控制儀表與裝置是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化必不可少的工具，采用各種控制儀表或控制裝置可以構(gòu)成所需的自動(dòng)控制系統(tǒng)，以滿足各種不同的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制的要求。

1．控制儀表與裝置的分類及特點(diǎn)

（1） 電動(dòng)控制儀表和氣動(dòng)控制儀表

電動(dòng)控制儀表采用24V DC 或220VAC供電，傳輸信號(hào)為電信號(hào)（電流、電壓或數(shù)字），具有能源獲取方便、信號(hào)傳輸和處理容易、便于實(shí)現(xiàn)集中顯示和操作等特點(diǎn)，目前在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制中應(yīng)用了最為廣泛。

氣動(dòng)控制儀表以140 kPa的壓縮空氣為能源，傳輸信號(hào)為20 kPa～100 kPa的氣壓信號(hào)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、可靠性高、易于維護(hù)、安全防爆等特點(diǎn)，特別適用于石油、化工等有爆炸危險(xiǎn)的場(chǎng)所。

（2）常用的控制儀表與裝置

目前常用的控制儀表與裝置有：?jiǎn)卧M合式控制儀表、基地式控制儀表、集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)以及現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。

單元組合式控制儀表是根據(jù)控制系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)的不同功能和使用要求，將儀表做成能實(shí)現(xiàn)一定功能的獨(dú)立儀表（稱為單元），各個(gè)儀表之間用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行聯(lián)系。這類儀表有電動(dòng)單元組合儀表（DDZ）和氣動(dòng)單元組合儀表（QDZ）兩大類，分為變送單元、執(zhí)行單元、調(diào)節(jié)單元、轉(zhuǎn)換單元、運(yùn)算單元、顯示單元、給定單元和輔助單元等八類。

基地式控制儀表相當(dāng)于把單元組合儀表的幾個(gè)單元組合在一起，構(gòu)成一個(gè)儀表。它通常以指示，記錄儀表為主體，附加控制，測(cè)量，給定等部件而構(gòu)成，其控制信號(hào)輸出一般為開關(guān)量，也可以是標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)。

集散型控制系統(tǒng)（DCS系統(tǒng)）是一種以微型計(jì)算機(jī)為核心的計(jì)算機(jī)控制裝置。其基本特點(diǎn)是分散控制、集中管理。DCS系統(tǒng)通常由控制站（下位機(jī)）、操作站（上位機(jī)）和過(guò)程通信網(wǎng)絡(luò)三部分組成

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS系統(tǒng)）是基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的一種新型計(jì)算機(jī)控制裝置。其特點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)控制和雙向數(shù)字通信，即將傳統(tǒng)上集中于控制室的控制功能分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制，而現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制室內(nèi)的儀表或裝置之間為雙向數(shù)字通信。

2．信號(hào)制

信號(hào)制即信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，是指儀表之間采用的傳輸信號(hào)的類型和數(shù)值。

氣動(dòng)儀表的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)為20～100kPa；電動(dòng)儀表的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)為4～20 mADC或0～10mADC。

由電動(dòng)儀表構(gòu)成的控制系統(tǒng)中，儀表之間通常采用如圖1-1所示的聯(lián)接方式，即現(xiàn)場(chǎng)與控制室儀表之間采用直流電流信號(hào)；控制室內(nèi)部?jī)x表之間采用直流電壓信號(hào)。

 

圖1-1  控制系統(tǒng)儀表之間典型聯(lián)接方式

3．儀表防爆的基本知識(shí)

用于存在著各種易燃、易爆氣體、蒸汽或粉塵的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的儀表和控制系統(tǒng)，必須具有防爆性能。

（1）儀表的防爆標(biāo)志

防爆儀表的防爆標(biāo)志為“Ex”；儀表的防爆等級(jí)標(biāo)志的順序?yàn)椋悍辣褪健㈩悇e、級(jí)別、溫度組別，如iaIICT5和dIIBT3。電動(dòng)控制儀表的防爆型式主要有隔爆型(d)和本質(zhì)安全型(i)兩種，隔爆型防爆儀表采取防爆殼體防爆，本質(zhì)安全型防爆儀表通過(guò)特定的電路設(shè)計(jì)來(lái)達(dá)到規(guī)定的防爆要求；類別為II類，即工廠用電氣設(shè)備；級(jí)別有A 、B、C三級(jí)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)裝置測(cè)得的最大試驗(yàn)安全間隙d max或按IEC79-3方法測(cè)得的最小點(diǎn)燃電流與甲烷測(cè)得的最小點(diǎn)燃電流的比值MICR進(jìn)行分級(jí)；溫度組別有T1～ T6六組，根據(jù)最高表面溫度進(jìn)行分組。 

防爆儀表的分級(jí)與分組，與易燃易爆氣體或蒸汽的分級(jí)和分組是相對(duì)應(yīng)的。儀表的防爆級(jí)別和組別，就是指它所能適應(yīng)的某種爆炸性氣體混合物的級(jí)別和組別。

（2） 控制儀表的防爆措施

電動(dòng)儀表主要有隔爆型防爆儀表和本質(zhì)安全型防爆儀表。

隔爆型防爆儀表防爆措施是采用防爆殼體，其強(qiáng)度足夠大，接合面間隙足夠深，最大的間隙寬度又足夠窄，儀表的電路和接線端子全部置于防爆殼體內(nèi)。

本質(zhì)安全型防爆儀表防爆措施是儀表電路采用低的工作電壓和小的工作電流，并適當(dāng)選擇元件的參數(shù)值，以保證即使產(chǎn)生電火花，也是安全火花。

（3） 控制系統(tǒng)的防爆措施

整個(gè)測(cè)量或控制系統(tǒng)的防爆性能要符合安全火花防爆要求，必須滿足以下幾點(diǎn)：

1) 在危險(xiǎn)場(chǎng)所使用安全火花型防爆儀表；

2) 在控制室儀表與危險(xiǎn)場(chǎng)所儀表之間設(shè)置安全柵，如圖1-2所示。

                                    

                                     

3) 按照安全火花防爆的要求進(jìn)行系統(tǒng)的安裝和維護(hù)。

4．儀表的分析方法

模擬式控制儀表有兩種構(gòu)成形式：儀表整機(jī)采用單個(gè)放大器和整機(jī)由數(shù)目不等的運(yùn)算放大器電路以不同形式（主要是串聯(lián)形式）組裝而成。

（1） 采用單個(gè)放大器的儀表分析方法

這一類儀表一般具有如圖1-3所示的典型結(jié)構(gòu)。

   

由圖1-3可以求得整個(gè)儀表的輸出與輸入關(guān)系為：

由此可見，采用單個(gè)放大器的儀表具有如下特點(diǎn)：

1）在滿足>>1的條件時(shí)，儀表的輸出與輸入關(guān)系僅取決于輸入部分的特性和反饋部分的特性。

2）在滿足>>1的條件時(shí)，儀表的輸入部分的輸出信號(hào)z_i與整機(jī)輸出信號(hào)y經(jīng)反饋部分反饋到放大器輸入端的反饋信號(hào)z_f基本相等，即放大器的凈輸入e 趨向于零（e →0）。式 (1-1) ～ 式 (1-3) 是對(duì)采用單個(gè)放大器的儀表進(jìn)行分析的主要依據(jù)。對(duì)于這一類儀表的分析，首先是將儀表劃分為三個(gè)部分：輸入部分、放大器和反饋部分；然后對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行分析，重點(diǎn)是輸入部分和反饋部分；進(jìn)而根據(jù)式(1-2) 或 式(1-3) 求出整機(jī)輸出與輸入之間的關(guān)系，即可得到整機(jī)特性。

（2） 采用運(yùn)算放大器的儀表分析方法

采用運(yùn)算放大器的儀表分析方法是把整個(gè)儀表線路分成一個(gè)個(gè)運(yùn)算放大器電路單獨(dú)地進(jìn)行分析，最后再綜合得到整機(jī)的特性。單個(gè)運(yùn)算放大器電路的分析方法通常有如下兩種：

1) 利用基本運(yùn)算放大器電路的關(guān)系式，直接或通過(guò)簡(jiǎn)化看出運(yùn)算放大器電路的運(yùn)算關(guān)系。

2) 利用理想運(yùn)算放大器輸入端的兩個(gè)特征： 

   ① 差模輸入電壓等于零，即U_d = 0或U_T = U_F ；

   ② 輸入端輸入電流等于零，即I_bT = 0，I_bF = 0 。

 （3） 儀表的分析步驟

 對(duì)于一只儀表，可以采用由整體到局部的方法分析，即首先對(duì)儀表作總體概貌性了解，然后將儀表劃分成幾個(gè)部分，再對(duì)各部分逐一進(jìn)行分析，最后綜合出整機(jī)的特性。其具體步驟可以如下：

 1) 了解儀表作用和結(jié)構(gòu)框圖。

 2) 按照結(jié)構(gòu)框圖將整機(jī)線路劃分成相應(yīng)的部分?！　　　?/p>

 3) 根據(jù)信號(hào)的傳遞方向，對(duì)各部分逐一進(jìn)行分析。在分析中注意應(yīng)用以下幾種方法：

    ① 對(duì)復(fù)雜的部分可畫出其構(gòu)成框圖，作進(jìn)一步劃分。

    ② 畫等效電路。

    ③ 應(yīng)用電路理論中的一些基本定律，如歐姆定律、分流公式、分壓公式、等效電源定理、疊加定理、?SóY變換、阻抗變換等。

4) 綜合儀表的整機(jī)特性

（4） 儀表運(yùn)放電路的共性問題

1) 運(yùn)算放大器電路采用單電源供電

出于儀表總體設(shè)計(jì)的需要、便于儀表的安裝等原因，在儀表線路中，運(yùn)算放大器電路一般都采用單電源供電，即由一組直流電源供電。運(yùn)算放大器采用單電源供電后，只影響其本身的使用條件，而并不影響運(yùn)算放大器電路的運(yùn)算關(guān)系和特性。運(yùn)算放大器的使用條件主要指共模輸入電壓范圍和輸出電壓范圍，在單電源供電時(shí)，它們均是以直流電源的負(fù)端為基準(zhǔn)。

在單電源供電時(shí)，為了使得共模輸入電壓范圍和輸出電壓范圍滿足要求，一般均采用電平移動(dòng)的方法。

2) 電平移動(dòng)

所謂電平移動(dòng)，是在運(yùn)算放大器的同相輸入端上另加一個(gè)電平移動(dòng)電壓U_B（通過(guò)電阻分壓得到），如圖1-4所示。圖1-4為儀表中廣泛采用的輸入電路。

另加電平移動(dòng)電壓U_B之后，運(yùn)算放大器電路在單電源供電時(shí)以U_B為基準(zhǔn)的運(yùn)算關(guān)系，同雙電源供電時(shí)以公共地為基準(zhǔn)的運(yùn)算關(guān)系，在形式上完全相同。但需注意，此時(shí)，輸入、輸出信號(hào)均以U_B為基準(zhǔn)。

圖1-4所示電路輸出與輸入之間的關(guān)系為                                  

 

式中，――運(yùn)算放大器兩輸入端的電位差 ；――以U_B為基準(zhǔn)的輸出電壓。運(yùn)算放大器輸入端承受的共模電壓U_C（共模電壓應(yīng)相對(duì)于單電源的負(fù)端）為

因此，適當(dāng)選擇U_B 和R₃、R₄的大小，可以使得U_C值在單電源供電時(shí)允許的共模輸入范圍以內(nèi)，以保證運(yùn)算放大器正常工作。式（1-5）中的第一項(xiàng)：[ R₃ / (R₃+R₄)] U_B，體現(xiàn)了電壓U_B移動(dòng)同相端電平的作用。

3) 運(yùn)算放大器的電流擴(kuò)展

運(yùn)算放大器的最大輸出電流一般為5mA或10mA，而儀表輸出電流為4～20mA，因此，需要對(duì)運(yùn)算放大器的輸出電流進(jìn)行擴(kuò)展。常采用的方法是用三極管或復(fù)合三極管對(duì)電流進(jìn)行放大，圖1-5所示為常用的一種輸出電路。

對(duì)圖1-5所示電路的分析方法是：把晶體管VT₁₀、二極管VD₁₁電阻R₂₁、R₂₄等組成的射極輸出器和運(yùn)算放大器A₅看成是一個(gè)整體，即把它們等效為一個(gè)運(yùn)算放大器，則該電路可看成為由一個(gè)差動(dòng)輸入運(yùn)放電路，其輸入信號(hào)為

由于R₁₇ = R₁₈ = R₁₉ = R₂₀ ，U_B =10V

    圖1-5常用的輸出電路

因此可得