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電動單元組合儀表及兩線制變送器的組成原理

2021年02月27日 人閱讀

我國生產的電動單元組合儀表,到目前為止已有了四代產品,它們分別為:20世紀60年代中期生產的以電子管和磁放大器為主要放大元件的DDZ-Ⅰ型儀表;70年代初開始生產的以晶體管作為主要放大元件的DDZ-Ⅱ型儀表;80年代初開始生產的以線性集成電路為主要放大元件、具有安全火花防爆性能的DDZ-Ⅲ型儀表;以及80年代后期開始生產的以微處理器為核心的數字式智能儀表DDZ-S。這里的“DDZ”是電 (Dian)、單(Dan).組(Zu)三字的漢語拼音文字中di一個字母的組合。這四代產品雖然電路形式和信號標準不同,性能指標和單元劃分的方法也不完全一樣,但它們實現的控制功能和基本的設計思想是相同的,只要掌握其中一種,其他產品便不難分析。

圖0-1是使用電動單元組合式儀表構成簡單調節系統的例子,從中可以看到單元劃分的原則和各單元的功能。圖中,被調量一般是非電的工藝參數,如溫度、壓力等,必須經過一定的檢測元件,將其變換為易于傳送和顯示的物理量。檢測元件還稱為敏感元件、傳感器、換能器、一次儀表等。被稱為換能器的理由是工藝參數在檢測元件上進行了能量形式的轉換,例如,在使用熱電偶測溫時,熱電偶將溫度(熱能)轉換成了電壓(電能)。被稱為一次儀表的理由是這些檢測元件安裝在生產di一線,直接與工藝介質相接觸,取得di一次的測量信號。

電動單元組合儀表

圖0-1用電動單元組合儀表構成的調節系統

由于檢測元件輸出的能量很小,一般不能直接驅動顯示和調節儀表,必須經過放大或再一次的能量轉換,才能將檢測元件輸出的微弱信號變換為能遠距離傳送的統一標準信號。圖0-1中,起上述作用的環節就是變送單元,或稱變送器,它有若千不同的類型,與相應的檢測元件相配合。

由變送單元輸出的統一標準信號,一方面送到顯示單元供記錄或指示,同時送到調節單元與給定值進行比較。給定值可以由專門的給定單元取得,也可由調節單元內部取得。目前,多數調節單元內部都有設定給定值的裝置。調節單元又稱調節器,它按比較得出的偏差,以一定的調節規律,如比例、微分、積分等運算關系發出調節信號,通過執行單元改變閥門的開度,控制進入調節對象的工藝介質流量,達到自動調節的目的。

除了圖0-1中表示的幾種基本單元外,在電動單元組合式儀表中,還有實現物理量轉換的轉換單元,進行加、減、乘、除、乘方、開方等運算的計算單元,以及為保證安全防爆所需的安全單元等。紹興中儀生產的二線制變送器有溫度變送器,壓力變送器等。其中,轉換單元也是常用的單元,由于目前電動執行器無論在結構、性能、價格及安全方面都不如氣動執行器,所以大部分使用電動儀表構成的調節系統中,其執行器卻仍然使用氣動的。這樣,就必須使用電-氣轉換器,將電動調節儀表輸出的電信號轉換為氣壓信號,以推動氣動調節閥實現自動調節。安全單元是安全火花型防爆儀表所特有的一種單元,它的作用是在易燃易爆的生產現場周圍筑起一道安全棚欄,從電路上對危險場所的線路采取隔離措施,防止高能量電路與現場線路之間的直接接觸;同時通過電壓、電流的雙重限制電路,嚴格保證進入危險場所的能量在安全范圍以內,因而是實現安全火花防爆的關鍵環節。

如前所述,使用單元組合儀表必須有統一的聯絡信號。我國電動單元組合儀表中存在兩種標準信號制度,在DDZ-I和DDZ-Ⅱ型儀表中采用0~10mA直流電流作為標準信號,而在DDZ-Ⅲ和DDZ-S型儀表中,采用國際上統一的4~20mA直流電流作為標準信號。這兩種標準都以直流電流作為聯絡信號。紹興中儀生產的ZYG300系列信號隔離器采用直流信號的優點是傳輸過程中易于和交流感應干擾相區別,且不存在相移問題,可不受傳輸線中電感、電容和負載性質的限制。采用電流制的優點首先可以不受傳輸線及負載電阻變化的影響,適于信號的遠距離傳送;其次由于電動單元組合儀表很多是采用力平衡原理構成的,使用電流信號可直接與磁場作用產生正比于信號的機械力。此外,對于要求電壓輸入的儀表和元件,只要在電流回路中串聯電阻便可得到電壓信號,故使用比較靈活。

在這兩種信號制度里,零信號和滿幅度信號電流大小的選擇是這樣考慮的:在DDZ-Ⅲ和DDZ-S型儀表中,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。這種稱為“活零點"的安排,有利于識別儀表斷電、斷線等故障,且為現場變送器實現兩線制提供了可能性。所謂兩線制變送器就是將供電的電源線與信號的傳輸線合并起來,一共只用兩根導線。為便于理解這種兩線制變送器的組成原理,圖0-2給出了一個簡單的示意圖。圖中,被測壓力P經彈性波紋管轉變為電位器RPl的滑動觸頭位移,產生正比于壓力的電壓V,該電壓經運算放大器A和晶體管VT組成的電流負反饋電路,把V轉變為晶體管的輸出電流p,它在0~16mA間隨被測壓力P作正比變化。此外,圖中還可看到,為了給儀表內的檢測和放大電路供電,用了一個4mA的恒流電路,它把內部耗電穩定在一個固定的數值上。圖中,穩壓管VD,除用來穩定內部電路的供電電壓外,還調劑內部電路的供電電流。這樣,上述兩部分電流合計,流過該儀表的總電流在4~20mA間變化,實現了電源線和信號線的合并。

兩線制變送器的組成原理

圖0-2兩線制變送器的組成原理

使用兩線制變送器不僅節省電纜,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場的導線,就減少了一個竄進危險能量的通道。由于活零點的表示法具有上述優點,受到普遍的歡迎和廣泛的應用。

在上述信號標準里,從安全防爆、減少損耗、節省能量考慮,信號電流的滿度值希望選取得小一些。但太小也有困難,因為對于力平衡式儀表,電流小了,產生的電磁力也小,不易保證這些儀表的精度。此外,在采用活零點的儀表中,降低滿幅度電流的數值,必然同時降低起點電流的數值。起點電流太小將給兩線制儀表帶來困難,因為它將要求降低整個儀表在零信號時消耗的總電流。而在目前的元器件水平下,起點電流比4mA再小有時將發生困難。因此,目前國際上采用4~20mA作為標準信號。

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