過程控制儀表技術第一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六第三章過程控制儀表

3．1過程控制儀表概述在過程控制中，常將調節器(含可編程序控制器)、電／氣轉換器、執行器、安全柵等稱為過程控制儀表，它們是實現工業生產過程自動化的核心裝置。在過程控制系統中，參數檢測儀表將被控量轉換成電流(電壓)信號或氣壓信號，一方面通過顯示儀表對其進行顯示和記錄，另一方面則將其送往調節器與給定信號進行比較產生偏差，并按照一定的調節規律產生調節作用去控制執行器，以改變控制介質的流量從而使被控量符合生產工藝要求。第二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六DDZ儀表應用舉例：

廣泛應用于冶金、電站、建筑、石油、化工等工業部門，現以電動單元組合儀表構成的單回路反饋控制系統為例說明其應用。如圖所示：

控制系統由控制對象與電動單元組合儀表組成，對象的輸出是被控量，如溫度、壓力、流量、液位等工藝參數，它經變送器轉換成相應的電信號后，一方面送到顯示單元指示或記錄，另一方面送到調節單元，與給定單元送來的給定值進行比較，調節單元按其比較后的偏差，以一定的控制規律發出控制命令，控制執行單元動作，以開大或關小調節閥的開度，改變控制量，使被控量與給定值相等。電動單元組合儀表第三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六目前使用的調節器以電動調節器占絕大多數，而執行器則以氣動為主，它們之間需要用電／氣轉換器進行信號轉換。此外，智能式電動執行器將逐漸取代常規的氣動執行器而成為執行器新的發展方向。

1．調節器的功能一般調節器除了對偏差信號進行各種控制運算外，還需具備如下功能：

(1)偏差顯示調節器的輸入電路接收測量信號和給定信號，兩者相減后的偏差信號由偏差顯示儀表顯示其大小和正負。

(2)輸出顯示調節器輸出信號的大小由輸出顯示儀表顯示，習慣上顯示儀表也稱閥位表。閥位表不僅顯示調節閥的開度，而且通過它還可以觀察到控制系統受干擾影響后的調節過程。第四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六(3)內、外給定的選擇當調節器用于定值控制時，給定信號常由調節器內部提供，稱為內給定；而在隨動控制系統中，調節器的給定信號往往來自調節器的外部，則稱為外給定。內、外給定信號由內、外給定開關進行選擇或由軟件實現。(4)正、反作用的選擇工程上，通常將調節器的輸出隨反饋輸入的增大而增大時，稱為正作用調節器；而將調節器的輸出隨反饋輸入的增大而減小時，稱為反作用調節器。為了構成一個負反饋控制系統，必須正確地確定調節器的正、反作用，否則整個控制系統將無法正常運行。調節器的正、反作用，可通過正、反作用開關進行選擇或由軟件實現。

(5)手動切換操作調節器的手動操作功能是必不可少的。在控制系統投入運行時，往往先進行手動操作改變調節器的輸出，待系統基本穩定后再切換到自動運行狀態；當自動控制時的工況不正常或調節器失靈時，必須切換到手動狀態以防止系統失控。通過調節器的手動／自動雙向切換開關，可以對調節器進行手動／自動切換，而在切換過程中，又希望切換操作不會給控制系統帶來擾動，即要求無擾動切換。第五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六

(6)其他功能除了上述功能外，有的調節器還有一些附加功能，如抗積分飽和、輸出限幅、輸入越限報警、偏差報警、軟手動抗漂移、停電對策等，所有這些附加功能都是為了進一步提高調節器的控制功能。

2．執行器的作用執行器在過程控制中的作用：接受來自調節器的控制信號，改變其閥門開度，從而達到控制介質流量的目的。因此，執行器也是過程控制系統中一個重要的、必不可少的組成部分。執行器直接與控制介質接觸，常常在高溫、高壓、深冷、高粘度、易結晶、閃蒸、汽蝕等惡劣條件下工作，因而是過程控制系統的最薄弱環節。如果執行器的選擇或使用不當，往往會給生產過程自動化帶來困難，甚至會導致嚴重的生產事故。為此，對于執行器的正確選用以及安裝、維修等各個環節，必須給以足夠的重視。若執行器是采用電動式的，則無需電／氣轉換器；若執行器是采用氣動式的，則電／氣轉換器是必不可少的。第六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六3.安全柵安全柵是構成安全火花防爆系統的關鍵儀表，其作用：

一方面：保證信號的正常傳輸，

另一方面：控制流入危險場所的能量在爆炸性氣體或爆炸性混合物的點火能量以下，以確保過程控制系統的安全火花性能。本章重點介紹DDZ-Ⅲ型模擬式調節器、執行器、電／氣轉換器和安全柵等控制儀表。第七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六3．2DDZ-Ⅲ型模擬式調節器

DDZ是電動單元組合儀表漢語拼音的縮寫，它經歷了以電子管、晶體管和線性集成電路為基本放大元件的I型、Ⅱ型和Ⅲ型系列產品階段。其中DDZ—I、Ⅱ型已經停產，這里主要介紹DDZ一Ⅲ型模擬式調節器。在此之前先對調節規律的數學描述及其特性進行一些簡單的介紹。有關調節規律對系統調節質量的影響、調節規律的選擇和調節器的參數整定將在第5章中進行詳細的討論。3．2．1比例積分微分調節規律比例積分微分調節規律是指調節器的輸出分別與輸入偏差的大小、偏差的積分和偏差的變化率成比例，其英文縮寫為PID(proportionalintegralderivative，PID)。理想PID的增量式數學表達式為第八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六寫成傳遞函數形式，則為式中，第一項為比例(P)部分，第二項為積分(I)部分，第三項為微分(D)部分；Kc——調節器的比例增益；TI——積分時間(以s或min為單位)；TD——微分時間(也以s或min為單位)。通過改變這三個參數的大小，可以相應改變調節作用的大小及規律。第九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六1.比例調節當TI∞、TD=0時，積分項和微分項都不起作用，上式變為純比例調節。純比例調節器的單位階躍響應特性如圖3－1所示。由圖3－1可見，純比例調節器的輸出與輸入偏差成正比，比例增益的大小決定了比例調節作用的強弱，Kc越大，比例調節作用越強。

第十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六在工程上，習慣用比例度δ表示比例調節作用的強弱。它定義為：調節器輸入偏差的相對變化量與相應輸出的相對變化量之比，用百分數表示為

在DDZ-III型儀表中，由于輸入、輸出的統一標準信號均為4～20mA，因而比例度為：比例調節的優點：調節及時，反應靈敏，當偏差一旦出現，就能及時產生與之成比例的調節作用，偏差越大，調節作用越強，因而是一種最常用、最基本的調節規律。第十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六2．比例積分調節當TD=0時，微分項不起作用，為比例積分調節。比例積分調節器的階躍響應特性如圖3-2所示。圖3-2中，實線為理想比例積分調節器的階躍響應特性，虛線表示實際比例積分調節器的階躍響應特性；TI為一常數，它表示積分作用的強弱。TI越大，積分作用越弱；反之，積分作用越強。第十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六

比例積分調節器的輸出可以看成比例和積分兩項輸出的合成，即在階躍輸入的瞬間有一比例輸出，隨后在比例輸出的基礎上按同一方向輸出不斷增大，這就是積分作用。只要輸入不為零，輸出的積分作用會一直隨時間增長，如圖中實線所示。而實際的比例積分調節器，由于放大器的開環增益為有限值，輸出不可能無限增大，積分作用呈飽和特性，如圖中虛線所示。具有飽和特性的PI調節器的傳遞函數可寫成以下的標準形式：KI稱為PI調節器的積分增益。它定義為：在階躍信號輸入下，其輸出的最大值與純比例作用時產生的輸出變化之比。第十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六3.比例微分調節當TI∞時，積分項不起作用，為比例微分調節。在階躍輸入下，理想微分作用的輸出如圖3-3所示。由圖可見，在t=t0時加入階躍輸入，在t=t0的瞬間輸出為無窮大，而在t>t0時輸出立即變為零。圖3－3理想微分器的階躍響應特性第十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六由實際應用可知，調節器不允許具有理想的微分作用，這是因為具有理想微分作用的調節器缺乏抗干擾能力，即當輸入信號中含有高頻干擾時，會使輸出發生很大的變化，引起執行器的誤動作。因此，實際的微分調節器常常具有飽和微分特性。具有飽和微分特性的比例微分調節器的傳遞函數為式中，KD稱為PD調節器的微分增益，它定義為：

在階躍信號輸入下，其輸出的最大跳變值與純比例作用時產生的輸出變化之比。

具有飽和特性的比例微分調節器的階躍響應特性如圖3-4所示。第十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六4．PID調節同時具有比例、積分、微分作用的調節器稱為PID調節器，理想PID調節規律的傳遞函數如前所示，而實際PID調節器的積分和微分作用都具有飽和特性，其傳遞函數為第十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六理想PID調節器的階躍響應特性如圖3－5中實線所示；而實際PID調節器的階躍響應特性如圖3－5中虛線所示。

第十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六在生產過程自動化的發展進程中，PID調節規律是應用時間最長、生命力最強的一種控制方式。在20世紀40年代前后，除在最簡單的情況下采用開關式控制外，它是唯一被采用的控制方式。此后，隨著控制理論和科學技術的發展，雖然出現了許多新的控制方式，然而截至目前為止，PID調節方式依然被廣泛地采用。據有關資料統計，目前世界上90％以上的過程控制系統采用的依然是PID調節或基于PID調節的各種改進型控制方式。PID調節的主要優點體現在以下幾個方面：第十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六1）PID調節模擬了人腦的部分思維，原理簡單、容易理解與實現，使用方便。2）應用范圍廣。它能廣泛應用于化工、熱工、冶金、煉油以及造紙、建材等各種控制過程。按照PID控制方式工作的自動調節器產品早已標準化和系列化，即使在過程計算機控制中，其基本的控制方式也依然采用的是PID調節或新型PID調節。3）魯棒性強。由PID調節規律構成的控制系統當被控過程的特性發生改變時，只要重新整定調節器的有關參數，即可使系統的控制性能不會產生明顯的變化。第十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六3.2.2DDZ-III型PID基型調節器

DDZ一III型PID基型調節器有兩個品種，即全刻度指示調節器和偏差指示調節器。它們的電路結構基本相同，僅指示電路有差異。這里僅介紹全刻度指示調節器。3．2．2．1全刻度指示調節器的技術參數及外形DDZ－III型全刻度指示調節器的主要技術參數有：測量信號：1～5VDC；外給定信號：4～20mADC；內給定信號：1～5VDC；測量與給定信號的指示精度：±1％；輸入阻抗影響：≤滿刻度的0.1％；輸出信號：4～20mADC；負載電阻：250～750Ω。輸出保持特性：-0.1％／h；調節精度：±0.5％；DDZ-III型全刻度指示調節器的外形如圖3-6所示。第二十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六3.2.2.2全刻度指示調節器的構成原理全刻度指示調節器的構成框圖如圖3-7所示。

由圖3-7（P77)可知，調節器由控制單元和指示單元組成。控制單元包括：輸入電路、PD與PI電路、輸出電路、軟手動與硬手動操作電路；指示單元包括：輸入信號指示電路和給定信號指示電路。

第二十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六調節器的作用：

將變送器送來的1～5V·DC的測量信號，與1～5V·DC的給定信號進行比較得到偏差信號，然后再將其偏差信號進行PID運算，輸出4～20mA·DC信號，最后通過執行器，實現對過程參數的自動控制。全刻度指示調節器框圖：第二十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六調節器的測量輸入信號與內給定輸入信號均是以零伏為基準的l～5VDC信號，而外給定則是由4～20mADC通過250Ω精密電阻轉換成以零伏為基準的1～5VDC信號，內、外給定由開關S6進行選擇。調節器有自動、軟手動和硬手動三種工作狀態，并通過聯動開關進行切換。第二十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六一、輸入電路

Vo1=-2(vi-vs)(正作用）作用：（1）用來獲得與輸入信號vi和給定信號vs之差成比例的偏差信號。(輸入電路的輸出電壓是偏差電壓的兩倍）（2）對偏差信號實現電平移動(將兩個以零伏為基準的輸入電壓，轉換成以電平VB(＝10v)為基準的偏差電壓輸出，從而實現了電平移動。)

其電路圖如圖4-3所示。

若不采用電平移動，即vB=0v時，則VF=VT=1/3vs因vs=1~5v，顯然不能滿足運算放大器共模電壓允許的范圍的要求2~19v第二十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六二、輸出電路：實際上是一個具有電平移動的電壓－電流轉換器。當vo3=1~5v時，輸出電流I0=4~20mA三、手動操作電路附加在比例積分電路中軟手動操作電路：指調節器的輸出電流與手動輸入電壓信號成積分關系。硬手動操作電路：指調節器的輸出電流與手動輸入電壓信號成比例關系。手動作用：（1）控制系統在投運之前一般先采用手動控制（現場人工控制執行器）。當工藝操作過程比較穩定后，再從手動控制切換到自動控制。（2）當系統出現故障或需要停車時，調節器也需要由自動控制切換到手動控制。在相互切換的過程中應實現無擾動切換。第二十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六積分上升：S4-1、S4-2積分下降：S4-3、S4-4快速：S4-1、S4-3慢速：S4-2、S4-4RMR第二十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六四指示電路將以0v為基準的1~5V·DC輸入信號轉換為以vB為基準的1~5mA·DC電流信號。五正反作用開關s71當置于正作用時，隨著測量信號的增加，調節器的輸出也增加；(正作用調節器）2當置于反作用時，隨著測量信號的增加，調節器的輸出減少。（反作用調節器）正反作用的選擇，由執行器和調節對象的特性決定。-+第二十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六第二節執行器一概述1組成：執行機構調節機構（調節閥）2作用：

接受調節器輸出的控制信號，并轉換成直線位移或角位移來改變調節閥的流通面積，以控制流入或流出被控過程的物料或能量，從而實現對過程參數的自動控制。第二十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六3分類：

根據使用能源不同，執行器可分為三大類：1）氣動執行器：

以壓縮空氣為能源,輸入信號為20~100KPa優點：結構簡單、工作可靠、價格便宜、維護方便、防火防爆等，在過程控制中獲得最廣泛的應用。2）電動執行器：

以電為能源,輸入信號為0~10mA·DC(DDZ-II型)或4~20mA·DC(DDZ-III型)優點：能源取用方便、信號傳輸速度快和便于遠傳。缺點：結構復雜、價格貴、適用于防爆要求不高及缺乏氣源的場所。3）液動執行器：

以高壓液體為能源。推力最大，但目前使用不多。第二十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六二、電動執行機構（實驗）三、氣動執行機構

1結構：由膜片、推桿和平衡彈簧等部分組成。

2作用：

接受氣動調節器或電氣閥門定位器輸出的氣壓信號，經膜片轉換成推力，克服彈簧力后，使推桿產生位移，同時帶動閥芯動作。

第三十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六3氣動執行機構作用形式：正作用:當輸入氣壓信號增加時，推桿向下移動時稱正作用。反作用：當輸入氣壓信號增加時，推桿向上移動時稱反作用。第三十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六四調節閥1類型：直通雙座調節閥、直通單座調節閥、碟閥、三通閥、隔膜閥、角形閥等。蝶閥：適用于大流量、大管徑、低壓差，但泄漏量大角形閥：單導向結構，氣開式，必須采用反作用執行機構才能實現。2特性：

局部阻力可變的節流元件通過改變閥芯的行程而改變調節閥的阻力系數，以達到控制流量的目的。分流閥合流閥第三十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六五氣動執行器的選用1調節閥的尺寸選擇

調節閥的尺寸通常用公稱直徑Dg和閥座直徑dg表示，選擇其大小的主要依據是流通能力C。流通能力定義：

調節閥全開，閥前后壓差為0.1MPa，流體重度為1g/cm3時，每小時通過閥門的流體流量m3或kg。設流體是不可壓縮的，則式中，α為流量系數；A0為調節閥接管截面積；g為重力加速度;r為流體重度;Δp為調節閥前后壓差,Δp=P1-P2Q為流體的體積流量第三十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六令則有可見，流通能力C表示了調節閥的結構參數。對于不同口徑、不同結構形式的調節閥，其流通能力C也不同。根據調節所需的物料量Qmax、Qmin，流體重度r以及調節閥上的壓降ΔP，可以求得最大流量、最小流量時的Cmax和Cmin值，再根據Cmax，在所選用產品型式的標準系列中，選取大于Cmax并最接近一級的C值，最后查出Dg和dg。第三十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六2調節閥氣開、氣關形式的選擇(1)所謂氣開式，即當氣壓信號P>0.02MPa時，閥由關閉狀態逐漸打開；氣關式，即氣壓信號P>0.02MPa時,閥由全開狀態逐漸關閉。

（信號壓力范圍0.02~0.1MPa)(2)

由于執行機構有正、反兩種作用形式，調節閥也有正裝和反裝兩種形式。所以，實現氣動調節閥的氣開、氣關時，有四種組合方式，如圖4-22和表4-2所示。序號執行機構閥體氣動調節閥a正正氣關b正反氣開c反正氣開d反反氣關第三十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六(3)調節閥氣開、氣關的選擇：

主要從工藝生產的安全來考慮：當發生斷電或其他事故引起信號壓力中斷時,調節閥的開閉狀態應避免損壞設備和傷害操作人員。例如：一般蒸汽加熱器選用氣開式，一旦氣源中斷，閥門處于全關狀態，停止加熱，使設備不致因溫度過高而發生事故或危險。鍋爐進水的調節閥則選用氣關式，當氣源中斷時，仍有水進入鍋爐，不致產生燒干或爆炸事故。3單座閥和雙座閥的選擇：

大口徑的閥一般選用雙座閥當閥的口徑較小時，一般選用單座閥。（泄漏量小，閥前后壓降較低）第三十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六4流量特性的選擇

調節閥的流量特性，系指介質流過閥門的相對流量與閥門相對開度之間的關系，即式中，Q/Qmax為相對流量，即某一開度的流量與全開流量Qmax之比；

l/L為相對開度，即某一開度行程l與全行程之比。（1）理想流量特性

當調節閥前后壓差一定的情況下得到的流量特性，稱之為理想流量特性，它僅取決于閥芯的形狀。

(它是一個調節閥固有的流量特性）第三十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六在目前常用的調節閥中，有三種典型的固有流量特性，即直線流量特性、快開流量特性和等百分比流量特性，其閥芯形狀和相應的特性曲線示于圖4－24和圖4－25中。1）直線流量特性：直線流量特性調節閥在小開度工作時，其相對流量變化太大，控制作用太強，容易引起超調，產生振蕩；而在大開度工作時，其相對流量的變化小，控制作用太弱，造成控制作用不及時。第三十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六2）對數（或稱等百分比）流量特性：

在小開度時Kv小，控制緩和平穩；在大開度時Kv大，控制及時有效。3）快開流量特性：

在小開度時流量就比較大，隨著開度的增大，流量很快達到最大，故稱為快開特性。(2)工作流量特性

在實際使用時，調節閥安裝在管道上，或者與其他設備串聯，或者與旁路管道并聯，因而調節閥前后的壓差是變化的。此時，調節閥的相對流量與閥芯相對開度之間的關系稱為工作流量特性。說明：調節閥的可調范圍R：調節閥所能控制的流量上限和流量下限之比。第三十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六

1)串聯管道時的工作流量特性：

調節閥與其他設備串聯工作時(如圖4－26a所示)調節閥上的壓差是其總壓差的一部分。當總壓差P一定，隨著閥門的開大，閥前后的壓差將逐漸減小。為了衡量調節閥實際工作流量特性相對于理想流量特性的變化程度，可用阻力比這個系數S來表示：分析：

S=1時，管道壓降為零，調節閥前后壓差等于系統的總壓差，故工作流量特性即為理想流量特性。式中Pvmin——調節閥全開時閥門前后的壓差

P——系統總壓差第四十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六S<1時，由于串聯管道阻力的影響，使流量特性產生兩個變化：閥全開時流量減小，即閥的可調范圍變小。使閥在大開度時的控制靈敏度降低。隨著S值的減小，直線特性趨于快開特性，等百分比特性趨向于直線特性。結論：

在實際使用中，一般希望S值不低于0.3~0.5。第四十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六2)并聯管道時的工作流量特性：

在現場使用中，調節閥一般都裝有旁路閥(如圖4－28所示)，以便于手動操作和維護。并聯管道時的工作流量特性如圖4－29所示：圖中s'為閥全開時流量與總管最大流量之比。當s'＝1時，旁路閥關閉，工作流量特性即為理想流量特性，隨著旁路閥逐漸打開，s'值逐漸減小，調節閥的可調范圍也將大大下降，從而使調節閥的控制能力大大下降，影響控制效果。

根據實際經驗，s'值不能低于0.8。第四十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六(3)調節閥流量特性的選擇

理論分析法：還在研究中

經驗法：目前較多采用。一般可從下述幾方面來考慮。

1)依據過程特性選擇：

一個過程控制系統，在負荷變動的情況下，要使系統保持預定的控制品質，則必須要求系統總的放大系數在整個操作范圍內保持不變。一般變送器、調節器(已整定好)、執行機構等放大系數基本上是不變的，但過程的特性則往往是非線性的。為此，必須合理選擇調節閥的特性，以補償過程的非線性，其選擇原則為：

KvKo＝常數其中，Kv為調節閥的放大系數；Ko為過程的放大系數。

當過程的特性為線性時，則應選擇直線特性的調節閥，否則就選擇等百分比特性的調節閥。第四十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六

2)依據配管情況選擇：

在現場使用中，調節閥總是與設備和管道連在一起的，由于系統配管情況不同，調節閥的工作特性和理想特性也有差異。

因此，首先應根據過程特性來選擇工作特性，然后再考慮配管情況來選擇相應的理想特性。（制造廠所標明的流量特性是理想特性）選擇原則如下表：

配管狀況S=1~0.6S=0.6~0.3工作特性直線等百分比直線等百分比理想特性直線等百分比等百分比等百分比表3－4依據配管狀況選擇表第四十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六

3)依據負荷變化情況選擇：

在負荷變化較大的場合，宜選用等百分比調節閥。因為等百分比調節閥放大系數是隨閥芯位移的變化而變化的，其相對流量變化率是不變的，因而能適應負荷的變化情況。

當調節閥經常工作在小開度時，宜選用等百分比調節閥。因為直線調節閥在小開度時，相對流量變化率很大，不宜進行微調。第四十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六六電-氣轉換器與閥門定位器1.電/氣轉換器

由于氣動執行器具有一系列的優點，絕大部分使用電動調節儀表的系統也使用氣動執行器，為使氣動執行器能夠接受電動調節器的命令，必須把調節器輸出的標準電流信號轉換為20～100kPa的標準氣壓信號。這個工作是由電一氣轉換器完成的。電－氣轉換器的作用：

把0～10mA.DC或4～20mA.DC的電信號轉換成20～100kPa的氣壓信號,該信號可用來直接推動氣動執行機構或作較遠距離的傳送。第四十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六由電動調節器送來的電流I通入線圈2，該線圈能在永久磁鐵的氣隙中自由地上下移動。當輸入電流I增大時，線圈與磁鐵產生的吸力增大，使杠桿1作逆時針方向轉動，并帶動安裝在杠桿上的擋板3靠近噴嘴4，改變噴嘴和擋板之間的間隙。

當擋板3靠近噴嘴4，使噴嘴擋板機構的背壓升高，這個壓力經過氣動功率放大器9的放大，產生輸出壓力P，作用于波紋管6，對杠桿產生向上的反饋力。它對支點O形成的力矩與電磁力矩相平衡；構成閉環系統，于是，輸出壓力與I成正比例，0~10mA·DC或4~20mA·DC的電信號就轉換成20~100KPa的氣壓信號，該信號可用來直接推動氣動執行機構或作較遠距離的傳送。第四十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六2.閥門定位器（P102)第四十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六3.4.4智能式電動執行器自20世紀90年代以來，隨著微電子技術、微處理機技術、計算機網絡技術和機電一體化技術的迅速發展和現場總線控制的迫切需要，符合現場總線的智能執行器便應運而生。目前，智能執行器已有諸多產品，表3－5（P102)列出了部分目錄。第四十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六1．智能電動執行器的特點與常規電動執行器相比，智能電動執行器有如下特點：

1）具有智能化和高精度的控制功能。智能執行器可直接接收變送器信號，按設定值自動進行PID調節，控制流量、壓力和溫度等過程變量。通過組態可按折線形成多種形狀的非線性流量特性，實現對過程非線性特性的補償，以提高系統的控制精度。同時也擺脫了長期以來依靠改變閥心形狀來改變流量特性的落后狀況。

2）一體化的結構設計思想。智能執行器將位置控制器、PID控制器、伺服放大器、電／氣轉換器、閥位變送器等裝在一臺現場儀表中，減少了信號傳輸中的泄漏和干擾等因素對系統控制精度的影響；與此同時，還采用電制動和斷續調節技術代替機械摩擦制動技術，以提高整機的可靠性。第五十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六3）具有智能化的通信功能。智能執行器與上位機或控制系統之間可通過現場總線按規定的通信協議進行雙向數字通信，并構成所需要的控制系統，這是智能執行器與常規電動執行器的重要區別之一，也是它突出的優點之一。4）具有智能化的自診斷與保護功能。當電源、氣動部件、機械部件、控制信號、通信或其他方面出現故障時，均能迅速識別并能有效采取保護措施，確保控制系統及生產過程的安全。5）具有靈活的組態功能，“一機多用”，提高了經濟效益。例如，對于輸入信號，可通過軟件組態來選擇合適的信號源；對于執行器的運行速度和行程，也可通過組態軟件進行任意設置，所有這些都無需更換硬件。這樣一來，只要用少量類型的智能執行器就能夠滿足各種工業過程的不同需求，從而大大提高了制造商和用戶的經濟效益。第五十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六

2．智能電動執行器的實例簡介表3－5表明，智能電動執行器的種類很多，但其結構原理功能卻大同小異。現以美國Valtek公司生產的Starpac智能執行器為例加以說明。Starpac智能執行器的基本結構和功能如圖3－41所示。如圖所示，閥體的進、出口部位和內部均裝有壓力、溫度檢測器；閥桿內裝有閥位檢測器；執行機構進、出口裝有空氣壓力檢測器。所有這些檢測器的輸出信號都被送往Starpac執行器內裝的微處理器中。在調節閥的運行過程中，微處理器根據這些參數的變化，分析調節閥的工作狀況，實時進行調整、校準和故障診斷，使閥門的控制精度和可靠性得到了極大的提高。與上位機或控制系統的連接用4～20mADC模擬信號或RS－485串行數字信號的通信方式，二者可任選，但與PC連接進行組態、校準、數據檢索或故障診斷時，必須采用數字通信方式。第五十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六第五十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六3.5安全柵

安全火花型防爆系統必須具備兩個條件：

1.現場儀表必須設計成安全火花型；

2.現場儀表與非危險場所(包括控制室)之間必須經過安全柵(又稱防爆柵)，以便對送往現場的電壓、電流進行嚴格的限制，從而保證進入現場的電功率在安全范圍之內。由此可見，安全柵是構成安全火花防爆系統極其重要的過程控制儀表之一。安全柵的種類很多，有電阻式安全柵、中繼放大式安全柵、齊納式安全柵、光電隔離式安全柵、變壓器隔離式安全柵等。目前應用最多的是齊納式安全柵和變壓器隔離式安全柵。3．5．1齊納式安全柵

1．簡單齊納式安全柵簡單齊納式安全柵是利用齊納二極管的反向擊穿特性進行限壓、用固定電阻進行限流，其基本電路原理如圖3－42所示。第五十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六由圖可知，該安全柵可以限制流過的電壓與電流，不讓它們超過安全值，即當輸入電壓Vi在正常范圍(24V)內時，齊納二極管VD不導通；當電壓Vi高于24V并達到齊納二極管的擊穿電壓(約28V)時，齊納二極管導通，在將電壓鉗制在安全值以下的同時，安全側電流急劇增大，使快速熔絲FU很快熔斷，從而將可能造成事故的高壓與危險場所隔斷。固定電阻R的作用——限制流往現場的電流。第五十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六這種簡單的齊納式安全柵存在兩點不足：1）固定的限流電阻其大小難以選擇，選小了起不到很好的限流作用，選大了又影響儀表的恒流特性。理想的限流電阻應該是可變的，即電流在安全范圍內其阻值要足夠小，而當電流超出安全范圍時其電阻要足夠大。2）接地不合理，通常一個信號回路只允許一點接地，若有兩點以上接地會造成信號通過大地短路或形成干擾。因此，希望安全柵的接地點在正常信號通過時要對地斷開。第五十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六2．改進型齊納式安全柵

針對簡單齊納式安全柵存在的兩點不足，進行了改進。改進后的齊納式安全柵如圖3－43所示。第五十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六其中：改進1：由四個齊納二極管和四個快速熔絲組成雙重限壓電路，并取消了直接接地點，改為背靠背連接的齊納二極管中點接地。這樣，在正常工作范圍內，這些二極管都不導通，安全柵是不接地的；當輸入出現過電壓時，這些齊納二極管導通，對輸入過電壓進行限制，并通過中間接地點使信號線對地電壓不超過一定的數值。改進2：用雙重晶體管限流電路(還有一套電路未畫出)代替固定電阻，以達到近似理想的限流效果。第五十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六

該限流電路的工作原理為：場效應管VT3工作于零偏壓，作為恒流源向晶體管VT1提供足夠的基極電流，保證VT1在信號電流為4~20mA的正常范圍內處于飽和導通狀態，使安全柵的限流電阻很小；如果信號電流超過24mA，則電阻R1上的壓降將超過0.6V，于是晶體管VT2導通，分流了恒流管VT3的電流，使VT1的基極電流減小，VT1將退出飽和，使安全柵的限流電阻隨信號電流的增大而迅速增大，起到很好的限流作用。缺點：齊納式安全柵雖然結構簡單、價格便宜，但由于齊納二極管過載能力低，且難以解決熔絲的熔斷時間和可靠性之問的矛盾，更何況熔絲是一次性使用元件，一旦