過程控制技術

1、過程裝備控制技術 一、過程控制系統(tǒng)的基本概念一、過程控制系統(tǒng)的基本概念 二、檢測技術二、檢測技術 三、單回路控制系統(tǒng)設計三、單回路控制系統(tǒng)設計 四、復雜控制系統(tǒng)四、復雜控制系統(tǒng) 五、典型單元操作的控制五、典型單元操作的控制 六、六、DCSDCS控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) “過程過程”事物發(fā)展所經過的程序；階段。事物發(fā)展所經過的程序；階段。 “過程過程”也是將輸入轉化為輸出的系統(tǒng)。也是將輸入轉化為輸出的系統(tǒng)。 被控變量被控變量：被控過程內要求保持：被控過程內要求保持設定數值設定數值的工藝參數。的工藝參數。 被控對象被控對象：在自動控制系統(tǒng)中，工藝變量需要控制的生產設備或機器。：在自動控制系統(tǒng)中，工藝變量需

2、要控制的生產設備或機器。 被控對象的特性被控對象的特性：當被控對象的輸入發(fā)生變化時，其輸出變量隨時間：當被控對象的輸入發(fā)生變化時，其輸出變量隨時間 的變化規(guī)律。的變化規(guī)律。 緒論緒論 第一章第一章 自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念 第一節(jié)第一節(jié) 化工自動化的主要內容化工自動化的主要內容 生產過程自動化所包含的內容：生產過程自動化所包含的內容： l 自動檢測系統(tǒng)自動檢測系統(tǒng) l 信號聯鎖系統(tǒng)信號聯鎖系統(tǒng) l 自動操縱系統(tǒng)自動操縱系統(tǒng) l 自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng) 1.1.自動檢測系統(tǒng)自動檢測系統(tǒng) 利用各種儀表對主要工藝參數進行利用各種儀表對主要工藝參數進行測量測量、指示指示或或記錄記

3、錄的的 系統(tǒng)，稱為自動檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)，稱為自動檢測系統(tǒng)。 2.2.信號聯鎖系統(tǒng)信號聯鎖系統(tǒng) 3.3.自動操縱系統(tǒng)自動操縱系統(tǒng) 4.4.自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng) 信號聯鎖系統(tǒng)是一種安全裝置。信號聯鎖系統(tǒng)是一種安全裝置。 是一種根據預先規(guī)定的是一種根據預先規(guī)定的程序程序，自動地對生產設，自動地對生產設 備進行某種周期性操作。備進行某種周期性操作。 是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的 設備或裝置，使機器、設備或生產過程的某個工作設備或裝置，使機器、設備或生產過程的某個工作 狀態(tài)或參數自動地按照預定的狀態(tài)或參數自動地按照預定的規(guī)律規(guī)律運行。運行。 第二節(jié)第

4、二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的基本組成及表現形式自動控制系統(tǒng)的基本組成及表現形式 一、自動控制系統(tǒng)的基本組成一、自動控制系統(tǒng)的基本組成 液位控制器液位檢測變送器 執(zhí)行閥 流程圖（原理圖）流程圖（原理圖） 方框圖（結構圖）方框圖（結構圖） 名詞術語：名詞術語： 1) 1) 被控變量被控變量y(t)y(t)：被控過程內要求保持設定數值的工藝參數。：被控過程內要求保持設定數值的工藝參數。 2) 2) 操縱變量操縱變量q(t)q(t)：受控制器操縱，用以克服擾動量的影響，使：受控制器操縱，用以克服擾動量的影響，使 被控變量保持設定值的物料量或能量。被控變量保持設定值的物料量或能量。 3) 3) 擾動量擾動量f(

5、t) :f(t) :除控制參數外，作用于被控過程并引起被控除控制參數外，作用于被控過程并引起被控變變 量量變化的各種因素。變化的各種因素。 4) 4) 給定值給定值r(t)r(t)：被控變量的設定值。：被控變量的設定值。 5) 5) 測量值測量值z(t)z(t)：被控變量經測量變送環(huán)節(jié)實際測量的值。：被控變量經測量變送環(huán)節(jié)實際測量的值。 6) 6) 偏差偏差e(f)e(f)：被控變量的設定值與當前實際值之差。：被控變量的設定值與當前實際值之差。 7) 7) 控制信號控制信號u(t)u(t)：控制器的輸出量。：控制器的輸出量。 二、自動控制系統(tǒng)的表現形式二、自動控制系統(tǒng)的表現形式 1.1.方框圖

6、（結構圖）方框圖（結構圖） 基本單元基本單元 l 信號線信號線 l 引出點（測量點）引出點（測量點） l 比較點比較點 l 方框（環(huán)節(jié)）方框（環(huán)節(jié)） 二、流程圖（原理圖）二、流程圖（原理圖） 1、圖形符號、圖形符號 測量點（取樣點）測量點（取樣點） 連接線連接線 儀表（包括檢測、顯示、控制）圖形符號儀表（包括檢測、顯示、控制）圖形符號 按按系統(tǒng)克服干擾的方法劃分系統(tǒng)克服干擾的方法劃分和和系統(tǒng)給定值系統(tǒng)給定值的不同，的不同， 過程控制系統(tǒng)有如下不同的分類方法。過程控制系統(tǒng)有如下不同的分類方法。 1 1按系統(tǒng)克服干擾的方法劃分按系統(tǒng)克服干擾的方法劃分 (1)(1)反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng) 反饋是過

7、程控制的核心內容，只有通過反饋才能實現反饋是過程控制的核心內容，只有通過反饋才能實現 對被控參數的閉環(huán)控制，所以這類系統(tǒng)是過程控制中使對被控參數的閉環(huán)控制，所以這類系統(tǒng)是過程控制中使 用最為普遍的。用最為普遍的。 反饋控制是根據系統(tǒng)被控參數與給定值的偏差進行反饋控制是根據系統(tǒng)被控參數與給定值的偏差進行 工作的，偏差是控制的依據，最后目的是減小或消除偏工作的，偏差是控制的依據，最后目的是減小或消除偏 差。反饋信號也可能有多個，從而可以構成串級等多回差。反饋信號也可能有多個，從而可以構成串級等多回 路控制系統(tǒng)。路控制系統(tǒng)。 第三節(jié)第三節(jié) 自動控制系統(tǒng)分類自動控制系統(tǒng)分類 (2)(2)前饋控制系統(tǒng)前

8、饋控制系統(tǒng) 前饋控制系統(tǒng)是根據擾動量的大小進行工作的，擾動是前饋控制系統(tǒng)是根據擾動量的大小進行工作的，擾動是 控制的依據，屬于開環(huán)控制。控制的依據，屬于開環(huán)控制。 (3)(3)前饋一反饋復合控制系統(tǒng)前饋一反饋復合控制系統(tǒng) 為了充分發(fā)揮前饋和反饋的各自優(yōu)勢，可將兩者為了充分發(fā)揮前饋和反饋的各自優(yōu)勢，可將兩者 結合起來，構成前饋一反饋復合控制系統(tǒng)。結合起來，構成前饋一反饋復合控制系統(tǒng)。 2 2按給定值信號特點劃分按給定值信號特點劃分 (1)(1)定值控制系統(tǒng)定值控制系統(tǒng) 在運行時，系統(tǒng)被控參數在運行時，系統(tǒng)被控參數( (如溫度、壓力、流量、物位、如溫度、壓力、流量、物位、 成分等成分等) )的給定

9、值是固定不變的，有時只允許在規(guī)定的小范的給定值是固定不變的，有時只允許在規(guī)定的小范 圍內變化。定值控制系統(tǒng)是工業(yè)生產過程中應用最多的一圍內變化。定值控制系統(tǒng)是工業(yè)生產過程中應用最多的一 種過程控制系統(tǒng)。種過程控制系統(tǒng)。 (2)(2)隨動控制系統(tǒng)隨動控制系統(tǒng) 隨動控制系統(tǒng)是指被控參數的給定值隨時間任意變化隨動控制系統(tǒng)是指被控參數的給定值隨時間任意變化 的控制系統(tǒng)。的控制系統(tǒng)。 (3)(3)程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng) 程序控制系統(tǒng)的給定值也是一個不斷變化的信號，但程序控制系統(tǒng)的給定值也是一個不斷變化的信號，但 這種變化是一個已知的時間函數，即給定值按一定的時間這種變化是一個已知的時間函數，即給定值按

10、一定的時間 程序變化。程序變化。 第四節(jié)第四節(jié) 自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質 一、一、 控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài) 控制系統(tǒng)性能的評價指標概括如下：控制系統(tǒng)性能的評價指標概括如下： 1)1)系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的。系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的。 2)2)系統(tǒng)應能提供盡可能好的穩(wěn)態(tài)調節(jié)系統(tǒng)應能提供盡可能好的穩(wěn)態(tài)調節(jié)( (靜態(tài)指標靜態(tài)指標) )。 3)3)系統(tǒng)應能提供盡可能好的過渡過程系統(tǒng)應能提供盡可能好的過渡過程( (動態(tài)指標動態(tài)指標) )。 穩(wěn)定是系統(tǒng)性能中最重要、最根本的指標，只有在系穩(wěn)定是系統(tǒng)性能中最重要、最根本的指標，只有在系 統(tǒng)是穩(wěn)定的前提下，才能討論靜態(tài)和動態(tài)

11、指標?？刂葡到y(tǒng)統(tǒng)是穩(wěn)定的前提下，才能討論靜態(tài)和動態(tài)指標。控制系統(tǒng) 性能指標應根據生產工藝過程的實際需要來確定，特別需性能指標應根據生產工藝過程的實際需要來確定，特別需 要注意的是，不能不切實際地提出過高的控制性能指標。要注意的是，不能不切實際地提出過高的控制性能指標。 過程控制系統(tǒng)通常采用過程控制系統(tǒng)通常采用系統(tǒng)階躍響應性能指標系統(tǒng)階躍響應性能指標和和偏差偏差 積分性能指標積分性能指標。后者在采用計算機仿真或分析時采用。后者在采用計算機仿真或分析時采用。 二、過程控制系統(tǒng)的性能指標二、過程控制系統(tǒng)的性能指標 過渡過程過渡過程：從一個穩(wěn)態(tài)到達另一個穩(wěn)態(tài)的歷程。：從一個穩(wěn)態(tài)到達另一個穩(wěn)態(tài)的歷程。

12、在階躍擾動作用下，控制系統(tǒng)過渡過程曲線有以下幾在階躍擾動作用下，控制系統(tǒng)過渡過程曲線有以下幾 種典型形式：種典型形式：發(fā)散振蕩過程、非振蕩發(fā)散過程、等幅振蕩發(fā)散振蕩過程、非振蕩發(fā)散過程、等幅振蕩 過程、衰減振蕩過程和非振蕩衰減過程。過程、衰減振蕩過程和非振蕩衰減過程。 階躍擾動作用下控制系統(tǒng)過渡過程曲線：階躍擾動作用下控制系統(tǒng)過渡過程曲線： (a)(a)發(fā)散振蕩過程發(fā)散振蕩過程(b)(b)非振蕩發(fā)散過程非振蕩發(fā)散過程(c)(c)等幅振蕩過程等幅振蕩過程 d)d)衰減振蕩過程衰減振蕩過程 (e)(e)非振蕩衰減過程非振蕩衰減過程 (1) (1)穩(wěn)態(tài)誤差（余差）穩(wěn)態(tài)誤差（余差）e ess ss 穩(wěn)

13、態(tài)誤差是指系統(tǒng)過渡過程終了時給定值與被控參數穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)過渡過程終了時給定值與被控參數 穩(wěn)態(tài)值之差，它是反映控制精度的一個穩(wěn)態(tài)指標。穩(wěn)態(tài)值之差，它是反映控制精度的一個穩(wěn)態(tài)指標。 一般要求穩(wěn)態(tài)誤差不超過預定值，最理想是等于零。一般要求穩(wěn)態(tài)誤差不超過預定值，最理想是等于零。 ryess)( 1 1階躍響應性能指標階躍響應性能指標 (2)(2)衰減比衰減比 衰減比是衡量系統(tǒng)過渡過程穩(wěn)衰減比是衡量系統(tǒng)過渡過程穩(wěn) 定性的一個動態(tài)性能指標。定性的一個動態(tài)性能指標。 可定義為可定義為: : 2 1 B B n 為了保持系統(tǒng)足夠的穩(wěn)定程度，一般取衰減比為為了保持系統(tǒng)足夠的穩(wěn)定程度，一般取衰減比為4 4：1

14、 1 1010：1 1。其中。其中4 4：1 1衰減比常作為評價過渡過程動態(tài)性能的一衰減比常作為評價過渡過程動態(tài)性能的一 個理想指標。個理想指標。 衰減率衰減率 1 21 B BB 衰減率一般取衰減率一般取0.750.750.90.9 對于定值系統(tǒng)來說，對于定值系統(tǒng)來說，最大偏差最大偏差是指被控參數第一個波是指被控參數第一個波 峰值與給定值之差。峰值與給定值之差。 對隨動系統(tǒng)通常采用對隨動系統(tǒng)通常采用超調量超調量指標：指標： rtyA p )( (3)(3)最大偏差（超調量）最大偏差（超調量） %100 )( )()( y yty p (4) (4)過渡過程時間（回復時間）過渡過程時間（回復時

15、間）t ts s。 過渡過程時間是指系統(tǒng)從受擾動作用時起，直到被過渡過程時間是指系統(tǒng)從受擾動作用時起，直到被 控參數進入新的穩(wěn)定值士控參數進入新的穩(wěn)定值士5 5( (或或2 2) )范圍內所經歷的范圍內所經歷的 時間。它是反映系統(tǒng)快速性能的指標，通常要求以愈短時間。它是反映系統(tǒng)快速性能的指標，通常要求以愈短 愈好。愈好。 例例: : 階躍響應性能指標。階躍響應性能指標。 某發(fā)酵過程工藝規(guī)定操作溫度為某發(fā)酵過程工藝規(guī)定操作溫度為404022。現設計?，F設計 一定值控制系統(tǒng)，在階躍擾動作用下的過渡過程曲線一定值控制系統(tǒng)，在階躍擾動作用下的過渡過程曲線 如下圖所示。試確定該系統(tǒng)的如下圖所示。試確定該

16、系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差、衰減比衰減比、超超 調量調量、振蕩周期振蕩周期和和過渡過程時間過渡過程時間。 基本概念基本概念 被控對象的數學模型被控對象的數學模型是指過程在各輸人量（包括控是指過程在各輸人量（包括控 制量與攏動量）作用下，其相應輸出量（被控變量）變制量與攏動量）作用下，其相應輸出量（被控變量）變 化函數關系的數學表達式?；瘮店P系的數學表達式。 過程的數學模型有兩種：過程的數學模型有兩種： 一是一是參數模型參數模型用數學方程式或函數來表示。用數學方程式或函數來表示。 二是二是非參數模型非參數模型用曲線或表格來表示。用曲線或表格來表示。 機理建模是根據過程的內部機理（運動規(guī)律），運用一

17、些機理建模是根據過程的內部機理（運動規(guī)律），運用一些已知已知 的定律、原理的定律、原理，如生物學定律、化學動力學原理、物料平衡方程、，如生物學定律、化學動力學原理、物料平衡方程、 能量平衡方程、傳熱傳質原理等，能量平衡方程、傳熱傳質原理等，建立過程的數學模型建立過程的數學模型。 一、機理分析法建模（理論建模）一、機理分析法建模（理論建模） （一）有自衡過程的數學模型（一）有自衡過程的數學模型 第二節(jié)第二節(jié) 對象數學模型的建立對象數學模型的建立 物料平衡關系：物料平衡關系： 0 dt dV dt dh A dt dV QQ 21 (1)(1)靜態(tài)平衡時靜態(tài)平衡時 討論：討論： (2)(2)非靜態(tài)

18、平衡時非靜態(tài)平衡時 s R h Q 2 21 QQ 當當q q1 1發(fā)生微小的變化時發(fā)生微小的變化時: : 其中其中R Rs s為閥門為閥門2 2的阻力，也稱為閥阻力系數的阻力，也稱為閥阻力系數 h h不變不變 dt dh A dt dV QQ 21 s R h Q 2 將將代入代入 dt dh A R h Q s 1 得：得： h dt dh ARRQ ss 1 整理：整理： 令：令： s RK s ART h dt dh TKQ 1得：得： )()( 1 SHsTsHsKQ 上式進行拉氏變換得：上式進行拉氏變換得： 傳遞函數為：傳遞函數為： 1)( )( 1 Ts K sQ sH h dt

19、 dh TKQ 1 傳遞函數定義傳遞函數定義：零初始條件下，系統(tǒng)輸出量的拉氏變換與輸入量的：零初始條件下，系統(tǒng)輸出量的拉氏變換與輸入量的 拉氏變換之比。拉氏變換之比。 傳遞函數作用傳遞函數作用：表征系統(tǒng)的動態(tài)性能，而且可以用來研究系統(tǒng)的結構：表征系統(tǒng)的動態(tài)性能，而且可以用來研究系統(tǒng)的結構 或參數的變化對系統(tǒng)性能的影響?；騾档淖兓瘜ο到y(tǒng)性能的影響。 傳遞函數應用傳遞函數應用：控制理論中的頻率法和根軌跡法。：控制理論中的頻率法和根軌跡法。 （無相互影響） dt dh AQQ 1 1121 dt dh AQQ 2 2212 得：得： dt dh A dt dh AQQ 2 2 1 121 將：將：

20、 1 1 12 R h Q 2 2 2 R h Q 將：將： （1 1） （2 2） （3 3） 代入（代入（2 2）式）式 dt dh A R h R h 2 2 2 2 1 1 求微分：求微分： dt dh R R dt hd RA dt dh 2 2 12 2 12 1 和和 2 2 2 R h Q dt dh R R dt hd RA dt dh 2 2 12 2 12 1 整理得：整理得： 122 2 2211 2 2 2211 )(QRh dt dh RARA dt hd RARA 代入（代入（3 3）式）式 1)()( )( 21 2 211 2 sTTsTT K sQ sH 1

21、22 2 2211 2 2 2211 )(QRh dt dh RARA dt hd RARA 12 2 21 2 2 21 )(KQh dt dh TT dt hd TT （二）無自衡過程的數學模型（二）無自衡過程的數學模型 1.1.無自衡單容過程的數學模型無自衡單容過程的數學模型 dt dh AQ 1 0 2 Q AssQ sH1 )( )( 1 2.2.無自衡雙容過程的數學模型無自衡雙容過程的數學模型 ) 1( 1 )( )( 1 2 TssTsQ sH a 2 ATa 21R AT 二、二、非參數模型非參數模型 1 1、階躍響應曲線法、階躍響應曲線法 2 2、矩陣脈沖法、矩陣脈沖法 第三

22、節(jié)第三節(jié) 被控對象的特性參數被控對象的特性參數 一、放大系數一、放大系數K K 被控對象的特性參數：被控對象的特性參數：放大系數放大系數K K、時間常數、時間常數T T、滯后時間、滯后時間 被控對象的特性：被控對象的特性：當被控對象的輸入變量發(fā)生變化時，其當被控對象的輸入變量發(fā)生變化時，其 輸出變量隨時間的變化規(guī)律（包括變化的大小和速度）。輸出變量隨時間的變化規(guī)律（包括變化的大小和速度）。 是指被控對象重新達到平衡狀態(tài)時的輸出變化量與是指被控對象重新達到平衡狀態(tài)時的輸出變化量與 輸入變化量輸入變化量之比之比。它是靜態(tài)參數；。它是靜態(tài)參數； 1 Q h K 1 QKh或或 二、時間常數二、時間常

23、數T T h dt dh TKQ 1 解上式得：解上式得： )1 ()( T t eKAth 表示被控對象受到輸入作用后，輸出變量達到新表示被控對象受到輸入作用后，輸出變量達到新 穩(wěn)態(tài)值的快慢；它是動態(tài)特性參數；穩(wěn)態(tài)值的快慢；它是動態(tài)特性參數； 把把t=Tt=T代入上式得：代入上式得： hKAth632. 0632. 0)( 二、二、滯后時間滯后時間 滯后現象滯后現象：當輸入發(fā)生變化后，其被控變量并不立即發(fā)：當輸入發(fā)生變化后，其被控變量并不立即發(fā) 生變化，而是過一段時間才發(fā)生變化。生變化，而是過一段時間才發(fā)生變化。 根據滯后的性質不同分為：傳遞滯后和容量滯后根據滯后的性質不同分為：傳遞滯后和容

24、量滯后 1.1.傳遞滯后傳遞滯后 0 )()( )( tKxty dt tdy T 對于一階對象對于一階對象 2.2.容量滯后容量滯后 h 容量滯后主要特征：當輸入階躍作用后，被控對象的輸出容量滯后主要特征：當輸入階躍作用后，被控對象的輸出 變量開始變化很慢，然后逐漸加快，變量開始變化很慢，然后逐漸加快， 接著又變慢，直至逐漸接近穩(wěn)定值。接著又變慢，直至逐漸接近穩(wěn)定值。 第三章第三章 檢測儀表與傳感器檢測儀表與傳感器 一、檢測儀表組成一、檢測儀表組成 過程檢測儀表主要用于確定被控變量的當前值。包括過程檢測儀表主要用于確定被控變量的當前值。包括 傳感器和變送器兩部分。傳感器和變送器兩部分。 1

25、1傳感器傳感器 傳感器是檢測儀表中的重要部件，它直接與被控對象傳感器是檢測儀表中的重要部件，它直接與被控對象 發(fā)生關聯，感受被控參數的變化，并傳送出與之相適應的發(fā)生關聯，感受被控參數的變化，并傳送出與之相適應的 電量或非電量信號。電量或非電量信號。 工程上通常也把這個過程稱為工程上通常也把這個過程稱為一次測量一次測量，所用儀表稱，所用儀表稱 為為一次儀表一次儀表。 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 2 2變送器變送器 將傳感器送來的檢測信號進行將傳感器送來的檢測信號進行轉換、放大、整形、濾波轉換、放大、整形、濾波 等處理后，調制成相應的等處理后，調制成相應的標準信號標準信號，并輸出給，并輸出給控制器采樣

26、控制器采樣或或 進行進行模擬、數字顯示模擬、數字顯示，這部分電路稱之為，這部分電路稱之為變送電路變送電路。 標準信號是物理量的形式和數值范圍都符合國際標準的標準信號是物理量的形式和數值范圍都符合國際標準的 信號，如直流電流信號，如直流電流4 420mA20mA，空氣壓力，空氣壓力2020100kPa100kPa都是當前都是當前 通用的標準信號。其中直流電流通用的標準信號。其中直流電流4 420mA20mA可用于遠距離可用于遠距離3 3 5km5km的傳輸。如果僅用于電氣控制柜內短距離傳輸，也可的傳輸。如果僅用于電氣控制柜內短距離傳輸，也可 采用直流采用直流1 15V5V(DC)(DC)形式。形

27、式。 工程上習慣將傳感器后面的計量顯示儀表稱為工程上習慣將傳感器后面的計量顯示儀表稱為二次儀表二次儀表， 有時也將傳感器和變送電路統(tǒng)稱為有時也將傳感器和變送電路統(tǒng)稱為變送器變送器。 二、測量誤差及處理二、測量誤差及處理 測量的最終目的是為了求得被測變量的真實值。測測量的最終目的是為了求得被測變量的真實值。測 量值與真實值之間總是存在著一定的差別，這個差別就量值與真實值之間總是存在著一定的差別，這個差別就 是是測量誤差測量誤差。 一、測量誤差的基本概念一、測量誤差的基本概念 1 1真值真值 被測變量本身所具有的真實值，稱為被測變量本身所具有的真實值，稱為真值真值，它是一，它是一 個理想的概念，一

28、般是無法得到的。所以在計算誤差時，個理想的概念，一般是無法得到的。所以在計算誤差時， 一般用約定真值來代替。一般用約定真值來代替。 約定真值約定真值是一個接近真值的值，它與真值之差可忽是一個接近真值的值，它與真值之差可忽 略不計。實際測量中以在沒有系統(tǒng)誤差的情況下，足夠略不計。實際測量中以在沒有系統(tǒng)誤差的情況下，足夠 多次的測量值的平均值作為約定真值。多次的測量值的平均值作為約定真值。 絕對誤差絕對誤差是指儀表輸出信號所代表的被測值與被測是指儀表輸出信號所代表的被測值與被測 參數真值之差。顯然，絕對誤差只能是被測值與約定真參數真值之差。顯然，絕對誤差只能是被測值與約定真 值之差。值之差。 =M

29、-A=M-A 式中式中為絕對誤差為絕對誤差；M M為被測值為被測值；A A為約定真值為約定真值。 儀表絕對誤差的求法是用精確度高的標準儀表和實儀表絕對誤差的求法是用精確度高的標準儀表和實 用測量儀表，在相同的條件下，對同一參數進行測量，用測量儀表，在相同的條件下，對同一參數進行測量， 然后進行數據比較，這項工作就叫做儀表的校驗。工業(yè)然后進行數據比較，這項工作就叫做儀表的校驗。工業(yè) 用儀表要定期進行校驗，校驗合格后才能投入使用。用儀表要定期進行校驗，校驗合格后才能投入使用。 絕對誤差與約定真值的百分比，定義為儀表的絕對誤差與約定真值的百分比，定義為儀表的相對相對 誤差誤差，即，即 %100 A

30、2. 2. 絕對誤差和相對誤差絕對誤差和相對誤差 3. 3. 引用誤差引用誤差 絕對誤差與儀表量程的百分比，稱為儀表的引用誤差，絕對誤差與儀表量程的百分比，稱為儀表的引用誤差， 即即 式中以為儀表引用誤差；式中以為儀表引用誤差；為儀表的絕對誤差；為儀表的絕對誤差；X X為儀為儀 表的量程，即儀表測量范圍的上限值與下限值之差。表的量程，即儀表測量范圍的上限值與下限值之差。 例例 2 21 1誤差的計算。誤差的計算。 某壓力表刻度某壓力表刻度O O100kPa100kPa，在，在50kPa50kPa處計量檢定值為處計量檢定值為 49495kPa5kPa，求在，求在50kPa50kPa處儀表的絕對誤

31、差、相對誤差和引用處儀表的絕對誤差、相對誤差和引用 誤差。誤差。 %100 X %5 . 0%100 100 5 . 0 解：儀表的絕對誤差解：儀表的絕對誤差=50-49.5=0.5kPa=50-49.5=0.5kPa 儀表的相對誤差儀表的相對誤差 儀表的引用誤差儀表的引用誤差 %1%100 5 .49 5 .0 4 4精度等級精度等級 儀表的精度等級是衡量儀表準確程度的一個品質指標。儀表的精度等級是衡量儀表準確程度的一個品質指標。 常用引用誤差作為判斷精度等級的尺度。常用引用誤差作為判斷精度等級的尺度。 精度等級又稱精度等級又稱準確度級準確度級，是按國家統(tǒng)一規(guī)定的允許誤，是按國家統(tǒng)一規(guī)定的允

32、許誤 差大小劃分成的等級。我國生產的儀表，其精度等級有：差大小劃分成的等級。我國生產的儀表，其精度等級有： O.001O.001、O.005O.005、O.02O.02、O.05O.05、O.1O.1、O.2O.2、O.4O.4、O.5O.5、1.O1.O、 1.51.5、2.52.5、4.O4.O等。級數越小，精度等。級數越小，精度( (準確度準確度) )就越高。就越高。 通常，科學實驗用的儀表精度等級在通常，科學實驗用的儀表精度等級在O.05O.05級級以上；工以上；工 業(yè)檢測用儀表多在業(yè)檢測用儀表多在O.1O.14.04.0級級，其中校驗用的標準儀表多，其中校驗用的標準儀表多 為為0.1

33、0.1或或O.2O.2級級，現場使用多為，現場使用多為O.5O.54.O4.O級級。 三、工業(yè)儀表的分類三、工業(yè)儀表的分類 1 1、按儀表使用的能源分類、按儀表使用的能源分類 氣動儀表、電動儀表、液動儀表，氣動儀表、電動儀表、液動儀表， 2 2、按信息獲得、傳遞、反應和處理分類、按信息獲得、傳遞、反應和處理分類 檢測儀表檢測儀表 顯示儀表顯示儀表 集中控制裝置集中控制裝置 控制儀表控制儀表 執(zhí)行器執(zhí)行器 3 3、按儀表的組成形式分類、按儀表的組成形式分類 基地式儀表、單元組合儀表基地式儀表、單元組合儀表 四、測量信號的處理四、測量信號的處理 這包括對測量信號進行這包括對測量信號進行線性化處理和

34、濾波處理線性化處理和濾波處理等。等。 例如，對例如，對差壓流量信號差壓流量信號進行開平方處理，對進行開平方處理，對熱電偶信號熱電偶信號 進行折線化處理進行折線化處理等實現測量信號的線性化。等實現測量信號的線性化。 而關于測量信號的濾波，可以采用而關于測量信號的濾波，可以采用模擬電路模擬電路，如由運算，如由運算 放大器構成的放大器構成的低通、高通、帶通或帶阻濾波電路低通、高通、帶通或帶阻濾波電路，也可以采，也可以采 用計算機構成的用計算機構成的軟件濾波算法來消除噪聲軟件濾波算法來消除噪聲( (干擾干擾) )。 數字濾波數字濾波是一種程序濾波，即利用計算機自身能夠進行是一種程序濾波，即利用計算機自

35、身能夠進行 運算與判斷的特點，通過計算機軟件濾去干擾信號，以提高運算與判斷的特點，通過計算機軟件濾去干擾信號，以提高 信號的真實性。采用數字濾波可以消除低頻干擾。信號的真實性。采用數字濾波可以消除低頻干擾。 一般常用的數字濾波方法有一般常用的數字濾波方法有4 4種：種：算術平均值濾波算術平均值濾波、程程 序判斷濾波序判斷濾波、中位值法濾波中位值法濾波。 (1)(1)算術平均值濾波算術平均值濾波 算術平均值濾波又稱為遞推平均濾波，它對算術平均值濾波又稱為遞推平均濾波，它對周期性周期性等等 幅振蕩的干擾有較明顯的濾波效果。其公式為幅振蕩的干擾有較明顯的濾波效果。其公式為 式中式中 為為n n次采樣

36、的平均值，即濾波器的輸出；次采樣的平均值，即濾波器的輸出；X Xi i為第為第 i i次的采樣值，即濾波器的輸入；次的采樣值，即濾波器的輸入；n n為采樣次數。為采樣次數。 (2)(2)程序判斷濾波程序判斷濾波 當當 時，則時，則X Xi i為輸入計算機的采樣值；當為輸入計算機的采樣值；當 時，則將時，則將X Xi-1 i-1采樣值作為第 采樣值作為第i i次采樣值輸入計算機。次采樣值輸入計算機。 式中式中X Xi-1 i-1為上次采樣值； 為上次采樣值；X Xi i為本次采樣值；為本次采樣值；B B為閾值，為閾值， B B值的選擇主要決定于對象被測參數的變化速度。值的選擇主要決定于對象被測參

37、數的變化速度。 程序判斷濾波可以有效濾除現場的隨機干擾程序判斷濾波可以有效濾除現場的隨機干擾。 BXX ii 1 n i i x n Y 1 1 BXX ii 1 Y (3) (3)中值法濾波中值法濾波 連續(xù)采樣三次以上的值，從中選擇大小居中的那個值連續(xù)采樣三次以上的值，從中選擇大小居中的那個值 作為有效的測量信號，對某些變化速度不是太快的參數，作為有效的測量信號，對某些變化速度不是太快的參數， 為了去掉干擾脈沖，經常采用這種濾波方法。為了去掉干擾脈沖，經常采用這種濾波方法。 第二節(jié)第二節(jié) 溫度檢測溫度檢測 一、熱電偶一、熱電偶 熱電偶：熱電偶：利用兩種不同的金屬連接在一起，當節(jié)點處溫度變利用

38、兩種不同的金屬連接在一起，當節(jié)點處溫度變 化時，應用其兩端產生電勢變化的原理而制成的傳感器。化時，應用其兩端產生電勢變化的原理而制成的傳感器。 熱電極熱電極 測量端測量端 參考端參考端 二、熱電偶測溫的工作原理二、熱電偶測溫的工作原理 1 1、熱電效應：、熱電效應：將兩種不同的金屬組成閉合回路，且使兩接將兩種不同的金屬組成閉合回路，且使兩接 觸點溫度不同，回路中會產生電流，表明回路中有電勢產生，觸點溫度不同，回路中會產生電流，表明回路中有電勢產生， 這種物理現象稱為這種物理現象稱為熱電效應熱電效應或塞貝克效應。或塞貝克效應。 回路中的總電勢包括：回路中的總電勢包括： 接觸電勢接觸電勢珀爾貼珀爾

39、貼(Peltier)(Peltier)電勢電勢 溫差電勢溫差電勢湯姆遜湯姆遜(Thomson)(Thomson)電勢電勢 珀爾貼電勢珀爾貼電勢接觸電勢接觸電勢 自由電子自由電子密度不同密度不同的兩種金屬接觸，在接觸點處由于的兩種金屬接觸，在接觸點處由于 電子的電子的擴散擴散現象形成現象形成接觸（珀爾貼接觸（珀爾貼Peltier Peltier ）電勢）電勢，此現，此現 象稱為象稱為珀爾貼效應珀爾貼效應。 接觸電勢為：接觸電勢為： BT AT AB n n e kT TEln)( 0 0 ln)( 0 0 BT AT AB n n e kT TE 總接觸電勢：總接觸電勢： 0 0 lnln)()

40、( 0 0 BT AT BT AT ABAB n n e kT n n e kT TETE )(TEAB )( 0 TEAB 其中其中e e為電子的電量為電子的電量,K,K為波爾茲曼常數為波爾茲曼常數,n,nAT AT、 、 n nBT BT為 為T T端端A A、B B金屬的自由電子的密度。金屬的自由電子的密度。 湯姆遜電勢湯姆遜電勢溫差電勢溫差電勢 均質導體兩端均質導體兩端溫度不相等溫度不相等時，由于導體內自由電子從高時，由于導體內自由電子從高 溫端向低溫端的溫端向低溫端的擴散擴散，在其兩端形成的電勢稱為，在其兩端形成的電勢稱為溫差（湯姆溫差（湯姆 遜遜ThomsonThomson）電勢）

41、電勢，此現象稱為，此現象稱為湯姆遜效應湯姆遜效應。 T T AA dTTTE 0 ),( 0 導體導體A A中的中的湯姆遜電勢湯姆遜電勢： 式中，式中， A A為導體為導體A A中的中的湯姆遜系數湯姆遜系數。 ),( 0 TTEA )(TEAB ),( 0 TTEA),( 0 TTEB )( 0 TEAB T T AA dTTTE 0 ),( 0 T T BB dTTTE 0 ),( 0 導體導體A A、B B中的中的湯姆遜電勢湯姆遜電勢： 總電勢：總電勢： 接觸電勢接觸電勢( (珀爾貼電勢珀爾貼電勢) )： BT AT AB n n e kT TEln)( 0 0 ln)( 0 0 BT A

42、T AB n n e kT TE dT n n e kT n n e kT TTETETTETETTE T T AB BT AT BT AT AABBABAB 0 0 0 )(lnln ),()(),()()( 0 0000 ， )()( )(ln)(ln )()(lnln )()(lnln )(lnln )()()()( 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 TETE dT n n e kT dT n n e kT dTdT n n e kT n n e kT dTdT n n e kT n n e kT dT n n e kT

43、n n e kT dTTETETTE ABAB T AB BT AT T AB BT AT T AB T AB BT AT BT AT T AB T AB BT AT BT AT T T AB BT AT BT AT T T ABABABAB ， 當當TT0TT0時，總的熱電勢為：時，總的熱電勢為： 稱為冷端電勢 稱為熱端電勢 )( )( 0 TE TE AB AB 1.1.均質導體定律均質導體定律 兩種均質金屬組成的熱電偶，其熱電勢大小與熱電極兩種均質金屬組成的熱電偶，其熱電勢大小與熱電極直直 徑徑、長度長度及熱電極及熱電極長度上的溫度長度上的溫度分布無關，只與熱電極材料分布無關，只與熱電極

44、材料 和兩端溫度有關。和兩端溫度有關。 如果材質不均勻，則當熱電極上各處溫度不同時，將產如果材質不均勻，則當熱電極上各處溫度不同時，將產 生附加熱電勢，造成無法估計的測量誤差，生附加熱電勢，造成無法估計的測量誤差， 三、三、 熱電偶的基本定律熱電偶的基本定律 2 2中間溫度定律中間溫度定律 熱電偶的接點溫度為熱電偶的接點溫度為T T、T T0 0時，時， 其熱電勢等于該熱電偶在接點溫度其熱電勢等于該熱電偶在接點溫度 為為T T、T Tn n。和。和T Tn n、T T0 0時相應的熱電勢時相應的熱電勢 的代數和的代數和, ,即即 這個定律可用于熱電偶的串聯，這個定律可用于熱電偶的串聯， 測量總

45、溫或平均溫度。測量總溫或平均溫度。 ),(),(),( 00 TTETTETTE nABnABAB 3 3中間導體定律中間導體定律 在熱電偶的參考端接人第三在熱電偶的參考端接人第三 種均質金屬種均質金屬, ,若被插入金屬兩端若被插入金屬兩端 溫度相同，則回路總熱電勢為三溫度相同，則回路總熱電勢為三 個接觸電勢與溫差電勢的代數和，個接觸電勢與溫差電勢的代數和， 表示為表示為 由此可見引入第三個導體由此可見引入第三個導體C C后，只要保持后，只要保持C C兩端溫度相等，兩端溫度相等， 不會影響回路中熱電勢的大小，即中間導體定律。不會影響回路中熱電勢的大小，即中間導體定律。 同樣可知若再插入第四種、

46、第五種同樣可知若再插入第四種、第五種均質導體，只要均質導體，只要 所插入的導體兩端溫度都與參考點相同，都不會影響原來熱所插入的導體兩端溫度都與參考點相同，都不會影響原來熱 電勢的大小。電勢的大小。 因此我們可以用銅線將毫伏表接入熱電偶回路。使銅線因此我們可以用銅線將毫伏表接入熱電偶回路。使銅線 兩接點溫度一致，就可對熱電勢進行測量。兩接點溫度一致，就可對熱電勢進行測量。 4. 4. 標準（參考）電極定律標準（參考）電極定律 如果兩種導體（如果兩種導體（A A，B B）分別與第三種）分別與第三種C C組合成熱電組合成熱電 偶的熱電勢已知，則由這兩種導體（偶的熱電勢已知，則由這兩種導體（A A，B

47、 B）組成熱電偶）組成熱電偶 的熱電勢也就已知。即的熱電勢也就已知。即 )()()( 000 TTETTETTE BCACAB ， 上式說明上式說明: : 兩種金屬組成熱電偶的熱電勢可以用它們分別與第兩種金屬組成熱電偶的熱電勢可以用它們分別與第 三種金屬組成熱電偶的熱電勢之差來表示，這一定律即三種金屬組成熱電偶的熱電勢之差來表示，這一定律即 為為標準電極定律標準電極定律。 工程上常以鉑、銅等作為標準電極，若已知多種金工程上常以鉑、銅等作為標準電極，若已知多種金 屬對標準電極的熱電勢，即可求出各種金屬間任意組成屬對標準電極的熱電勢，即可求出各種金屬間任意組成 熱電偶的熱電勢。熱電偶的熱電勢。 當

48、兩熱電極固定以后（即當兩熱電極固定以后（即n nA A、n nB B、 A A、 B B為常數）。為常數）。 熱電偶熱電偶測溫原理測溫原理 )(ln)(ln )()()()( 0 0 0 0 0 0 0 00 dT n n e kT dT n n e kT dTTETETTE T AB BT AT T AB BT AT T T ABABABAB ， 當當T T0 0保持不變時保持不變時 CTETETETTE ABABABAB )()()()( 00 ， 四、熱電偶的種類和結構四、熱電偶的種類和結構 1 1熱電極材料的基本要求熱電極材料的基本要求 熱電極是感溫元件，熱電極是感溫元件，基本要求：基

49、本要求： 熱電勢足夠大，測溫范圍寬、線性好；熱電勢足夠大，測溫范圍寬、線性好； 熱電特性穩(wěn)定；熱電特性穩(wěn)定； 性能穩(wěn)定，不易氧化、變形和腐蝕；性能穩(wěn)定，不易氧化、變形和腐蝕； 電阻溫度系數電阻溫度系數 、電阻率、電阻率??；小； 易加工、復制性好；易加工、復制性好； 價廉價廉 2 2 熱電偶的分類熱電偶的分類 熱電偶的分類及其性能，見下表。熱電偶的分類及其性能，見下表。 3. 3. 熱電偶的絕緣方法熱電偶的絕緣方法 熱電偶電極的絕緣方法熱電偶電極的絕緣方法 （a a）裸線熱電偶；（）裸線熱電偶；（b b）珠形絕緣熱電偶；）珠形絕緣熱電偶； （c c）雙孔絕緣子熱電偶；（）雙孔絕緣子熱電偶；（d

50、d）石棉絕緣管熱電偶）石棉絕緣管熱電偶 普通型熱電偶普通型熱電偶 普通型熱電偶結構見圖普通型熱電偶結構見圖 引線口 不銹鋼套管 接線盒 焊點 瓷絕緣套管 安裝固定件 普通型熱電偶結構普通型熱電偶結構 . .熱電偶結構熱電偶結構 5.熱電偶分度表熱電偶分度表 五、熱電偶的冷端補償及處理五、熱電偶的冷端補償及處理 熱偶標準分度表是以熱偶標準分度表是以T T0 000為參考溫度條件下測試制為參考溫度條件下測試制 定的，若定的，若T T0 000，則應進行，則應進行冷端補償冷端補償，其補償方法：，其補償方法： 1. 1. 補償導線補償導線 利用補償導線代替熱電極，引到溫度較穩(wěn)定的利用補償導線代替熱電極

51、，引到溫度較穩(wěn)定的T T0 0端測端測 試。要求：在一定的溫度范圍內，補償導線與配對的熱電試。要求：在一定的溫度范圍內，補償導線與配對的熱電 偶具有相同或相近的偶具有相同或相近的熱電特性熱電特性。 2.2.冰浴法冰浴法 將熱電偶冷端置于冰水混合物的將熱電偶冷端置于冰水混合物的00恒溫器內，使其工恒溫器內，使其工 作與分度狀態(tài)達到一致。作與分度狀態(tài)達到一致。 下圖是延長導線法和下圖是延長導線法和冰浴法冰浴法的一個實例。的一個實例。 圖圖5-95-9冷端處理的延長導線法和冰浴法冷端處理的延長導線法和冰浴法 3.3.冷端溫度校正法冷端溫度校正法 )0()()0( 00 ，tEtTETE ABABAB

52、 例如：鉑銠例如：鉑銠鉑熱電偶測溫，參考冷端溫度為室鉑熱電偶測溫，參考冷端溫度為室2121，測得，測得 mVTEAB465. 0)21(， 查表查表 mVEAB119. 0)021(，則則mVTEAB584. 0119. 0465. 0)0(， 由此查分度表由此查分度表 T T9292 若直接用若直接用0.465mV0.465mV查表，則查表，則T T7575。 CTETETETTE ABABABAB )()()()( 00 ， 4.4.補償電橋法補償電橋法 原理：原理：電橋輸出電壓電橋輸出電壓U(TU(T0 0 ,0 )= E ,0 )= EAB AB(T (T0 0 ,0) ,0)，自動補

53、償。，自動補償。 補償電路：補償電路：如圖如圖5-105-10所示。圖中所示。圖中R R1 1、R R2 2、R R3 3、R RW W為錳銅電阻，阻值為錳銅電阻，阻值 幾乎不隨溫度變化，幾乎不隨溫度變化，R RCu Cu為銅電阻，電阻值隨溫度升高而增大。為銅電阻，電阻值隨溫度升高而增大。T T0 0=0=0 時，時，R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=RCuCu，電橋輸出，電橋輸出U Uab ab=0 =0，對熱電偶電勢無影響。，對熱電偶電勢無影響。T T0 000 時，時，U Uab ab0 0，U Uab ab =E =EAB AB(T (T0 0 ,0) ,0)，熱電偶的熱電

54、勢得到自動補償。，熱電偶的熱電勢得到自動補償。 圖圖5-10 5-10 冷端溫度補償線路圖冷端溫度補償線路圖 六、熱電偶誤差分析六、熱電偶誤差分析 1 1測量基本誤差：測量基本誤差： （1 1）分度誤差：工業(yè)用熱電偶與標準熱電偶分度之間誤差；）分度誤差：工業(yè)用熱電偶與標準熱電偶分度之間誤差； （2 2）儀表誤差：測量儀表引入測量誤差；）儀表誤差：測量儀表引入測量誤差； （3 3）冷端處理誤差；）冷端處理誤差； （4 4）接線誤差：接線電阻影響，應選高內阻測量儀表；）接線誤差：接線電阻影響，應選高內阻測量儀表； （5 5）漏電誤差，必須保證良好絕緣。）漏電誤差，必須保證良好絕緣。 2 2傳熱誤差

55、傳熱誤差 熱電偶測溫存在熱交換平衡問題，存在熱電偶測量端溫熱電偶測溫存在熱交換平衡問題，存在熱電偶測量端溫 度低于被測介質溫度現象，稱為傳熱誤差，應盡量減少熱電度低于被測介質溫度現象，稱為傳熱誤差，應盡量減少熱電 偶的熱量損失。偶的熱量損失。 二、熱電阻傳感器二、熱電阻傳感器 定義：利用電阻隨溫度變化的特性制成的傳感器。定義：利用電阻隨溫度變化的特性制成的傳感器。 主要檢測參數：溫度、與溫度有關的參量。主要檢測參數：溫度、與溫度有關的參量。 分類：分類：1 1）金屬熱電阻（熱電阻）金屬熱電阻（熱電阻） 2 2）半導體熱電阻（熱敏電阻）半導體熱電阻（熱敏電阻） 金屬熱電阻（熱電阻）金屬熱電阻（熱電阻） 材料：要求有較大的、穩(wěn)定的溫度系數，電阻材料：要求有較大的、穩(wěn)定的溫度系數，電阻 率率大，線性好，性能穩(wěn)定，便于生產大，線性好，性能穩(wěn)定，便于生產 （銅、鉑、鎳）。（銅、鉑、鎳）。 特點：測溫精度較高，范圍廣（特點：測溫精度較高，范圍廣（-200-200600600），）， 穩(wěn)定性、重復性好。但熱慣性大，靈敏穩(wěn)定性、重復性好。但熱慣性大，靈敏 度低。度低。 結構：熱電阻是由結構：熱電阻是由電阻體電阻體、絕緣套管絕緣套管和和接線盒接線盒等等 主要部件組成的，電阻絲是熱電阻的最主主要部件組成的，電阻絲是熱電阻的最主 要部分。要部分。 阻值與溫度的函數關系為阻值