第三编　仪表系统分析

第 10章　仪表系统及其　　　　理论分析

§10-1、仪表发展概况：　　自动控制系统，尤其是过程参数控制系统中，广泛地采用了自动化仪表，一方面起着检测、监视作用，同时还起着控制、保护等作用。目前仪表系统正逐渐向标准化方向发展。　　这合理地选择、使用仪表，有必要掌握自动化仪表的基本原理和相关知识。

§10-1、仪表发展概况：1、基地式仪表：　　早期应用在控制系统现场，因而在仪表的发展过程中称其为“基地式”仪表。　　将测量、记录和调节功能组合在一起，较好地适应了当时自动化程度不高、控制分散的状况，在一段时间内得到了普遍应用。　　缺点：　　只能应用在控制系统现场，控制灵活性差，通用性差。

§10-1、仪表发展概况：2、单元组合式仪表：　　以功能相互独立的，能完成一定职能的标准单元，以规定的标准信号相互联系组合而成的仪表系统，称其为“单元组合式”仪表。可根据需要，选择不同的单元仪表灵活地构建系统。　　具有代表性的单元组合式仪表有电动单元组合（ DDZ）仪表，在我国先后生产了三代产品：

§10-1、仪表发展概况：2、单元组合式仪表：　　具有代表性的单元组合式仪表有电动单元组合（ DDZ）仪表，在我国先后生产了三代产品：　　 DDZ-Ⅰ： 60 年代中期的以电子管和磁放大器为主要放大元件；　 　 　 DDZ-Ⅱ:70 年代初的以晶体管作为主要放大元件；　　 DDZ-Ⅲ： 80年代以线性集成电路为主要放大元件、具有安全火花防爆性能；　　　随着计算机技术的发展，尤其是小型仪器仪表的使用，数字式自动化仪表获得了快速的发展。

§10-1、仪表发展概况：3、总线式、网络化仪表：　　随着网络技术的发展和其随后的工业化， 90 年代初开始出现了适用于各种控制环境的现场总线标准和产品。这些工业现场总线的产生，使得网络完全进入了工业现场级控制环节，于是相继产生了传感器、变送器和仪表的网络化以及最终控制系统的网络化，为自动化仪表的发展开辟了一片新的天地。　　但由于各种总线系统不兼容，一定程度制约了其发展。

§10-2、常用仪表分类及特性：一、常用仪表分类：1、按使用性质划分：　　分为标准表、实验室表和工业用表。　　标准表：是专门用于校验非标准仪表用的，它本身经过了计量部门的定期检定并具有合格证书，它不能当作普通仪表直接用于工业生产；　　实验室表：用于科学实验研究，因而其使用条件相对较好，往往无需防水防尘措施的要求；　　工业仪表：则是长期安装使用在实际工业生产中的仪表，其为数众多且工作环境较为恶劣。工业仪表还根据其安装地点分为现场安装和控制室安装之用。

§10-2、常用仪表分类及特性：一、常用仪表分类：2、按测量方式划分：　　分为直读仪表和比较仪表。　　直读仪表：是可以直接读出被测量值的仪表，包括直接读出经过一定传递后的被测量值，例如玻璃杆式水银温度计、液位计等。　　比较仪表：是采用某种方式通过未知量与已知量相比较而得出被测量值的仪表，例如使用电位差计测量电动势。可使用比较仪表的条件是有相当精度的已知量的存在，而且能够判断平衡状态。

§10-2、常用仪表分类及特性：一、常用仪表分类：3、按原理性连接方式划分：　　分为串联式仪表，反馈式仪表。　　进行仪表分析时，可将各环节等效成不同的功能模块，按其原理将各功能模块连接成串联和反馈两种方式。　　串联式仪表（又称为开环仪表）：各功能模块首尾相接前后串联；　　反馈式仪表（又称为闭环仪表）：某个功能模块的输出重新输入到自身的输入端或其前的某个功能模块的输入端，从而构成正反馈或负反馈作用。

§10-2、常用仪表分类及特性：一、常用仪表分类：4、按信号传输方式划分：　　可分为电动仪表、气动仪表。　　一切以电量为传输信号的仪表统称电动仪表，它具有信号可远传的特点，但如无特殊处理措施，电信号可引起火灾和爆炸，即其防爆性能相对较差。　　气动仪表没有防爆问题，它是使用压缩空气来传递信号的，但由于气体的特殊性致使该种仪表的反应动作慢，同时气源和管路的投资远比电路要大。

§10-2、常用仪表分类及特性：一、常用仪表分类：5、组成方式划分：　　分为基地式仪表、单元组合式仪表和组件组装式仪表。　　基地式仪表：专为特定被测量在特定测量范围内使用而设计的仪表，可容易地从它的标尺上直接读出测量结果，因而其通用性较差；　　单元式组合仪表：是针对应用通用性而产生的仪表，往往只完成单一的功能，例如变送单元、调节单元、显示单元等，各单元仪表间通过统一制式的信号进行连接，所以可根据需要选择不同的单元仪表灵活地构建系统；　　组件组装式仪表：是单元组合式仪表的进一步发展，形成各种功能不同的插件，并可选择多个插件以构成需要的仪表。目前常用在计算机控制系统中，如集散控制系统。

§10-2、常用仪表分类及特性：一、常用仪表分类：6、按安装使用方法划分：　　分为现场安装仪表、盘后架装仪表、盘装仪表、台式仪表和携带式仪表。　　现场安装的仪表：要求具有良好的防护结构，能提供防爆、防腐、抗振等能力。　　盘后架装的仪表：一般不具备显示功能，平时亦无操作需要。　　盘装仪表：安装在表盘上，一般同时具有显示和操作功能。这三种仪表是常用的工业仪表。　　台式仪表：主要用于实验室环境中；　　携带式仪表：则主要用于野外工作环境。

§10-2、常用仪表分类及特性：一、常用仪表分类：7、按防爆能力划分：　　普通型仪表、隔爆型仪表、安全火花型仪表　　普通型仪表：未采用任何防爆措施的仪表统称，只能用于非危险的场所。　　隔爆型仪表：采用了某种措施以防止燃烧和爆炸等事故的仪表，它可提供有效的隔爆措施，但这种防范是消极的。　　　　　安全火花型仪表：从根本上杜绝因电信号所产生的爆炸事故的仪表，它在设计之初就充分考虑了电路的有关问题，如采用低压直流小电流供电，并控制电路中的储能元件，使得电路在故障下所产生的电火花微弱到不足以引起周围的事故发生。是各种仪表中防爆性能最好的仪表。

§10-2、常用仪表分类及特性：一、常用仪表分类：8、按运算处理方式划分：　　分为模拟式仪表和数字式仪表两类。　　模拟式仪表：仪表核心运算是采用模拟信号方式进行的；　　数字式仪表：其运算和处理过程都是以数字信号为基础进行的。　　注意：显示部分是数字式的，并不能说明仪表就是数字式的。模拟式仪表常将模拟量转化成数字量后显示出来。

§10-2、常用仪表分类及特性：二、 DDZ-Ⅲ 型系列仪表介绍1、常规电动单元组合系列仪表的主要单元：①.变送单元：差压变速器、温度变速器等；②.调节单元：位式调节器、 PID调节器等；③.执行单元：角行程及直行程电动执行器等；④.显示单元：指示仪表、记录仪表等；⑤.计算单元：加减器、乘除器、开方器等；⑥.给定单元：恒流给定器、分流器等；⑦.转换单元：频率转换器、气电转换器等；⑧.辅助单元：操作器、阻尼器等。　　　

§10-2、常用仪表分类及特性：二、 DDZ-Ⅲ 型系列仪表介绍2、 DDZ　-Ⅲ 特点 ：①.　各单元以线性集成电路为主要元器件；②.各单元之间的联络信号采用国际统一信号制的 4~20mA　直流电流进行远传，该方式易于判断断线及易避开元件的死区和非线性段；③.输入阻抗较大，因而通过 250欧的电阻即可方便地将 4~20mA的直流电流转换成 1~5V　直流电压，以实现室内各单元间并联方式的信号传递。④.采用 24V 供电模式，使单电源集中供电得以实现。同时，由于采用了直流低压供电，并辅以安全栅等措施，才使仪表具备了“安全火花”防爆能力

§10-2、常用仪表分类及特性：二、 DDZ-Ⅲ 型系列仪表介绍3、仪表控制系统结构图 ：

§10-3、仪表输入输出静态特性分析：一、特性分析 ：　　仪表输入输出特性是衡量其性能的重要指标，它常用仪表输出相对于输入的变化曲线来表示，即以仪表的输入为横坐标、以仪表的输出为纵坐标所获得的特性曲线。　　为全面检定仪表的输入输出特性，一般需分别测量其上升曲线和下降曲线。上升曲线是由仪表的输入下限值渐增到上限值所对应的输出曲线，而反之则是下降曲线。理想情况下，仪表的输入输出特性曲线应是一条，此时上升曲线和下降曲线重合。但实际上仪表内部元件的储能、执行机构的死区等固有因素，常会影响到仪表的特性，从而使得其特性曲线由上升和下降两条曲线所组成，二者不重合。

§10-3、仪表输入输出静态特性分析：一、特性分析 ：　　通过分析仪表的输入输出特性曲线，可以知道仪表特性是线性的还是非线性的，同时也可以知道任何输入点不同方向上的仪表放大倍数、灵敏度、量程、输出范围、滞环和死区等指标。

§10-3、仪表输入输出静态特性分析：二、线性化处理 ：　　仪表在设计时，常希望其输入、输出特性具有线性特征：对于仪表元件特性或元件老化所造成的非线性，可通过适当的

调整或补偿手段得到改善；仪表输入与输出之间存在固有非线性关系时，则在仪表设计时

需要采取措施对其进行线性化处理。　　仪表特性的线性化过程主要有两种方式，由仪表的原理性连接方式即串联式连接和反馈式连接方式决定，即根据仪表的开环或闭环特性采用不同的线性化方法。

§10-3、仪表输入输出静态特性分析：二、线性化处理 ：　1、 2 个环节串联组成的仪表分析：①.方法：通过多串一个非线性环节的方式来实现线性化。②.结构图：③.补偿分析：　环节 1、环节 2 均非线性，如图曲线Ⅰ、Ⅱ。

§10-3、仪表输入输出静态特性分析：二、线性化处理 ：　1、 2 个环节串联组成的仪表分析：③.补偿分析：　环节 1：　环节 2：　环节 3：只要补偿环节非线性选择恰当，将消除环节 1、环节 2的影响，使输出 Y和输出 U之间成线性关系，如图曲线Ⅳ。

)(I UfY )( III YgY )( IIYhY

均为非线性关系

§10-3、仪表输入输出静态特性分析：二、线性化处理 ：　1、 2 个环节串联组成的仪表分析：③.补偿分析：　如果对多于三个环节的情况，可将一个坐标的输出信号线性映射到另一个坐标系，并作为新的从标系的输入继续线性化分析。

§10-3、仪表输入输出静态特性分析：二、线性化处理 ：　2、 2 个环节组成的反馈式仪表分析：①.结构图：　②.信号传递关系分析： 2

1

K2K1

　：反馈通道，放大倍数环节　：正向通道，放大倍数环节

2

1

2

11Kf

yuyKfuK

yKfKy

fu

足够大

偏差：

即：仪表总的放大倍数 K（即灵敏度）取决于环节 2，而与环节 1关系不大。

§10-3、仪表输入输出静态特性分析：二、线性化处理 ：　2、 2 个环节组成的反馈式仪表分析：①.结构图：　②.信号传递关系分析：③.

2

1

K2K1

　：反馈通道，放大倍数环节　：正向通道，放大倍数环节

2

1K

K

结论：当反馈式仪表环节 1有足够大稳态放大倍数时，其输入输出特性主要取决于环节 2　，而与环节 1关系不大。因此可以根据上式倒数关系，通过环节 2对该仪表进行线性化处理。例如：当仪表具有开方特性时，可在其反馈回路设计带乘方特性的环节，以使整机输入输出成线性特征。