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儀表原理

一、概述

(

一

)

、自動(dòng)化儀表的發(fā)展

從工業(yè)自動(dòng)化儀表的發(fā)展過程看，大體上經(jīng)歷了三個(gè)階段。

1

、基地式儀表階段：這是歷*首先發(fā)展起來的，大約是在

20

世紀(jì)

30

～

40

年代期間。這

類儀表的優(yōu)點(diǎn)是，簡單、價(jià)廉、實(shí)用。但是，只適用于簡單的控制系統(tǒng)，無法或不便于應(yīng)用在復(fù)

雜控制系統(tǒng)中。

2

、單元組合式儀表階段：我國

20

世紀(jì)

50

年代以后發(fā)展起來的，它們與復(fù)雜控制系統(tǒng)的推

廣應(yīng)用相適應(yīng)。

用單元組合式儀表，

可以方便地組成簡單與復(fù)雜的控制系統(tǒng)。

這類儀表的廣泛應(yīng)

用與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展和需要是分不開的。單元組合儀表按其發(fā)展，可分為

I

、

II

、

III

型。

3

、以微處理器為基本組成部分的控制裝置階段：微處理器于

20

世紀(jì)

70

年代初出現(xiàn)，由于

它靈活、

可靠、

價(jià)廉、

迅速成為信息科學(xué)與技術(shù)的寵兒，

被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、

國防、

家庭等領(lǐng)域。

以微處理器為基本組成部分的控制裝置，主要沿著三條路發(fā)展。

1)

、

分散型綜合控制系統(tǒng)

(

總體分散控制裝置

)

：

這是

20

世紀(jì)

70

年代后期由儀表制造廠和計(jì)

算機(jī)制造廠推出的新產(chǎn)品。

作為zui簡單的形式，

它是由各個(gè)基本控制站與數(shù)據(jù)總線構(gòu)成。

每個(gè)控

制站可控制幾個(gè)回路，相互間由數(shù)據(jù)總線傳遞信息，并可配置屏幕顯示器操作站等。

2)

、

可編程數(shù)字

調(diào)節(jié)器

：有些產(chǎn)品簡稱單回路調(diào)節(jié)器。

它們采用微處理器為基本元件。

控制

規(guī)律采用數(shù)字運(yùn)算。

但它們的輸入和輸出與模擬式調(diào)節(jié)器相似，

不須另加

A/D

與

D/A

插件。

這類

儀表的功能相當(dāng)豐富。表現(xiàn)在：

a

、每臺(tái)調(diào)節(jié)器可有多個(gè)輸入，

1

～

2

個(gè)輸出

;

b

、有數(shù)十種控制規(guī)律

(

功能

)

，用以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制十分方便

;

c

、編程容易，幾乎不需要計(jì)算機(jī)軟件方面的專門知識(shí)，就可學(xué)會(huì)操作

;

d

、改變控制方案和算法非常容易，只要輸入和輸出變量不增加，就不需要調(diào)整外部接線。

另一類以順序控制為主的形式稱為可編程邏輯

控制器

，也有很好的功能和廣泛的應(yīng)用。

3)

、

微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：

微計(jì)算機(jī)包括個(gè)人計(jì)算機(jī)

(PC)

、

單片機(jī)、

單板機(jī)等，

有些本來是通用的，

也可供過程控制之用。

(

二

)

、自動(dòng)化儀表的分類

自動(dòng)化儀表能從幾個(gè)主要方面加以分類。

1

、按儀表工作所需能源來分可分為三類

;

一類是氣動(dòng)儀表，它以干燥、清潔的壓縮空氣為能源，其壓力大小一般為

0.14MPa

一類是電動(dòng)儀表，一般其能源為

220

伏交流供電?；?/p>

24

伏直流供電

;

還有一類是以液壓為工作能源的液動(dòng)儀表。

2

、按組成結(jié)構(gòu)分

有基地式儀表、單元組合式儀表、組裝式儀表和分散型綜合控制系統(tǒng)等。

1)

、基地式儀表：基地式儀表是給定、測量、調(diào)節(jié)等機(jī)構(gòu)全裝在一個(gè)殼體內(nèi)的儀表。它是專

為某種被測參數(shù)在特定的測量范圍內(nèi)使用的儀表。它與單輸入單輸出的簡單控制系統(tǒng)相適應(yīng)。

2)

、

單元組合式儀表：

單元組合式儀表按照自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中各組成部分的功能和現(xiàn)場使用要

求，分成若干個(gè)獨(dú)立的單元。各單元之間用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。

在使用時(shí)再按一定的要求，

將各單元

組合在一起。單元組合儀表按工作能源又可分成氣動(dòng)單元組合儀表和電動(dòng)單元組合儀表。

3)

、

組件組裝式儀表：

它是將集成電路和其它一些電子元件按照功能制成若干插件，

根據(jù)需

要選擇不同的插件就能組成

;

自動(dòng)調(diào)節(jié)或控制系統(tǒng)。

4)

、分散型綜合控制系統(tǒng)：在控制技術(shù)

(Contro1)

、計(jì)算機(jī)技術(shù)

(Computer)

、通信技術(shù)

(Communication)

、屏幕顯示技術(shù)

(CRT)

等四“

C

”技術(shù)迅速發(fā)展的基礎(chǔ)上研制成的一種新型控制

系統(tǒng)。它的設(shè)計(jì)思想是分散控制、集中管理。

3

、按防爆能力分

有普通型、隔爆型和安全火花型等類儀表。

工業(yè)的迅猛發(fā)展，

特別是石油化工企業(yè)對(duì)儀表的防爆能力日益重視，

電動(dòng)儀表的設(shè)計(jì)者也考慮了各種防爆措施。

現(xiàn)場儀表的防爆能力已成為儀表性

能的重要指標(biāo)。

接處采用符合規(guī)定的螺紋。有的情況下對(duì)殼體的材質(zhì)和殼內(nèi)空間的尺寸也有規(guī)定。這樣的儀表。

也有采用充入惰性氣體或?qū)㈦娐方谟椭械霓k法隔離的。

其用意是用惰性氣體或油熄滅電火

3)

、

安全火花型儀表：

這類儀表采用低壓直流小功率電源供電，

并且對(duì)電路中的儲(chǔ)能元件

(

例

如電容、電感

)。此

外，危險(xiǎn)區(qū)以外發(fā)生電路的混觸，也有可靠的措施，

使高電壓大電流不能進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)。

安全火花

型儀表是電動(dòng)儀表中防爆性能的一類。

(

三

)

、單元組合儀表的統(tǒng)一信號(hào)、分類和命名

1

、統(tǒng)一信號(hào)

單元組臺(tái)式儀表按其能源分為氣動(dòng)單元組合儀表和電動(dòng)單元組合儀表。

氣動(dòng)單元組合儀表的

能源為

140kPa

的干燥清潔的壓縮空氣，它的統(tǒng)一信號(hào)為

20

～

100kPa

。

I

型電動(dòng)單元組合儀表的

能源為交流

220V

，

統(tǒng)一信號(hào)為直流

0

～

10mA

，

II

型單元組合儀表能源為直流

24V

，

統(tǒng)一信號(hào)為直

流

4

～

20mA

。

2

、分類

單元組合式儀表可分為現(xiàn)場安裝儀表和控制室安裝儀表兩大部分，

共八大類。

按儀表在系統(tǒng)

中所起的不同作用，現(xiàn)場安裝儀表可分為變送單元類和執(zhí)行單元類

;

控制室內(nèi)安裝儀表又可分為

調(diào)節(jié)單元類、轉(zhuǎn)換單元類、運(yùn)算單元類、顯示單元類、給定單元類和輔助單元類等。各單元的作

用和品種如下：

1)

、變送單元類：它將各種被測參數(shù)如溫度、壓力、流量、物位等物理量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的

0

～

10mA DC

、

4

～

20mA DC

或

20

～

100kPa

信號(hào)，并將其傳送到顯示、調(diào)節(jié)單元，以供指示、記錄或

控制。變送單元的主要品種有：溫度變送器、

壓力變送器

、

差壓變送器

、流量變送器、液位變送

器等。

2)

、轉(zhuǎn)換單元類：轉(zhuǎn)換單元是單元組合儀表與其它系列儀表之間的橋梁，它能將電壓、

頻率等電信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)

0

～

10mA

DC

、

4

～

20mA

DC

或

20

～

100kPa

信號(hào)，實(shí)現(xiàn)與電動(dòng)單元組合儀

表標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，

如電動(dòng)調(diào)節(jié)單元的輸出需進(jìn)行電—氣轉(zhuǎn)換才能驅(qū)動(dòng)zui常用的氣動(dòng)薄膜

調(diào)

節(jié)閥

。

這類產(chǎn)品有：直流毫伏轉(zhuǎn)換器、頻率轉(zhuǎn)換器、氣—電轉(zhuǎn)換器、電—氣轉(zhuǎn)換器等。

3)

、

調(diào)節(jié)單元類：

它將來自變送單元的測量信號(hào)和給定信號(hào)進(jìn)行比較，

按其差值給出控制信

號(hào)去控制執(zhí)行器的動(dòng)作，使測量值和給定值相等。調(diào)節(jié)單元的品種有比例、積分、微分調(diào)節(jié)器

;

比例、積分調(diào)節(jié)器

;

比例、微分調(diào)節(jié)器和比例調(diào)節(jié)器等。

4)

、運(yùn)算單元類：它將各類儀表輸出的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)進(jìn)行加、減、乘、除、開方、平方等數(shù)

學(xué)運(yùn)算，以滿足多參數(shù)復(fù)臺(tái)測量、校正和調(diào)節(jié)的要求。運(yùn)算單元的品種有加減器、乘除器和開方

器等。

5)

、顯示單元類：已將各種被測參數(shù)進(jìn)行指示、記錄、報(bào)警和積算等，供操作人員監(jiān)視控制

系統(tǒng)工況之用。顯示單元副品種有：比例積算器、開方積算器、自動(dòng)顯示

記錄儀

等。