气动仪表基本元件
虽然气动仪表的种类和结构形式很多，但构成它们的基本元部件数量并不多，主要有弹性元件、节流元件、气容、喷嘴挡板和气动功率放大器等。
（1）弹性元件。弹性元件可分为弹性敏感元件和弹性支承元件两类。其中常见的弹性元件如图7-8所示。图中的螺旋弹簧和片簧是属于支承元件，用于支承、平衡或增强敏感元件的刚度。波纹管和膜片及图中未画出的金属膜盒和弹簧管等都属于弹性敏感元件，它们都能将压力转换成位移。在气动仪表中，弹性元件的变形范围都很小，通常在弹性变形范围之内。气动仪表中的弹性元件可视为比例元件。为增加弹性元件的线性范围，可用的措施有金属膜片制成波纹状、波纹管采取预压缩安装、弹簧管采用多圈式。
图7-8 弹性元件
（a）螺旋弹簧；（b）片簧；（c）波纹管；（d）带弹簧的波纹管；（e）金属膜片；（f）橡胶膜片
（2）节流元件。节流元件又称为气阻，在气路中，起阻碍气体流动的作用。其可以产生压降和改变气体的流量。按其工作特点可分为恒节流孔和变节流孔两种类型。
1）恒节流孔。恒节流孔又称为恒气阻，其流通截面积不能改变，所以气阻值不能调整。常见的恒节流孔有毛细管式和小孔式两种，如图7-9所示。
图7-9 恒节流孔
2）变节流孔。变节流孔又称为可调气阻，其流通截面积可以改变，所以其气阻值可以按需要进行调整。常见的变节流孔可分为三种类型，即圆锥—圆锥型、圆柱—圆锥型、圆球—圆锥型，如图7-10所示。变节流孔实际上是可调型节流阀，通常将阀杆和阀芯设计成弹性连接，这样可以保证关闭阀门时阀芯与阀座密封并防止接触表面被压坏。另外，在关阀时，具有自动对中的良好特性。
图7-10 变节流孔
（a）圆锥—圆锥型；（b）圆柱—圆锥型；（c）圆球—圆锥型
（3）气容。气体容室简称气容，其在气动仪表中能储存或放出气体，对气压变化起惯性作用。常用的有固定气容和弹性气容两种类型，如图7-11所示。固定气容（或称定容气室）是指容积固定不变的气室，弹性气容（或称弹性气室）是指容积可以改变的气室。
图7-11 气容示意
（a）固定气容；（b）弹性气容
以上两类气容的特点是，固定气容的容积大小和压力变化无关，因此，压力变化不会改变刚性气容的容积；弹性气容的容积不仅与它的气室初始容积有关，而且与压力变化时引起的容积变化有关。
（4）喷嘴挡板。喷嘴挡板是气动仪表中最基本的元件。其功能是将挡板的微小位移量（输入）转换成对应的气压信号输出。(https://www.daowen.com)
1）喷嘴挡板机构。喷嘴挡板机构由恒节流孔1、背压室2、喷嘴3和挡板4组成，如图7-12所示。喷嘴的孔径应比恒节流孔直径大，通气源直径D=（4～6）d，以保证在挡板全开时，背压室的压力降到接近于大气压力。为了保证喷嘴挡板机构能正常工作，气源中不能含有油、水和杂物。喷嘴的轴心线必须与挡板平面垂直，在挡板靠上喷嘴时，有良好的密封性。
图7-12 喷嘴挡板机构
1—恒节流孔；2—背压室；3—喷嘴；4—挡板
2）喷嘴挡板静特性。将0.14 MPa的气源连接到喷嘴挡板机构的入口，经恒节流孔进入背压室，再由喷嘴与挡板之间的缝隙排入大气。当挡板靠近喷嘴，即挡板开度h减小时，气阻加大，使背压室的压力PD增大；反之，当挡板开度h加大时，气阻减小，使背压室压力PD减小。可见，喷嘴挡板起到了变气阻的作用。不同的挡板开度对应不同的背压室压力。在稳定工况下（即恒节流孔的流量与喷嘴的流量相平衡，背压室内压力稳定不变），背压室压力PD与挡板开度h之间的对应关系称为喷嘴挡板机构静特性，经实验测得的曲线如图7-13所示。它有以下三个特点：
①当挡板处于全关状态时（即h=0），由于喷嘴挡板的加工与装配精度有限，难免漏气，因此，背压PD只能接近气源压力。
图7-13 喷嘴挡板机构的静特性
②挡板全开时，由于喷嘴的孔径远大于恒节流孔孔径，因此空气的压降主要降在恒节流孔上，使背压PD接近大气压力（即为零）。
③挡板从全关移到全开时，背压PD随挡板开度h增大而迅速下降，当挡板开度h增大到喷嘴孔径的1/4时，背压PD不再明显变化。从静特性曲线可见，背压PD随h增大而下降的过程是两头慢、中间快。特性曲线上各点的斜率不同。在曲线的中间段a、b之间，背压PD变化较快，若用直线ab代替曲线ab，则其误差很小，这样喷嘴背压PD变化量ΔPD与挡板开度h的变化量Δh呈线性关系，喷嘴挡板机构的实际工作范围ab段通常称为工作段。由于工作段的线性度较好且斜率大，它比工作在其他范围内的精度和灵敏度要高。在工作段内喷嘴挡板机构可看作一个比例环节。
5）气动功率放大器。在喷嘴挡板机构中，恒节流孔的孔径很小（d=0.15～0.3 mm），工作时输出的空气量较小，不能直接用来推动执行机构，也很难传送较远的距离。因此，几乎所有的气动仪表都在喷嘴挡板机构的输出端串联一个功率放大器，进行流量放大或压力放大，即功率放大，以增强其驱动能力和实现信息的远距离传递。在结构上两者往往连成一体，所以，又合称为二级功率放大器。
图7-14 气动功率放大器
1—锥阀；2—金属膜片；3—弹簧片；4—球阀
A、B、C、D—气室
功率放大器种类繁多，结构各异。图7-14所示为一种耗气型气动功率放大器，它能起流量和压力放大作用。功率放大器由放大气路和弹性组件构成。放大气路由两个变节流阀串联构成，一个是球阀4，另一个是锥阀1，它们各起不同的作用。球阀4控制来自气源的进气量，因球阀的微小位移会引起进气量很大的变化，故能满足流量较大的要求；锥阀1用来控制排气量。这两个阀经阀杆结成一个整体。弹性组件由金属膜片2和弹簧片3组成。其能使阀杆产生位移。
当输入压力增大时，在金属膜片2上形成的推力也增大，克服金属膜片2和弹簧的刚度使阀杆下移，开大球阀关小锥阀，使进气量大于排气量，这时B室压力增大，即放大器的输出压力增大；反之，当输入压力减小时，放大器的输出压力就下降。由此可知，阀杆的位移决定了放大器输出压力的大小。实际工作过程中又一起步段，即虽然输入压力增大，但是金属膜片2无位移的阶段，它是由于部件之间的间隙和克服静摩擦力引起的。在工作段上，输出压力的增量和输入压力的增量可近似看作比例关系。因此，气动功率放大器是一个比例环节。
气动功率放大器不但放大了压力信号，而且因为进气球阀的流通面积远大于喷嘴挡板机构中的恒节流孔，使流量也放大了很多倍，即实现了压力和流量的同时放大。当气动功率放大器与喷嘴挡板机构串联使用时，起步压力的大小决定了喷嘴挡板机构的工作区域，合适的起步压力才能使喷嘴挡板机构工作在静特性曲线的线性段，从而保证仪表具有较高的灵敏度和精度。实践证明，放大器的起步压力通常调整在27～33 kPa，可保证仪表工作在喷嘴挡板机构的线性段。
起步压力大小与金属膜片和弹簧片的刚度、膜片与阀杆间隙及弹簧片的预紧力有关。调换不同刚度的金属膜片和弹簧片，或调整弹簧片的预紧力，可以改变放大器的起步压力。
