自动化仪表的基本知识
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第一节 自动化仪表的基本知识
自动化仪表在船舶机舱中的应用很广泛。自动化仪表不 仅能组成反馈控制系统，对动力装置的运行参数进行自动 控制，而且还可以对运行参数进行测量和显示。因此，自 动化仪表是实现机舱集中监视和控制不可缺少的设备。
船用自动化仪表种类繁多，按功能分类：有测量仪表、 显示仪表、调节器和执行机构；按使用能源分类：有气动 仪表和电动仪表；按结构形式分类：有单元组合仪表和基 地式仪表。所谓单元组合仪表是指，控制系统的各种功能 都分别用一台独立的仪表来实现，包括测量仪表、显示仪 表、调节器等，各仪表之间用统一的标准信号联系起来。 气动仪表的统一信号是0.02～0.1 MPa；电动仪表的统一
3．相对误差 相对误差δ是指，仪表的绝对误差与指示值之比的百分数， 即：
A 相对误差的大小可以反映出仪表的测量准确度。 4．仪表的精度 仪表的精度是指测量中的最大指示误差Δmax占仪表的最 大测量范围 ( 量程 ) A′的百分数δ0，即：
100 %
0
max 100 % ' A
通常用去掉百分号的数字表示仪表精度的等级。仪表的 精度就是仪表盘或说明书中所写的精度等级，常见的等级 有0.1级、0.2级、0.35级、0.5级、1.0级、1.5；级、2.0 级、2.5级等，其中0.1级、0.2级和0.35级多用于标准仪 表。 5．仪表的灵敏度 灵敏度是指，仪表对输入信号开始有反映的灵敏程度， 若仪表的输入量变化Δ x，相对应的输出量变化Δ y则仪表 的灵敏度S为： 可见，仪表的灵敏度越大，越能测出微小的输入 变化。一般小量程仪表的灵敏度比大量程的灵敏度高。
信号是0～10mA或4～20mA。使用时可按不同要求，方便地 将各单元组合成简单的或复杂的反馈控制系统。 基地式 仪表是指，把测量仪表、显示仪表和调节器组装在一个壳 体内，成为不可分的整体，它们之间也不用统一信号联系。 在实际应用中，电动控制系统很少用电动单元组合仪表组 成，故电动单元组合仪表本章不加介绍。关于电动基地式 仪表的结构和工作特性，将在第四章结合实际操作系统予 以说明。在船上所采用的气动仪表中，基地式仪表和单元 组合式仪表两种形式都有，而气动单元组合仪表应用得更 多一些。本章主要介绍自动化仪表的基本知识、组成气动 仪表的基本元部件和气动单元组合仪表的结构、工作特性 及在管理中应注意的问题。 一、自动化仪表的主要品质指标
S
y x
6．仪表的不灵敏区、灵敏限、变差 由于仪表活动部件的摩擦、间隙、弹性元件滞后现象 的存在，当输入信号有一微小变化时，仪表输出仍然不变， 这就是不灵敏区。 灵敏限是指，引起仪表输出有一微小变化时，所需输 入量的最小变化值，一般认为不灵敏限等于1／2不灵敏区。 仪表的变差是指在外界条件不变的情况下，多次由不 同方向使仪表输入为同一真值时，仪表指示值之间的最大 误差。即仪表在同一测量点，其正行程和反行程指示值之 差。可见，仪表的不灵敏区是由输入量的变化来表示的， 而变差是以输出量的指示变化来表示的，它们都是仪表结 构不完善程度的标志。
S PFe E
式中，Fe是波纹管的有效面积。E是波纹管和支承弹簧 （如有支承弹簧）的总刚度。 从上面的式子可以看出，弹性元件在弹性变形范围内， 其刚度E为常数，波纹管的有效面积为常数。则弹性元件 的输出量S与输入量之间是成比例关系的。实验结果表明， 对波纹管的压缩变形比拉伸变形具有更好的线性关系，且 处于压缩状态能承受较大的压力。如果一开始让波纹管处 于自由状态,其工作过程中是处于拉伸变形 ,则它
附加误差是仪表在使用中，由于外界条件的影响，如 环境温度、湿度、振动等所引起的误差。一般在仪表设计 中预先都采取了一些补偿措施来减小附加误差，但不可能 彻底消除。在仪表的说明书中，规定了使用方法和使用条 件，以免带来过大的附加误差。 2．绝对误差 绝对误差又称指示误差，若仪表表示的被测参数值为A， 而被测参数的真值是A0，则绝对误差Δ ＝A一A0，被测参 数的绝对真值是很难得到的，一般是用精度高的标准仪表 所测得的平均值作为被测参数的真值A，绝对误差往往是 不能完全反映仪表的精度的，比如Δ ＝ 0.01 MPa，若测 量范围是10 MPa的话，该误差可忽略不计。但若测量范围 是0.02～0.1MPa，则这个误差已大到该仪表不能再使用了。
二、气动仪表的元部件及组成原理 1．气动仪表的基本元部件 气动仪表的类型很繁多，即使是功能相同的仪表，但在 结构上也可能有又很大差。但是，构成这些仪表的基本元 部件为数并不多，常用的基本元部件有弹性元件、节流元 件、气体容室、喷嘴档板机构和功率放大器等。 1）弹性元件 根据弹性元件在仪表中所起的作用，可分为弹性敏感元 件和弹性支承元件。
（1）弹性敏感元件 弹性敏感元件的作用是将承受的压力或轴向推力转变成 位移信号。弹性敏感元件的刚度E较小、灵敏度(刚度的倒 数) δ较大，当对弹性敏感元件施加一定的轴向推力时，
其变形位移量较大，也就是说，它们对轴向推力的变化 反应是敏感的。
图3-1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ1 常用弹性敏感元件
弹性敏感元件有波纹管、金属膜片、橡胶膜片、弹簧 管和金属膜盒等。如图3-1-1所示。假定，送人波纹管的 气压信号P，它是弹性敏感元件的输入量，波纹管的位移 量S是弹性敏感元件的输出量，显然输出与输入的关系是：
在自动控制和监视系统中，被控参数的测量及控制是否 准确，对系统的正常使用管理和安全运行有直接影响。 实际上不论用什么方法测量，所用仪表多么精密，所测结 果与参数的真值之间总有一定的差别，习惯上称为“误 差”。对自动化仪表品质的要求，主要是看它能以多大的 准确度来反映被测量参数的真值。测量值与真值越接近， 仪表的误差就越小，测量精度也就越高。但仅用误差来描 述仪表的好坏是不够的，还必须从多方面来鉴别仪表的品 质，如仪表精度、灵敏度、不灵敏区等。 1. 基本误差与附加误差 基本误差是由于仪表结构中的间隙、摩擦、刻度不均或 分度不准等原因所造成的误差，即为仪表本身缺陷所造成 的误差。因此，在设计制造仪表时，总是设法减少造成这
自动化仪表在船舶机舱中的应用很广泛。自动化仪表不 仅能组成反馈控制系统，对动力装置的运行参数进行自动 控制，而且还可以对运行参数进行测量和显示。因此，自 动化仪表是实现机舱集中监视和控制不可缺少的设备。
船用自动化仪表种类繁多，按功能分类：有测量仪表、 显示仪表、调节器和执行机构；按使用能源分类：有气动 仪表和电动仪表；按结构形式分类：有单元组合仪表和基 地式仪表。所谓单元组合仪表是指，控制系统的各种功能 都分别用一台独立的仪表来实现，包括测量仪表、显示仪 表、调节器等，各仪表之间用统一的标准信号联系起来。 气动仪表的统一信号是0.02～0.1 MPa；电动仪表的统一
3．相对误差 相对误差δ是指，仪表的绝对误差与指示值之比的百分数， 即：
A 相对误差的大小可以反映出仪表的测量准确度。 4．仪表的精度 仪表的精度是指测量中的最大指示误差Δmax占仪表的最 大测量范围 ( 量程 ) A′的百分数δ0，即：
100 %
0
max 100 % ' A
通常用去掉百分号的数字表示仪表精度的等级。仪表的 精度就是仪表盘或说明书中所写的精度等级，常见的等级 有0.1级、0.2级、0.35级、0.5级、1.0级、1.5；级、2.0 级、2.5级等，其中0.1级、0.2级和0.35级多用于标准仪 表。 5．仪表的灵敏度 灵敏度是指，仪表对输入信号开始有反映的灵敏程度， 若仪表的输入量变化Δ x，相对应的输出量变化Δ y则仪表 的灵敏度S为： 可见，仪表的灵敏度越大，越能测出微小的输入 变化。一般小量程仪表的灵敏度比大量程的灵敏度高。
信号是0～10mA或4～20mA。使用时可按不同要求，方便地 将各单元组合成简单的或复杂的反馈控制系统。 基地式 仪表是指，把测量仪表、显示仪表和调节器组装在一个壳 体内，成为不可分的整体，它们之间也不用统一信号联系。 在实际应用中，电动控制系统很少用电动单元组合仪表组 成，故电动单元组合仪表本章不加介绍。关于电动基地式 仪表的结构和工作特性，将在第四章结合实际操作系统予 以说明。在船上所采用的气动仪表中，基地式仪表和单元 组合式仪表两种形式都有，而气动单元组合仪表应用得更 多一些。本章主要介绍自动化仪表的基本知识、组成气动 仪表的基本元部件和气动单元组合仪表的结构、工作特性 及在管理中应注意的问题。 一、自动化仪表的主要品质指标
S
y x
6．仪表的不灵敏区、灵敏限、变差 由于仪表活动部件的摩擦、间隙、弹性元件滞后现象 的存在，当输入信号有一微小变化时，仪表输出仍然不变， 这就是不灵敏区。 灵敏限是指，引起仪表输出有一微小变化时，所需输 入量的最小变化值，一般认为不灵敏限等于1／2不灵敏区。 仪表的变差是指在外界条件不变的情况下，多次由不 同方向使仪表输入为同一真值时，仪表指示值之间的最大 误差。即仪表在同一测量点，其正行程和反行程指示值之 差。可见，仪表的不灵敏区是由输入量的变化来表示的， 而变差是以输出量的指示变化来表示的，它们都是仪表结 构不完善程度的标志。
S PFe E
式中，Fe是波纹管的有效面积。E是波纹管和支承弹簧 （如有支承弹簧）的总刚度。 从上面的式子可以看出，弹性元件在弹性变形范围内， 其刚度E为常数，波纹管的有效面积为常数。则弹性元件 的输出量S与输入量之间是成比例关系的。实验结果表明， 对波纹管的压缩变形比拉伸变形具有更好的线性关系，且 处于压缩状态能承受较大的压力。如果一开始让波纹管处 于自由状态,其工作过程中是处于拉伸变形 ,则它
附加误差是仪表在使用中，由于外界条件的影响，如 环境温度、湿度、振动等所引起的误差。一般在仪表设计 中预先都采取了一些补偿措施来减小附加误差，但不可能 彻底消除。在仪表的说明书中，规定了使用方法和使用条 件，以免带来过大的附加误差。 2．绝对误差 绝对误差又称指示误差，若仪表表示的被测参数值为A， 而被测参数的真值是A0，则绝对误差Δ ＝A一A0，被测参 数的绝对真值是很难得到的，一般是用精度高的标准仪表 所测得的平均值作为被测参数的真值A，绝对误差往往是 不能完全反映仪表的精度的，比如Δ ＝ 0.01 MPa，若测 量范围是10 MPa的话，该误差可忽略不计。但若测量范围 是0.02～0.1MPa，则这个误差已大到该仪表不能再使用了。
二、气动仪表的元部件及组成原理 1．气动仪表的基本元部件 气动仪表的类型很繁多，即使是功能相同的仪表，但在 结构上也可能有又很大差。但是，构成这些仪表的基本元 部件为数并不多，常用的基本元部件有弹性元件、节流元 件、气体容室、喷嘴档板机构和功率放大器等。 1）弹性元件 根据弹性元件在仪表中所起的作用，可分为弹性敏感元 件和弹性支承元件。
（1）弹性敏感元件 弹性敏感元件的作用是将承受的压力或轴向推力转变成 位移信号。弹性敏感元件的刚度E较小、灵敏度(刚度的倒 数) δ较大，当对弹性敏感元件施加一定的轴向推力时，
其变形位移量较大，也就是说，它们对轴向推力的变化 反应是敏感的。
图3-1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ1 常用弹性敏感元件
弹性敏感元件有波纹管、金属膜片、橡胶膜片、弹簧 管和金属膜盒等。如图3-1-1所示。假定，送人波纹管的 气压信号P，它是弹性敏感元件的输入量，波纹管的位移 量S是弹性敏感元件的输出量，显然输出与输入的关系是：
在自动控制和监视系统中，被控参数的测量及控制是否 准确，对系统的正常使用管理和安全运行有直接影响。 实际上不论用什么方法测量，所用仪表多么精密，所测结 果与参数的真值之间总有一定的差别，习惯上称为“误 差”。对自动化仪表品质的要求，主要是看它能以多大的 准确度来反映被测量参数的真值。测量值与真值越接近， 仪表的误差就越小，测量精度也就越高。但仅用误差来描 述仪表的好坏是不够的，还必须从多方面来鉴别仪表的品 质，如仪表精度、灵敏度、不灵敏区等。 1. 基本误差与附加误差 基本误差是由于仪表结构中的间隙、摩擦、刻度不均或 分度不准等原因所造成的误差，即为仪表本身缺陷所造成 的误差。因此，在设计制造仪表时，总是设法减少造成这