控制儀表及裝置教案

1、第一章 概述青島科技大學(xué)教師授課教案課程名稱 控制儀表及裝置課程性質(zhì) 專業(yè)課（必修）授課教師 單寶明教師職稱 講師授課對象 自動化031-5授課時數(shù) 40學(xué)時（34+6）教學(xué)日期 2006年2月所用教材 控制儀表及裝置吳勤勤 化學(xué)工業(yè)出版社 2002年 第二版授課方式 課堂教學(xué)青島科技大學(xué)授課教案應(yīng)該覆蓋如下內(nèi)容：本單元或章節(jié)的教學(xué)目的與要求授課主要內(nèi)容重點、難點及對學(xué)生的要求（掌握、熟悉、了解、自學(xué)）主要外語詞匯輔助教學(xué)情況（多媒體課件、板書、繪圖、標(biāo)本、示數(shù)等）復(fù)習(xí)思考題參考教材（資料）- 31 -第1章 概 論學(xué)習(xí)目的和要求：掌握控制儀表的基本特點和分類，信號制和傳輸方法，儀表的分析方法

2、。重點、難點：信號制和信號傳輸，儀表電路分析方法外語詞匯：process control（過程控制）, process industries(過程工業(yè))controlling instrument,direct digital control(DDC,直接數(shù)字控制)，supervisory system(監(jiān)控系統(tǒng))，distributed control system(DCS，集散控制系統(tǒng)或分布式控制系統(tǒng))，fieldbus(現(xiàn)場總線)，CIMScomputer integrated manufacturing systems(計算機(jī)集成制造系統(tǒng))，CIPS- computer integra

3、ted process systems參考資料： 周澤魁 主編 控制儀表與計算機(jī)控制裝置 化學(xué)工業(yè)出版社 2002 何離慶 主編 過程控制系統(tǒng)與裝置 重慶大學(xué)出版社 2003 張永德 過程控制裝置，北京 化學(xué)工業(yè)出版社，2000李新光等編著過程檢測技術(shù)機(jī)械工業(yè)出版社，2004侯志林 過程控制與自動化儀表，機(jī)械工業(yè)出版社，2002年1月授課內(nèi)容：q 過程控制系統(tǒng)概述q 過程控制儀表與裝置總體概述q 自動控制系統(tǒng)和過程控制儀表q 過程控制儀表與裝置的分類及特點q 信號制q 儀表防爆的基本知識q 儀表的分析方法q1.1 過程控制系統(tǒng)概述1.1.1 過程控制系統(tǒng)及其特點過程控制的定義?過程控制的參數(shù)?

4、過程控制的特點?1.1.2 過程控制系統(tǒng)發(fā)展概況生產(chǎn)過程自動化的發(fā)展大體劃分為幾個階段。1. 儀表自動化階段20世紀(jì)40年代前后？基地式儀表，分散局部自動控制20世紀(jì)50年代至60年代？單元組合儀表，集中監(jiān)控與集中操縱控制理論：以傳遞函數(shù)作為模型描述方法，以根軌跡、頻率法作為基本的分析和綜合方法。控制方法：基本PID控制與串級、前饋控制等?？刂苾x表：基地式儀表單元組合儀表?？刂茖ο螅汉唵蔚臏囟葔毫α髁恳何坏鹊亩ㄖ悼刂茖ο?、單輸入、單輸出的定制控制系統(tǒng)。圖 1.1 單元組合儀表構(gòu)成的控制系統(tǒng) Fig. 1.1 control system with unit construction instr

5、ument2. 計算機(jī)控制階段 20世紀(jì)70年代至80年代？控制理論：以狀態(tài)空間分析方法為基礎(chǔ)，其核心包括：以最小二乘法為基礎(chǔ)的系統(tǒng)辨識方法，以極大值原理和動態(tài)規(guī)劃為主的最優(yōu)控制理論，和以卡爾曼濾波器為代表的估計技術(shù)；預(yù)測控制；自適應(yīng)控制?？刂品椒ǎ航?jīng)典的控制方法；最優(yōu)控制方法在航空航天領(lǐng)域取得了成功，但尚未能很好地應(yīng)用于過程工業(yè)；以模型預(yù)測控制為代表的適合于工業(yè)過程的 先進(jìn)控制（Adavanced Process Control, APC）方法形成，商品化APC 軟件產(chǎn)品出現(xiàn)?？刂圃O(shè)備：單元組合儀表計算機(jī)集中控制方式（如DDC，SPC等）DCS系統(tǒng)(PLC系統(tǒng))控制對象：復(fù)雜控制系統(tǒng)；受約束

6、的 MIMO（多輸入多輸出）系統(tǒng)，控制目標(biāo)考慮操作條件的最優(yōu)化。有的又把該階段分為兩個階段?圖 1.2 計算機(jī)控制系統(tǒng)Fig. 1.2 Computer Control System圖 1.3 DCS控制系統(tǒng)Fig. 1.3 DCS Control System3. 綜合自動化階段從20世紀(jì)90年代開始，進(jìn)入綜合自動化階段。推出了現(xiàn)場總線控制技術(shù)。何謂現(xiàn)場總線？智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通訊網(wǎng)絡(luò)。（國際電工委員會IEC和現(xiàn)場總線基金會FF定義）。何謂綜合自動化系統(tǒng)？綜合自動化系統(tǒng)就是包括生產(chǎn)計劃和調(diào)度、操作優(yōu)化、基層控制和先進(jìn)控制等內(nèi)容的遞階控制系統(tǒng)，也稱管理控制

7、一體化的系統(tǒng)。這類系統(tǒng)是靠計算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)的，因此也成為計算機(jī)集成過程系統(tǒng)（CIPS-computer integrated process system）?？刂评碚摚翰捎玫谌刂评碚?，即智能控制理論。智能控制將人工智能、控制理論和運籌學(xué)三大學(xué)科相結(jié)合，采用模糊技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)等技術(shù)，比較好的解決了對象建模的困難和干擾眾多與控制要求提高的矛盾，在許多難以控制的場合下，發(fā)揮了卓越的作用。與此同時，現(xiàn)代控制理論中的諸如非線性控制、分布參數(shù)系統(tǒng)、隨機(jī)過程以及容錯控制也在理論上和實踐中得到了發(fā)展?？刂品椒ǎ航Y(jié)合最優(yōu)化技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)信息處理技術(shù)的現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)（CIMS）的形成與

8、應(yīng)用?？刂圃O(shè)備：商品化現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Computer Systems, FCS）逐步替代DCS系統(tǒng)；計算機(jī)集成過程系統(tǒng)（CIPS）控制對象：企業(yè)整體化為目標(biāo)，以計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)為主要技術(shù)工具，以生產(chǎn)過程的管理和控制自動化為主要內(nèi)容，將過去局部自動化“孤島”模式集成為一個整體的系統(tǒng)。1.1.3 過程控制系統(tǒng)組成分類1. 鍋爐控制系統(tǒng)和加熱爐控制系統(tǒng)圖 1.4 鍋爐水位控制原理圖 1.5 加熱爐控制原理圖 1.6 控制系統(tǒng)方框圖2. 過程控制系統(tǒng)的組成(1) 被控對象(2) 傳感器和變送器(3) 控制器(4) 執(zhí)行器圖 1.7 不同的控制系統(tǒng)組成圖3. 過程控制系統(tǒng)的分類按被控變

9、量來分：按處理的信號來分：按是否采用計算機(jī)來分：按控制系統(tǒng)系統(tǒng)所完成的功能來分：按控制的動作規(guī)律來分：按控制系統(tǒng)組成回路來分：按設(shè)定值變化的形式不同，可將過程控制系統(tǒng)分為三類：(1) 定值控制系統(tǒng) 設(shè)定值是由工藝要求給出的不變常數(shù)。通常要求被控變量盡量與設(shè)定值保持一致。(2) 隨動控制系統(tǒng) 設(shè)定值隨時間不斷發(fā)生變化。（自動跟蹤系統(tǒng)）通常要求被控變量盡可能地與設(shè)定值一起變化。 加熱爐的空燃比控制；啤酒稀釋配比系統(tǒng)。(3) 程序（順序）控制系統(tǒng) 可以理解為隨動控制設(shè)定值是一個已知時間函數(shù)即生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)按一定時間程序變化啤酒廠發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)；工業(yè)窯爐溫度控制系統(tǒng)。1.1.4 過程控制系統(tǒng)性能指標(biāo)

10、1. 控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)靜態(tài)(穩(wěn)態(tài))：被控變量不隨時間變化的平衡狀態(tài)（變化率為0，不是靜止）。動態(tài)：被控變量隨時間變化的不平衡狀態(tài)。2. 控制系統(tǒng)的過渡過程(a)非周期衰減過程 (b)周期衰減過程 (c)等幅震蕩過程 (d)發(fā)散震蕩過程 (e)單調(diào)發(fā)散過程圖 1.8 控制系統(tǒng)過渡過程曲線3. 控制系統(tǒng)的控制指標(biāo)通常要評價和討論一個控制系統(tǒng)性能優(yōu)劣，其標(biāo)準(zhǔn)有二大類： 以系統(tǒng)受到階躍輸入作用后的響應(yīng)曲線的形式給出。主要包括：最大偏差（超調(diào)量）、衰減比、余差、過渡時間、振蕩周期（振蕩頻率） 以誤差性能指標(biāo)的形式給出，一般指偏差對某個函數(shù)的積分。主要包括：平方誤差積分指標(biāo)、時間乘平方誤差積分指標(biāo)、絕

11、對誤差積分指標(biāo)、時間乘絕對誤差積分指標(biāo)。當(dāng)這些值達(dá)到最小值的系統(tǒng)是某種意義下的最優(yōu)系統(tǒng)。1.2 過程控制儀表與裝置總體概述1.2.1 過程控制儀表與裝置的分類及特點 按能源形式分類 按信號類型分類 按結(jié)構(gòu)形式分類1. 按能源形式分類可分為電動，氣動，液動和機(jī)械式等。工業(yè)上普遍使用電動和氣動控制儀表 表 11電動控制儀表和氣動控制儀表的比較電控控制儀表氣動控制儀表能源電源220VAC或24VDC氣源(140kPa)傳輸信號電信號氣壓信號構(gòu)成電子元器件(電阻、電容、運放、集成電路等)起動元件(起租、氣容、氣動放大器等)接線導(dǎo)線、印刷電路板導(dǎo)管、管路板氣動儀表結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定、可靠性高、價格便宜，

12、本質(zhì)上安全防爆。電控儀表能源獲取方便，信號傳輸和處理容易，便于實現(xiàn)集中顯示和操作，安全火化防爆。2. 按信號類型分類分為模擬式和數(shù)字式兩大類。模擬式控制儀表由模擬元器件構(gòu)成，其傳輸信號為連續(xù)變化的模擬量，如電流、電壓、氣壓信號等。數(shù)字式控制儀表以微處理器，單片機(jī)芯片為核心。其傳輸信號為斷續(xù)變化的數(shù)字量，由于可以進(jìn)行各種數(shù)字運算和邏輯判斷，能解決模擬式控制儀表難以解決的問題。 3. 按結(jié)構(gòu)形式分類分為單元組合式控制儀表、基地式控制儀表、集散型計算機(jī)控制系統(tǒng)、現(xiàn)場控制系統(tǒng)。(1) 單元組合式控制儀表各個儀表之間用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行聯(lián)系，將各種獨立儀表進(jìn)行不同的組合，可以構(gòu)成適用于各種不同場合的自動

13、檢測或控制系統(tǒng)。這類儀表有電動單元組合儀表（DDZ）和氣動單元組合儀表（QDZ）兩大類。電動單元組合式儀表發(fā)展階段:DDZ-型儀表： 60年代，放大元件為電子管、磁放大器。DDZ-型儀表： 70年代 ，采用晶體管放大元件。DDZ- 型儀表120： 80年代，采用集成電路。DDZ-S型儀表及其它： 90年代，采用微處理器的數(shù)字調(diào)節(jié)器。單元組合儀表可分為變送單元，執(zhí)行單元，調(diào)節(jié)單元，轉(zhuǎn)換單元，運算單元，顯示單元，給定單元和輔助單元等八類。見圖1.1。 J 變送單元：它能將各種被測參數(shù)，如溫度，壓力，流量，液位等變換成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號（4-20mA，0-10mA或20-100kPa）傳送到接收儀表

14、，以供指示、記錄或控制。品種：？J 轉(zhuǎn)換單元: 將電壓，頻率等電信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號，或者進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號之間的轉(zhuǎn)換。 轉(zhuǎn)換單元的品種有：直流毫伏轉(zhuǎn)換器、頻率轉(zhuǎn)換器、電-氣轉(zhuǎn)換器、氣-電轉(zhuǎn)換器等。J 調(diào)節(jié)單元: 它將測量信號與給定信號進(jìn)行比較，按偏差控制執(zhí)行器的動作，使測量值與給定值相等。調(diào)節(jié)單元的品種有：比例積分微分調(diào)節(jié)器、比例積分調(diào)節(jié)器、微分調(diào)節(jié)器以及具有特種功的調(diào)節(jié)器等。 J 運算單元:它將幾個標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號進(jìn)行加、減、乘、除、開方、平方等運算，適用于多種參數(shù)綜合控制、配比控制、流量信號的溫度壓力水補(bǔ)償計算等。運算單元的品種有：加減器、乘除器和開方器等。 J 顯示單元:它對各種被測參數(shù)進(jìn)

15、行指示、記錄、報警和積算，供操作人員監(jiān)視控制系統(tǒng)工況之用。顯示單元的品種有：指示儀、指示記錄儀、報警器、比例積算器和開方積算器等。 J 給定單元:輸出標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號，作為被控變量的給定值送到調(diào)節(jié)單元，實現(xiàn)定值控制。其輸出信號可以供給其它儀表作為參考基準(zhǔn)值。給定單元的品種有：恒流給定器、定值器、比值給定器和時間程序給定器等。 J 執(zhí)行單元:它按照調(diào)節(jié)器輸出的控制信號或手動操作信號，操作執(zhí)行元件，改變控制變量的大小。執(zhí)行單元的品種有：角行程電動執(zhí)行器、直行程電動執(zhí)行器和氣動薄膜調(diào)節(jié)閥等。 J 輔助單元:輔助單元是為了滿足自動控制系統(tǒng)某些要求而增設(shè)的儀表。如：操作器、阻尼器、限幅器、安全柵等。(2)

16、基地式控制儀表基地式控制儀表相當(dāng)于把單元組合儀表的幾個單元組合在一起，構(gòu)成一個儀表。通常以指示、記錄儀表為主體，附加控制、測量、給定等部件，其控制信號輸出一般為開關(guān)量，也可以是標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號。(3) 集散控制系統(tǒng)(DCS)DCS系統(tǒng)是一種以微型計算機(jī)為核心的計算機(jī)控制裝置。其基本特點是分散控制、集中管理。DCS系統(tǒng)通常由控制站（下位機(jī)）、操作站（上位機(jī)）和過程通訊網(wǎng)絡(luò)三部分組成。(4) 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS系統(tǒng))FCS系統(tǒng)是基于現(xiàn)場總線技術(shù)的一種新型計算機(jī)控制裝置。其特點是現(xiàn)場控制和雙向數(shù)字通訊，即將傳統(tǒng)上集中于控制室的控制功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中，實現(xiàn)現(xiàn)場控制，而現(xiàn)場設(shè)備與控制室內(nèi)的儀表或裝置

17、之間為雙向數(shù)字通訊。FCS系統(tǒng)具有全數(shù)字化、全分散式、可互操作、開放式以及現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)可控等優(yōu)點。FCS系統(tǒng)中還可能出現(xiàn)以以太網(wǎng)技術(shù)和以無線通信技術(shù)為基礎(chǔ)的計算機(jī)控制系統(tǒng)。1.2.2 信號制信號制即信號標(biāo)準(zhǔn)，是指儀表之間采用的傳輸信號的類型和數(shù)值。 目的：達(dá)到通用性和相互兼容性的要求，以便不同系列或不同廠家生產(chǎn)的儀表能夠共同使用在同一控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。信號標(biāo)準(zhǔn)1. 氣動儀表的信號標(biāo)準(zhǔn)(GB777)我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB777化工自動化儀表用模擬氣動信號規(guī)定了氣動儀表信號的下限值和上限值，如表1-2所示，該標(biāo)準(zhǔn)與國際IEC382是一致的。表 12 模擬信號的上下限下限上限20kPa(0.2k

18、gf/cm2)100kPa(1kgf/cm2)2. 電動儀表的信號標(biāo)準(zhǔn)(GB339)我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB339化工自動化儀表用模擬直流電流信號規(guī)定。序號1的規(guī)定與國際標(biāo)準(zhǔn)IEC381 A一致。序號2考慮到DDZ-系列單元組合儀表當(dāng)時仍在廣泛使用而設(shè)置的。表 13 模擬直流電流信號及負(fù)載電阻序號電流信號負(fù)載電阻1420mADC250-7502010mADC0-10000-3000兩種標(biāo)準(zhǔn)的比較：這種以20mA表示信號的滿度值，而以此滿度值的20%即4mA表示零信號的安排，稱為“活零點”。“活零點”的優(yōu)點：有利于識別斷電、斷線等故障，且為實現(xiàn)兩線制提供了可能性。3. 其它信號傳輸標(biāo)準(zhǔn)：RS485數(shù)字信

19、號傳輸、Smart傳輸技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)。4. 電動儀表信號標(biāo)準(zhǔn)的使用(1) 現(xiàn)場與控制室儀表之間采用直流電流信號 優(yōu)點：直流比交流干擾少直流信號對負(fù)載的要求簡單電流比電壓更利于遠(yuǎn)傳信息要求：接收儀表輸入電阻小。 缺點：多個儀表接收同一電流信息，它們必須串聯(lián)。 圖 1.9 任何一個儀表在拆離信號回路之前首先要把該儀表的兩個輸入端短接，否則其它儀表將會因電流中斷而失去信號 儀表無公共接地點，須浮空工作(2) 控制室內(nèi)部儀表之間采用直流電壓信號圖 1.10優(yōu)點： 任何一個儀表拆離信號回路都不會影響其它儀表的運行。 各個儀表具有公共接地點，可以共用一個直流電源。要求：接收儀表的輸入阻抗要足夠高5.

20、變送器與控制室儀表間的信號連接圖 1.11(1) 四線制傳輸供電電源和輸出信號分別用兩根導(dǎo)線傳輸，如圖。對器件功耗無特別要求！(2) 二線制傳輸所謂“兩線制”變送器就是將供電的電源線與信號的輸出線合并起來，一共只用兩根導(dǎo)線。使用兩線制變送器不僅節(jié)省電纜，布線方便，且大大有利于安全防爆，因為減少一根通往危險現(xiàn)場的導(dǎo)線，就減少了一個竄進(jìn)危險火花的門戶。兩線制變送器：圖 1.121.3 儀表防爆的基本知識在某些生產(chǎn)現(xiàn)場存在著各種易燃、易爆氣體。安裝在這種危險場所的儀表如果產(chǎn)生火花，就容易引起爆炸，因而必須具有防爆性能。氣動儀表從本質(zhì)上來說具有防爆性能。電動儀表必須采取必要的防爆措施才具有防爆性能，其

21、防爆措施不同，防爆性能也將不同，適合應(yīng)用的危險場所也不同。1.3.3 防爆儀表的標(biāo)準(zhǔn)國家標(biāo)準(zhǔn)GB3836.1爆炸性環(huán)境用防爆電氣設(shè)備通用要求1. 防爆儀表的分類按照國標(biāo)GB3836.1規(guī)定，防爆電氣設(shè)備分為兩大類： I 類：煤礦井下用電氣設(shè)備 II類：工廠用電氣設(shè)備 III類：工廠用電氣設(shè)備由分為8種類型。如下2. 防爆儀表的分級和分組在爆炸性氣體或蒸汽中使用的儀表，引起爆炸主要有兩方面原因： 儀表產(chǎn)生能量過高的電火花或儀表內(nèi)部因故障產(chǎn)生的火焰通過表殼的縫隙引燃儀表外的氣體或蒸汽儀表過高的表面溫度因此，根據(jù)上述兩個方面對II類（工廠用）防爆儀表進(jìn)行了分級和分組，規(guī)定其適用范圍。 根據(jù)：最大試驗

22、安全間隙dmax 或最小點燃電流的比值MICR根據(jù)：儀表最高表面溫度儀表的最高表面溫度 = 實測最高表面溫度-實測時環(huán)境溫度+規(guī)定最高環(huán)境溫度 3. 防爆儀表的標(biāo)志防爆儀表的防爆標(biāo)志為“Ex”；儀表的防爆等級標(biāo)志的順序為：防爆型式、類別、級別、溫度組別。 過程控制儀表常見的防爆等級有iaIICT5 (iaIICT6)和dIIBT3二種。前者表示II類本質(zhì)安全型ia等級C級T5組；后者表示II類隔爆型B級T3組。 * 防爆儀表的分級與分組，與易燃易爆氣體或蒸汽的分級和分組是相對應(yīng)的。 易爆性氣體或蒸汽級別和組別一覽表 1.3.4 過程控制儀表的防爆措施過程控制儀表主要有: 隔爆型防爆儀表 和 本

23、質(zhì)安全型防爆儀表 1. 隔爆型防爆儀表特點：儀表的電路和接線端子全部置于防爆殼體內(nèi) 防爆措施：采用耐壓80100N/cm2以上的表殼表殼外部的溫升不得超過由易爆性氣體或蒸汽的引燃溫度所規(guī)定的數(shù)值表殼接合面的縫隙寬度及深度，應(yīng)根據(jù)它的容積和易爆性氣體的級別采用規(guī)定的數(shù)值。使用注意：*揭開儀表表殼后，將失去了防爆性能 *長期使用會逐漸降低防爆性能 2. 本質(zhì)安全型防爆儀表本質(zhì)安全型防爆儀表也稱安全火花型防爆儀表。這種儀表，在正常狀態(tài)下或規(guī)定的故障狀態(tài)下產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)均不會引起規(guī)定的易爆性氣體混合物爆炸。正常狀態(tài)指在設(shè)計規(guī)定條件下的工作狀態(tài)，故障狀態(tài)指電路中非保護(hù)性元件損壞或產(chǎn)生短路、斷路、接

24、地及電源故障等情況。本質(zhì)安全型防爆儀表本質(zhì)安全型ia和ib兩個等級分別表示：ia 等級在正常工作、一個故障和兩個故障時均不能點燃爆炸性氣體混合物的電氣設(shè)備。ib 等級在正常工作和一個故障時不能點燃爆炸性氣體的電氣設(shè)備。安全火花型防爆儀表所采取的措施主要有：儀表采用低工作電壓和小工作電流。通常，正常工作電壓不大于24VDC，電流不大于20mADC；故障時電壓不大于35VDC，電流不大于35mADC； 在線路設(shè)計上，對處于危險場所的電路，選擇適當(dāng)大小的電阻、電容和電感參數(shù)，使其只產(chǎn)生安全火花；同時在較大的電容、電感回路中并聯(lián)雙重化二極管，以消除不安全火花。1.3.5 控制系統(tǒng)的防爆措施要使整個測量

25、或控制系統(tǒng)的防爆性能符合安全火花防爆要求，必須滿足：在危險場所使用安全火花型防爆儀表在控制室儀表與危險場所儀表之間設(shè)置安全柵圖 1.13要真正實現(xiàn)安全火花防爆，必須做到：1.必須正確地安裝安全柵和布線。（1）安全柵必須有良好的接地。（2）安全柵的輸入、輸出端的接線，應(yīng)該分別布設(shè)，不能走同一條線槽。（3）對由安全柵通向現(xiàn)場儀表的信號線的分布電容和分布電感有一定的限制。分布電感、分布電容的數(shù)值可按下公式計算（4）因為信號線與穿線管管壁之間存在的分布電容也具有儲能作用。穿管安裝時，穿線管的直徑宜足夠大2.安全火花型現(xiàn)場儀表在危險場所時，雖然允許打開表殼進(jìn)行檢查, 攜帶到現(xiàn)場的檢修用的儀器儀表必須是安

26、全火花型的。 1.4 補(bǔ)充：儀表的分析方法從儀表整體結(jié)構(gòu)上看，模擬式控制儀表有兩種構(gòu)成形式：儀表整機(jī)采用單個放大器，其放大器可由若干級放大電路或不同的放大器串聯(lián)而成。屬于這一類的儀表有DDZ-II型儀表、大部分的變送器以及氣動儀表等。整機(jī)由數(shù)目不等的運算放大器電路以不同形式（主要是串聯(lián)形式）組裝而成。采用運算放大器的儀表都屬于這一類構(gòu)成形式，如DDZ-III型系列、I系列和EK系列儀表等。 1.4.1 采用單個放大器的儀表分析這類儀表一般具有如圖所示的典型結(jié)構(gòu)，整個儀表可以劃分為：輸入部分、放大器和反饋部分。圖 1.14Ki輸入部分的轉(zhuǎn)換系數(shù)；K放大器的放大系數(shù)；Kf反饋部分的反饋系數(shù)。當(dāng)滿足

27、KKf1的條件時，由于 Zi = DX Zf =Kfy Zi= Zf因此 e= Zi -Zf = 0特點：.在滿足KKf 1的條件時，儀表的輸出與輸入關(guān)系僅取決于輸入部分的特性和反饋部分的特性。2.在滿足KKf 1的條件時，放大器的凈輸入e趨向于零（ e 0）。 分析方法：1、將儀表劃分為輸入部分、放大器和反饋部分；2、對各個部分分析，重點是輸入部分和反饋部分；3、求出整機(jī)輸出與輸入之間的關(guān)系，得整機(jī)特性。比較環(huán)節(jié)的確定可以從放大器的輸入端即e所加位置著手；取樣環(huán)節(jié)的確定可以從儀表的輸出信號回路著手 。電動儀表的兩種比較方式1.串聯(lián)比較圖 1.152.并聯(lián)比較圖 1.16電動儀表的兩種取樣方式

28、氣動儀表的比較環(huán)節(jié)主要有：力比較和力矩比較二種方式。力比較是輸入力和反饋力作用在比較元件上，其差值使比較元件產(chǎn)生微小的位移；力矩比較是輸入力矩和反饋力矩作用在作為比較元件的杠桿上，其差值使杠桿產(chǎn)生微小的偏轉(zhuǎn)。氣動儀表的取樣方式是將儀表輸出氣壓信號直接引入反饋部分。 1.4.2 采用運算放大器的儀表分析方法這類儀表的線路是由若干個運算放大器電路組裝而成，主要是運算放大器電路以串聯(lián)形式相聯(lián)。由于每一個運算放大器電路的輸出電阻很小，而輸入電阻又都足夠大，這樣，前、后級運算放大器電路之間相互影響很小。分析這類儀表時，可以把整個儀表線路分成一個個運算放大器電路單獨地進(jìn)行分析，最后再綜合得到整機(jī)的特性。

29、3. 運算放大器的基本知識(1) 運算放大器的基本性能圖 1.171輸入端（+、-）：+端為同相輸入端，-端為反相輸入端。電壓差Ud 的正方向是從同相端到反相端。UT 為同相端對地（正、負(fù)電源的公共端）的電壓，UF 為反相端對地的電壓。 2輸出端：Uo 為輸出端對地的電壓， 即輸出電壓。3電源端（U+ 、U- ）把運算放大器看成是雙端輸入、單端輸出的三端器件。運算放大器的使用條件圖 1.18為差模輸入電壓為共模輸入電壓任何一個運算放大器，其允許承受的 和 都有一定的限制，制造廠規(guī)定了運算放大器的最大差模輸入電壓（又稱差模輸入范圍）和 最大共模輸入電壓（又稱共模輸入范圍）。 運算放大器的輸出電壓

30、和電流也都有一定的限制，最大輸出電壓一般比電源電壓低12V,最大輸出電流一般為5mA或10mA，在儀表電路中需要輸出大電流時，往往采用三極管進(jìn)行電流放大。理想運算放大器特點： 1輸入電阻Ri=0； 2輸出電阻Ro=0；3開環(huán)電壓增益Ko=0； 4失調(diào)及其漂移為零。兩條重要的結(jié)論：1差模輸入電壓為零，即 = 0 或 UT =UF 2輸入端輸入電流為零，即 = 0 , = 0 (2) 運算放大器電路圖 1.19特點： 1輸出電壓與輸入電壓成正比，其比例系數(shù)為R2/R1； 2輸出與輸入極性相反； 3反相端不接地，但UF =0，故稱反相端為“虛地”； 4輸入電阻約等于輸入回路電阻R1； 5輸入回路電流

31、Ii，全部流經(jīng)反饋回路，即I f = Ii 。.同相端輸入 圖 1.20特點： 1輸出電壓與輸入電壓成正比，其比例系數(shù)為（1+R2/R1）；2輸出與輸入極性相同；3同相端和反相端存在共模電壓UC = ；4輸入電阻等于運算放大起本身的共模輸入電阻，其值很大，通常為1 500MW。 3.差動輸入圖 1.21如果取 則 特點：在滿足 電阻匹配條件時，差動輸入放大器電路的輸出電壓僅僅取決于兩個輸入電壓之差Uid = UiT -UiF ，即這種電路只放大差動信號，不放大共模信號，且與差動信號Uid 成正比，比例系數(shù)為R2/R1。輸出電壓與差動信號極性相同。 在儀表線路中，往往取得R1=R3、R2=R4，

32、形成所謂對稱差動運放電路。 運算放大器輸入端存在共模電壓4.電壓跟隨器 U0 = Ui 圖 1.22 特點：輸入電阻高輸出電阻低它在儀表電路應(yīng)用中，起隔離作用4. 單電源供電的運算放大器電路出于儀表總體設(shè)計的需要、便于儀表的安裝以及變送器采用二線制等原因，在儀表線路中，一般都采用單電源供電，即由一組+24V電源供電。運算放大器采用單電源供電后，只影響其本身的使用條件，而并不影響運算放大器電路的運算關(guān)系和特性。 單電源供電時運算放大器的使用條件圖 1.23雙電源供電和單電源供電的實質(zhì)是電位基準(zhǔn)問題 1）雙電源供電，是以正、負(fù)電源公共端C為基準(zhǔn)2）而單電源供電是以電源負(fù)極為基準(zhǔn)單電源供電時運算放大

33、器的使用條件圖 1.24圖 1.25圖 1.26、雙電源 、單電源單電源供電時運算放大器的使用條件DDZ-III型等系列儀表的信號范圍為1 5V，在24V單電源供電時，顯然不能滿足共模輸入范圍的要求。為此，在儀表的電路中，采用電平移動的方法，即另加電平移動電源UB ，以便使UT 和UF 進(jìn)入共模輸入范圍以內(nèi)。 另加電平移動電源UB 之后，運算放大器電路在單電源供電時以UB 為基準(zhǔn)的運算關(guān)系，跟雙電供電時以地（0V）為基準(zhǔn)的運算關(guān)系，在形式上完全相同。單電源供電的運算放大電路圖 1.27如取UB作為輸入、輸出信號的基準(zhǔn)為以UB為基準(zhǔn)的輸出電壓 如以地為基準(zhǔn)的輸出電壓為 運算放大器差模輸入電壓 沒

34、有改變 共模電壓（應(yīng)相對于0V）單電源供電的運算放大電路24V單電源供電的對稱差動運算放大器電路，除了一般的差動運放電路的特點之外，還具有如下兩個特點：1.能實現(xiàn)信號電平的移動。Uo只取決于Uid，而與輸入信號的基準(zhǔn)無關(guān)，同時U0又是以UB為基準(zhǔn)，因此能把0V為基準(zhǔn)的輸入電壓UiT、UiF轉(zhuǎn)換為以UB為基準(zhǔn)的輸出電壓Uo。 2. Uo大小與UB無關(guān)。電平移動電壓VB是以共模電壓形式同時加到線路的兩個輸入端上。在DDZ-III型儀表及其它系列儀表中，所有接收儀表的輸入電路均采用這種形式的電路。5. 分析方法采用運算放大器的儀表分析方法是把整個儀表線路分成一個個運算放大器電路單獨地進(jìn)行分析，最后再

35、綜合得到整機(jī)的特性。因此，采用運算放大器的儀表線路分析的基礎(chǔ)是單個運算放大器電路的分析。 單個運算放大器電路的分析方法通常有如下兩種： 1.利用基本運算放大器電路的關(guān)系式2.利用理想運算放大器輸入端的兩個特征利用基本運算放大器電路的關(guān)系式 特點：基本概念明確 物理意義清楚 要點：熟練靈活掌握基本運算放大器電路的關(guān)系式，就能很容易看出運算放大器電路的運算關(guān)系，并能很快地了解整個儀表的特性。當(dāng)然，儀表中的實際電路，有時可能是兩種基本電路的合成，或者輸入回路電阻和反饋回路電阻包含有電容等非純阻性元件。 這時可以采用疊加法、等效電源定理、/Y變換、阻抗變換法等方法進(jìn)行處理，將這些比較復(fù)雜的運算放大器電

36、路轉(zhuǎn)化為基本電路。利用理想運算放大器輸入端的兩個特征 理想運算放大器輸入端的兩個特征： （1）差模輸入電壓等于零，即Ud=0或UT=UF； （2）輸入端輸入電流等于零，即IbT=0，IbF=0。 這兩個特征是分析運算器放大電路輸入輸出關(guān)系的出發(fā)點 關(guān)鍵：求得運算放大器兩個輸入端的電位UT和UF 根據(jù)電路具體結(jié)構(gòu)，找出輸入、輸出信號與UT、UF之間的關(guān)系，然后依據(jù)UT=UF，求出輸出與輸入之間的關(guān)系。方法：斷開反饋又保證等效，把原電路轉(zhuǎn)化為一個沒有反饋的開環(huán)等效電路。1.4.3 儀表的分析步驟 對于一只儀表，可以采用由整體到局部的方法分析，即首先對儀表作總體概貌性了解，然后將儀表劃分成幾個部分，再對各劃分部分逐一進(jìn)行分析，最后綜合出整機(jī)的特性。其具體步驟可以如下： 1.了解儀表作用和結(jié)構(gòu)框圖； 2.按照結(jié)構(gòu)框圖將整機(jī)