1、第二節 船用自動化儀表基本知識ST本章主要內容本章主要內容 ：氣動儀表主要元部件及主要環節氣動儀表主要元部件及主要環節 氣動變送器氣動變送器氣動顯示儀表氣動顯示儀表氣動調節器氣動調節器執行機構及氣動儀表管理要點執行機構及氣動儀表管理要點 o 自動化儀表基本知識o 1、組成自動控制系統的各種儀表： 變送器、顯示儀表、調節器、執行機構及輔助儀表等。o 2、分類： 按結構：基地式儀表：測量儀表、顯示儀表、調節器組裝成一個整體。不用統一信號。 單元組合式儀表：控制系統的各種功能都分別用獨立儀表來實現，并統一信號。 按能源：電動調節儀表（信號4-20mA或0-10mA）、氣動調節儀表（0.02-0.1M

2、Pa，1MPa=10公斤）船用自動化儀表一、自動化儀表的主要品質指標一、自動化儀表的主要品質指標 實際應用中，儀表測量值與真實值之間總是存在一實際應用中，儀表測量值與真實值之間總是存在一定差別，習慣上成為誤差。定差別，習慣上成為誤差。o 誤差：測量值與真值之間的差別1、按誤差性質基本誤差：儀表本身缺陷造成（間隙、摩擦、刻度不均或分度不準）附加誤差：儀表使用條件的影響（環境溫度、濕度、振動）2、按數值表示 絕對誤差：又稱指示誤差，被測量值A與真值A0之差=A-A0；不能完全反應儀表的精度。 相對誤差：絕對誤差占指示值的百分數，能反應儀表精度。 4、精度：最大指示誤差max占量程（最大測量范圍）的

3、百分數精度等級0：精度除掉百分號（0.1，0.2，0.35級用于標準儀表）5、靈敏度：儀表對輸入信號開始有反應的靈敏程度x：輸入變化量y：輸出變化量 儀表的靈敏度越大，越能測出微小的輸入變化。所以，一般小量程儀表的靈敏度比大量程的靈敏度大。6、 不靈敏區不靈敏區：儀表活動部件的摩擦、間隙、彈性元件的滯后使輸入信號有微小變化而輸出仍然不變。 靈敏限靈敏限：引起儀表輸出微小變化所需輸入量的最小變化值。（一般認為：不靈敏限等于1/2不靈敏區） 變差變差：外界條件不變，多次從不同方向輸入同一真值，儀表指示值之間的最大誤差（即儀表在同一測量點，其正行程和反行程指示值之差）。 所以：不靈敏區用輸入量的變化

4、表示，而變差以輸出量的變化表示。儀表的不靈敏區、靈敏限、變差二、 氣動儀表的主要元部件及組成原理ST1、彈性元件：位移隨外力大小成比例變化，比例系數取決于元件的彈性大小，與輸入輸出無關。1、彈性支承元件：用于支撐平衡或增強彈性敏感元件的剛度2、彈性敏感元件：將承受的壓力、軸向推力轉變成位移信號 螺旋彈簧螺旋彈簧 片簧片簧非金屬膜非金屬膜 金屬膜片金屬膜片波汶管波汶管FP（一）、主要元部件：（一）、主要元部件：彈性元件、節流元件、氣體容室、噴嘴彈性元件、節流元件、氣體容室、噴嘴擋板機構和功率放大器擋板機構和功率放大器等等F彈性敏感元件P：輸入波紋管的氣壓信號Fe:波紋管的有效面積 E:波紋管和支

5、撐彈簧的總剛度S：輸出量、波紋管的位移波汶管波汶管膜片 彈簧管o （1） 彈性特性 彈性元件在彈性變形范圍內，其變形與作用力成正比。 F=C F軸向力 位移 C彈性元件的剛度o 剛度大則同樣外力產生的變形位移小，即靈敏度低彈性元件的基本特性：彈性特性及有效面積o（2） 有效面積 彈性元件的輸出力與承受力之比。 對于氣室中承受壓力的彈性元件，其有效面積一般不等于其截面幾何面積，如：膜片的有效面積小于其幾何面積； 波紋管的有效面積大于其頂面幾何面積。面積在彈性變形范圍內，其變形與作用力成正比。o 支承元件：螺旋彈簧，片簧等 用于支承、平衡或增強彈性敏感元件的剛度、調整的彈性敏感元件初始位置。o 特

6、點：剛度大、靈敏度較大。對軸向推力變化反應敏感。彈性元件的分類： 彈性支承元件、彈性敏感元件 彈性元件的壓縮變形比拉伸變形具有更好的線性關系，實際使用波紋管時常采用預壓縮的方法。o 敏感元件敏感元件:膜片，波紋管，彈簧管，膜盒膜片，波紋管，彈簧管，膜盒 將承受的壓力轉換成位移信號。將承受的壓力轉換成位移信號。o 特點：剛度小、靈敏度較大。對軸向推力變化反應敏感。P1P2膜盒膜盒壓力表工作原理被測量介質的壓力從接頭進入膜盒內腔，波紋膜盒在被測介質的壓力作用下，產生相應的彈性變形受壓而產生位移，通過連桿機構帶動機芯齒輪旋轉，指針指示出被測壓力值在表盤上指示出來 ST2、節流元件：作用阻礙氣體流動、

7、產生壓降、改變流量 恒節流孔式（毛細管式和小孔式）： 流通面積不變恒氣阻 變節流孔式（圓錐-圓錐型、圓錐-圓柱型、圓球-圓錐型）：流通面積可調可調氣阻（調整比例帶、積分時間、微分時間） 常用變節流孔組成變節流閥氣阻R：節流元件對氣體流動阻礙作用的大小，恒節流孔內徑不能改變，氣阻不能改變。流量G壓降P恒節流孔圓錐-圓錐型圓柱-圓柱型圓球-圓錐型符號：G特點： 輸入量為氣體流量，輸出量為氣容氣壓3、氣體容室、氣體容室 ：儲存或放出氣體，對壓力變化起慣儲存或放出氣體，對壓力變化起慣性作用性作用定容氣室積分氣容C：氣體容室內，每升高一單位的壓力所需的空氣質量。彈性氣室微分：在空腔中加入波紋管，其氣室體

8、積隨波紋管壓力的變化而變化P0Pp氣容不變 氣容改變 彈性氣室在充放氣過程中氣容是變化的。ST4、噴嘴擋板機構：把擋板微小的位移轉換成相應的氣壓信號。背壓室 輸出壓力P隨噴嘴擋板的開度h成比例變化噴 嘴 擋 板 機 構 結 構 示 意 圖噴 嘴 擋 板 機 構 結 構 示 意 圖1）結構：恒節流孔恒節流孔背背 壓壓 室：恒節流孔與室：恒節流孔與噴嘴的氣室噴嘴的氣室噴噴 嘴：噴嘴軸嘴：噴嘴軸心與擋板垂直。心與擋板垂直。擋板與噴嘴具有擋板與噴嘴具有良好密封性良好密封性擋擋 板板不同擋板開度不同擋板開度對應不同的背對應不同的背壓室壓力壓室壓力氣源噴嘴孔徑噴嘴孔徑D 恒節流孔直徑恒節流孔直徑d0.14

9、MPahdD0.10MPa0.02MPa1022h(um)MPa噴嘴擋板機構的靜特性噴嘴擋板機構的靜特性Ph2）噴嘴擋板機構的靜特性：背壓室壓力p (輸出量)與擋板開度h(輸入量)之間的一一對應關系ab0.14MPa 擋板全關（擋板全關（h=0），背壓室輸出壓力），背壓室輸出壓力接近氣源壓力；接近氣源壓力； 擋板全開（擋板全開（hD/4），背壓室輸出壓），背壓室輸出壓力接近大氣壓力。力接近大氣壓力。ab段是靜特性曲線的線性段（陡）對應段是靜特性曲線的線性段（陡）對應輸出壓力輸出壓力0.020.10MPa作為工作段作為工作段 P=K1h K1 :ab兩點間的平均斜率兩點間的平均斜率P：背壓室壓力

10、的變化：背壓室壓力的變化h：擋板開度的變化：擋板開度的變化5、氣動功率放大器 噴嘴擋板 機構輸出流量小，壓力信號衰減大，難推動執行機構。 需要串聯氣動功率放大器。非耗氣型功率放大器（流量放大）1、2-橡膠膜片；3-彈簧；4-錐形彈簧；5-閥桿；6-球閥座；7-錐閥座輸入氣源輸出DCBA46123570.14MPa大氣大氣1、只放大流量耗氣型：對輸入信號成比例放大（流量、壓力放大） 1、輸入信號、輸入信號Pd=大氣壓力時，金屬膜片2與閥桿之間存在間隙Sb 當當Pd增大到P0時，間隙S=0即視圖I2、當Pd由P0繼續增大到Pa時需克服彈簧片3的預緊力及氣源對球閥的作用力，膜片2與閥桿均不產生位移。

11、即視圖II/33、只有Pd大于Pa時，放大器工作在斜率III（放大器的工作段）輸出輸出輸入氣源輸入氣源Pd錐閥（控制排氣量）球閥4： 控制進氣量 大氣壓力大氣壓力A BC金屬膜片2（設定有效面積F，則膜片承受的軸向推力： Pd * F ）彈簧片3 輸入壓力Pd增大克服金屬膜片2和彈簧片3的張力使閥桿下移，球閥開大錐閥關小導致B室壓力增大，空氣流量增大：因此閥桿位移S決定放大器輸出壓力的大小STIIIIIISPdFP0Pa（起步壓力）2）輸出特性 ：推力與膜片位移的關系 A起步壓力I：克服金屬膜片與閥桿之：克服金屬膜片與閥桿之間存在的初間隙間存在的初間隙Sb，金屬膜金屬膜片下移使間隙減小直到輸片

12、下移使間隙減小直到輸入壓力入壓力Pd=P0時，間隙為時，間隙為0。II：克服彈簧片及氣源對：克服彈簧片及氣源對球閥的作用力，輸入增加，球閥的作用力，輸入增加，但膜片無位移但膜片無位移。III：放大器的工作段，：放大器的工作段，B點始點始閥桿下移，開大球閥閥桿下移，開大球閥關小錐閥，放大器開始有關小錐閥，放大器開始有輸出。輸出。B注意：注意：A轉折點，取決于金屬膜片的剛度以及初間隙的大小轉折點，取決于金屬膜片的剛度以及初間隙的大小B起步壓力，取決于彈簧片及氣源對球閥的作用力起步壓力，取決于彈簧片及氣源對球閥的作用力該工作段，閥桿位移量該工作段，閥桿位移量S正比于輸入壓力正比于輸入壓力變化量變化量

13、Pd，放大器的輸出壓力變化量放大器的輸出壓力變化量P出出與閥桿位移量與閥桿位移量S成比例，所以：成比例，所以：P出出=K2 Pd請思考請思考:放大倍數放大倍數K2的影響因素？金屬膜片有效的影響因素？金屬膜片有效面積、彈性組件剛度、放大器的結構因素面積、彈性組件剛度、放大器的結構因素第二階段：第二階段：當當P Pi i P P0 0 時，由于時，由于P Pi i FFP Pa aF F后，閥桿開始有位后，閥桿開始有位移。移。 SS00P0FPaFPiF 第一階段：第一階段：P Pi i = =大氣壓力時，膜片大氣壓力時，膜片與閥桿端有一定間隙與閥桿端有一定間隙S S0 0 ，當當P Pi i 時

14、，使時，使S S0 0。當當P Pi i = P = P0 0 時，時，S S0 0=0=0（膜片正好與閥桿接觸），這一段膜片正好與閥桿接觸），這一段閥桿無位移閥桿無位移o 氣動調節儀表中，氣動功率放大器分兩種，一種是耗氣型功率放大器，一種是非耗氣型功率放大器。 耗氣型功率放大器和非耗氣型功率放大器的相同點是：它們都是功率放大器，在氣動儀表中用得都很廣泛。 耗氣型功率放大器和非耗氣型功率放大器的不同點如下。 （1）非耗氣型放大器是基于力平衡原理工作的。穩定時，輸入信號（背壓）產生的力和輸出信號產生的反饋力相平衡，放大系統有反饋作用，呈閉環式；工作時，兩個活門基本上都處于關閉狀態，耗氣量很小，故

15、稱非耗氣式功率放大器。 （2）耗氣型放大器是基于位移平衡原理工作的。輸入信號（背壓）作用于膜片，使其產生位移，再以膜片位移和剛度的乘積，即彈性元件的彈力與輸入力相平衡，所以這種放大系統呈開環式。穩態時，兩個活門都有一定的開度，總有一部分空氣排大氣，故稱耗氣型功率放大器。 （3）非耗氣型放大器的壓力不進行放大，耗氣型放大器的壓力、流量都進行放大。 氣動儀表的組成原理設定值反饋值K -H反饋環節比較環節放大環節：要求具有較高的靈敏性和足夠大的的功率輸出PsrPEPsc+二、氣動儀表的基本環節二、氣動儀表的基本環節 氣動儀表有三個環節：放大氣動儀表有三個環節：放大(信號放大信號放大)、反、反饋（實現

16、不同的調節作用規律）、比較（輸入與饋（實現不同的調節作用規律）、比較（輸入與反饋信號比較）反饋信號比較） 放大環節放大環節：噴嘴擋板機構（一級）輸出端串聯氣動功率放大器（二級）噴嘴擋板機構（一級）輸出端串聯氣動功率放大器（二級） 氣動功率放大器的起步壓力：放大器輸出信號氣動功率放大器的起步壓力：放大器輸出信號0.02-0.1MPa，最大變化量，最大變化量0.08。對應放大器最小輸出壓力。對應放大器最小輸出壓力0.02MPa對應對應放大器的輸入壓力（即放大器的輸入壓力（即噴嘴擋板機構的輸出值噴嘴擋板機構的輸出值就是放大器的起步壓力。就是放大器的起步壓力。 起步壓力的調整：使放大器工作在噴嘴擋板機

17、構靜特性起步壓力的調整：使放大器工作在噴嘴擋板機構靜特性曲線曲線很小范圍、最接近線性的很小范圍、最接近線性的部分（斜率最大的中間段）。部分（斜率最大的中間段）。 調整方法：調換剛度不同的金屬膜片，改變彈簧片的預調整方法：調換剛度不同的金屬膜片，改變彈簧片的預緊力。（剛度越大、預緊力越大，則起步壓力越大）緊力。（剛度越大、預緊力越大，則起步壓力越大）1、放大環節 二級氣動功率放大器二級氣動功率放大器輸出輸出輸入輸入錐閥（排大氣量）球閥：B室 進氣量 大氣ABC金屬膜片彈簧片 變節流孔最陡線性度最好精度高靈敏度好穩定性好2、啟動儀表的反饋環節（1）節流分壓器：又稱節流通室，由可調氣阻）節流分壓器：

18、又稱節流通室，由可調氣阻R 流通氣室及恒節流孔串聯組成流通氣室及恒節流孔串聯組成P0流通氣室P1P2 阻值R可調氣阻可調氣阻RF（變節流孔）恒節流孔恒節流孔兩個氣阻工作在層流狀態，層流（laminar flow）是流體的一種流動狀態，它作層狀的流動。流體的流速在管中心處最大，其近壁處最小。在穩定狀態下，可調氣阻的流量G1=恒節流孔的流量G2,則P1=K*P0即P1隨P0成比例變化。 RF=0（全開），（全開），K=1 RF（全關），（全關），k0改變節流閥的可調氣阻，使改變節流閥的可調氣阻，使K在在0-1之間變之間變化。化。節流分壓器可以調整 （調節器）的比例帶。（2）節流盲室）節流盲室積分環

19、節積分環節類似于控制對象的動態特性：輸入突變時，輸出的變化滯后于輸入的變化，并按指數規律趨近于輸入值。組成：在節流元件（使流通面積局部收縮）后面串聯一個定組成：在節流元件（使流通面積局部收縮）后面串聯一個定容氣室容氣室C（盲室）（盲室）輸入輸入Pi， 輸出輸出P0進入盲室的空氣流量進入盲室的空氣流量G=流經氣阻的流量，流經氣阻的流量，即即T=RC，T是該環是該環節的時間常數。節的時間常數。因為因為T=CR,氣容氣容C固定不變固定不變 調整調整R改變時間改變時間常數：常數：R=0（全開），積分時間小，輸出變化快（全開），積分時間小，輸出變化快R（全關），積分時間長，輸出變化慢（全關），積分時間長，輸出變化慢p0piR節流盲室Psr輸出PscR0PscPsrt比例輸出部分慣性環節輸出部分（3）比例慣性環節）比例慣性環節比例微分比例微分彈性氣室波紋管EPsc由彈性氣室、波紋管、可調氣阻組成由彈性氣室、波紋管、可調氣阻組成 輸入階躍上升，彈性氣室中的波紋管立即伸長，輸入階躍上升，彈性氣室中的波紋管立即伸長，排擠彈性氣室的氣體使輸出立即升高（比例環節