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1、控 制 儀 表 及 裝 置李 正 強(qiáng)天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院自動(dòng)化工程系2014.08 第 一 章 緒 論 各 種 控 制 儀 表 及 裝 置 是 實(shí) 現(xiàn) 工 業(yè) 自 動(dòng) 化 必 不 可 少的 工 具 ， 在 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 中 ， 檢 測(cè) 儀 表 將 被 測(cè) 量 轉(zhuǎn) 換成 測(cè) 量 信 號(hào) 后 ， 還 需 要 送 控 制 儀 表 ， 以 便 使 控 制 生 產(chǎn)過(guò) 程 的 正 常 進(jìn) 行 ， 使 被 測(cè) 量 達(dá) 到 預(yù) 期 的 要 求 。 本 章 將主 要 介 紹 控 制 儀 表 及 裝 置 基 本 知 識(shí) ， 控 制 儀 表 防 爆 的基 本 知 識(shí) ， 控 制 儀 表 的 分 析 方

2、 法 ， 本 課 程 的 性 質(zhì) 、 內(nèi)容 和 任 務(wù) 。 緒 論v1.1 控 制 儀 表 及 裝 置 基 本 知 識(shí)v1.2 控 制 儀 表 防 爆 的 基 本 知 識(shí)v1.3 控 制 儀 表 的 分 析 方 法v1.4 本 課 程 的 性 質(zhì) 、 內(nèi) 容 和 任 務(wù) v1 控 制 儀 表 及 裝 置 總 體 概 述v控 制 系 統(tǒng) 是 實(shí) 現(xiàn) 生 產(chǎn) 過(guò) 程 自 動(dòng) 化 的 平 臺(tái) ,而 過(guò) 程 控 制 儀表 與 裝 置 是 過(guò) 程 控 制 系 統(tǒng) 不 可 缺 少 的 重 要 組 成 部 分 。v這 些 儀 表 可 以 是 電 動(dòng) 儀 表 ， 氣 動(dòng) 儀 表 等 各 種 系 列 的 儀表

3、， 也 可 以 是 各 種 控 制 裝 置 ， 所 有 這 些 儀 表 或 裝 置 都屬 于 控 制 儀 表 與 裝 置 的 范 疇 。v工 程 上 將 構(gòu) 成 一 個(gè) 過(guò) 程 控 制 系 統(tǒng) 的 各 個(gè) 儀 表 統(tǒng) 稱 為 控制 儀 表 。v本 書(shū) 涉 及 到 的 控 制 儀 表 包 括 ： 在 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 中 廣 泛使 用 的 變 送 器 、 控 制 器 、 執(zhí) 行 器 等 ， 以 及 新 型 控 制 儀表 及 裝 置 。1.1 控 制 儀 表 及 裝 置 基 本 知 識(shí) 鍋 爐 水 位 控 制 原 理(a)56 43 21 手 動(dòng)腦 想眼 看檢 測(cè)檢 測(cè)檢 測(cè) (b) 執(zhí) 行

4、 器控 制 器變 送 器123 65 加 熱 爐 控 制 原 理 2 控 制 儀 表 及 裝 置 的 分 類 及 特 點(diǎn)控 制 儀 表 及 裝 置 可 按 能 源 形 式 、 信 號(hào) 類 型 和 結(jié) 構(gòu) 形 式 來(lái) 分 類 。（ 1） 按 能 源 形 式 分 類 可 分 為 氣 動(dòng) 、 電 動(dòng) 、 液 動(dòng) 等 幾 類 。 工 業(yè) 上 通 常 使 用氣 動(dòng) 控 制 儀 表 和 電 動(dòng) 控 制 儀 表 。 （ 下 表 是 兩 者 的 比 較 ） （ 2） 按 信 號(hào) 類 型 分 類分 為 模 擬 式 和 數(shù) 字 式 兩 大 類模 擬 式 控 制 儀 表 的 傳 輸 信 號(hào) 通 常 為 連 續(xù) 變

5、化 的 模 擬 量 。數(shù) 字 式 控 制 儀 表 的 傳 輸 信 號(hào) 通 常 為 斷 續(xù) 變 化 的 數(shù) 字 量 。 （ 3） 按 結(jié) 構(gòu) 形 式 分 類l基 地 式 控 制 儀 表l單 元 組 合 式 控 制 儀 表l組 裝 式 綜 合 控 制 裝 置l數(shù) 字 化 控 制 儀 表l集 散 控 制 系 統(tǒng)l現(xiàn) 場(chǎng) 總 線 控 制 系 統(tǒng) v爆 炸 必 須 具 備 的 三 個(gè) 條 件v爆 炸 性 物 質(zhì)v氧 氣v點(diǎn) 燃 源1.2 控 制 儀 表 防 爆 的 基 本 知 識(shí) 客 觀 上 很 多 工 業(yè) 現(xiàn) 場(chǎng) 滿 足 爆 炸 條 件 。 當(dāng) 爆 炸 性 物質(zhì) 與 氧 氣 的 混 合 濃 度 處 于

6、 爆 炸 極 限 范 圍 內(nèi) 時(shí) ， 若 存 在爆 炸 源 ， 將 會(huì) 發(fā) 生 爆 炸 。 因 此 在 這 些 場(chǎng) 所 使 用 的 儀 表和 控 制 系 統(tǒng) 必 須 具 有 防 爆 性 能 。 1 防 爆 儀 表 的 標(biāo) 準(zhǔn)防 爆 儀 表 必 須 符 合 國(guó) 家 標(biāo) 準(zhǔn) GB 3836 1 爆 炸 性 環(huán) 境 用 防爆 電 氣 設(shè) 備 通 用 要 求 的 規(guī) 定 。(1) 防 爆 儀 表 的 分 類按 照 國(guó) 標(biāo) GB 3836 1規(guī) 定 ， 防 爆 電 氣 設(shè) 備 分 為 兩大 類 類 ： 煤 礦 井 下 用 電 氣 設(shè) 備 。 類 ： 工 廠 用 電 氣 設(shè) 備 。 類 （ 工 廠 用 ）

7、 電 氣 設(shè) 備 又 分 為 8 種 類 型 。 這 8種 類 型及 其 標(biāo) 志 如 表 所 示電 動(dòng) 儀 表 主 要 有 隔 爆 型 （ d） 和 本 質(zhì) 安 全 型 （ i） 兩 種 。本 質(zhì) 安 全 型 又 分 為 兩 個(gè) 等 級(jí) ： i a和 ib。 (1) 防 爆 儀 表 的 分 級(jí) 和 分 組在 爆 炸 性 氣 體 或 蒸 汽 中 使 用 的 儀 表 ， 有 兩 方 面 原 因 可 能 引起 爆 炸l儀 表 產(chǎn) 生 能 量 過(guò) 高 的 電 火 花 或 儀 表 內(nèi) 部 因 故 障 產(chǎn) 生的 火 焰 通 過(guò) 表 殼 的 縫 隙 引 燃 儀 表 外 的 氣 體 或 蒸 汽 ；l儀 表 過(guò)

8、 高 的 表 面 溫 度 。根 據(jù) 上 述 兩 個(gè) 方 面 對(duì) 類 防 爆 儀 表 進(jìn) 行 了 分 級(jí) 和 分 組 ， 規(guī)定 其 適 用 范 圍 。 防 爆 儀 表 的 分 級(jí)防 爆 儀 表 的 分 組 (3)防 爆 儀 表 的 標(biāo) 志 防 爆 儀 表 的 防 爆 標(biāo) 志 為 “ Ex” ； 儀 表 的 防 爆 等 級(jí) 標(biāo) 志的 順 序 為 ： 防 爆 型 式 、 類 別 、 級(jí) 別 、 溫 度 組 別 。 控 制 儀 表 常 見(jiàn) 的 防 爆 等 級(jí) 有 ia CT5和 d BT3兩 種 。前 者 表 示 類 本 質(zhì) 安 全 型 ia等 級(jí) C級(jí) T5組 ； 后 者 表 示 類隔 爆 型 B級(jí)

9、 T3組 。 2 控 制 儀 表 的 防 爆 措 施控 制 儀 表 防 爆 措 施 主 要 有 隔 爆 型 和 本 質(zhì) 安 全 型 。（ 1） 隔 爆 型 防 爆 儀 表 采 用 隔 爆 型 防 爆 措 施 的 儀 表 稱 隔 爆 型 防 爆 儀 表 ， 其特 點(diǎn) 是 儀 表 的 電 路 和 接 線 端 子 全 部 置 于 防 爆 殼 體 內(nèi) ， 其表 殼 強(qiáng) 度 足 夠 大 ， 接 合 面 間 隙 足 夠 深 ， 最 大 的 間 隙 寬 度又 足 夠 窄 。 隔 爆 型 防 爆 儀 表 不 能 在 通 電 運(yùn) 行 的 情 況 下 打 開(kāi) 表殼 進(jìn) 行 檢 修 或 調(diào) 整 。 隔 爆 型 防

10、爆 結(jié) 構(gòu) 的 具 體 防 爆 措 施 是 采 用 耐 壓 80100N/cm2以 上 的 表 殼 ； 表 殼 外 部 的 溫 升 不 得 超 過(guò) 由 易 爆 性氣 體 或 蒸 汽 的 引 燃 溫 度 所 規(guī) 定 的 數(shù) 值 ； 表 殼 接 合 面 的 縫 隙寬 度 及 深 度 ， 應(yīng) 根 據(jù) 它 的 容 積 和 易 爆 性 氣 體 的 級(jí) 別 采 用 規(guī)定 的 數(shù) 值 等 。 (2) 本 質(zhì) 安 全 型 防 爆 儀 表 采 用 本 質(zhì) 安 全 型 防 爆 措 施 的 儀 表 稱 本 質(zhì) 安 全 型 防 爆儀 表 （ 簡(jiǎn) 稱 本 安 儀 表 ） ， 也 稱 安 全 火 花 型 防 爆 儀 表

11、。 本 質(zhì) 安 全 型 防 爆 儀 表 在 電 路 設(shè) 計(jì) 上 采 用 低 工 作 電 壓 和小 工 作 電 流 。 通 常 采 用 不 大 于 24VDC工 作 電 壓 和 不 大 于20mA的 工 作 電 流 。 對(duì) 處 于 危 險(xiǎn) 場(chǎng) 所 的 電 路 ， 適 當(dāng) 選 擇 電 阻 、電 容 和 電 感 的 參 數(shù) 值 ， 用 來(lái) 限 制 火 花 能 量 ， 使 其 只 產(chǎn) 生 安全 火 花 ； 在 較 大 電 容 和 電 感 回 路 中 并 聯(lián) 雙 重 化 二 極 管 ， 以消 除 不 安 全 火 花 。 常 用 本 安 型 儀 表 有 電 型 的 差 壓 變 送 器 、 溫 度 變 送器

12、 、 電 /氣 閥 門(mén) 定 位 器 以 及 安 全 柵 等 。 3 控 制 系 統(tǒng) 的 防 爆 措 施(1) 在 危 險(xiǎn) 場(chǎng) 所 使 用 安 全 火 花 型 防 爆 儀 表 ；(2) 在 控 制 室 儀 表 與 危 險(xiǎn) 場(chǎng) 所 儀 表 之 間 設(shè) 置 安 全 柵(3) 按 照 安 全 火 花 防 爆 的 要 求 進(jìn) 行 系 統(tǒng) 的 安 裝 和 維 護(hù) 。 安 全 火 花 型 防 爆 系 統(tǒng) 1.3 控 制 儀 表 的 分 析 方 法1 控 制 儀 表 總 體 分 析 思 路 模 擬 儀 表 先 用 框 圖 的 形 式 分 析 其 結(jié) 構(gòu) 功 能 ， 掌 握 儀表 的 外 部 特 性 ， 內(nèi) 部

13、 電 路 要 根 據(jù) 功 能 的 要 求 分 析 其“ 核 ” ； 數(shù) 字 儀 表 要 熟 悉 其 硬 件 和 軟 件 資 源 ， 掌 握 其 編程 方 法 和 操 作 方 法 ， 通 過(guò) 工 程 案 例 分 析 ， 掌 握 工 程 方 案實(shí) 現(xiàn) 和 功 能 分 配 方 法 。 2 采 用 單 個(gè) 放 大 器 的 分 析 方 法（ 1） 采 用 單 個(gè) 放 大 器 的 儀 表 特 點(diǎn)典 型 結(jié) 構(gòu) (2)采 用 單 個(gè) 放 大 器 分 析 方 法 首 先 要 將 儀 表 分 為 輸 入 、 放 大 和 反 饋 三 個(gè) 部分 。 然 后 對(duì) 各 個(gè) 部 分 進(jìn) 行 分 析 ， 尤 其 是 輸 入

14、 部 分和 反 饋 部 分 ， 最 后 根 據(jù) 下 面 的 公 式 之 一 求 得 儀 表的 輸 出 和 輸 入 之 間 關(guān) 系 。CxKFKy 1 CxFy 1 實(shí) 際 儀 表 劃 分 出 輸 入 、 放 大 和 反 饋 這 三 個(gè) 部 分 的 關(guān) 鍵 ，在 于 找 出 比 較 環(huán) 節(jié) 和 引 出 負(fù) 反 饋 的 取 樣 環(huán) 節(jié) 。 氣 動(dòng) 儀 表 一 般 依 據(jù) 力 或 力 矩 平 衡 原 理 找 出 這 兩 個(gè) 環(huán) 節(jié)是 很 直 觀 的 ， 比 較 環(huán) 節(jié) 一 般 是 膜 片 或 杠 桿 ， 取 樣 是 儀 表 輸出 ； 電 動(dòng) 儀 表 的 比 較 環(huán) 節(jié) 一 般 從 放 大 器 的 輸

15、 入 端 去 找 ， 取樣 環(huán) 節(jié) 從 儀 表 的 輸 出 端 去 找 。 電 動(dòng) 儀 表 的 比 較 環(huán) 節(jié) 一 般 從 放 大 器 的 輸 入 端 去 找 ， 取樣 環(huán) 節(jié) 從 儀 表 的 輸 出 端 去 找 。 電 動(dòng) 儀 表 的 比 較 方 式 有 兩 種 ： 串 聯(lián) 比 較 和 并 聯(lián) 比 較 。電 壓 串 聯(lián) 比 較 結(jié) 構(gòu) 電 壓 通 過(guò) 電 阻 并 聯(lián) 比 較 結(jié) 構(gòu)電 動(dòng) 儀 表 的 取 樣 方 式 有 兩 種 ： 電 流 取 樣 和 電 壓 取 樣 。 電 流 取 樣 結(jié) 構(gòu) 電 壓 取 樣 結(jié) 構(gòu) 3 采 用 運(yùn) 算 放 大 器 的 分 析 方 法(1) 集 成 運(yùn) 算

16、放 大 器 基 本 特 征運(yùn) 算 放 大 器 等 效 模 型 （ 2） 集 成 運(yùn) 算 放 大 器 典 型 電 路 電 壓 跟 隨 器 電 路差 動(dòng) 輸 入 運(yùn) 算 放 大 器 電 路 同 相 輸 入 運(yùn) 算 放 大 器 電 路反 相 輸 入 運(yùn) 算 放 大 器 電 路 （ 3） 單 電 源 供 電 的 運(yùn) 算 放 大 器 電 路 過(guò) 程 控 制 儀 表 出 于 總 體 設(shè) 計(jì) 的 需 要 ， 便 于 儀 表 的 安 裝 以及 變 送 器 采 用 二 線 制 等 原 因 ， 在 儀 表 線 路 中 ， 一 般 都 采 用 單電 源 供 電 ， 即 由 一 組 24VDC電 源 供 電 。 運(yùn)

17、算 放 大 器 采 用 單 電源 供 電 ， 實(shí) 質(zhì) 改 變 的 是 電 位 基 準(zhǔn) ， 由 于 電 位 基 準(zhǔn) 發(fā) 生 了 改 變 ，因 此 運(yùn) 算 放 大 器 的 允 許 工 作 條 件 將 跟 著 改 變 。 為 了 保 證 運(yùn) 算放 大 器 正 常 工 作 ， 常 采 用 電 平 移 動(dòng) 的 辦 法 ， 這 并 不 影 響 運(yùn) 算放 大 器 電 路 的 運(yùn) 算 關(guān) 系 和 特 性 。 (4)采 用 運(yùn) 算 放 大 器 的 儀 表 分 析 方 法 采 用 運(yùn) 算 放 大 器 的 儀 表 分 析 方 法 ， 是 把 整 個(gè) 儀 表 線路 分 成 一 個(gè) 個(gè) 運(yùn) 算 放 大 器 電 路 單

18、獨(dú) 地 進(jìn) 行 分 析 ， 最 后 再綜 合 得 到 整 機(jī) 的 特 性 。 具 體 方 法 有 如 下 兩 種1） 熟 練 靈 活 掌 握 基 本 運(yùn) 算 放 大 器 電 路 的 關(guān) 系式 ， 就 能 很 容 易 地 看 出 運(yùn) 算 放 大 器 電 路 的 運(yùn) 算關(guān) 系 ， 并 能 很 快 地 了 解 整 個(gè) 儀 表 的 特 性 。2） 利 用 理 想 運(yùn) 算 放 大 器 輸 入 端 的 兩 個(gè) 特 征 儀 表 的 分 析 步 驟1） 了 解 儀 表 作 用 和 結(jié) 構(gòu) 框 圖 ；2） 按 照 結(jié) 構(gòu) 框 圖 將 整 機(jī) 線 路 劃 分 成 相 應(yīng) 的 部 分 ；3） 根 據(jù) 信 號(hào) 的 傳

19、 遞 方 向 ， 對(duì) 各 部 分 逐 一 進(jìn) 行 分 析 ；在 分 析 中 注 意 應(yīng) 用 以 下 幾 種 方 法 ： 對(duì) 復(fù) 雜 的 部 分可 畫(huà) 出 其 構(gòu) 成 框 圖 ， 作 進(jìn) 一 步 劃 分 ， 直 到 劃 分 為 最基 本 的 構(gòu) 成 部 件 為 止 。 畫(huà) 等 效 電 路 。 在 畫(huà) 等 效 電路 時(shí) ， 可 以 忽 略 一 些 次 要 元 件 ， 以 便 突 出 主 要 部 分 ，也 可 以 把 電 路 畫(huà) 成 習(xí) 慣 的 形 式 。 應(yīng) 用 電 路 理 論 中的 一 些 基 本 定 律 ， 如 歐 姆 定 律 、 分 流 公 式 、 分 壓 公式 、 等 效 電 源 定 理

20、、 疊 加 定 理 、 阻 抗 變 換 等 ， 以 便把 復(fù) 雜 的 電 路 轉(zhuǎn) 化 為 簡(jiǎn) 單 的 形 式 。4） 綜 合 儀 表 的 整 機(jī) 特 性 。 1.4 本 課 程 的 性 質(zhì) 、 內(nèi) 容 和 任 務(wù)v 控 制 儀 表 與 裝 置 是 自 動(dòng) 控 制 專 業(yè) 的 一 門(mén) 專 業(yè) 課 。v 任 務(wù) 是 將 生 產(chǎn) 過(guò) 程 控 制 中 常 用 儀 表 的 結(jié) 構(gòu) 、 工 作 原理 、 選 用 方 法 、 安 裝 使 用 方 法 、 校 驗(yàn) 方 法 傳 授 給 學(xué)生 。 使 學(xué) 生 從 中 學(xué) 到 利 用 過(guò) 程 控 制 儀 表 構(gòu) 成 控 制 系統(tǒng) 的 方 法 和 實(shí) 現(xiàn) 手 段 ，

21、理 解 各 控 制 儀 表 的 原 理 結(jié) 構(gòu) ，獲 得 控 制 儀 表 安 裝 使 用 、 校 驗(yàn) 、 維 護(hù) 方 面 的 基 本 知識(shí) 和 技 能 。 本 課 程 特 點(diǎn) 本 課 程 實(shí) 踐 性 很 強(qiáng) ， 在 學(xué) 習(xí) 過(guò) 程 中 ， 要 認(rèn) 真 聽(tīng) 課 ， 注意 老 師 對(duì) 問(wèn) 題 的 分 析 ， 通 過(guò) 案 例 分 析 和 實(shí) 訓(xùn) 環(huán) 節(jié) 獲 得 過(guò) 程控 制 儀 表 的 使 用 、 校 驗(yàn) 和 維 護(hù) 方 法 ； 理 論 聯(lián) 系 實(shí) 際 ， 帶 著問(wèn) 題 學(xué) ， 在 用 眼 、 用 腦 的 同 時(shí) 還 要 多 動(dòng) 手 ； 對(duì) 所 學(xué) 的 儀 表 ，要 做 到 “ 面 熟 ” 、 “ 手 熟 ” ； 學(xué) 習(xí) 某 一 塊 儀 表 不 是 最 終 目的 ， 重 要 的 是 通 過(guò) 某 一 部 分 內(nèi) 容 的 學(xué) 習(xí) ， 總 結(jié) 出 共 性 的 知識(shí) ， 舉 一 反 三 ； 最 終 學(xué) 會(huì) 應(yīng) 用 學(xué) 過(guò) 的 儀 表 構(gòu) 成 實(shí) 際 的 控 制方 案 。