气动仪表

第一章 绪论 一．气动仪表的定义

以压缩空气为能源的仪表，称为气动仪表。气动单元组合仪表以0。02~0。10Mpa气压作为统一信号。

二．自动调节系统的几个组成部分

1． 被调对象——也叫调节对象，就是被调节的生产设备或生产过程的某个环节。 2． 变送器——将被调参数转换成与其成比例的测量信号。

3． 给定器——给出被调参数的控制值或给出被调参数的变化规律。

4． 调节器——把变送器送来的测量信号与给定器送来的给定信号进行比较得出偏差

信号，再将偏差信号按某种调节规律运算放大，而输出一个控制信号，再将信号按某种调节规律运算放大，而输出一个控制信号去指挥执行器。

5． 执行器——包括执行机构和调节阀，执行机构将调节器的输出信号转换成推办。用

以推动调节 阍，而调节阀则改变被调介质的流入量或流出量，使被调参数保持在生产需要的数值上。

三．QZD仪表品种分类和型号命名：

QZD仪表及单元的型号由两部分组成，两部分之间用短横隔开，前一部分由三个汉语拼音大写字母组成。第一个均为Q，它表示气动仪表的意思；第二个字母表示测量参数或仪表的品种而后一部分是阿拉伯数字，是制造厂用以表示产品系列，规格，结构特征等的编号。

QDZ仪表由下列七大类组成： 1． 变送单元（B） 2． 调节单元（T） 3． 显示单元（X） 4． 计算单元（J） 5． 给定单元（G） 6． 辅助单元（F） 7． 转换单元

第二章 气动仪表的基本元件与组件

一．弹性元件

在气动仪表中，弹性元件作为检测元件或转换元件，将压力或差压信号转换成位移或压力信号。通常采用的弹性元件有：非金属膜片，金属膜片，波纹管及弹簧等。

弹性元件的基本特性：

弹性元件的变形位移（线性位移或角位移）和作用力之间的关系称为弹性特性。弹性元件在其轴向受到外力作用时，就会产生拉伸或压缩变形位移，在弹性限度内。作用，力与弹性元件的变形位移间的关系为： F=C*S

F——轴向外力 S——弹性元件的变形位移 C——弹性元件的刚度。 二．气动阻容元件

1． 在气动仪表的气动管路中，起产生压力降和改变空气流量作用的元件，称为气阻，也叫

节流元件或节流孔。

气阻按其特性可分为线性气阻主非线性气阻。

气阴按其结构特点可分为恒气阻，可调气阻和变气阻。

2． 气容

在气动管路中，能贮存或放出气体的容器都来可称为气容。 3． 阻容元件

用导管将气阻和气容联接起来，就构成了气动阻容元件，常见的阻容元件有节流盲室和节流通室内，在气动仪表中阻容元件一般作为仪表的反馈环节，以获得比例，积分，微分等调节规律。 四．气动控制元件

在气动仪表中。最基本的控制元件就是不同形式的喷嘴挡板机构，就本质而言，喷嘴挡板机构就是由一个恒气阻一个流通气室内和一个变气阻串联而构成的节流通室。唬 嘴挡板机构的作用，是把微小的位移转换成相应的压力信号。 1． 普通喷嘴挡板机构及放大作用

上图的普通挡板机构。压力恒定的气源P0经恒气阻1进入节流通室（也啊背压室）再由距嘴与挡板之间的间隙排出，喷嘴与挡板之间的间隙排出。喷嘴与挡板组成一个变气阻，当喷嘴挡板间隙h变化时，使空气流通截面积发生变化。因而改变了变气阻的阻值，当喷嘴挡板间隙h一定时，变气阻有对应关系，则通室压力P1与变气阻有一一对应 关系，我们将喷嘴挡板机构的节流通室压力称为背压。如果使挡板盖住喷嘴（即h=0） 则背压P1等于气源压力P0，如果使挡板完全离开喷嘴，背压接近于大气压（P1=P2=0）

第三章 气动变送单元

气动变送器在化工测量和自动调节系统中的作用，是将被测参数（如温度，压力，液位，流量等）转换面标准的气压信号，送入有关单元，以使集中检测，自动调节或信号连锁保护等。 气动差压变送器：

气动差压变送器由测部分和气动转换部分组成，测量部分的作用是感受差压的变化，并将差压转换成相应的测量力。这个力作为气动转换部分的输入，气动转换部分接受测量力，并把它转换成相应的标准气压信号作为变送器的输出。

1． 测量部分主要由出轴密封装盒，检测元件（膜盒 ）基体等组成。膜盒与基体

分别组成正，负压室。

2． 气动转换部分。主要由气动放大器，杠杆机构和反馈波纹管组成。气动放大器

由喷嘴挡板机构和节流式功率放大器组成，杠杆机构将测量力的变化转换成位移的变化。然后再由喷嘴挡板机构将位移变铺张浪费转换成喷嘴背压的变化。功率放大器则将与差压成比例的喷嘴背压进行压力和流量放大，放大后的压力信号即为变送器的输出。杠杆机构主要起力矩传递作用。测量力和反馈力在杠杆系统上形成测量力矩和反馈力矩，二者进行比较后由杠杆系统输出一个微小位移给挡板。

第五章节 气动显示单元

凡是能将生产过程中各种参数进行显示，记录或积算的仪表，统称为显示仪表。

第一节 三针记录调节仪

三针记录调节仪应用广泛，它有三套测量机构，分别推动一个记录笔和两个指示针，用以记录被调量并同时指示给定值和阀位，并能准确地进行给定，方便地进行PID参数整定及手动 自动无扰动切换。

三针记录调节仪有机芯，调节器，箱壳（包括管路板，切换开关和定值器）三部分。

一．机芯（以QXJ—313型三针记录调节仪为例介绍）

机芯由测量机构，卷纸机构。指针，笔架和笔尖组成。

测量机构由波纹管组件和四个连杆组成，波纹管组件的作用是将被测验压力信号转换成相应的位移信号。连杆机构的作用是将位移信号按一定的比例关系进行放大，并在刻度板上显示出来。 二．阀位指示。

阀位指示仪简称小表，主要功能是指示三针记录调节仪的输出压力值。 三．切换开关与管路板

管路板的作用是固定部件和沟通各之间的气路的连通状况

气动调节单元

在自动调节系统中，调节器的任务在于使被调参数保持在工艺生产指定的数值上或

按工艺生产工艺生产给定的规律变化，调节对象的被调参数通过变送器转换成0.2-1kg/c㎡的气压信号，然后送到调节器，此气压信号称为调节器的测量值，有给定单元送到调节器上表征工艺参数指示值。大小的气压信号为调节器的给定值。调节器的测量值与给定值相比较而得出差值，称为偏差信号。调节器根据偏差信号的大小和方向以某种调节规律向执行器发出信号。通过调节阀改变被调介质的数量。使被调参数恢复到给定值上。调节器的输出信号与输入信号之间随时间变化的规律称为调节规律或调节作用。

被调参数的测量值大于给定值时的偏差信号称为正偏差，测量值小于给定值时的偏

差信号称为负偏差。调节器在正偏差和负偏差时，都应发出调节作用，以克服调节系统的扰动，使被调参数保持在给定值上。

在正偏差作用下，调节器的输出信号增大，称为正作用调节器，而在正偏差作用下

调节器的输出信号减小时，称它为反作用调节器

一，调节器的调节规律

调节器的基本调节规律有比例，积分，微分及其组合。 （一）比例调节规律（P）

比例调节规律的特点就是输出信号与输入信号成比例关系，也就是测量值与给定值的偏差乘上一个比例系数，即为调节器的输出变化值 用数学式表示为：△P出=Kp×P入

式中△P出——调节器输出信号的变化量 P入——调节器输入的偏差信号 Kp ——比例系数或称为比例增益

比例系数Kp就是调节器的放大信数，比例系数可以大于1，也可以小于1。

比例调节器的伏点是反应似的快，调节作用立即见效，即当有偏差信号时，调节器的输出立刻与偏差成比例变化，偏差信号越大，输出的调节作用也越强，但因比例调节器的输出信号与输入偏差信号间存在一一对应的关系，所以当自动调节系统的负荷变化时比例调节器不能把被调参数调回到给定值上，而产生了所谓的残余偏差（简称余差）这是比例调节器的缺点。

比例范围（也称比例度）是比例调节器最基本的概念，所谓比例范围，就是使调节器的输出信号变化全范围时，相应的输入信号变化其全范围的百分数，即

Pb=P入/P出×100% 又因为P入/P出=1/Kp 所以 Pb=1/Kp×100%

调节器的比例范围（比例度）等于放大倍数的倒数的百分数 （二），积分调节规律（1）

调节器输出信号变化量 △P出 与偏差信号 P入 的积分成正比时，我们称这种调节规律为积分调节规律，用公式表示为：

△P出=1/Tl∫P入dt Tl为积分时间 具有积分调节规律的调节器称为积分调节器，可见，积分调节器输出信号的变化量与偏差信号的大小及其存在的时间正比，与积分时间成反比，当有偏差信号时，积分调节器的输出将随时间不段变化（增大或减小），只有在输入偏差等于零时，积分作用才停止，输出信号才不再变化而稳定某一数值上，所以当偏差大小及存在的时间长短不同时，积分调节器在偏差消失后有不同稳定输出值。也就是说，积分调节器在稳定状态时的输出压力可以为任意值。因此，用积分调节器组成的调节系统当系统稳定时总是无差的。

积分时间的倒数1/Tl表示积分速度的大小，积分时间越长，积分速度越小，即积

分作用越弱，积分时间越小，积分速度越大，即积分作用越强。 （三），微分调节规律

比例，积分调节器的输出仅与偏差信号的方向，大小及其存在的时间有关，与偏差

信号的变化速度无关，对于滞后较大的调节对象，为了提高调节质量，必须考虑偏差信号变化速度的问题，因此产生了微分器

理想的微分调节器，输出与输入信号的变化速度成正比例，其特征方程为：

△ P出=TD×dP入/dt

TD——微分时间 dP入/dt——输入信号变化速度，

可见，偏差变化速度越大，微分时间越长，则微分作用的输出变化越大。如果偏差稳定不变，即dP入/d=0，则不论偏差信号的绝对值多大，微分器的输出都为零

理想的微分器是不能实际应用的因为一个很微弱但变化速度很大的信号，就可以使

输出压力产生很大的变化，所以微分环节抗干扰能力很差，因此实际事业的微分器常常是比加微分特性

（四）三作用调节规律（P，I，D）

常用的调节器之一是比例加积分加微分调节器，其特性方程为： △ P出=Kp(P入+1/Ti∫P入dt+TD×dP入/dt)

理想的三作用调节器在阶跃信号作用下，微分作用使输出压力产生一个跃变脉冲，比例作用使调节器输出随时与微分器的输出成正比，积分作用使用调节器的输出压力随时间的增长作等速度变化，其变化速度取决于P入和积分时间的大小。 三作用调节输出如图：

△P比.积.微

调节器的构成原理

调节器的构成原理入图 P绘 比较环节 控制元件 功率放大中 P测 偏差 P出 反馈机构 调节器由比较环节控制文件，功率放大器及反馈机构四个部分组成，现分别加以介绍：

（一） 比较环节

它的作用是把测量信号，给定信号及反馈信号比较，然后输出一个很小的位移，即喷嘴档板间的位移。 （二） 控制元件

气动调节器的控制元件是各种形式的喷嘴档板机构。控制元件的作用是把比较元件送来的微小位移量转换成相应的气压信号，所以，控制元件也叫放大环节，即将微小位移量放大为具有定功率的气压信号。 （三） 功率放大器

气动调节器一般都有一个功率放大器，其作用是把控制元件输出的微小的气压信号进行功率放大，以便远距离传递或推动执行器。

（四） 反馈机构

反馈机构的作用是为了实现各种调节规律，以适应各种被调对象的要求，气动调节器的反馈机构通常由各种形式的恒气阻，可调气阻，容或杠杆组成。 QTL-500型膜片式比例积分调节器

QTL-500型膜片比例积分调节器由十个外方内圆的铝块和九个橡胶膜片交替叠合后，用四组螺杆螺帽固定成整体的。橡胶膜片及气路元件将十个铅分隔成为十二个环行气室，在各环行气室方块边缘及膜片上，相应有Φ4或Φ2.5的孔，作为沟通各气室的通路，调节器由下列五部分组成。

（1） 比较部分；包括测量气室F，给定气室G，负反馈气室E，正反馈气室H以及

由比较环节芯杆所联系起来的膜片组件T

（2） 控制与放大部分；包括由喷嘴21。档板20及恒气阻6组成的控制元件，由A，

B，C，D气室及有关元件组成的力平衡式1：1功率放大器。

（3） 比例部分：包括F，G，E，H气室和比例针阀18，恒气阻17。

积分部分：包括由积分针阀10，气室T组成的节流盲室和由恒气阻9，气室I，喷嘴16组成的跟踪环节。

开关部分：包括K，C气室，喷嘴12和膜片13。

调节器的外面有调节比例度的针阀18，调整积分时间的针阀10，恒气阻6，9，17，调零螺钉8，换向板19，过滤器3，还有使调节器插入调节器回路的五个气插头26

QTL—500膜片式比例积分调节器的动作原理： 0.14Mpa的压缩空气经过过滤器后分成三路：一路进入A室，由锥形弹簧24将球阀23压在阀座22上，关闭A室至B室的回

路。第二路由恒气阻6进入喷嘴档板背压室D经喷嘴21和E，B两室，从放气嘴1和硬芯2的孔排入大气，第三路由恒气阻9进入I室，经喷嘴16排入大气。

当测量气室F的压力大于给定气室G的压力时，比较膜片组件T下移，档板20与喷嘴21的距离减小，使背压室D的压力增大，克服压差弹簧25的张力，于是膜片4和5连同活门推杆下移，打开进气球阀23，气流即从A室进入B室，作为调节器的输出压力P出。

调节器的输出分三路：

一路进入气室E。气室E的压力（PE=P出）作用在膜片组件T上，产生一个使膜片组件上移的力，形成负反馈，所以E室叫做负反馈气室。

一路经比例针阀18进入气室H。气室H压力PH作用在膜片组件T上，产生一个使其下移的力形成正反馈，所H气室叫做正反馈室。由于比例针阀18，气室H和恒气阻17组成一个节流通室，所以H气室压力PH与输出压力P出成比例关系。由于负反馈气室压力PE等于输出压力P出，为全负反馈，而正反馈气室的压力PH小于P出。为部分正反馈，所以PE和PH共同对膜片组件的作用结果是部分负反馈，这样，调节器就有一个与输入偏差成比例的输出。

一路经膜片13和喷嘴12组成的切换开关，作为调节器的输出信号送往执行器，同时，输出经积分针阀10进入盲室中J中。积分针阀10和盲室J构成节流盲室，即为调节器的积分环节，J室压力随时间而连续升高，推动膜片15靠近喷嘴16，使I室压力跟着升高（故I室又成跟踪气室）并经恒气室进入H室，作为附加正反馈，实现积分作用，这个附加正反馈作用在膜片组件上使其下移，则调节器的输出进一步增加。当J室充气完毕，J，I，H，E，B各气室压力相等（均等于P出）时，积分作用就停止了，正负反馈作用相互抵消，则膜片组件T在新的位置上达到平衡，即喷嘴21与档板20间具有新的距离，则调节器有新的稳定输出压力。

当测量气室F的压力小于给定气室G中的压力时，调节器的动作过程与上述过程相反，输出压力减小，管路和各气室中多余气压从放气嘴1和喷嘴16排如大气。

习题：

（1），调节器的测量值与给定值相比较而的出的差值称为（ ）信号。 （2），调节器的输出信号与输入信号之间随时间变化的规律，称为（ ）或称调节作用。

（3），被调参数的测量值大于给定值时的偏差信号称为（ ）；而测量值小于给定值时的偏差信号称为（ ）。

（4），在正偏差作用下，调节器的输出信号增大时，称它为（ ）调节器。而在正偏差作用下调节器的输出信号减小时，称它为（ ）调节器。

（5），调节器的基本调节规律有（ ），（ ），（ ）及其组合。 （6），比例调节规律的特点，就是输出信号与输入信号成（ ）关系 （7），调节器输出信号变化量 △P出 与偏差信号 P如 的积分成正比时，我们称这种调节规律为（ ）调节规律。

（8），PI调节器的输出仅与偏差信号的（ ），（ ）及其存在（ ）有关与偏差信号的变化速度无关。

（9），调节器由（ ），（ ），（ ）及（ ）四个部分组成。

（10），下图是气动仪表必不可少的喷嘴档板机构，请说明： Po

P1

1当档板完全盖住喷嘴时，P1为多少？

2当档板远离喷嘴时，P1为多少？

答：当档板完全盖住喷嘴时，P1为气源压力Po,但由于档板和喷嘴都是金属，所以实际上不可能完全盖住，因而P1接近气源压力Po。当档板远离喷嘴时，P1为大气压力。但因为空气流过喷嘴时有一定的阻力，所以实际上P1按近于大气压。

（11）比例系数（调节器放大信数）与调节器的比例度是什么关系？ 答：比例度等于调节器放大信数的倒数的百分数。 （12）调节器中比较环节的作用是什么？

答：它的作用是把测量信号，给定信号及反馈信号相比较，然后输出一个微小的位移，即为喷嘴档板的位移。

（13）气动调节器控制元件的作用是什么？

答：气动调节器的控制元件是各种形式的喷嘴档板机构。控制元件的作用是把比较元件送来的微小位移换成相应的气压信号。

（14）气动调节器的功率放大器的作用是什么？

答：气动调节器的作用是把控制元件输出的微弱气压信号进行功率放大，以便远距离传递或推动执行机构。

（15）在QTL—500调节器中，比较部分由什么组成？

答：比较部分由测量气室，给定气室，负反馈气室，正反馈气室以及由比较环节芯杆 所联系起来的膜片组成。

（16）什么是节流通室？

答：节流通室是把恒气阻，可调气阻与流通气室串联起来形成的气路，如图所示：

R1 T R2 P1

P2 P3

（17）什么是节流盲室？在QTL—500中节流盲室有什么作用？

答：在可调或不可调气阻后串一个固定的气室，就形成了节流盲室，在QTL—500调节器中，由积分针阀与积分气室组成的节流盲室事项了调节器的积分作用

（18）什么是气动比例调节器的余差？

答：比例调节器的输出信号与输入偏差信号存在着一一对应的关系，所以当自动调节系统的符合改变时，比例调节器不能把被调参数调回到给定值上，而产生了所谓的参余偏差（简称余差）

（19）自动调节系统一般包括哪几个部分？

答：自动调节系统一般包括：被调对象，变送器，显示仪表，调节器和执行器五个部分。

（20）什么是弹性元件的弹性特性？

答：弹性元件的变形位移（线位移或角位移和作用之间的关系称为弹性元件的弹性特性。

（21）什么叫气阻？

答：在气动移杓的气动管路中，起产生压力降和改变空气流量作用的元件称为气阻，也叫节流元件或节流孔。

（22）什么叫气容？

答：在气动管路中，能贮存或放出气体的容室都可称为气容。 （23）在气动仪表中，喷嘴与档板机构有什么作用？

答：喷嘴档板机构就是由一个恒气阻，一个流通气室和一个变气阻串联而构成的节流通室，喷嘴档板机构的作用是把微小的位移转换响应的压力信号。

（24）变送器在自动调节系统中的作用是什么？

答：是将被测参数（温度，压力，液位，流量等）转换成标准的仪表信号，送入有关单元，以便实现集中检测，自动调节成信号连锁保护等。

（25）什么是调节器的给定值，测量值与偏差信号？

答：调节对象的被调参数通过变送器转换成0.02-0.10Mpa 的气压信号，然后送到调节器，此气压信号称为调节器的测量值，由给定单元送到调节器上的表征工艺参数指定值大小的气压信号，称为调节器的给定值。调节器的测量值与给定值相比教而的出的差值称为偏差信号。

（26）比例，积分，微分调节器的特性方程是什么？、 答：~~~~~~~~~~~~~~是

△P出=Kp(P入+1/Ti∫P入dt+TD×dP入/dt) （27）气动单元组各仪表包括哪几单元？

答：包括变送单元，调节单元，显示单元，计算单元，给定单元，辅助单元，转换单元共七类。

（28）气动差压变送器由哪两部分组成？各有什么作用？

答：气动差压变送器由测部分和气动转换部分组成，测量部分的作用是感受差压的变化，并将差压转换成相应的测量力。这个力作为气动转换部分的输入，气动转换部分接受测量力并把它转换成相应的标准气压信号作为变送器的输出。

（29）你认为需要哪些仪表才能组成简单气动单元组各仪表的闭环压力调节回路？ 答：包括气动压力变送器，三针记录调节仪与气动调节器和气动调节阀就可组成闭环压力调节回路。

（30）计算题：

有一比例积分调节器，积分时间为3分钟，当输入信号从30Kpa增加到50Kpa时，三分钟后调节器输出从30Kpa增加到70Kpa，问，该调节器的比例度是多少？

解：依据方程式：

△P出=Kp ×P入+ Kp/Ti∫P入/dt 代入公式得：

70-30=KP×(50-30)+KP/3∫20dt 40= KP×20+ KP/3 ×60

KP=40/40=1 即比例度Pb=1/ Kp×100%

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