过程自动检测与控制技术整套教学课件.ppt

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1、过程自动检测与控制技术过程自动检测与控制技术 第一章 概述生产过程中自然需要对物料流、能量流进行管理。但是仅仅有这些还是不够的。生产过程中还有一种流，那就是信息流。外部干预信息系统内作用信息系统提供信息图11-3 生产过程中的信息流生产过程生产过程检测问题执行干预控制策略第一节、过程自动检测技术概述 信息的提取过程实际上是一个测量过程。假定用一个装置进行测量，将测量装置看作一个环节，该装置的输入是被测取的物理量，输出是信号。用x表示被测变量，用y表示测量信号。被测量x是生产过程中需要关注的量，例如温度、压力、位移、速度等。测量信号y是能够表征被测量的，能够方便的进行处理、记录、阅读的另外一种物

2、理量，例如电压、电流、电阻、气压、指针偏转、液柱高度、电位开关等。这里需要注意，信号不仅仅指一些物理信号，一些可由人感官的观察到的量也是信号。 第一节、过程自动检测技术概述信息提取装置xy信息提取过程示意图一、测量基本关系 yymaxyminyxxmaxxminx00图11-5 测量基本关系yymaxyminyxxmaxxminx00ab一、测量基本关系被测变量的变化范围叫作测量范围测量范围，与之相对应的信号变化范围叫作信号范围信号范围。信号变化范围所对应的被测变量变化范围也叫作测量装置的量程量程。被测变量的最小数值叫作量程下限量程下限，被测变量的最大数值叫作量程上限量程上限。信号的最小数值叫

3、作信号的下限（或零零点点），信号的最大数值叫作信号的上限（或满度满度）。测量的基本要求是输出信号与被测变量在测量范围内有有单值对应关系，即一点测量信号数值有一点被测变量数值对应。这种对应关系可以是线性的也可以是非线性的某种函数关系。 一、测量基本关系a。线性关系经整理可得： minminmaxminmaxminyyxxyyxxminmaxminminmaxminxxyyyyxx一、测量基本关系b。非线性关系经整理可得：minminmaxminmaxminyyxxfyyxxminmaxminminmaxminxxyyyfyxx例题1：已知热电偶测量范围01700，对应毫伏信号为020222mV。

4、忽略热电偶测量的非线性。写出毫伏与温度之间的表达式。根据线性测量关系，则有： TTVTTTTVVV0119. 01700222.20minminminmaxminmax例题2：用压力变送器测量压力，压力变化范围02.5MPa，对应信号为420mA。写出压力测量关系表达式。根据线性测量关系，则有：44.64)0(05.2420minminminmaxminmaxPPIPPPPIII二、测量过程指标1、测量误差 a、绝对误差 设被测值为x0、测量值x，则绝对误差： = x -x0 由于测量过程中无法获得被测值，所以只能用标准测量值xs来代替被测值x0，因此，绝对误差： = x -xs二、测量过程指

5、标b、相对误差 相对误差是绝对误差与工作点之比，既： ssxxxy二、测量过程指标c、最大相对百分误差 最大相对百分误差是全量程内，最大相对误差的百分表示。即： 这个指标意味着，在整个测量范围内任何点的测量相对误差都不会超过这个误差。%100max测量下限测量上限二、测量过程指标2、测量的时间响应 时间响应是关于获得稳定测量数值快慢的指标，既当被测量发生变化开始，到测量数值稳定这个过程的指标。 由于测量装置（传感器、变送器）可能存在一些容量、阻力特性，或许还有一些质量、体积、间隙等特征，所以测量过程稳定是需要一定时间的。二、测量过程指标该问题描述如下：通常会认为，3倍时间常数T后，Att0 x

6、KAtt0yt1ab测量输入、输出的时间关系t20632 KA二、测量过程指标此处：=t1-t0； T=t2-t1为纯滞后时间，他表示当被测变量发生变化后，测量信号要多长时间才发生变化。一般是由测量装置的传动、间隙等因素造成的；T为滞后时间，他表明信号对被测变量响应的快慢。一般由测量装置的容量因素造成的，如容积、电容、运动部件质量等；K为测量灵敏度。三、装置测量的性能指标 1、精度精度 仪表的最大允许百分误差定义为； 该公式规定：在正常使用条件下该测量装置的所有误差都不超过数值。 将公式去掉百分号和后，该数值即为测量装置的精度。精度是由国家标准所规定的数值，目前我国常用仪表精度有0.005、0

7、.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0等。 %100测量下限测量上限允允例题1：某生产过程需要测量温度。温度测量范围是0500，正常工作温度为3002 。确定温度测量仪表的精度。测量最大误差为2 ，测量范围0500，计算最大百分误差 ，根据该计算结果应当选择0.2级精度。2100%0.4%5000例题2：用一台1.0级精度仪表测量压力，压力仪表量程为02500kPa。要求测量最大误差不超过30kPa，该压力仪表符合测量要求么？生产上的最大百分误差为： 该压力仪表的最大百分允许误差为： ，由此可得： 该数值小于30kPa，故符合测量要求。30100%1.2%25

8、000100%1.0%允250000.01=25允2500三、装置测量的性能指标2、灵敏度 灵敏度是指测量信号输出的变化量与被测量的变化量之比，即被测量的单位变化可引起多少信号变化量。即：该数值越大则灵敏度越高，表示单位被测量的变化可引发比较大的信号变化。 对于数字技术的测量装置常常会用另外一个叫作分辨率的名词。分辨率的含义是指该测量 装置所能分辨被测量的最小数值。ysx三、装置测量的性能指标 如果被测量的变化小于该数值，则该测量装置不能分辨这个变化。数字化测量装置会将被测量的整个变化范围转换为若干位二进制数字。位数的多少叫作字长，一定字长的二进制数对应一定的十进制数，例如有一个8位字长的测量

9、装置，8位二进制所表示的数字范围是0255，如果该装置将01000转换为0到255，那么八位字长的最后一位所代表温度为： 如果测量装置具有12位字长，12位二进制所表示的数字范围是04095，则最后一位所代表的温度为：3 92/1000-0度分辨率=. 度 字255-0字0 24/1000-0度分辨率=.度 字4095-0字第二节 过程自动控制概述 一、过程工业特点 1）过程工业的物料通常是流体，物质形态与能量形态的改变是不可见的；2）生产环节之间关联很强。生产过程中一点的变化可向上游、下游扩散；3）由于流体形态下物质、能量的传递与交换的特点所决定，过程工业具 有时间滞后特点；4）生产过程状态

10、具有多样性。如化学反应过程，主反应进行时还伴随有 若干副反应；5）现代过程工业常常在大负荷、高强度下生产，加上过程工业的时间滞 后特性，所以正常状况的反映即有不及时的特点，同时又有变化剧烈， 人力难以控制。 根据过程工业，特别是现代过程工业的这些特点，靠人为观察，人的操作是难以控制生产过程的。所以自动检测与自动控制已经变成了现代过程工业的一个不可缺少的组成部分。第二节 过程自动控制概述2、过程自动控制学科的特点 1）与被控过程密切相关；2）与控制科学（控制原理、控制系统、人工智能等）密切相关；3）与自动化装置（检测技术、自动化仪表、计算机控制系统等）密切相关；4）与网络技术、计算机技术、通信技

11、术密切相关。第二节 过程自动控制概述3、自动控制系统分类 1）自动检测系统 ；2）自动操作系统（自动开、停车系统、顺控系统等）；3）自动信号报警与连锁系统（SIS、ESD等）；4）自动控制系统 （定值（调节）系统、控制系统）外部干预信息系统内作用信息系统提供信息生产过程生产过程获得系统信息 (检测)第二章 自动检测技术 所谓检测，就是通过技术手段将某参数的变化转换为另一种物理量的变化，该物理量的变化能够方便进行处理、进行观察。对被测变量实行实时、在线测量，即不需要人为干预，自动地进行连绵不断的测量叫做自动检测。测量通常是将参数的变化转换为电能量的变化，例如转换为电流、电压、电阻、电容、电感、频

12、率等。由于这些电能量的表现形式不一样，有些不便于进行直接处理或直接观察。为此，自动化领域中规定了一些标准的统一信号形式，例如420mADC、010mADC、15VDC。如果测量装置能将被测参数转换为标准信号则称该装置为变送器，如果仅仅是将被测变量转换成一种非标准信号，则称该装置为传感器。 第一节、温度检测与仪表 第一节、温度检测与仪表工业常用测温传感器类型测温方式测温方式传感器类型传感器类型测温范围（测温范围（）精度（精度（%）特点特点接触式接触式热膨胀式水银-1006000.11结构简单、耐用，但感温体较大双金属-5050013压力液-1006001气-2006001热电偶钨铼1000280

13、00.30.5种类多、适应性强，结构简单，应用广泛。须注意冷端温度补偿。铂铑铂016000.20.5其他-20012000.41.0热电阻铂-2006000.10.3标准化程度高，精度及灵敏度均较好，感温体较大，须注意环境温度的影响。镍-1503000.20.5铜-501500.10.3热敏电阻-503000.31.5体积小，响应快，灵敏度高，线性差，环境温度影响明显。非接触式非接触式辐射温度计10035001非接触测温，不干扰被测温度场，辐射率影响小，应用简单，不能用于低温测量光高温计20032001热电探测器20020001非接触测温，不干扰被测温度场，响应快，测量范围大，适于测量温度分布

14、，易手外界干扰，定标困难。热敏电阻探测器-5032001光子探测器035001第一节、温度检测与仪表一、热电偶测温原理引线支架热电偶丝图21-1 工业热电偶结构图感温点图21-3 接触电势形成原理图BA+-一、热电偶测温原理1、接触电势 金属A电子密度比金属B电子密度高，由于存在密度差，电子就从金属A向金属B扩散。由于金属A失去了电子，在连接面上金属A一侧就会呈现正电势；金属B获得了一些电子，在连接面金属B一侧就会呈现负电势。这个电位差与两种金属材料有关系，还和连接面处的温度有关系，其关系为：公式中：EAB： 金属A、B接触面处的热电势；T： 接触面处的绝对温度；K： 波尔兹曼常数（k=1.3

15、810-23J/K）；e： 电子电荷量（e=1.610-19C）；nA、nA：金属A、B的自由电子密度。 ( )lnAABBnKTETen一、热电偶测温原理2、温差电势 温度的不同金属中电子能量也不同。如果一个金属导体两端温度不同，温度高一端电子能量高，温度低一端电子能量低。高温端的电子就会向低温端扩散，高温端失去电子之后就会带正电，低温端获得电子则带负电。当电子扩散平衡之后，所形成的电位差叫做温差电势，温差电势与温度的关系为：公式中：T： 高温点绝对温度；T0 ：低温点绝对温度；： 温差系数，与材料形式和温度有关。 00( ,)TTE T TdT一、热电偶测温原理3、总热电势 两种不同金属回

16、路热电势回路总热电势EAB（T，T0）等于：由公式可知，相同金属处在不同温度下，既A=B，其总回路总热电势EAB（T，T0）为零；不同金属处在相同温度下，既T=T0，其总回路总热电势EAB（T，T0）也为零。 图21-5 不同金属回路热电势形成原理图EA（T，T0）BATT0EB（T，T0）EAB（T）EAB（T0）0000( ,)( )( ,)()( ,)ABABAABBET TETE T TETE T T 000( )()( ,)( ,)ABABABETETE T TE T T 00lnTAABBTnKTTdTen一、热电偶测温原理热电偶名称及分度号正极材料负极材料测温范围 特点铂铑10-

17、铂（S） 铂铑10铂01300（1600）准确度最高，稳定性最好，测温温区宽，使用寿命长等优点 镍铬镍硅（镍铝）(K)镍铬镍硅(镍铝)-2001300 线性度好，热电势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强 镍铬铜镍(E)镍铬铜镍-200900 热电动势大，灵敏度高，宜制成热电堆，可测量微小的温度变化。 不能直接在高温下用于硫、还原性气氛中，热电势均匀性较差。铜铜镍(T)铜铜镍-200350 线性度好，热电势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好。铜在高温下抗氧化能力差常用热电偶特点常用热电偶特点一、热电偶测温原理4、热电偶接线与冷端温度补偿 1）热电偶接线 构成热电偶的材料常常是一些

18、贵重金属。实际测量中检测点与仪表之间可能有很长的距离，不可能都使用贵重金属将热电偶连接到远距离处的仪表上，不可避免的在热电偶回路中出现第三种贱金属，此时回路总热电势与温度的关系将如何变化。 一、热电偶测温原理其回路总热电势为：如果该回路在同一温度下，根据能量守恒可知其回路总电势为零，既： 代如上式则有： 三种金属构成的热电偶回路图BATT0CT0000( ,)( )()()ABABBCCAET TETETET00000(,)()()()0ABABBCCAET TETETET000()()()ABBCCAETETET00( ,)( )()ABABABET TETET一、热电偶测温原理2）冷端补偿

19、TT0T0R1R2R3Rt图21-7 桥路冷端温度补偿的原理图E（T，T0）UT0+一、热电偶测温原理3）补偿导线 工业上常常用相对便宜的两种金属来替代热电偶金属A和B，用这些金属做导线，将热电偶连接到远处的仪表上。这样的金属导线叫做补偿导线。不同的热电偶要配接不同的补偿导线 常见热电偶补偿导线热电偶名称补偿导线工作端为100，冷端为0时的标准热电势mV正极负极材料颜色材料颜色铂铑10铂(S)铜红铜镍绿0.6450.037镍铬镍硅（镍铝）(K)铜红铜镍蓝4.0950.105镍铬铜镍(E)镍铬红铜镍棕6.3170.170铜铜镍(T)铜红铜镍白4.2770.047一、热电偶测温原理二、热电阻测温原

20、理一、热电阻测温原理 导体都有电阻存在，一般来说其电阻都会随温度变化而变化。利用导体的这个特性，就可进行温度测量。 引线支架电阻丝图21-8 工业热电阻结构图二、热电阻测温原理1、铂热电阻温度特性铂热电阻与温度的关系可用公式（211）和（212）表示。温度在-200t0时：（211）温度在0t850时：（212）公式（211）和（212）中：Rt温度为t时的电阻值；R0温度为0时的电阻值；A、B、C铂电阻分度系数，可由分度表查得。 2301100tRRAtBtC tt201tRRAtBt二、热电阻测温原理2、铜电阻温度特性温度在-50t150时铜电阻温度特性：（213）公式（213）中：Rt温

21、度为t时的电阻值；R0温度为0时的电阻值；铜电阻温度系数，（4.254.28）10-3/。01tRRt热电阻名称分度号材料测温范围 特点铂电阻Pt100铂-200800 热电阻是低温测量元件。铂热电阻测温相对较高。线性度较好，稳定性比较好。Pt10铜电阻Cu100铜-40140 热电阻是低温测量元件。铜热电阻测温相对较低。线性度较好，灵敏度高，高温下稳定性较差。Cu50常用热电阻特点二、热电阻测温原理3测量电路 温度变化所引起的电阻变化，在信号处理时不太方便，因此需要将电阻变化转换为电压的变化，进而转变为标准信号。工业测量中常采用桥路将电阻变化转换为电压，图21-9是热电阻的测量桥路原理图。R

22、1R2R3RtE图21-9 热电阻测量桥路原理图Urrr二、热电阻测温原理三、温度变送器 热电偶和热电阻将温度转换为热电势（mV）和阻值（Rt）的变化，如果需要将温度的变化转换为标准信号（mA），则需要选用温度变送器。温度变送器是配接上热电偶或热电阻，加上信号转换部件，最后变换为电流。下面图21-10是温度变送器的原理图。 冷 端温 度补偿输 入电路量 程调整放 大转换输 出电路图21-10 温度变送器的结构原理图输 入桥路量 程调整放 大转换输 出电路Rt热电偶ab二、热电阻测温原理四、测温仪表的选择温度测量仪表的选择主要考虑以下一个方面：1测量要求。主要考虑是否需要提供测量信号，如果只需要

23、提供温度指示，可选择温包、双金属等膨胀式温度计。如果需要提供测量信号则需要考虑是否提供标准信号，例如420mA信号、mV信号、电阻信号等。要求标准信号可选择温度变送器（一体化变送器或外接传感器变送器），如果提供非标准信号则可选择热电偶或热电阻。2测温范围。测温范围决定选择什么样的温度传感器。一般来说-50+150可选择铜热电阻；-200+500可选择铂热电阻；01500可选择热电偶；1500以上可选择高温热电偶或辐射高温计等。一般来说最高温度在量程的3/4，最低温度在量程的1/3。二、热电阻测温原理3安装要求。主要考虑插入长度、安装方式、接线盒形式等。一般来说，温度传感器的测量敏感点一定处在设

24、备温度变化灵敏点上，所以需要选择适当的插入长度。安装方式要求主要是指温度传感器是安装在什么设备上，例如管道、反应器、锅炉炉堂，此外，有些生产设备的材质也比较特殊，例如搪瓷、铅、耐火材料等，这也需要考虑温度传感器安装方式。4被测介质特性。被测介质特性决定了温度传感器与介质接触部分材料的选择。例如被测介质的pH值、介质内是否有悬浮颗粒、是否具有强氧化或还原特性等。 第二节 压力检测与仪表 一、应变式压力传感器 应变式压力传感器是利用导体或半导体在压力作用下，产生变形后所发生电阻的变化原理来测量压力的。假定电阻的初始电阻为：公式中：R电阻；L电阻丝长度；A电阻丝截面积；电阻率。 两端取对数，然后微分

25、，可得变形后电阻的相对变化： LRA一、应变式压力传感器公式中： 电阻丝长度相对变化，即电阻的纵向相对变化； 电阻丝截面积相对变化，根据截面形状不同而不同，一定条件 下可看作是横向相对变化； 变形后电阻率的相对变化。 变形引起的电阻相对变化。金属材料变化主项 电阻率变化引起的电阻相对变化。半导体材料变化主项dRdLdAdRLAdLLdAAddRdLdARLAdRdR一、应变式压力传感器 变形引起的电阻相对变化为主要变化项的金属材料所做的传感器，叫做应变压力传感器；电阻率变化引起的电阻相对变化为主要变化项的半导体材料所做的传感器，叫做压敏传感器。一、应变式压力传感器1、应变式压力传感器应变桶纵向

26、片r1密封膜片横向片r2外壳图22-1 应变压力传感器结构原理图Fr1r2R3R4U图22-2 应变片测量桥路一、应变式压力传感器2、压敏式压力传感器R1R4R2R3图22-4 测量片压敏电阻排列图二、霍尔压力传感器 霍尔原理 公式（223）中： U霍尔电压； RH霍尔系数； I激励电流； B磁感应强度 d霍尔厚度。 +EBXY-+U图22-5 霍尔元件原理图dIBRUH二、霍尔压力传感器 如果设计磁铁的形状，使得将磁场的磁感应强度与X方向呈线性关系，则霍尔电压就与处在磁场位置有关。 pkxxxkBBpkkdIRxkdIRBdIRUxBHBHH三、电容式压力传感器测量原理公式中：C电容量；极板

27、间介质的介电系数；A极板面积；d极板之间距离。 ACd 四、差压变送器 F2F1F3F1F2F3四、差压变送器假定主杠杆下端受力点距离旋转点O1的长度为为L1，主杠杆上端受力点距离旋转点O1的长度为为L2，则有： 假定副杠杆上端受力点距离旋转点O2的长度为为L3，副杠杆下端受力点距离旋转点O2的长度为为L4，则有： 矢量机构将作用力F1分解为F2和F3，F3消耗在矢量机构的支点上，F2则有 最后:1112122()iLLFFf ppLL442033fLLFFkILL21FFtg3102124()LLfItgppK tgpLLk五、压力测量仪表的选择 1测量要求。主要考虑是否需要提供测量信号，如

28、果只需要提供压力指示，可选择弹簧管压力表。如果需要提供测量信号则需要考虑是否提供标准信号，例如420mA信号、mV信号等。要求标准信号可选择各种压力变送器， 2测量范围。测温范围决定选择什么样的压力传感器和压力变送器的量程。一般最高压力在量程2/33/4处，最低压力在量程1/3处，测量脉动压力时最高压力在量程1/22/3处，最低压力在量程1/3处。3安装要求。压力变送器一般不直接安装在被测设备上，通常是用导压管将压力引到压力变送器上。如果选用压力传感器，由于通常是直接安装在被测设备上，所以要考虑安装现场的条件，例如振动、环境温度、电磁干扰等。4被测介质特性。被测介质特性决定了压力传感器与介质接

29、触部分材料的选择。例如被测介质的pH值、介质内是否有悬浮颗粒、是否具有强氧化或还原特性等。第三节 物位检测与仪表 一、差压法测量液位 +-h图31-1 差压法测量液位原理图+-h图31-2 差压法测量带压容器液位原理图pph0pppph phpppppphpph max2044Ihh一、差压法测量液位零点迁移问题图31-3 差压变送器测量液位零点迁移原理图输出电流2040-hh液位图31-4 差压变送器零点迁移曲线图正迁移； 负迁移； 无迁移+-Hh0+-h吹气法测量液位10php20pp112ppph吹气法测量液位10php20pp112ppph二、电容式液位计 002()lnaLHCDd0

30、2lnlHCDd000022()lnlnalHLHCCCDDdd000022lnlnHHLHHCCCDDdd02lnCHK HDd 三、超声波液位计 (a)气介式 (b) 液介式 图33-1 单探头超声波液位计 ()2aLHtC 2aCHLt2bHtC b:2bCHt,abC C 波速度a:三、超声波液位计v超声波液位测量有许多优点：v(1)与介质不接触，无可动部件，电子元件只以声频振动，振幅小，仪器寿命长；v(2)超声波传播速度比较稳定，光线、介质粘度、湿度、介电常数、电导率、热导率等对检测几乎无影响，因此适用于有毒、腐蚀性或高粘度等特殊场合的液位测量；v(3)不仅可进行连续测量和定点测量，

31、还能方便地提供遥测或遥控信号；v(4)能测量高速运动或有倾斜晃动的液体的液位，如置于汽车、飞机、轮船中的液位。 v但超声波仪器结构复杂，价格相对昂贵；而且当超声波传播介质温度或密度发生变化，声速也将发生变化，对此超声波液位计应有相应的补偿措施，否则严重影响测量精度。另外，有些物质对超声波有强烈吸收作用，选用测量方法和测量仪器时要充分考虑液位测量的具体情况和条件。四物位测量仪表的选择 v物位中大量是液位测量，液位测量仪表的选择主要考虑以下一个方面：v1测量要求。主要考虑是否需要提供测量信号，如果只需要提供液位指示，可选择玻璃管液位计、浮球液位计、浮筒液位计、钢带液位计等。如果需要提供测量信号则需

32、要考虑是否提供标准信号，例如420mA信号、mV信号等。要求标准信号可选择各种液位变送器， v2测量范围。测温范围决定选择什么样的液位变送器以及选择液位变送器量程。v3安装要求。液位变送器有两种形式，一种是直接安装在被测设备上，一种是不直接安装在被测设备上。选择时要考虑安装现场的条件，例如振动、环境温度、电磁干扰等。v4被测介质特性。被测介质特性决定了液位变送器与介质接触部分材料的选择。例如被测介质的pH值、介质内是否有悬浮物、是否具有凝结特性等，必要是可采取相应的隔离措施。v5根据安装地点，决定液位变送器的零点迁移范围。第四节 流量检测与仪表v一、节流差压法 一、节流差压法根据流体力学原理，

33、即节流前流体的能量、节流点处流体的能量、节流后的流体能量是守恒的，既节流前流体能量等于节流点流体的能量，节流点流体的能量等于节流后的流体能量（由于有流动摩擦存在，有一小部分能量转化为热能，由于这部分能量很小，所以忽略这部分能量损失）。 根据伯努利方程则有：经过整理可得：fhpvghpvgh22221211222202212QFP流量系数；膨胀校正系数；1节流装置前流体密度；1节流装置前流体重度；F0节流孔板开孔截面积。一、节流差压法做归一化处理，则有： 假定差压变送器的输出电流是420mA，则电流与流量的关系为： 2max2maxQQPP2max2max164QQPPI4162max2QQI一

34、、节流差压法节流装置包括节流元件、取压件、取压管头等。常用节流元件有孔板、喷嘴、文丘利管。由于这些装置使用较多，所以为这些常用节流装置制定了一些标准，规定了其结构、尺寸、加工精度等内容，遵守这些标准的节流装置就是标准节流装置。由于人们为标准节流装置做了当量工作，所以这些装置的数据比较丰富。 工程上用的最多的是孔板，下面主要介绍孔板节流装置。孔板是在一个圆形钢板中心钻一个圆孔，将其装在管道内，当流体流过中心孔时，由于节流作用就会在孔板两端产生一个压力差。下面是标准孔板图。 一、节流差压法IV III II I I II III IV 1 1 1D 0.5D a.图中图中II为角接取压法取压点为角

35、接取压法取压点.角接取压是我们国家使用最为广角接取压是我们国家使用最为广泛的一种取压方法，其实验数据泛的一种取压方法，其实验数据最为完备。取压点在节流孔板的最为完备。取压点在节流孔板的前后端面处。前后端面处。b.图中图中IIII为为1法兰取压法取压法兰取压法取压点点. 取压点在节流孔板的前后端面取压点在节流孔板的前后端面1英寸处。由于加工、安装比较方英寸处。由于加工、安装比较方便，目前在我国工业上应用逐渐便，目前在我国工业上应用逐渐增多。增多。c.图中图中IIIIII所示即为理论取压法所示即为理论取压法的取压点的取压点 .理论取压法又称理论取压法又称“缩流法缩流法”，上，上游取压点在距离孔板端

36、面一个游取压点在距离孔板端面一个D处，处，下游取压点在流束收缩最小处下游取压点在流束收缩最小处 d.图中图中IVIV即为径距取压法取压点即为径距取压法取压点.上游在距离孔板端面一个上游在距离孔板端面一个D处，下游取压点处，下游取压点在在0.5D处。该取压方法与理论取压法不同之处。该取压方法与理论取压法不同之处在于下游取压点是固定在处在于下游取压点是固定在0.5D处处 。一、节流差压法标准孔板单独钻孔环室取压一、节流差压法引起差压式流量计的原因很多，严重时可高达2030%，因此在使用、安装、维护过程中需要特别注意。（1）因为孔板计算（节流孔径）是在特定的工艺条件下得出的计算结果，只有在该条件下，

37、测量才是准确的。当工艺条件发生变化后，计算过程中的某些系数会发生变化，此时测量会产生误差。解决办法是针对现在的工艺条件重新计算。（2）节流元件安装不正确。例如孔板方向装反（锐口朝上游），安装不同心，安装位置处上下游直管段长度不够等。都会带来测量误差。（3）孔板内孔磨损。特别是入口处锐边变钝，内孔孔径变大，将会带来测量误差。（4）导压管问题。导压管问题有两类：第一类是堵塞造成压力差导出错误；第二类是导压管引入附加压差。 二、转子流量计 转子流量计由一个从下到上直径逐渐变大的锥形管子和一个浮子组成。流体从锥管下面流入，从锥管上面流出。流体流过锥管时对浮子有一个冲击力，该冲击力与浮子重力相平衡，浮子

38、停留在某个位置上，该位置的高度与流量关系如下： ()tfVgpA 二、转子流量计式中：V转子的体积；t转子密度；f流体密度；p1转子前压力；p2转子后压力；A转子最大横截面积；g重力加速度。 二、转子流量计 在转子流量计上转子处在锥管最下端和转子处在最上端处取两个截面。在这两个截面上应能量应当守衡，因此可列写处伯努利方程。由伯努利方程可导出下面的流量方程： 将代入p可得：公式中为仪表常数，h为转子浮起高度。 phQf2phMf2AgVhQfft)(2AgVhMfft)(2三、电磁流量计 电磁流量计是利用导电流体流过磁场时，流体切割磁场的磁力线所产生的感应电势进行流量测量的。流体在流过磁场时会切

39、割磁力线，就会在流体径向产生感应电势，该感应电势为：式中：Ex感应电势；K比例系数；B 磁感应强度；D 管道直径，即切割磁力线导体的长度；v 流体流速。xEK BDv三、电磁流量计 管道中流体体积流量为 ，从中解出v代入 电磁感应公式可得： 公式中K称为仪表常数。 为了提高电磁流量计的灵敏度，其磁场要有足够高的强度，这就需要有足够大的励磁电流，所以电磁流量计一般都是四线制仪表，目前的技术还难以实现本质安全防爆等级。由于是采用电磁感应原理进行测量，需防止电磁干扰。 22124DQvvD4XK BEQKQD四、旋涡流量计 流体力学中有一种现象，当流体的雷诺高于一定数值之后，流体流过非流线物体（圆柱

40、形，三角柱形）时，会在该物体下游两侧产生旋涡。一定条件下，会在中心线两侧出现交替、稳定的旋涡阵列。该现象最早由卡曼（Karman）发现并在理论上加以分析证明。旋涡出现的频率与流速之间的关系为： dSft式中：f 旋涡出现频率Hz；St斯特劳哈尔（Strouhal）系数；流体平均流速m/sd 元柱体直径m。四、旋涡流量计 当雷诺数在510215104时，斯特劳哈尔系数等于0.2。当两列涡街之间的距离h与同边涡街之间的距离L之比，既h/L=0.281时，所产生的涡街是稳定的。此时涡街频率与流体流速成正比关系。四、旋涡流量计 如果能够检测出涡街频率，就可获得流体流速，进而获得流体流量信息。检测涡街的

41、方法很多，有热敏检测法、电容检测法、应力检测法、超声检测法等。这些方法利用旋涡局部的压力、密度、流速等物理参数，通过一定的技术手段，检测出各个旋涡之间的时间间隔。 下面是热敏式旋涡检测器原理。 四、旋涡流量计 在圆柱形截流体中间有一个空腔，空腔内分为两个腔室，中间有一个孔洞相连，中间固定上一根电阻丝，通过一定电流使其发热。空腔外侧有两个孔与外界相连。当流体流过截流体外侧时，一侧产生旋涡，流速降低，静压升高。另外一侧没有产生旋涡，流速比较快，静压偏低。这样就在截流体两侧产生压力差，流体会从压力高的一侧孔进入腔室内，从压力低的一侧流出。流体流过腔室会带走电阻上的热量，电阻丝温度降低，电阻阻值发生变

42、化。由于旋涡是交替出现的，所以电阻丝的阻值也是交替变化的。通过检测电阻丝的电阻值就可获得旋涡频率。经过转换、放大最后形成420mA标准电流信号。 五、质量流量计质量流量计是一种直接获得流体流过管道质量的信号。质量流量检测常用方法有量热式、角动量式、差压式和科氏力方法。 科里奥利力原理图五、质量流量计假设有一根管子，流体从一端流向另外一端，管子围绕一端进行旋转。当流体从旋转中心向外流出时，流体质点线速度在逐渐增加，根据能量守恒原理，管子的旋转速度将会降低；同样道理，当流体从管子的外端向中心流出时，流体质点线速度在逐渐降低，根据能量守恒原理，管子的旋转速度将会加快。 质量流量计原理图五、质量流量计

43、五、质量流量计在A点放置一个逆压电部件，在其上施加一个交流电压，使得U形管上下开合。在B处和C处放置两个正压电部件，用来检测U形管的振荡信号。 CB0td 各点信号曲线图五、流量测量仪表的选择流量测量仪表的选择主要考虑以下一个方面：1 根据测量要求，选择不同的流量测量变送器，例如对于清洁流体，蒸汽等可选择孔板加差压变送器方式；脏污流体、悬浮流体测量则可以选择电磁流量计。2测量范围。根据流量测量范围对流量检测元件进行计算，根据计算结果选择或加工测量元件。根据计算结果选择适当的差压变送器。3安装要求。流量变送器有两种形式，一种是直接安装在被测设备上，一种是不直接安装在被测设备上。选择时要考虑安装现

44、场的条件，例如振动、环境温度、电磁干扰等。4被测介质特性。被测介质特性决定了流量变送器与介质接触部分材料的选择。例如被测介质的pH值，必要是可采取相应的隔离措施。外部干预信息系统内作用信息系统提供信息生产过程生产过程系统信息处理 (控制)第三章 自动化装置自动化装置是自动控制系统中的核心控制装置，所有的控制策略都要通过自动化装置来实现。早期自动化装置是通过机械控制器对被控对象进行控制，例如蒸汽机革命时期的重锤式蒸汽机调速器，中国的指南车等。随着电子技术的发展，出现了电子式控制器，此时多是单变量控制器，即每个控制器只能处理一个变量。近年来，自动化装置向网络化，智能化发展，因此自动控制也向分布式多

45、层方向发展。与管理学科的结合，使得管理与控制一体化得已实现。 第一节、基本控制规律 一、基本开关型控制规律 开关型控制规律在人们的日常生活中非常多，例如电熨斗温度控制、电冰箱温度控制等。开关控制的控制规律可用下列公式表达： ssTTuuTTuuuminmaxTuTsumaxumin图31-1 开关控制规律图象一、开关型控制规律理想开关控制规律的图像，这种控制规律会造成控制阀频繁动作，因为温度偏离希望值一点点，都会导致阀门动作。实际开关控制规律是一带有控制误差带的开关控制规律，偏差上限为TsH，偏差下限为TsL，该控制规律可用公式表示： TuTsHumaxumin实际开关控制规律图象TsL111

46、111222222sLsHTTuuTTuuuminmax一、开关型控制规律xxsHxmaxxmin图31-3开关控制规律下的被控参数过渡过程xsLuumaxumaxtt二、时间比例型开关控制规律 这是一种改进型开关控制规律。下面图31-4是时间比例型开关控制规律的原理图。 e图31-4 时间比例型开关控制规律的原理图uumaxumaxtTT1T2T3T0二、时间比例型开关控制规律将控制器输出划分为一定长度的时间间隔T，在每个时间间隔内，开关输出接通的时间TON是不同的，开关占空比定义：开关占空比最小为0，即在每个时间周期内开关都处在断开状态；开关占空比最大为1，即在每个时间周期内开关都都处在接

47、通状态。时间比例开关型控制规律是这样一种控制规律，既控制器输出占空比正比于被控参数偏离希望值的偏差大小。 ONTrT二、时间比例型开关控制规律220VAC设定温度TCT图31-5 时间比例开关控制的加热罐二、时间比例型开关控制规律冷物料从上面流入加热罐，经过加热棒加热之后从下面流出。220VAC加热电压通过接触器接点向加热棒供电。当加热罐内物料温度等于设定温度时，接触器接点的接通时间一定，即开关占空比一定。当物料温度低于设定温度时，开关接通时间增加，加热时间延长；当物料温度高于设定温度时，开关接通时间减小，加热时间缩短。可用下列公式表示这种关系： 时间比例控制规律有一个可调整控制器参数Kp，这

48、种控制规律控制下的被控变量，其控制质量要比基本开关控制规律好。 ONpTrK eT 三、比例控制规律 例控制规律是工业过程控制中使用最多的控制规律，比例控制的英文为Proportional Control，所以比例控制规律也叫做P控制规律。比例控制规律的表达式为：公式中u是控制器输出，Kp是比例控制器的比例放大倍数，xr是温度设定值， x是被控参数的测量值，e=xr-x是温度偏差。 ()pprpuKxxK eu 比例控制规律输入/输出曲线图e0比例放大倍数的定义是： maxminmaxminpuuuKxxx三、比例控制规律公式中u为放大器输出信号，x为变送器输入信号。当控制器的输入/输出为标准

49、信号时，公式变为： 工程上常常采用比例度来表示比例放大倍数，比例度的定义为： puKxmaxminmaxmin100%xxxuuu当控制器的输入/输出为标准信号时，公式变为： 1100%100%pxuK三、比例控制规律冷水热水蒸汽TTC温度给定图31-6 蒸汽加热水槽三、比例控制规律假定某一时刻冷水流量增加，加热槽内水温下降，控制器TC感受到这个变化之后，与温度给定比较，产生一个负偏差。控制器的输出使得蒸汽控制阀开大，流入蒸汽量增加，带入的热量增加，使得加热槽内的温度上升。温度降低的越多，偏离温度设定越多，控制器输出使得蒸汽控制阀开的越大。同样道理，冷水流量减小，加热槽内水温上升，控制器TC感

50、受到这个变化之后，与温度给定比较，产生一个正偏差。控制器的输出使得蒸汽控制阀关小，流入蒸汽量减小，带入的热量减小，使得加热槽内的温度下降。 三、比例控制规律比例控制规律是一个有余差控制规律，即用纯比例控制器构成控制系统对被控参数进行控制时，系统受到扰动，被控参数重新稳定之后，被控参数是不能回到原来的给定数值上。这是因为当系统受到扰动，被控对象的工作负荷发生改变，系统需要一个新的控制参数数值来维持这个新的工作负荷，而这个新的控制参数数值是要一定的偏差来维持的。假定系统稳定时的控制器输出为u0，则有： 当系统工作负荷发生改变，新的控制参数所需要的新控制器输出为u1，则有： 显然u0不等于u1。 0