气动仪表及气调节系统

气动调节与控制系统与电控系统、液控系统一样都是实际生产过程中自动控制的一种。 气动仪表是气动调节系统的核心。从二十世纪三十年代到现在，气动仪表由基地式调节仪表发展到单元组合仪表和集装式调节仪表。由于电子工业和电子技术的飞速发展，尤其是电子计算机的出现，为电动仪表的发展开拓了广阔的前景。众所周知，电动仪表与计算机联用，无论在传递速度还是在传送距离方面，特别是在它能很方便地把各种非电的物理量转换成电量方面，具有气动仪表无法比拟的优点。近年来，很多大中型企业越来越多地采用电动控制装置。但是必须看到，气动调节仪表仍在许多方面具有独特的优点，特别是它从电动仪表的发展中吸取了不少优点，出现了反应快、结构小巧、性能稳定、功能齐全的新系列产品。国际国内仍广泛使用气动仪表。就我国目前情况看，“电气共存”“相互补充”的局面将长期存在，气动仪表及其控制系统仍有广阔的发展前景。

第一节 气动仪表及气动调节系统的基础知识

一、气动调节系统的组成及气动仪表的作用

为了说明自动调节系统的概念，我们先看一个实例。

图5—1所示为一控制贮罐中液位高度的控制系统。物料从阀1流入，从阀2流出，贮罐内的液位必须维持在某一高度。由于工况的变化，从阀1的流入量与阀2的流出量不等，液位将发生变化。变送器检测贮罐内的液位变化，并将这一参数（称为被控参数）送到显示仪表和调节器。调节器将变送器送来的被控参数与预期的液位高度进行比较，得到偏差值，将这一偏差值输出给气动调节阀1。调节阀1控制其流量作相应的改变使液位保持在预期的给定值。自动调节系统包括以下几个部分：被调对象（贮罐）、变送器、显示仪表、调节器和执行器。图5—2是液位控制系统的调节原理方框图。

图5—1 贮罐液位自动调节原理图 图5—2 自动调节系统方框图 1—气动调节阀；2—出料阀

图5—2中各方框的意义如下：

被调对象——简称对象，就是被调节的设备。

变送器——将被调参数转换成与其成比例的统一信号。气动变送器的统一信号为0.2～1.0×102KPa。

调节器——把变送器送来的测量信号与给定器送来的给定信号进行比较，并把所得的偏差信号按照一定调节规律运算放大之后，输出一个相应的控制信号去指挥执行器。 显示仪表——指示、记录被调参数、给定值和调节器输出信号。

执行器——包括执行机构和调节阀。执行机构将调节器的输出信号转变成推力，用以推动调节阀；调节阀则改变被调介质的流入量或流出量。常见的执行器是气动薄膜执行器。 除对象之外，每一个方框，都可以构成一个的单元；把变送器、显示仪表和调节器组装在同一个壳体内则构成基地式调节仪表。本章只介绍变送器、调节器、计算单元及辅助单元的结构及工作原理等。 二、气动仪表的元件与组件

气动仪表的种类很多，在结构上千差万别。但它们都是由为数不多的几种基本元件与组件按一定的原则组合而成。常见的元件有气阻、气容，常见的组件有阻容耦合元件、喷嘴挡板机构、功率放大器，这些内容前面已经介绍过，不再重述。 三、气动仪表的构成原理

气动仪表是将输入的位移信号转换成气压信号，或者将输入的气压信号再转换成相应的气压信号的转换装置。按这种转换原理，气动仪表可分为直接作用式和反馈式两类。 （一）直接作用式气动仪表

图5—3是直接作用式气动仪表的构成原理图。图5—3（a）是将输入的位移信号转换成标准气压信号的装置。图5—3（b）是将输入的压力信号转换成指针位移的装置。

图5—3 直接作用式气动仪表构成原理图

这类气动仪表实际上是喷嘴挡板机构的直接应用，其结构简单、工作可靠。但是由于部件的非线性影响，工作特性不理想。特别是当供气压力、环境温度变化时，仪表的特性也将随之变化，影响仪表精度，带来转换误差。因此，这类直接作用式气动仪表，多用来做报警装置或显示仪表。对于常见的气动变送器和气动调节装置，则要引入反馈机构进行

补偿，以改善仪表特性。 （二）反馈式气动仪表

常见的气动仪表，绝大多数是带有反馈机构的。引入反馈机构的目的是为了补偿主回路系统各部件的非线性特性，保证输入与输出之间有确定的关系。 反馈式气动仪表可分为位移平衡式和力（力矩）平衡式两种。 1．位移平衡式气动仪表

位移平衡式气动仪表的工作原理如图5—4所示。输入信号pi作用于测量波纹管，使A点产生位移Xi，平衡杠杆绕B点逆时针偏转，喷嘴挡板间产生测量位移X1。由于喷嘴背压的变化，经功率放大器放大，有输出信号P出。输出信号同时反馈至反馈波纹管，使B点产生位移Xf，平衡杠杆绕A点顺时针偏转，喷嘴挡板间产生反馈位移X2。显然，在测量信号pi作用下，喷嘴挡板间所获得的实际位移

X=X1—X2

由于测量位移与反馈位移使平衡杠杆达到新的平衡状态，所以输出信号P出与输入信号Pi成比例关系。输出与输入关系可从图5—5方框图求得。

由图5—5求得传递函数

图5—4 位移平衡式气动仪表工作原理图

图5—5 位移平衡式仪表工作原理方框图

Ail2knkrp出(s)kil1 W(s)

pi(s)1kkA1l1l2nrfksl1式中 Ai——测量波纹管有效面积；

Af——反馈波纹管有效面积； kn——喷嘴挡板机构放大系数； kr——功率放大器放大系数； ks——反馈波纹管刚度；

ki——测量波纹管刚度。 设计时保证分母第二项》1，则 W(s)ksAil2K

kiAf(l1l2)即 P出=KPi （5—1） K称为整机放大系数。

由上式可知，引入负反馈作用后，整机传递函数与主回路的kn、kr特性无关，也就消除了喷嘴挡板机构和功率放大器非线性特性对整机特性的影响。

我们把输入信号的测量位移与反馈位移，在平衡杠杆上建立平衡关系的工作方式，称为位移平衡或位移补偿。位移平衡工作原理因为位移量较大、摩擦损失大、响应慢、结构不紧凑、易受环境温度影响。所以要制造出一定精度的仪表，对设计和加工的精度要求就比较高。

2．力平衡式气动仪表

力平衡式气动仪表的工作原理如图5—6所示。 从图上我们可以看出：力平衡式气动仪表平衡杠杆有一个固定支点0。当测量信号Pi作用于测量波纹管时，测量力通过A点对O点产生测量力矩。平衡杠杆绕O点偏转，使喷嘴挡板之间隙变化，喷嘴背压变化经功率放大器放大，引起输出信号P出变化。输出信号同时又反馈到反馈波纹管，对B点产生反馈力，形成对支点O的反馈力矩。当测量力矩与反馈力矩达到新的平衡时，输出信号P出与

图5—6 力平衡式气动仪表工作原理图 输入信号P成比例关系。

i

我们把输入力矩与反馈力矩在平衡杠杆上进行平衡的工作方式称为力矩平衡。力矩平

衡是力平衡的一个特例。

力矩平衡式工作原理图中输入信号与输出信号的关系，可由图5—7方框图求得

图5—7 力矩平衡式气动仪表方框图

由图5—7可求得整机传递函数

W(s)p出(s)pi(s)Ail211knkrl1AfC1knkrC

式中 Ai——测量波纹管有效面积； Af——反馈波纹管有效面积； C——系统角刚度。

若设计时分母第二项》1，则 W(s)l2AiK

l1Af即 p出=Kpi （5—2） 可以看出，输出信号与输入信号成比例关系，且与主回路的喷嘴挡板机构和功率放大器特性无关。

我们把输入力矩与反馈力矩，在平衡杠杆上建立平衡关系的工作方式，称为力矩平衡，或称力矩补偿。力矩（或力）平衡工作原理，因为位移量较小、摩擦损失较小、响应快、结构紧凑、不易受环境温度影响，所以应用广泛。 W(s)p出(s)pi(s)Ail211knkrl1AfC1knkrC

式中 Ai——测量波纹管有效面积； Af——反馈波纹管有效面积； C——系统角刚度。

若设计时分母第二项》1，则 W(s)l2AiK

l1Af即 p出=Kpi （5—2） 可以看出，输出信号与输入信号成比例关系，且与主回路的喷嘴挡板机构和功率放大器特性无关。

我们把输入力矩与反馈力矩，在平衡杠杆上建立平衡关系的工作方式，称为力矩平衡，或称力矩补偿。力矩（或力）平衡工作原理，因为位移量较小、摩擦损失较小、响应快、结构紧凑、不易受环境温度影响，所以应用广泛。

第二节 气动变送单元

气动变送器在自动调节系统中的作用，是将被测参数（如温度、压力、液面、流量等）变换成标准的气压信号，根据需要，送入有关单元，以组成自动检测、自动调节或信号连续保护系统等。因为各种变送器首先接触被测参数，所以又把变送器称为“一次仪表”，而把各种显示仪表和调节单元、计算单元等称为“二次仪表”。

根据被测参数的不同，常见的变送器有差压变送器、压力变送器、绝对压力变送器和温度变送器等。近几年来，各种特殊用途的变送器也已相继生产，如测量高粘度、带悬浮物及液化气体等特殊流体流量的靶式流量计；测量高压小流量的浮子式流量计以及浓度计等。

对各种变送器，要求能达到下述几个共同的技术指标：

1．基本误差不大于全量程的1%，灵敏度不超过全量程多0.1%； 2．反应滞后小；

3．抗干扰的能力强；

4．输出功率较大，以便远距离传送。

虽然气动变送器的类型、品种较多，但在结构上不管哪种变送器都由测量和气动转换两部分组成。大多数测量不同参数的变送器，都有着共同的气动转换部分，不同的只是测量部分。考虑到差压变送器在各种气动变送器中具有典型性，所以我们就较全面地分析差压变送器，为进一步掌握其它气动变送器的一般规律打下基础。 一、气动差压变送器的动作原理

差压变送器是测量差压的仪表。具体应用时，除了可以直接测量差压外，还可以间接测量液位、分界面、密度及流量等参数。

以双杠杆式差压变送器为例，其结构原理如图5—8所示。代表差压信号的p1、p2分别送到膜盒两侧的正、负压室。由于p1p2，所以正压室膜片受力F1比负压室受力F2大。F1与F2之差称为测量力。膜盒1内充满硅油，通过硅油的传递，测量力经“C”型簧片17作用于主杠杆16的下端。主杠杆的中部有出轴密封膜片15作为支点，于是测量力使主杠杆产生顺时针方向偏转的测量力矩。通过塔架12带动副杠杆3也作顺时针偏转，使顶丝9离开挡板10，挡板借自身弹力靠近喷嘴11，使喷嘴背压增加。此压力经功率放大器13的放大即为输出。与此同时，输出压力通过反馈波纹管产生一个反馈力，并形成一个以量程螺钉6为支点的逆时针的反馈力矩。此力矩通过塔架12的传递又作用到主杠杆16上。这样，主杠杆上作用着两个力矩：由测量力产生的顺时针力矩和由反馈波纹管产生的逆时针的反馈力矩。当这两个力矩互相平衡时，主杠杆就处于平衡，喷嘴挡板间的距离也就一定。这时，就有一个与差压相应的气压信号输出。

图5—8 双杠杆差压变送器结构原理图 图5—9 测量部分结构原理图 1—膜盒；2—负压室；3—副杠杆；4—调零弹簧 1—基体；2—基座；3—膜片；4—硬 5—反馈波纹管；6—量程螺钉；7—静压轮；8— 芯；5—密封圈；6—出轴密封膜片；7— 迁移弹簧；9—顶丝；10—挡板；11—喷嘴；12— 主杠杆（上段）；8—支架；9—硅油；10— 塔架；13—放大器；14—支架；15—密封膜片； “C”型簧片；11—主杠杆（下段）；12— 16—主杠杆；17—“C”型弹簧，18—正压室 单向过载保护密封圈

当差压变化时，主杠杆的平衡就要破坏，通过反馈作用，又建立新的平衡状态，这时差压变送器就有新的输出。于是，输出压力与差压信号便成一一对应的比例关系。 二、差压变送器的基本结构及其分析

如上述，气动差压变送器由测量部分和气动转换部分所组成。测量部分的作用是感受差压的变化，并将此差压转换成相应的测量力，这个力作为气动转换部分的输入。根据有关资料得知，此力的范围最好选在50～100牛顿之间。力取得太小时，会影响变送器的工作稳定性及其它特性。反之，如果取得太大，由于构件的变形，变送器精度反而降低。气动转换部分接受测量部分产生的力，并把它转换成相应的标准气压信号，作为变送器的输出。

下面，我们将分别进行较全面的分析，以便从中找出它的规律性。 （一）测量部分

测量部分在整个变送器结构中是个重要的组成部分，因为它首先接触被测参数，并将其转换成力。所以，它的性能好坏，将直接影响整个变送器的质量。测量部分结构原理如图5—9所示。它主要由出轴密封装置、检测元件（膜盒）、基体等组成。膜盒与基体分别组成正负测量室。

膜盒在测量部分是关键元件，它的作用是将感受到的差压值按一定的比例转换成相应的测量力，即实现下列关系式：F测=p1A1—p2A2； 式中 F测——测量力；

A1、A2——膜盒正负压空室膜片的有效面积； p1、p2——正负压室的压力。

制造时、经过严格选配，A1=A2=A膜；故 F测=A膜（p1—p2）=A膜·p

差压变送器是采用力矩平衡原理工作的，仪表在工作中各运动部件几乎没有位移。因此，可以认为膜片的有效面积在测量范围内保持不变。这就保证P测与差压p之间的固定比例关系。

（二）气动转换部分

气动转换部分是将测量力转换成标准气压信号的机构。这个机构主要由下面几个部分所组成（参看图5—8）。 1．放大环节

放大环节包括喷嘴挡板机构及泄气型功率放大器。气动转换部分中的喷嘴挡板机构将测量力的变化（经杠杆系统变成位移）转换为压力变化；功率放大器则进行压力、流量的放大。放大后的压力信号即为差压变送器的输出压力信号。 2．杠杆机构

杠杆机构主要是起力矩传递和比较的作用。差压变送器常采用的杠杆机构有三种形式，这里重点介绍双杠杆机构。

（1）双杠杆机构；图5—8所示的差压变送器称为双杠杆式差压变送器。其杠杆部分结构简化成图5—10所示。它由主杠杆1和副杠杆2所组成。选择杠杆机构尺寸和结构的原则是保证变送器的转换性能（精度），并能够在同一台变送器上实现多种量程，即实现“一表多用”，以适应工艺变化的需要。双杠杆机构是符合这个原则的，只要改变量程支点的位置，即可改变仪表的量程，并获得较宽的量程比。

为了说明双杠杆机构能够实现较宽的量程比，下面我们用最简单的力矩平衡原理找出这种变送器输出与输入之间的关系式。

图5—10中，F’是主杠杆对副杠杆的作用力，F是副杠杆对主杠杆的反作用力。

主杠杆上作用着两个力：F测及F，分别使主杠杆绕支点O顺时针转动和逆时针转动， 根据主杠杆力矩平衡条件，有F测·l1=A膜·p·l1=F·l2 FA膜l1l2p （5—3）

同理，根据副杠杆力矩平衡条件，有F’·l3=A波·p出l4 式中 A波——反馈波纹管的有效面积。 得 F又因为 F=F’ 得

'A波l4l3pp出 （5—4）

A膜l1l2A波l4l3p出

p出式中 K双A膜l1l3A波l2l4pK双p （5—5）

A膜l1l3A波l2l4 （5—6）

称双杠杆式差压变送器的放大系数。

图5—10 双杠杆机构 图5—11 单杠杆式差压变送器结构原理图 1—主杠杆；2—副杠杆

以上结果是双杠杆式差压变送器输出与输入之间的关系式。我们须注意：

第一，由式（5—5）知，差压变送器的输出p出与输入p成比例关系。推导式（5—5）过程中忽略了调零弹簧4（见图5—8）的作用力。实际上，可以对调零弹簧加以调整， 使调零弹簧在副杠杆上产生当量压力N，当p为零时，p出即为调零弹簧产生的当量压力。调节调零弹簧4，可以改变差压变送器的零点，这即是该类差压变送器的调零原理。

第二，调整量程螺钉时，l3与l4的比例发生变化，测量量程改变。而l4的变化，必然要影响到零位N。故在实际调校中，调量程与零位时必须反复进行。

第三，从式（5—5）的推导过程中知，差压变送器是根据力矩平衡原理工作的。所谓力矩平衡，就是输入信号与反馈信号都以力矩的形式在比较机构上进行比较。基于这种原理工作的仪表称为力矩平衡仪表。平衡时，比较机构几乎没有位移，摩擦小，因此这种仪表性能比较稳定，精度高，从而得到广泛的应用。 （2）单杠杆机构

单杠杆机构只有主杠杆而没有副杠杆，如图5—11所示，它的突出优点是结构简单，不足之处是量程比不能太大。其不足之处可通过改变反馈波纹管及测量膜盒的有效面积来弥补。因此，单杠杆式差压变送器目前仍得到广泛的应用。双杠杆式差压变送器的优缺点正与此相反，能实现较宽的量程比的；不足在于结构比较复杂，使用的合金材料也较多。故目前两种结构形式都得到广泛应用。 （3）矢量机构

当测量微差压时，若采用双杠杆、单杠杆机构，则要求A膜很大。为此，国内外已开始使用矢量机构，减小力矩和量程，减轻重量，并可获得稳定的性能。 3．反馈波纹管

反馈波纹管在差压变送器中主要是用来实现负反馈作用。在差压变送器中，输出压力进入反馈波纹管，对主杠杆产生一个反馈力矩，它与测量力对主杠杆产生的测量力矩方向相反，是负反馈。这两个力矩平衡时，整个系统处于平衡状态，变送器就有一个相应的稳态输出，其大小与被测差压成比例。因此，可以通过反馈量，即改变反馈力矩的大小来调整变送器的量程。如上所述，对于双杠杆式差压变送器，改变量程支点的位置或改变反馈波纹管的有效面积实现改变变送器量程的目的。

三、差压变送器的特性分析

前面已经对组成差压变送器的元件、组件等基本环节的结构及作用做了分析，了解了它们的联结形式。为了更深入地了解组成变送器的各基本环节

间的传递关系及相互影响，进而掌握它的整机特

性，为分析变送器的工作质量、影响变送器工作质量的主要干扰因素以及合理地使用和改

图5—12 差压变送器结构示意图进变送器提供必要的依据，下面介绍双杠杆式差压变送器的方框图及传递函数。 （一）方框图：根据图5—12结构示意图，把组成变送器的各基本环节按信号传递关

系用方框表示。一般从输入开始，按照信号传递的顺序，即可画出整个方框图（见图5—13）。

方框图5—13中有关环节参数间关系可从图5—12中求得。

图5—13 差压变送器方框图

图中 C——力矩传递系统的转动刚度； k1——喷嘴挡板机构放大系统； k2——放大器放大系数；

（二）传递函数：根据图5—13方框图，可以求得差压变送器传递函数。为方便分析，把图5—13简化成图5—14的形式。图中 W1（S）——测量部分的传递函数

图5—14 简化方框图 W1（S）=A膜·l1=K1；

W2（S）——主回路传递函数

W2（S）=k1·k2·l1·l2·(l5+l6)/(C·l1·l6)=K2； W3（S）——负反馈回路传递函数 W3（S）=A波·l2·l4/l3=K3

显然，这是个典型的负反馈线路，可求得差压变送器传递函数为： W(S)P出PW1(S)W2(S)K1K2=K （5—7） 1W2(S)W3(S)1K2K3k' （5—7）’

设计时，如能保证K2·K3》1，则可把分母中“1”项忽略，简化公式（5—7），可得 W(S)A膜l1l3A波l2l4就是（5—6）式中的K双。

通过上面分析，求得了差压变送器的传递函数，它对深入理解差压变送器的工作原理和进一步分析变送器性能等都有很大的作用，是深入研究分析变送器所不可少的。下面就得出的定量公式（5—7）讨论几个问题：

第一，若K2·K3》1，即要求喷嘴挡板机构、功率放大器具有足够高的放大系数及灵敏度，整机传递函数将与K2无关。这样就大大降低了对喷嘴挡板机构、功率放大器以及有关弹性元件的线性特性要求。此时变送器的静特性主要取决于反馈环节，即反馈波纹管的特性。提高放大器放大系数，可使挡板有效行程减小，改善了静特性。同时测量膜盒及反馈波纹管的位移也减小，有效面积变化对特性的影响就小。所以要提高仪表的线性度。但也要防止过高而产生振荡现象，一般以10～20为宜。

第二，从式（5—7）’看出，若要保证变送器的线性度，则要求K’为常数。当结构尺寸确定之后，只要保证测量膜盒、反馈波纹管的有效面积A膜、A波不变就能满足。

另外从式（5—7）中还可以看出，加大A膜，总放大系数K增加，测量范围减少，这就说明为什么低差压变送器的膜盒要比高差压变送器的膜盒大的原因，A波大小的影响刚好相反，它的有效面积越大，总放大系数越小，测量范围也就越大。

第三，要满足K2·K3》1，还要求系统刚度C尽可能小。但主杠杆的刚度不能过小，否则在高差压下扭曲变形大反而影响精度。这样就只能考虑降低测量元件、反馈元件、出轴密封膜片等元件的刚度，以利于提高仪表线性度。

第四，测量力F测=A膜·p只有在正、负压室膜片有效面积相等的情况下才成立，所以应使正、负压室的膜片有效面积相等。这样一来，可以减小温度附加误差和静压误差。同时膜片的刚度也要求相等。在强度允许条件下，希望膜片的厚度小些，这样刚度可以小些，从而使系统刚度减小，以利于提高变送器的精度。

第五，式（5—7）中的l3、l4是随量程支点位置不同而变化的。当量程支点向下移动时，l4减小，l3增大，总放大系数K增大，测量范围减小；当量程支点向上移动时，l4增大，l3减小，故总放大系数减小，测量范围增大。

第六，要注意的是，上述讨论中，变送器各环节的性能已做了一定的简化后进行的，即把变送器中所有环节均看成是无滞后的。这只是相对而言。严格说来，像喷嘴挡板机构、功率放大器、膜盒组件等都是滞后环节。因此，前面所讨论的实际上只是反映变送器的静特性。

四、差压变送器应用实例

差压变送器可用于测量液位、流量和液体分界面的高度。 图5—15是差压变送器测量流量的原理图。

(a)被测管道呈水平状态 (b)被测管道呈垂直状态

图5—15 用差压变送器测量流量的原理图

差压变送器与节流孔配套使用，被广泛地用来测量管道中的流量。流体流经孔板后，在孔板的两边会产生压差。当管道、孔板和工艺条件确定后，这个压力差的大小与流量有一个确定的关系。压力差可以很方便地用差压变送器测量，于是流量也就可以确定。

第三节 气动调节单元

调节仪表包括测量装置、给定装置、比较部分、控制放大部分、反馈部分以及显示记录机构等。在单元组合仪表中，上述各部分或几个部分成一个单元，相互之间由统一气压信号联系起来，完成整个调节仪表的功能。通常所说的调节单元，是指除测量装置、给定装置、以及记录机构以外的部分。显然，调节单元在自调节系统中的作用就是把变送单元送来的信号与给定器送来的信号相比较，得出偏差信号，然后按某种调节规律把它加以放大，输出给执行机构。

一、调节器的构成原理、分类及基本概念

（一）构成原理．

调节器的原理可用图5—16来表示。由图中可见，调节器由四个部分组成，现分别加以介绍。

1．比较环节 p给 偏差

反馈环节

它的作用把给定信号与测量

p出 p测 p背 信号相比较，得出调节单元的输入

比较环节 控制环节 功率放大 信号，然后再将输入信号与反馈信号相比较得到推动控制元件产生位移的偏转信号。气动调节器的比

图5—16 调节器的构成原理 较机构有两种。一种是由橡胶膜片 或波纹管构成的比较环节；另一种是差动杠杆式的比较环节。前者应用力或力矩平衡原理，后者应用位移平衡原理。不论力平衡或位移平衡式比较环节，它们的作用都是把测量、给定、反馈三种信号进行综合比较，并按其偏差的符号及大小，转变成为推动控制元件的位移量。

2．控制元件

气动调节仪表的控制元件通常是各种形式的喷嘴挡板机构。控制元件的作用是把比较环节送来的微小的位移量转换成相应的气压信号。所以，控制元件也叫放大环节，即把微小的位移量，放大为具有一定功率的气压信号。 3．功率放大器

调节单元一般都有一个功率放大器，其作用是把控制元件输出的微弱气压信号进行功率放大，以便远距离传送或推动执行机构。有些气动调节单元（如波纹管式微分器）不需要远距离传送输出信号，或者不要求它有大的推动功率，也可以省去功率放大器。 4．反馈机构

气动调节仪表的反馈机构，通常是由各种形式的恒气阻、可调气阻、气容或杠杆等组成。调节仪表里的反馈机构，比变送器里的反馈机构要复杂得多，它不仅有负反馈而且还有正反馈。反馈机构的作用是为了实现各种调节规律，以适应各种被调对象的要求。 除了上述几个组成部分外，现代的调节仪表还常常带有各种附加机构，如切换机构、逻辑开关、选择器以及显示机构等。 （二）调节器的分类

1．按调节器的组装形式来分，可分为：

基地式调节仪表：这种调节仪表是把测量装置、给定装置、比较环节、控制环节、放大环节、反馈环节、以及显示记录部分都装在一个壳体内，各部分之间有的用气信号联接，有的用机械机构联系，因此它们是不可分割的一个整体。这类仪表结构复杂、尺寸较大、可动部件多、精度不易做得很高。这类仪表多用于就地控制系统。

单元组合式调节仪表：按功能把各部分分成若干个单元，如变送、调节、显示、计算等单元，彼此间用同一的信号联系，可根据需要灵活组成各种不同的调节系统。这类仪表可动部件少、精度较高，应用广泛。

集装式调节仪表：这类仪表属新产品。它也是把个组成部分集装在一个壳体内，但是各部件之间一般都是用气压信号联系。这类仪表采用了一些新工艺，使仪表的正面面积较小，又附加了一些辅助环节使其功能较全，精度较高并且适于高密度安装。 2．按调节仪表的动作原理来分，可分为：力或力矩平衡原理和位移平衡原理的调节器。 3．按调节器的调节规律来分，可分为： （1）比例式调节器（用P表示）

所谓比例式调节器，就是输出信号变化量与输入信号（给定值与测量值之差即偏差）在一定范围内成比例关系。写成公式：

p出Kpp入 （5—8） 式中 p出——调节器输出信号的变化量； p入——调节器输入信号； Kp——比例放大系数。

（2）积分式调节器（用I表示）

所谓积分式调节器，就是输出信号变化速度与输入信号成比例关系。写成公式： p出1TIp入dt （5—9）

式中 TI——积分时间。

（3）微分式调节器（用D表示）。

所谓微分式调节器，就是输出信号变化量与输入信号变化速度成比例关系。写成公式： p出TDdp入dt （5—10）

式中 TD——微分时间。

这三种调节器体现了三种基本调节规律，工程上实际应用的调节器是复合式的，如比例加积分式（用PI表示）、比例微分式（用PD表示）、比例加积分加微分式（用PID表示）

二、膜片式气动调节单元 （一）膜片式比例积分调节单元 1．构成及动作原理

图5—17是膜片式比例积分调节单元的结构原理图。它是由十块外方内圆的铝环或带气路的铝块与橡胶膜片交替重叠装配而成的。国产膜片式调节单元外形尺寸是70·70mm。膜片是尼龙织物夹层的耐油橡胶膜片，厚度为0.25～0.4mm。膜片之间构成若干气室，彼此用小孔或气阻相联，以实现各种调节规律。调节单元侧面有比例范围调整旋钮和积分时间调整旋钮。整个调节单元可分为五个部分。 比较环节：包括测量气室F、给定室G、负反馈气室E、正反馈气室H以及由比较环节芯杆所联系起来的膜片组。

控制环节：包括喷嘴20、挡板18以及恒节流孔5。

放大环节：包括A、B、C气室及有关元件。这就是前面讲过的力平衡式11功率放大器。

反馈环节：包括负反馈气室E和由比例

图5—17 比例加积分调节单元结构原理图

针阀17、正反馈气室H、恒节流孔16组成

1—排气锥阀；2—锥阀座；3—硬芯；4—膜片；5—恒节

流孔；6—比较环节芯杆；7—零点调节螺钉；8—畸形簧的节流通室，以及由积分针阀10、积分气片；9—跟踪气室恒节流孔；10—积分针阀；11—开关喷室J、跟踪气室I组成的节流盲室。

嘴；12—开关膜片；13—五孔插头；14—跟踪气室膜片； 开关环节：包括开关喷嘴11、开关膜15—跟踪气室喷嘴；16—节流通室恒节流孔；17—比例片12、气室K和L。 针阀；18—挡板；19—平衡弹簧；20—控制喷嘴；21— （1）比例作用部分 压差弹簧；22—进气球阀；23—锥形弹簧 1）比例作用部分的构成及动作原理

比例作用部分包括控制部分、比较环

节、功率放大器和负反馈气室及节流通室。我们可以用图5—18来说明膜片式比例调节部分的特性和动作原理。

图中A1、A2、A3是膜片的有效面积，设计时A1=A3A2。膜片之间用硬芯、铝环和芯杆夹持在一起，构成膜片组。测量信号pF送入F室，给定信号pG送入G室。当pFpG时，膜片组下移，挡板靠近喷嘴，背压升高，经功率放大器放大，输出压力p出上升。如果比例针阀Rp全开，正反馈气室H与负反馈气室E的压力应近似相等，正负反馈作用相抵消。此时微小的p入也将使挡板位移超过有效行程，输出压力p出只能是最大值或最小值，称为双位特性。此

图5—18 比例调节部分原理图

时调节器的放大倍数最大，比例范围最小，约为3%。

如果比例针阀Rp全关，正反馈气室H被切断通路，调节器仅有负反馈，所以放大倍数最小，比例范围最大可达250%。通过上述分析可见，改变比例针阀Rp开度即可调整比例范围。 我们可以列写膜片组的力平衡方程式，进一步说明上述比例特性。稳态时： pF(A3—A2)—pG(A1—A2)+F弹=pE·A3—pH·A1 （5—11） 式中 pF——测量信号压力； pG——给定信号压力；

A1、A3——H室和E室膜片有效面积； A2——G室和F室中间膜片有效面积；

F弹——膜片组及畸形簧片和平衡弹簧的综合弹力； pH——正反馈室压力； pE——负反馈室压力。

设计时A1=A3，又因为膜片组的刚度很小畸形簧片和平衡弹簧的弹力可以相互抵消，所以认为F弹0。于是（5—11）式可以简化成

p入·（A1—A2）=（pE—pH）·A1 （5—12） 式中 p入=pF—pG称为输入信号。 将节流通室特性方程 pHRfRpRfpERpRpRfpI

代入（5—12）式得 pEpIRpRfRpA1A2p入 A1式中Rp、Rf、A1、A2均为设计常数。令

RpRfRpA1A2=Kp A1于是 pE—p1=Kp·p入 （5—13） 式（5—13）就是比例调节器的一般表达式。对于所讨论的比例部分而言，pI为一固定值，对于纯比例调节器，pI为控制点压力。pE即是输出压力p出。所以 pE—p1=p出

于是可把（5—13）式用增量式表示为：

p出=Kp·p入 （5—14） 从以上分析可得出两点结论：

第一，借助节流通室的分压原理，改变总负反馈的大小，从而使输出变化量p出与输入p入成一一对应关系。

第二，改变比例针阀Rp的开度，即可改变比例调节器的比例放大倍数Kp。 2）残余偏差

当负荷改变时，用比例调节器组成的调节系统将产生余差。现在我们用膜片式比例调节器，来讨论余差是怎样产生的。

从比例调节器动作原理可知，输出压力直接进入负反馈气室E，经过比例针阀Rp进入

正反馈气室H。当pI一定时，正反馈与负反馈压力的比值由比例针阀的开度所决定。要使膜片组平衡，就必须使作用于其上的诸力之和为零。对于比例式调节器来讲，PI压力为控制点压力，一般调整到0.6·102KPa，在正常工况时，pG=pF，p出=pE=pH=pI，于是膜片组合力为零。当负荷变化时，系统要求调节器的输出压力由p出变为p出’，于是pE’pH，调节器失去平衡。若使调节器在新的状态下仍能平衡。只能使pGpF。可见，余差是由比例调节器正、负反馈之差值所造成的，是无法克服的。

余差的大小除了与负荷变化量有关外，还与比例范围有关。负荷变化一定时，比例范围越大余差越大，减小比例范围余差也减小。当比例范围小到一定程度时，即使负荷变化比例式调节器也不产生余差了。

显然，只要稳态时使正、负反馈作用相等就可以消除余差。具体地说，在稳态时给正反馈气室H再附加一个压力，使正反馈作用力相等即可以消除余差。人为的给H室附加一个压力叫人工重定，用某种装置让调节器自动保持pH=pE叫自动重定。 （2）积分部分

积分部分的作用是进行自动重定，消除比例部分造成的余差，同时也可改善调节器的动态特性，以适应不同调节系统的需要。膜片式比例加积分调节单元的积分部分，是由节流盲室和跟踪气室串联在积分正反馈的回路里，其输出经节流通室再作用于正反馈气室H。参看原理图5—19。

从图上可以看出，调节器输出分两路进行正反

馈。一路经节流通室进行比例正反馈；另一路经节 图5—19 积分部分原理图 流盲室通过跟踪气室对H室进行积分正反馈。加跟踪气室的目的是使积分正反馈与比例反馈的气路进行隔离。

我们可以证明，图5—19所示结构是积分特性。节流盲室部分的特性方程为：

dpJpJp出 dtdpJ或 TIpIp出

dt TI 前边曾指出，对于比例式调节器 pE—p1=Kp·p入 因为 p出=pE 所以 TIdpIpIKpp入pI dt对上式两边作定积分：

dp0tIKpTIt0p0入t入dt

于是 pIKpTIpdt （5—15）

式（5—15）说明，跟踪气室压力pI与被调参数与给定值的偏差P入成积分关系。pI经

恒气阻给H室进行附加正反馈，它们的关系由节流通室所决定。

如果调节单元从一个稳态变化到另一个稳态，pI=p出，于是（5—15）式可以写成 p出KpTIKpTIp0t入dt

当p入为阶跃信号时，上式变为 p出p入t

上式说明，积分输出变化量和偏差信号p入的大小及存在时间成正比，和积分时间常数成反比，和放大系数成正比，这就是积分特性。 （3）零点调整机构

膜片式比例加积分调节单元的调零作用，是用螺杆改变畸形弹簧的弹力，以改变喷嘴与挡板之间的距离来实现的（参见图5—17）。这里应该说明，所谓调零就是调整控制点的零位，即改变控制点偏差的分布。 2．传递函数及特性分析

为了分析方便，我们将图5—17的原理结构图简化成图5—20的简化原理图，并按这个简化原理图求比例加积分调节单元的传递函数。 图5—20 PI调节单元简化原理图 比例加积分调节单元的方框图如图5—21所示。

图5—21 比例加积分调节单元方框图

比例加积分调节单元各环节的传递函数分别为： 第一，比较环节的传递函数 W(S)1F入p入（A1A2)

第二，放大环节的传递函数 W(S)2p出F入F反K C 第三，负反馈环节的传递函数

W(S)3'F反p出A1

''' 第四，正反馈环节的传递函数

正反馈有两路，假定比例正反馈压力变化量为pH，积分正反馈压力变化量为pH，那么总和正反馈压力的变化量 pH=pH+pH 根据节流通室特性

'RfpH W(S)4 p出RpRf'''根据节流盲室特性 W(S)5pJ1 p出TJS1'' pI与pJ是11的跟踪关系，即pI=pJ。pI对H室的附加正反馈压力pH可按节流通室特性求得：

''RppH W(S)6 pJRpRf 比例加积分调节单元传递函数为： W(S)p出p入(A1A2)KCRfRpK11A11CRRRRTS1fpfip

设计时能保证分母第二项远大于1，可略去第一项。于是： W(S)或 W(S)式中 PBp出p入AA21A1Rf111 （5—16） TSRpi111 PBTiSRpA1100%

A1A2RpRf 显然这是一个理想的比例加积分特性。

由此，我们可对膜片式比例积分调节单元作以下特性分析： 第一，PI调节单元传递函数是在假定H气室很小，认为pH与p出之间为简单放大环节的前提下获得的。为此必须尽量减小H室的容积，才能使调节单元近于理想的PI特性。 第二，从传递函数中已经看不出喷嘴挡板机构对整机特性的影响，但必须注意到我们推导传递函数时，假定分母中的第二项》1才获得近于理想的PI特性。这就要求使喷嘴挡板机构的放大倍数足够大。因此在设计时采用了在变节流孔加恒压降的方法来改善喷嘴挡

板机构的特性，以提高它的放大倍数。显然，恒压差的数值取决于压差弹簧的大小（见图5—17）。

第三，传递函数还为我们正确使用、维修调节单元提供了理论依据。从传递函数可以看出，为保证PI调节单元特性的稳定，应保证各接头不漏气，各膜片有效面积不应变化，各可调气阻和恒气阻特别是Rf不可被油污堵塞，应保证为11的关系，否则将造成比例特性不对称或控制点偏差过大。

第四，对于采用节流通室来调整比例范围的调节单元，必须用11来隔离比例正反馈与积分正反馈的气路。

（二）膜片式比例微分调节单元 1．微分环节的作用

微分环节的作用是用来克服被调对象因惯性较大或较小而产生的滞后和振荡现象，改善调节质量。 我们可以用图5—22所示的温度调节系统来进一步说明微分作用的特点。某种冷物料通过热交换器用蒸汽来加热，生产工艺要求物料出口温度维持在给定值。手动操作时，操作者应根据出口物料温度操纵蒸汽阀门。物料温度高于给定值就关小阀门；温度低于给定值就开大阀门，这就是比例作用。但是这种比例调节作用，对于滞后较大的温度调节系

图5—22 温度调节系统

统效果不太好。为此可以这样进行操作：如果发现

温度上升速度很快，哪怕它与给定值偏差暂时还很小，但是说明调节系统已经出现了较大的干扰，已预估到如不采取有效措施下一步将可能产生更大偏差，因此应预先把蒸汽调节阀多关一些，这就是微分作用，也叫超前作用。微分器就是模仿人的这种动作，根据偏差的变化速度进行调节的调节器。

微分器有正微分器和反微分器之分。正微分器是用来克服测量元件和惯性大的调节对象的滞后作用的。上述温度调节系统就应采用正微分器以便产生超前作用。也有的被调对象惯性很小，被调参数变化激烈（如流量调节系统），为防止这种低惯性对象的超调和振荡，可以采用反微分器。反微分器在调节系统中是根据被调参数的变化速度起延迟调节作用的。我们主要介绍正微分器。 2．正微分器的构成原理

图5—23是膜片式正微分器的结构原理图。它由比较部分（G、F气室和微分针阀9）、放大部分（A、B、C、D室及有关膜片）和控制部分（喷嘴11及挡板10）组成。 我们用图5—24简化原理示意图说明正微分器的动作原理。其动作过程如下：

输入信号p入增加时膜片组向下靠近喷嘴，p出急剧增大。此时虽有负反馈进入E室并使膜片组向上，但因为A2=A1/6，所以P出瞬时值很大。RD与F气室构成节流盲室，如果RD有一定开度，F室压力将随时间逐渐增加，负反馈作用逐渐加强，P出逐渐减小。过一定时间（由RD开度决定）之后，F室压力PF等于P出，微分器重新稳定。此时 P入·A1=P出·（A1-A2）+P出·A2 于是 P入=P出

图5—23 正微分器结构原理图

1—排气喷嘴；2—恒节流孔；3、4、5、6—膜片；7—零位弹簧；9—微分针阀；10—挡板；11—喷嘴；

12—硬芯；13—球阀座；14—阀杆；15—球阀；16—锥形弹簧

所以，微分器在稳态时相当于11的比例环节。上述输入与输出的关系可用图5—25的特性曲线表示。当微分器结构一定时，P出压力的最大值与P入有关。微分作用的强弱借助于微分针阀RD来调整。RD全开微分作用最弱约为3秒；RD全关微分作用最强，约为10分钟。

图5—24 正微分器原理示意图 图5—25 微分特性曲线

3．正微分器的特性分析

按结构原理画出正微分器的方框图如图5—26所示。这里直接引用在PI调节单元中分析过的各组成环节的传递函数。 图中 C——膜片组系统总刚度；

K——喷嘴挡板机构及功率放大器总放大倍数； TD——微分时间常数。

图5—26 膜片式正微分器方框图

微分器整机函数为： W(S)p出p入1A1KCK1A(AA)122CTDS1

如果设计时保证K足够大，使分母中第二项》1，则可将分母中第一项略去。于是 W(S)TdS1 （5—17）

Td1KDS式中 KD=A1/A2称之为微分放大倍数或微分增益。膜片型微分器KD=6。 为了分析P出与P入的关系，我们给输入端加一个单位阶跃变化量，即 p入0t0时 1t01 SKDtTDp入的拉氏变换： p入代入整机传递函数（5—17）式中，并作拉氏反变换 p出1KD1e （5—18）

式中 TD——微分时间常数； t——时间；

e——常数=2.718；

KD——微分增益，国产微分器KD=6。 当t=0时，P出=6 当t=时，P出=P入=1

—

当t=TD/KD时，P出=1+5·e1=1+5×36.8/100

可以用图5—25的过渡过程曲线表示上述的关系。从曲线中可以看出，在单位阶跃函数作用下，正微分器首先输出一个脉冲，其幅值为P入·KD，然后P出按指数曲线逐渐下降，当t3TD之后可以近似认为P出达到了稳态值。正微分器达到稳态时P出=P入。

理论上讲当微分阀全开，即当TD=0时，P出=P入。正微分器为11的比例环节；当微分阀全关，即TD=时，P出=KD·P入，正微分器为放大倍数为KD的比例环节。

三、波纹管式三作用调节单元

波纹管式气动调节单元采用金属波纹管作为比较与反馈元件，按力矩平衡原理工作。所以具有较高的灵敏度和精度，性能稳定。这里仅以比例加微分调节为例，与膜片式调节单元对比。

波纹管式调节器的构成原理与膜片式气动调节器几乎完全相同，仅仅是由于采用不同的元件所以在结构上与调校方法上略有不同。

图5—27 波纹管式三作用调节器结构原理图

波纹式三作用调节单元的结构原理如图5—27所示。可分为四个部分：比较部分、放大部分、比例加积分反馈部分、微分部分。 （一）比较部分

包括测量波纹管F、给定波纹管G、负反馈波纹管E、正反馈波纹管H以及用弹簧片做支点O的杠杆13。测量、给定以及反馈压力以力矩的形式在杠杆上进行比较并达到平衡。

图5—28是比较部分的原理图。设pF、pG、pH、pE为进入F、G、H、E各波纹管的压力，AF、AG、AH、AE为各波纹管的有效面积，且AF=AG=AH=AE。

若反馈波纹管轴心距支点O的力臂为l2，测量与给定波纹管轴心距支点O的力臂为l1，在稳定状态下比较部分的力矩平衡方程式为：

l1(pFpG)l2(pEpH)

图5—28 比较部分原理图

（二）放大部分

放大部分包括喷嘴挡板机构和功率放大器。由于喷嘴挡板机构没有加任何改善措施，所以工作段较窄，放大倍数较低，因此必须采用有压力放大作用的功率放大器。值得指出的是：波纹管式三作用调节器的微分部分采用了带文丘利管的负压喷嘴，使微分器的特性有所改善。

（三）比例加积分反馈部分

波纹管式调节器的比例反馈部分与膜片式调节器一样也是由可调气阻Rp，恒气阻Rf以及正反馈波纹管H构成的节流通室，按分压原理实现的，如图5—29所示。积分部分是由可调气阻RI与J室以及跟踪气室I室构成的。如图5—30所示。p出经Rp与RI分两路进行正反馈。H室压力pH与p出及pI的关系，可用节流通室特性方程式表示：

图5—29 比例反馈部分原理图 图5—30 积分反馈部分原理图

pHRfRpRfp出RpRpRfpIK1p出K2pI

即正反馈波纹管H的压力pH由两部分组成，一部分是p出经节流通室来的比例正反馈作用，另一部分是p出经节流盲室J，再经的传递对正反馈波纹管H形成的积分正反馈。

由于积分环节是节流盲室，当积分作用结束时，调节器达到稳定，积分阀前后压力相等，即pJ=pI=p出=pE，此时正反馈波纹管内的压力，根据节流通室特性方程式 pHRfRpRfp出RpRpRfpIp出

所以pH=p出=pE

说明由于积分环节的作用，不论比例度多大，当调节器稳定时，正、负反馈作用相抵消，系统没有余差。

11由壳体、金属膜片、恒气阻和喷嘴构成，其结构与动作过程与膜片式调节器的略同。 （四）微分器

波纹管式微分器的结构原理如图5—31所示。它是由测量波纹管K、微分波纹管L、负压喷嘴1、弹性气容2、微分气容CD以及微分针阀RD构成。应该指出，由于微分器与比例加积分调节单元连在一起，不需要它的输出信号进行远距离传送，所以省掉了功率放大器。

从结构原理图上可以看出，波纹管式微分器是在负反馈回路里串联了一个由弹性气容

构成的延迟环节。在单位阶跃信号的作用下，该微分器的输出特性曲线如图5—32所示。设计时使测量波纹管的有效面积AK和反馈波纹管的有效面积AL相等。

图5—31 微分器结构原理图 图5—32 微分特性曲线

当输入信号p测阶跃增加时，挡板靠近喷嘴，喷嘴背压P背急剧增加，微分器输出p出微也随之急剧声升高，p出微就是送至比例加积分调节单元测量气室的超前信号。同时p出微又经RDCD延迟环节送至微分反馈波纹管L，使pL反馈压力逐渐增加。在pL的作用下挡板逐渐离开喷嘴，p出微随之逐渐减小，直到pL等于pK时，微分作用结束，挡板获得一个确定的位置。

微分作用的强弱，即微分时间的长短由微分阀RD的开度所决定。

弹性气容2的作用，是使反馈波纹管L内获得一定的起始压力，以便把微分增益控制在10倍左右。

波纹管式微分器采用负压喷嘴，可使喷嘴挡板机构的线性段加长，改善了微分器的特性。

按耦合关系，微分器方框图如图5—33。

图5—33 微分器方框图

图中 P测——测量信号压力；

AK——测量波纹管K的有效面积； AL——反馈波纹管L的有效面积；

lK=lL=l——测量及反馈波纹管力臂； C——系统角刚度；

l0——喷嘴中心到支点的距离； ——挡板偏转角度（弧度）； h——挡板位移；

K——负压喷嘴机构总放大倍数；

Z——反馈回路，弹性气容的传递函数。

根据图5—33的方框图，波纹管式微分器的总传递函数为：

1KC W(S) TDS1K11l0KlLAMDCTDS1AKlKl0 设计时使分母第二项》分母第一项，于是 W(S)TDS1 （5—19）

TDS1KD K——负压喷嘴机构总放大倍数；

Z——反馈回路，弹性气容的传递函数。

由于有弹性气容，必须先求出Z，才能求出整机的传递函数，其推导过程略。 总传递函数为： W(S)TDS1 （5—19）

TDS1KD22VVTDAMRDAM式中 TDRDCD；KD；tRD；CDDD；

pDRTtCMCM RD—微分气阻阻值；

VD—波纹管L和微分气容CD的总容积； AM—弹性气容2的有效面积； CM—弹性气容的总刚度。

第四节 气动计算单元和辅助单元

在自动调节系统中，经常会遇到要对有关参数进行加、减、乘、除、比值等代数运算。同时，为了进行电与气两种信号的联系，需要有电—气转换装置。此外，一个较完整的控制方案，除了有主要的仪表如变送器、调节单元、显示单元以外，还应该有一些辅助单元的配合，使系统的组成更加合理，操作更方便。这里将介绍常用的计算单元和辅助单元的结构、原理和应用。 一、气动加减器

目前常见的加减器有力平衡和力矩平衡两种形式，它们都可以对三个参数进行多种代数运算。这里主要介绍力平衡式气动加减器

它是目前国内应用比较普遍的一种加减运算装置，它的精度较高。

（一）作用原理

力平衡式加减器的结构原理如图5—34所示。 整个装置可以分为以下两个部分： 1．比较环节

它包括三个输入气室I、J、K和一个反馈气室H。输入信号pa、pb、pc和输出值的负反馈信号pH在膜片组件7上进行比较，比较的结果则使喷嘴挡板的背压发生变化。 2．放大环节

它包括控制元件和功率放大器两个部分。功率放大部分采用不泄气型功率放大器，控制元件依然是喷嘴挡板机构，所不同的是它的恒气阻和变气阻都采用了恒压降装置，目的在于提高运算精度和减少气源波动带来的影响。

下面，我们先来分析它是怎样进行代数和运算的。在分析时为了简化问题，我们把恒气阻和变气阻双恒压降式的喷嘴挡板看作为普通的喷嘴挡板如图5—34(b)，这不影响对于运算规律的分析。

图5—34 加减器结构原理图

1—排气嘴；2—硬芯；3—气阀；4—硬芯膜片；5—弹簧；6—喷嘴；7—膜片组件；8—弹簧；9—调节螺杆；10—挡板；11、12—弹簧；13—恒节流孔；14、15—膜片；16—阀座；17—弹簧；18—阀杆；19—锥形弹簧

膜片组件7由三层橡胶膜片组成，其有效面积分别为Aa、Ab、Ac，在制造时使 Aa=Ab/2=Ac

四个空间H、I、J及K，分别引入气压信号pa、pb、pc、p出。膜片组的上下各有一弹簧8和11。当作用在膜片组件上的合力为0时，组件便固定在某一位置上，这时可以列出膜片组件上的受力方程式：

pa·Aa+pb(Ab—Aa)—pc(Ab—Aa)—p出·Ac+q8—q11=0 （5—20）

式中 q8、q11分别为两个弹簧的弹力。

把Aa=Ac、Ab=2Aa代入上式，就可得到：

p出Aa =paAa+pbAa—pcAa+q8—q11 （5—21） 化简后可以得到：

p出=pa+pb—pc+C （5—22） 式中 C=（q8—q11）/Aa。

式（5—22）说明了这种结构的输出值为pa、pb、pc和C四者的代数和。C值是一个可调整的常数，调整方法只要拧动调节螺杆9即可。C值如折合为气压信号则可在—1～＋1×102Kpa之内变动，它的选取要根据工艺设计的要求而定。

式（5—22）是一个基本式，如果改变输入端的接法，可以得到13种运算内容，进一步扩大了加减器的使用范围。

（二）采用双恒压降式喷嘴挡板机构的意义

利用这种双恒压降机构可使喷嘴和恒节流孔前后压降恒定。即

pG—pH=q/AC=常数 （5—23） pF—pG=q’/A4=常数 （5—24） 式中 q——弹簧17和19的复合弹力； AC——膜片14、15的有效面积； q’——弹簧5、12的复合弹力； A4——膜片4的有效面积。 设计时选取

pG—pH=0.1×102KPa； pF—pG=0.05×102KPa

为什么加减器种要采用双恒压降喷嘴挡板机构呢？我们知道当加减器的输出信号从0.2～1.0×102KPa变化时，由于它采用了不泄气型11功率放大器，所以喷嘴挡板机构的背压p背也从0.2～1.0×102KPa变化。p背如此大范围的变化，就必须使挡板与喷嘴的距离h有一个较大的变化。在普通型的喷嘴挡板机构中，如果喷嘴直径为1mm，h的有效变化距离为0.25mm。在一般调节器里，这个h对于弹簧系统来说，可以认为它的张力无变化；但在加减器中则不然，因为它要调整常数C，弹簧8的刚度很大，h变化0.25mm时，它的张力变化较大，从而破坏了（5—22）式的平衡。为削弱大弹簧8的张力变化，应尽量减少喷嘴挡板间的位移，也就是要使喷嘴特性曲线更陡直一些，所以必须采用双恒压降机构。

采用双恒压降机构还可以减小气源波动对加减器输出信号的干扰作用。也就是说，它对气源波动有抗干扰的作用。 二、气动乘除器

乘除器是由乘法器、除法器、开方器三种类型的产品组成，而乘法器是基型产品。乘除器在系统中有着比较广泛的应用，主要用在流量检测后的线性化处理和比值调节回路中。 （一）乘除器的构成原理

图5—35 乘除器结构原理图 图5—36 杠杆力矩分析图

1—调节螺钉；2—推杆；3—阻尼器；4—传力簧片；5—B部件 调节螺钉；6—十字支承；7—调零弹簧；8—杠杆；9—挡板；10 —喷嘴；11—顶杆；12—限位器

乘除器的机构原理如图5—35所示。

图5—36为杠杆力矩分析图。由于乘法器是乘除器的基型产品，故我们就以乘法器为主来进行介绍。

它的主要部件有五个，现分别加以说明： 1．部件A

它是把pA信号转换成推力FA的部件。FA通过推杆2传送到杠杆上。调整螺母1的位置即可调整A部件的零位。 2．部件B

它是一个把pB信号转换成位移l的部件。如图5—36所示。b点是推杆力FA的作用点，该点也是把FA力传到杠杆8上去的传力簧片4的作用点。从图中还可以看出，位移l反映了顶杆上下位置的变化。当pB信号为0.2×102KPa时，b点处于b0的位置，约在ao的连线上。当pB信号增大时，l也逐渐增大。b点的位置也可用螺母5来进行调整。B部件的位移量l与该部件的弹簧刚度有关，可以用改变弹簧有效圈数来调整。 3．部件D

它是把压力信号pD转换成力FD的转换部件。力FD在杠杆8上可以产生一逆时针的力矩M逆。 4．杠杆

它把各力矩进行比较，并将比较的结果转变为喷嘴背压的变化。部件A和B产生使杠杆顺时针转动的力矩M顺。D部件产生可使杠杆逆时针转动的力矩M逆。 5．功率放大器

它是11的放大器，在除法器和开方器里，功率放大器被省略，背压直接输出。 （二）乘法器的运算原理

乘法器的本质就是一个矢量机构，它是基于力矩平衡原理来工作的。 当两个运算信号pA、pB通入仪表之后，pA产生作用力

FA=pA·AA (5—25） pB产生位移

l=pB·AB/CB=K1·pB （5—26） 式中 AA、AB——部件A、B波纹管有效面积；

CB——部件B的组合刚度。 K1=AB/CB=常数

力FA由推杆2、传力弹簧片4传至杠杆a’点，使其得到顺时针的力矩M顺，此力矩的力臂是0点至a’b延长线的垂直距离值ob’，当l很小时可根据相似直角三角形的分析得到： ob’=K2·l （5—27） K2为一恒定值ao/ab0

于是M顺=FA·ob’=pA·AA·K1·K2·pB=·pA·pB 式中 =AA·K1·K2=常数 D部件产生反馈力矩

M逆=pD·AD·od=·pD （5—28） 式中 =AD·od=常数 （5—29） 由于杠杆平衡，M顺= M逆，可得

p出=pD=K·pA·pB （5—30） 式中 K=/=常数，称为结构系数。

这样，就实现了输出信号是二个输入信号的乘积的代数运算。式（5—30）也是乘除器的普遍式。

（三）除法器的运算原理

图5—37表明了除法器的运算原理图。它与乘法器不同之处仅仅是喷嘴挡板换到了左面而把限位移到右边。同时，D部件引入输入信号pD，而把输出信号反馈到B部件中去。 根据乘法器的普遍方程式，有 pD=K·pA·pB=K·pA·p出 p出p1pDK'D （5—31） KpApA式5—31即可实现除法运算。

图5—37 除法器运算原理图 图5—38 开方器运算原理图

（四）开方器的运算原理

图5—38是开方器的运算原理图。被开方的信号引入D部件，输出压力同时引入到A、B两个部件中作为反馈信号。 根据乘除运算式，可得

pD=K·pA·pB=K·p出·p出 则 p出1KpDK'pD （5—32）

从而实现了开方运算。 三、气动比值器

气动比值器的标准运算形式为p出=K（p入—0.2）+0.2。就这个算式而言，比值器也是一种乘法器。K值是一个可调的比值系数，可在0.25～4之间任意选定。 （一）比值器的结构

图5—39给出了比值器的原理结构。

它由测量及反馈部件，杠杆机构，放大器组成。测量及反馈部件是将压力转换成力，用波纹管1、7作为转换元件，它的有效面积均为A、零位分别由弹簧3、6调整。杠杆2是浮动的，支点5可沿滑槽任意移动。弹性支承10一端连于杠杆2上，另一端连接底座，它的作用是当支点5滑动时可以保持杠杆2的稳定。功率放大器是泄气式的。 （二）动作原理

比值器是基于力矩平衡的原理工作的。输入信号p入进入波纹管1产生作用力F1=p入×A1，对于支点5来说，它的力臂为s1；在力矩平衡的情况下，反馈波纹管也产生一个力F出=p出×A7，它的力臂为s2；弹簧3、6所产生的反力为q3、q6

所以 （F1—q3)·S1=（F出—q6)·S2 （5—33） 把F1=p入·A1；F出=p出·A7代入式（5—33） 整理后，可得

A1s1qqp入36 A7s2A1A7qq2调整弹簧3、6，使360.210kPa

A1A7 p出于是 p出=K（p入—0.2）+0.2 （5—34） 式中 K=A1/A7·S1/S2,改变支点5，S1/S2就可以改变。K可在0.25～4之间变化。 从而实现了p出对p入的比值运算。

图5—39 比值器的结构原理图 图5—40 电—气转换器的结构原理图

1—输入波纹管；2—杠杆；3、6—调整弹簧；4—滑槽； 1—十字簧片；2—平衡杠杆；3—调零弹簧； 5—滑珠（支点）；7—反馈波纹管；8—喷嘴挡板； 4—测量线圈；5—磁钢 9—功率放大器；10—弹性支承

四、电—气转换器

电—气转换器主要用于如下两个方面：第一，将电动调节器或计算机的输出信号转变成气压信号，送到气动执行器上去；第二，将电动变送器来的电信号变成气动信号，送到气动调节器或气动显示仪表上去。 （一）电—气转换器的结构

图5—40是常见的电—气转换器的结构原理图。

电气转换器由如下三个部分组成：第一，电路部分，主要是测量线圈4；第二，磁路部分，由磁钢5构成。磁钢为铝镍钴永久磁钢，它产生恒定磁场；第三，气动力平衡部分，由喷嘴、挡板、功率放大器以及正、负反馈波纹管和调零弹簧构成。 （二）动作原理

电—气转换的动作原理，是按力矩平衡原理工作的。当0～10mA（或4～20mA）直流信号通入测量线圈后，载流线圈在磁场中将产生电磁力。该电磁力与正、负反馈力矩使平衡杠杆平衡。于是输出信号就与输入电流成为一一对应关系。这样就把输入电流信号转变成为0.2～1.0×102KPa的气压信号。 电—气转换器为比例环节。

调零弹簧用来调整p出的初始值。量程的调整可以用改变磁钢的磁感应强度来调节。 气动辅助单元还包括气动继动器和气动遥控板，读者若有兴趣可参阅有关书籍。 五、计算单元的应用

计算单元在自调系统中的用途是很多的。下面我们通过锅炉水位的自动调节系统来了解计算单元的应用。

锅炉水位的控制是重要的生产指标。水位过高会引起蒸汽带水，损坏气轮机叶片，并引起化工反应中的不良效果。水位过低，由于汽包内蒸发加快导致水位加速下降，蒸汽则在很大的空间内被过热而膨胀使压力急剧上升，对安全生产造成严重威胁。

对这一过程只要有一般的认识，就能很快设计出如图5—41的调节方案。

图5—41 普通锅炉调节方案

1—进燃料阀门；2—进水泵；3—进水控制阀； 4—水包；5—对流管；6—汽包；7—蒸汽总管； 8—液位变送器；9—调节阀

图5—42 三冲量锅炉水位调节系统图

实践已经证明，对于大中型锅炉，这个调节方案是有欠缺的地方。首先，当蒸汽流量G突然增加（也称负荷增加）时，大量蒸汽被拉走，汽包内的蒸汽压力p会突然降低，原来的汽液平衡被破坏，液相中的气体由于体积膨胀而冲出水面并泛起大量水泡，在变送器中会显示出水位升高的虚假液位。实际上此刻汽包的水量因急剧蒸发需要加水，而假液位却让调节阀减少进水。这就产生了一个危险的错误动作。此外，水位H的变化也与进水量Q有关。 QAp1p2 （5—35）

式中 A——阀门流通截面积； ——流量系数； ——水的密度；

p1——泵的出口压力； p2——控制阀后压力。

若蒸汽负荷改变，p1和p2都随之变化。这样一来即使阀门开度A不变，也会使水流量Q发生变化，造成对液位H的干扰。

考虑到上述两方面的干扰因素，较为合理的锅炉给水调节系统，应采用加减器组成如图5—42的三冲量调节系统。

设调节器HRC取正作用，阀门选用气关阀（出于安全上的考虑），蒸汽流量和进水流量经节流元件、变送器再用开方器加以线性化，则加减器的输出为：

p出=pQ+pH—pG+C （5—36） 当系统进入稳态以后，水位大体不变化，此时进入锅炉的水量应该等于被拉走的蒸汽量，即 G蒸=Q水·

同时两个差压变送器的输出压力必然相等，即pG=pQ。所以式（5—36）就变成

p出=pH+C （5—37） 式中的C值由工艺要求来选取。

阀减少进水。这就产生了一个危险的错误动作。此外，水位H的变化也与进水量Q有关。 QAp1p2 （5—35）

式中 A——阀门流通截面积；

——流量系数； ——水的密度；

p1——泵的出口压力； p2——控制阀后压力。

若蒸汽负荷改变，p1和p2都随之变化。这样一来即使阀门开度A不变，也会使水流量Q发生变化，造成对液位H的干扰。

考虑到上述两方面的干扰因素，较为合理的锅炉给水调节系统，应采用加减器组成如图5—42的三冲量调节系统。

设调节器HRC取正作用，阀门选用气关阀（出于安全上的考虑），蒸汽流量和进水流量经节流元件、变送器再用开方器加以线性化，则加减器的输出为：

p出=pQ+pH—pG+C （5—36） 当系统进入稳态以后，水位大体不变化，此时进入锅炉的水量应该等于被拉走的蒸汽量，即 G蒸=Q水·

同时两个差压变送器的输出压力必然相等，即pG=pQ。所以式（5—36）就变成

p出=pH+C （5—37） 式中的C值由工艺要求来选取。

第五节 气动调节阀和阀门定位器

气动调节阀由气动执行机构和阀两个部分组成。气动执行机构是气动推动装置，根据气动控制信号，产生相应的推力，推动阀门动作。阀是调节阀的调节部分，它直接控制被调节的流体的流量。

气动调节阀一般配有一定的辅助装置，常用的有阀门定位器和手轮机构。阀门定位器利用反馈原理来改善调节的性能，使调节阀能按调节器的控制信号实现准确定位。手轮机构是在自动失败或损坏等情况下，由人工直接操作控制阀门动作，从而保证生产正常进行。

一、气动执行机构

气动执行机构有气动薄膜执行机构、气动活塞式执行机构两种。以气动薄膜执行机构最为常用。

（一）气动薄膜执行机构

气动薄膜（有弹簧）执行机构的结构如图5—43所示。气动薄膜执行机构的输出特性为比例式，即输出位移与输入信号成比例。当信号压力通入薄膜气室时，在薄膜上产生一个推力，使推杆移动并压缩弹簧。当弹簧的反作用力与信号压力在薄膜上产生的推力相平衡时，推杆稳定在一个新的位置。信号压力越大，薄膜上产生的推力就越大，则与其平衡的弹簧反力也越大，即推杆的位移量也越大。推杆的位移就是执行机构的直线输出位移（行程）。

（a）正作用式 （b）反作用式

1—上膜盖；2—波纹薄膜；3—下膜盖；4—支架； 1—上膜盖；2—波纹薄膜；3—下膜盖；4—密封膜片； 5—推杆；6—压缩弹簧；7—弹簧座；8—调节件； 5—密封环；6—填块；7—支架；8—推杆；9—压缩弹簧； 9—螺母；10—行程标尺 10—弹簧座；11—衬套；12—调节件；13—行程标尺

图5—43 气动薄膜执行机构

气动薄膜弹簧执行机构的行程规格有10、16、25、40、60、100mm等。薄膜的有效面积有200、280、400、630、1000、1600cm2六种规格。有效面积越大，执行机构的位移和推力也越大，可按实际需要进行选择。 （二）气动活塞式执行机构

气动活塞式（无弹簧）执行机构如图5—44所示。它的活塞随气缸两侧压差而移动，在气缸两侧输入一固定信号和一变动信号，或两侧都输入变动信号。

气动活塞式执行机构的气缸允许操作压力可达500KPa，因为没有弹簧抵消能力，所以有很大的输出推力，特别适用于高静压、高压差的工艺场合。它是一种较重要而常用的气动执行器。它的输出特性有比例式及两位式两种。所谓比例式是指输入信号压力与推杆的行程成

比例关系，这时它必须带有阀门定位器。两位 图5—44 气动活塞式执行机构

式是根据输入执行机构活塞两侧的操作压力差 1—活塞；2—气缸

来完成的。活塞由高压侧推向低压侧，就使推杆由一个极端位置推移至另一个极端位置。这种执行机构的行程一般为25～100mm。

二、阀

阀是一个局部阻力可以改变的节流元件。由于阀芯在阀体内移动，改变了阀芯与阀座之间的流通面积，即改变了阀的阻力系数，被调介质的流量也就相应地改变，从而达到调节工艺参数的目的。

图5—45是常用的直通单座阀。它是由上阀盖、下阀盖、阀体、阀座、阀芯、阀杆、填料和压板等零部件组成的。阀芯和阀杆连接在一起。上、下阀盖都装有衬套，为阀芯移动起导向作用；由于上、下都导向，所以称双导向。

阀盖的斜孔连通它的内腔和阀后内腔，当阀芯移动时，阀 图5—45 直通单座阀 盖内腔的介质很容易经斜孔流入阀后，不致影响阀芯的移 1—阀杆；2—压板；3—填料；

4—上阀盖；5—阀体；6—阀芯；

动。 7—阀座；8—衬套；9—下阀座

三、阀门定位器

（一）阀门定位器的用途

阀门定位器是气动调节阀的主要附件，与气动调节阀配套使用。它接受调节器的输出信号，然后控制气动调节阀，当调节阀动作后，阀杆的位移又通过机械装置反馈到阀门定位器，因此，定位器和调节阀组成一个闭环回路，如图5—46所示。

阀门定位器能够增大调节阀的输出功率，减少调节信号的传递滞后，加快阀杆的移动速度，能够提高阀门位置的线性度，克服阀杆的摩擦力并消除不平衡力的影响，从而保证调节阀的正确定位。 （二）阀门定位器的结构及特点 1．气动阀门定位器 图5—46 定位器作用图

气动阀门定位器接受气动调节器的输出信号，然后产生和调节器输出信号成比例的气压信号，用以控制薄膜式或活塞式的气动调节阀。目前，国内外生产的气动阀门定位器按其工作原理来分可分为两大类：位移平衡式和力（力矩）平衡式。 （1）位移平衡的气动阀门定位器的动作原理

如图5—47所示，当调节器的控制信号增大时，则波纹管1就相应伸长，并推动托板2以反馈凸轮6为支点作逆时针偏转，于是挡板3就靠近喷嘴4，喷嘴背压升高。此背压经放大器5的放大后，输出压力迅速上升并送入气动调节阀膜头9，使阀杆8向下移动，带动反馈杆7和反馈凸轮6饶支点O顺时针偏转。反馈凸轮6偏转的结果使托板以波纹管1为支点作逆时针方向偏转，于是挡板3离开喷嘴4，使输出压力下降，即阀杆8向下移动引起的效果是个负反馈作用。此时，一定的信号压力就对应于一定的阀门位置。

图5—47 位移平衡式阀门定位器 图5—48 力矩平衡式阀门定位器

1—波纹管；2—托板；3—挡板；4—喷嘴； 1—波纹管；2—主杠杆；3—迁移弹簧；4—凸轮支点； 5—放大器；6—反馈凸轮；7—反馈杆；8—阀杆； 5—凸轮；6—副杠杆；7—支点；8—执行机构；9—反 9—膜头 馈杆；10—滚轮；11—反馈弹簧；12—调零弹簧；13— 挡板；14—喷嘴；15—主杠杆支点；16—放大器

（2）力（力矩）平衡的气动阀门定位器的动作原理

如图5—48所示，它是按力矩平衡原理工作的，当通入波纹管1的信号压力增加时，使主杠杆2绕支点15转动，挡板13靠近喷嘴14，喷嘴背压经功率放大器16放大后，通入到薄膜室8，因其压力增加而使阀杆向下移动，并带动反馈杆9绕支点4转动，反馈凸轮5也跟着作逆时针方向转动，通过滚轮10使副杠杆6绕支点7转动，并使反馈弹簧11拉伸，弹簧11对主杠杆2的拉力与信号压力作用在波纹管1上的力达到力矩平衡时仪表达到平衡状态。此时，一定的信号压力就对应于一定的阀门位置。弹簧12是调零弹簧，调其预紧力可使挡板初始位置变化。 2．电—气阀门定位器

电气阀门定位器接受电动调节器来的输入信号（0～10mA直流电信号），变成气压信号输出。它能够起到电气转换器和气动阀门定位器两种作用。 图5—49表示一种双向电—气阀门定位器的工作原理图，它是按力矩平衡原理工作的，它与气动阀门定位器有两个明显的区别，一个是把波纹管组件换成力矩马达，一个是把单向放大器改为双向放大器。

当信号电流通入到力矩马达的线圈两端时，它与永久磁铁作用后，对主杠杆产生一个力矩，于是挡板靠近喷嘴，经放大器放大后的输出压力通入到活塞式执行机构的气缸，通过反馈凸轮拉伸反馈弹簧，弹簧对主杠杆的反馈力矩与输入电流作用在主杠杆上的力矩相平衡时，仪表达到平衡状态，此时，

图5—49 电—气阀门定位器

一定的输入电流就对应一定的阀门位置。

1—力矩马达；2—活塞式执行机构；3—双向放大器