自動(dòng)化流量?jī)x表及其控制系統(tǒng)的組成
目前我國(guó)生產(chǎn)的電動(dòng)單元組合儀表，到目前為止已有三代產(chǎn)品。它們分別為20 世紀(jì)60年代中期生產(chǎn)的以電子管和磁放大器為主要放大元件的 DDZ—Ⅰ型儀表；20世紀(jì)70年代初開(kāi)始生產(chǎn)的以晶體管作為主要放大元件的 DDZ—Ⅱ型儀表；以及20世紀(jì)80年代初開(kāi)始 生產(chǎn)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。這里的“DDZ”是漢語(yǔ)拼音文字中電(Dian)、單(Dan)、組(Zu)三字的第一個(gè)字母的組合。這三代產(chǎn)品雖然電路形式和信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)不同，性能指標(biāo)和單元?jiǎng)澐值姆椒ㄒ膊煌耆粯?，但它們?shí)現(xiàn)的控制功能和基本的設(shè)計(jì)思想是相同的，只要掌握其中一種，其他產(chǎn)品便不難分析。下面將主要對(duì)較有代表性的DDZ—Ⅲ型電動(dòng)單元組合式儀表進(jìn)行討論。
使用電動(dòng)單元組合式儀表構(gòu)成簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)系統(tǒng)的例子，從中可以看到單元?jiǎng)澐值脑瓌t和各單元的功能。圖中，被調(diào)量一般是非電的工藝參數(shù)，如溫度、壓力等， 必須經(jīng)過(guò)一定的檢測(cè)元件，將其變換為易于傳送和顯示的物理量。檢測(cè)元件還常稱為敏感元件、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(shù)在檢測(cè)元件上進(jìn)行了能量形式的轉(zhuǎn)換，例如，在使用熱電偶測(cè)溫時(shí)，熱電偶將溫度(熱能)轉(zhuǎn)換成了電壓(電能)。 被稱為一次儀表的理由是這些檢測(cè)元件安裝在生產(chǎn)第一線，直接與工藝介質(zhì)相接觸，取得第一次的測(cè)量信號(hào)。由于檢測(cè)元件輸出的能量很小，一般不能直接驅(qū)動(dòng)顯示和調(diào)節(jié)儀表， 必須經(jīng)過(guò)放大或再一次的能量轉(zhuǎn)換，才能將檢測(cè)元件輸出的微弱信號(hào)變換為能遠(yuǎn)距離傳送 的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。起上述作用的環(huán)節(jié)就是變送單元，或稱變送器，它有若干不 同的類型，與相應(yīng)的檢測(cè)元件相配合。
由變送單元輸出的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，一方面送到顯示單元供記錄或指示，同時(shí)送到調(diào)節(jié)單元與給定值進(jìn)行比較。給定值可以由專門的給定單元取得，也可由調(diào)節(jié)單元內(nèi)部取得。目前，多數(shù)調(diào)節(jié)單元內(nèi)部都有設(shè)定給定值的裝置。調(diào)節(jié)單元又稱調(diào)節(jié)器，它按比較得出的 偏差，以一定的調(diào)節(jié)規(guī)律，如比例、微分、積分等運(yùn)算關(guān)系發(fā)出調(diào)節(jié)信號(hào)，通過(guò)執(zhí)行單元 改變閥門的開(kāi)度，控制進(jìn)入調(diào)節(jié)對(duì)象的工藝介質(zhì)流量，達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的。
實(shí)際上，除了幾種基本單元外，在電動(dòng)單元組合式儀表中，還有實(shí)現(xiàn) 物理量轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換單元，進(jìn)行加、減、乘、除、乘方、開(kāi)方等運(yùn)算的計(jì)算單元，以及為保 證安全防爆所需要的安全單元等。其中，轉(zhuǎn)換單元也是常用的單元，由于目前電動(dòng)執(zhí)行器 無(wú)論在結(jié)構(gòu)、性能、價(jià)格及安全方面都不如氣動(dòng)執(zhí)行器，所以大部分使用電動(dòng)單元組合儀 表構(gòu)成的調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，其執(zhí)行器仍然使用氣動(dòng)的。這樣，就必須使用電-氣轉(zhuǎn)換器，將電動(dòng)調(diào)節(jié)儀表輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為氣壓信號(hào)，以推動(dòng)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。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(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)周圍筑起一道安全柵欄，從電路上對(duì)危險(xiǎn)場(chǎng)所的線路采取隔離措施，防止高能量電路與現(xiàn)場(chǎng)線路之間的直 接接觸；同時(shí)通過(guò)電壓、電流的雙重限制電路，嚴(yán)格保證進(jìn)入危險(xiǎn)場(chǎng)所的能量在安全范圍 以內(nèi)，因而是實(shí)現(xiàn)安全火花防爆的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
如前所述，使用單元組合儀表必須有統(tǒng)一的聯(lián)絡(luò)信號(hào)。目前我國(guó)電動(dòng)單元組合儀表中并存著兩種標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)制度，在DDZ—I 和 DDZ—Ⅱ型儀表中采用0mA～10mA 直流電流作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，而在 DDZ—Ⅲ型儀表中，采用目前國(guó)際上統(tǒng)一的4mA～20mA 直流電流作為 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。1973 年 4 月國(guó)際電工委員會(huì)(I.E.C)通過(guò)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，過(guò)程控制系統(tǒng)的模擬信號(hào)為 DC 4mA～20mA，電壓信號(hào)為 DC 1V～5V，我國(guó)的 DDZ—Ⅲ型儀表規(guī)定，現(xiàn)場(chǎng)傳輸信 號(hào)用 DC4mA～20mA，控制室內(nèi)各儀表間的聯(lián)絡(luò)信號(hào)用 DC1V～5V。這兩種標(biāo)準(zhǔn)都以直流 電流作為聯(lián)絡(luò)信號(hào)。采用直流信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)是傳輸過(guò)程中易于和交流感應(yīng)干擾相區(qū)別，且不 存在相移問(wèn)題，可不受傳輸線中電感、電容和負(fù)載性質(zhì)的限制。采用電流制的優(yōu)點(diǎn)首先可 以不受傳輸線及負(fù)載電阻變化的影響，適于信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳送；其次由于電動(dòng)單元組合儀表很多是采用力平衡原理構(gòu)成的，使用電流信號(hào)可直接與磁場(chǎng)作用產(chǎn)生正比于信號(hào)的機(jī)械力。此外，對(duì)于要求電壓輸入的受信儀表和元件，只要在電流回路中串聯(lián)電阻便可得到電 壓信號(hào)，故使用比較靈活。
在這兩種信號(hào)制度里，零信號(hào)和滿幅度信號(hào)電流大小的選擇是這樣考慮的：在DDZ— Ⅲ型儀表中，以20mA 表示信號(hào)的滿度值，而以此滿度值的 20%即4mA 表示零信號(hào)。這種稱為“活零點(diǎn)”的安排，有利于識(shí)別儀表斷電、斷線等故障，且為現(xiàn)場(chǎng)變送器實(shí)現(xiàn)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(hào)的傳輸線合并起來(lái)，一共 只用兩根導(dǎo)線。為便于理解這種兩線制變送器的組成原理，圖 1.2 給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的示意圖。圖中，被測(cè)壓力 P 經(jīng)彈性波紋管轉(zhuǎn)變?yōu)殡娢黄?nbsp;RP1 的滑動(dòng)觸頭位移，產(chǎn)生正比于壓力 P 的電壓 V1，該電壓經(jīng)運(yùn)算放大器 A 和晶體管 VT 組成的電流負(fù)反饋電路，把 V1 轉(zhuǎn)變?yōu)榫?nbsp;體管的輸出電流 I2，它在 0mA～16mA 間隨被測(cè)壓力 P 作正比變化。此外，圖中還可看到， 為了給儀表內(nèi)的檢測(cè)和放大電路供電，用了一個(gè) 4mA 的恒流電路，它把內(nèi)部耗電穩(wěn)定在一個(gè)固定的數(shù)值上。圖中，穩(wěn)壓管單向擊穿二極管 VD2 除用來(lái)穩(wěn)定內(nèi)部電路的供電電壓外， 還調(diào)劑內(nèi)部電路的供電電流。這樣，上述兩部分電流合計(jì)，流過(guò)該儀表的總電流在 4mA～ 20mA 間變化，實(shí)現(xiàn)了電源線和信號(hào)線的合并。
兩線制變送器的組成原理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?yàn)闇p少一根通往危險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)的導(dǎo)線，就減少了一個(gè)竄進(jìn)危險(xiǎn)火花的門戶。由于“活零點(diǎn)”的表示法具有上述優(yōu)點(diǎn)，受到普遍的歡迎和廣泛的應(yīng)用。
在上述信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)里，從安全防爆、減少損耗、節(jié)省能量考慮，信號(hào)電流的滿度值都希 望選小一些。但太小也有困難，因?yàn)閷?duì)力平衡式儀表，電流小了，產(chǎn)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(diǎn)的儀表中，降低滿度電流的數(shù)值，必然同時(shí) 降低起點(diǎn)電流的數(shù)值。起點(diǎn)電流太小將給兩線制儀表帶來(lái)困難，因?yàn)樗鼘⒁蠼档驼麄€(gè)儀 表在零信號(hào)時(shí)消耗的總電流。而在目前的元器件水平下，起點(diǎn)電流比4mA 再小有時(shí)將發(fā)生困難。因此，目前國(guó)際采用4mA～20mA 作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。