二位式控制器产品及应用

二位式控制器产品及应用

作者：解国华

来源：《中国科技博览》2014年第11期

[摘要]二位式控制器受控物理量有压力、差压、温度等多种类型，其具有高度的稳定可靠性，在工业过程自动化系统中，被广泛用作自动报警、控制、联锁保护和逻辑保护，在与机械设备配套中用作对受控参量的二位式控制。本文对二位式控制器的工作原理、结构特性及选型、安装等方面进行剖析，为产品运作处于最佳状态提出了建议和方案。 [关键词] 二位式控制器 开关部件 传感器 选型 中图分类号：E951

二位式控制器是诸多开关控制器类族中的一种，在使用中根据流体压力或温度的变化，借助于压力传感器以及通过与之相配的机械传输系统来带动电机，电气或气动等开关元件，实现对电流进行开、关转换。在控制与调节中通常有二个稳定的切换点（上切换点和下切换点），所以我们称之为二位式控制器（以下简称控制器）。

控制器在控制系统中主要功能是当被控对象超出或低于其预先设定的参数（压力或温度）时，就会有切换信号输出并控制设备的运行或停止。 控制器的相关术语介绍：

设定值：在主控系统中，用来设定被控量的预期值的参比信号。设定值可以是上切换值，也可以是下切换值，由使用者根据实际情况需要决定。

上切换值：输入变量增大时，使输出变量（对控制器而言就是触点位置）改变的输入变量值。

下切换值：输入变量减小时，使输出变量（对控制器而言就是触点位置）改变的输入变量值。

切换差：上切换值与下切换值之差。

切换差不可调（或称固定切换差）：切换差在全部设定值调节范围中的各点上是不可调的。

切换差可调（或称可调切换差）：切换差在全部设定值调节范围中的各点上都可连续从最小值调到最大值。

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控制器主要有开关部件和传感器部件二部分组成。 一、开关部件

开关部件的工作原理：如图一所示，介质压强P通过传感器转变成压力F，并作用于杠杆，与同作用于杠杆但方向相反的设定值弹簧力F1和切换差弹簧力F2进行力矩比较，杠杆围绕支点发生转动，使微动开关发生切换，从而达到控制介质参数的目的。 若按开关部件内零件的不同组合，可形成如下不同功能的控制器：

1. 切换差不可制器：如图二所示，从图二中可见仅有一根设定值弹簧45，结构形式的切换差是由开关的滞后值产生的，而滞后值的大小是由微动开关的切换行程、机械传输系统（包括杠杆）转动比、弹簧特性以及系统的内部摩擦系数）等因素决定。由于系统内部的摩擦是随着压力的增加和弹簧压力的增加而增长，因此控制器（尤其是压力式控制器）的上限值的切换差是设定值调节范围内的最大值。 2. 切换差可制器：如图三所示，除

了设定值弹簧45以外，另外增加了切换差弹簧12，弹簧12首先在与微动开关2的切换行程形成一定的比例后与弹簧45共同作用在杠杆5上。通过圆锥支点10作用于杠杆5上的弹簧12的力矩由螺钉8调节，调节弹簧12可调整切换差ΔP（在传感器中的外来压力克服设定值弹簧45的弹簧力的前提下）。从图三中我们不难发现，初始状态时，由于设定值弹簧压在杠杆5上，使微动开关20处于某一状态上（如闭合），当传感器内压力通过顶杆59作用到杠杆5上的力超过设定值弹簧45的弹簧力时，杠杆5开始转动，当传感器内的力超过了下切换值后使杠杆5转到某个位置时（以下称此位置为K位置），切换差弹簧12就作用在杠杆5上，此时设定值弹簧45和切换差弹簧12共同作用在杠杆5上，杠杆的转动暂时停止（因为杠杆5接触到了切换差弹簧12的圆锥形支点10），只有当传感器内的压力再继续加大并超过弹簧45和弹簧12的合力，杠杆才继续产生转动，直至微动开关2动作（如由闭合→断开），即到达上切换值点，由于传感器内的挡块作用，使顶杆59不能随着压力的增加而继续上升，从而使杠杆的转动被。

调整螺钉8对圆锥形支点10进行精确调整，才能把K位置调整在微动开关2切换差行程的中间位置上。由于微动开关的切换行程很小（如只有0.1mm），当开关在接近切换点时其触点压力也逐步减弱，而如果此时产生振动的话就会导致过早的切换动作，所以中间位置的调整必须十分地细心，精确！

3、小切换差控制器：根据图二所示，如选用微动开关2的切换行程≤0.02mm，使整机的切换差是原先的50%～70%，即形成小切换差控制器。

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4、双触点控制器（DPDT）：根据图二所示，如选用二个微动开关叠加在一起，如果它们的切换行程和动作力尽量匹配相近，从而形成具有二个的控制回路，并且能进行同步切换控制，就形成了双触点控制器。

5、多设定值控制器：如图四所示，在有触点保护装置杠杆8的前提下，采用二个或三个微动开关2，形成了具有二个或三个可分别进行切换控制的回路，即形成了多设定控制器。

6、普通型控制器：采用普通型微动开关2和接线端子33，即形成普通型控制器，见图二。

7、防爆型控制器：采用隔爆型微动开关2和增安型接线端子33，即形成防爆型控制器，见图三，其防爆等级最高可达 到deⅡCT5。 二、传感器部件 1、膜片式传感器：

a.橡胶膜片（丁腈胶、硅胶、氟胶）压力在0.09～5MPa之内，膜片式传感器是非常灵敏的，切换精度根据不同的使用场合可达到1～5%之间，即使瞬间压力变化也不会有大的影响。由橡胶膜片做成的传感器较多用于低、微压（见图五）或微差压（见图六）控制器，单位时间内切换次数是所有传感器中最高的，每分钟最高可达60次以上。由图七中可见，在与介质接触的外壳采用PVC（聚氯乙烯）材料，膜片采用组合模片，即橡胶膜片6和与介质接触的聚四氟乙烯薄膜7组合，可适用具有强腐蚀性介质。 这里想着重介绍图六中的三膜片差压传感器结构，它是由中间的大膜片8（有效面积为A）和上、下二张相同大小的波纹小膜片9组成（有效面积为a）。如高压腔内的压强为P1，低压腔内的压强为P2，则产生向上的合力F=（P1-P2）A-P1a+P2a=（P1-P2）A-（P1-P2）a=（P1-P2）（A-a）= ΔP（A-a），由于（A-a）是一个常数，所以力F仅与差压ΔP大小有关，而与静压P1和P2的变化无关。由此可见，采用三膜片传感器结构的差压控制器控制值比较稳定，不会出现其它结构形式的差压控制器会随着静压的变化而产生控制值漂移等现象。

b.聚酰亚胺膜片（TCP材料）：由于TCP材料具有柔软且抗拉强度高等特性（此材料还具有耐高、低温，耐辐照等特性，故在航天领域得到广泛的应用），因此作为高灵敏度高耐压的高静压低差压传感器膜片非其莫属，图八为含有TCP材料膜片2的高静压低差压传感器，其差压控制范围为2～250kPa，最大静压可达21MPa，单向受压可达10MPa。

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c.不锈钢膜片：当密封性要求较高，介质为腐蚀性工况时，可以采用如图九不锈钢膜片传感器。由图可见，不锈钢膜片序号3（如316L材料）与不锈钢螺纹件1进行焊接，使与介质接触部份均为不锈钢材料，因此具有耐腐蚀性；同时当膜片

当不锈钢膜片与法兰进行焊接，形成隔膜式法兰传感器（见图十），可应用于粘度高介质（如重油等）、含有粉尘介质、含有污染介质的液体，以及对卫生要求较高的食品行业（如乳液管道）等具有良好的效果。不锈钢膜片来回动作次数不宜过多，以免折裂，一般动作次数为10～20次/分。 2、波纹管传感器

a.压力传感器：波纹管传感器的切换精度很高（切换偏差

图十一为波纹管式压力传感器，有波纹管5与盘6，螺纹件7和杆1组成密封性极佳的封闭腔体。

b.温度传感器：由于波纹管传感器具有密封性高和切换精度高等特性，其常与温包等组合形成温度传感器，如图十二所示，当带有毛细管的温包7与波纹管2和连接件8形成的密封腔体内充有感温介质后，感温介质将通过温包感受到的温度通过波纹管将饱和蒸汽压转变成压力，使连接件8发生位移而发出信号。

由于感温介质的饱和蒸汽压P与温度T的关系不成比例关系（见图十三），从图十三中不难发现，当差压ΔP是一个定值时，温度差ΔT随着温度趋高而变小，这就解释了温度控制器上限时的切换差要比下限时的切换差小（前面介绍过压力控制器随着压力的提高切换差将变大）。

c.采用组合式传感器的差压控制器

普通压力控制器的感受元件（如波纹管）的一侧是与大气压相连的，而差压控制器组合式传感器（见图十四）的感受元件（波纹管）在感受高压P1和低压P2的合力ΔP=P1-P2的差压信号后，是连接件10发生上、下位移（当达到所设定的差压值时，控制器就发生切换动作）而起到控制差压的目的。由于传感器外壳选用黄铜材料，且采用锡焊工艺，所以只能用于中性气体和液体介质。

d.带有两只压力传感器的差压控制器

借助于二只压力传感器组成的差压控制器（见图十五），二只压力传感器（序号4和序号5）将力作用到开关部件1中的杠杆上进行比较，当比较后的力达到设定的差压值时，控制器就发生切换动作而达到控制差压的目的。

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由于传感器采用等离子焊接工艺的不锈钢材料，因此可用于腐蚀性的气体和液体介质，工作压力最高可达6.3MPa，差压设定值可达3MPa。 3. 活塞式压力传感器：

活塞式传感器因其结构牢固，控制压力高（最高可达40MPa），因此在液压油系统中得到较多的应用，活塞式传感器仅能用于油或含油介质以及润滑性能良好的中性液体介质 a.带泄油口的活塞式传感器：

图十六为带卸油口的活塞式传感器，专门用在液压控制系统，由图中可见，在活塞6与外壳1的导孔之间狭窄的细缝呈密封状（原理同活塞气缸），并且在活塞上有多条泄压槽，在缝隙长度L内可将压力减少100MPa，因此进入缝隙的泄漏油（大约5～10滴/分）外滴时不会造成压力的泄漏，通过传感器上的一只微孔向外排出，否则泄漏油要进入开关部件中。同时泄漏油在活塞6与外壳1的导孔之间起润滑剂作用。泄漏油的粘度不得超过300mm²/s，否则就会存在泄漏油不能及时排出泄漏孔的危险，甚至进入开关部件。此传感器组成的压力控制器控制范围最高可达40MPa，耐压可达80MPa。 b.带槽型密封圈活塞式传感器

如图十七所示，由于槽型密封圈11与活塞6间的摩擦系数较大，使整机的切换差相对较大，因此当介质压力低于2.5MPa时，要有较大的超压才能启动传感器，所以此类传感器对高压（100MPa以上）的场合较为适用。在新的时候，其泄漏率为10-6kPa/s，随着开关次数的累计增加，其泄漏率逐渐增大，使用一段时间后有必要考虑其泄漏情况，因此这种类型的传感器都设有泄漏孔。

介质压力通过外壳1和活塞6之间的间隙渗透到槽型密封圈11下部的腔内，并把密封圈唇口压向躯壳和活塞，而槽型密封圈将与活塞产生静摩擦，并且在不同速度的压力变化下将会产生切换差的偏移。考虑到槽型密封圈的易磨性，当开关切换次数超过20次/分，以及压力经常出现波动时，就不能选用此类传感器。

为避免在实际工况中压力的突然波动，建议传感器的压力接口处安装一个压力冲击阻尼器。

c.带O形密封圈的活塞式传感器

如图十八所示，这种结构在耐压力波动方面要优于上述的槽型密封圈的传感器，但在压力相对较低的情况下会出现较高的摩擦系数，因此在同样的前提条件下，带O形密封圈的传感器在压力范围低端的切换差要高于槽型密封圈的传感器。

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4. 弹簧管传感器

此类传感器由于具有极微小的泄漏率，约10-10kPa/s，因而常与隔膜装置组合成隔膜式控制器（或隔膜式压力表）。

由于波顿管能承受较大的压力且精度高，因此由波顿管传感器形成的压力控制器设定范围2～40MPa，最大允许过压达45MPa，其工作原理类似压力表，利用自由端的位移达到控制的目的。如图十九所示，挡块3与波顿管4的自由端采用氩弧焊工艺焊接，当压力处于下限值时，挡块3直接作用在微动开关上，随着压力增加，挡块3随着自由端的位移变化而浮起，直至微动开关切换，其重复性精度较高（≤1%），具有切换差较小的特点（约0.4MPa）。由于采用不锈钢接头1和不锈钢弹簧管4以及采用氩弧焊工艺密封焊接，所以此类传感器能用于腐蚀性介质。波顿管传感器与活塞式传感器不同的是：前者不仅能用于高压油等液体，还适用于不带油性介质的气体和液体，因此应用范围更广，实用性更强。缺点是抗振性能差（≤10m/s²）。

综上所述可知，将不同类型的开关部件和传感器进行排列组合，将派生出几十种型号上千种规格的压力、温度、差压控制器。图二十为控制器的加工工艺流程图。

面对众多型号的控制器，根据其不同功能和特点，结合实际工况，进行正确的选型显得尤为重要，从某种程度上来讲，正确的选型比控制器本身特性的差异还来得重要！正确的选型能使控制器始终处于最佳工作状态从而确保整个系统安全可靠运行。 选型和应用注意事项： 1.压力控制器

了解用户需控制的压力范围，一般控制范围在控制器量程的20%～80%之间为佳； 系统可能会出现的最高压力不能超过压力控制器本身的最大允许压力值，以免损坏传感器内的传感元件；如系统有压力脉冲等现象应配压力冲击阻尼器（见图二十一）。

当介质为腐蚀性时，应选用不锈钢材质并采用等离子（或氩弧焊）焊接工艺的压力传感器，或有耐腐蚀材料制造的压力传感器。如环境具有腐蚀性时，应选用外壳采取耐腐蚀表面处理的压力控制器；

当介质或环境具有爆炸性物质时，应选用防爆型压力传感器，并关注具体防爆等级要求。 根据环境的恶劣程度不同，有针对性的选择不同的外壳防护等级的压力控制器。 根据系统切换次数频率大小，选用相应传感器形式的压力传感器。

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2.差压控制器

了解用户需控制的差压范围，一般控制范围在控制器量程的20%～80%为佳；

根据系统的静压大小选择相应的差压控制器（如静压大，则选用高静压低差压控制器）。 介质或环境具有腐蚀性时，前者应选用不锈钢材质并采用等离子（或氩弧焊）焊接工艺的差压传感器；后者应选用外壳采取耐腐蚀表面处理的差压控制器。

当介质或环境具有爆炸性物质是，和压力控制器一样，应选用防爆型差压控制器，并关注具体防爆等级要求。

按环境的恶劣程度不同，选择不同的外壳防护等级的差压控制器。 3.温度控制器

了解用户需控制的温度范围，一般控制范围在控制器量程的20%～80%为佳。

系统可能会出现的最高温度不能超过温度控制器本身的最大允许温度值，以免损坏传感器内的传感元件；

如被测介质伴有压力，应配用密封接头 （见图二十二）或保护套（见图二十三），以免被测介质从温包插入口处溢出；

当被测介质含有腐蚀性时，应配用不锈钢保护套，以免温包和毛细管（一般采用铜质材料）被腐蚀；同样，当环境有腐蚀性时，应选用外壳采用耐腐蚀表面处理的温度控制器； 如介质或环境含有爆炸性物质时，应选用防爆型温度控制器并关注具体防爆等级要求； 根据环境的恶劣程度不同而选择不同的外壳防护等级的温度控制器。 另外，选型还必须考虑用户的以下工况和需求：

1、 对控制器切换差大小是否有要求，可选用切换差可调或切换差不可调以及小切换差等控制器来满足要求。

2、 针对触点数量的要求，可选用单触点、双触点、以及多设定控制器来满足要求。 3、 根据介质的粘度大小或是否含有粉尘等因素决定是否配用隔膜装置。

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4、 被测介质温度高于控制器最高允许温度时，应加装冷却管，以确保控制器的切换精度和使用寿命。

5、 根据实际安装情况进行调试（水平或垂直安装等），设定时应按用户对上切换值或下切换值要求进行设定；如条件允许，对差压控制器在高、低压腔均加工作压力（静压）进行模拟工况差压调试；

当掌握和了解用户和产品的这些信息后，才能选出最适合工况的控制器，使控制器处于最佳工作状态，大幅降低产品的返修率，减少相关人员因选型或使用不当造成产品出现故障而奔波于各个用户现场，既劳命又伤财！与此同时，正确的选型能使控制器本身的性能特点得到充分的体现！为企业的经济效益和社会效益作出应有的贡献！ 参考文献：

GB/T20730.1-2006/IEC 61003-1：2004 工业过程控制系统用模似输入两位或多位输出仪表 第1部分：性能评定方法——由中国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会发布。