24V,19V,2V,12V,12V,7V,10V,0V,24V,23V,1V,12V,12V,11V,11V,共模输入电压范围,输出电压范围,III型仪表中运放的供电,DDZ-III,型,等系列仪表的信号范围为15V，在24V单电源供电时，显然不能满足共模输入范围的要求。,U,o,U,T,U,F,E= E,p,+E,o,E,p,E,n,为此，在仪表的电路中，采用电平移动的方法，即,另加电平移动电源,U,B,，以便使,U,T,和,U,F,进入共模输入范围以内,。,另加电平移动电源,U,B,之后，运算放大器电路在单电源供电时以,U,B,为基准的运算关系，跟双电供电时以地（0V）为基准的,运算关系，在形式上完全相同,。,在DDZ-III型仪表及其它系列仪表中，所有接收仪表的,输入电路均采用这种形式的电路。,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。因此，采用运算放大器的仪表线路分析的基础是单个运算放大器电路的分析。,单个运算放大器电路的分析方法通常有如下两种：,1.利用基本运算放大器电路的关系式,2.利用理想运算放大器输入端的两个特征,利用基本运算放大器电路的关系式,要点,：,熟练灵活掌握基本运算放大器电路的关系式,，,就能很容易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。,当然，仪表中的实际电路，有时可能是两种基本电路的合成，或者输入回路电阻和反馈回路电阻包含有电容等非纯阻性元件。,这时可以采用叠加法、等效电源定理、,Y,变换、阻抗变换法等方法进行处理，将这些比较复杂的运算放大器电路转化为基本电路。,特点,：基本概念明确 物理意义清楚,利用理想运算放大器输入端的两个特征,理想运算放大器输入端的两个特征：,（1）差模输入电压等于零，即U,d,=0或U,T,=U,F,；,（2）输入端输入电流等于零，即I,bT,=0，I,bF,=0。,这两个特征是分析运算器放大电路输入输出关系的出发点,关键：,求得运算放大器两个输入端的电位U,T,和U,F,根据电路具体结构，找出输入、输出信号与U,T,、U,F,之间的关系，然后依据U,T,=U,F,，求出输出与输入之间的关系。,方法：,断开反馈又保证等效，把原电路转化为一个没有反馈的开环等效电路。,三、仪表的分析步骤,对于一只仪表，可以采用由整体到局部的方法分析，即首先对仪表作总体概貌性了解，然后将仪表划分成几个部分，再对各划分部分逐一进行分析，最后综合出整机的特性。其具体步骤可以如下：,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；,4.综合仪表的整机特性；,根据信号的传递方向，对各部分逐一进行分析：,目的：了解各部分的结构、作用、特点、输出与输入的关系， 直至每一个元部件的作用。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。,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、等，以便把复杂的电路转化为简单的形式。,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。,小结,1、什么是信号制？控制系统仪表之间采用何种连接方式最佳？为什么？,2、怎样才能构成一个安全火花型防爆控制系统？,3、仪表中常用到哪四种运算放大器电路？各有哪些特点？,4、仪表的一般分析步骤是什么？,思考与练习题,谢谢大家！,再见！,