化工儀表及自動(dòng)化ppt課件匯總?cè)譸pt完整版課件最全教學(xué)教程整套課件全書電子教案全套電子講義

1、化工儀表及自動(dòng)化第一章 自動(dòng)控制系統(tǒng)基本概念 內(nèi)容提要 化工自動(dòng)化的主要內(nèi)容 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)的過渡過程控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)影響控制系統(tǒng)過渡過程品質(zhì)的主要因素1 內(nèi)容提要工藝管道及控制流程圖圖形符號(hào)字母代號(hào)儀表位號(hào)2第一節(jié) 化工自動(dòng)化的主要內(nèi)容1. 自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)2. 自動(dòng)信號(hào)和聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)3. 自動(dòng)操縱及自動(dòng)開停車系統(tǒng)4. 自動(dòng)控制系統(tǒng)3利用各種檢測(cè)儀表對(duì)主要工藝參數(shù)進(jìn)行測(cè)量、指示或記錄的，稱為自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。它代替了操作人員對(duì)工藝參數(shù)的不斷觀察與記錄，起到人的眼睛的作用。圖1-1 熱交換器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

2、示意圖當(dāng)工藝參數(shù)超過了允許范圍，在事故即將發(fā)生以前，信號(hào)系統(tǒng)就自動(dòng)地發(fā)出聲光信號(hào)，告誡操作人員注意，并及時(shí)采取措施。如工況已到達(dá)危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，聯(lián)鎖系統(tǒng)立即自動(dòng)采取緊急措施，打開安全閥或切斷某些通路，必要時(shí)緊急停車，以防止事故的發(fā)生和擴(kuò)大。它是生產(chǎn)過程中的一種安全裝置。 自動(dòng)操縱系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)先規(guī)定的步驟自動(dòng)地對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行某種周期性操作。自動(dòng)開停車系統(tǒng)可以按照預(yù)先規(guī)定好的步驟，將生產(chǎn)過程自動(dòng)地投入運(yùn)行或自動(dòng)停車。 在受到外界干擾（擾動(dòng)）的影響而偏離正常狀態(tài)時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)能自動(dòng)地控制而回到規(guī)定的數(shù)值范圍內(nèi)。 第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖 4圖1-2 人工操作圖圖1-3 液位自動(dòng)控制系統(tǒng)

3、圖人工操作與自動(dòng)控制比較圖控制速度和精度不能滿足大型現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成5組成自動(dòng)化裝置被控對(duì)象測(cè)量元件與變送器自動(dòng)控制器執(zhí)行器第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖液位自動(dòng)控制的方塊圖在研究自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，為了便于對(duì)系統(tǒng)分析研究，一般都用方塊圖來(lái)表示控制系統(tǒng)的組成。下頁(yè)圖為液位自動(dòng)控制系統(tǒng)地方塊圖每個(gè)環(huán)節(jié)表示組成系統(tǒng)的一個(gè)部分，稱為“環(huán)節(jié)”。兩個(gè)方塊之間用一條帶有箭頭的線條表示其信號(hào)的相互關(guān)系，箭頭指向方塊表示為這個(gè)環(huán)節(jié)的輸入，箭頭離開方塊表示為這個(gè)環(huán)節(jié)的輸出。線旁的字母表示相互間的作用信號(hào)。6方塊圖中， x 指設(shè)定值；z 指輸出信號(hào)；e

4、 指偏差信號(hào)；p 指發(fā)出信號(hào)；q 指出料流量信號(hào)；y 指被控變量；f 指擾動(dòng)作用。當(dāng)x 取正值，z取負(fù)值，e= x- z，負(fù)反饋；x 取正值，z取正值， e= x+ z，正反饋。第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖液位自動(dòng)控制的方塊圖圖1-4 液位自動(dòng)控制系統(tǒng)方塊圖7第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖其他控制系統(tǒng) 用同一種形式地方塊圖可以代表不同的控制系統(tǒng)圖1-5 蒸汽加熱器溫度控制系統(tǒng) 當(dāng)進(jìn)料流量或溫度變化等因素引起出口物料溫度變化時(shí)，可以將該溫度變化測(cè)量后送至溫度控制器TC。溫度控制器的輸出送至控制閥，以改變加熱蒸汽量來(lái)維持出口物料的溫度不變。 這個(gè)控制系統(tǒng)同樣可以用上頁(yè)中的方塊圖表

5、示8第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖注意！方塊圖中的每一個(gè)方塊都代表一個(gè)具體的裝置。9方塊與方塊之間的連接線，只是代表方塊之間的信號(hào)聯(lián)系，并不代表方塊之間的物料聯(lián)系。方塊之間連接線的箭頭也只是代表信號(hào)作用的方向，與工藝流程圖上的物料線是不同的。工藝流程圖上的物料線是代表物料從一個(gè)設(shè)備進(jìn)入另一個(gè)設(shè)備，而方塊圖上的線條及箭頭方向有時(shí)并不與流體流向相一致。自動(dòng)控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖小結(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)是具有被控變量負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。 與自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)操縱等開環(huán)系統(tǒng)比較，最本質(zhì)的區(qū)別，就在于自動(dòng)控制系統(tǒng)有負(fù)反饋，開環(huán)系統(tǒng)中，被控（工藝）變量是不反饋到輸入端的。1

6、0舉例化肥廠的造氣自動(dòng)機(jī)就是典型的開環(huán)系統(tǒng)的例子自動(dòng)操縱裝置對(duì)象操縱作用工藝參數(shù)操縱指令第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖小結(jié)開環(huán)系統(tǒng)：自動(dòng)機(jī)在操作時(shí)，一旦開機(jī)，就只能是按照預(yù)先規(guī)定好的程序周而復(fù)始地運(yùn)轉(zhuǎn)。這時(shí)被控變量如果發(fā)生了變化，自動(dòng)機(jī)不會(huì)自動(dòng)地根據(jù)被控變量的實(shí)際工況來(lái)改變自己的操作。比較閉環(huán)系統(tǒng)：有針對(duì)性地根據(jù)被控變量的變化情況而改變控制作用的大小和方向，從而使系統(tǒng)的工作狀態(tài)始終等于或接近于所希望的狀態(tài)。11第三節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類幾種分類方法按被控變量來(lái)分類，如溫度、壓力等控制系統(tǒng)；按控制器具有的控制規(guī)律來(lái)分類，如比例、比例積分、比例微分、比例積分微分等控制系統(tǒng)；將控制系統(tǒng)按照工

7、藝過程需要控制的被控變量的給定值是否變化和如何變化來(lái)分類，這樣可將自動(dòng)控制系統(tǒng)分為三類，即定值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。12其中第三種分類方法最普遍第三節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類 “定值” 是恒定給定值的簡(jiǎn)稱。工藝生產(chǎn)中，若要求控制系統(tǒng)的作用是使被控制的工藝參數(shù)保持在一個(gè)生產(chǎn)指標(biāo)上不變，或者說要求被控變量的給定值不變，就需要采用定值控制系統(tǒng)。131.定值控制方法2.隨動(dòng)控制系統(tǒng)（自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)） 給定值隨機(jī)變化，該系統(tǒng)的目的就是使所控制的工藝參數(shù)準(zhǔn)確而快速地跟隨給定值的變化而變化。第三節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類3.程序控制系統(tǒng)（順序控制系統(tǒng)） 給定值變化，但它是一個(gè)已知的時(shí)間函數(shù)，即生產(chǎn)技術(shù)

8、指標(biāo)需按一定的時(shí)間程序變化。這類系統(tǒng)在間歇生產(chǎn)過程中應(yīng)用比較普通。14第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) 一、控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)15自動(dòng)控制目的：希望將被控變量保持在一個(gè)不變的給定值上，這只有當(dāng)進(jìn)入被控對(duì)象的物料量（或能量）和流出對(duì)象的物料量（或能量）相等時(shí)才有可能。 靜態(tài)被控變量不隨時(shí)間而變化的平衡狀態(tài)（變化率為0，不是靜止）。第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) 當(dāng)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入（給定和干擾）和輸出均恒定不變時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)就處于一種相對(duì)穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，系統(tǒng)的各個(gè)組成環(huán)節(jié)如變送器、控制器、控制閥都不改變其原先的狀態(tài)，它們的輸出信號(hào)也都處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，這種狀態(tài)就是靜態(tài)。 1

9、6第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)17動(dòng)態(tài)被控變量隨時(shí)間變化的不平衡狀態(tài) 。 從干擾作用破壞靜態(tài)平衡，經(jīng)過控制，直到系統(tǒng)重新建立平衡，在這一段時(shí)間中，整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)和信號(hào)都處于變動(dòng)狀態(tài)之中，這種狀態(tài)叫做動(dòng)態(tài)。結(jié)論：在自動(dòng)化工作中，了解系統(tǒng)的靜態(tài)是必要的，但是了解系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)更為重要。因?yàn)樵谏a(chǎn)過程中，干擾是客觀存在的，是不可避免的，就需要通過自動(dòng)化裝置不斷地施加控制作用去對(duì)抗或抵消干擾作用的影響，從而使被控變量保持在工藝生產(chǎn)所要求控制的技術(shù)指標(biāo)上。第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)二、控制系統(tǒng)的過渡過程系統(tǒng)由一個(gè)平衡狀態(tài)過渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)的過程。 18當(dāng)干擾作用于對(duì)象，系統(tǒng)輸

10、出y發(fā)生變化，在系統(tǒng)負(fù)反饋?zhàn)饔孟?，?jīng)過一段時(shí)間，系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡。舉例圖1-7 控制系統(tǒng)方塊圖第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)系統(tǒng)在過渡過程中，被控變量是隨時(shí)間變化的。被控變量隨時(shí)間的變化規(guī)律首先取決于作用于系統(tǒng)的干擾形式。在生產(chǎn)中，出現(xiàn)的干擾是沒有固定形式的，且多半屬于隨機(jī)性質(zhì)。在分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，為了安全和方便，常選擇一些定型的干擾形式，其中常用的是階躍干擾。 19第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)采用階躍干擾的優(yōu)點(diǎn)： 這種形式的干擾比較突然、危險(xiǎn)，且對(duì)被控變量的影響也最大。如果一個(gè)控制系統(tǒng)能夠有效地克服這種類型的干擾，那么一定能很好地克服比較緩和的干擾。這種干擾的形式簡(jiǎn)

11、單，容易實(shí)現(xiàn)，便于分析、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算。圖1-8 階躍干擾作用20第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)自動(dòng)控制系統(tǒng)在階躍干擾作用下過渡過程的四種形式21非周期衰減過程衰減震蕩過程等幅震蕩過程 發(fā)散震蕩過程X？對(duì)于控制質(zhì)量要求不高的場(chǎng)合，如果被控變量允許在工藝許可的范圍內(nèi)振蕩（主要指在位式控制時(shí)），才可采用。 第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)三、控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)控制系統(tǒng)的過渡過程是衡量品質(zhì)的依據(jù)。22圖1-10 過渡過程品質(zhì)指標(biāo)示意圖 假定自動(dòng)控制系統(tǒng)在階躍輸入作用下，被控變量的變化曲線如上圖所示，這是屬于衰減振蕩的過渡過程 多數(shù)情況下，希望得到衰減振蕩過程，在此取這種過程形式討論控制

12、系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)。第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)23五種重要品質(zhì)指標(biāo)之一1. 最大偏差或超調(diào)量 最大偏差是指在過渡過程中，被控變量偏離給定值的最大數(shù)值。在衰減振蕩過程中，最大偏差就是第一個(gè)波的峰值。特別是對(duì)于一些有約束條件的系統(tǒng)，如化學(xué)反應(yīng)器的化合物爆炸極限、觸媒燒結(jié)溫度極限等，都會(huì)對(duì)最大偏差的允許值有所限制。 超調(diào)量也可以用來(lái)表征被控變量偏離給定值的程度。第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)2. 衰減比 衰減比是衰減程度的指標(biāo)，它是前后相鄰兩個(gè)峰值的比。習(xí)慣表示為 n:1，一般 n 取為410之間為宜。五種重要品質(zhì)指標(biāo)之二24第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)五種重要品質(zhì)指

13、標(biāo)之三3. 余差 當(dāng)過渡過程終了時(shí)，被控變量所達(dá)到的新的穩(wěn)態(tài)值與給定值之間的偏差叫做余差，或者說余差就是過渡過程終了時(shí)的殘余偏差。有余差的控制過程稱為有差調(diào)節(jié)，相應(yīng)的系統(tǒng)稱為有差系統(tǒng)。反之就為無(wú)差調(diào)節(jié)和無(wú)差系統(tǒng)。 25第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)五種重要品質(zhì)指標(biāo)之四4. 過渡時(shí)間 從干擾作用發(fā)生的時(shí)刻起，直到系統(tǒng)重新建立新的平衡時(shí)止，過渡過程所經(jīng)歷的時(shí)間叫過渡時(shí)間。一般在穩(wěn)態(tài)值的上下規(guī)定一個(gè)小范圍，當(dāng)被控變量進(jìn)入該范圍并不再越出時(shí)，就認(rèn)為被控變量已經(jīng)達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值，或者說過渡過程已經(jīng)結(jié)束這個(gè)范圍一般定為穩(wěn)態(tài)值的（也有的規(guī)定為）。 26第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)五種重要

14、品質(zhì)指標(biāo)之五5.震蕩周期或頻率 過渡過程同向兩波峰（或波谷）之間的間隔時(shí)間叫振蕩周期或工作周期，其倒數(shù)稱為振蕩頻率。在衰減比相同的情況下，周期與過渡時(shí)間成正比，一般希望振蕩周期短一些為好。27第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)28某換熱器的溫度控制系統(tǒng)在單位階躍干擾作用下的過渡過程曲線如下圖所示。試分別求出最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時(shí)間（給定值為200）。舉例圖1-11 溫度控制系統(tǒng)過渡過程曲線第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)解 最大偏差A(yù)230-20030余差C205-200由圖上可以看出，第一個(gè)波峰值B230-20525，第二個(gè)波峰值B2102055，故衰減比應(yīng)為

15、B:B25:55:1。振蕩周期為同向兩波峰之間的時(shí)間間隔，故周期T20-515（min）29第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) 分析 過渡時(shí)間與規(guī)定的被控變量限制范圍大小有關(guān)，假定被控變量進(jìn)入額定值的2，就可以認(rèn)為過渡過程已經(jīng)結(jié)束，那么限制范圍為200（2）4，這時(shí)，可在新穩(wěn)態(tài)值（205）兩側(cè)以寬度為畫一區(qū)域，上圖中以畫有陰影線的區(qū)域表示，只要被控變量進(jìn)入這一區(qū)域且不再越出，過濾過程就可以認(rèn)為已經(jīng)結(jié)束。因此，從圖上可以看出，過渡時(shí)間為22min。30第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)四、影響控制系統(tǒng)過渡過程品質(zhì)的主要因素31 一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)可以概括成兩大部分，即工藝過程部分（被控

16、對(duì)象）和自動(dòng)化裝置部分。前者指與該自動(dòng)控制系統(tǒng)有關(guān)的部分。后者指為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制所必需的自動(dòng)化儀表設(shè)備，通常包括測(cè)量與變送裝置、控制器和執(zhí)行器等三部分。第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) 對(duì)于一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，過渡過程品質(zhì)的好壞，在很大程度上決定于對(duì)象的性質(zhì)。例如在前所述的溫度控制系統(tǒng)中，屬于對(duì)象性質(zhì)的主要因素有：換熱器的負(fù)荷大小，換熱器的結(jié)構(gòu)、尺寸、材質(zhì)等，換熱器內(nèi)的換熱情況、散熱情況及結(jié)垢程度等。不同自動(dòng)化系統(tǒng)要具體分析。32第五節(jié) 工藝管道及控制流程圖 工藝流程和控制方案的確定后， 根據(jù)工藝設(shè)計(jì)給出的流程圖， 按其流程順序標(biāo)注出相應(yīng)的測(cè)量點(diǎn)、控制點(diǎn)、控制系統(tǒng)及自動(dòng)信號(hào)與聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)等

17、， 便成了工藝管道及控制流程圖 （PID圖）。33第五節(jié) 工藝管道及控制流程圖34圖1-12脫乙烷塔的工藝管道及控制流程圖舉例右圖是乙烯生產(chǎn)過程中脫乙烷塔的工藝管道及控制流程圖 舉例第五節(jié) 工藝管道及控制流程圖一、圖形符號(hào)1. 測(cè)試點(diǎn)（包括檢出元件、取樣點(diǎn)）35 檢試點(diǎn)是由工藝設(shè)備輪廓線或工藝管線引到儀表圓圈的連接線的起點(diǎn)，一般無(wú)特定的圖形符號(hào)，如下圖所示。必要時(shí)，檢測(cè)元件也可以用象形或圖形符號(hào)表示。圖1-13 測(cè)試點(diǎn)的一般表示方法第五節(jié) 工藝管道及控制流程圖2. 連接線36 通用的儀表信號(hào)線均以細(xì)實(shí)線表示。連接線表示交叉及相接時(shí)，采用下圖的形式。必要時(shí)也可用加箭頭的方式表示信號(hào)的方向。在需要

18、時(shí)，信號(hào)線也可按氣信號(hào)、電信號(hào)、導(dǎo)壓毛細(xì)管等采用不同的表示方式以示區(qū)別。圖1-14 聯(lián)系線的表示法第五節(jié) 工藝管道及控制流程圖3. 儀表（包括檢測(cè)、顯示、控制）的圖形符號(hào) 儀表的圖形符號(hào)是一個(gè)細(xì)實(shí)線圓圈，直徑約10mm，對(duì)于不同的儀表安裝位置的圖形符號(hào)如下表所示。 37第五節(jié) 工藝管道及控制流程圖38序號(hào)安裝位置圖形符號(hào)備注序號(hào)安裝位置圖形符號(hào)備注1就地安裝儀表嵌在管道中4集中儀表盤后安裝儀表2集中儀表盤面安裝儀表 5就地儀表盤面安裝儀表3就地儀表盤面安裝儀表表1-1 儀表安裝位置的圖形符號(hào)表示第五節(jié) 工藝管道及控制流程圖39 對(duì)于處理兩個(gè)或兩個(gè)以上被測(cè)變量，具有相同或不同功能的復(fù)式儀表時(shí)，可

19、用兩個(gè)相切的圓或分別用細(xì)實(shí)線圓與細(xì)虛線圓相切表示（測(cè)量點(diǎn)在圖紙上距離較遠(yuǎn)或不在同一圖紙上），如下圖所示。圖1-15 復(fù)式儀表的表示法第五節(jié) 工藝管道及控制流程圖二、字母代號(hào) 在控制流程圖中，用來(lái)表示儀表的小圓圈的上半圓內(nèi)，一般寫有兩位（或兩位以上）字母，第一位字母表示被測(cè)變量，后繼字母表示儀表的功能，常用字母代號(hào)見下表。40字母第一位字母后繼字母被測(cè)變量修飾詞功能ACDEFIKLMPQRSTVWYZ分析電導(dǎo)率密度電壓流量電流時(shí)間或時(shí)間程序物位水分或濕度壓力或真空數(shù)量或件數(shù)放射性速度或頻率溫度黏度力供選用位置差比（分?jǐn)?shù)）積分、累積安全報(bào)警控制（調(diào)節(jié)）檢測(cè)元件指示自動(dòng)-手動(dòng)操作器積分、累積記錄或打

20、印開關(guān)、聯(lián)鎖傳送閥、擋板、百葉窗套管繼動(dòng)器或計(jì)算器驅(qū)動(dòng)、執(zhí)行或未分類的終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)表1-2 被測(cè)變量和儀表功能的字母代號(hào)41第五節(jié) 工藝管道及控制流程圖42舉例以脫乙烷塔控制流程圖，來(lái)說明如何以字母代號(hào)的組合來(lái)表示被測(cè)變量和儀表功能。 塔頂?shù)膲毫刂葡到y(tǒng)中的PIC-207，其中第一位字母P表示被測(cè)變量為壓力，第二位字母I表示具有指示功能，第三位字母C表示具有控制功能，因此，PIC的組合就表示一臺(tái)具有指示功能的壓力控制器。該控制系統(tǒng)是通過改變氣相采出量來(lái)維持塔壓穩(wěn)定的。 第五節(jié) 工藝管道及控制流程圖 回流罐液位控制系統(tǒng)中的LIC-201是一臺(tái)具有指示功能的液位控制器，它是通過改變進(jìn)入冷凝器的冷劑

21、量來(lái)維持回流罐中液位穩(wěn)定的。 塔下部的溫度控制系統(tǒng)中的TRC-210表示一臺(tái)具有記錄功能的溫度控制器，它是通過改變進(jìn)入再沸器的加熱蒸汽量來(lái)維持塔底溫度恒定的。 塔底的液位控制系統(tǒng)中的LICA-202代表一臺(tái)具有指示、報(bào)警功能的液位控制器，它是通過改變塔底采出量來(lái)維持塔釜液位穩(wěn)定的。 43第五節(jié) 工藝管道及控制流程圖三、儀表位號(hào)44 儀表位號(hào)是由字母代號(hào)組合和阿拉伯?dāng)?shù)字編號(hào)兩部分組成。阿拉伯?dāng)?shù)字編號(hào)寫在圓圈的下半部，其第一位數(shù)字表示工段號(hào)，后續(xù)數(shù)字（二位或三位數(shù)字）表示儀表序號(hào)。 舉例脫乙烷塔的工藝管道及控制流程圖中PIC-206表示測(cè)量點(diǎn)在加熱蒸汽管線上的蒸汽壓力指示儀表，該儀表為就地安裝，工

22、段號(hào)為2，儀表序號(hào)為06。 END化工儀表及自動(dòng)化第二章 過程特性及其數(shù)學(xué)模型 內(nèi)容提要化工過程的特點(diǎn)及其描述方法對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立建模目的機(jī)理建模實(shí)驗(yàn)建模描述對(duì)象特性的參數(shù)放大系數(shù)時(shí)間常數(shù)滯后時(shí)間1第一節(jié) 化工過程的特點(diǎn)及其描述方法 自動(dòng)控制系統(tǒng)是由被控對(duì)象、測(cè)量變送裝置、控制器和執(zhí)行器組成。系統(tǒng)的控制質(zhì)量與被控對(duì)象的特性有密切的關(guān)系。 研究對(duì)象的特性，就是用數(shù)學(xué)的方法來(lái)描述出對(duì)象輸入量與輸出量之間的關(guān)系。這種對(duì)象特性的數(shù)學(xué)描述就稱為對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。干擾作用和控制作用都是引起被控變量變化的因素，如下圖所示。輸出變量輸入變量通道 控制通道干擾通道？幾個(gè)概念2圖2-1 對(duì)象的輸入輸出量第一節(jié) 化

23、工過程的特點(diǎn)及其描述方法對(duì)象的數(shù)學(xué)模型分為靜態(tài)數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型靜態(tài)數(shù)學(xué)模型動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)特例3第一節(jié) 化工過程的特點(diǎn)及其描述方法一般是在工藝流程和設(shè)備尺寸等都確定的情況，研究對(duì)象的輸入變量是如何影響輸出變量的。研究的目的是為了使所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)達(dá)到更好的控制效果。 在產(chǎn)品規(guī)格和產(chǎn)量已確定的情況下，通過模型計(jì)算，確定設(shè)備的結(jié)構(gòu)、尺寸、工藝流程和某些工藝條件。 （a）（b）（c）用于控制的數(shù)學(xué)模型（a、b）與用于工藝設(shè)計(jì)與分析的數(shù)學(xué)模型（c）不完全相同。4第一節(jié) 化工過程的特點(diǎn)及其描述方法數(shù)學(xué)模型的表達(dá)形式分類51.非參量模型 當(dāng)數(shù)學(xué)模型是采用曲線或數(shù)據(jù)表格等來(lái)表示時(shí)，稱為非參量模型。非參

24、量模型可以通過記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)得到，有時(shí)也可以通過計(jì)算來(lái)得到。 特點(diǎn)形象、清晰，比較容易看出其定性的特征 缺點(diǎn)直接利用它們來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)往往比較困難 表達(dá)形式對(duì)象在一定形式輸入作用下的輸出曲線或數(shù)據(jù)來(lái)表示 第一節(jié) 化工過程的特點(diǎn)及其描述方法 當(dāng)數(shù)學(xué)模型是采用數(shù)學(xué)方程式來(lái)描述時(shí)，稱為參量模型。對(duì)象的參量模型可以用描述對(duì)象輸入、輸出關(guān)系的微分方程式、偏微分方程式、狀態(tài)方程、差分方程等形式來(lái)表示。 2.參量模型6第一節(jié) 化工過程的特點(diǎn)及其描述方法7對(duì)于線性的集中參數(shù)對(duì)象 通常可用常系數(shù)線性微分方程式來(lái)描述，如果以x（t）表示輸入量，y（t）表示輸出量，則對(duì)象特性可用下列微分方程式來(lái)描述在允許的

25、范圍內(nèi)，多數(shù)化工對(duì)象動(dòng)態(tài)特性可以忽略輸入量的導(dǎo)數(shù)項(xiàng)可表示為 （2-1）第一節(jié) 化工過程的特點(diǎn)及其描述方法8舉例一個(gè)對(duì)象如果可以用一個(gè)一階微分方程式來(lái)描述其特性（通常稱一階對(duì)象），則可表示為或表示成式中（2-2）（2-3） 上式中的系數(shù)與對(duì)象的特性有關(guān)，一般需要通過對(duì)象的內(nèi)部機(jī)理分析或大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理得到。第二節(jié) 對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立一、建模目的9（1）控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) （2）控制系統(tǒng)的調(diào)試和控制器參數(shù)的確定 （3）制定工業(yè)過程操作優(yōu)化方案 （4）新型控制方案及控制算法的確定 （5）計(jì)算機(jī)仿真與過程培訓(xùn)系統(tǒng) （6）設(shè)計(jì)工業(yè)過程的故障檢測(cè)與診斷系統(tǒng) 第二節(jié) 對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立二、機(jī)理建模10 根

26、據(jù)對(duì)象或生產(chǎn)過程的內(nèi)部機(jī)理，列寫出各種有關(guān)的平衡方程，如物料平衡方程、能量平衡方程、動(dòng)量平衡方程、相平衡方程以及某些物性方程、設(shè)備的特性方程、化學(xué)反應(yīng)定律、電路基本定律等，從而獲取對(duì)象（或過程）的數(shù)學(xué)模型，這類模型通常稱為機(jī)理模型。 第二節(jié) 對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立二、機(jī)理建模對(duì)于某些對(duì)象，人們還難以寫出它們的數(shù)學(xué)表達(dá)式，或者表達(dá)式中的某些系數(shù)還難以確定時(shí)，不能適用。具有非常明確的物理意義，所得的模型具有很大的適應(yīng)性，便于對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。 優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)11第二節(jié) 對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立舉例1.一階對(duì)象（1）水槽對(duì)象對(duì)象物料蓄存量的變化率單位時(shí)間流入對(duì)象的物料單位時(shí)間流出對(duì)象的物料依據(jù)12第二節(jié) 對(duì)象數(shù)學(xué)

27、模型的建立13（2-4）若變化量很微小，可以近似認(rèn)為Q2與h 成正比（2-5）將上式代入（2-4）式，移項(xiàng)令則轉(zhuǎn)到22頁(yè)圖2-2 水槽對(duì)象第二節(jié) 對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立14（2）RC電路ei若取為輸入?yún)?shù)， eo為輸出參數(shù)，根據(jù)基爾霍夫定理 消去i由于或圖2-3 RC電路第二節(jié) 對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立2.積分對(duì)象當(dāng)對(duì)象的輸出參數(shù)與輸入?yún)?shù)對(duì)時(shí)間的積分成比例關(guān)系時(shí)，稱為積分對(duì)象。Q2為常數(shù)，變化量為0說明，所示貯槽具有積分特性。其中，A為貯槽橫截面積15圖2-4 積分對(duì)象第二節(jié) 對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立163.二階對(duì)象（1）串聯(lián)水槽對(duì)象假定輸入、輸出量變化很小的情況下，貯槽的液位與輸出流量具有線性關(guān)系。 假定

28、每只貯槽的截面積都為A，則轉(zhuǎn)到26頁(yè)圖2-5 串聯(lián)水槽對(duì)象第二節(jié) 對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立消去Q12、Q2、h1整理得式中 為第一只貯槽的時(shí)間常數(shù)； 為第二只貯槽的時(shí)間常數(shù)； 為整個(gè)對(duì)象的放大系數(shù)。 17第二節(jié) 對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立18（2）RC串聯(lián)電路根據(jù)基爾霍夫定律整理得圖2-6 RC串聯(lián)電路第二節(jié) 對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立三、實(shí)驗(yàn)建模19 對(duì)象特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)取法，就是在所要研究的對(duì)象上，加上一個(gè)人為的輸入作用（輸入量），然后，用儀表測(cè)取并記錄表征對(duì)象特性的物理量（輸出量）隨時(shí)間變化的規(guī)律，得到一系列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（或曲線）。這些數(shù)據(jù)或曲線就可以用來(lái)表示對(duì)象的特性。 實(shí)驗(yàn)方法研究對(duì)象特性第二節(jié) 對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建

29、立三、實(shí)驗(yàn)建模定義：通過這種應(yīng)用對(duì)象的輸入輸出的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)決定其模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù) 。特點(diǎn)：把被研究的對(duì)象視為一個(gè)黑匣子，完全從外部特性上來(lái)測(cè)試和描述它的動(dòng)態(tài)特性，不需要深入了解其內(nèi)部機(jī)理 。系統(tǒng)辨識(shí)20第二節(jié) 對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立21實(shí)驗(yàn)性能的測(cè)試方法1. 階躍反應(yīng)曲線法用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)取對(duì)象在階躍輸入作用下，輸出量y隨時(shí)間的變化規(guī)律。 圖2-7 簡(jiǎn)單水槽對(duì)象圖2-8 水槽的階躍反應(yīng)曲線優(yōu)點(diǎn)簡(jiǎn)單缺點(diǎn)穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)測(cè)試精度受限簡(jiǎn)單水槽的動(dòng)態(tài)特性舉例第二節(jié) 對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立222. 矩形脈沖法 當(dāng)對(duì)象處于穩(wěn)定工況下，在時(shí)間t0突然加一階躍干擾，幅值為A，到t1時(shí)突然除去階躍干擾，這時(shí)測(cè)得的輸出量y隨時(shí)間

30、的變化規(guī)律，稱為對(duì)象的矩形脈沖特性，而這種形式的干擾稱為矩形脈沖干擾。此外，還可以采用矩形脈沖波和正弦信號(hào)。圖2-9 矩形脈沖特性曲線圖2-10 矩形脈沖波信號(hào)圖2-11 正弦信號(hào)第二節(jié) 對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立混合建模23 先由機(jī)理分析的方法提供數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)形式，然后對(duì)其中某些未知的或不確定的參數(shù)利用實(shí)測(cè)的方法給予確定。 這種在已知模型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定其中的某些參數(shù)，稱為參數(shù)估計(jì)。 舉例 以換熱器建模為例，可以先列寫出其熱量平衡方程式，而其中的換熱系數(shù)K值等可以通過實(shí)測(cè)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)確定。 途徑第三節(jié) 描述對(duì)象特性的參數(shù)一、放大系數(shù)K 對(duì)于前面介紹的水槽對(duì)象，當(dāng)流入流量Q1有一定的

31、階躍變化后，液位h也會(huì)有相應(yīng)的變化，但最后會(huì)穩(wěn)定在某一數(shù)值上。如果我們將流量Q1的變化Q1看作對(duì)象的輸入，而液位h的變化h看作對(duì)象的輸出，那么在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，對(duì)象一定的輸入就對(duì)應(yīng)著一定的輸出，這種特性稱為對(duì)象的靜態(tài)特性。 24第三節(jié) 描述對(duì)象特性的參數(shù)25圖2-12 水槽液位的變化曲線或K在數(shù)值上等于對(duì)象重新穩(wěn)定后的輸出變化量與輸入變化量之比。K越大，就表示對(duì)象的輸入量有一定變化時(shí)，對(duì)輸出量的影響越大，即被控變量對(duì)這個(gè)量的變化越靈敏。第三節(jié) 描述對(duì)象特性的參數(shù)26舉例以合成氨的轉(zhuǎn)換爐為例，說明各個(gè)量的變化對(duì)被控變量K的影響 生產(chǎn)過程要求一氧化碳的轉(zhuǎn)化率要高，蒸汽消耗量要少，觸媒壽命要長(zhǎng)。通常用變

32、換爐一段反應(yīng)溫度作為被控變量，來(lái)間接地控制轉(zhuǎn)換率和其他指標(biāo)。 圖2-13 一氧化碳變換過程示意圖圖2-14 不同輸入作用時(shí)的被控變量變化曲線第三節(jié) 描述對(duì)象特性的參數(shù) 影響變換爐一段反應(yīng)溫度的因素主要有冷激流量、蒸汽流量和半水煤氣流量。改變閥門1、2、3的開度就可以分別改變冷激量、蒸汽量和半水煤氣量的大小。從右上圖看出，冷激量對(duì)溫度的相對(duì)放大系數(shù)最大；蒸汽量對(duì)溫度的相對(duì)放大系數(shù)次之；半水煤氣量對(duì)溫度的相對(duì)放大系數(shù)最小。 27第三節(jié) 描述對(duì)象特性的參數(shù)二、時(shí)間常數(shù)T28 從大量的生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，有的對(duì)象受到干擾后，被控變量變化很快，較迅速地達(dá)到了穩(wěn)定值；有的對(duì)象在受到干擾后，慣性很大，被控變量要

33、經(jīng)過很長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值。 圖1-15 不同時(shí)間常數(shù)對(duì)象的反應(yīng)曲線第三節(jié) 描述對(duì)象特性的參數(shù)如何定量地表示對(duì)象受干擾后的這種特性呢？ 在自動(dòng)化領(lǐng)域中，往往用時(shí)間常數(shù)T來(lái)表示。時(shí)間常數(shù)越大，表示對(duì)象受到干擾作用后，被控變量變化得越慢，到達(dá)新的穩(wěn)定值所需的時(shí)間越長(zhǎng)。 29第三節(jié) 描述對(duì)象特性的參數(shù)30舉例簡(jiǎn)單水槽為例由前面的推導(dǎo)可知假定Q1為階躍作用，t0或t=0時(shí)Q1=A，如左圖。則函數(shù)表達(dá)式為（2-33）圖2-16 反應(yīng)曲線第三節(jié) 描述對(duì)象特性的參數(shù) 從上頁(yè)圖反應(yīng)曲線可以看出，對(duì)象受到階躍作用后，被控變量就發(fā)生變化，當(dāng)t時(shí)，被控變量不再變化而達(dá)到了新的穩(wěn)態(tài)值h（），這時(shí)上式可得： 或 對(duì)

34、于簡(jiǎn)單水槽對(duì)象，K=RS，即放大系數(shù)只與出水閥的阻力有關(guān)，當(dāng)閥的開度一定時(shí)，放大系數(shù)就是一個(gè)常數(shù)。（2-34）31第三節(jié) 描述對(duì)象特性的參數(shù)32將 t=T 代入式（2-33），得（2-35）將式（2-34）代入式（2-35），得（2-36） 當(dāng)對(duì)象受到階躍輸入后，被控變量達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值的63.2所需的時(shí)間，就是時(shí)間常數(shù)T，實(shí)際工作中，常用這種方法求取時(shí)間常數(shù)。顯然，時(shí)間常數(shù)越大，被控變量的變化也越慢，達(dá)到新的穩(wěn)定值所需的時(shí)間也越大。 第三節(jié) 描述對(duì)象特性的參數(shù)圖2-17 不同時(shí)間常數(shù)下的反應(yīng)曲線T1T2T3T4 說明時(shí)間常數(shù)大的對(duì)象（如T4)對(duì)輸入的反應(yīng)較慢，一般認(rèn)為慣性較大。33第三節(jié) 描述

35、對(duì)象特性的參數(shù)34在輸入作用加入的瞬間，液位h的變化速度是多大呢？將式（2-33）對(duì) t 求導(dǎo)，得（2-37）當(dāng) t =0（2-38）當(dāng) t 時(shí)，式（2-37）可得（2-39）第三節(jié) 描述對(duì)象特性的參數(shù)圖2-18 時(shí)間常數(shù)T的求法 由左下圖所示，式（2-38）代表了曲線在起始點(diǎn)時(shí)切線的斜率，這條切線在新的穩(wěn)定值h（）上截得的一段時(shí)間正好等于T。由式（2-33），當(dāng) t =時(shí)，h = KA。當(dāng) t=3T時(shí)，代入式（2-33）得（2-40） 從加入輸入作用后，經(jīng)過3T時(shí)間，液位已經(jīng)變化了全部變化范圍的95，這時(shí)，可以近似地認(rèn)為動(dòng)態(tài)過程基本結(jié)束。所以，時(shí)間常數(shù)T是表示在輸入作用下，被控變量完成其變化

36、過程所需要的時(shí)間的一個(gè)重要參數(shù)。 結(jié)論35第三節(jié) 描述對(duì)象特性的參數(shù)三、滯后時(shí)間定義分類 對(duì)象在受到輸入作用后，被控變量卻不能立即而迅速地變化，這種現(xiàn)象稱為滯后現(xiàn)象。滯后性質(zhì)傳遞滯后容量滯后 傳遞滯后又叫純滯后，一般用0表示。0的產(chǎn)生一般是由于介質(zhì)的輸送需要一段時(shí)間而引起的。 對(duì)象在受到階躍輸入作用x后，被控變量y開始變化很慢，后來(lái)才逐漸加快，最后又變慢直至逐漸接近穩(wěn)定值。36第三節(jié) 描述對(duì)象特性的參數(shù)371. 傳遞滯后顯然，純滯后時(shí)間0與皮帶輸送機(jī)的傳送速度v和傳送距離L有如下關(guān)系： （2-41）溶解槽及其反應(yīng)曲線純滯后時(shí)間舉例第三節(jié) 描述對(duì)象特性的參數(shù)從測(cè)量方面來(lái)說，由于測(cè)量點(diǎn)選擇不當(dāng)、測(cè)

37、量元件安裝不合適等原因也會(huì)造成傳遞滯后。蒸汽直接加熱器 當(dāng)加熱蒸汽量增大時(shí)，槽內(nèi)溫度升高，然而槽內(nèi)溶液流到管道測(cè)溫點(diǎn)處還要經(jīng)過一段時(shí)間0。所以，相對(duì)于蒸汽流量變化的時(shí)刻，實(shí)際測(cè)得的溶液溫度T要經(jīng)過時(shí)間0后才開始變化。 注意：安裝成分分析儀器時(shí)，取樣管線太長(zhǎng)，取樣點(diǎn)安裝離設(shè)備太遠(yuǎn)，都會(huì)引起較大的純滯后時(shí)間，工作中要盡量避免。 3839圖2-21 有、無(wú)純滯后的一階階躍響應(yīng)曲線x為輸入量，y（t）、 y（t）分別為無(wú)、有純滯后時(shí)的輸出量時(shí) 或若無(wú)純滯后的對(duì)象特性可以用下述方程式描述（2-44）則有純滯后的對(duì)象特性可以用下述方程式描述（2-45）第三節(jié) 描述對(duì)象特性的參數(shù)第三節(jié) 描述對(duì)象特性的參數(shù)4

38、0一般是由于物料或能量的傳遞需要通過一定阻力而引起的。 舉例前面介紹過的兩個(gè)水槽串聯(lián)的二階對(duì)象將輸出量h2用y表示，輸入量Q1用x表示，則方程式可寫為假定輸入作用為階躍函數(shù)，其幅值為A。已知，二階常系數(shù)微分方程式的解是（2-46）（2-47）2. 容量滯后第三節(jié) 描述對(duì)象特性的參數(shù)由于對(duì)應(yīng)的齊次方程式為其特征方程為求得特征根為故齊次方程式的通解為式中，C1、C2為決定于初始條件的待定系數(shù)。（2-48）（2-49）（2-50）41第三節(jié) 描述對(duì)象特性的參數(shù)42式（2-46）的一個(gè)特解可以認(rèn)為是穩(wěn)定解，由于輸入xA，穩(wěn)定時(shí)將式（2-51）及式（2-50）代入式（2-47）可得用初始條件y(0)=0

39、， y(0)=0代入式（ 2-52 ）可分別解得圖2-22 具有容量滯后對(duì)象的反應(yīng)曲線 （2-51）（2-52）（2-53）（2-54）第三節(jié) 描述對(duì)象特性的參數(shù)將上述兩式代入式（2-52），可得 上式便是串聯(lián)水槽對(duì)象的階躍反應(yīng)函數(shù)。由此式可知，在t=0時(shí)y（t）=0；在t=時(shí)，y（t）KA。y（t）是穩(wěn)態(tài)值KA與兩項(xiàng)衰減指數(shù)函數(shù)的代數(shù)和。說明：輸入量在作階躍變化的瞬間，輸出量變化的速度等于零，以后隨著t的增加，變化速度慢慢增大，但當(dāng)t大于某一個(gè)t1值后，變化速度又慢慢減小，直至t時(shí)，變化速度減少為零。 （2-55）43第三節(jié) 描述對(duì)象特性的參數(shù)圖2-23 串聯(lián)水槽的反應(yīng)曲線容量滯后時(shí)間T二階

40、對(duì)象近似為是有滯后時(shí)間h，時(shí)間常數(shù)為T的一階對(duì)象用一階對(duì)象的特性（是有滯后）來(lái)近似上述二階對(duì)象的方法 44第三節(jié) 描述對(duì)象特性的參數(shù)圖2-24 滯后時(shí)間示意圖 在容量滯后與純滯后同時(shí)存在時(shí)，常常把兩者合起來(lái)統(tǒng)稱滯后時(shí)間，即0h。 自動(dòng)控制系統(tǒng)中，滯后的存在是不利于控制的。所以，在設(shè)計(jì)和安裝控制系統(tǒng)時(shí)，都應(yīng)當(dāng)盡量把滯后時(shí)間減到最小。 結(jié)論45化工儀表及自動(dòng)化第三章 檢測(cè)儀表與傳感器 內(nèi)容提要概述測(cè)量過程與測(cè)量誤差儀表的性能指標(biāo)工業(yè)儀表的分類壓力檢測(cè)及儀表壓力單位及測(cè)壓儀表彈性式壓力計(jì)電氣式壓力計(jì)智能型壓力變送器壓力計(jì)的選用及安裝1內(nèi)容提要流量檢測(cè)及儀表概述差壓式流量計(jì)轉(zhuǎn)子流量計(jì)橢圓齒輪流量計(jì)渦輪

41、流量計(jì)電磁流量計(jì)漩渦流量計(jì)質(zhì)量流量計(jì)2內(nèi)容提要物位檢測(cè)及儀表概述差壓式液位變速器電容式物位傳感器核輻射物位計(jì)稱重式液罐計(jì)量?jī)x溫度檢測(cè)及儀表溫度檢測(cè)方法熱電偶溫度計(jì)熱電阻溫度計(jì)電動(dòng)溫度變送器3內(nèi)容提要一體化溫度變送器智能式溫度變送器測(cè)溫元件的安裝現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)與傳感器的發(fā)展軟測(cè)量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)代傳感器技術(shù)的發(fā)展4第一節(jié) 概述 用來(lái)檢測(cè)這些參數(shù)的技術(shù)工具稱為檢測(cè)儀表。 用來(lái)將這些參數(shù)轉(zhuǎn)換為一定的便于傳送的信號(hào)的儀表通常稱為傳感器。 當(dāng)傳感器的輸出為單元組合儀表中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，通常稱為變送器。5第一節(jié) 概述一、測(cè)量過程與測(cè)量誤差6 測(cè)量過程在實(shí)質(zhì)上都是將被測(cè)參數(shù)與其相應(yīng)的測(cè)量單位進(jìn)行比較的過程，而測(cè)

42、量?jī)x表就是實(shí)現(xiàn)這種比較的工具。 測(cè)量誤差指由儀表讀得的被測(cè)值與被測(cè)量真值之間的差距。通常有兩種表示方法，即絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差。 第一節(jié) 概述絕對(duì)誤差xi：儀表指示值, xt：被測(cè)量的真值由于真值無(wú)法得到 x：被校表的讀數(shù)值，x0 ：標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù)值 相對(duì)誤差7第一節(jié) 概述二、儀表的性能指標(biāo)81. 精確度（簡(jiǎn)稱精度）說明：儀表的測(cè)量誤差可以用絕對(duì)誤差來(lái)表示。但是，儀表的絕對(duì)誤差在測(cè)量范圍內(nèi)的各點(diǎn)不相同。因此，常說的“絕對(duì)誤差”指的是絕對(duì)誤差中的最大值max。 兩大影響因素絕對(duì)誤差和儀表的測(cè)量范圍相對(duì)百分誤差允許誤差第一節(jié) 概述 儀表的允越大，表示它的精確度越低；反之，儀表的允越小，表示儀表的精確度

43、越高。將儀表的允許相對(duì)百分誤差去掉“”號(hào)及“”號(hào)，便可以用來(lái)確定儀表的精確度等級(jí)。 目前常用的精確度等級(jí)有0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。小結(jié)9第一節(jié) 概述10舉例例1某臺(tái)測(cè)溫儀表的測(cè)溫范圍為200700，校驗(yàn)該表時(shí)得到的最大絕對(duì)誤差為4，試確定該儀表的精度等級(jí)。 解 該儀表的相對(duì)百分誤差為 如果將該儀表的去掉“”號(hào)與“”號(hào)，其數(shù)值為0.8。由于國(guó)家規(guī)定的精度等級(jí)中沒有0.8級(jí)儀表，同時(shí)，該儀表的誤差超過了0.5級(jí)儀表所允許的最大誤差，所以，這臺(tái)測(cè)溫儀表的精度等級(jí)為1.0級(jí)。 第一節(jié) 概述例2某臺(tái)測(cè)溫儀表的測(cè)溫范圍為1000。根

44、據(jù)工藝要求，溫度指示值的誤差不允許超過，試問應(yīng)如何選擇儀表的精度等級(jí)才能滿足以上要求？ 解 根據(jù)工藝上的要求，儀表的允許誤差為 如果將儀表的允許誤差去掉“”號(hào)與“”號(hào)，其數(shù)值介于0.51.0之間，如果選擇精度等級(jí)為1.0級(jí)的儀表，其允許的誤差為1.0，超過了工藝上允許的數(shù)值，故應(yīng)選擇0.5級(jí)儀表才能滿足工藝要求。11第一節(jié) 概述12儀表的精度等級(jí)是衡量?jī)x表質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要指標(biāo)之一。 精度等級(jí)數(shù)值越小，就表征該儀表的精確度等級(jí)越高，也說明該儀表的精確度越高。0.05級(jí)以上的儀表，常用來(lái)作為標(biāo)準(zhǔn)表；工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)用的測(cè)量?jī)x表，其精度大多在0.5以下。 儀表的精度等級(jí)一般可用不同的符號(hào)形式標(biāo)志在儀表面板上。

45、舉例1.51.0如：第一節(jié) 概述 根據(jù)儀表校驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)確定儀表精度等級(jí)和根據(jù)工藝要求來(lái)選擇儀表精度等級(jí)，情況是不一樣的。根據(jù)儀表校驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)確定儀表精度等級(jí)時(shí)，儀表的允許誤差應(yīng)該大于（至少等于）儀表校驗(yàn)所得的相對(duì)百分誤差；根據(jù)工藝要求來(lái)選擇儀表精度等級(jí)時(shí)，儀表的允許誤差應(yīng)該小于（至多等于）工藝上所允許的最大相對(duì)百分誤差。 小結(jié)13第一節(jié) 概述2.變差 變差是指在外界條件不變的情況下，用同一儀表對(duì)被測(cè)量在儀表全部測(cè)量范圍內(nèi)進(jìn)行正反行程（即被測(cè)參數(shù)逐漸由小到大和逐漸由大到?。y(cè)量時(shí)，被測(cè)量值正行和反行所得到的兩條特性曲線之間的最大偏差。 圖3-1 測(cè)量?jī)x表的變差14第一節(jié) 概述153.靈敏度與靈敏限

46、儀表的靈敏度是指儀表指針的線位移或角位移，與引起這個(gè)位移的被測(cè)參數(shù)變化量的比值。即 式中，S為儀表的靈敏度；為指針的線位移或角位移；x為引起所需的被測(cè)參數(shù)變化量。 儀表的靈敏限是指能引起儀表指針發(fā)生動(dòng)作的被測(cè)參數(shù)的最小變化量。通常儀表靈敏限的數(shù)值應(yīng)不大于儀表允許絕對(duì)誤差的一半。 注意：上述指標(biāo)僅適用于指針式儀表。在數(shù)字式儀表中，往往用分辨力表示。 第一節(jié) 概述4.分辨率 對(duì)于數(shù)字式儀表，分辨力是指數(shù)字顯示器的最末位數(shù)字間隔所代表的被測(cè)參數(shù)變化量。 不同量程的分辨力是不同的，相應(yīng)于最低量程的分辨力稱為該表的最高分辨力，也叫靈敏度。通常以最高分辨力作為數(shù)字電壓表的分辨力指標(biāo)。分辨率與儀表的有效數(shù)字

47、位數(shù)有關(guān)。16第一節(jié) 概述175.線性度 線性度是表征線性刻度儀表的輸出量與輸入量的實(shí)際校準(zhǔn)曲線與理論直線的吻合程度。通?？偸窍Ｍ麥y(cè)量?jī)x表的輸出與輸入之間呈線性關(guān)系。 圖3-2 線性度示意圖 式中，f為線性度（又稱非線性誤差）；fmax為校準(zhǔn)曲線對(duì)于理論直線的最大偏差（以儀表示值的單位計(jì)算）。 第一節(jié) 概述186.反應(yīng)時(shí)間 反應(yīng)時(shí)間就是用來(lái)衡量?jī)x表能不能盡快反映出參數(shù)變化的品質(zhì)指標(biāo)。反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，說明儀表需要較長(zhǎng)時(shí)間才能給出準(zhǔn)確的指示值，那就不宜用來(lái)測(cè)量變化頻繁的參數(shù)。 儀表反應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短，實(shí)際上反映了儀表動(dòng)態(tài)特性的好壞。 儀表的反應(yīng)時(shí)間有不同的表示方法 當(dāng)輸入信號(hào)突然變化一個(gè)數(shù)值后，輸出信號(hào)將

48、由原始值逐漸變化到新的穩(wěn)態(tài)值。 儀表的輸出信號(hào)由開始變化到新穩(wěn)態(tài)值的63.2（95）所用的時(shí)間，可用來(lái)表示反應(yīng)時(shí)間。第一節(jié) 概述三、工業(yè)儀表的分類191. 按儀表使用的能源分類氣動(dòng)儀表、電動(dòng)儀表、液動(dòng)儀表 以電為能源，信號(hào)之間聯(lián)系比較方便，適宜于遠(yuǎn)距離傳送和集中控制；便于與計(jì)算機(jī)聯(lián)用；現(xiàn)在電動(dòng)儀表可以做到防火、防爆，更有利于電動(dòng)儀表的安全使用。 一般結(jié)構(gòu)較復(fù)雜；易受溫度、濕度、電磁場(chǎng)、放射性等環(huán)境影響。 優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)常用第一節(jié) 概述202. 按信息的獲得、傳遞、反映和處理的過程分類 檢測(cè)儀表 作用是獲取信息，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換。 顯示儀表 作用是將由檢測(cè)儀表獲得的信息顯示出來(lái)。 集中控制裝置 包括各

49、種巡回檢測(cè)儀、巡回控制儀等?？刂苾x表 可以根據(jù)需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算。 執(zhí)行器 可以接受控制儀表的輸出信號(hào)或直接來(lái)自操作員的指令，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行操作或控制。 第一節(jié) 概述圖3-3 各類儀表的作用21第一節(jié) 概述223. 按儀表的組成形式分類 基地式儀表特點(diǎn)是將測(cè)量、顯示、控制等各部分集中組裝在一個(gè)表殼里，形成一個(gè)整體。這種儀表比較適于在現(xiàn)場(chǎng)做就地檢測(cè)和控制，但不能實(shí)現(xiàn)多種參數(shù)的集中顯示與控制。這在一定程度上限制了基地式儀表的應(yīng)用范圍。 分為基地式儀表和單元組合儀表 第一節(jié) 概述 化工生產(chǎn)中的單元組合儀表有電動(dòng)單元組合儀表和氣動(dòng)單元組合儀表兩種。國(guó)產(chǎn)的電動(dòng)單元組合儀表簡(jiǎn)稱DDZ儀表；氣動(dòng)單元

50、組合儀表簡(jiǎn)稱QDZ儀表。注意 單元組合儀表是將對(duì)參數(shù)的測(cè)量及其變送、顯示、控制等各部分，分別制成能獨(dú)立工作的單元儀表（簡(jiǎn)稱單元，例如變送單元、顯示單元、控制單元等）。這些單元之間以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)互相聯(lián)系，可以根據(jù)不同要求，方便地將各單元任意組合成各種控制系統(tǒng)，適用性和靈活性都很好。 23第二節(jié) 壓力檢測(cè)及儀表一、壓力單位及測(cè)量?jī)x表壓力是指均勻垂直地作用在單位面積上的力。壓力的單位為帕斯卡，簡(jiǎn)稱帕（Pa）24第二節(jié) 壓力檢測(cè)及儀表 為了使大家了解國(guó)際單位制中的壓力單位（Pa或MPa）與過去的單位之間的關(guān)系，下面給出幾種單位之間的換算關(guān)系表。 2526壓力單位帕/Pa兆帕/ MPa工程大氣壓/ (

51、kgf/cm2)物理大氣壓/ atm汞柱/ mmHg水柱/ mH2O（磅/英寸2）/ （1b/in2）巴/bar帕111061.019710-59.86910-67.50110-31.019710-41.45010-4110-5兆帕1106110.1979.8697.5011031.01971021.45010210工程大氣壓9.8071049.80710-210.9678735.610.0014.220.9807物理大氣壓1.01331050.101331.0332176010.3314.701.0133汞柱1.33321021.333210-41.359510-31.315810-310.

52、01361.93410-21.333210-3水柱9.8061039.80610-30.10000.0967873.5511.4220.09806（磅/英寸2）6.8951036.89510-30.070310.0680551.710.703110.06895巴11050.11.01970.9869750.110.19714.501表3-1 各種壓力單位換算表第二節(jié) 壓力檢測(cè)及儀表27p表P真P絕P絕大氣壓力線絕對(duì)壓力的零線在壓力測(cè)量中，常有表壓、絕對(duì)壓力、負(fù)壓或真空度之分。 當(dāng)被測(cè)壓力低于大氣壓力時(shí)，一般用負(fù)壓或真空度來(lái)表示。圖3-4絕對(duì)壓力、表壓、負(fù)壓（真空度）的關(guān)系第二節(jié) 壓力檢測(cè)及儀表

53、28測(cè)量壓力或真空度的儀表按照其轉(zhuǎn)換原理的不同，分為四類。1.液柱式壓力計(jì) 它根據(jù)流體靜力學(xué)原理，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成液柱高度進(jìn)行測(cè)量。 按其結(jié)構(gòu)形式的不同 有U形管壓力計(jì)、單管壓力計(jì)等 優(yōu)點(diǎn)這類壓力計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便 缺點(diǎn) 其精度受工作液的毛細(xì)管作用、密度及視差等因素的影響，測(cè)量范圍較窄，一般用來(lái)測(cè)量較低壓力、真空度或壓力差。 第二節(jié) 壓力檢測(cè)及儀表2.彈性式壓力計(jì) 它是將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成彈性元件變形的位移進(jìn)行測(cè)量的。 3.電氣式壓力計(jì) 它是通過機(jī)械和電氣元件將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成電量（如電壓、電流、頻率等）來(lái)進(jìn)行測(cè)量的儀表。 29第二節(jié) 壓力檢測(cè)及儀表4.活塞式壓力計(jì) 它是根據(jù)水壓機(jī)液體傳送壓力的原

54、理，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成活塞上所加平衡砝碼的質(zhì)量來(lái)進(jìn)行測(cè)量的。 優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)測(cè)量精度很高，允許誤差可小到0.05%0.02%。 結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，價(jià)格較貴。 30第二節(jié) 壓力檢測(cè)及儀表二、彈性式壓力計(jì)31定義 彈性式壓力計(jì)是利用各種形式的彈性元件，在被測(cè)介質(zhì)壓力的作用下，使彈性元件受壓后產(chǎn)生彈性變形的原理而制成的測(cè)壓儀表。 優(yōu)點(diǎn) 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用可靠、讀數(shù)清晰、牢固可靠、價(jià)格低廉、測(cè)量范圍寬以及有足夠的精度等優(yōu)點(diǎn)。 可用來(lái)測(cè)量幾百帕到數(shù)千兆帕范圍內(nèi)的壓力。 第二節(jié) 壓力檢測(cè)及儀表321.彈性元件 彈性元件是一種簡(jiǎn)易可靠的測(cè)壓敏感元件。當(dāng)測(cè)壓范圍不同時(shí)，所用的彈性元件也不一樣。 圖3-5 彈性元件示意圖 彈

55、簧管式彈性元件如圖(a)和(b)所示，波紋管式彈性元件如圖(e)所示，薄膜式彈性元件如圖(c)和(d)所示。第二節(jié) 壓力檢測(cè)及儀表332.彈簧管壓力表 分類使用的測(cè)壓元件 單圈彈簧管壓力表與多圈彈簧管壓力表。 用途 普通彈簧管壓力表，耐腐蝕的氨用壓力表、禁油的氧氣壓力表等。 1彈簧管；2 拉桿；3 扇形齒輪；4 中心齒輪；5 指針；6 面板；7 游絲；8 調(diào)整螺絲；9 接頭彈簧壓力表第二節(jié) 壓力檢測(cè)及儀表基本測(cè)量原理 單圈彈簧管是一根彎成270圓弧的橢圓截面的空心金屬管子。管子的自由端B封閉，另一端固定在接頭上。當(dāng)通入被測(cè)的壓力p后，由于橢圓形截面在壓力p的作用下，將趨于圓形，而彎成圓弧形的彈

56、簧管也隨之產(chǎn)生擴(kuò)張變形。同時(shí)，使彈簧管的自由端B產(chǎn)生位移。輸入壓力p越大，產(chǎn)生的變形也越大。由于輸入壓力與彈簧管自由端B的位移成正比，所以只要測(cè)得B點(diǎn)的位移量，就能反映壓力p的大小。 注意：彈簧管自由端B的位移量一般很小，直接顯示有困難，所以必須通過放大機(jī)構(gòu)才能指示出來(lái)。 34第二節(jié) 壓力檢測(cè)及儀表 在化工生產(chǎn)過程中，常需要把壓力控制在某一范圍內(nèi)，即當(dāng)壓力低于或高于給定范圍時(shí)，就會(huì)破壞正常工藝條件，甚至可能發(fā)生危險(xiǎn)。這時(shí)就應(yīng)采用帶有報(bào)警或控制觸點(diǎn)的壓力表。將普通彈簧管壓力表稍加變化，便可成為電接點(diǎn)信號(hào)壓力表，它能在壓力偏離給定范圍時(shí)，及時(shí)發(fā)出信號(hào)，以提醒操作人員注意或通過中間繼電器實(shí)現(xiàn)壓力的自

57、動(dòng)控制。 警惕！35第二節(jié) 壓力檢測(cè)及儀表圖3-7 電接點(diǎn)信號(hào)壓力表1，4 靜觸點(diǎn)；2 動(dòng)觸點(diǎn)；3 綠燈；5 紅燈 壓力表指針上有動(dòng)觸點(diǎn)2，表盤上另有兩根可調(diào)節(jié)指針，上面分別有靜觸點(diǎn)1和4。當(dāng)壓力超過上限給定數(shù)值時(shí)，2和4接觸，紅色信號(hào)燈5的電路被接通，紅燈發(fā)亮。若壓力低到下限給定數(shù)值時(shí)，2與1接觸，接通了綠色信號(hào)燈3的電路。1、4的位置可根據(jù)需要靈活調(diào)節(jié)。 36第二節(jié) 壓力檢測(cè)及儀表三、電氣式壓力計(jì)定義電氣式壓力計(jì)是一種能將壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行傳輸及顯示的儀表。 37優(yōu)點(diǎn)1. 該儀表的測(cè)量范圍較廣，分別可測(cè)710-5Pa至5102MPa的壓力，允許誤差可至0.2； 2. 由于可以遠(yuǎn)距離傳送信

58、號(hào)，所以在工業(yè)生產(chǎn)過程中可以實(shí)現(xiàn)壓力自動(dòng)控制和報(bào)警，并可與工業(yè)控制機(jī)聯(lián)用。 第二節(jié) 壓力檢測(cè)及儀表圖3-8 電氣式壓力計(jì)組成方框圖組成 一般由壓力傳感器、測(cè)量電路和信號(hào)處理裝置所組成。常用的信號(hào)處理裝置有指示儀、記錄儀以及控制器、微處理機(jī)等。 38第二節(jié) 壓力檢測(cè)及儀表幾種常見的傳感器或變送器：1.霍爾片式壓力傳感器 霍爾片式壓力傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制成的，即利用霍爾元件將由壓力所引起的彈性元件的位移轉(zhuǎn)換成霍爾電勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)壓力的測(cè)量。 圖3-9 霍爾效應(yīng) 霍爾電勢(shì)可用下式表示 式中，UH為霍爾電勢(shì)；RH為霍爾常數(shù)，與霍爾片材料、幾何形狀有關(guān)；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；I為控制電流的大小。 39第二節(jié)

59、壓力檢測(cè)及儀表注意 霍爾電勢(shì)與磁感應(yīng)強(qiáng)度和電流成正比。提高B和I值可增大霍爾電勢(shì)UH，但兩者都有一定限度，一般I為320mA，B約為幾千高斯，所得的霍爾電勢(shì)UH約為幾十毫伏數(shù)量級(jí)。 導(dǎo)體也有霍爾效應(yīng)，不過它們的霍爾電勢(shì)遠(yuǎn)比半導(dǎo)體的霍爾電勢(shì)小得多。 40第二節(jié) 壓力檢測(cè)及儀表 將霍爾元件與彈簧管配合，就組成了霍爾片式彈簧管壓力傳感器，如圖3-10所示。 圖3-10 霍爾片式壓力傳感器1彈簧管；2 磁鋼；3 霍爾片 當(dāng)被測(cè)壓力引入后，在被測(cè)壓力作用下，彈簧管自由端產(chǎn)生位移，因而改變了霍爾片在非均勻磁場(chǎng)中的位置，使所產(chǎn)生的霍爾電勢(shì)與被測(cè)壓力成比例。 利用這一電勢(shì)即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離顯示和自動(dòng)控制。4142

60、第二節(jié) 壓力檢測(cè)及儀表2.應(yīng)變片壓力傳感器 應(yīng)變片式壓力傳感器利用電阻應(yīng)變?cè)順?gòu)成。電阻應(yīng)變片有金屬和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩類，被測(cè)壓力使應(yīng)變片產(chǎn)生應(yīng)變。當(dāng)應(yīng)變片產(chǎn)生壓縮（拉伸）應(yīng)變時(shí)，其阻值減?。ㄔ黾樱?，再通過橋式電路獲得相應(yīng)的毫伏級(jí)電勢(shì)輸出，并用毫伏計(jì)或其他記錄儀表顯示出被測(cè)壓力，從而組成應(yīng)變片式壓力計(jì)。 圖3-11 應(yīng)變片壓力傳感器示意圖1應(yīng)變筒；2外殼；3密封膜片第二節(jié) 壓力檢測(cè)及儀表3.壓阻式壓力傳感器 壓阻式壓力傳感器利用單晶硅的壓阻效應(yīng)而構(gòu)成。 采用單晶硅片為彈性元件，在單晶硅膜片上利用集成電路的工藝，在單晶硅的特定方向擴(kuò)散一組等值電阻，并將電阻接成橋路，單晶硅片置于傳感器腔內(nèi)。 當(dāng)壓力