电动仪表.docx
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电动仪表
第九章电动调节仪表
第一节概述
一、单元组合仪表的产生及特点
以前，组成自动调节器的各个环节装在一个表壳里，把从检测元件来的信号作为输入信号，该表的输出信号直接控制执行机构。
这类仪表通常称为基地式调节仪表。
一般只用于构成单回路调节系统，实现局部自动化。
随着工业生产的不断发展，生产规模的日益扩大，要求对生产工艺过程进行集中控制，实现生产过程的综合自动化，以便更好的监视和控制整个生产过程。
而基地式调节仪表不能适应这一要求。
为了适应工业生产发展的需要，从五十年代开始就逐渐产生了单元组合仪表。
这种仪表是根据自动检测与调节系统中各组成环节的不同功能和使用要求，分成能独立实现一定作用的几个单元，而各单元之间的联系则采用统一标准信号。
这些单元的不同组合就能构成各种不同的自动检测或自动调节系统。
单元组合仪表按其所用的能源，可分为电动单元组合仪表（简称DDZ仪表）和气动单元组合仪表（简称QDZ仪表）。
电动单元组合仪表根据其所用的基本元件又可分成DDZ-I型（电子管为基本元件）、DDZ-Ⅱ型（晶体管为基本元件）、DDZ-Ⅲ型（采用集成电路）三个系列。
电动单元组合仪表都采用统一的标准信号，DDZ-I型和DDZ-Ⅱ型为0~10mADC，DDZ-Ⅲ型为4~20mADC。
电动单元组合仪表有很多优点。
例如这些单元仪表的不同组合可以实现各种调节规律的调节系统；采用统一标准信号，可以使指示、记录单一化；更重要的是，便于和电子计算机及其他数字化装置联用，适用于大规模生产的自动化要求。
但是对于简单的参数自动调节系统来说，应用它，无论在经济上、还是在安装维修上，都不如基地式自动化仪表优越，基地式仪表结构简单、紧凑、成本低、维修方便。
另外，单元组合仪表一般来说是连续作用的调节装置，对于那些调节质量要求不高的系统，在一般情况下，往往不必采用复杂的自动化仪表，大多采用断续作用的仪表就可以满足要求了。
所以，具有断续作用或PID连续作用的动圈调节仪表、TA系列仪表等简单调节器在小型企业里还是大量采用的。
二、电动单元组合仪表的发展
我国电动单元组合仪表的发展是从五十年代后期开始的，大体上分为电子管型、晶体管型和集成电路型等三个阶段。
DDZ-I型仪表早在1964年就开始生产了。
它在石油、化工、冶金、电站等工业部门得到了应用，效果较好。
但是DDZ-I型仪表采用的是电子管元件，调节器采用多单元的构成形式，因而体积大，外部接线也较复杂。
吸收DDZ-I型仪表在研制、使用过程中的经验教训，接着开始了DDZ-Ⅱ型仪表的研究工作。
DDZ-Ⅱ型仪表曾经广泛的应用在冶金、化工、石油、发电等部门。
七十年代中期，在DDZ-Ⅱ型仪表的基础上，进一步研究完成以集成电路为主要元件的DDZ-Ⅲ型仪表。
这种仪表采用了集中供电方式，并采用4~20mADC的国际统一标准信号；它是一个本质上安全型的仪表，是在DDZ-Ⅱ型的性能上扩大了一些功能。
目前，DDZ-Ⅲ型仪表正在一些生产现场运行，性能比较稳定，效果良好。
第二节DDZ-Ⅱ型仪表的特点、单元划分及型号命名法
一、DDZ-Ⅱ型仪表的特点
DDZ-Ⅱ型仪表概括起来有如下的特点：
1、DDZ-Ⅱ型仪表采用0~10mADC统一信号。
2、将这套仪表分成几个单元。
这样具有通用型，使用灵活，改组自动调节系统较容易。
各单元适当地组合，可构成实现不同的调节规律的调节系统。
3、各单元采用力平衡和电平衡原理，便于提高仪表的精度、灵敏度和改变测量范围。
4、反映迅速。
适合于远距离传送及集中控制。
5、结构设计上贯彻了标准化、系列化和通用化的原则，以保证同类型产品的互换性。
便于使用、维护和降低成本。
6、DDZ-Ⅱ型仪表采用半导体元件、印刷电路等，尽可能采用插接和无触点器件。
提高仪表的先进性、可靠性。
二、DDZ-Ⅱ型仪表的单元划分
我国成批生产的DDZ-Ⅱ型仪表共划分为下面八个单元。
1、变送单元用来测量压力、流量、温度、液位等参数，并将测量值转换成0~10mADC标准信号之后，再传送到显示单元或调节单元，以便进行指示、记录、调节。
2、显示单元与不同的变送器配合使用，对各种被测参数进行指示、记录、报警和积算。
3、调节单元根据被调节参数的测量值与给定值的偏差实现比例、比例积分、比例积分微分等调节规律，对执行机构输出0~10mADC的控制信号。
4、计算单元根据不同的需要，对其它单元输出的0~10mADC信号进行各种运算（如加、减、乘、除、开方等），构成各种复杂的自动调节系统。
5、给定单元用于提供调节单元所需要的给定值信号0~10mADC。
6、转换单元用来把20~100kPa的标准气动信号转换成0~10mADC的统一标准电信号，或者把0~10mADC的统一标准电信号转换成20~100kPa的标准气动信号，把电动与气动单元组合仪表联系在一起，从而扩大DDZ仪表的使用范围。
7、执行单元根据调节单元送来的调节信号或手控信号，操作阀门或闸板，以达到调节目的。
8、辅助单元配合上述单元完成信号切换、遥控等辅助操作。
三、DDZ-Ⅱ型仪表的型号命名法
DDZ-Ⅱ型仪表各单元的型号由两大部分组成，中间用短横线分开。
第一部分由三个汉语拼音大写字母组成。
第一个字母均为D，以表示电动单元组合仪表。
第二个字母表示产品大类：
变送单元（B）、给定单元（G）、显示单元（X）、辅助单元（F）、执行单元（K）、计算单元（J）、转换单元（Z）、调节单元（T）。
第三个字母表示产品小类，用下列字母代表：
温度、温差（W）、压力（Y）、差压（C）、流量（L）、液位（U）、机械量（J）、成分分析（F）、电工量（D）、直流毫伏转换（H）、交流毫伏转换（J）、频率转换（P）、气/电转换（Q）、加法（J）、乘法（C）、乘除（S）、开方（K）、指示（Z）、积算（S）、记录（J）、连续调节（L）、断续调节（D）、报警（B）恒流给定（A）、分流（F）、角行程（J）、直行程（Z）、调节阀（F）、电动操作（D）、液动执行（Y）、气动操作（Q）、信号（X）。
第二部分由两节组成。
第一节的三位阿拉伯数字表示产品系列、规格和序号，具体内容可由产品手册查出。
但变送、显示、调节、执行等单元以外的其余单元则只用二位阿拉伯数字。
第二节由一个或几个汉语拼音字母组成，表示附加功能。
K——快速；B——防爆；F——防腐。
举例：
DBW-100KB型表示电动温度变送器，热电偶式，快速，防爆。
DTL-121型表示电动连续作用式调节器，带手动操作器。
第三节DDZ-Ⅲ型仪表的特点、单元划分及型号命名法
一、DDZ-Ⅲ型仪表的特点
1、在信号制上采用国际IEC推荐的信号标准
现场传输信号为4~20mADC，控制室联络信号为1~5VDC,信号电流与电压的转换电阻为250欧，并联传输方式。
优点：
（1）电气零点不是从零开始，不与机械零点重合，因此不但充分利用了晶体管的线性段，而且容易识别断电、断线等故障。
（2）采用并联信号传输方式，便于同计算机、巡回检测装置等配套使用。
（3）现场变送器采用两线制，不但节省了大量电缆和安装费用，而且还有利于安全防爆。
2、采用线性集成电路
优点：
（1）由于在集成电路中，材料、元件和电路三者集成一体，简化了线路，减少了仪表元件的数量，这不仅提高了仪表的可靠性，而且使仪表的应用功能扩大。
（2）由于集成运算放大器漂移小，增益高，从而使仪表的稳定性和精度得到提高。
3、采用24VDC集中供电，并备有蓄电池作为备用电源
优点：
（1）各单元省掉了电源变压器，没有工频电源进入单元仪表，既解决了发热问题，也为仪表防爆提供了有利条件。
（2）备用电源可有利于安全停车。
4、结构合理
（1）差压变送器采用矢量机构。
（2）温度变送器具有线性化电路，使输出信号与温度信号之间呈线性关系。
（3）基型调节器有全刻度指示调节器和偏差指示调节器两种。
调节器的自动、手动切换以无平衡、无扰动的方式进行，并有硬手动和软手动两种方式。
（4）整套仪表可构成安全火花型防爆系统。
二、型号命名及规格编号
型号由三个拼音大写字母组成：
第一个字母均为D，表示电动单元组合仪表产品。
第二个字母代表各产品的分类：
变送单元（B）、转换单元（Z）、计算单元（J）、调节单元（T）、显示单元（X）、给定单元（G）、安全单元（A）、辅助单元（F）、执行单元（K）。
第三个字母代表产品的名称：
温度（W）、压力（Y）、差压（C）、流量（L）、浮筒液位（F）、气/电转换（Q）、电/气转换（D）、电/气阀门F）、加减（J）、乘除（C）、开方（K）、积算（S）、记录（J）、比率（B）、调节（L）、手操（Q）、报警（B）、限幅（S）、隔离（G）、安全保持器（B）、分电盘（P）、电源箱（D）、指示（Z）等。
规格编号：
产品规格编号由四位数字组成。
第一位数字为“3”，表示III型电动仪表的产品，以区别I型、II型仪表。
第二、三、四位数字根据不同产品表示不同的用途及特点。
关于附加规格，根据用途和特点，单独标志。
表9-3-1DDZ-Ⅱ型与DDZ-Ⅲ型仪表主要性能特点比较
系列
性能特点
DDZ-Ⅱ型
DDZ-Ⅲ型
信号
0-10mADC
4-20mADC、1-5VDC
信号传输方式
电流传送电流接收
电流传送电压接收
供电电源
220VAC单独供电
24VDC集中供电
电气元件
分立元件
线性集成电路
安全栅
无
有
防爆类型
隔爆型
安全火花型
调节器结构性能
偏差指示
手/自动需先调平衡切换
无保持电路
功能一般
由反馈回路构成PID功能相互干扰系数较大
全刻度指示、偏差指示
软手动/自动无平衡
无扰动切换
有保持电路
功能较全，有特种功能调节器和附加单元
相互干扰系数小，由串联形式构成PID功能
同计算机联用
兼容性一般
兼容性好
价格
便宜
较贵
适用场合
一般场合
易燃易爆场合
第四节调节单元（DDZ-Ⅲ型）
调节单元是DDZ-Ⅲ型电动单元组合仪表中的一个重要单元。
它接受1~5V直流电压信号，经过PID运算后，输出4~20mA直流电流信号。
III型调节器的基型有两种――全刻度指示调节器和偏差指示调节器。
这两种调节器的线路结构基本相同，仅指示电路有差异。
本节以全刻度指示调节器为例分析介绍。
一、调节器线路分析
基型调节器的原理图如图9-4-1，调节器的整机方框图如图9-4-2所示。
由图可以看出，基型调节器由控制单元和指示单元两部分组成。
控制单元包括输入电路、比例微分电路、比例积分电路、输出电路（V/I转换电路）、软手动和硬手动电路。
指示单元包括输入信号指示电路和给定信号指示电路。
指示单元
给定指示
测量指示
输入电路
比例微分
比例积分
软手动
输出电路
硬手动
Vi1~5V4~20mA
Vs1~5V
控制单元
图9-4-2基型调节器方框图
1、输入电路
输入电路主要由IC1构成，它将对输入信号和给定信号进行减法运算，同时对其偏差值进行2倍放大。
为了消除由于导线电阻的压降而造成的误差，并保证以零伏为基准的1~5V信号都能进入运算放大器的共模输入电压范围，III型调节器的输入电路采用偏差差动电平移动电路。
VB是从24伏电源获得的10V电平，Vcm2是输入信号和给定信号因导线电阻而在输入端产生的等效压降，设R1＝R2＝R3＝R4＝R5＝R6＝R＝500K欧，R7＝R8＝5K欧，IC1为理想运算放大器，即开环增益为∞，输入阻抗为∞，则反相输入端电位VF（以0V为基准）可由下式求得：
（VF-（Vi+Vcm1）/R）+（VF-Vcm2）/R=（（VB+Vo1/2）-VF）
所以VF=（Vi+Vcm1+Vcm2+Vo1/2+VB）/3 （9-4-1）
同理可求出同相输入端的电位Vt（以0V为基准）：
Vt=（Vs+Vcm1+Vcm2+VB）/3（9-4-2）
由于VF=Vt，所以：
Vo1=2（Vs-Vi） （以VB为基准）（9-4-3）
或Vo1=-2（Vi-Vs）
由式（9-4-3）看出：
（1）采用差动输入方式，使输出信号Vo1与导线压降Vcm1、Vcm2无关。
（2）由于采用了电平移动电路，满足了输入电路运算放大器的共模输入电压范围。
（3）把两个以0V为基准的（1~5V）的Vi和Vs转换马以VB电平为基准的偏差输出信号Vo1，并且放大了两倍。
2、比例微分电路
比例微分电路由CdRd电路和IC2构成，它将对偏差信号进行比例微分运算，Rp为比例电位器，Rd为微分电位器，Cd为微分电容器。
比例微分电路由无源比例微分网路与比例运算器两部分串联组成。
当输入信号Vo1为一阶跃作用时，在t=0+,即加入阶跃信号瞬间，由于电容Cd上的电压Vcd不能突变，输入信号Vo1全部加到IC2同相端T点，因此T点电压Vt一开始就有一跃变，其数值为Vt（0+）=Vo1;随着电容Cd充电过程的进行，Cd两端电压Vcd从零伏起按指数规律不断上升，Vt按指数规律不断下降。
当充电时间足够长时，输入电压Vo1在9.1千欧上的电压全部被充电到Cd内时，充电过程结束，此时Vt（∞）=Vo1/n，并保持该值不变。
比例微分电路的输出信号Vo1与同相端T点的电压Vt为简单的比例关系，
其比例系数为a。
当输入信号Vo1以阶跃作用加入后，Vo2的变化曲线形状与Vt相同，其数值应为：
Vo2=aVt
比例系数a是通过调整电位器Rp来实现的。
设置Rpo的目的是为了限制a的最大值，。
因电路参数Rp=10k欧Rpo=39欧，所以 a的变化范围是1~250。
比例微分电路主要参数：
微分增益Kd=10微分时间Td=（0.04~10）min
比例增益a/n=（1/10）~25
3、比例积分电路
由比例运算和积分两部分电路组成。
由Ci与Cm组成比例运算电路，即：
Vo3p=-（C1/Cm）Vo2
由Ri与Cm组成积分运算电路，即：
Vo3i=-（t/mRiCm）Vo2
设Vo3为以10V为基准的IC3的输出信号，即：
Vo3=Vo3p+Vo3i=-（Ci/Cm）Vo2-（t/mRiCm）Vo2=-（Ci/Cm（1+t/mRiCi））Vo2
当Vo2跃变化时，Vo3按比例变化-（Ci/Cm）Vo2，以后它将按积分规律变化。
Cm为积分电容器，Ri为积分电位器，积分时间取决于Cm电容器和Ri电位
器。
调整Ri电位器可以得到所需要的积分时间。
4、输出电路
当正的输入信号Vo3通过电阻R1加到运算放大器IC4的反相输入端时，IC4的输出电压降低，于是复合管的电流增大，即Io’增大，Io亦增大，Vf下降这KR电阻反馈到相输入端，组成比例运算电路，，使Vf与Vo3有一一对应关系，即Io’与Vo3成比例关系，所以Io取决于Vo3。
当忽略复合管的基极电流时：
Io=Io’-If
设IC4为理想运放，R1=R2=R，则：
VF-VT=（（24-VB）/（1+K）R）R+VB=（24+KVB）/（1+K）
（VF-（Vo3+VB））/R=（Vf-VF）/KR
Io’=（24-Vf）/Rf
解方程组得：
Io’=KVo3/Rf
同理：
If=（VF-（Vo3+VB））/R=（24-VB-（1+K）Vo3）/（1+K）R
5、指示电路
它将以零伏为基准的1~5V输入信号转换成以VB为基准的1~5mA的电流信号，用电流表加以指示。
它实际上是一个比例系数为1的运算放大器，亦采用差动电平移动电路，同时也是个电压-电流转换器。
当开关K处于“测量”位置，并假设IC5为理想运算放大器时，R均为500千欧，不难求出Vo=Vi于是Io’=Vo/RL=Vi/RL
当输入Vi＝1~5V时，调整RL即可得到1~5mA所需指示电流范围。
当开关切换至“标定”时，IC5接收数值为3ｖ的标准电压信号，电表应指示在50%（给定指示电流表也指50%，即两针重合），如果不准，应调整电流表的机械零点和线路量程电阻RL中的电位器。
二、DTL-3110型全刻度指示调节器
1、用途
DTL-3110型全刻度指示调节器是DDZ-Ⅲ型电动单元组合仪表调节单元中的一个基型品种，它接受变送器或转换器的1~5VDC输出信号作为输入信号，与1~5VDC给定信号进行比较，对其偏差值进行比例、微分、积分运算之后，输出4~20mA信号送到操作端，实现对温度、压力、流量、液面等工艺参数的自动调节。
输入信号和给定信号的指示采用纵型刻度为100mm的张丝悬挂式双针指示计。
调节器的“自动←→手动”切换是无平衡、无扰动的，所以在切换时不引起工艺过程的扰动，并且操作方便。
作为手动调节器设有硬手动和软手动两种，在软手动状态，具有良好的输出保持特性。
2、调整与检定
（1）检定所需标准器设备（见表9-4-1）
检定装置误差限应小于被检调节器误差限的1/3；稳定度小于1/5~1/10;分辨率小于1/10~1/20。
在检定之前应通电预热15分钟。
表9-4-1 标准器及设备
名称
数量
准确度
说明
数字电压
1
±0.05%
信号发生器
2
±0.1%
4~20mA,辅助输出1~5V
阶跃信号发生器
1
±0.1%
阶跃信号输出1~5V
加减器
1
±0.5%
三通道输入，有＋、－切换和1~5V输出
标准电阻箱
1
±0.02%
2×25a或Z×25
标准电阻
3
±0.02%
R×71-11阻值自定
稳压电源
1
±1.0%
24±10%V切换，对地绝缘
秒表
1
±1.0%
0~30min
兆欧表
1
±1.0%
0~500VDC
仪表校验仪
1
±0.1%
可代替信号发生器、阶跃信号发生器
在检定的过程中应以缓慢的速度按输入信号初始同一方向逼近检定点，不允许在任何点产生过冲现象。
（2）检定项目（见表9-4-2）
表9-4-2 检定项目
检定类别 检定项目名称
修后检定
使用中检定
外观
检
检
静差
检
检
比例带刻度误差
检
检
再调时间刻度误差
检
检
预调时间刻度误差
检
检
给定指示刻度误差
检
检
输入指示刻度误差
检
检
输出指示刻度误差
检
检
偏差指示刻度误差
检
检
电源变化影响静差
检
不检
保持特性
检
不检
切换误差
检
不检
绝缘电阻
检
检
（3）检定原理接线图（见图9-4-3和图9-4-4）
（4）检定方法
a）静差检定 按图9-4-3进行接线。
静差：
调节器在稳态时输入值（被控值）X与给定值W之间的差，用量程的百分数表示。
+1-1
X
++
2SR1WDS5
--
8
++
1XXSX6
--
R2
-
3SK1-1K1-2S7X
+X
-S+-X+
41
图9-4-3检定原理接线图（I）
1—数字电压表；2—给定输入信号源；3—输入信号源；4—偏置信号源
5—直流稳压电源；6—电阻箱；7—加减器；8—调节器；X—输入端；
S—输出端；W—给定输入端；D—电源端；K1-1--开环；K1-2—闭环
调节器接成闭环；反作用；外给；自动；适配器正作用（即加减器做加法运算）；比例带定在100%；再调时间最小；预调时间切除。
调节外给定信号源依次给出量程的10%、50%/、100%。
调节偏置信号源，使调节器输出稳定在量程的50%（以数字电压表的示值为准），同时用数字电压表测量与外给定相对应的各点输入信号值。
按下式计算各点静差：
δn=（Xn-Wn）/S×100%
式中δn－某点静差值，%；
Xn－对应点的输入信号值，V；
Wn－对应点的外给定信号值，V；
S－被控量量程，V。
取其静差中的最大值为调节器的静差。
在10%、50%、100%各点为±0.5%。
② 比例带刻度值的检定 按图9-4-4原理接线
+1-
X
++
2SR1WDS5
--
8
++
1XXSX6
--
R2
-
3SK1-1K1-2S4
+
XX+
11
图9-4-4检定原理接线图
1--数字电压表；2—给定输入信号源；3—输入信号源；4—阶跃信号源
5—直流稳压电源；6—电阻箱；8—调节器；X—输入端；S—输出端；W—给定输入端；D—电源端；K1-1—不加阶跃信号；K1-2—加阶跃信号
调节器接成开环；正作用；外给；再调时间最大或切除（×10档）；预调时间最小或切除；比例带100%。
将外给定信号和输入信号稳定在相应的位置上，要求无偏差。
用软手动将输出稳定在量程下限值（即1.000V）。
然后将比例带刻度对准100%，再将调节器从手动切换到自动，同时加入输出量程10%的阶跃信号，当输出稳定后用数字电压表测量调节器的输出值，并计算输出的变化量Δy。
按下式计算实际比例带xp:
xp=（Δx/Δy）×100%
式中xp－实际比例带，%；
Δx－调节器输入变化量（即阶跃信号值），V；
Δy－调节器输出变化量，V。
按下式计算比例带刻度误差：
δp=（xp1-xp）/xp1×100%
式中δp－比例带刻度误差，%；
xp1－比例带的示值，%；
xp－比例带的实际值，%。
技术指标：
比例带100%刻度指示误差为＋100%、－50%。
③ 再调时间刻度值的检定 按图9-4-4原理接线
再调时间：
原称积分时间。
预调时间：
原称微分时间。
手动1：
软手动。
手动2：
硬手动。
调节器接成开环；手动1；正作用；再调时间最大；预调时间最小或切除；比例带在实际的100%。
采用秒表记时法。
将输出稳定在量程的50%；给定信号、输入信号稳定在相应的位置，使之无偏差。
首先将比例带调整到实际的100%，做法如下：
将调节器从手动1切换到自动，输入加入量程10%的阶跃信号，用数字电压表监测输出值，调节比例带刻度盘，使输出也变化量程的10%，即此时刻度盘的位置为实际的100%。
将调节器恢复到初始状态。
调节器从手动1切换到自动；再调时间对准1分钟刻度上，输入加入＋20%的阶跃信号，在比例作用结束后，立即启动秒表观察调节器输出信号变化，当输出变化量程的20%时，停秒表计时。
秒表所记的时间即为实际的再调时间。
最后将调节器恢复到初始状态，加入－20%的阶跃信号，重复上述检定程序。
按下式计算再调时间刻度误差：
δtin=（Ti-Tin）/Ti×100%
式中δtin－某方向再调时间刻度误差，%；
Ti－再调时间刻度示值，min；
Tin－对应方向再调时间实际值，min；
取其最大值为调节器再调时间刻度误差。
再调时间1分钟刻度指示误差为±25%。
④ 预调时间刻度值的检定 按图9-4-4原理接线。
调节器接成开环；正作用；在手动1位置；再调时间最大；预调时间切除；比例带在实际的100%；输入、给定在相应的位置，要求无偏差；输出稳定在量程的下限值（即1.000V）。
采取秒表记时法。
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