自動化流量儀表及其控制系統(tǒng)的組成
目前我國生產(chǎn)的電動單元組合儀表，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”是漢語拼音文字中電(Dian)、單(Dan)、組(Zu)三字的第一個字母的組合。這三代產(chǎn)品雖然電路形式和信號標(biāo)準(zhǔn)不同，性能指標(biāo)和單元劃分的方法也不完全一樣，但它們實現(xiàn)的控制功能和基本的設(shè)計思想是相同的，只要掌握其中一種，其他產(chǎn)品便不難分析。下面將主要對較有代表性的DDZ—Ⅲ型電動單元組合式儀表進(jìn)行討論。
使用電動單元組合式儀表構(gòu)成簡單調(diào)節(jié)系統(tǒng)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(diào)量一般是非電的工藝參數(shù)，如溫度、壓力等， 必須經(jīng)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)在檢測元件上進(jìn)行了能量形式的轉(zhuǎn)換，例如，在使用熱電偶測溫時，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，取得第一次的測量信號。由于檢測元件輸出的能量很小，一般不能直接驅(qū)動顯示和調(diào)節(jié)儀表， 必須經(jīng)過放大或再一次的能量轉(zhuǎn)換，才能將檢測元件輸出的微弱信號變換為能遠(yuǎn)距離傳送 的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號。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)的檢測元件相配合。
由變送單元輸出的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號，一方面送到顯示單元供記錄或指示，同時送到調(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、積分等運算關(guān)系發(fā)出調(diào)節(jié)信號，通過執(zhí)行單元 改變閥門的開度，控制進(jìn)入調(diào)節(jié)對象的工藝介質(zhì)流量，達(dá)到自動調(diào)節(jié)的目的。
實際上，除了幾種基本單元外，在電動單元組合式儀表中，還有實現(xiàn) 物理量轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換單元，進(jìn)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，由于目前電動執(zhí)行器 無論在結(jié)構(gòu)、性能、價格及安全方面都不如氣動執(zhí)行器，所以大部分使用電動單元組合儀 表構(gòu)成的調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，其執(zhí)行器仍然使用氣動的。這樣，就必須使用電-氣轉(zhuǎn)換器，將電動調(diào)節(jié)儀表輸出的電信號轉(zhuǎn)換為氣壓信號，以推動氣動調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)自動調(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)場周圍筑起一道安全柵欄，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(xiàn)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(yán)格保證進(jìn)入危險場所的能量在安全范圍 以內(nèi)，因而是實現(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。目前我國電動單元組合儀表中并存著兩種標(biāo)準(zhǔn)信號制度，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，而在 DDZ—Ⅲ型儀表中，采用目前國際上統(tǒng)一的4mA～20mA 直流電流作為 標(biāo)準(zhǔn)信號。1973 年 4 月國際電工委員會(I.E.C)通過的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，過程控制系統(tǒng)的模擬信號為 DC 4mA～20mA，電壓信號為 DC 1V～5V，我國的 DDZ—Ⅲ型儀表規(guī)定，現(xiàn)場傳輸信 號用 DC4mA～20mA，控制室內(nèi)各儀表間的聯(lián)絡(luò)信號用 DC1V～5V。這兩種標(biāo)準(zhǔn)都以直流 電流作為聯(lián)絡(luò)信號。采用直流信號的優(yōu)點是傳輸過程中易于和交流感應(yīng)干擾相區(qū)別，且不 存在相移問題，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)點首先可 以不受傳輸線及負(fù)載電阻變化的影響，適于信號的遠(yuǎn)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(gòu)成的，使用電流信號可直接與磁場作用產(chǎn)生正比于信號的機械力。此外，對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，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(xiàn)場變送器實現(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的傳輸線合并起來，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 給出了一個簡單的示意圖。圖中，被測壓力 P 經(jīng)彈性波紋管轉(zhuǎn)變?yōu)殡娢黄?nbsp;RP1 的滑動觸頭位移，產(chǎn)生正比于壓力 P 的電壓 V1，該電壓經(jīng)運算放大器 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)的檢測和放大電路供電，用了一個 4mA 的恒流電路，它把內(nèi)部耗電穩(wěn)定在一個固定的數(shù)值上。圖中，穩(wěn)壓管單向擊穿二極管 VD2 除用來穩(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，流過該儀表的總電流在 4mA～ 20mA 間變化，實現(xiàn)了電源線和信號線的合并。
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。由于“活零點”的表示法具有上述優(yōu)點，受到普遍的歡迎和廣泛的應(yīng)用。
在上述信號標(biāo)準(zhǔn)里，從安全防爆、減少損耗、節(jié)省能量考慮，信號電流的滿度值都希 望選小一些。但太小也有困難，因為對力平衡式儀表，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，在采用活零點的儀表中，降低滿度電流的數(shù)值，必然同時 降低起點電流的數(shù)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(fā)生困難。因此，目前國際采用4mA～20mA 作為標(biāo)準(zhǔn)信號。