在构成控制系统时,有时还需要使用一些其它的仪表,如开方器、积算器、安全栅、操作器、电源箱、电源分配器和信号分配器等。
1. 开方器
(1) 开方器的应用
开方器的作用是对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检测或控制系统,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。其系统构成如图4-1所示。
(2) 单元组合仪表开方器的构成原理
其构成原理是以乘法电路为基础,利用负反馈原理实现乘除运算,进而实现开方运算。
(3) DDZ-III开方器的构成及工作原理
DDZ―III型开方器由输入电路、开方运算电路、小信号切除电路及输出电路构成,如图4-2所示。
(4) 开方器的小信号切除
所谓小信号切除是当输入信号很小(例如小于输入信号满量程的1%)时,使开方器的输出信号为其下限值;当输入信号足够大时,输出信号满足开方器的运算关系式。
进行小信号切除的目的是,克服开方器对小信号运算精度较低,会产生较大运算误差的问题。这一点可通过下面的分析进一步说明。
DDZ-III型开方器的运算式关系为
对式(4-1)两边求导后可得:
dUo/dUi可视为开方器的放大倍数。式(4-2)表明,开方器的放大倍数与Ui有关。当输入信号Ui很小(即接近1V)时,开方器的放大倍数将很大。这时,若Ui稍有波动(由某些干扰造成的波动),就会引起开方器的输出信号Uo很大的变化。因此,在输入信号较小时,开方器会产生较大运算误差。
2. 积算器
积算器属于显示单元仪表,其作用是对输入信号进行累计积算。在过程控制系统中,积算器常用来累计流体总量(即一段时间内的总流量)。积算器分为比例积算器和开方积算器,前者与流量变送器配套使用,后者与差压变送器配套使用。
(1) 流量累计积算的原理
积算器把反映瞬时流量q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f,然后再对该脉冲频率信号进行计数,用该计数值N表示所流过的流体总量Q,即
式中K―― 计数器跳过一个字所代表的流量,K= q / f。
(2) 电流(或电压)-脉冲频率的转换原理
电流(或电压)-脉冲频率的转换是通过电容充放电实现的。
(3) DDZ-III比例积算器的构成及工作原理
实现乘除运算是通过两个乘法电路和负反馈原理实现的,如图4-3所示。
图4-3 乘除运算实现方框图
(4) 开方积算器
开方积算器的作用是先对输入信号(通常是来自差压变送器)进行开方运算,然后再对经开方处理后的信号进行比例积算。因此,开方积算器可看成是由开方器和积算器共同组成的。
3. 其他仪表
(1) 安全栅的作用
安全栅是一种电流电压限制器,它设置在控制室仪表(非危险场所)和现场仪表(危险场所)之间,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或爆炸性混合物的点火能量以下,以确保控制系统的安全火花性能。
(2) 齐纳式安全栅和隔离式安全栅的工作原理
齐纳式安全栅是基于齐纳二极管反向击穿特性工作的;隔离式安全栅不仅具有限制电流电压功能,而且具有信号、电源隔离功能。
(3) 操作器的作用、构成及基本工作原理
操作器以手动方式在输出端输出4~20mADC信号,以进行手动遥控操作或为调节器提供外部给定信号。
(4) 电源箱、电源分配器和信号分配器的作用及构成
电源箱中的稳压电路由输出取样电路、比较及放大电路和调整电路等组成,其构成框图如图15-14所示,它们构成了一个自动控制系统。输出取样电路相当于“变送器”,检测输出电压的大小,其结果送到比较及放大电路(相当于“控制器”)与内部基准电压进行比较,比较结果经放大后送到调整电路(相当于“执行器”),推动其中的调整管对输出进行调整及功率放大,最终得到功率足够大、稳定度足够高的24VDC直流输出电压。
图4-4 电源箱构成框图
电源分配器是合理进行仪表盘上电源配线的分电源盘,它可将总电源分成10路,供给各个仪表使用。
电源分配器分为交流电源用分配器和直流电源用分配器,分别用于交流电源和直流电源的分配,其构成如图4-5(a)和(b)所示。
图4-5 电源分配器
交流用电源分配器中各供电回路采用双线开关切断,每个回路均有保险丝保护。直流用电源分配器中,各供电回路采用公共母线(电源负端),电源正端由单线开关控制,并配有保险丝保护。