儀表原理

一、概述

(

一

)

、自動化儀表的發展

從工業自動化儀表的發展過程看，大體上經歷了三個階段。

1

、基地式儀表階段：這是歷*首先發展起來的，大約是在

20

世紀

30

～

40

年代期間。這

類儀表的優點是，簡單、價廉、實用。但是，只適用于簡單的控制系統，無法或不便于應用在復

雜控制系統中。

2

、單元組合式儀表階段：我國

20

世紀

50

年代以后發展起來的，它們與復雜控制系統的推

廣應用相適應。

用單元組合式儀表，

可以方便地組成簡單與復雜的控制系統。

這類儀表的廣泛應

用與系統結構的發展和需要是分不開的。單元組合儀表按其發展，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

70

年代初出現，由于

它靈活、

可靠、

價廉、

迅速成為信息科學與技術的寵兒，

被廣泛應用于工業、

國防、

家庭等領域。

以微處理器為基本組成部分的控制裝置，主要沿著三條路發展。

1)

、

分散型綜合控制系統

(

總體分散控制裝置

)

：

這是

20

世紀

70

年代后期由儀表制造廠和計

算機制造廠推出的新產品。

作為zui簡單的形式，

它是由各個基本控制站與數據總線構成。

每個控

制站可控制幾個回路，相互間由數據總線傳遞信息，并可配置屏幕顯示器操作站等。

2)

、

可編程數字

調節器

：有些產品簡稱單回路調節器。

它們采用微處理器為基本元件。

控制

規律采用數字運算。

但它們的輸入和輸出與模擬式調節器相似，

不須另加

A/D

與

D/A

插件。

這類

儀表的功能相當豐富。表現在：

a

、每臺調節器可有多個輸入，

1

～

2

個輸出

;

b

、有數十種控制規律

(

功能

)

，用以實現復雜控制十分方便

;

c

、編程容易，幾乎不需要計算機軟件方面的專門知識，就可學會操作

;

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用。

3)

、

微計算機系統：

微計算機包括個人計算機

(PC)

、

單片機、

單板機等，

有些本來是通用的，

也可供過程控制之用。

(

二

)

、自動化儀表的分類

自動化儀表能從幾個主要方面加以分類。

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

一類是電動儀表，一般其能源為

220

伏交流供電。或

24

伏直流供電

;

還有一類是以液壓為工作能源的液動儀表。

2

、按組成結構分

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等。

1)

、基地式儀表：基地式儀表是給定、測量、調節等機構全裝在一個殼體內的儀表。它是專

為某種被測參數在特定的測量范圍內使用的儀表。它與單輸入單輸出的簡單控制系統相適應。

2)

、

單元組合式儀表：

單元組合式儀表按照自動調節系統中各組成部分的功能和現場使用要

求，分成若干個獨立的單元。各單元之間用標準信號。

在使用時再按一定的要求，

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單元組合儀表和電動單元組合儀表。

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，

根據需

要選擇不同的插件就能組成

;

自動調節或控制系統。

4)

、分散型綜合控制系統：在控制技術

(Contro1)

、計算機技術

(Computer)

、通信技術

(Communication)

、屏幕顯示技術

(CRT)

等四“

C

”技術迅速發展的基礎上研制成的一種新型控制

系統。它的設計思想是分散控制、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。

工業的迅猛發展，

特別是石油化工企業對儀表的防爆能力日益重視，

電動儀表的設計者也考慮了各種防爆措施。

現場儀表的防爆能力已成為儀表性

能的重要指標。

接處采用符合規定的螺紋。有的情況下對殼體的材質和殼內空間的尺寸也有規定。這樣的儀表。

也有采用充入惰性氣體或將電路浸在油中的辦法隔離的。

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，

并且對電路中的儲能元件

(

例

如電容、電感

)。此

外，危險區以外發生電路的混觸，也有可靠的措施，

使高電壓大電流不能進入危險區。

安全火花

型儀表是電動儀表中防爆性能的一類。

(

三

)

、單元組合儀表的統一信號、分類和命名

1

、統一信號

單元組臺式儀表按其能源分為氣動單元組合儀表和電動單元組合儀表。

氣動單元組合儀表的

能源為

140kPa

的干燥清潔的壓縮空氣，它的統一信號為

20

～

100kPa

。

I

型電動單元組合儀表的

能源為交流

220V

，

統一信號為直流

0

～

10mA

，

II

型單元組合儀表能源為直流

24V

，

統一信號為直

流

4

～

20mA

。

2

、分類

單元組合式儀表可分為現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

中所起的不同作用，現場安裝儀表可分為變送單元類和執行單元類

;

控制室內安裝儀表又可分為

調節單元類、轉換單元類、運算單元類、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：它將各種被測參數如溫度、壓力、流量、物位等物理量轉換成相應的

0

～

10mA DC

、

4

～

20mA DC

或

20

～

100kPa

信號，并將其傳送到顯示、調節單元，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)

、轉換單元類：轉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、

頻率等電信號轉換成相應

0

～

10mA

DC

、

4

～

20mA

DC

或

20

～

100kPa

信號，實現與電動單元組合儀

表標準信號之間的轉換，

如電動調節單元的輸出需進行電—氣轉換才能驅動zui常用的氣動薄膜

調

節閥

。

這類產品有：直流毫伏轉換器、頻率轉換器、氣—電轉換器、電—氣轉換器等。

3)

、

調節單元類：

它將來自變送單元的測量信號和給定信號進行比較，

按其差值給出控制信

號去控制執行器的動作，使測量值和給定值相等。調節單元的品種有比例、積分、微分調節器

;

比例、積分調節器

;

比例、微分調節器和比例調節器等。

4)

、運算單元類：它將各類儀表輸出的標準統一信號進行加、減、乘、除、開方、平方等數

學運算，以滿足多參數復臺測量、校正和調節的要求。運算單元的品種有加減器、乘除器和開方

器等。

5)

、顯示單元類：已將各種被測參數進行指示、記錄、報警和積算等，供操作人員監視控制

系統工況之用。顯示單元副品種有：比例積算器、開方積算器、自動顯示

記錄儀

等。