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电动单元组合仪表及两线制变送器的组成原理

2021年02月27日 人阅读

我国生产的电动单元组合仪表,到目前为止已有了四代产品,它们分别为:20世纪60年代中期生产的以电子管和磁放大器为主要放大元件的DDZ-Ⅰ型仪表;70年代初开始生产的以晶体管作为主要放大元件的DDZ-Ⅱ型仪表;80年代初开始生产的以线性集成电路为主要放大元件、具有安全火花防爆性能的DDZ-Ⅲ型仪表;以及80年代后期开始生产的以微处理器为核心的数字式智能仪表DDZ-S。这里的“DDZ”是电 (Dian)、单(Dan).组(Zu)三字的汉语拼音文字中di一个字母的组合。这四代产品虽然电路形式和信号标准不同,性能指标和单元划分的方法也不完全一样,但它们实现的控制功能和基本的设计思想是相同的,只要掌握其中一种,其他产品便不难分析。

图0-1是使用电动单元组合式仪表构成简单调节系统的例子,从中可以看到单元划分的原则和各单元的功能。图中,被调量一般是非电的工艺参数,如温度、压力等,必须经过一定的检测元件,将其变换为易于传送和显示的物理量。检测元件还称为敏感元件、传感器、换能器、一次仪表等。被称为换能器的理由是工艺参数在检测元件上进行了能量形式的转换,例如,在使用热电偶测温时,热电偶将温度(热能)转换成了电压(电能)。被称为一次仪表的理由是这些检测元件安装在生产di一线,直接与工艺介质相接触,取得di一次的测量信号。

电动单元组合仪表

图0-1用电动单元组合仪表构成的调节系统

由于检测元件输出的能量很小,一般不能直接驱动显示和调节仪表,必须经过放大或再一次的能量转换,才能将检测元件输出的微弱信号变换为能远距离传送的统一标准信号。图0-1中,起上述作用的环节就是变送单元,或称变送器,它有若千不同的类型,与相应的检测元件相配合。

由变送单元输出的统一标准信号,一方面送到显示单元供记录或指示,同时送到调节单元与给定值进行比较。给定值可以由专门的给定单元取得,也可由调节单元内部取得。目前,多数调节单元内部都有设定给定值的装置。调节单元又称调节器,它按比较得出的偏差,以一定的调节规律,如比例、微分、积分等运算关系发出调节信号,通过执行单元改变阀门的开度,控制进入调节对象的工艺介质流量,达到自动调节的目的。

除了图0-1中表示的几种基本单元外,在电动单元组合式仪表中,还有实现物理量转换的转换单元,进行加、减、乘、除、乘方、开方等运算的计算单元,以及为保证安全防爆所需的安全单元等。绍兴中仪生产的二线制变送器有温度变送器,压力变送器等。其中,转换单元也是常用的单元,由于目前电动执行器无论在结构、性能、价格及安全方面都不如气动执行器,所以大部分使用电动仪表构成的调节系统中,其执行器却仍然使用气动的。这样,就必须使用电-气转换器,将电动调节仪表输出的电信号转换为气压信号,以推动气动调节阀实现自动调节。安全单元是安全火花型防爆仪表所特有的一种单元,它的作用是在易燃易爆的生产现场周围筑起一道安全棚栏,从电路上对危险场所的线路采取隔离措施,防止高能量电路与现场线路之间的直接接触;同时通过电压、电流的双重限制电路,严格保证进入危险场所的能量在安全范围以内,因而是实现安全火花防爆的关键环节。

如前所述,使用单元组合仪表必须有统一的联络信号。我国电动单元组合仪表中存在两种标准信号制度,在DDZ-I和DDZ-Ⅱ型仪表中采用0~10mA直流电流作为标准信号,而在DDZ-Ⅲ和DDZ-S型仪表中,采用国际上统一的4~20mA直流电流作为标准信号。这两种标准都以直流电流作为联络信号。绍兴中仪生产的ZYG300系列信号隔离器采用直流信号的优点是传输过程中易于和交流感应干扰相区别,且不存在相移问题,可不受传输线中电感、电容和负载性质的限制。采用电流制的优点首先可以不受传输线及负载电阻变化的影响,适于信号的远距离传送;其次由于电动单元组合仪表很多是采用力平衡原理构成的,使用电流信号可直接与磁场作用产生正比于信号的机械力。此外,对于要求电压输入的仪表和元件,只要在电流回路中串联电阻便可得到电压信号,故使用比较灵活。

在这两种信号制度里,零信号和满幅度信号电流大小的选择是这样考虑的:在DDZ-Ⅲ和DDZ-S型仪表中,以20mA表示信号的满度值,而以此满度值的20%即4mA表示零信号。这种称为“活零点"的安排,有利于识别仪表断电、断线等故障,且为现场变送器实现两线制提供了可能性。所谓两线制变送器就是将供电的电源线与信号的传输线合并起来,一共只用两根导线。为便于理解这种两线制变送器的组成原理,图0-2给出了一个简单的示意图。图中,被测压力P经弹性波纹管转变为电位器RPl的滑动触头位移,产生正比于压力的电压V,该电压经运算放大器A和晶体管VT组成的电流负反馈电路,把V转变为晶体管的输出电流p,它在0~16mA间随被测压力P作正比变化。此外,图中还可看到,为了给仪表内的检测和放大电路供电,用了一个4mA的恒流电路,它把内部耗电稳定在一个固定的数值上。图中,稳压管VD,除用来稳定内部电路的供电电压外,还调剂内部电路的供电电流。这样,上述两部分电流合计,流过该仪表的总电流在4~20mA间变化,实现了电源线和信号线的合并。

两线制变送器的组成原理

图0-2两线制变送器的组成原理

使用两线制变送器不仅节省电缆,布线方便,且大大有利于安全防爆,因为减少一根通往危险现场的导线,就减少了一个窜进危险能量的通道。由于活零点的表示法具有上述优点,受到普遍的欢迎和广泛的应用。

在上述信号标准里,从安全防爆、减少损耗、节省能量考虑,信号电流的满度值希望选取得小一些。但太小也有困难,因为对于力平衡式仪表,电流小了,产生的电磁力也小,不易保证这些仪表的精度。此外,在采用活零点的仪表中,降低满幅度电流的数值,必然同时降低起点电流的数值。起点电流太小将给两线制仪表带来困难,因为它将要求降低整个仪表在零信号时消耗的总电流。而在目前的元器件水平下,起点电流比4mA再小有时将发生困难。因此,目前国际上采用4~20mA作为标准信号。

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