《自动化仪表》ppt教案：自动化仪表课件

自动化仪表
目 录
1.概述
1.1 控制仪表与装置总体概述
1.2.仪表的分析方法
2.控制器
2.2模拟控制器
2.3,数字式控制器
2.1.控制规律
3.1.概述
3.2 差压变送器
3.变送器
4.其他常用的单元仪表
4.1.开方器
4.2.积算器
4.3 辅助单元仪表
5.执行器
5.1,概述
5.2.执行机构
5.3.调节机构
5.4,执行器的选择计算
5.5.阀门定位器
6.课间休息
控制仪表与装置是实现生产过程自动化必
不可少的工具，其重要性可通过下图 1-1所示
例子来说明。
1.1,控制仪表与装置总体概述
1.1.1,自动控制系统和控制仪表
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图 1-1为一加热温度控制系统。原料通过加热
炉内炉管加热，要求其出口温度保持一定，以满足
生产需要；加热炉以燃料油作为燃料。图中温度变
送器、控制器和执行器构成了一个单回路控制系统。
炉出口温度经测温元件和温度变送器转换成相应的
标准统一信号送到控制器，与给定值 SP相比较，控
制器按照比较后得到的偏差，以一定的控制规律发
出控制信号，控制执行器的动作，改变燃料油的流
量，从而使出口温度 T保持在于给定值基本相等的数
值上。
为了提高控制系统的功能，还可以增加一些仪表，如显示器、手操
器等。而为了改善控制质量，还可以采用串级控制等其他更复杂的控制
方案，显然，这将需要用到更多的仪表。
实际所采用的仪表，可以是电动仪表，气动仪表等各种系列的仪表，
也可以是各种控制装置，所有这些仪表或装置都属于控制仪表装置范畴。
显而易见，如果没有这些仪表或装置，就不可能实现自动控制。
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1.1.2,控制仪表与装置的分类及特点
通常, 控制仪表与装置可按能源形式, 信号类型,
和结构形式来分类 。
1.1.2.1.按能源形式分类
可分为电动, 气动, 液动和机械式等几类 。 工业上普
遍使用电动控制仪表和气动控制仪表, 两者之间的比较如
表 1-1所示 。
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电动控制仪表具有能源获取方便, 信号传输和处理容易, 便于实
现集中显示和操作等特点 。 目前在工业上电动控制仪表得到了最为广
泛的应用 。 鉴于此, 本课程将重点介绍这一类仪表 。
气动控制仪表具有结构简单, 性能稳定, 可靠性高, 易于维护,
安全防爆等特点 。 特别适用于石油, 化工等具有爆炸危险的场合 。
表 1－ 1 电动控制仪表和气动控制仪表的比较
电动控制仪表 气动控制仪表
能源
传输信号
构成
接线
电源（ 220V AC）
（ 24V DC）
电信号（电流、电压或数字）
电子元器件 （电阻、电容、电
子放大器、集成电路、微处理
器等）
导线，印刷电路板
气源（ 140kPa）
气压信号
气动元件（气阻、
气容、气动放大器
等）
导管，管路板
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1.1.2.2,按信号类型分类
可分为模拟式和数字式两大类 。
模拟式控制仪表由模拟元器件组成, 其传输信号通常为连续变化的
模拟量, 如电流信号, 电压信号, 气压信号等 。
数字式控制仪表以微处理器, 单片机等大规模集成电路芯片为核心
。 其传输信号通常为段续变化的数字量, 如脉冲信号 。
1.1.2.3,按结构形式分类
可分为单元组合式控制仪表, 基地式控制仪表, 集散型计算机控制
系统以及现场总线控制系统 。
（ 1） 单元组合式控制仪表
是根据控制系统各组成环节的不同功能和使用要求, 将仪表做成能
实现一定功能的独立仪表 （ 称为单元 ）, 各个仪表之间用统一的表标准
信号进行联系 。 这类仪表有电动单元组合仪表 （ DDZ） 和气动单元组合仪
表 （ QDZ） 两大类 。
单元组合仪表可分为变送单元, 执行单元, 控制单元, 转换单元,
运算单元, 显示单元, 给定单元和辅助单元等八类 。
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① 变送单元 它能将各种被测参数, 如温度, 压力, 流量, 液位等
物理量变换成相应的标准统一信号 （ 4— 20mA,0— 10mA或 20— 100kPa） 传
送到接受仪表或装置, 以供指示, 记录或控制 。
变送单元的品种有：温度变送器, 压力变送器, 差压变送器, 流量变
送器, 液位变送器等 。
② 转换单元 转换单元将电压, 频率等电信号转换成标准统一信号
,或者进行标准统一信号之间的转换, 以使不同信号可以在同一控制系统
中使用 。
转换单元的品种有：直流毫伏转换器, 频率转换器, 电 -气转换器,
气 -电转换器等 。
③ 控制单元 它将来自变送单元的测量信号与给定信号进行比较,
按照偏差给出控制信号, 去控制执行器的动作 。
控制单元的品种有：比例积分微分控制器, 比例积分控制器, 微分控
制器以及具有特种功能的控制器等 。
④ 运算单元 它将几个标准统一信号进行加、减、乘、除,开方
、平方等运算，适用于多种参数综合控制、比值控制、流量信号的温度压
力补偿计算等。
运算单元的品种有：加减器, 乘除器和开方器等 。
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。
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的品种有：指示仪, 指示记录仪, 报警器, 比例积算器和开方积算器等
。
⑥ 给定单元 它将输出标准统一信号, 作为被控变量的给定值送
到控制单元, 实现定值控制 。
给定单元的品种有：恒流给定器, 定值器, 比值给定器和时间程序
给定器等 。
⑦ 执行单元 它将按照控制器 ⑤ 显示单元 它对各种被测参数进
行指示, 记录, 报警和积算, 供操作人员监视控制系统和生产过程工况
之用 。
显示单元输出的控制信号或手动操作信号, 去改变控制变量的大小
。
执行单元的品种有：角行程电动执行器, 直行程电动执行器和气动
薄膜调节阀等 。
⑧ 辅助单元 辅助单元是为了满足自动控制系统某些要求而增设
的仪表, 如操作器, 阻尼器, 限幅器, 安全栅等等 。
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（ 2） 基地式控制仪表
基地式控制仪表相当于把单元组合仪表的几个单元组合在一起, 构
成一个仪表 。
（ 3） 集散控制系统 （ DCS系统 ）
DCS系统是一种以微型计算机为核心的计算机控制装置 。 其基本特
点是分散控制, 集中管理 。
（ 4） 现场总线控制系统 （ FCS系统 ）
FCS系统是基于现场总线技术的一种新型计算机控制装置 。 其特点
是现场控制和双向数字通 。
1.1.3,信号制
信号制即信号标准，是指仪表之间采用的传输信号的类型和数值。
1.1.3.1,信号标准
（ 1）气动仪表的信号的信号标准
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中国国家标准 GB777,化工自动化仪表用模拟气动信号, 规定了气动仪表的
信号的下限值和上限值，如表 1-2所示
表 1－ 2 模拟信号的下限值和上限值
下限 上限
20kPa(0.2kgf/c㎡ ) 100kPa(1kgf/c㎡ )
（ 2）电动仪表的信号标准
中国国家标准 GB339,化工自动化仪表用模拟直流电流信号, 规定了
电动仪表的信号, 如表 1-3所示 。
表 1－ 3 模拟直流电流信号及其负载电阻
序号 电流信号 负载电阻
1
2
4－ 20mADC 250-750Ω
0-10mADC
0-1000Ω
0-3000Ω
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1.1.3.2,电动仪表信号标准的使用
（ 1） 现场与控制室之间采用直流电流信号
采用直流电流信号具有以下优点。
① 直流信号比交流信号干扰少 ;
② 直流信号对负载的要求简单 ;
③ 电流比电压更利于远传信息。
（ 2） 控制室内部仪表之间采用直流电压信号
它可以采用并联连接方式, 使同一个电压
信号为多个仪表所接收 。 而且任何一个仪表拆
离信号回路都不会影响其他仪表的运行 。
（ 3） 控制系统仪表之间典型连接方式
综上所述, 电流传送适合于远距离对单个
仪表传送信息, 电压传送适合于把同一信息传送到并联的多个仪表, 两者
结合, 取长补短 。 控制系统仪表之间典型连接方式如图 1-2所示 。
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1.2.仪表的分析方法
仪表整体结构上看，模拟式控制仪表有两种构成形式。
① 仪表整机采用单个放大器, 其放大器可由若干级放大电路或不同的
放大器串联而成 。 属于这一类的仪表有 DDZ-Ⅱ 型仪表, 大部分的变送器以及
气动仪表等 。
② 整机由数目不等的运算放大器电路以不同形式组装而成 。 如 DDZ-Ⅲ,
I系列和 EK系列仪表等 。
这一类仪表一般具有如图 1-3所
示的典型结构，即整个仪表可以划分
为三部分：输入部分、放大器和反馈
部分 。
1.2.1,采用单个放大器的仪表分析方法
1.2.1.1.采用单个放大器的仪表特点
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由图 1-3可以求得整个仪表的输出与输入关系为
(1-1)
式中 —— 输入部分的转换系数；
—— 放大器的放大系数；
—— 反馈部分的反馈系数 。
当满足 KKf>>1的条件时
(1-2)
由于
因此, 即 (1-3)
上述分析表明, 采用单个放大器的仪表具有如下特点 。
① 在满足 的条件时, 仪表的输出榆树如关系仅取决于输入
部分的特性和反馈部分的特性 。
② 在满足 的条件时, 仪表的输入部分的输出信号 于整机
输出信号 y经反馈部分反馈到放大器输入端的反馈信号 基本相等, 即
放大器的净输入 ε趋向于零 。
K
f
i
KK
KK
x
y
?? 1
iK
fK
f
i
K
K
x
y ?
yKZxKZ ffii ??,
0??? fi ZZ?fi ZZ ?
1??fKK
1??fKK
iZ
iZ
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1.2.1.2.分析方法
式（ 1-1） -（ 1-3）是对采用单个放
大器的仪表进行分析的主要依据。对于
这一类仪表的分析，首先是将仪表划分
为三部分：输入部分、放大器和反馈部
分。然后对各个部分进行分析，重点式
输入部分和反馈部分。进而根据式（ 1-2）
或式（ 1-3）求出整机输出与输入之间的
关系，即可得到整机性。
要将整个仪表划分为三个部分, 关
键是如何确定图 1-3的比较环节和引出反
馈的取样环节；比较环节的确定可以从
放大器的输入端即 ε 所加位置着手；取
样环节的确定可以从仪表的输出信号回
路着手 。
电动仪表的比较方式有两种：串联
比较和并联比较 。 如图 1-4和 1-5所示 。
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电动仪表的取样方式有两种：电流取样和电压取样。如图 1-6所示。
1.2.2,采用运算放大器的仪表分析方法
这一类仪表的线路是由若干个运算放大器电路组装而成，主要是运
算放大器电路以串联形式相连。
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1.2.2.1.运算放大器的基本知识
（ 1） 运算放大器的基本性能
在仪表电路图中, 运算放大器一般用图 1-7所
示的长方形符号表示 。
① 引出端 有五个基本的引出端
a.输入端 （ +,-） +端位同相输入端, -端位
反相输入端 。
b.输出端 U。 为输出端对地的电压。
c.电源端 （ U+,U-） 他们通常分别连接到运算放大器所需的正, 负电
源上 。
② 运算放大器基本特征
在分析仪表线路时,往往把运算放大器理想化。理想运算放大器具有如下
特点：
a.输入电阻 ；
b.输出电阻 ；
c.开环电压增益 ；
d.失调及其漂移为零。
??iR
0??R
???K
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由上述特点，可以得出如下两条重要的结论：
a,差模输入电压为零，即 或 ；
b,输入端输入电流为零 即 。FT UU ? 0?dU 0,0 ?? bFbT II
（ 2）运算放大电路
① 反相端输入 反相端输入运算放大器电路如图 1-8所示。
因为
所以
又因为
所以
整理可得
0,0 ?? bFbT II
0
21
1
21
2 ?
???? TiF UURR
RU
RR
RU,
?
TF UU ?
，0
21
1
21
2 ?
???? ?URR
RU
RR
RU
iF
1
20
R
R
U
U
i
?? (1-4)
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② 同相端输入 同相端输入运算放大器电路如图 1-9所示 。
iTF UUURR
RU ?
??,021
1
因为 0,0 ??
bFbT II
所以
又因为
TF UU ?
所以,
0
21
1 U
RR
RU
i ??
即
1
20 1
R
R
U
U
i
?? （ 1－ 5）
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③ 差动输入 差动输入运算放大器电路如图 1-10所示。
因为 0,0 ??
bFbT II
所以
iTTiFF URR
RUU
RR
RU
RR
RU
43
4
21
1
21
2 ??????,?
又因为
TF UU ?
4
3
2
1 RRRR ?如果
所以
iFiT UR
RU
RR
R
R
RRU
1
2
43
4
1
21
0 )( ???
?? (1-6)
(1-7)
则
idiFiT UR
RUU
R
RU
1
2
1
20 )( ??? （ 1－ 8）
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思考题与习题
1－ 1 单元组合式控制仪表有哪些单元？各有哪些功能？
1－ 2 什么是信号制？控制系统仪表之间采用何种连接方式最佳？为什么？
1－ 3 试用本章所介绍的方法，直接”看“出图 1－ 11所示电路的输入输出关
系。
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2.1.控制 规律
2.1.1.控制规律的表示方法
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控制器在自动化控制系统中起控制作用。它将来自变送器的测量
信号与给定值相减以得到偏差信号，然后对偏差信号按一定的控制规
律进行运算，运算结果为控制信号，输出至执行器。
习惯上，单元组合仪表和单个仪表形式的控制器常称调节器，如
DDZ-II型电动调节器,DDZ-III型电动 调节器和可编程调节器等。
本章首先介绍控制规律的基本概念，这是控制器的共性问题；然
后介绍模拟式控制器和数字式控制器。有关可编程程序控制器等内容
将在以后的章节中介绍。
2.1.1.1.何为控制器的控制规律
图 2－ 1是单回路控制系统 方框图。在该控制系统中，被控量由于
受扰动 d（如生产 负荷的改变，上下工段间的生产不平衡现象等）的
影响，常常偏离给定值，即被控变量产生了偏差
sm xxx ??? （ 2-1）
式中, Δ x为偏差；为测量值；为给定值。
控制器接受了偏差信号 Δx后，按一定的控制规律使其输出信号
Δ y发生变化，通过执行器改变操纵量 q,以抵消干扰对被控量 θ的影
响，从而是被控量回到被控量上来。
控制器 执行器 被控对象
变送器
图 2－ 1 单回路控制系统方框图
mx
sx
?
x? y? q ?
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被控量能否回到给定值上，或者以什么样的途径、经过多长时间回
到给定值上来，这不仅仅与被控对象特性有关，而且还与控制器的特性
有关。只有熟悉了控制器的特性，才能达到自动控制的目的。
控制器的控制规律就是控制器的输出信号随输入信号（偏差）变
化规律。这个规律常常称为控制器的特性。
必须强调指出，在研究控制器特性时，控制器的输入是被控量（测
量值）与给定值之差即偏差 Δ x,而控制器的输出是控制接受偏差后，
相应的输出信号的变化量 Δ y。
对控制器而言，习惯上,Δ x>0称正偏差； Δ x<0称负偏差； Δ x>0，
相应的 Δ y>0则该控制器称正作用控制器； Δ x>0，相应的 Δ y<0，则
该控制器称反作用控制器。
基本控制规律有比例 （ P）、积分（ I）,微分（ D） 三种。由这些控
制规律组成 P,PI,PD,PID等几种 工业上常用的控制规律。
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2.1.1.2,控制规律的表示方法
不少控制仪表输入和输出的物理量是不同的，特别是基地式控制
器，它们的输入信号可能是温度、压力等，而输出信号为 20～ 100kpa
或 0～ 10mADC等。为了用一个统一的式子表示控制器的特性，可用相
对变化量来表示控制器的输入和输出，即控制器的输入是偏差相对输
入信号范围的比值，输出变化量相对于输出信号范围的比值。即
m i nm a x
x
xxX ?
??
,
m i nm a x yy
yY
?
?? (2-2)
式中 minmax xx ? ----输入信号范围；
minmax yy ? ----输出信号范围；
X----用相对变化量表示的控制器输入；
Y----用相对变化量表示的控制器输出；
Δ x----控制器的输入偏差，为方便起见，后面用 x表示；
Δ y----控制器的输出变化量，后面用 y表示。
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控制器的特性用相对变化量 X和 Y的关系式表示，一般有如下 5
种表示方法。
① 微分方程表示法
② 传递函数表示法
③ 频率特性表示法
④ 图示法
⑤ 离散化表示法
2.1.2.控制器的基本控制规律
2.1.2.1.比例控制规律
只具有比例控制规律的控制器为比例控制器，其输出与输入成比
例关系，即
Yp=KpX （ 2-3）
式中 Kp----比例放大 倍数，或称比例增益。
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阶跃响应特性如 图 2-2所示。
（ 1）比例增益和比例度
比例增益 Kp反映 比例作用的强弱,Kp
越 大，比例作用越强，即在一定 的
输入量 X下,控制器输出的变化量 越
大控制作用越强。反之亦然。在模 拟
控制器中，比例作用的强弱是用 Kp
的倒数 ----比例度 δ 进行刻度 的，
δ 与 Kp的关系 表示如下
δ ＝ 1/Kp× 100％ （ 2-4）
但上式中％一般不在比例度盘上划出来 。
由式（ 2-2）、式 (2-3)和式 (2-4),可得到比例度的一般表达式
)]/()[(
m i nm a x
12
m i nm a x
12
yy
yy
xx
xx
?
?
?
??? （ 2-5）
X
0X t
Y
0Y t
图 2－ 2 比例控制器的阶跃响应特性
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式中 12 xx ? ----输入信号的变化量；
12 yy ?
minmax xx ?
----输入信号的范围；
minmax yy ? ----输出信号的范围。
由式（ 2-5） 可以定义比例度为：控制器的输入变化量相对于输
入信号的范围，占相应的输出变化量相对于输出信号范围的百分数。
对于输入信号的范围与输出信号的范围相同的控制仪表或装置，式
（ 2-5） 可改写为
％1 00)(
12
12 ?
?
??
yy
xx?
（ 2）比例控制规律的特点
对于比例作用的控制器来说，只要有偏差输入，其输出立即按比
例变化，因此比例控制作用及时迅速；但只具有比例控制规律的控制
系统，当被控变量受扰动影响而偏离给定值后，控制器的输出必定要
发生变化。而在系统达到新的稳态以后，为了克服扰动的影响，控制
----输出信号的变化量；
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器的输出不是原来的数值。由于控制器的输出与偏差成比例关系，被
控变量也就不可能回到原来的数值上，即存在残余偏差 —— 余差。
余差是比例控制器应用方面的一个缺点，在控制器的输出变化量
相同的情况下,Kp越大，即 比例度越小，余差也越小。但是,若 Kp
过分大，系统容易振荡，甚至发散。此外，余差的大小还与扰动的
幅值有关，若为阶跃扰动，其幅值越大，在 相同 Kp下，余差也越大。
由于负荷的变化是系统的一种扰动，一次比例控制器 一般实用于负荷
不大、允许有余差的系统。
2.1.2.2.比例积分控制规律
比例控制器的缺点是有余差。若要求控制系统无余差，就得增加积
分控制规律（即积分作用）。
（ 1）积分作用
积分作用的输出与偏差对时间的积分成比例关系，即
?? X dtTY
I
1 （ 2-6）
式中 IT ―― 积分时间。
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0X
X
0Y
X
0t 1t
t
t
图 2－ 3 方波信号下积分作用的响应
上式表明，只要控制器输入（偏差）存
在，积分作用的输出就会随时间不断变化，
只有当偏差等于零时，输出才稳定不变，图
2－ 3可以更加清楚说明这一点。这表明积
分作用具有消除余差的能力，对一个很小的
偏差，虽然在很短的时间内，积分作用的输
出变化很小，还不足以消除偏差，然而经过
一段时间，积分作用的输出总可以增大到足
以消除偏差的程度。
由于积分作用的输出与时间的长短有关。
一定偏差作用下，积分作用的输出随时间的
延长 而增加，因此积分作用具有“慢慢来”的
特点。 由于这一特点，即使有一个较大的
偏差存在,但在一开始积分作用的输出总是比较小的，即一开始控制作用
太弱，从而控制不及时，因而积分作用一般不会单独使用，而是与比例作用一起
组成具有比 例积分控制规律的控制器。
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（ 2）比例积分控制规律
具有比例积分控制规律的控制器称为比例积分控制器，其特性为
??? )1( X dtTXKY
I
p
（ 2-7）
比例积分控制器的输出可以表示成比例与
积分两种作用的输出之和。即上式可以表示为
Ip YYY ??
式中 pY ―― 比例作用输出，
IY ―― 积分作用输出，
XKY pp *?
在阶跃信号输入时，比例积分控制器的输
出变化 如图 2-4所 示。
在加入阶跃信号瞬间，输出跳跃上去（ AB
段所示），这是比例作用，以后呈线性增加
（ BD段所示），这是积分作用。
dtXTKY
I
p
I ?? *
X
0X
Y
0Y
A
t
tA
B
0T
C
D
图 2-4 比例积分控制器阶跃响应曲线
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（ 3） 积分时间 IT
积分时间 IT 反映积分作用的强弱,IT 越小，积分作用越强，即
在一定的输入量Ｘ及相等时间条件下，控制器输出的变化量越大，
控 制作用越强。反之亦然。
在阶跃信号输入幅值为 A时，积分作用输出为
tATKttATKAd tTKY
I
P
I
Pt
tI
P
I ????? ? )( 12
1
2
若取积分作用的输出
IY
等于比例作用的输出 PK, 即
AKtATK P
I
P ??
则 tT
I ??因此积分时间的定义为：在阶跃信号输入下，积分作用的输出
变化到 等于比例作用的输出所经历的时间就是积分时间 IT
（ 4）控制点、控制点偏差与控制精度
（ 5）积分增益与开环放大倍数
（ 2-8）
(2-9)
返回目录
返回目录
返回目录
返回目录
返回目录
返回目录
返回目录
（ 6）积分饱和
具有积分作用的控制器在单方向偏差信号的长时间作用下，其输
出达到输出范围上限值或下限值以后，积分作用将继续进行，从而使
控制器脱离正常工作状态，这种现象称为积分饱和。
积分饱和现象在控制系统中 是十分有害的，其影响可用图 2-5来
说明。图中设输出信号上限幅值为 20mA。由图可见，如果控制器处
于积分饱和状态，当偏差反向时，
控制器输出不能及时改变，需要经
过一段时间，即要到积分作用部分
回到正常工作状态以后才能对偏差
作出正确的反应。这段等待时间使
控制器暂时失去了控制功能，从而
造成控制不及时，使控制品质变坏
，甚至危及安全。
防止积分饱和的方法通常有两种：
① 在控制器输出达到输出范围
上限值或下限值时，暂时去掉积分作
iI
t
0I
20
等待
时间 t
图 2－ 5 积分饱和的影响
返回目录
限值 或下限值时，暂时去掉积分作 用，如由比例积分作用变为纯比例
作用；
② 在控制器输出达到输出范围上限值或下限值时，使积分作用不
继续 增加，如在比例积分电路的输入端另加一个与偏差相反的信号 。
2.1.2.3,比例微分控制 规律
比例作用根据偏差的大小进行自动控制，积分作用可以消除被控变
量的余差。 对于一般控制系统来说,使用比例积分作用已经能满足生
产过程自动控制的要求了。 但是对一些要求比较高自动控制系统，常
希望根据被控变量变化的趋势,而采取控制措施,防止被控变量产生
过大的偏差。为此可使用具有微分作用控制规律的控制器。
（ 1） 微分控制规律
所谓被控变量的变化趋势，就是偏差变化的速度。控制器微分作
用的输出与偏差变化的速度成正比，可用下式表示
dt
dXTY
D?
式中 dtdX 为偏差变化的速度； DT 为微分时间。
(2-10)
返回目录
上式表明，对这种微分控制规律来说，输入偏差变化的速度越大，
则微分作用的输出越大，然而对于一个固定不变的偏差，不管这个偏
差有多大，微分作用的输出总是零。这种微分控制规律通常称为理想
微分作用。理想微分控制器的阶跃响应曲线如 图 2-6所 示，由图可以
更直观看出理想微分作用的这一特点。
由于微分作用的这一特点，因此这种理想的微分作用不能单
独作为控制规律使用。在控制器中，通常采用微分作用和比例作用以
及一阶惯性环节组合的实际比例微分控制规律。
（ 2）实际比例微分控制规律
具有实际比例微分控制规律的控制
器称为比例微分控制器，其特性为
)( XdtdXTKYYY DPPD ????
（ 2-11）
比例微分控制器传递函数为
s
K
T
sT
K
sX
sYsG
D
D
D
P
?
?
??
1
1
)(
)()( （ 2-12）
X
0X
0t
t
?
0t
Y
0Y t
图 2-6理想微分控制器的阶跃响应曲线
返回目录
阶跃响应 特性如图 2-7所 示。
（ 3）微分作用的参数及其测定
在阶跃信号输入幅 值为 A时,经拉氏反变换，可以求得比例微分
控制器输出为
])1(1[)( DtDP eKAKtY ?????
式中
D?
为微分时间常数，
D
D
D K
T??
（ 2-13）
(2-14)
式 (2-13)即为 图 2－ 9所 示的比例微分控制器阶跃响应曲线的表达
式。它表明，在阶跃信号输入下，比例微分控制器由比例作用输出
PY 和微分作用输出 DY 两部分组成。 PY 和 DY 分别为
AKY PP ? （ 2-15）
返回目录
0X
A
Y
0Y
AKK DP
B
C
0?
％2.63)1( ?? AKK DP
DY
PY t
t
A
图 2－ 7 比例微分控制器的阶跃响应曲线
返回目录
D
t
DPD AeKKtY
???? )1()( （ 2－ 16）
当 t 0 时，由式（ 2－ 22） 可得输出得初始值为
（ 2－ 17）AKKY DP?)0(
当 t ? 时，可得输出得稳态值为
AKY P?? )( （ 2－ 18）
式 （ 2－ 13）,式（ 2－ 17） 和
式（ 2－ 18） 表明，在阶跃输入下，
比例微分控制器得输出，一开始将
输入信号放大 倍，以后按时
D?
DPKK间常数为 的指数曲线下降，最
终只剩下比例作用的输出
（ 如图 2－ 7所示 ）。
AKP
X
0X
A
Y
0Y
AKK DP
B
C
0?
％2.63)1( ?? AKK DP
DY
PY t
t
A
图 2－ 7 比例微分控制器的阶跃响应曲线
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（ 4）微分控制规律的特点
由于微分作用的输出与偏差变化的速度成正比，这种根据偏差变
化的趋势提前采取控制措施称为“超前”。因此，微分作用也称为超前
作 用，这是微分作用的一个特点。图 2-8中，输入信号为等速上升的斜坡
信号 X＝ mt，比例微分作用的输出
经一段时间延时后，也是一等速上
升的斜坡信号。由图可以看出稳定
之后同一时刻的比例微分作用的输
出，总是超前与输入一段恒定的时
间 taT 。超前时间 taT 可以求得为
D
D
D
ta TK
KT 1?? （ 2-19）
X
0X
Y
0Y
)(tY
mtX?
taT
t
t
图 2－ 8 微分作用的超前作用
当微分增益 1??DK 时，上式为
Dta TT ?
。由于微分作用具有超前的
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特点，因此微分作用如果使用得恰当，可以使被控变量得超调量减
小,操作周期和回复时间缩短，系统的质量得到全面提高。特别对容量滞
后较大的对象，其效果更加显著。
2.1.2.4.比例积分微分控制规律
PID控制规律是由基本的 P,I（或 PI）与 D（或 PD）控制规律
组合而成。理想的 PID作用的微分方程为
? ??? )1( dtdXTX d tTXKY D
I
P
（ 2-20）
传递函数为
)11()(
1
sTsTKsG DP ???
（ 2-21）
（ 1）模拟控制器 PID的运算式
具有 PID控制规律的实际模拟控制器可以是由单只放大器和微分
电路、积分电路组成的 PID结构形式，也可以是由两个或两个以上的
P,PI和 PD运算部件通过串联、并联或串联并联混合方式组成的 PID
结构形式。但是，不论仪表的具体结构形式如何，在对测量值和给定
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值的比较处理方面，可以 分为如图 2-9所示的两种形式，因此由两种
形式的 PID运算形式。
PID
mx
sx
?
x y
（ a）偏差型
图 2－ 9 PID控制器的偏差构成形式
mx
?dy
sx
?
x y
（ b）微分先行
D PI
① 偏差型 PID运算式
如图 2-11（ a）所示，这种结构的实际控制器的传递函数为
s
K
T
sKT
sT
sT
K
sX
sY
sG
D
D
II
D
I
P
??
??
??
1
1
)
1
1(
)(
)(
)( (2-22)
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② 微分先行 PID运算式
如 图 2-9（ b） 所示，这种结构的实际控制器的传递函数为
)(
1
1
1
1
)(
1
1
1
1
)( 1 sX
sKT
sT
KsX
s
K
T
sTK
sT
sT
KsY s
II
I
Pm
D
D
II
D
P
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
??
??
? (2-23)
上式第一项的系数与式（ 2-22）是相同的，这说明微分先行的 PID
控制器对测量值的变化仍然进行 PID运算。同时也表明，微分先行的
PID控制器对给定值的变化只进行 PI运算 。
（ 2）数字式 PID运算式
在数字控制器 和 DCS等计算机控制系统中，控制规律是由计算机
实现的。由于计算机只能进行四则算术运算，同时计算机只能在一定
的采样时刻从生产过程中取得数据，并在一定的采样时刻，将计算出
来的控制信号送到执行器，因此，必须采用数字式 PID运算式 。
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① 基本数字式 PID运算式
常用的数字式 PID运算式由位置型算式、增量型算式、速度型算式
和偏差系数型算式等几种。
a.位置型算式
位置型算式计算所得的
nY
与实际调节阀的阀位相对应，其算式如下
? ??
?
?
??
? ???? ?
?
?
n
i
nn
S
D
i
I
s
nPn XXT
TX
T
TXKY
0
1
(2-24)
b.增量型算式
增量 型 PID算式计算两个采样周期 PID输出之差
? ??
?
?
??
? ???? ??
?
????
1
0
2111
n
i
nn
S
D
i
I
s
nPn XXT
TX
T
TXKY (2-25)
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c.速度型算式
速度型算式是增量型算式的输出值与采样 间隔时间 Ts
? ? ? ??
?
?
??
? ????????
??? 21
1
1 2 nnn
S
D
n
S
nn
S
P
S
n
n XXXT
TX
T
TXX
T
K
T
Yv (2-26)
由于采样间隔时间 Ts是常数,因而速度型算式与增量型算式在本质上
是相同的,这种算式一般仅适用于采用积分式执行器的控制系统。
d.偏差系数型算式
偏差系统算式是将增量型算式展开后合并同类项而得到的，即由
式 （ 2-26） 可得
?
?
?
?
?
?
???
?
?
???
? ??
???
?
???
? ????
?? 21211 n
S
D
n
S
D
n
S
D
I
S
Pn XT
TX
T
TX
T
T
T
TKY (2-27)
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???????? ??? SDISP TTTTKA 1 ???????? ??? SDP TTKB 21
S
DP
T
TKC ?设,,,
21 ?? ???? nnnn CXBXAXY
则有 (2-28)
显然，式（ 2-26）比式（ 2-28）简单，但看不出比例、积分、微分
作用，它只反映各次采样偏差对输出即控制作用的影响程度。偏差系数
型算式只是换了一种表示形式，而本质内容并没有变化，因而偏差系
数型的 PID算式在本质 上还是增量型的。
② 改进型数字式 PID运算式
a.不完全微分算式
b.微分先行 PID算式
c.带灵敏区的 PID算式
d.积分分离 PID算式
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2.2.模拟控制 器
2.2.1.控制器 的功能
控制器的作用是对来自变送器的测量信号与给定值相比较所产生
的偏差 进行 PID运算，并输出控制信号至执行器。除了对偏差信号进行
PID运算外，一般 控制器还需要具备如下功能，以适应自动控制的需要。
（ 2）输出显示
（ 1）偏差显示
（ 3）提供内给定信号及内、外给定的选择
（ 4）正、反作用的选择
（ 5）手动操作与手动 /自动双向切换
2.2.2.基本构成环节的特性
模拟控制器都是由各种放大器和由电 (气 )阻、电 (气 )容构成的基本
环节组合而成，先讨论组成模拟控制器的基本环节的特性，如表 2－ 1
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表 2-1 基本环节的特性
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电容与气容
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续 上 表
微
分
环
节
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2.2.3.DDZ－ III型电动调节器
2.2.3.1.概述
DDZ－ III型电动调节器 有两个基型品种：全刻度指示调节器和偏
差指示调节器，他们的结构和线路相同，仅指示电路有些差异。它们
均具有一般控制器的功能。另外，还可以附加某些单元，如输入报警、
偏差报警、输出限幅单元等来增加调节器功能；也可构成各种特种调
偏差报警、输出限幅单元等来增加调节器功能；也可构成各种特种调
节器和 DDC备用调节器 。
2.2.3.2.基型调节器 的构成
基型调节器线路原理图如图 2－ 10所示，它由控制单元和指示单
元两部分组成。控制单元包括输入电路, PD电路,PI电路, 输出
电路以及软手操和硬手操电路等。指示单元包括测量信号指示电路和给定信
号指示电路 。 基型调节器线路构成方框图如图 2－ 11所示。
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图 2－ 10 基型调节器线路原理图
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测量
指示电路
给定
指示电路
输入电路 PD电路 PI电路 输出电路
硬手操
电路
软手操
电路
测量
指示
给定
指示
VUi 5~1
mA
Is
20~4
外?250 内 V
Us
5~1
指示单元 控制单元
1oU 2oU 3oU
mA
Io
20~4
输出指示
图 2－ 11基型调节器的构成方框图
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2.2.3.3.基型 调节器的电路分析
（ 1） 输入电路
输入电路是由运算放大器 A1等组成的偏差差动电平移动电路，它的
作用有两个：
① 测量 信号 Ui和给定信号 Us相减，得到 偏差信号，在将偏差放大
两倍后输出；
② 电平移动，将以 0V为基准的 Ui转换成以电平 Ub（ 10V）为基准
的输出信号 Uo1。
输入电路原理图如图 2－ 12所示,由图可见，它相当于由两个差动
输入运算放大电路 叠加而成的：一个用于测量 信号 Ui,一个用于给定
信号 Us。采用 这种电路形式有如下两个目的 。
本调节器要注意的问题是：“自动 软手操”、“硬手操 软手操”
或“硬手操 自动”的切换均是无平衡无扰动的，只有或软手操切
换到硬手操，必须进行预平衡操作才能达到无扰动切换。但这种切换
一般只有在紧急情况下才可能进行，那时扰动已是次要问题。
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① 为了消除集中供电引入误差
由 DDZ－ III型 系列仪表构成形式的控制系统，所有仪表均由一个 24V
电源集中供电，如果采用普通的差动输入方式，电源回路在传输导线上的
电压降将影响调节器的精度。如图 2－ 13所示，两线制变送器的输出电流
iI
在导线电阻
1CMR
上产生压降
1CMU
，这时调节器的输入信号不只是
iI
，
而是
1CMi UU ?
，电压
1CMU
就会引起运算误差。同样，外给定信号在传输
导线上的压降 2CMU 也会引起输入误差。
5R
1R
2R
3R
4RSU
6R
7R
8R
1oU
?
? 1A
图 2－ 12输入电路原理图
两线制
变送器
iI
?250 iU
1CMU1CMR
R
R
R
1R
1R
R
1oU
?
?
1A ?
? V24
图 2－ 13集中供电引入误差原理图
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和
在考虑引入导线电阻压降时，图 2－ 12所示的输入电路可以画成图
2－ 14所 示形式。由图 2－ 14可见,测量信号 Ui和 Us均独立地作为差动输
入运算放大电路的输入信号,两者极性相反，这样导线电阻的压降 1CMU
2CMU 均成为共模电压信号 。
由于差动输入运算放大电路
对共模信号有很强的抑制能
力，因此这两个附加电压不
会影响运算电路的精度 。
1R
2R
3R
4R
iU
1CMU
sU
2CMU
BU
6R
5R
7R
8R
1oU
?
? 1A
图 2－ 14考虑导线电阻时输入电路原理图
② 为了保证运算放大器
的正常工作。
应用叠加原理和分压公式，
可以求得
)(31 21 BCMCMSTC UUUUUU ????? （ 2-29）
)500
(
65
4321
?????
???
kRRR
RRRR设
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电压为同理求得反相端得输入，且设,5 5787 RRkRR ?????
)21(31 121 OBCMCMiF UUUUUU ?????
（ 2-30）
根据
TF UU ?
,由式 （ 2－ 52）和式（ 2－ 53）可求得
)(21 siO UUU ???
（ 2-31）
不应与 R相等，其阻值应略
上述关系表明：
① 输出信号
1OU
仅与测量信号
iU
和给定信号
sU
差值成正比
比例系数为－ 2，而与导线电阻上得压降 无关；和
21 CMCM UU
② 把以 0V为 基准的、变化范围为 1～ 5V的 输入信号，转换成以
BU 为基准的,变化范围为 0～ ± 8V的偏差输出信号
。1OU
另外，前面分析和计算都是假定
516 ~ RRR 与
相等。事实上，为了
保证偏差差动电平移动电路的对称性，
6R大于 R
???? kRRRR 5.502// 876
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（ 2）比例微分电路
比例微分电路的作用是对输入电路的输出信号 1OU 进行比例微分
运算，整机的比例度和微分时间通过本电路进行调整。其原理图示
于图 2－ 15，有图可见，它由无源 RC比例微分电路和同相端输入运算
放大电路串联而成。
比例微分电路的传递函数为
1
1
)(
)(
)(
)(
)(
)(
)(
1
2
1
2
?
?
??
??
?
s
K
T
sT
n
sU
sU
sU
sU
sU
sU
sG
D
D
D
O
T
T
O
O
O
P
?
(2-32)
?
?
2A
10R
PR
0PR
?k
R
1.911
1OU
2OU
?k
R
112
n
1
DR
DC
FU
TU
?
1
断
通
K
S
图 2－ 15比例微分电路原理图B
U
返回目录
2
0
12
1211,
P
PP
DDDD
R
RR
CnRT
R
RR
nK
?
?
?
?
??
?
上式中：
由式 （ 2－ 32）求得,在阶跃
输入信号下，比例微分电路输出的
时间函数表达式为
12 )1(1)( O
t
T
K
D
D
O UeKKtU
D
D
?
?
?
?
?
?
?
?
?
???
??
(2-33)
根据这一关系式，可得出 PD电路
的阶跃响应特性，如图 2－ 16所 示。
1OU
1OU
O t
1OU?
1OUn
?
D?
1
16 3 2.0
OUn
n ??
t
图 2－ 16比例微分电路的阶跃响应曲线
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（ 3）比例积分电路
比例积分电路的主要作用是来自比例 微分电路的电压信号 进行
比例积分运算，输出以 为基准的 1～ 5VDC电压信号 给电路，其电
路原理图如图 2－ 17所 示。
BU
2OU
3OU
2OU
14R
15R
× 10 × 1
3S
自
软
硬
软 硬
自
1S
2S
软
手
操
信
号
硬
手
操
信
号
?
? 3A
IC
MC
?k1.9
?k1
1R
?k9.3
16R 3VD
3VZ
17R ?k1
V24
18R ?k4.2
3OU
图 2－ 17比例积分电路原理图
4VT
BU
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图 2－ 17可简化为图 2－ 18的形式
根据电路关系可求得实际比例
积分运算关系式
sTK
sT
C
C
sW
II
I
M
I
PI 1
1
1
1
)(
?
?
???
(2-34)
MC
?
?
3A 3OU
2OU
图 2－ 18比例积分电路的简化电路
IC
的放大倍数。为增益，
为积分式中
33
3
A
/
K
CCKK IMI ?
在阶跃输入信号作用下,PI电路 输出的时间函数表达式为
2
1
3 )1()( O
t
TK
II
M
I
O UeKKC
CtU
II ?
?
?
?
?
?
?
?
?
????
?(2-35)
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根据上式可以画 出 PI电路的阶跃响应曲线，如图 2－ 19
（ 4）整机传递函数
调节器的 PID电路由上述的输入
电路,PD电路和 PI电路三者串联
构成，如图 2－ 20所示，其传递函数
为这三个电路的传递函数的乘积。
化简后可得
s
K
T
sTK
sT
sTT
T
KsW
D
D
II
D
II
D
P
??
???
?
1
1
1
1
)( (2-36)
X
0X
A
0Y
Y
AKP
AKK IP
图 2－ 19 实际 PI控制器的阶跃响应曲线
返回目录
X
0X
A
0Y
Y
AKP
AKK IP
图 2－ 19 实际 PI控制器的阶跃响应曲线
返回目录
iU
sU
-2 1OU 2OU 3OU
s
K
T
sT
K
D
D
D
D ?
?
1
1?
sTK
sT
C
C
II
I
M
I
1
1
1
1
?
?
?
图 2－ 20调节器 PID电路传递函数方框图
（ 5）输出电路
输出电路的作用是将比例积分电路输出的以 为基准的 1～ 5VDC
电压信号 转换为流过负载 （一端接地）的 4～ 20mADC输出电流
BU
3OU
LR
3oI
，实际上它是个电压 /电流转换电路。
输出电路如图 2－ 21所 示。
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为了便于分析输出电路的工作原理，可将电阻 VT1,VT2以及负载
电阻 RL等运算放大器 A4等效 成 一个运算放大器，并画成图 2－ 22的形
式。由图以及电路运算关系可求得
?
?
4A
?
3OU
4OU
)24( VUE ?
?5.62HR
R?
?k
R
40
24
?k1021R fI
?kR 1023
20R
22R?k40
BU
OI ?? 270~250LR
图 2－ 21输出电路原理图
1VT
2VT
OI?
返回目录
则有
???
?
???
? ?
??? H
HO
O R
RR
RR
UI 23
24
3
（ 2-37）
代入数值并取
???? 2 5 04 HRR
则有
V D CU O 5~13 ?
相应的输出电流
。m A D CI O 20~4?
? A
?
?
23R
24RR?
22R
21R HR
3OU
4OU
OI?
fI
图 2－ 22输出电路的等效电路
（ 6） 手操电路
手操电路的作用是实现手动操作，它有软手操和硬手操两种操作方式。
软手操：是指调节器的输出电流随手动输入时间而逐渐改变 。
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硬手操：是指调节器输出电流随手动输入而立即改变。
手动操作电路是在比例积分电路的基础上附加软手操电路和硬手操
电路来实现的，如图 2－ 23所示。
图 2－ 23手动操作电路原理图
? 3A
?
?
IC
MC
14R
15R
IR
1MR
1MR 2M
R
2MR
16R 3
VD
4VT
FR
HR
HW
18R
3OU
BU
2OU
?k30
?k30
V24
自
软 硬
1S
2S自
软 硬3S
× 1× 10
44S
42S
43S
41S
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① 软手操电路
当开关 S1和 S2置于软手操
（ M） 位置时，图 2－ 23可化简为
图 2－ 24。 ?
3A
? ?
2OU 3OU
BU
MR
1R
1C
MC
软
RU RU?
4S
图 2－ 24 软手操等效电路
② 硬手操电路
?
? ?
2OU 3OU1R
1C
MC
FR
BU
HU
HW
HR自
硬1S
3A
图 2－ 25 硬手操等效电路
当开关 S1和 S2置于 硬手操
（ H）位置时，图 2－ 23的电路可
用图 2－ 25的电路等效。
注：自动向硬手动、软手动
向 硬手动的切换，必须进行预
平衡操作，才能做到无扰动切换 。
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2.2.3.4.基 型调节器的附加电路
为了适应某些控制系统的特殊要求，调节器可增设各种附加单元电
路，如偏差报警、输入报警、输出限幅等。在基型调节器上增设某些附
加电路，可形成具有相应功能的特种调节器，如 PI /P切换调节器、积分
反馈型限幅调节器、前馈调节器等。
下面是几个常用的有代表性的电路。
（ 1）偏差报警电路
通过电位器 可以调整其大小。
偏差报警电路在控制系统的偏差超出规定范围时，发出报警信号报
警信号由继电器的接点输出，可以用来接通指示灯、报警电铃等回路，
也可以间接地驱动执行机构，以采取必要的紧急措施。
偏差报警电路的原理图如图 2－ 26所示，该电路接收调节器输入电路
的输出信号,1OU PSOPSO UUUU ??? 11 或当 时发出报警信号。 PSU 为报警设定值，
PSR
图 2－ 30中，比较器 A9,A10分别和 VT1和 VT2等构成具有滞环特性
的上限 和下限 报警电路。)( 1 PSO UU ? )( 1 PSO UU ??
图 2－ 27 是偏差报警电路的工作特性。
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图 2－ 26偏差报警电路的原理图
?
9A?
?
?
10A?
?
1VT
2VT
)10( VUB
)(21 siO UUU ??
1R
1R
1R
1R
10FU
10TU
PSUPSR
3R
1R
1R
1R 4R
2R
9FU
9TU
J
C
CU
bU
返回目录
图 2－ 27 是偏差报警电路的工作特性。
a b c
de
f
cPS UU ? PSU 1OU
9OU
O
PSU? )( bPS UU ?? O 1OU
10OU
（ a） （ b）
(2)输出限幅电路
输出限幅电路的作用是将调节器的输出限制在一定的范围之内，以 保
证调节阀不处于危险开度，其原理图 2－ 28 中虚线以下部分所示。由图
可见，它是通过限制 VT3的输入电压 3OU?,从而达到限制调节器输出的目
的。 LH UU 和 分别为上、下限幅设定电压，改变它们的大小，可以改变调
节器的输出上、下限值。
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① 上限幅
)( 3 HO UU 稍大于?
② 下限幅
)( 3 HO UU 稍小于?
图 2－ 28 输出限幅电路原理图
?
3A?
? 3VT
V24?
输出
电路
2OU
?
?
LU H
U
MC
1VD 3OU?
3OU
OI
LR
1R
IC
BU
1VT 2VT V7
基型调节器
输出限幅单元
返回目录
（ 3） PI/P切换调节器
为上限幅（或下限
PI/P切换调节器是在基型调节器的基础上增加了 PI/P切换电路后构成
的。其功能是当调节器的输出在正常工作范围以内时，该调节器 按 PI控制
规律工作，当调节器的输出达到上限值或下限值时，调节器立即由 PI运行
状态自动切换为 按 P控制规律工作状态,从而达到抗积分饱和目的。
其工作原理如图 2－ 29虚线以下部分所示。 PI/P切换电路由电压跟随器
A6和 A2、比较器 A5以及场效应管 VT1等组成,)( LH UU 或
幅）给定电压。
调节器输出为上限值时的 PI/P切换是将图 2－ 29中 S按实线位置连接 。
调节器输出为下限值时的 PI/P切换是将图 2－ 29中 S按虚线位置连接 。
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图 2－ 29 PI/P切换调节器原理图
?
3A?
?
?
2A?
?
?5A
?
?
?2A
?
?
1R
IC MC
3OU2O
U
BU
BU
BU
1R
?k5
2R
?k5
?k5
3R
1VT
2VD
RR
5TU
5FU
)( LH UU ??
1:1放大器
基型调节器
P/PI切换电路
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2.2.4.气动仪表 PID运算分析
本节的目的是介绍气动仪表的分析方法，因此选用结构比较简单直
观的力矩平衡式比例积分调节器为例介绍。
力矩平衡式比例积分调节
器的原理图如图 2－ 30所示。
根据上述气动调节器的动
作过程可以得到如图 2－ 31 所
示的方框图。
图 2－ 30 力矩平衡式 PI调节器原理图
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图 2－ 31 力矩平衡式 PI调节器方框图
mp
sp
fAl
mM
fAL
sM
?
?
iM
?
M?
C
1
ol
? h?
k o
p
fM
HAl
?
?
?
?
Hp
Hp?
Hp?
1
pf
f
RR
R
?
fp
p
RR
R
? 1
1
1 ?sT
E?
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可求得 PI控制 规律的表达式
sTK
sT
K
spsp
sp
II
I
P
m
o
1
1
1
1
)()(
)(
?
?
?
? (2-38)
若式 （ 38）中 11 ??
sTK II
，则可得理想 的 PI控制 规律的表达式
???
?
???
? ??
? sTKspsp
sp
I
P
m
o 11
)()(
)( (2-39)
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2.3,数字式 控制器
数字式控制器具有丰富的运算控制功能和数字通讯功能、灵活而
方便的操作手段、形象而直观的数字或图形显示、高度的安全可靠性,
实现了仪表和计算机的一体化，比模拟控制器能更方便有效地控制和
管理生产过程，因而在工业生产过程自动控制系统中得到了越来越广泛
的应用。
根据用途和性能的差异，数字式控制器有以下几种类型。
（ 1）定程序控制器
（ 2）可编程调节器
（ 3）混合控制器
（ 4）批量控制器
2.3.1,数字式 控制器构成原理
模拟控制器只是由硬件（模拟元器件）构成，它的功能也完全是由
硬件构成形式所决定，因此控制功能比较单一；而数字控制器由以处理
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器（ CPU）为核心构成的硬件电路和由系统程序、用户程序构成的软
件两大部分组成，其主要是由软件所决定，因此可以实现各种不同的
控制功能。
2.3.1.1,数字式 控制器的硬件电路
数字式控制器的硬件电路由主机电路、过程输入通道、过程输出
通道、人机接口电路以及通信接口电路等部分组成，其构成框图如图
2－ 32所 示。
2.3.1.2.数字式控制器的软件
数字式控制器的软件分为系统程序和用户程序两大部分。
2.3.1.3.数字式控制器的特点
（ 1）运算控制功能强； （ 2）通过软件实现所需功能；
（ 3）带有自诊断功能； （ 4）带有数字通讯功能；
（ 5）具有和模拟控制器相同的外特性；
（ 6）保持常规模拟式控制器的操作方式。
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图 2－ 32数字式控制器的硬件电路
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2.3.2,SPLC可编程 调节器
2.3.2.1.概述
SLPC可编程调节器是一种代表性、功能较为完全的可编程调节器，
它具有基本 PID、串级、选择、非线性、采样 PI、批量 PID等 控制功能,
并具有自整定功能，可可使 PID参数实现最佳整定。 用户只需使用简单
的编程语言，即可编制各种控制与运算程序，使调节器具有规定的控制
运算功能。
2.3.2.2,SLPC可编程调节器的硬件电路
SLPC可编程调节器的硬件电路原理图如图 2－ 33 所示。
（ 1）主机电路； （ 2）过程输入通道；
（ 3）过程输出通道； （ 4）开关量输入输出通道；
（ 5）人 /机联系部件； （ 6）通讯接口电路。
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图 2－ 33 SLPC可编程调节器的硬件电路原理图
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2.3.2.3,SLPC可编程 调节器的软件部分
SLPC可编程调节器的软件由 系统程序和功能模块两部分构成，系统
程序用于保证整个调节器正常运行，这部分用户是不能调用的 。 SLPC可
编程调节器的功能模块是以指令形式提供的。
SLPC可编程调节器指令有以下 4种类型：信号读取指令 LD,信号存
储 指令 ST、程序结束指令 END和各种功能 指令。
2.3.2.4,SLPC可编程调节器的应用
SLPC可编程调节器用户程序的编制步骤和方法
（ 5）列工作清单（ worksheet）；
（ 1）确定调节器应承担的任务； （ 2）确定控制功能和控制算法；
（ 3）确定温压补偿运算的数学模型； （ 4）数学模型的规格化；
（ 6）填写数据清单（ datasheet）；
（ 7）程序清单。
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2－ 1 某控制器，初始输出 Uo为 1.5VDC，当 Ui加入 0.1V的阶跃输入
（给定值不变）,Uo为 2V，随后 Uo线性 上升，经 5minUo为 4.5V则比例 增益、
比例度、积分时间和微分时间分别为多少？
2－ 2 为什么积分控制规律不单独使用，而微分控制规律不能单独
使用？
2－ 4 基型调节器的输入电路为什么采用偏差差动电平移动电路？
它是如何消除导线电阻所引起的误差?
思考题与习题
2－ 3 何谓积分饱和？它对控制系统有何影响？如何防止积分饱和？
2－ 5 何谓相互干扰系数？它对控制参数有什么影响？
2－ 6 什么是功能模块？ SLPC可编程 调节器有哪些功能模块?
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变送器在自动检测和控制系统中的作用，是
对各种工艺参数，如温度，压力、流量、液位、
成分等物理量进行检测，以供显示、记录或控制
之用。无论是由模拟仪表构成的系统，还是由计
算机控制装置构成的系统，变送器都是不可缺少
的环节，获取精确和可靠的过程参数值是进行控
制的基础。
按照被控参数分类，变送器主要有差压变送
器、压力变送器、温度变送器、液位变送器和流
量变送器等。
变送器的理想输入输出特性如图 3－ 1所示。 和 分别为变送
器测量范围的上限值和下限值，即被测参数的上限值和下限值。图中，
。 和 分别为变送器输出信号的上限值和下限值，对于模
拟式变送器,和 即为统一标准信号的上限值和下限值；对于智能式
变送器,和 即为输出的数字信号范围的上限值和下限值。
maxx minx
0min ?x maxy miny
maxy miny
maxy miny
y
xmaxx0 minx
maxy
miny
图 3－ 1 变送器的理想
输入输出特性
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由图 3－ 1可得出变送器的输出一般表达式为
? ? m i nm i nm a x
m i nm a x
yyyxx xy ????
式中 x----变送器的输入信号；
y----相对应于 X时变送器的输出。
3.1.概述
3.1.1.变送器的构成原理
3.1.1.1.模拟式变送器的构成原理
模拟式变送器完全由模拟元器件构成，它将输
入的各种被测参数转换成统一标准信号，其性能也
完全取决于所采用的硬件。从构成原理来看，模拟
式变送器由测量部分，放大器和反馈部分三部分组
成，如图 3－ 2所示。在放大器的输入端还加有调与
零点迁移信号,由零点调整（简称调零）
和零点迁移（简称迁移）环节产生。 ?z ?z
y
maxx
0
minx
maxy
miny
图 3－ 1 变送器的理想
输入输出特性
x
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测量部分中包含检测元件，它的作用是检测被测参数 x，并将其转换
成放大器可以接受的信号,可以是电压、电流、位移和作用力等信
号，由变送器的类型决定；反馈部分把变送器的输出信号 y转换成反馈信
号 ；在放大器的输入端,与调零及零点迁移信号 的代数和同
进行比较，其差值 ε 由放大器进行放大，并转换成统一标准信号 y输出。
iz iz
fz ?ziz fz
由图 3－ 2可以求得整个变送器的输入输出关系为
)(1 ???? zxKKKKy i
f
(3-1)
式中 －－测量部分的转换系数；
－－ 放大器的放大系数；
－－ 反馈部分的反馈系数。
K
iK
fK
式（ 3－ 1）可以改写为如下形式
ff
i
KK
Kz
KK
xKKy
????
?
11
（ 3－ 2）
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式（ 3－ 2）中第一项 对应于图 3— 2的特性直线部分；第二项
f
i
KK
xKK
?1
fKK
Kz
?
?
1
（调零项）影响特性直线的起点 的数值。值得指出的是，对于miny
对于输出信号范围为 4－ 20mADC的变送器,的数值由调零项和放大器
内电子器件的工作电流共同决定。 miny
当 满足的条件时，由式（ 3－ 2）可得1??
fKK
ff
i
K
zx
K
Ky ??? （ 3－ 3）
式（ 3－ 3）表明，在满足 的条件时，变送器的输出输入关系
仅取决于测量部分的特性和反馈部分的特性，而与放大器的特性几乎无关。
如果测量部分的转换系数 和反馈部分的反馈系数 是常数，则变送器
的输出与输入具有如图 3－ 2所示的线性关系。
1??fKK
iK fK
式 3－ 1和式 3－ 3是对变送器特性进行分析的主要依据。式 3－ 1可以用
于对变送器特性的深入研究，如考察放大器放大系数 K对整机特性的影响等；
而式 3－ 3直观的体现了变送器输入与输出之间的静态关系，实际应用中较
方便。
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在小型电子式模拟变送器中，反馈部分常常仅由几个电阻和电位器
构成，因此常把反馈部分和放大器合在一起作为一个负反馈放大部分看
待；或者将反馈部分合放大器合做在一块芯片内，这样变送器即可看成
由测量部分合负反馈放大器两部分组成。另外，调零和零点迁移环节也
常常合并在放大器中。
3.1.1.2.智能式变送器的构成原理
智能式变送器由以微处理器（ CPU）为核心构成的硬件电路和由系
统程序、功能模块构成的软件两大部分组成。
(1) 智能式变送器的硬件构成
通常，智能式变送器
的构成框图如图 3－ 3（ a）
所示；采用 HART协议通信
方式的智能式变送器的构
成框图，如图 3－ 3（ b）所
示。所谓 HART协议通信方
式，是指在一条电缆中同
时传输 4－ 20mADC电流信号
和数字信号，这种类型的
信号称为 FSK信号。
x 传感器组件 A/D转
换器 微处理器
存储器
通信电路 数字信号
（ a）一般形式
传感器组件 A/D转换器 微处理器
存储器
x D/A转
换器 FSK信号
通信电路
（ b）采用 HART协议通信方式
图 3－ 3 智能式变送器的构成原理
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由图 3－ 3可以看出，智能式变送器主要包括传感组件,A/D转换器、
微处理器、存储器和通信电路等部分；采用 HART协议通信方式的智能式
变送器还包括 D/A转换器。传感器组件通常由传感器和信号调理电路组成，
信号调理电路用于对传感器的输出信号进行处理，并转换成 A/D转换器所
能接受的信号。
被测参数 X经传感器组件，由 A/D转换器转换成数字信号送入微处理
器，进行数据处理。存储器中除存放系统程序，功能模块和数据外，还存
有传感器特性、变送器的输入输出特性以及变送器的识别数据，以用于变
送器在信号转换时的各种补偿，以及零点调整和量程调整。智能式变送器
通过通信电路挂接在控制系统网络通信电缆上，与网络中其它各种智能化
的现场控制设备或上位计算机进行通信，传送测量结果信号或变送器本身
的各种参数，网络中其它各种智能化的现场控制设备或上位计算机也可对
变送器进行远程调整和参数设定。
采用 HART协议通信方式的智能式变送器，微处理器将数据处理后，
再传送给 D/A转换器转换成 4－ 20mADC信号输出，如图 3－ 3（ b）所示，
D/A转换器还将通信电路送来的数字信号叠加在 4－ 20mA直流信号上输出。
通信电路对 4－ 20mA直流电流回路进行监测，将其中叠加的数字信号转换
成二进制数字信号后，再传送给微处理器。
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智能式变送器的核心是微处理器。微处理器可以实现对检测信号的线
性化处理、量程调整、零点调整、数据转换、仪表自检以及数据通信，同
时还控制 A/D和 D/A转换器的运行，实现模拟信号和数字信号的转换。由于
微处理器具有较强的数据处理功能，因此智能式变送器可使用单一传感器
以实现常规的单参数测量；也可使用复合传感器以实现多种传感器检测的
信息融合；还可使一台变送器能够配接不同的传感器。
通常，智能式变送器还配置有手持终端（外部数据设定器或组态器），
用于对变送器参数进行设定，如设定变送器的型号、量程调整、零点调整、
输入信号选择、输出信号选择、工程单位选择和阻尼时间常数设定以及自
诊断等。
（ 2）智能式变送器的软件构成
智能式变送器的软件分为系统程序和功能模块两大部分。系统程序对
变送器硬件的各部分电路进行管理，并使变送器能完成最基本的功能，如
模拟信号和数字信号的转换、数据通信、变送器自检等；功能模块提供了
各种功能，供用户组态时调用以实现用户所要求的功能。智能式变送器提
供的功能模块主要有：
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·资源模块 包含与资源相关的硬件数据，控制其他功能模块的工作
组态；
·变量转换 将输入 /输出变量转换成相应的工程量；
·模拟输入 对传感器进行选择、滤波、平方根、小信号切除及去掉
尾数等功能；
·量程自动切换 自动切换量程，以及提高测量精度；
·非线性校正 用于校正传感器的非线性误差；
·温度误差校正 消除变送器由环境温度或工作介质温度变化而引起
的误差；
·阻尼时间设定 ；
·显示转换 用于组态液晶显示上的过程变量；
·PID控制功能 包含多种控制功能，如 PID算法、设定值及变换率范
围调整、测量值滤波及报警、前馈、输出跟踪等；
·运算功能 提供预定公式，可进行各种计算；
·报警 可具有动态或静态报警限位、优先级选择、暂时性报警限位、
扩展阶跃设定点和报警限位或报警检查延迟等功能。
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以上为智能式变送器所包含的一些基本功能。不同的变送器，其具
体用途和硬件结构不同，因而它们所包含的功能在内容和数量上是有差
异的。
用户可以通过上位管理计算机或挂接在现场总线通信电缆上的手持
式组态器，对变送器进行远程组态，调用或删除功能模块；也可以使用
专用的编程工具对变送器进行本地调整。
不同厂家或不同品种的变送器，其硬件和软件部分的系统结构大致
相同，主要的区别在于器件类型、电路形式、程序编码和软件功能等方
面。
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3.1.2.变送器的共性问题
变送器在使用之前，须进行量程调整和零点调整。
3.1.2.1.量程调整
量程调整的目的，是使变送器的输出信
号上限值 与测量范围的上限值 相
对应。图 3-4为变送器量程调整前后的输入
输出特性。由该图可见，量程调整相当于改
变变送器的输入输出特性的斜率，也就是改
变变送器输出信号 y与输入信号 x之间的比例
系数。
maxy maxx
y
maxxminx max'x
x0
miny
maxy
图 3－ 4 变送器量程调整
前后的输入输出特性3.1.2.2.零点调整和零点迁移
零点调整使变送器的测量起点为零，而零点迁移是把测量的起始
点由零迁移到某一数值（正值或负值）。测量的起始点由零变为某
一正值，称为正迁移；反之，当测量的起始点由零变为某一负值，
称为负迁移。图 3-5为变送器零点迁移前后的输入输出特性。
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由图 3-5可以看出，零点迁移以后，变送器的输入输出特性沿 x坐标向
右或向左平移了一段距离，其斜率并没有改变，即变送器的量程不变。
进行零点迁移，再辅以量程调整，可以提高仪表的测量精度。
零点调整的调整量通常比较小，而零点迁移的调整量比较大，可达量
程的一倍或数倍。
各种变送器对其零点迁移的范围都有明确规定。
零点调整和零点迁移的方法，对于模拟式变送器，是通过改变加在放
大器输入端上的调零信号 的大小来实现，参见图 3-1；对于智能式变送
器，也是通过组态来完成的。 ?z
图 3－ 5 变送器零点迁移前后的输入输出特性
xmaxx0 minx
maxy
miny
xmaxx0
maxy
miny
minx xmaxx0
maxy
miny
(a) 未迁移 (b) 正迁移 (c) 负迁移
y y y
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3.1.2.3.线性化
变送器在使用时，总是
希望其输出信号与被测参数
之间成线性关系，但由于传
感器组件的输出信号与被测
参数之间往往存在着非线性
关系，因此，为了使变送器
的输出信号 y与被测参数 x之
间呈线性关系，必须进行非
线性补偿。
对于模拟式变送器，非
线性补偿方法通常有两种，
如图 3-6所示：
1 使反馈部分与传感器
组件具有相同的线性特性；
2 使测量部分与传感器
组件具有相反的线性特性。
检测元件
x
测量部分
'x ?
z
iz
＋
放大器
反馈部分
y
_
fz
(a) 反馈补偿
检测元件
x
测量部分
'x ?
z
iz
＋
放大器
反馈部分
y
_
fz
(b) 测量补偿
图 3－ 6 非线性补偿原理
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方法 1的非线性补偿原理如图 3-6（ a） 所示。由图可见，由于反馈部
分与传感器组件具有相同的非线性特性，而负反馈放大器的特性是反馈
部分特性的倒特性，因此负反馈放大器的特性刚好与传感器组件的非线
性关系相反，结果使得变送器输出信号 Y与输入信号 X之间呈线性关系。
方法 2的非线性补偿原理如图 3-6（ b） 所示。由图可见，由于测量部
分与传感器组件具有相反的非线性特性，刚好补偿了传感器组件的非线
性，因此输入放大器的信号特性是线性的，只要负反馈放大器的特性是
线性的，则变送器输出信号 Y与输入信号 X之间呈线性关系。
对于智能式变送器来说，只要预先将传感器的特性存储在变送器的
EPROM中，通过软件是很容易实现非线性补偿的。
3.1.2.4.变送器信号传输方式
通常，变送器安装在现场，它的气源或电源从控制室送来，而输出
信号传送到控制室。气动变送器用两根气动管线分别传送起源和输出信
号。电动模拟式变送器采用二线制或四线制传送电源或输出信号。智能
式变送器采用双向全数字量传送信号，即现场总线通信方式；目前广泛
采用一种过渡方式，即在一条通信电缆中同时传输 4-20mADC电流信号和
数字信号，这种方式称为 HART协议通信方式。智能式变送器 的电源也由
通信电缆传输。
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（ 1） 二线制和四线制传输
电动模拟式变送器的二线制和四线制传输电源和输出信号方式如图 3-7
所示。图 3-7（ a）为二线制传输方式，这种方式中，电源、负载电阻 和
变送器是串联的，目前大多数变送器均为二线制变送器。图 3-7（ b）为四线
制传输方式，这种方式中，电源和负载电阻 是分别与变送器相连的，即
供电电源和输出信号分别用二根导线传输，这类变送器称为四线制变送器。
LR
LR
二
线
制
变
送
器
IU
r
?I IR
E
四
线
制
变
送
器
?I
IR
电
源
（ a）二线制变送器 （ b）四线制变送器
图 3－ 7 变送器的电源和输出信号传输方式
二线制变送器同四线制变送器相比，具有节省连接电缆、有利于安全
防爆和抗干扰等优点，从而大大降低安装费用，减少自控系统投资。但二
线制变送器，必须满足如下三个条件。
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① 变送器的正常工作电流 必须得等于或小于变送器输出电流的最小值 。
通常，二线制变送器的输出 电流下限值为 4mADC，在此条件下，变送器须能
够正常工作。但对于输出电流为 0-10mADC的变送器，若也采用二线制，则在输出
电流为零时，变送器的工作电流也为零。显然，凡输出电流采用 0-10mADC的仪表
是不能采用二线制的。
② 在下列电压条件下，变送器能保持正常工作。
式中 —— 变送器输出端电压；
—— 电源电压的最小值；
—— 输出电流的上限值,；
—— 变送器的最大负载电阻值；
—— 连接导线的电阻值。
由图 3-7（ a） 可以看出，变送器的输出端电压值 等于电源电压值和输出
电流在负载电阻 及传输导线电阻 上的压降之差，为保证变送器的正常工作，
输出端电压值只允许在限定范围之内变化。如果负载电阻要增加，电源电压就需
增大。
③ 变送器的最小有效功率 P为
I minoI
minoII ?
)( m a xm a xm i n rRIEU LoT ???
TU
minE
maxoI
maxLR
mAR L 20max ?
r
TU
LR r
)( m a xm i nm i nm i n Loo RIEIP ??
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（ 2） HART协议通信方式
① HART通信协议介绍 HART(Highway Addressable Remote
Transducer)通信协议是数字式仪表实现数字通信的一种协议，具有
HART通信协议的变送器可以在一条电缆上同时传输 4-20mADC的模拟信
号和数字信号。
HART通信协议是依照国际标准化组织（ ISO）的开放式系统互连
（ OSI）参考模型，简化并引用其中一层：物理层、数据联路层和应
用层而制定的。
a.物理层 规定了信号的传输方法和传输介质。 HART信号传输是
基于 Bell202通信标准，采用频移键控（ FSK）方法，在 4-20mADC基础
上叠加幅度为 的不同频率的正弦调制波作为数字信号，
1200HZ频率代表逻辑,1”, 2200HZ代表逻辑,0” 。这种类型的数字
信号通常称为 FSK信号，如图 3-8所示，其传送速率为 1200bit/s。由
于数字 FSK信号相位连续，其平均值为零，故不会影响 4-20mADC的模
拟信号。传输介质为电缆线，通常单芯带屏蔽双绞电缆距离可达
3000m，多芯带屏蔽双绞电缆可达 1500m，短距离可使用非屏蔽电缆。
mA5.0?
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b.数据链路层 规定了数据帧的格式和数据通信规程。数据
帧的基本 格式如图 3－ 8所示，它由链路同步信息、寻址信息、用
户信息及校验和组成，其中，定界符定义了帧的类型和寻址格式。
地址有短格式和长格式两种，前者地址长度为一个字节，地址范
围为 0－ 15，即在总线上最多只能挂 15台变送器；长格式地址长
度为五个字节共 40位，后 38位中 6位为仪表制造厂商标识代码,8
位为仪表类型代码,24位为仪表序列号，前二位分别为主站编号
和变送器阵发允许。使用长 格式地址寻址，理论上在总线上所挂
变送器的数量可以不受限制，可根据通信扫描频率、传输介质、
功耗等决定。影响码在变送器向主设备通信时才有，它表示数据
通讯状态和变送器工作状态。
链路同
步码 定界符 地址 命令号 字节长度 响应码 数据字节 校验和
图 3－ 8 数据帧的基本格式
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HART协议按主 /从方式通讯，这意味着只有在主站呼叫时，现
场设备（从站）才传送信息。在一个 HART网络中，允许有主、副
两个主站，并可以与一个从设备通信。为主的主站可以是 DCS、
PLC、基于计算机的控制或监测系统，副主站可以是手持终端，手
持终端几乎可以连接在网络的任何地方，在不影响主站通信的情
况下与任何一个现场设备通信。 HART协议可以有一下三种不同的
通信模式：
（ a）,点对点模式 同时在一条电缆上传输 4－ 20mADC的模拟
信号和数字信号，这是最常用的模式；
（ b）,多点模式 一条电缆连接多条现场设备，这是全数字
通信方式；
（ c）,阵发模式 允许总线上单一的从站自动、连续的发送
一个标准的 HART响应信息。
c.应用层 规定了通信命令的内容。 HART通信基于命令，也
就是说主站发布命令，从站做出响应。通信命令有三种类型：
（ a）,通用命令 适用于所有符合 HART协议的现场仪表，包括
制造厂商和仪表类型、变量值和单位、阻尼时间、系列好和极限
等；
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（ b）,通用操作命令 适用于大部分符合 HART协议的现场仪表，
包括读变量、改变上限（下限）值、调零和调量程、仪表自检等；
（ c）,特殊命令 各制造厂的产品自己所特有的命令，用于对
仪表中的专门参数或仪表的特有功能进行自由定义，如开始、结束
或清积累，读写校正系数、使用 PID，改变给定值等。
通用命令和通用操作命令使得符合 HART通信协议的仪表之间可
以互操作。
② HART协议通信方式的实现方法 HART协议通信方式由微
处理器、数模转换器 AD421,HART通信模块、波形整形电路和带通
滤波器组成的电路实现，其原理框图如图 3－ 9所示。微处理器输出
的与被测参数成比例的数字信号，经 AD421转换为 4－ 20mA直流信号
输出，同时微处理器将需进行数字通信的二进制数字信号由串行口
的发送端 RX输出至 HART通信模块调制为 FSK信号，再经波形整形电
路送至 AD421叠加到 4－ 20mA直流信号上；而由其它仪表（如手持通
信器）或上位机加载在 4－ 20mA直流信号上的 FSK信号，经带通滤波
器送至 HART通信模块解调为二进制的数字信号，送至微处理器串行
口的接收端 TX。
返回目录
输出波形整形电路是为了使得输出信号波形的上升沿 /下降沿的时间满
足 HART物理层规范要求，较平缓的上升沿 /下降沿的时间可以降低加载到传
输线上的杂散频率和谐波，以免造成干扰。带通滤波器具有只能通过某一频
段的信号，而将此频段两端以外的信号加以抑制或衰减的特性，用于抑制接
收信号中的感应噪音，其频宽（通过频段的宽度）大约为 1200－ 2200HZ。
微处理器
4－ 20mA
DAC
AD421
1VT +
24V_
LR
波形整形电路 带通滤波器
HART
MODEM
BELL 202
1C
2C
图 3－ 9 HART协议通信方式的实现原理框图
5V
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下面着重介绍 HART模块和数模转换器 AD421。
a,HART通信模块 HART通信模块的作用是实现二进制的数字信号与
FSK信号之间的相互转换，通常的是 HT2012芯片。 HT2012主要包括调制器、
解调器、载波监测电路和时基电路，其功能框图如图 3－ 10所示。
调制器
时基
电路
解调器
载波监
测电路
OXTA
19.2KHz
ORXD
OCD
ITXD
INRTS
460.8KHz
IRXA
图 3－ 10 HT2012功能模块
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b.数模转换器 AD421 AD421 是一种 16位串行输入,4-20mADC电流
输出的数模转换器，它由变送器输出的电流回路供电，能与 HART通信模
块共同完成变送器的数字通信，外加通信电路不会影响其 D/A的转换精度。
AD421主要由数模转换器、电流转换器和电压调整器组成，其功能框
图如图 3-11所示。
3－ 11 AD421功能框图
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CPU来的串行数据由片内输入移位寄存器接收,LATCH信号把数据锁
存到锁存寄存器中，数模转换器将该数据转换为模拟信号，经滤波器送
到电流转换器 转换为 4-20mADC的电流，由 LOOPRTN端子输出。 AD421
的电流输出有正常与报警两种模式。正常模式对应输出 4-20mADC，报警
模式输出电流将扩展为 3.5-24mADC。数模转换器 采用转换技术，实
现 16位的高精度模数，其非线形误差小于 。
电压调整器由一个运放、能隙基准和外接耗尽型场效应管（即图 3-
10中的 ）构成。
电压调整器从电流回路中获取电流，并给 AD421及其他器件提供工
作电流。改变 LV端子的连接方式可以改变放大器 的增益,从而可以
改变 端子的电压。当 LV接 COM时,为 5V；当 LV接 时,为
3V；当 LV通过 0.01μF电容接到 时,为 3.3V。能隙基准还可以为
其他器件提供 +1.25V,+2.5V基准电源。
c.现场总线 通信方式 现场总线是连接智能现场设备和自动化系
统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。智能示变送器属于智
能现场设备，它可以挂接在现场总线的通信电缆上，与其他各种智能化
的现场控制设备以及上层管理控制计算机实现双向信息通信。
???
%01.0?
1VT
2A
ccVccV ccV
ccVccV
ccV
1A
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现场总线的国际标准由 8种类型现场总线组成，各种类型现场总
线的通信协议尽管不同的，但都是由物理层、数据链路层和应用层以
及通信媒体共同构成，有关现场总线国际标准将在第 9章中介绍，下
面简介现场总线通信方式的实现方法。
现场总线通信方式由微处理器 CPU、通信控制单元和媒体访问单
元 MPU组成的电路实现，其原理框图如图 3-12所示。
CPU
控制线
地址线
数据线
通信
控制
单元
发送控制
发送数据
接收数据
现场总线MPU
图 3－ 12 现场总线通信方式的实现原理框图
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微处理器 CPU实现数据链路层和应用层的功能。
通信控制单元实现物理层的功能，完成信息贞的编码和解码、侦校
验、数据的发送与接收。通信控制单元的性能主要取决于所采用的通信
控制芯片，目前常用的芯片有 Ship Star公司的 FCHIP-1、富士公司的
Frontier-1,Smar公司的 FB2050,FB3050等。
媒体访问单元 MPU的主要功能是发送与接收符合现场总线规范的信号，
包括对通信控制单元传送来的信号频带进行限制、向总线上发送耦合信
号波形、接收总线上耦合的信号波形、对接收波形的滤波和预处理等，
其具有功能根据所采用的通信芯片的不同将略有差异。
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3.2 差压变送器
差压变送器用来将差压、流量、液位等被测参数转换成标准统一
信号或数字信号，以实现对这些参数的显示、记录或自动控制。
按照检测元件分类，差压变送器主要有：膜盒式差压变送器、电
容式差压变送器、扩散硅式差压变送器、振弦式差压变送器和电感式
差压变送器等。
本节着重讨论广泛使用的膜盒式差压变送器以及具有广泛使用前
景的智能式差压变送器。
3.2.1,膜盒式差压变送器
3.2.1.1.概述
膜盒式差压变送器由测量部分、杠
杆部分、放大器和反馈机构组成，如图
3－ 13所示 。
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3.2.1.2.DDZ－ Ⅲ 型差压变送器
DDZ－ Ⅲ 型差压变送器是两线制
变送器，其结构示意图如图 3－ 14所
示。
被测差压信号 △ p为与之差，即
21 ppp ??? 。
下面对各组成部分进行分析，再
综合整机特性。
图 3－ 14 DDZ－ III型膜盒差压变送器结构示意图
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图 3－ 14 DDZ－ III型膜盒差压变送器结构示意图
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式中 ―― 输入力；
―― 膜盒正、负压室膜片的有效面积。
（ 1）测量部分
测量 部分的作用，是把测量差压
△ p转换成作用于主杠杆下端的输入力。
测量部分如图 3－ 15所示。
之间的关系为：
2211 ApApF i ??
iF
21,AA
使,故
dAAA ?? 21
pAppAF ddi ???? )( 21
图 3－ 15测量部分的结构原理图
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（ 2）电磁反馈装置
电磁反馈装置的作用是把变送器的输出电流 转换成作用于副杠
杆的电磁反馈力 它由反馈动圈和永久磁钢组成，如图 3－ 16所示。
之间的关系为：
?I
fF
?? WIBDF cf ?
设 WBDK
cf ??
则
?? IKF ff
式中 ―― 电磁反馈装置的转换系数；
―― 永久磁钢的磁感应强度；
―― 反馈动圈的平均直径；
―― 反馈动圈的匝数。
fK
B
cD
W
图 3－ 16 电磁反馈装置的结构原理图
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（ 3）放大器
放大器采用低频位移检测放大器，它实质上是一个位移 /电流转换
器，把副杠杆上位移检测片（衔铁）的微小位移 S转换成 4－ 20mA的直
流输出电流。
低频位移检测放大器由差动变压器、低频振荡器、整流滤波电路
及功率放大器组成，其原理线路图如图 3－ 17所示，图 3－ 18为其构成
方框图。
图 3－ 17 低频位移检测放大器原理线路图
图 3－ 18 低频位移检测放大器构成方框图
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① 低频振荡器 差动变压器的作用是将位移检测片（衔铁）的位移
S转换成相应的电压信号,参见图 3－ 17。ABu
下面先分析差动变压器。
差动变压器由位移检测片（衔铁），上、下罐形磁心和四组线圈
组成，如图 3－ 19所示，图 3－ 20为位 差动变压器的原理图。
图 3－ 19 差动变压器的结构示意图 图 3－ 20 差动变压器的原理图
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低频振荡器线路如图 3－ 21所示。
图 3－ 21 低频振荡器线路图
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② 整流滤波电路 整流滤波电路电路如图 3－ 22所示。
③ 功率放大器 功率放大器采用了如图 3－ 23所示的互补型复合管放大
电路，它将输入的电压信号 转换为变送器的输出电流 。4RU
?I
98?RA
B
4C ABU 5C 4R 4RU
图 3－ 22 整流 滤波电路
4RU 4R
3R
LR
5R
+
24V
-
?I
9VT
10VT
图 3－ 23 功率放大器
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（ 4）杠杆系统
杠杆系统的作用是进行力的传递
和力矩比较，它由主杠杆 1、矢量机构 2
和副杠杆 4三部分组成，如图 3－ 24所示 。
（ 5）整机特性
综合以上分析，可得出 DDZ－ Ⅲ 型
差压变送器的整机方块图，如图 3－ 25所示。
iFip?
dA
2
1ll 1
F ?tan 2F
3l
iM M?
C
1 ? sl S k ?I
fKfl
fM
? _
图 3－ 25 DDZ － Ⅲ 型差压变送器的整机方块图
图 3－ 24 杠杆系统结构受力图
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由图 3－ 24可以求得在满足条件时,矢量机构 DDZ－ Ⅲ 型差压
变送器的输出输入 关系如下
1??ffs Kklcl
z
ff
z
pz
ff
z
ff
d FKl
lpKF
Kl
lp
Kll
llAI ??????
??
2
31t a n ?
式中 ―― 变送器的比例系数,。
pK?
ff
dp Kll
llAK
2
31ta n ???
（ 3－ 4）
由式 （ 3－ 4）可以 看出以下几点
① 在满足深度负反馈条件下，变送器的输出与输入关系取决于测量
部分和反馈部分的特性。
FKl l
ff
z② 式中 为调零项。
③ 改变 和 可以改变变送器的比例系数 的大小，因此
改变 或 可以调整变送器的量程。
?tan
fK pK?
?tan
fK④ 调整量程会影响变送器的零点，因此膜盒式差压变送器在调较时，
零点和量程要反复调整。
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3-2-2 电容式 差压变送器
3.2.2.1,测量部分
电容式差压变送器的检测元件采用电容式压力传感器，是目前工业上普遍使用的
一种变送器，系统构成方框图如图 3-30所示。其电路原理图见图 3-31。
输入差压 作用于测量部分电容式压力传感器的中心感压膜片，从而使感压膜片
（即可动电极）与两固定电极所组成的差动电容之电容量发生变化，此电容变化
量由电容 /电流传换电路转换成电流信号 Ia,Ib和调零与零迁电路产生的调零信号
Iz的代数和同反馈电路产生的反馈信号 If进行比较，其差值送入放大器，经放大得
到整机的输出信号 IO。
由于反馈电路和调零与零迁电路仅由几个电阻和电位器构成，因此可把它们与放
大器合为一个整体，即变送器可划分为两部分：测量部分和放大部分。
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测量部分的作用是把被测差压 成比例地转换为差动电流信号 Id，它由电容式压力传
感器、测量部件壳体（正、负压测法兰等）和电容 /电流转换电路部分组成。
（ 1）电容式压力传感器
电容式压力传感器是测量部分的核心，如图 3-32所示。中心感压膜片（即差动电容的
可动电极） 11分别与正、负压侧弧形电极（即差动电容的固定电极） 12,10以及正、
负压侧隔离膜片 14.8构成封闭室，室中充满灌充液（硅油或氟油），用以传送压力。
正、负压侧隔离膜片 14.8的外侧分别与正、负压侧法兰 13.9构成正、负压测量室。
设中心感压膜片与两边弧形电极之间的距离为 S1,S2。当被测差压 △ P=0时,
中心感压膜片与其两边弧形电极之间的距离相等，设其间距为 S0，则 S1=S2=S0。
在被测差压 △ P≠ 0时，如上所述，中心感压膜片在 △ P作用下产生位移 §,则
若不考虑边缘电场影响，中心感压膜片与其两边弧形电极构成的电容 Ci1和 Ci2可
近似地看成是平板电容器，其电容量可分别表示为
返回目录
?
?
??
??
02
01
SS
SS
?
??
??? 0
1
1
1
1 S
A
S
AC
i
?
??
?
??
0
2
2
2
2 S
A
S
AC
i
以上两式中,分别为两个电容电极间介质的介电常数，两个电容中
灌充液相同，故 ； A1,A2分别为两个弧形电极的面积，制
造时两个弧形电极的面积相等，即 A1=A2=A0。因此，两个电容的电容量
之差 △ C为
21?? ??? ??
21
上式表明两个电容的电容量差值与中心感压膜片的位移 成非线性关系。
但若取两电容量之差与两电容量之和的比值，即取差动电容的相对变化值，则有
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由于中心感压膜片是在施加预张力条件下焊接的，其厚度很薄，预张力很大，致使膜
片的特性趋近于绝对柔性薄膜在压力作用下的特性，因此中心感膜片的位移 与输入
差压 △ P的关系可表示为
???
?
???
?
??????? ??? 0021
11
SSACCC ii
?
?
??
?
??
?
2
0
00
00
12
12
11
11
K
S
SS
A
SS
A
CC
CC
ii
ii ??
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
pK ?? 1?
式中,K1是由膜片预张力、材料特性和结构参数所确定的系数。在电容式压力传感
器制造好之后，由于膜片预张力、材料特性和结构参数均为定值，因此 K1为常数，
即中心感压膜片位移 与输入差压 △ P之间成线性关系。
将式（ 3-22）代入式（ 3-21），即得
pKpKKp
S
K
CC
CC
ii
ii ??????
?
?
21
0
1
12
12
（ 3－ 23）式中 K—— 比例系数,K=K1K2为常数。
上式即为电容式压力传感器的静态特性表示式。由式（ 3-23）或得出如下结论：
① 差动电容的相对变化值 与被测差压 △ P成线性关系，因此把这一相对
变化值作为测量部分的输出信号；
② 与灌充液的介电常数 ε无关，这样从原理上消除了灌充液介电常
数
的变化给测量带来的误差。
12
12
ii
ii CC CC ??
返回目录
12
12
ii
ii CC CC ??
（ 2）电容 /电流转换电路
电容 /电流转换电路的作用是将差动电容的相对变化值成比例地转换为差动信号 Id，
并实现非线性补偿功能。其等效电路如图 3-34所示。它由振荡器、解调器、振荡
控制放大电路和线性调整电路等部分组成。
电容式压力传感器的 Ci1和 Ci2由振荡器供电，因此，两个电容的电容量变化，被
转换为电流变化，其中流过 Ci1的电流为 i 1，流过 Ci2的电流为 i 2。经解调器相
敏整流后输出两组信号，一组（ i2-i1 ）为差动信号 Id，另一组（ i2+i1 ）为共模
信号 Ic。差动信号 Id经电流放大电路放大成 4~20mADC的输出电流 I0；共模信号
Ic作为振荡控制放大电路的输入信号，以控制振荡器的供电电压，使得 i1+i2
保持不变，从而保证 Id与输入差压 △ P成比例关系。
图 3-34中,U02为运算放大器 A2输出电压（参见图 3-31）。由于 A2构成电压跟随
器，其输入电压稳压管 VZ1的稳定电压通过 R10,R13和 R14分压所得，故 U02是
恒定的，其作用是为振荡控制放大电路提供基准电压。图 3-34中未画出线性调整
电路部分。
① 振荡器 振荡器用于向电容式压传感器的 Ci1和 Ci2提供高频电源，它由晶体管
VT1、变压器 T1及有关电阻、电容组成。振荡器可进一步画成图 3-35的等效形式。
图中,U01为运算放大器 A1的输出电压，作为振荡器的供电电压，因此 U01的大
小可控制振荡器的输出辐度。变压器 T1有三组输出绕组并构成 了相应的整流回路
（见图 3-34），图 3-35画出了一个输出绕组回路的等效电路，其等效电感为 L，
等效负载电容为 C，它的大小主要取决于测量元件的差动电容值。
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由图 3-35可见，振荡器为变压器反馈振荡器。在电路设计时，只要适当选择电路
元件的参数值，便可以满足振荡条件。
等效负载电容 C和输出绕组的电感 L构成了并联谐振回路，其谐振频率也就是振荡
器的振荡频率，约为 32KHZ，由于测量元件的差动电容值是随输入差压 △ P而变
化的，因此振荡器的振荡频率也是变化的。
② 解调器 解调器用于对通过差动电容 Ci1和 Ci2的高频电流进行半波整流，它
包括二极管 VD1~VD8，分别构成四个半波整流电路。每一个回路中，采用两个二
极管串联，目的是提高电路的可靠性。由于差动电容的电容量很小，其阻抗远大
于回路中其他电容和电阻的阻抗，因此在振荡器输出幅度恒定的情况下，各个回
路的电流主要取决于 Ci1和 Ci2。
图 3-34中，流过 VD1,VD5的电流和流过 VD2,VD6的电流，都是由 Ci2决定的，
因此可以认为两者相等，均为 i 2。流过 VD3,VD7电流和流过 VD4,VD8的电流
都是由 Ci1决定的，因此可以认为两者也相等，均为 i 1。解调器的工作原理可结
合图 3-34来说明。
当振荡器输出为正半周时（ T1同相端为正时）,VD2,VD6及 VD2,VD7导通，
而 VD1,CD5及 CD4,CD8截止。绕组 2-11产生的电流 i2 的路线为
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? ? )11(,2 1111722261 TCCCCVDVDT i ? ??? ??? ??? ??? ??? ??
绕组 3-10产生的电流 的路线为
? ? )10(,3 1
8
6
17113741 TR
RCCCVDVDRT
i ? ??? ??? ??? ??? ??? ??? ??
当振荡器输出为负半周时（ T1同相端为负时）,VD1,VD5及 VD4,VD8导通，
而 VD2,VD6及 VD3,VD7截止。绕组 2-11产生的电流 i1 的路线为
从图 3-34中可以看出，绕组 2-11在振荡器正、负半周中产生的电流 i1和
i2以相反的方向流过 C11，两者平均值之差 I2-I1即为解调器输出的差动
信号 Id，作为一下级电流放大器的输入信号。绕组 3-10和 1-12产生的电
流 i1和 i2流过 R6//R8和 R9//R7产生的电压，对运算放大器 A1输出端说，
极性相同，两者平均值之和 I2+I1即为解调器输出的共模信号 Ic。
为了求得差动信号 I2-I1与差动电容相对变化值的关系，先要确定 i1.i2
的大小。因为电路时间常数比振荡周期小得多，可以认为 C11C12两端电
压的变化等于振荡器输出高频电压的峰 -峰值 Upp，因此可求得 i1和 i2的
平均值 I1,I2如下
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? ? )2(,11 184117111 TVDVDCCCCT i ???? ??? ??? ??
绕组 1-12产生的电流 i2 的路线为
? ? )1(,12 13512217
9
7
1 TRVDVDCCCR
RT
i ???????
式中 T—— 振荡器输出高频电压的周期；
f—— 振荡器输出高频电压的频率。
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fUC
T
UC
I
ppi
ppi
1
1
1
??
fUCTUCI ppippi 222 ??
因此,的平均值之差 Id及两者之和 Ic分别为
? ? fUCCIII ppiid 1212 ????
? ? fUCCIII ppiic 1212 ????
又因为
fUCC
fUCC
I
I
ppii
ppii
c
d
)(
)(
12
12
?
??
（ 3 —— 25）
（ 3 —— 26）
由式（ 3-25）代入式（ 3-26）可得
由式（ 3-23）代入式（ 3-27）可得
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12
12
ii
ii
Cd CC
CCII
?
?? （ 3 —— 27）
pKpKIpKKII mccd ?????? 21 （ 3 —— 28）
式中,Km—— 电容式变送器测量部分的转换系数,Km=IcKo。
上式表明，由于 K=K1/S0为常数，因此只要设法使 I2+I1即 Ic维持恒定，
便可使测量部分输出的差动信号 Id和输入差压 △ P成比例关系。
③ 振荡控制放大器 振荡控制放大器的作用，是使流过 VD1,VD5和
VD3,VD7的电流之和 I2+I1即 Ic等于常数。
由图 3-34可知，在不考虑线性调整电路作用时,A1的输出端接受两个
电压信号：一个是基准电压 U02在 R9和 R8上的压降，设为 Ud1,另一个是
分流后在 R9和 R8上产生的压降，即共模信号 Ic产生的压降，设为 Ud20
和 以它们的平均值表示，由图 3-34可得
由于 R6=R9,R7=R8，故上式可写成
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2
86
8
97
9
1 ORd URR
RU
RR
RU
?
?
?
?
1
86
86
2
97
97
2 IRR
RRI
RR
RRU
d ????
2
86
86
1 Od URR
RRU
?
??
? ?12
86
86
2 IIRR
RRU
d ???
如把 A1看作理想运算放大器，即 Ud=Ud1+Ud2=0 则由式（ 3-29）可得
上式中 R6,R8,R9和 U02均恒定不变，因此 I2+I1也恒定不变，即 Ic为常
数。
振荡控制放大器维持 Ic不变的过程可以定性分析如下：
假设振荡器输出电压增加使 I2+I1增加，由式（ 3-29）可知,A1的输入信
号 Ud2增加，即 Ud增加，使 A1的输出 U01减小（ U01是以 A1电源正极为基
准），从而使得振荡器振荡幅度减小，变压器 T1输出电压减小，直至使
I2+I1恢复到原来的数值。显然，这是一个负反馈的自动调节过程，振荡
器和调制器一部分电路构成了 A1的深度负反馈电路，其目的是维持 I2+I1
保持不变。
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? ?
2
86
68
12
2
86
86
12
86
86
21
0
O
Odd
U
RR
RR
II
U
RR
RR
II
RR
RR
UU
?
???
?
?
?
??
?
??
④ 线性调整电路 线性调整电路的作用是进行非线性补偿，以保证测量部分输出的
差动信号 Id和输入差压 △ P成线性关系。 Id和 △ P的非线关系是由电容式压力传感器
的分布电容引起的。
在考虑电容式压力传感器的分布电容 C0时，差动电容的实际电容量为
式中,为考虑分布电容 C0时中心感压膜片与正、负压侧弧形电极构成的电容的
电容量。
因此测量部分输出的差动信号 Id变为
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011 CCC ii ??? 022 CCC ii ???
12
0
12
12
012
12
12
12
2
1
2)(
)(
ii
ii
ii
c
ii
ii
c
ii
ii
cd
CC
C
CC
CC
I
CCC
CC
I
CC
CC
II
?
?
?
?
?
??
?
?
?
?
?
??
??
将式（ 3-23）代入式（ 3-31）可得
如前所述，在输入差压 △ P=0时,Ci1=Ci2，而随 △ P的增大,Ci2增大,Ci1减
小。实验和理论计算表明,Ci2增大的速率要比 Ci1减小的速率快，这将使得
（ Ci2+ Ci1）随着 △ P的增加而增大，即 K2随 △ P的增加而增大，从而使得 Id与
△ P之间不存在线性关系。
由式（ 3-32）可以看出，如果使 IC随着 △ P的增大而减小，从而使 Ic与 K2的乘积
保持不变，则 Id与 △ P之间的线性关系也就保持不变。线性调整电路即按照这一
原理实现非线性补偿的，它由 VD9,VD10,R22,R23,W1等元件组成，其等
效电路如图 3-36所示。
变成器 T1的输出绕组 3-10和 1-12的输出电压经 VD9,VD10，半波整流后，在
R22,R23,Rw1上形成压降，经 C8滤波后可得到补偿电压 Uc。因 R22=R23，故
当 Rw1=0时，绕组 3-10回路和绕组 1-12回路在振荡器正、负半周内的负载电阻相
等,Uc=0，无补偿作用；而当 Rw1≠0时，两绕组回路在振荡器正负半周内的负
载电阻不相等,U≠0，其方向如图 3-36所示。
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pKIp
CC
C
K
II
c
ii
Cd
???
?
?
?
3
12
0
2
1
在运算放大器 A1输入端加有补偿电压 U时，如把 A1看成理想运算放大器，则其
输入端正所加电压 Uc,Udi,Ud2的代数和为零，即
把式（ 3-29）代入式（ 3-33）可得
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021 ??? cdd UUU (3 – 33)
coc URR
RRU
RR
RRIII
86
86
2
86
68
21
?????? (3 – 34)
输入差压 △ P增大时，（ Ci2+ Ci1）增大将使得振荡器振荡幅度减小，
从而使得绕组 3-10和绕组 1-12的输出电压减小，因此输出电压正、负半
周在 R22,R23,Rw1 上的电压差值也减小，即 Uc减小。由式（ 3-34）可
见,Uc减小使得 Ic也减小。如果 Uc引起的 Ic变化量与 K2的变化量相等，
则由于 Ic和 K2 的变化方向相反，因此可使得在整个 △ P的测量范围内，
Id与 △ P成线性关系。
调整电位器 W1，可以改变补偿电压 Uc的大小使得变送器的非线性误差小
于 ± 0.1%。
3.2.2.2,放大部分
放大部分的作用是把测量部分输出的差动信号 Id放大并转换成 4~20mA的直流输
出电流，并实现量程调整、零点调整和迁移、输出限幅和阻尼调整功能，其等效
电路如图 3-37所示。它由电流放大电路、零点调整与零点迁移电路、输出限幅电
路及阻尼调整电路组成。
（ 1）电流放大电路
电流放大电路的作用是把 Id并转换成 4~20mA的直流输出电流，并实现量程调整。
它包括放大器和反馈电路，前者由运算放大器 A3和晶体管 VT3,VT4及有关元件
组成；后者由电阻 R31,R33,R34和电位器 W3组成。电流放大电路的等效电路
如图 3-38所示。
图中,VZ1的稳定电压经 R10,R13,R14分压后加在 A3的反相输入端，使得 A3
的反相输入端电位在共模输入电压范围之内，以保证运算放大器能正常工作。
R19为变送器电子器件的工作电流 Iw提供通路，以保证变送器在接通电源时能能
正常启动工作。 Ra,Rb,Rc为 R31,W3组成的电路 △ -Y变换后的等效电阻，设
Rw31,Rw32分别为中心触点左右两边的阻值（见图 3-37），则 Ra,Rb分别为
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331
3231
331
3131,
W
WW
b
W
W
a RR
RRR
RR
RRR
????
(3 – 35)
输出电流 I0流经的路线为（见图 3-37）
其中，流经 R34,C11支路的部分电流为 I0产生的反馈电流 If如果。
下面分析该电路输出电流 I0 与输入信号 Id的关系。
测量部分输出的差动信号 Id 对 C11充电，使得 B与基准地（ A3电源正极）之间的
电压 Ub增加，从而 A3的输出电压 U03增大，即 VT3的基极电压增加，其集电极电
流 Ic3 也就是 VT4的基极电流 Ic4 增加,VT4 的发射极电流 Ic4增大,VT4 即为变
送器输出电流 I0。 I0经反馈电路产生的反馈电流如果也增加。如果经 R34对 C11反
向充电，使 Ub减小。在如果 =Id，即 C11的正、反向充电电源相等时,U8一定，
相应的输出电流 I0也一定，这时,I0与 Id成比例关系。
由图 3-38可以求得反馈电流如果与 I0的关系为
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????
???????? ??
1134
42181233111 //
CR
ERVTVTRVDWRVDE L
? ?baoo
ba
f RRRRIR
RRI
RRRR
RRI ??????
???
??
3334
34
833
3433
833
式中,Kf为反馈部分的反馈系数，
34
33
R
RRK a
f
??
最后经计算得；
式（ 3-38）表明：
① 在量程一定时,K1与 Km为常数，即变送器的输出电流 I0和输入 信号 △ P之间
呈线性关系，其基本误差一般为 ± 0.2%，变差为 ± 0.1%；
② 改变反馈系数 K1的大小，可以调整变送器的量程,K1的改变是通过调整电位
器 W3实现的,W3为量程调整电位器。
（ 2）零点调整与零点迁移电路
零点调整与零点迁移电路分别用以调整变送器的输出零位和实现变送器的零点迁
移。
图 3-37中，电阻 R36,R37和电位器 W2构成零点调整电路,W2为调零电位器。
由图可以看出，若调整 W2使得 UA大于 UB，则产生的调零电流 IZ对 C11进行充电，
其方向与差动信号 Id相同，因而使得变送器的输出电流 I0在电子器件工作电流
（通常为 2.7mA左右）基础上增大。在输入 差压 △ P=0时，调整电位器 W2，即
改变 UA的大小，可以使得变送器的输出零点电流为 4MA。
值得指出的是，调整 W2改变变送器零点电流时，对变送器的满度值会有影响；
而调整电位器 W3改变变送器的量程时，对变送器的零点电流也会有影响。因此，
在仪表调校时，应反复调整零点和满度。
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f
d
f
o ???
11 （ 3-38）
图 3-37中，电阻 R20,R21和开关 S1构成零点迁移电路,S1为零点迁移开关。零点
迁移电路的作用与调零电路相类似，把 S1接通 R20或 R21，相当于 UA产生了很大变
化（相当于 UA=0或 UA=UD，这时以 R20或 R21代替 R36），因而使变送器的零位电
流产生了很大的变化，即实现了变送器的零点迁移。接通 R20时，零位电流减小，
从而可实现正迁移；当接通 R21时，零位电流增加，可实现负迁移。
（ 3）输出限幅电路
输出限幅电路用于限制变送器输出电流 I0的最大数值不超过 30MA。它由晶体管 VT2、
电阻 R18和和二极管 VD12组成，见图 3-37。
当输出电流 I0增大时,R18上的压降也增大，由于稳压管 VZ1的电压恒定，因此 VT2
的集电极与发射极之间电压 Uce2减不。在 Uce2减小到等于 VT2的饱和压降 Uces时，
IO达到最大值，不能再增加。由此可估算出 I0最大值为
式中,UD1—— 稳压管 VZ1的稳压值；
UD12—— 二极管 VD12的正向导能电压；
Ub12—— 晶体管 VT2的发射极正向压防；
Uces—— 晶体管 VT2的饱和压降；
Iw—— 变送器电子器件的工作电流,IW≈2.7Ma。
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?
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（ 4）阻尼电路
阻尼电路用于抑制变送器输出电流因输入差压快速变化所引起的波动，它由 R38，
R39,C22和 W4构成,W4为阻尼时间调整电位器（见图 3-37）
阻尼电路的作用可用图 3-39来加以说明。
假设输入差压 △ P产生一阶跃变化，输出电流 I0也将趋于阶跃增大，但这时阻尼电路
产生的反馈电流 Ifd（见图 3-37）对 C11反向充电，阻止了 C11上的电压增大，这样也
就阻止了 I0的增大。随着 C22被逐步充电,Ifd不断减小,C11上的电压不断增大，输
出 I0增大。在 C22充电结束时,Ifd=0,C11上的电压和输出电流 I0也就增大到与 △ P
相对应的数值。至此，阻尼电路的作用结束。
在输入差压 △ P产生一阶跃变化时，输出电流 I0的变化过程是按指数曲线的变化过程，
因此，阻尼时间 T可以这样定义和测定：在阶跃输入差压 △ P作用下，变送器输出电
流从起始值开始，变化到输出变化幅度（图 3-39中 AB段）的 63.2%所经历的时间，
称为阻尼时间。
阻尼时间等于阻尼电路的时间常数，因此改变阻尼时间调整电位器 W4，可以调整阻
尼时间的大小，其范围为 0.2~1.67s(灌充液为硅油 )。
图 3-31电路原理图中其他元件的作用如下。
电阻 R26~R28用于变送器的零点温度补偿，其中 R26为具有负温度系数的
热敏电阻。电阻 R1,R2,R4,R5用于量程温度补偿，其中 R2为负温度系
数的热敏电阻。二极管 VD11用于在变送器输出指示表未接通时，为输出
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电流提供通路。 VZ2除起稳压作用外，还在电源接反时，提供电流通路，以
免损坏电子器件 。
电容 C17用于电容耦合按地。由于是通过电容耦合按地，因此在用兆欧表检
查变送器接线端子对地的绝缘电阻时，其输出电压不宜超过 100V。
3.2.3,扩散硅式差压变送器
扩散硅式差压变送器的检测元件采用扩散硅压阻传感器。由于单晶硅材质纯、功
耗小、滞后和蠕变极小、机械稳定性好，且传感器的制造工艺与硅集成电路工艺
有很好的兼容性，因此随着分配信息技术的突破，以扩散硅压阻传感器作为检测
元件的变送器得到了越来越广泛的使用。扩散硅式差压变送器的基本电路原理如
图 3-40所示，构成方框图如图 3-41所示。
输入差压 △ P，作用于测量部分的扩散硅压阻传感器，压阻效应使硅材料上的扩
散电阻（应变电阻）阻值发生变化，从而使这些电阻组成的电桥产生不平衡电压
我们。我们由前置放大器放大为 U01,U01与调零与调零迁电路产生的调零信号
Uz的代数和送入电压 -电流转换器转换为整机的输出信号 I.
简便起见，扩散硅式差压变送器可划分为两大部分：测量部分和放大转换部分。
3.2.3.1.测量部分
测量部分的作用是把被测差压 △ P成比例地转换为不平衡电压我们，它由扩散硅
压阻传感器和传感器供电电路组成。
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（ 1）扩散硅压阻传感器
扩散硅压阻传感器通常是在硅膜片上用离子注入和激光修正方法形成 4个阻值相
等的扩散电阻，应用中将其接成惠斯顿电桥形式，如图 3-42（ b）所示。其结构
形式有多种，图 3-42（ a）为其中一种形式。
图 3-42 （ a）中，检测元件由两片研磨后胶合成杯状的硅片组成，即图中的硅杯 4，
硅杯上的 4个扩散电阻通过金属丝连到印刷电路板上，再穿过玻璃密封件引出。
硅杯两面分别与正、负压侧隔离膜片构成封闭室，室中充满硅油，用以传送压力。
正、负压侧离膜片的外侧分别与正、负压侧法兰构成正、负压测量室。
当正、负压测量室引入的被测压力 P1和 P2分别作用与正、负压侧隔离膜片上时，
P1和 P2通过硅油传递，作用于硅杯压阻传感器。 P1和 P2之差即被测差压 △ P，
使硅杯产生形变，硅杯上的扩散电阻因压阻效应电阻率发生变化导致阻值发生变
化，结果使桥路输出电压我们发生变化，我们大小与被测差压 △ P成正比。扩散
硅压阻传感器的弱点是扩散电阻存在温度效应，环境温度的变化将引起零位、满
度、应力灵敏度的变化。因此在扩散电阻构成的电桥中通过电阻的串并联方法可
使温度影响减至最小。为此有些厂家在传感器组件是提供了若干校正用的附加电
阻, 这些电阻也用激光刻蚀而成，与传感电阻封装成一体
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（ 2）传感器供电电路
传感器供电电路的作用是为传感器提供恒定的桥路工作电流，它由运放 A1、稳压二
极管 VZ1以及 R1~R4组成。由图 3-40可见，传感器接成电桥形式，位于 A1的反馈回
路。若将运放 A1看成理想运算放大器，即 UT1=UF1,IF1=0,则流经桥路的工作电流
是为
式中 UD1为稳压二极管 VZ1的稳压值。
上式表明，桥路的工作电流是恒定不变，其值约为 1mA，大小可通过电阻 R4调整。
3.2.3.2.放大转换部分
放大转换部分的作用是把测量部分输出的毫伏信号我们放大并转换成 4~20mA的
直流输出电流，它是一个仪表放大器，由前置放大器和电压 /电流转换器两部分组
成。
（ 1）前置放大器
前置放大器主要起电压放大作用，它是一个由 A2,A3组成的高输入阻抗差动运
算放大器，输入信号我们加在 A2,A3的同相输入端,A2,A3的两个输出端之间
的电压为输出电压 U01（见图 3-40）。
由图 3-40可求得
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4
1
R
UI D
S ? ( 3-40 )
式中,K为前置放大器的电压放大倍数，，其大小可通过电位器 W1调整。
（ 2）电压 /电流转换器
电压 /电流转换器的作用是把前置放大器的输出电压 U01转换成 4~20mA的直流
输出电流 I0，并实现零点调整和输出限幅功能。
电压 /电流转换器由 A4,VT2组成。 VT2起电流放大作用，故可把它看成是运
放 A4内部的一部分，其等效电路如图 3-43所示。由图可见，电压 /电流转换器
实际上是一个差动运算放大电路。
由于
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SS
W
O
W
WS
S
O
KUU
RR
R
U，RR
RRRR
RR
U
U
???
?
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???
?
?
15
8
198
9158
1
1
2
1
)(
所以得因 ( 3-41 )
上式表明，调整 K可以改变放大转换部分转换系数，因此由式（ 3-41）可知 W1是变
送器的量程调整电位器。
W2上的调零电压 Uz通过 R12加在 A3的反相输入端，实现变送器的零点调整，因此
W2是零点调整电位器。
VD3起输出限幅作用，当输出电流在 R19上所产生的压降使 VT3饱和导通时,VT2输
入电压保持恒定，从而使 U0保持恒定，输出电流就被限制在对应的值上。
图 3-40中,VT1,VZ2和 R13,R14组成稳压电路，给各运算放大器及 VZ1供电；
VD3为电源反极性保护二极管。
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So
oo
O
O
oO
U
R
K
I
R
U
R
U
I
I
UU
RRRR
19
19
1
19
1
18151110
?
??
?
???
最终得
为电流可以得出变送器的输出
所以
因为
( 3-43 )
ST3000差压变送器的原理框图如图 3－ 26所示，它的检测元件也是采
用扩散硅压阻传感器。与模拟式扩散硅差压变送器不同的是,ST3000差
压变送器所采用的是复合型传感器，该传感器在单芯片上形成差压测量
用、温度测量用和静压测量用三种感测元件。
目前实际应用的智能式差压变送器种类较多，结构各有差异，
但从总体结构上看是相似的。
3.2.2,智能式差压变送器
3.2.2.1,ST3000差压变送器
图 3－ 26 ST3000差压变送器的原理框图
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3.2.2.2,30C51差压变送器
30C51差压变送器的原理框图如图 3－ 27所示，它由传感组件和电
子组件两部分组成，电路采用专用集成电路（ ASIC）和表面安装技术
（ SMT）。
图 3－ 27 30C51差压变送器的原理框图
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3.2.2.3,1151智能式差压变送器
1151智能式差压变送器是在模拟的电容式差压变送器基础上，结合
HART通信技术开发的一种智能式变送器，具有数字微调、数字阻尼、通
信报警、工程单位转换和有关变送器信息的存储等功能，同时又可传输 4
－ 20mADC电流信号，特别适用于工业企业对 模拟式 1151差压变送器 的数
字化改造。其原理框图如 图 3－ 28所示 。
图 3－ 28 1151智能式差压变送器原理框图
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（ 1）传感器部分
传感器部分的作用是将输入差压转换成 A/D转换器所要求的 0－ 2.5V电
压信号。
（ 2） AD7715
AD7715是一个带有模拟前置放大器的 A/D转换芯片，它可以直接接受
传感器的直流低电平输入信号并输出串行数字信号。它由输入缓冲器、
前置放大器、电荷平移式 A/D转换器、时钟电路和 4个寄存器组成。其电
路原理如图 3－ 29所示。
图 3－ 29 AD7715电路原理图
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（ 3） CPU
CPU使用美国 ATMEL公司的 AT89S8252微处理器，它与 MCS-51
微处理器兼容。
（ 4） HART通信部分
它主要由 HT2012、带通滤波器和输出波形整形电路等组成，
其原理如图 3－ 30所示。
图 3－ 30 HART通信电路
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（ 5） AD421及电压调整电路
AD421及电压调整电路图原理如图 3－ 31所示。
图 3－ 31 AD421及电压调整电路原理图
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（ 6） WDT监控电路
WDT监控电路如图 3－ 32所示。
（ 7） 1151智能式差压变送器的软件
1151智能式差压变送器的软件分为两部分：测控程序和通信程序。
VCC VCC
RESET RESET
WDI
2/OI
1/OI
CPU
GNDGND WDO
WDT
ccU
1R
2R
PF1
图 3－ 32 WDT监控电路
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3.3,温度变送器
温度变送器与测温元件配合使用，将温度或温差信号转换成为统一标
准信号或数字信号，以实现对温度（温差）参数显示、记录或自动控制。
温度变送器还可以作为直流毫伏信号 或电阻信号 的传感器，实现对
其他工艺参数的测量。
温度变送器可分为模拟式温度变送器和智能式温度变送器两大类。在
结构上，温度变送器有测温元件和变送器连成一个整体的一体化结构，也
有测温元件另配的分体式结构。
模拟式温度变送器在与测温元件配合使用时，其输出信号有两种方式：
一种是输出信号与温度之间呈线形关系，但输出信号与变送器的输入信号
（ 或 ）之间呈非线形关系；另一种是输出信号与温度之间呈非线形
关系，而输出信号与变送器的输入信号（ 或 ）之间呈线形关系。两
种形式的区别仅在于变送器中有否非线形补偿环节。后一种形式的温度变
送器，由于没有设置非线形补偿环节，测温元件的非线形会影响测量精度，
因此一般只适用于测温精度要求不高或温度测量范围比较小的场合。智能
式温度变送器，由于通过软件进行测温元件非线性补偿非常方便，并且补
偿精度高，因此其输出信号与温度之间总是呈线性关系。
本节介绍典型模拟式温度变送器、一体化温度变送器和智能式温度变
送器。
iE iR
tE tR
tE tR
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3.3.1.典型模拟式温度变送器
3.3.1.1.概念
典型模拟式温度变送器由三部分：输入部分、放大器和反馈部分组
成，如图 3-33所示 。其测温元件，一般不包括在变送器内，而是通过接
线端子与变送器相连接。
XTi,iX iU
zU
fU
?I
+ _
检测元件 输入回路
零点调整与
迁移电路
放大器
反馈回路测量部分 放大部分
图 3－ 33 典型模拟式温度变送器原理框图
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检测元件把被测温度 或其他工艺参数 X转换为变送器的输入信
号 （ ），送入变送器。经输入回路变换成直流毫伏信号
后,和调零与零迁移电路产生的调零信号 的代数和同反馈电路
产生的反馈信号 进行比较，其差值送入放大器，经放大得到整机
的输出信号 。气动温度变送器还需要将放大器的输出电流信号
经仪表内的电 /气转换器转换成 20-100kPa的气压信号。
典型模拟式温度变送器是气动和电动单元组合仪表变送单元的主
要品种，都经历了从 Ⅰ 型到 Ⅱ 型、再到 Ⅲ 型的发展过程。下面以 DDZ
－ Ⅲ 型温度温度变送器为例进行讨论。
iT
iX itt ERE 或,iU
iU zU
fU
?I ?I
3.3.1.2,DDZ－ Ⅲ 型温度变送器
DDZ－ Ⅲ 型温度变送器有带非线性补偿电路与不带非线性补偿电路
的热电偶温度变送器和热电阻温度变送器以及直流毫伏变送器等多个品
种，各品种的原理和结构大致相仿。本书介绍其中三种：直流毫伏变送
器、带非线性补偿电路的热电偶温度变送器和热电阻温度变送器。前一
种是将直流毫伏信号转换成 4-20mADC输出信号，后两种则分别与热电偶
和热电阻相配合，将温度信号线性地转换成统一标准信号。
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这三种变送器均属安全火花型防爆仪表，采用四线制的连接方式。
因此在变送器的构成上，除了输入部分、放大器和反馈部分之外，还
增加了直流 /交流 /直流变换器部分，以满足防爆仪表的要求。直流 /交
流 /直流变换器为其他部分提供电源。三种变送器的构成方框图如图 3-
34所示。图中，实线箭头表示信号传递回路，空心箭头表示供电回路。
在线路结构上，三种变送器都分为量程单元和放大单元两个部分，它
们分别设置在两块印刷线路板上，用接插件互相连接。其中放大单元
是通用的；而量程单元则随品种、测量范围的不同而异。
冷端补偿
零点调整 稳压源 DC/AC/DC 24VDC
前置
运放
功率
放大 输出回路
反馈
量程单元 放大单元
iE ?I
?U
（ a）直流毫伏变送器
图 3－ 34 DDZ－ Ⅲ 型温度变送器构成方框图
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零点调整 稳压源 放
大
单
元
非线性校正
热点偶T ?I
?U
（ b）热电偶温度变送器
零点调整 稳压源 放
大
单
元
?I
?U
量程单元
线性化器热点阻T
量程单元
反馈
（ c）热点阻温度变送器
图 3－ 34 DDZ－ Ⅲ 型温度变送器构成方框图
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比较三种变送器的构成方框图可以看出，热电偶温度变送器和
热电阻温度变送器是在直流毫伏变送器的基础上，分别增加了相应
的补偿电路而构成的。因此，下面着重分析直流毫伏变送器，而对
另外两种变送器仅分析其所增加的补偿电路。
(1)直流毫伏变送器
直流毫伏变送器用于把直流毫伏信号 转换成 4-20mADC电流
信号。由检测元件送来的直流毫伏信号 和调零与零迁移电路产
生的调零信号 的代数和同反馈电路产生的反馈信号 进行比
较，其差值送入电压放大器进行电压放大，再经功率放大器和隔离
输出电路转换得到整机的 4-20mADC输出信号 。直流毫伏变送器
线路原理图示于图 3-35。
iE
iE
zU fU
?I
返回目录
图 3－ 35 直流毫伏变送器线路原理图
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（ 2）热电偶温度变送器
热电偶温度变送器与各种热电偶配合使用，可以将温度
信号变换为成比例 的 4-20mADC电流信号和 1-5VDC电压信号。
热电偶温度变送器的线路仅在直流毫伏 变送器线路的基础上，
作了如下两点修改：
① 在输入回路增加了由铜补偿电阻, 等元件组
成的热电偶冷端补偿电路。同时，在电路安排上把调零电位
器 和电阻 移到了反馈回路的支路上；
② 在反馈回路中增加了由运算放大器 等构成的线性化
电路。
修改部分的电路如图 3-36 所示：
1CuR 2CuR
1W 104R
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图 3-36 热电偶温度变送器量程单元
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（ 3）热电阻温度变送器
热电阻温度变送器与各种热电阻配合使用，可以将温度信号变换
成比例的 4-20mADC电流信号和 1-5VDC电压信号，热电阻温度变送器的
线路在直流毫伏变送器线路的基础上，输入回路增加了由,
等元件构成的线性化电路和由, 等元件构成的热电阻导线电
阻补偿电路，同时零点调整电路有所改变。
修改部分的电路如图 3-37所示，图中，由,, 和 等
元件组成的零点调整电路用于实现变送器的零点调整和零点迁移。为
分析电路方便起见，在图中还用运算放大器 A表示放大单元的放大器；
用等效电阻 表示反馈回路。
2A 1916 RR ?
23R 24R
25R 26R 27R 1W
fR
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图 3-37 热电阻温度变送器量程单元
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3-3-2 一体化化温度变送器
一体化化温度变送器，由测温元件和变送器模块两部分构成，其
结构框图如书 P127图 3-65所示。
变送器模块将测温元件的输出信号 E（ T）。或 R（ T）转换成统一的标准
信号,4—— 20mA
一体化化温度变送器的定义是变送部分与测温元件组成一个整体，并直
接安装在被测温度的工艺现场，而输出的信号为统一的标准信号，这种
变送器具有体形小、重量轻、现场安装方便、特别是输出信号的抗扰能
力极强。便于远距离传输。与热电偶配合时，可不采用补偿导线。唯一
需要注意的是现场的环境温度，一般元件的工作温度在 -20℃ ----80℃
常用的变送器蕊片有 AD693,AD590,XTR101,XTR103,IXR100等。
下面以 AD693构成的一体化温度变送器为例进行介绍。
3.3.2.1 AD693介绍
AD693是 ANALOG DEVICES公司生产的专用测温变送器芯片，可以直接
接受温度传感器元件的直流低电平输入信号并转换成 4— 20mA的直流
输出电流。该芯片的原理图可见书上 P128图 3-66所示。
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其基本构成为信号放大器,U/I变换器、基准电压源和辅助放大器等；四个部分。
(1) 信号放大器
是由 A1,A2,A3 三个运算放大器和多个反馈电阻组成，其输入信号范围
为 0----100mV；设计的放大倍数是 2倍。通过接线端子 14,15,16，外接
适当的电阻，便可以调节放大器的放大倍数，以使输出达到 0---60mVDC。
(2) U/I变换器
可将 0---60mVDC的信号转换为 0---16mA的 DC输出信号。
或者 0---20mA的 DC输出信号,4---20mA的 DC输出信号
或者 12+8MA与 12-8MA的 DC输出信号
还设置发输出电流限幅电路，以保障输出电流最大不超过 32mADC。
(3) 基准电压源
由基准电压电路与分压电路组成，通过将其输入端子 9与端子 8相连或者外
接适当的电阻，可以输出 6.2VDC的电压或多种不同的基准电压。提供给
零点调整、量程调整以及用户使用。
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(4) 辅助放大器
是一个可以灵活使用的放大器。由一个运算放大器和电流放大器组
成，输出电流范围为 0.01----5mADC。其主要作为信号调理用，
另外也有多种用途，如作为输入桥路的供电电源、输入缓冲级和
U/I变换器；提供大于或小于 6.2VDC的基准电压；放大其他信号
然后与主输入信号叠加；利用片内所提供的 100Ω和 75mV 或
150mV的基准电压；而产生 0.75mV 或 1.5mA的电流作为传感器的
供电电源等。辅助放大器不用时可将同相输入端子 2接地。
3.3.2.2 AD693构成的热电偶温度变送
器
AD693构成的热电偶温度变送器的电路原理图在书本上的图 3-67所
示。由热电偶、输入电路和 AD693组成。
(1) 输入电路
其为一个 DC不平衡电桥，四个桥臂分别是 R1,R2,Rcu以及电位
器 W1组成。 B,D是电桥的输出端子，与 AD693的输入端子 17，
18相连。电桥由 AD693的基准电压源和辅助放大电路供电，辅
助放大器端子 20与 1相连，构成电压跟随器，其输入由 6.2VDC
基准电压经 R4, R5分压提供，若取 R4=R5=2kΩ，则桥路供电
电压为 3.1V。
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电位器 W3用来调节电桥的总电流，设计时确定电桥总电流为 1mA。又
因为电桥上、下两个支路的固定电阻 R1=R2=5KΩ，且比,电
位器 W1的电阻值大得多，因此可认为上、下两支路的电流相等,
cuR
)( 11121 WCUtWCUtBDti RRIERIRIEUEU ????????
式中 Rcu,Rw1 分别为铜补偿电阻和电位器 W1的 阻值。
(2) AD693放大倍数的调整
为使变送器能与各种型号的热电偶配合使用,AD693的输入信号范围应为
0~5mv至 0~55mv可调。由于 U/I变换器的转换系数是恒定值，因此调整信
号放大器的放大倍数，可以调整不同的输入信号范围。图 3-66中 AD693端
子 14,15,16所接的电位器 W2和电阻 R3，起调整放大器放大倍数的作用。
W2和 R3的数值确定方法如下。
不同的输入信号范围,AD693端子 14,15,16所接的电阻 R14R15，其计
算公式为
1
30
400
15.14
?
?
is
U
R
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对于 30~60MV的输入信号，要求在端子 15,16外接一个电阻 R15R16，
其计算公式 为
1
30
60
1400
16.15
?
?
?
?
?
?
?
?
?
is
is
U
U
R
以上两式中的 Uis均为所要求的输入信号范围的上限值。
将 5mV和 55mV分别代入式（ 3-64）和式（ 3-65）中，
可求得 R14R15=80Ω, R15.16=80 Ω 。
按输入信号可在 0-55mV范围内调整的要求，
综合考虑 R14.15,R15.16的数值，
可取 R3=0.9 Ω R14-16,即取 R3=72 Ω ；同时取 W2=1.5k Ω,
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式中 U—— AD693的输入信号
将式（ 3-63）代入上式（ 3-66），可得变送器输出与输入之间的关系为
(3) 变送器的静特性
AD693的转换系数等于信号放大器放大倍数与 U/I变换器转换系数的乘积，
设其值为 K，即
iO KUI ?
从式（ 3-67）可以看出以下几点。
)( 11 WCUtiO RRKIKEKUI ????
1:变送器的输出电流 I0与热电偶的热电势 E成正比关系。
2:式（ 3-67）中,Rcu阻值大小随温度而变。合理选择 Rcu
的数值可使 Rcu随温度变化而引起的 I1RCu变化量的绝对值近似等
于热电偶因冷端温度变化所引起的热电势 Et变化值，两者互相抵
消，不同热电偶 RCu的阻值是不同的，其值可由下式求得
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式中,RCu—— 铜补偿电阻在 20度 C时的电阻值,；
I1—— 桥臂电流，可认为 I1不变,mA；
A20—— 铜电阻在 20度 C附近的平均电阻温度系数，其值一般为
0.004/度 C。
Er—— 热电偶在 20度 C附近平均每度所产生的热电势,Mv/C。
严格地讲，热电偶热电势 Er与温度之间的关系以及补偿电阻 RCu阻值
变化与温度之间的关系都是非线性的。但由于两者非线性程度不同，因
此，这种补偿只是近似的。
3,改变 W2的阻值可以改变式（ 3-67）第二项的大小，从而可以选择
Et的起始点，即可以实现变送器的零点调整和零点迁移。 W1为调零电位
器，零点调整和零点迁移量（ mV数）的大小可近似用下式计算
201
?I
ER
t
CU
?
)(5.0 1WCU RRU ??
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④ 改变转换系数 K，可以改变仪表输出电流 I0与输入信号 Et之间的比
例关系，从而可以改变仪表的量程。 K是通过调节电位器 W2为量程调整
电位器。
⑤ 改变 K值（调量程）时，将同时影响式（ 3-67）第二项的大小，即
同时影响仪表的零点；而调整零点时对仪表的满度值也有影响，因此，
温度变送器的零点调整和量程调整相互有影响。
图 3-67中，外接的晶体管 VT1起降低 AD693功耗的作用，从而可以提
高可靠性和提高 AD693的使用温度范围。 R6,C1和 R7C2分别构成 RC滤波
电路，用于抑制输入的干扰信号。
3.3.2.3.AD693构成的热电阻温度变送器
AD693构成的热电阻温度变送器的电路原理图如图 3-68
所示，它与热电偶温度变送器的电路大致相仿，只是原来
热电偶冷端温度补偿电阻 RCu现用热电阻 Rt代替。这时，
AD693的输入信号 Ui为电桥的输出信号 UBD,即
)( 1011121 WttWtB Dii RRIRIRIRIUU ???????
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式中 I1,I2—— 桥臂电流，
Δ Rt —— 热电阻温度的变化量（从被测温度范围的下限值
t0开始）；
Rt0 —— 温度 to时热电阻的电阻值；
Rw1—— 调零电位器 W1的电阻值。
同样可求得热电阻温度变送器的输出与输入之间的关系为
)( 111 WCUtO RRKIRKII ????
上式表明，在电桥两桥臂电流 I1I2一定时，变送器输出电流
I0与热电阻阻值随温度的变化量 成比例关系，由于 Rt随
被测温度变化时，将引起电桥电流产生变化，尽管 I1的变化
十分微小，但仍将影响 与此同时 之间的比例关系，且量
程越大，影响也越大。因此，热电阻温度变送器的精度稍低
一点。热电阻温度变送器的零点调整、零点迁移以及量程调
整，与前述的热电偶温度变送器大致相同，这里不再赘述。
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为了克服连接导线电阻的影响，热电阻应采用三线制接法，
如图 3-68所示。由于在 W2桥臂中串入一根与 Rt桥臂中完全
相同的连接导线，并且两桥臂的电流几乎是相等的，因此，
当环境温度变化时，两根导线电阻变化所引起的电压降变
化，彼此相互抵消，不会影响桥路的输出电压，从而克服
了导线电阻的影响，提高了仪表的测量精度。
值得指出的是,AD693是一种通用芯片，它也可以与其他的
传感器配合使用，如配接扩散硅或应变片式压力传感器可
构成压力或差压变送器。
3.3.2.智能式温度变送器
智能式温度变送器有采用 HART协议通信方式，也有采用现场总线通
信方式，前者技术比较成熟，产品的种类也比较多；后着的产品近两年
才问世，国内尚处于研究开发阶段。通常，智能式温度变送器均具有
如下特点：
① 通用型强
② 使用方便灵活
③ 具有各种补偿功能
④ 具有控制功能
⑤ 具有通信功能
⑥ 具有自诊断功能
下面以 SMART公司的 TT302温度变送器 为例进行介绍
3.3.2.1.概述
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TT302温度变送器是一种符合 FF通信协议的现场总线智能式仪表，它
可以与各种热电阻 或热电偶
配合使用测量温度，也可以使用其它具有电阻或毫伏 （ mV） 输出的传感器。 )5 0 0,1 0 0,20,10( ttu PPNiC
),,,,,,,,,( ULTSRNKJEB
TT302温度变送器 还具有控制功能，其软件中提供了多种与控制功能
有关的功能模块，用户通过组态，可以实现所要求的控制策略。
TT302温度变送器 还具有双通道输入，可以接受两个测量元件的信
号。
3.3.2.2,TT302温度变送器的硬件构成
TT302温度变送器的硬件构成原理框图如图 3－ 38所示，在结构上它
由输入板、主电路板和液晶显示器组成。
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图 3－ 38 TT302温度变送器的硬件构成原理图
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3.3.2.3 TT302温度变送器的软件构成
TT302温度变送器 的软件部分分为系统程序和功能模块两大部分。系
统程序使变送器各硬件电路能正常工作并实现所规定的功能，同时完成
各组成部分之间的管理。功能模块提供了各种功能，用户可以选择所需
要的功能模块以实现用户所要求的功能。 变送器提供的功能模块主要有
以下几种：
· 资源模块 RES
· 转换功能模块 TRD
· 显示转换 DSP
· 组态转换 DIAG
· 模拟输入 AI
·PID 控制功能 PID
· 增强的 PID功能 EPID
· 输入选择器 ISEL
· 运算功能块 ARTH
· 信号特征描述 CHAR
· 分层 SPLT
· 模拟报警 AALM
· 设定点斜坡发生器 SPG
· 计时器 TIME
· 超前 /滞后功能模块 LLAG
· 常量模块 CT
· 输出选择 /动态限位 OSDL返回目录
思考题与习题
3－ 1 某 DDZ-Ⅲ 型差压变送器输入信号从 20KPa变化到 60KPa，
输出信号相应从最小变化到最大。若输出信号从 30KPa变化到
40KPa，其输出应从多少变化到多少？
3－ 2 什么是 FSK信号？ HART协议通信方式是如何实现的？
3－ 3 ST3000差压变送器和 3051C差压变送器各有什么特点？
3－ 4 智能温度变送器有哪些特点？简述 TT302温度变送器的工
作原理。
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在用仪表构成控制系统时，有时还需要使用一些其他单元的表，
如运算单元、显示与积算单元和辅助单元等。本章将介绍这些单元中
的一些常用仪表。
4.1.开方器
4.1.1.开方器的作用
开方器属于运算单元的仪表。开方器的作用是对某一统一标
准信号进行开方运算并将运算结果以统一标准信号输出，供其它
仪表使用。现在开方器主要是用于构成流量监测或控制系统，即
当采用差压方式测量流体流量时，通过开方器对差压变送器的输
出信号进行开方运算，从而得到与被测流量成正比关系的信号，
供其它仪表使用。其系统构成入图 4-1所示。
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当采用差压方式测量流量时，由于流量装置将流量转换成差压信
号。当流体密度不变时，被测流量与差压信号之间有下列关系
21qKp ?? (4-1)
式中 —— 流体流过节流装置时产生的差压信号；
—— 流体的流量；
—— 节流装置的转换系数；
p?
q
1K
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差压变送器的输出信号与输入信号之间的关系为
pKU p ??? 2 (4-2)
式中 —— 差压变送器的输出信号；
—— 差压变送器的转换系数 。
PU?
2K
而开方器的输出信号为
Psq UKU ?? 3
(4-3)
式中 —— 开方器的输出信号；
—— 开方器的开方系数 。
sqU
3K
将式 （ 4-1）带入式（ 4-2） 可得
221 qKKU P ??
在将上式代入式 （ 4-3）,则可得
qKKKqKKKU sq ??? 2132213 （ 4－ 4）
由式（ 4-4） 可以看出，开放器的输出信号与流量信号 q成正比关系。
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4.1.2,开放器的构成原理
在模拟式仪表中有许多种方法
可以实现开放运算。如利用二极管
的开关作用构成折线电路，并通过
调整电路元件的参数，使其输入与
输出之间呈开放运算特性，如图
4－ 2（ a） 所示。
另外，也可以利用负反馈原理，
将此折线电路先设计为平方特性，
并将其放置在反馈通道中，从而实
现整机输入与输出之间的开放运算
特性，如图 4－ 2（ b） 所示 。
图 4－ 2 开方特性实现原理
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在单元组合仪表中，还有一种开方器是由乘除器演变来的，这种
乘除器构成比较复杂，但其运算精度比较高，所以在控制系统中得
到较为广泛的应用。其构成原理如图 4－ 3所示。
由图 4－ 3可知
SUKU f 33?
(4-5)
由于电路采用了深度负反馈，所以有
1UU f ?
(4-6)
由式（ 4－ 5） 和（ 4－ 6） 可得
33
1
UK
US ? (4-7)
返回目录
而
SUKU D 22? (4-8)
将式（ 4－ 7） 代入式（ 4－ 8）则可得
33
212
UK
UUKU
D ?
32 KK ?
设, 则有
3
21
U
UUU
D ?
（ 4－ 9）
对于式（ 4－ 9）,若使 为常数，则可实现 与 的乘法
运算；若使 为一常数，则可实现 与 的除法运算；若使
，则有,即
3U 1U 2U
2U 1U 3U
DUU ?3 212 UUU D ?
21UUU D ?
(4-10)
开方器就是利用这一原理来实现的。
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对于实际的开方器，除图 4－ 5所示的核心电路外，还需要加入一些
电路。以 DDZ-Ⅲ 型开方器为例，其开方运算式为
11 ???? iUKU式中,为输入信号； 为输出信号； 为开方系数 。
iU ?U
K
其中的 就是要把与运算无关的 1V零点值除去，所以在电路中
要加入输入电路对此进行处理。还有，为实现整机系数的调整和提高带负
载能力，还需加入比列放大电路和输出电路等。另外，在开方器中还需要
加入小信号切除电路，以便解决开方器对小信号运算精度较低，可引起较
大误差的问题。
1?iU
对式（ 4－ 11）两边求导后可得
(4-11)
12 ??
?
ii U
K
dU
dU
可视为开方器的放大倍数。由上式可知，开方器的放大倍
数与 有关。当输入信号 很小时，开方器的放大倍数将很大。这时，如果
稍有波动，则开方器的输出 将发生很大的变化，这将引起较大的运算误
差，从而对测量或控制系统造成不利影响。因此，在输入信号较小时，通
常将输出信号切除，使之为零点值。而当信号足够大时，再将输出信号重
新接入，以避免上述问题的发生。
idUdU /?
返回目录
4.1.3.DDZ-Ⅲ 型开方器
DDZ-Ⅲ 型开方器的作用是对 1-5VDC的输入信号进行开方运算，运算结果以
1-5VDC或 4-20ADC输出，其运算关系式为式（ 4-15）即
主要技术指导标为：输入信号 1~5VDC；
输出信号 1~5VDC或 4~20mABC；
电源 24VDC；
基本误差 ± 0.5%(输入信号＞ 10%时 )；
小信号切除 输入信号＜ 1.04V时，输出切除 。
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11 ??? iO UKU
4.1.3.1,DDZ-Ⅲ 型开方器的构成
DDZ-Ⅲ 型开方器的构成原理如图 4-6所示，由输入电路、开方运算电路、小信
号切除电路及输出电路等组成。
图 4-6中的虚线部分为开方运算电路，由比较器、乘法电路 1、乘法电路 2和比
例放大电路组成，为开方器的核心电路。
由该虚线部分可以列出
返回目录
，，
SUKU
SUKNU
SUKUUNU
f
DD
0
,
32
2123
2123
?
?
?
??
?使得足够大由于放大器的放大倍数
而
所以
fUU ?1
因此,所以有
2
12122
3
32
1
321
K
UUKN
U
UK
U
S
SUKU
?
?
?
可推得
即
在本开方器中,K1=K2。所以有
返回目录
? ?111 ?? iUNU
1223 UUNU ??
34 UU ?
输入电路内部有减 1V电路，先减去 1V，再比例放大，其运算关系式为
而当输入信号高于小信号切除值时，小信号切除电路相当于信号直通电路，
所以有
1
1
1
1220
30
40
???
??
??
UUNNU
UNU
UNU
O
O
O
则可得
输出电路内部有加 1V电路，其运算关系式为
返回目录
1
11
,
1
,
12
,
11
,
1
1
4
32
2
12
11
???
???
???
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
Bi
Baa
，
i
，
UUU
UUU
UUU
R
R
RR
R
U
UU
?
而
4.1.3.2,电路分析
（ 1）输入电路
输入电路如图 4-7所示，其作用是减去与运算无关的 1V零点电压，并将
电路基准由 OV移动到内部基准 UB（ UB=10V）。此外，为克服共模干扰，
输入信号 Ui采用差动输入方式，所以称为差动输入电平称动电路。
图 4-7中,R1=R2=R3=R4,Ua=Ub-1。若输出信号也以 OV为基准，并将以
0V为基准的输出信号记为 Ui，则输入电路可看成为由一个差动输入运放
电路（输入信号为 Ui）和一个同相端输入运入电路（输入信号为 Ua）叠
加组成。差动输入运放电路的输出 U11为
11 ??? iO UKU
返回目录
而以 OV为 基准的 U 1 与 以 U B 为 基准的 U 1 具有如下
关 系
U 1= U 1+ U B
因此，可求得
U 1= U i-1
另外,电 容 C1为滤 波 电 容，用于 滤 除交流干 扰 信 号 。
（ 2）开方运算电路
开方运算电路是开方器的核心电路，用于实现开方运算，它是由自激
振荡时间分割器和比例放大电路两部分组成的。
① 自激振荡时间分割器 自激振荡时间分割器原理电路如图 4-8（ a）
所示，其作用是实现式（ 4-13）所示的乘除运算。它由比较器及两套
乘法电路组成。其中，乘法电路 1由场效应管 VT1，三极管 VT2，二极
管 VD5，电阻 R6,R8，电容 C4,C5及 C8等组成；乘法电路 2由场效
应管 VT3，三极管 VT4，二极管 VT6，电阻 R7,R9，电容 C6,C7及
C9等组成。 U1为输入电路的输出信号； U2为固定偏置电压，由稳压电路
提供； U3为比例放大电路的输出信号； UD为自激振荡时间分割器的输出信号，
它送至比例放大电路。
返回目录
首先，来分析一下自激振荡时间分割器的工作过程。由图
4-8（ a）可以看出，当比较器 A2的输出为高电平时，场效
应管 VT1和 VT2处于导通状态，而三极管 VT2和 VT4处于截
止状态；反之，当比较器 A2的输出为低电平时，场效应管
VT1和 VT3处于截止状态，而三极管 VT2和 VT4处于导通状
态。因此，可以把该电路看成是由比较器输出的正负脉冲
来控制的两组电子开关。其中，一组由 VT1和 VT3组成，
另一组由 VT2和 VT4组成。若将 VT1,VT2,VT3和 VT4视
为理想电子开关，则图 4-8（ a）所示电路可等效为图 4-8
（ b）所示的电路。这里，开关 S1~S4分别等效于
VT1~VT4。
由图 4-8（ b）可知，当 U1-Uf≥h（振荡器的不灵敏区为 2h）时，比较
器 A2将输出高电平信号，从而使 S1和 S3闭合,S2和 S4闭合。这时
00
32
??
??
abcd
abcd
UU
UUUU
以及
返回目录
同时,C8和 C9分别通过 R8和 R9放电，两端电压因放电开始下降。当 C9
两端电压 U1下降到 Uf≤ -h时，比较器 A2的输出再次翻转，即再次输出
高电平信号。此后，电路将重复上述工作过程。由于比较器输出的不
断翻转，使直流信号 U2和 U3被分割为矩形脉冲信号 Ucd和 Uad。比较器
输出信号 UQ的波形及
Ucd和 Uad,Uf的波形如图 4-9（ a）、（ b）、（ c）和（ d）所示。 Ucd
和 Uad均为矩形脉冲信号,R8和 C8为 Ucd的滤波电路,R9和 C9为 Uad的滤
波电路。所以，经滤波后在 C8和 C9上就分别得到 Ucd和 Uad的直流分量
UD和 Uf,且有
32,UT
tUU
T
tU p
f
p
D ??
由于振荡器的不灵敏区 2h很小，可以认为 Uf≈U1,即 所以有
3
21
3
1
U
UUU
U
U
T
t
D
p ??
返回目录
可见，式（ 4-21）与式（ 4-13）完全一致，即利用此电路可以实现乘除
运算，并最终实现开方运算。
下面利用图 4-9（ d）来计算一下矩形脉冲的周期和宽度。
当比较器输出高电平时,S4断开,U3经 R9向 C9充电。在 t=0时,C9上的
电压 Uf为 U1-h。此后,C9上电压的变化过程可看成是该一阶 RC电路的阶
跃响应。因此，若用 Ufc表示 C9充电过程的电压，则有
则同样可以得到
3
1UUTt p ?
另外，在图 4-8（ a）中,C2为正反馈电容，用来加速电路的翻转，以
改善波形； C3用于频率补偿，以提高电路工作的稳定性； C4,C5,C6
和 C7为加速电容，用来加速开关管的翻转；二极管 VD5和 VD6分别为
三极管 VD2和 VD4的偏流提供通路。此外，当比较器 A2输出高电平时，
VD5和 VD6处于反向工作状态，具有隔离作用，这将使场效应管 VT1和
VT3在导通时的栅压为零，以保证其导通时等效电阻恒定。 R6和 R7分
别为 VT2和 VT4的偏流电阻。 C13和 R23构成补偿网络，以提高集成运
算放大器的工作稳定性。
② 比例放大电路 比例放大电路的作用是将自激振荡时间分割器的输出
信号 UD放大，其输出信号 U3一方面送至小信号切除电路，另一方面反馈至
乘法电路 2，以便实现开方运算。比例放大电路如图 4-10所示。
若 A3视为理想集成运算放大器，则有
返回目录
? ?
11
1110
3
1110
311
R
URRUU
RR
UR D
D
???
?
即
设 则,
11
1110
2 R
RRN ??
DUNU 23 ?
在这里,R10=R11，所以 N2=2，即比例放大倍数为 2。
③ 开方运算部分特性 将式（ 4-21）代入式（ 4-24）中可得
122
2
3
3
212
3,UUNUU
UUNU ?? 即
返回目录
（ 3）小信号切除电路
小信号切除电路的作用在前面已经介绍过了，其电路如图 4-11所示。该
电路是由 A4等组成的比较器及场效应管 VT7和三极管 VT8等组成的电子开
关等构成。这里的比较器及电子开关的工作原理与前面介绍的自激振荡
时间分割器中的比较器及开关管的工作原理相似。
由图 4-11可知，当 U3>UL时，比较器输出高电平信号，故场效应管 VT7饱
和导通，三极管 VT8截止。由于 VT7的饱和压降很小，可以忽略不计，所
以此时的输出为
1223 UUNU ??
34 UU ?
而当 U3<UL时，比较器输出低电平信号，故场效应管 VT7截止，三极管
VT8饱和导通。同样，由于 VT8的饱和和压降很小，可以忽略不计，所以
此时的输出为
04 ?U
返回目录
在本开方器中,N2=2,U2=4.5V，所以有
133 ?? iUU
当 Ui=1.04时 )(6.0
3 BUVU 相对?
（相对于 UB）
由此可见，利用此电路可以实现信号的切除。通常情况下，当输入信
号小于满量程的 1%时（即 Ui＜ 1.04V时，将开方器的输出切除；而当输
入信号大于或等于满量程的 1%时，输出与输入之间呈开方运算关系。
实际的切除值可通过 UL来调整。如图 4-11所示，为实现 Ui＜ 1.04时输
出切除，则 UL的大小可按以下方法来确定。
将式（ 4-20）代入式（ 4-25）可得
1223 ??? iUUNU
由于比较器的入大倍数很高，所以 UL≈U3,即
)(6.0 BL UVU 相对?
电路中的 UL是由稳压电源提供的，其值可由电位器 W5调整（参见图 4-13），
即该电位器用于调整小信号切除值。
（ 4）输出电路
输出电路的作用是将以 UB为基准的信号 U4转换为以 0V为基准的信号，同时加
上 1V的零点值，并进行功率放大，最终得到整机输出 U0和 I0。其电路如图 4-
12所示。
将图 4-12中三极管等元件与运算放大器 A5等效成一个运算放大器，则输出电
路可看成为由一个同相端输入运放电路（输入信号为 U4和 UB）和一个反相端
输入运放电路（输入信号为 Uc）叠加组成。同相端输入运放电路的输出 U01
为
反相端输入运放电路的输出 U02为。
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? ?BO UURRRR RU ???
?
?
???
? ?
?? 418
20
1917
19
1 1
CO UR
RU
18
20
2 ?
最后得
4.1.3.3.整机特性
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140 ?? UNU O
前面对开方器各主要电路进行了分析，将上述各部分电路串
接到一起即可得到其整机特性。在输入信号大于 1.04V时，
U4=U3，所以由式（ 4-26）可得
130 ?? UNU O
将式 U3代入上式可得
再将式 U1代入上式，可得
11220 ??? UUNNU O
11220 ???? iO UUNNU
设开方系数 则
220 UNNK ?
11 ??? iO UKU
由于 N0=2/3,N2= 2,U2=4.5V 所以 K=2。即
由此可见，当 U1=1~5V时,U0=1~5V。
开方器原理电路如图 4-13所示。
112 ??? iO UU
4.2.积算器
积算器属于显示单元仪表，其作用是是对输入信号进行累计计算。积
算器分为两种，一种是比例积算器，另一种是开方积算器。
4.2.1.积算的基本概念与原理
以流量累计积算为例，对于比例计算器，其输入信号为与瞬时流量成
正比的信号，累计的流量总量由计数器跳过的字数来显示，每跳过一个
字相当于一定的流量。因此，在一段时间内流过的流体总量可表示为
式中 ―― 流体总量；
―― 计数器跳过一个字所代表的流量；
―― 该段时间内计数器跳过的字数。
流体总量可以通过瞬时流量对时间的积分来获得，即
?? t qdtQ 0
(4-12)
(4-13)
式中 ―― 流体的瞬时流量。
N
K
Q
KNQ ?
q
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而计数器本身的功能是对输入的脉冲信号进行计数，其一段时间
内的计数值，即累计的字数 N，可以用脉冲频率对时间的积分来表示，
即
?? t fdtN 0 (4-14)
式中 ―― 计数器输入脉冲信号的频率。f
将式（ 4－ 14）代入式（ 4－ 12）后可得
?? t fdtKQ 0 (4-15)
将式（ 4－ 15）与式（ 4－ 13）两式比较后可得
Kfq ?
即
f
qK ? （ 4－ 16）
将式（ 4－ 16）代入式（ 4－ 12），则可得
NfqQ ? （ 4－ 17）
上式表明，累计流量与计数器跳过的字数 N成正比，而与积算数度 f
成反比。
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由此可见，流量的累计积算是把反映瞬时流量大小的输入信号转换成与
该输入信号成正比的脉冲频率信号，然后再对该脉冲频率信号进行计数，
用该计数值表示所流过的流体总量。所以，流量累计积算的关键问题是
如何将反映瞬时流量的输入信号（电流或电压信号）转换为与其成正比
的脉冲信号。
对于开方积算器，其输入信号一般为与节流装置配套使用的差压变送器
的输出信号。为获得与瞬时流量成正比的信号，需先对差压变送器的输
出信号进行开方处理，然后再对经开方处理后的信号进行比例积算，从
而实现流量的累计积算。由于该累计积算过程先对输入信号进行开方处
理，所以称为开方积算器。由开方积算器对信号的处理过程可知，它相
当于开方器与比例积算器的组合。所以，其核心问题仍然是电流（或电
压）信号到脉冲频率信号的转换问题。
电流信号转换为脉冲频率信号可通过电容的充放电来实现，其转换原理
如图 4-14（ a）所示。当开关 S断开时，电流 Ii向电容 C充电。 C两端的电
压 Uc 与充电电流之间关系为
?? tC Id tCU 0
1
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对于一定的充电电流 Ii,Uc将线性增加。当电容上的电压 Uc
达到某一标准值时，由外部控制电路使开关 S闭合。此时电容
进入放电过程 Uc将瞬间消失。然后，外部控制电路再次使开
关 S断开，电容再次充电，并重复上述过程。如此循环往复，
电容 C上的电压 Uc便可形成如图 4-14（ b）所示的锯齿波。
由式（ 4-33）可知，在电容充电阶段,Uc随时间的变化率与
充电电流 Ii成正比，即 Ii越大，充电越快，达到 Uc所需的时
间就越短。由于放电过程极快，其时间可以忽略不计。所以，
在单位时间内电容 C的充放电次数就与充电电流 Ii成正比，即
锯齿波的频率 与充电电流 Ii成正比。充电电流 Ii与锯齿波
频率 之间的关系可由式（ 4-33）导出。即设在一个周期内，
Ii不变，则由式（ 4-33）可得
t
C
IId t
C
IU iti
C ?? ?0
4.3 辅助单元仪表
4.3.1 安全栅
安全栅是构成安全火花防爆系统的关键仪表，其作用是：一方面
保证信号的正常传输；另一方面控制流入危险场所的能量在爆炸性气
体混合物的点火能量以下，以确保系统的安全火花性能。
常用的安全栅有两种：一种是齐纳式安全栅，一种式隔离是安全
栅。
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4.3 辅助单元仪表
4.3.1 安全栅
安全栅是构成安全火花防爆系统的关键仪表，其作用是：一方面
保证信号的正常传输；另一方面控制流入危险场所的能量在爆炸性气
体混合物的点火能量以下，以确保系统的安全火花性能。
常用的安全栅有两种：一种是齐纳式安全栅，一种式隔离是安全
栅。
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4－ 1 DDZ－ Ⅲ 开方器中为何需设置小信号切除电路？
思考题与习题
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5.1,概述
5.1.1执行器在控制系统中的作用
执行器在控制系统中的作用是接受来自控制器的控制信号,通过其
本身开度的变化,从而达到控制流量的目的。因此，执行器是自动控制
系统中的一个重要的、必不可少的组成部分 。
执行器直接与介质接触，常常在高压、高温、深冷、高粘度、易结晶、
闪蒸、汽蚀、高压差等状况下工作，使用条件恶劣，因此，它是控制系统
的薄弱环节。如果执行器选择或应用不当，往往会给生产过程自动化带来
困难。在许多场合下，会导致自动控制系统的控制质量下降、控制失灵，
甚至因介质的易燃、易爆、有毒，而造成严重的生产事故。为此，对于执
行器的正确选用以及安装、维修等各个环节，必须给予足够的注意。
5.1.2 执行器的构成
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执行器由执行机构和调节机构两个部分构成，如图 5-1所示。
执行机构 F,L
（ M,θ）
调节机构 被控介质流量（流量截面积）?? Ip,
图 5－ 1 执行器的构成框图
执行机构是执行器的推动装置，它根据输入控制信号的大小，产
生相应的输出力 F（或输出力矩 M）和位移（直线位移或角位移 θ），推
动调节机构动作。调节机构是执行器调节部分，在执行机构的作用下，
调节机构的阀芯产生一定位移，即执行器的开度发生变化，从而直接
调节从阀芯、阀座之间流过的被控介质的流量。
执行器还可以配备一定的辅助装置，常用的辅助装置有阀门定位器
和手操机构。阀门定位器利用负反馈原理改善执行器的性能，使执行器
能按控制器的控制信号，实现准确定位。手操机构用于人工直接操作执
行器，以便在停电或停气、控制器无输出或执行机构失灵的情况下，保
证生产的正常进行。
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5.1.3 执行器的分类和特点
执行器按其使用的能源形式可分为气动执行器、电动执行器和液动执行
器三大类。工业生产中多数使用前两种类型，它们常被称为气动调节阀和电
动调节阀。本章仅介绍气动调节阀和电动调节阀。
气动调节阀采用气动执行机构。气动执行机构具有薄膜式、活塞式和长
行程式三种类型，它们的输出均为直线位移 L，薄膜式和活塞式执行机构用
于和直行程式调节机构配套使用，长行程式执行机构用于和角行程 式调节机
构配套使用。活塞式执行机构的输出力 F比薄膜式执行机构大。
电动调节阀采用电动执行机构。电动执行机构具有直行程式和角行程式
两种类型，前者输出为直线位移 L；后者输出为角位移 θ，分别用于和直行程
式或角行程式的调节机构配套使用。
气动调节阀和电动调节阀按其使用的调节机构又可分为直通双座调节阀、
直通单座调节阀、笼式（套筒）调节阀、角形调节阀、三通调节阀、高压调
节阀、隔膜调节阀、波纹管密封调节阀、超高压调节阀、小流量调节阀、低
噪音调节阀、碟阀、凸轮挠曲调节阀,V形球阀,O形球阀等。其中，碟阀、
凸轮挠曲调节阀,V形球阀,O形球阀为角行程式；其余为直行程式。同一类
型的气动调节阀和电动调节阀，分别采用气动执行机构和电动执行机构。
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气动调节阀具有结构简单、动作可靠稳定、输出力大、安装维修方便、
价格便宜和防火防爆等优点，在工业生产中使用最广，特别是石油、化工
等生产过程。气动执行阀的缺点是响应时间大，信号不适于远传（传输距
离限制在 150M以内）。为了克服此缺点可采用电 /气转换器或电 /气阀门定
位器，使传送信号为电信号，现场操作为气动信号。
电动调节阀具有动作较快、特别适于远距离的信号传送、能源获取方
便等优点；其缺点是价格较贵，一般只适用于防爆要求 不高的场合。但由
于其使用方便，特别是智能式电动执行机构的面世，使得电动调节阀在工
业生产中得到越来越广泛的应用。
5.1.4,执行器的作用方式
执行器有正、反作用两种方式，当输入信号增大时，执行器的流通截面
积增大，即流过执行器的流量增大，称为正作用；当输入信号增大时，流过
执行器的流量减小，称为反作用。
气动调节阀的正、反作用可通过执行机构和调节机构的正、反作用的组
合实现，通常，配用具有正、反作用的调节机构时，调节阀采用正作用的执
行机构，而通过改变调节机构的作用方式来实现调节阀的气开和气关；配用
只具有正作用的调节机构时，调节阀通过改变执行机构的作用方式来实现调
节阀的气关和气开。
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对于电动调节阀，由于改变执行机构的控制器（伺服放大器）的作
用方式非常方便，因此一般通过改变执行机构的作用方式实现调节阀的
正、反作用。
5.2.执行机构
执行机构的作用是根据输入控制信号的大小，产生相应的输出力 F
或输出力矩 M和位移（直线位移 l或角位移 θ ），输出力 F或输出力矩 M用
于克服调节机构中流动流体对阀芯产生的作用力或作用力矩，以及阀杆
阀芯重量以及压缩弹簧的预紧力等其他各种阻力；位移（ L或 θ ）用于
带动调节机构阀芯动作。
执行机构有正作用和反作用两种作用方式：输入信号增加，执行机
构推杆向下运动，称为正作用；输入信号增加，执行机构推杆向上运动，
称为反作用。
5.2.1.气动执行机构
气动执行机构接受气动控制器或阀门定位器输出的气压信号，并将
其转换成相应的输出力 F和直线位移 L，以推动调节机构动作。
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气动执行机构具有薄膜式、活塞式和长行程式三种类型。薄膜式执
行机构简单、动作可靠、维修方便、价格低廉，是最常用的一种执行机
构；活塞式执行机构允许操作压力可达 500KPa，因此输出推力大，但价
格较高；长行程式执行机构的结构原理与活塞式执行机构基本相同，它
具有行程长、输出力矩大的特点，直线位移为 40--200mm，适用于输出角
位移和力矩的场合。
气动执行机构又可分为有弹簧和无弹簧两种，有弹簧式气动执行机
构较之无弹簧式气动执行机构输出推力小、价格低。有弹簧式薄膜执行
机构又分为单弹簧和多弹簧两种，后者与前者相比，具有重量轻、高度
小、结构紧凑、装较简便、输出力大等特点，被称为轻型或精小型气动
执行机构。
5.2.2.电动执行机构
电动执行机构接受 0--10mADC或 4--20mADC的输入信号，并将其转换成相
应的输出力 F和直线位移 l或输出力矩 M和角位移 θ，以推动调节机构动作。
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（ 1）气动薄膜式执行机构的结构
下面以常用的正作用精小型气动执行机构为例介绍，其结构原理图如图 5-2
所示，它主要由膜片、压缩弹簧、推杆、膜盖、支架等组成。膜片为较深的
盆形，采用丁腈橡胶作为涂层以增强涤纶织物的强度并保证密封性，工作温
度为 -40~85℃,压缩弹簧采用多根级合形式，其数量为 4根,6根或 8根，这
种组合形式可有效降低调节阀的高度。也有采用双重弹簧结构，把大弹簧套
在小弹簧的外面；推杆的导向表面经过精加工，以减少回差和增加密封性。
反作用式执行机构的结构大致相同，区别在于信号压力是通入膜片下方的薄
膜气室，因此压缩弹簧在膜气的上方，推杆采用 O形密封圈密封。
当信号压力通入由上膜盖 1和膜片 2组成的气室时，在膜片上产生一个向
下的推力，使推杆 8向下移动压缩弹簧 3，当弹簧的反作用力与信号压力在膜
片上产生的推力相平衡时，推杆稳定在一个对应的位置，推杆的位移 即
为执行机构的输出，也称行程。
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（ 2）气动薄膜式执行机构的特性
在平衡状态时，气动薄膜式执行机构的力平衡方程式为
5.3.1,调节机构的结构和特点
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式（ 5-2）表明，在稳定状态时，薄执行机构推杆位移 l的输入信号 P0之间成比例关
系，如图 5-3中虚线所示，其比例系数取决于膜片的有效面积和弹簧的刚度。为通
用起见，图 5-3中，推杆位移用相对变化量 l/L表示,L为推杆全行程的位移量。
由于在动作过程中膜片有效面积 A0和弹簧刚度 Cs会发生变化，同时阀杆与填料之间
存在磨擦，因此会使执行机构产生非线性偏差和正反行程变差，即回差，如图 `5-3
中实线所示。通常执行机构的非线性偏差小于 ± 5%，回差小于 3%~5%。减小非线性
偏差和回差的一个方法是配用阀门定位器，可使两项误差均小于 ± 1%~2%。
下面分析气动薄膜式执行机构的动态特性
气动执行机构的输入信号管线，可近似认为是一个气容，而薄膜气室也是一个气容，
因此可将两气容合并考虑。输入信号管线存在一定的阻力，因此执行机构可以近似
看成是一个阻容环节，薄膜气室内压力 P1和控制器输出压力 P0之间的关系可以写为
式中 P1—— 薄膜气室内的压力，在平衡状态时,P1等于控制器来的信号压力 P0；
Ae—— 膜片的有效面积；
L—— 压缩弹簧的位移，即执行机构推杆位移；
C2—— 压缩弹簧的刚度；
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S
e
Se C
AllCAp ??
1
(5 - 2)
式中 K—— 气动执行机构的放大系数,K=Ae/Cs。
由式（ 5-4）可以看出，气动执行机构的动态特性为一阶滞后环节。其时间
常数的大小与薄膜气室大小及引压导管长短粗细有关，一般为数秒到数十
秒之间。
式中 R—— 从调节器到执行机构间导管的气阻；
C—— 薄膜气室及引压导管的气容；
T—— 时间常数。 T=RC。
综合式（ 5-1）和式（ 5-3）可得控制器输出压力 P0与推杆位移 l之间的关系为
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1
1
1
11
???? TsR C sp
p
o
(5 - 3)
1)1( ???? Ts
K
CTs
A
p
l
S
e
o
(5 - 4)
5.2.1.2,气动活塞式执行机构
气动活塞式（元弹簧）执行机构如图 5-4所示。
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气动活塞式执行机构的基本部分为活塞和气缸，活塞在气缸内随活塞两侧
压差而移动。两侧可以分别输入一个固定信号和一个变动信号，或两侧都
输入变动信号。它的输出特性有比例式及两位式两种。两位式是根据输入
执行活塞两侧的操作压力的大小，活塞从高压侧推向低压侧，使推杆从一
个位置移到另一极端位置。比例式是在两位式基础上加有阀门定位器后，
使推杆位移与信号压力成比例关系。
5.2.2,电动执行机构
电动执行机构接受 0~10mADC或 4~20mADC的输入信号，并将其转换成相应的输
出力 F和直线位移 l或输出力矩 M和角位移 0，以推动调节机构动作。
电动执行机构主要分为两大类：直行程与角行程式。角行程式执行机构又可
分为单转式和多转式，前者输出的角位移一般小于 360°,通常简称为角行
程式执行机构；后者输出的角位移超过 360°,可达数圈，故称为多转式电
动执行机构，它和闸阀等多转式调节机构配套使用。
电动执行机构的动力部件有伺服电机和滚切电机两种，后者输出力小、价格
便宜，属于简易型，工业生产过程中大多使用伺服电机的电动执行机构，本
书仅介绍此类执行机构。
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5.2.2.1,电动执行机构的构成原理
电动执行机构由伺服放大器、伺服电机、位置发送器和减速器四部分组成，
其构成原理如图 5-5所示。
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伺服放大器将输入信号和反馈信号相比较，得到差值信号 ε,并将 ε 进
行功率放大。当差值信号 ε>0 时，伺服放大器的输出驱动伺服电机正转，
再经机械减速器减速后，使输出轴向下运动（正作用执行机构），输出
轴的位移经位置发送器转换成相应的反馈信号，反馈到伺服放大器的输
入端使 ε 减小，直至 ε=0 时，伺服放大器无输出，伺服电机才停止运转，
输出轴也就稳定在输入信号相对应的位置上。反之，当 ε<0 时，伺服放
大器的输出驱动伺服电机反转，输出轴向上运动，反馈信号也相应减小，
直至使 ε=0 时，伺服电机才停止运转，输出轴稳定在另一新的位置上 。
在结构上电动执行机构有两种形式，其一为分体式结构，即伺服放大
器独立构成一台仪表，其余部分构成另一个仪表，两者之间用电缆相
连；另一种为一体化结构，即伺服放大器与其余部分构成一个整体。
新型电动执行机构一般采用一体化结构，它具有体积小、重量轻、可
靠性高、使用方便等优点。
（ 1）伺服电机
伺服电机是电动调节阀的动力部件，其作用是将伺服放大器输出的电功率转
换成机械转矩。
伺服电机实际上是一个二相电容导步电机，由一个用冲槽硅钢片叠成的定子
和鼠笼转子组成，定子上均匀分布着两个匝数、线径相同而相隔 90° 电角度
的定子绕组 W1和 W2。
（ 2）伺服放大器
伺服放大器主要包括放大器和两组可控硅交流开关 Ⅰ, Ⅱ,其工作原理如图
5-6所示。
放大器的作用是将输入信号 Ii和反馈信号 If进行比较，得到差值信号 ε,并
根据 ε 的极性和大小，控制可控硅交流开关 Ⅰ, Ⅱ 的导通或截止。可控硅交
流开关 Ⅰ, Ⅱ 用来接通或切断伺服电机的交流电源，控制伺服电机的正转、
反转或停止运转。
在执行机构工作时，可控硅交流开关 Ⅰ, Ⅱ 只能其中一组导通。设可控硅交
流开关 Ⅰ 导通时，分相电容 Cd与 W1串接，由于分相电容 Cd的作用,W1和 W2的
电流相位总是相差 90°,其合成向量产生定子旋转磁场，定子旋转磁场又在
转子内产生感应电流并构成转子磁场，两个磁场相互作用，使转子顺时针方
向旋转（正转）；而可控硅交流开关 Ⅱ 导通时，则分相电容 Cd与 W2串接，使
转子反时针方向旋转（反转）；可控硅交流开关 Ⅰ, Ⅱ 均截止时，伺服电机
停止运转。
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为了满足控制系统的需要，某些执行机构的伺服放大器有多个输入信号通
道。
（ 3）位置发送器
位置发送器通常由位移检测元件和转换电路两部分组成。前者用于将电动
执行输出轴的位移换成毫状或电阻等信号，常用的位移检测元件有差动变
压器、塑料薄膜电位器和位移传感器等；后者用于将位移检测元件输出信
号转换成伺服放大器所要求的输入信号，如 0~10mA或 4~20mA直流电流信号。
（ 4）减速器
减速器的作用是将伺服电机高转速、小力矩的输出功率转换成机构输出轴
的低转速、大力矩的输出功率，以推动调节机构。直行程式的电动执行机
构中，减速器还起到将伺服电机转子的旋转运动转变为执行机构输出轴的
直线运动作用。减速器一般由机械齿轮或齿轮与皮带轮构成。
5.2.2.2,电动执行机构的特性
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电动执行机构的方块图，如图 5-7所示
伺服放大器是一个具有继电特性的非线性环节,△ 为不灵敏区，其输入信号为
执行机构的输入信号 Ii与反馈信号 If之差值，当 |Ii-If|< 时，伺服放大器无输出
信号；当 |Ii-If|≥ 时，立即有输出，且输出为一恒定交流电压（约为 215V）。
伺服电机在接通电源时，工作在恒速状态，故为一个积分环节，减速器和
位置发送器都可以看作为比例环节。因此，电动执行机构的动态特性主要
取决于伺服电机的特性，即具有积分特性。
直行程电动执行机构的输出为直线位移 l，角行程电动执行机构的输出为角
位移 0，设 kf为位置发送器的转换系数，则由图 5-7可得
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?ffff kIlkI ?? 或
由于伺服放大器的不灵敏区很小，在伺服电机停止转动时，可认为 II-If=△ ≈0,
因此可得
i
f
i
f
I
k
I
k
l 11 ?? ?或
上式表明，电动执行机构在动态过程行结束后，输出轴的直线位移 l
或角位移 o与输入信号 Ii之间具有良好的线性关系，即电动执行机构的
静态特性为一比例特性。
(5 - 5)
5.2.3.智能式电动执行机构
智能式电动执行机构的构成原理与模拟式电动执行机构相同，即也
可用如图 5=5的框图表示，但是智能式电动执行机构采取了新颖的结构部
件。
伺服放大器中采用了微处理器系统，所有控制功能均可通过编程实现，
而且还具有数字通讯接口，从而具有 HART协议或现场总线通信功能，成
为现场总线控制系统中的一个节点。有的伺服放大器中还采用了变频技
术，可以更有效地控制伺服电机的动作。减速器采用新颖的传动结构，
运行平稳、传动效率高、无爬行、磨擦小。位置发送器采用了新技术和
新方法，有的采用霍尔效应传感器，直接感应阀杆的纵向或旋转动作，
实现了非接触式定位检测；有的采用特殊的电位器，电位器中装有球轴
承和特种导电塑料材质做成的电阻薄片；有的采用磁阻效应的非接触式
旋转角度传感器。
智能式电动执行机构通常都有液晶显示器和手动操作按钮，用于显示执
行机构的各种状态信息和输入组态数据以及手动操作。因此与模拟式电
动执行机构相比，智能式电动执行机构具有如下的一些优点。
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① 定位精度高，并具有瞬时起停特性以及自动
调整死区、自动修正、长期运行仍能保证可靠的关
闭和良好运行状态等；
② 推杆行程的非接触式检测；
③ 更快的响应速度，无爬行、超调和振荡现象
④ 具有通讯功能，可通过上位机或执行机构上的
按钮进行调试和参数设定；
⑤ 具有故障诊断和处理功能，能自动判别断输入
信号、电动机过热或堵转、阀门卡死、通信故障、
程序出错等，并能自动地切换到阀门安全位置，当
供电电源断电后，能自动地切换到备用电池上，使
位置信号保存下来。
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5.3,调节机构
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调节机构是执行器的调节部分，在执行机构的输出力 F（输出
力矩 M）和输出位移作用下，调节机构阀芯的运动，改变了阀
芯与阀座之间的流通截面积，即改变了调节阀的阻力系数，使
被控介质流体的流量发生相应变化。
根据阀芯的动作形式，调节机构可分为直行程式和角行程式两
大类；直行程式的调节机构有直通双座阀、直通单座阀、角形
阀、三通阀、高压阀、隔膜阀、波纹管密封阀、超高压阀、小
流量阀、笼式（套筒）阀、低噪音阀等；角行程式的调节机构
有蝶阀、凸轮挠曲阀,V形球阀,O形球阀等。
调节机构正、反作用的含义是，当阀芯向下位移时，阀芯与阀
座之间的流通截面积增大，称为正作用，习惯上按阀芯安装形
式称之为反装；反之，则称之为反作用，并称之为正装。一般
来说，只有阀采用双导向结构（即上下均有导向）的调节机构，
才有正、反作用两种作用方式；而单导向结构的调节机构，则
只有正作用。
5.3.1,调节机构的结构和特点
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调节机构主要由阀体、阀杆或转轴、阀芯或阀板和阀座等部件组成。图 5-8
为两种常用的调节阀。
图 5-8为直行程式单座调节阀，执行机构输出的推力通过阀杆 2使阀芯 3产生
上、下方向的位移，从而改变了阀芯 3与阀座 4之间的流通截面积，即改变
了调节阀的阻力系数，使被控介质流体的流量发生相应变化。
图 5-9为角行程式蝶阀，执行机构输出的推力通过转轴 2使 4产生旋转位移，
从而改变了阀体中的流通截面积，使被控介质的流体的流量发生相应变化。
下面对常用调节机构的特点及应用做一简单介绍，图 5-10为常用调节机构
的结构示意图。
直通单座调节阀 [图 5-10（ a）、（ b） ]的阀体内只有一个阀芯和一个阀座。
其特点是结构简单、泄露量小（甚至可以完全切断）和允许压差小。因此，
它适用于要求泄漏量小，工作压差较小的干净介质的场合。在应用中应特
别注意其允许压差，防止阀门关不死。
直通双座调节阀 [图 5-10（ c） ]的阀体内有两个阀芯和阀座。因为流体对上、
下两阀芯上的作用力可以相互抵消，但上、下两阀芯不易同时关闭，因此
双座阀具有允许压差大、泄漏量较大的特点。故适用于阀两端压差较大，
泄漏量要求不高的干净介质场合，不适用于高粘度和含纤维的场合。
蝶阀 [图 5-10（ g） ]是通过挡板以转轴为中心旋转来控制流体的流量。其结
构紧凑、体积小、成本低、流通能力大，特别适用于低压差、大口径、大流
量的气体或带有悬浮物流体的场合，但泄漏较大。蝶阀通常工作转角应小于
70°,此时流量特性与等百分比特性相似。
套筒阀 [图 5-10（ h） ]是一种结构比较特殊的调节阀，它的阀体与一般的直
通单座阀相似，但阀内有一个圆柱形套筒，又称笼子，利用套筒导向，阀芯
可在套筒中上下移动。套筒上开有一定形状的窗口（节流孔），阀芯移动时，
就改变了节流孔的面积，从而实现流量控制。根据流通能力大小的要求，套
筒的窗口可分为四个、两个或一个。套筒阀分为单密封和双密封两种结构，
前者类似于直通单座阀，适用于单座阀的场合；后者类似于直通双座阀，适
用于双座阀的场合。套筒阀还具有稳定性好、拆装维修方便等优点，因而得
到广泛应用，但其价格比较贵。
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偏心旋转阀 [图 5-10（ i） ]的结构特点是，阀芯为一球体，其上开有一个直径
和管道直径相等的通孔，转轴带动阀芯偏心旋转，使阀芯向前下方进入阀座。
偏心旋转阀具有体积小、重量轻、使用可靠、维修方便、通用性强、流体阻
力小等优点，适用于粘度较大的场合，在石灰、泥浆等流体中，具有较好的
使用性能。
0形球阀 [图 5-10（ j） ]的结构特点是，阀芯为一球体，其上开有一个直径和
管道直径相等的通孔，转轴带动球体旋转，起调节和切断作用。该阀结构简
单，维修方便，密封可靠，流通能力大，流量特性为快开特性，一般用于位
式控制。
V形球阀 [图 5-10（ k） ]的阀芯也为一球体，但球体上开孔为 V形口，随着球
体的旋转，流通截面积不断发生变化，但流通截面的形状始终保持为三角形。
该阀结构简单，维修方便、关闭性能好、流通能力大、可调比大、流量特性
近似为等百分比特性，适用于纤维、纸浆及含颗粒的介质。
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5.3.2,调节机构的工作原理
从流体力学观点来看，调节机构和普通阀门一样，是一个局部
阻力可以变化的节流元件。流体流过调节阀时，由于阀芯和阀
座之间流通截面积的局部缩小，形成局部阻力，使流体在调节
阀处产生能量损失。对不可压缩流体而言，从流体的能量守恒
原理可知，流体经调节阀时的能量损失 H为
g
ppH
?
21 ?? (5 - 6)
式中,H—— 单位质量流体经调节阀时的能量损失；
P1—— 调节阀前压力；
P2—— 调节阀后压力；
p—— 流体的密度；
g—— 重力的速度。
如果调节阀的开度不变，流体的密度不变，则单位质量流体经调节阀时的能
量损失与流体的功能成正比，即
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式中 ε —— 调节阀的阻力系数，与阀门结构形式、开度及流体的性质有关；
W—— 液体的平均流速。
流体在调节阀中的平均流速 W为
式中 Q—— 流体的体积流量；
A—— 调节阀接管流通截面积。
g
WH
2
2??
(5 - 7)
A
QW ? (5 - 8)
综合式（ 5-6）、式（ 5-7）和式（ 5-8），可得调节阀的流量方
程式为
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式中 △ P—— 调节阀前后压差,△ P=P1-P2。
由式（ 5-9）可见，在调节阀口径一定（即 A一定）和 △ P/P不变情况下，流量
Q仅随着阻力系数 ε 而变化。阻力系数 ε 减小，则流量 Q增大；反之,ε 增大，
则 Q减小。调节阀就是根据输入信号的大小，通过改变阀的开度即行程，来改
变阻力系数 ε,从而达到调节流量的目的。
通常实际应用中，式（ 5－ 9）各参数采用下列单位
? ?
????
pAppAQ ???? 22 21(5 - 9)
A—— cm2
P_—— g/cm3(即 10-5N.s2/cm4)
P_—— 100kpa (vcb 10N/cm2)
因此代入式（ 5-9）可得
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式（ 5-12）为不可压缩流体情况下调节阀实际应用的
流量方程式，式中 K为调节阀的流量系数。下面讨论调
节阀的流量系数。
???
??
??
p
K
pA
pA
pA
Q
?
?
?
?
?
???
?
???
?
?
09.5
10
20
10
36 00
10
20
56
5
(5 - 10)
(5 - 12)
5.3.3.调节阀的流量系数
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5.3.3.1.流量系数 K是反映调节阀口径大小的一个重要参数
由于调节阀接管截面积 A= Π/4 DN2, DN为调节阀的公称直径，因
此式（ 5-11）可写为
?
2
0.4 DNK ?
(5 - 13)
由上式可看出,K值取决于调节阀的公称直径 CN和阻力系数 ε 。阻力系
数 ε 的大小与流体的种类、性质、工况以及调节阀的结构尺寸等因素
有关，但在一定条件下 ε 是一个常数，因而根据流量系数 K值可以确定
调节阀的公称直径，即可以确定调节阀的口径。因此，流量系数 K是反
映调节阀口径大小的一个重要参数。
5.3.3.2,流量系数 Kv的定义
由于流量系数 K与流体的种类、工况以及阀的开度有关，为了便于
调节阀口径的选用，必须对流量系数 K给出一个统一的条件，并将
在这一条件下的流量系数以 KV表示，即将流量系数 KV定义为：
在调节阀前后压差为 100Kpa，流体密度为 1g/cm3（即 5~40℃ 的
水）的条件下，调节阀全开时，每小时通过阀门的流体量
（ m3）。 调节阀产品样本中给出的流量系数 KV即是指在这种条件下的 K值。
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根据上述定义，一个 KV值为 32的调节阀，则表示当阀全开、阀前后的压差为
100Kpa时,5~40℃ 的水流过阀的流量为 32m3/h。因此 KV值表示调节阀的流通
能力。
国外采用 CV值表示流量系数，其定义为,40~600F的水，保持阀两端压差为
1b/in2,调节阀全开时，每分钟流过阀门的水的美加化数。 KV与 CV的换算关系
为,Cv=1.17Kv。
5.3.3.3,流量系数 K的计算
若将式（ 5-12）中 △ pr的单位取为 kpa，则可得不可压缩流体 K值的计算
公式，即
p
QK
?
? ?10 (5 - 14)
式中 Q—— 流过调节阀的体积流量,m3/h；
△ p—— 调节阀前后压差,kpa；
p—— 介质密度,g/cm3。
由于流体的种类和性质将影响流量系数 K的大小，因此对不同的流体必须考
虑其对 K的影响；对于低雷诺数的液体，当雷诺数减小时，有效的 K值会变小。
如高粘度的液体，在 Re＜ 2300时，流体将处于层流状态，流量 Q与压差 △ p之
间不再保持平方关系，而是趋于线性关系。因此对雷诺数偏低液体的 K值计
算，要用雷诺数修正系数加以修正。对于气体和蒸汽，由于具有可压缩性，
通过调节阀后的气体密度将小于阀前的密度，因此对气体和蒸汽的 K值计算，
要用压缩系数加以修正。对于气液两相混合流体，必须考虑两种流体之间的
相互影响。当液相为主时，气相成为气泡而夹杂在液相中间，这时具有液相
的性质；而当气相为主时，液相成为雾状，这时具有近似于气相的性质，同
时相与相之间还存在相对运动和能量、质量、动量的传递。目有对两相流体
的 K值计算多采用的效密度法或两相密度法。当液体和气体（或蒸汽）均匀
混合流过调节阀时，其中液体的密度保持不变，而气体或蒸汽由于膨胀而使
密度下降，因此要用膨胀系数加以修正。
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流体的流动状态也将影响流量系数 K的大小。当调节阀前后压差达到某一临界时，通
过调节阀的流量将达到极限，这时即使进一步增加压差，流量也不会再增加，这种达
到极限流量的流动状态称为阻塞流。当介质为气体时，由于它具有可压缩性，因此会
出现阻塞流；当介质为液体时，一旦阀前后压差增大到足以引起液体气化，即产生闪
蒸或空化，也会出现阻塞流。显然，阻塞流出现之后，流量 Q与压差 △ p之间不再遵循
式（ 5-12）的关系，因此阻塞流和非阻塞流的 K计算是不同的。
综上所述，各种情况下流量系数 K的计算公式如表 5-1所示。
5.3.4,调节阀的可调比
调节阀的可调比 R是指调节阀所能控制的最大流量 Qmax和最小流量 Qmin之比，
即 。可调比也称为可调范围，它反映了调节阀的调节能力。
须注意的是,Qmin是调节阀所能控制的最小流量，与调节阀全关时的泄漏量不同。
一般 Qmin为最大流量的 2%~4%，而泄漏量仅为最大流量的 0.1%~0.01%。
由于调节阀前后压差的变化，会引起可调比变化，因此，为方便起见，将可调比分为
理想可调比和实际可调比。
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min
max
Q
QR ?
5.3.4.1,理想可调比
调节阀前后压差一定时的可调比称为理想可调比，以 R表示，即
m in
m a x
m in
m a x
m in
m a x
K
K
P
K
p
K
Q
Q
R ?
?
?
??
?
?
(5 - 17)
由上式可见，理想可调比等于调节阀的最大流量系数与最小流量系数之比，
它是由结构设计决定的。可调比反映了调节阀的调节能力的大小，因此希望
可调比大一些为好，但由于阀芯结构设计和加工的限制,Kmin不能太小，因
此理想可调比一般不会太大，目前我国调节阀的理想可调比主要有 30和 50两
种。
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5.3.4.2,实际可调比
调节阀在实际使用时总是与工艺管路系统相串联或与旁路
阀并联。管路系统的阻力变化或旁路阀的开启程度的不同，
将使调节阀前后压差发生变化，从而使调节阀的可调比也
发生相应的变化，这时调节阀的可调比称实际可调比，以
R1表示
（ 1）串联管道时的可调比
图 5-12所示的串联管道，随着流量 Q的增加，管道的阻力损失也增加。
若系统的总压差 △ Ps不变，则调节阀上的压差 △ Pv相应减小，这就
使调节阀所能通过的最大流量减小，从而调节阀的实际可调比将降
低。此时，调节阀的实际可调比为
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式中 △ Pmax—— 调节阀全关时的阀前后压差，它约等于管道系统的压差
△ Ps
△ Pvmin—— 调节阀全开时的阀前后压差。
令 S为调节阀全开时的阀前后压差与管道系统的压差之比，即
s
V M I N
v
v
v
v
p
p
R
p
p
R
P
K
p
K
Q
Q
R
?
?
?
?
?
?
?
?
??
m a x
m in
m a x
m in
m in
m a x
m in
m a x
?
?
(5 - 17)
SRRppS r
s
v ?
?
?? 则m in
式（ 5-19）表明,S值越小，即串联管道的阻力损失越大，实际可调比越小。
其变化情况如图 5-13所示。
蝶阀 [图 5-10（ g） ]是通过挡板以转轴为中心旋转来控制流体的流量。其结
构紧凑、体积小、成本低、流通能力大，特别适用于低压差、大口径、大流
量的气体或带有悬浮物流体的场合，但泄漏较大。蝶阀通常工作转角应小于
70°,此时流量特性与等百分比特性相似。
套筒阀 [图 5-10（ h） ]是一种结构比较特殊的调节阀，它的阀体与一般的直
通单座阀相似，但阀内有一个圆柱形套筒，又称笼子，利用套筒导向，阀芯
可在套筒中上下移动。套筒上开有一定形状的窗口（节流孔），阀芯移动时，
就改变了节流孔的面积，从而实现流量控制。根据流通能力大小的要求，套
筒的窗口可分为四个、两个或一个。套筒阀分为单密封和双密封两种结构，
前者类似于直通单座阀，适用于单座阀的场合；后者类似于直通双座阀，适
用于双座阀的场合。套筒阀还具有稳定性好、拆装维修方便等优点，因而得
到广泛应用，但其价格比较贵。
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（ 2）并联管道时的可调比
图 5-14所示的并联管道，相当于旁路阀打开一定开度。此时，调节阀的实际
可调比为
)205(
2m in1
m a x ?
?
??
QQ
QR
r
式中 Qmax—— 总管最大流量；
Q1min_—— 调节阀所能控制的最小流量；
Q2—— 旁路管道流量。
返回目录
5.3.5,调节阀的流量特性
调节阀的流量特性是指介质流过调节阀的相对流量与相对位移
（即阀的相对开度）之间的关系，数学表达式为
)235(
m a x
???????? LlfQ Q
式中 —— 相对流量，调节阀某一开度时流量 Q与全开时流量 Qmax之比；
—— 相对位移，调节阀某一开度时阀芯位移 L与全开时阀芯位移 L之比 。
mAXQ
Q
L
l
由于调节阀开度变化的同时，阀前后的压差也会发生变化，而
压差变化又将引起流量变化，因此，为方便起见，将流量特性
分为理想流量特性和实际流量特性。
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5.3.5.1,理想流量特性
所谓流量特性是指调节阀前后的一定时的流量特性，它是调节阀的固有
特性，由阀芯的形状所决定，理想流量特性与阀的结构特性不同，后者
是指阀芯位移与流体流过调节阀的流量之间的关系。
理想流量特性主要有直线、等百分比（对数）、抛物线及快开等四种，
如图 5-16所示，相应的柱塞型阀芯形状如图 5-17所示。
（ 1）直线流量特性
直线流量特性是指调节阀的相对流量与相对位移成直线关系，即
单位位移变化所引起的流量变化是常数，用数学式表达为
)245(
m a x
??
?
?
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?
?
?
??
?
?
??
?
?
k
L
l
d
Q
Q
d
式中 K—— 常数，即调节阀的放大系数。
将式（ 5-24）积分得
返回目录
式中 C—— 积分常数。
已知边界条件,l=0时,Q=Qmin; l=L时,Q=Qmax。把边界条件代入式（ 5-
25），求得各常数项
因此可得
)255(
m a x
????????? cLlkQ Q
)265(111
m a x
??????? ??? LlRRQ Q
式 （ 5-26）表明 与 之间呈直线关系，以不同的 值代入式
（ 5-26），求出 的对应值，在直角坐标上表示即为一条直线，如图
5-16中 2所示。
mAXQ
Q
mAXQ
Q
L
l
L
l
由图 5-16可见，具有直线特性的调节阀放大系数是一个常数，即调节阀单位
位移的变化所引起的流量变化是相等的。但它的流量相对变化值（单位位移
的变化所引起的流量变化与起始流量之比）是随调节阀的开度而改变的，在
开度小时，流量相对变化值大；而在开度大时，流量相对变化值小。因此，
直线特性的调节阀在小开度时，灵敏度高，调节作用强，易产生振荡，在大
开度时，灵敏度低，调节作用弱，调节缓慢。
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等百分比流量特性是指单位相对位移变化所引起的相对流量变化与此点的相
对流量成正比关系。用数学式表示为
（ 2）等百分比流量特性（对数流量特性）
)275(
m a x
m a x
??
?
?
?
?
?
?
??
?
?
??
?
?
Q
Q
k
L
l
d
Q
Q
d
积分后代入边界条件，再整理可得
返回目录
由式（ 5-28）可见，相对位移与相对流量成对数关系，枚也称对数流量
特性，在直角坐标上一条对数曲线，如图 5-16中的 4所示。
由图 5-16可见，等百分比特性曲线的斜率是随着流量增大而增大，即它
的放大系数是随流量增大而增大。但等百分比特性的流量相对变化值是
相等的，即流量变化的百分比是相等的。因此，具有等百分比特性的调
节阀，在小开度时，放大系数小，调节平稳缓和；在大开度时，放大系
数大，调节灵敏有效。
（ 3）抛物线流量特性
抛物线流量特性是指单位相对位移的变化所引起的相对流量变化与
此点的相对流量值的平方根成正比关系，其数学表达式为
)285(
1
m a x
ln1
m a x
???
?????? ??????? ? LlRLl
RQ QeQ Q 或
返回目录
积分后代入边界条件，整理后得
上式表明相对流量与相对位移之间为抛物线关系，在直角坐标上为
一条抛物线，如图 5-16中的 3所示，它介于直线与对数特性曲线之间。
为了弥补直线特性在小开度时调节性能差的缺点，在抛物线特性基
础上派生出一种修正抛物线特性，如图 5-16（ a）中的 3‘虚线所示，
它在相对位移 30%及相对流量 20%这段区间内为抛物线关系，而在此
以上的范围是线性关系。
)295(
2
1
m a x
m a x
???
?
?
?
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Q
Q
k
L
l
d
Q
Q
d
? ? )305(111
m a x
??????? ??? LlRRQ Q
返回目录
（ 4）快开流量特性
快开流量特性是指单位相对位移的变化所引起的相对流量变化与此点的
相对流量值的倒数成正比关系，其数学表达式为
特征方程为
这种流量特性的调节阀在开度较小时就有较大的流量，随着开度的
增大，流量很快就达到最大；此后再增加开度，流量变化很小，故
称快开流量特性，其特性曲线如图 5-16中的 1所示。
)315(
1
m a x
m a x
???
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
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??
?
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??
?
?
?
Q
Q
k
L
l
d
Q
Q
d
)315(1111
2
m a x
??
?
??
?
? ??
?
??
?
? ???
L
l
RQ
Q
快开特性调节阀的阀芯形式为平板形，它的有效位移一般为阀座直径的 1/4，
当位移再增加时，阀的流通面积不再增大，失去调节作用。快开阀适用于迅
速启闭的位式控制或程序控制系统。
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5.3.5.2,工作流量特性
在实际使用中，调节阀所在的管路系统的阻力变化或旁路阀的开启
程度不同将造成阀前后压差变化，从而使调节阀的流量特性发生变
化。调节阀前后压差变化时的流量特性称为工作流量特性。下面分
两种情况进行讨论。
（ 1）串联管道时的工作流量特性
5.4,执行器的选择计算
执行器的选用是否得当，将直接影响自动控制系统的控制质量、安
全性和可靠性，因此，必须根据工况特点、生产工艺及控制系统的要求
等多方面的因素，综合考虑，正确选用。
执行器的选择，主要是从以下三个方面考虑：
1、执行器的结构形式；
2、调节阀的流量特性；
3、调节阀的口径 。
5.4.1.执行器结构形式的选择
5.4.1.1.执行机构的选择
如前所述，执行机构包括气动、电动和液动三大类，而液动执行机构
使用甚少，同时气动执行机构中使用最广的是气动薄膜执行机构，因此执
行机构的选择主要是指对气动薄膜执行机构和电动执行机构的选择，两种
执行机构的比较如表 5-1所示。
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表 5-1 气动薄膜式执行机构和电动执行机构的比较
序号
1
2
3
4
5
6
7
比较项目 气动薄膜执行机构 电动执行机构
可靠性
驱动能源
价格
输出力
刚度
防爆性能
工作环境
高（简单、可靠）
需另设气源装置
低
大
小
好
大（－ 40— ＋ 80℃ ） 小（－ 10— ＋ 55℃ ）
差
大
小
高
简单、方便
较低
气动和电动执行机构各有其特点，并且都包括有各种不同的规格品种
选择时，可以根据实际使用要求，结合表 5-1综合考虑确定选用哪一种执行
机构。
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选择执行机构时，还必须考虑执行机构的输出力或（输出力矩）
应大于它所受到的负荷力（或负荷力矩）。负荷力（或负荷力矩）
包括流体对阀芯产生的作用力（不平衡力）或作用力矩（不平衡力
矩）、阀杆的摩擦力、重量以及压缩弹簧的预紧力（有弹簧式的气
动执行机构才有预紧力），其中，阀杆的摩擦力和重量在正常时都
很小可忽略，故只须考虑不平衡力或不平衡力矩和预紧力。
在采用气动执行机构时，还必须确定整个气动调节阀的作用方
式。从控制系统角度出发，气开发为正作用，气关阀为反作用。所
谓气开阀，在有信号压力输入时阀打开，无信号压力时阀全关；而
气关阀，在有信号压力时阀关闭，无信号压力时阀全开。
5.4.1.2.调节机构的选择
调节机构的选择主要依据是：
1、流体性质。如流体种类、黏度、毒性、腐蚀性、是否含悬
浮颗粒等；
2、工艺条件。如温度、压力、流量、压差、泄漏量等；
3、过程控制要求。控制系统精度、可调比、噪声等。
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根据以上各点进行综合考虑，并参照各种调节机构的特点及其适用
场合，同时兼顾经济性，来选择满足工艺要求的调节机构。
在执行器的结构形式选择时，还必须考虑调节机构的材质、公称压
力等级和上阀盖的形式等问题，这些方面的选择可以参照有关资料。
5.4.2.调节阀流量特性的选择
生产过程中常用的调节阀的理想流量特性主要有直线、等百分比、
快开三种，其中快开特性一般应用于双为控制和程序控制。因此，流量
特性的选择实际上是指如何选择直线特性和等百分比特性。
调节阀流量特性的选择可以通过理论计算，其过程相当复杂，且实
际上无此必要，因此，目前对调节阀流量特性多采用经验准则或根据控
制系统的特点进行选择。可以从以下几方面考虑。
(1)考虑系统的控制品质
(2)考虑工艺管道情况
(3)考虑负荷变化情况
5.4.3.调节阀的口径选择
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调节阀口径的选择主要依据流量系数。为了能正确计算流量系数，
亦即合理地选取调节阀口径，首先必须要合理确定调节阀流量和压差的
数据。通常把代入计算公式中的流量和压差分别称为计算流量和计算压
差。而在根据计算得到的流量系数选择调节阀口径之后，还应对所选调
节阀开度和可调比进行验算，以保证所选调节阀的口径能满足控制要求。
因此选择调节阀口径的步骤为：
1 确定计算流量 根据现有的生产能力、设备负荷及介质状况，决
定最大 计算流量 Qmax；
2 确定计算压差 根据所选择的流量特性及系统特性选定 S值，然
后决定计算压差；
3 计算流量系数 选择合适的流量系数计算公式，根据已决定的计
算流量和计算压差，求得最大流量时的流量系数 Kmax；
4 选取流量系数 Kv 根据已求得的 Kmax，在所选用的产品型号的
标准系列中，选取大于 Kmax并与其最接近的那一挡 Kv值；
5 验算调节阀开度 一般要求最大计算流量时的开度不大于 90%，
最小计算流量时的开度不大于 10%；
6 验算调节阀实际可调比；
7 确定调节阀口径 验证合格后，根据 Kv值决定调节阀的公称直
径和阀座直径。
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5.5.阀门定位器
阀门定位器是气动调节阀的辅助装置，
与气动执行机构配套使用，如图 5-2 所示。
阀门定位器将来自控制器的控制信号
（ 或 ），成比例地转换成气压信号输
出至执行机构，使阀杆产生位移，其位移量
通过机械机构反馈到阀门定位器，当位移反
馈信号与输入的控制信号相平衡时，阀杆停
止动作，调节阀的开度与控制信号相对应。
由此可见，阀门定位器与气动执行机构构成一个负反馈系统，因此采用阀
门定位器可以提高执行机构的线形度，实现准确定位，并且可以改变执行
机构的特性从而可以改变整个执行器的特性；阀门定位器可以采用更高的
气源压力，从而可增大执行机构的 输出力、克服阀杆的摩擦力、消除不
平衡力的影响和加快阀杆的移动速度；阀门定位器与执行机构安装在一起，
因而可减少控制信号的传输滞后。此外，阀门定位器还可以接受不同范围
的输入信号，因此采用阀门定位器还可实现分程控制。
按结构形式，阀门定位器可分为电 /气阀门定位器、气动阀门定位器
和智能式阀门定位器。
0I 0p
返回目录
思考题与习题
5－ 1 执行器在自动控制系统中起什么作用？
5－ 2 执行器由哪些部分构成？
5－ 3 何谓正作用执行器？执行器是如何实现正、反作用的？
5－ 4 气动执行机构有哪几种？它们各有什么特点？
5－ 5 电动执行机构的构成原理和基本结构是什么？
5－ 6 常用调节机构有哪几种？它们有什么特点？
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