儀表基礎(chǔ)知識講義

關(guān)于儀表基礎(chǔ)知識講義第1頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二主要內(nèi)容一、四大參數(shù)的測量原理及儀表二、自動控制基礎(chǔ)知識三、調(diào)節(jié)閥四、聯(lián)鎖系統(tǒng)的構(gòu)成2第2頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二一、四大參數(shù)的測量原理及儀表

現(xiàn)場儀表測量參數(shù)的分類：現(xiàn)場儀表測量參數(shù)一般分為溫度、壓力、流量、液位四大參數(shù)。下面就著重介紹一下這四大參數(shù)的測量原理，以及測量這四大參數(shù)所運用的儀表。3第3頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二1、溫度的測量與變送

溫度是化工生產(chǎn)中既普遍而又十分重要的參數(shù)之一。任何一個化工生產(chǎn)過程，都伴隨著物質(zhì)的物理和化學(xué)性質(zhì)的改變，都必然有能量的轉(zhuǎn)化和交換，而熱交換則是這些能量轉(zhuǎn)換中最普遍的交換形式。因此，在很多煤化工反應(yīng)的過程中，溫度的測量和控制，常常是保證這些反應(yīng)過程正常進(jìn)行與安全運行的重要環(huán)節(jié)；它對產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的提高都有很大的影響。4第4頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二1、溫度的測量與變送溫度測量儀麥種類繁多，若按測量方式的不同，測溫儀表可分為接觸式和非接觸式兩大類。前者感溫元件與被測介質(zhì)直接接觸，后者的感溫元件卻不與被測介質(zhì)相接觸。接觸式測溫元件簡單、可靠、測量精度較高；但是，由于測溫元件要與被測介質(zhì)接觸進(jìn)行充分的熱交換才能達(dá)到熱平衡，因而產(chǎn)生了滯后現(xiàn)象，而且可能與被測介質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)；另外高溫材料的限制，接觸式測溫儀表不能應(yīng)用于很高溫度的測量。而非接觸式測溫儀表不與被測介質(zhì)接觸，因而其測溫范圍很廣，其測溫上限原則上不受限限制；由于它是通過熱輻射來測量溫度的，所以不會破壞被測介質(zhì)的溫度場，測溫速度也較快，但是這種方法受到被測介質(zhì)至儀表之間的距離以及幅射通道上的水汽、煙霧、塵埃等其它介質(zhì)的影響，因此測量量精度較低。5第5頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二1、溫度的測量與變送下表列出了常用測溫儀麥的測溫原理、測溫范圍和主要特點。表中所列的各種溫度計，機(jī)械式的大多只能就地指示，幅射式的精度較差，只有電的測溫儀表精度高，且測溫元件很容易與溫度變送器配用，轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行遠(yuǎn)傳，以實現(xiàn)對溫度的自動記錄和調(diào)節(jié)。因此，在生產(chǎn)過程控制中應(yīng)用最多的是熱電偶和熱電阻溫度計。本節(jié)僅介紹這兩種溫度計。6第6頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二7第7頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二1、溫度的測量與變送1.1

熱電偶溫度計熱電偶溫度計由熱電偶、電測部份(動圈儀表、電位差計或DCS)及連接導(dǎo)線組成如圖所示。由于熱電偶的性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、測量范圍廣、有較高的準(zhǔn)確度，且能方便地將溫度信號轉(zhuǎn)換為電勢信號，便于信號的遠(yuǎn)傳和多點集中測量，因而在石油化工生產(chǎn)中應(yīng)用極為普遍。8231熱電偶溫度計測量線路1、熱電偶2、連接導(dǎo)線3、電測儀表t0t0tAB第8頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二1、溫度的測量與變送9熱電偶是由兩根不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料(如上圖中的A和B)焊接或絞接而成。焊接的一端稱為熱電偶的熱端(測量端或工作端)，和導(dǎo)線連接的一端稱為熱電偶的冷端(自由端)。組成熱電偶的兩根導(dǎo)體或半導(dǎo)體稱作熱電極。把熱電偶的熱端插入需要測溫的生產(chǎn)設(shè)備中，冷端置于生產(chǎn)設(shè)備的外面，如果兩端所處的溫度不同(譬如，熱端溫度為t，冷瑞溫度為to)，則在熱電偶回路中便會產(chǎn)生熱電勢E。該熱電勢E與熱電偶兩端的溫度t和to均E有關(guān)。如果保持t。不變，則熱電勢E只是被測溫度t的函數(shù)。用電測儀表測得E的數(shù)值后，便知道被測溫度t的大小。第9頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二1、溫度的測量與變送由于熱電極的材料不同，所產(chǎn)生的接觸電勢亦不同，因此不同熱電極材料制成的熱電偶在相同溫度下產(chǎn)生的熱電勢是不同的，這在各種熱電偶的分度表中可以查到。根據(jù)熱電測溫的基本原理，理論上似乎任意兩種導(dǎo)體都可以組成熱電偶。但實際情況它們還必須進(jìn)行嚴(yán)格的選擇，熱電極材料應(yīng)滿足如下要求。1．在測溫范圍內(nèi)其熱電性質(zhì)要穩(wěn)定，不隨時間變化。2．穩(wěn)定性要高，即在高溫下不被氧化和腐蝕。3．電阻溫度系數(shù)要小，導(dǎo)電率要高，組成熱電偶后產(chǎn)生的熱電勢要大，熱電勢與溫度間要成線性關(guān)系，這樣有利于提高儀表的測量精度。4．復(fù)現(xiàn)性要好(同種成分的材料制成的熱電偶，其熱電特性相一致的性質(zhì)稱復(fù)現(xiàn)性)，這樣便于成批生產(chǎn)，而且在使用上也可保證良好的互換性。5、材料組織要均勻，要有良好的韌性，便于加工成絲。10第10頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二1、溫度的測量與變送

國際電工委員會（IEC）對其中已被國際公認(rèn)，性能優(yōu)良和產(chǎn)量最大的七種制定了標(biāo)準(zhǔn)，即IEC584-1和IEC584-2中所規(guī)定的：S分度(鉑銠10-鉑)；B分度號(鉑銠30-鉑銠6)；K分度號(鎳鉻-鎳硅)；E分度號(鎳鉻-康銅)；T分度號(銅-康銅)；J分度號（鐵-康銅）；R分度號(鉑銠13-鉑)等熱電偶。熱電偶根據(jù)測溫條件和安裝位置的不同，具有多種結(jié)構(gòu)型式。雖然它們的結(jié)構(gòu)和外形不盡相同，但其基本結(jié)構(gòu)通常均由熱電極、絕緣管、保護(hù)套管和接線盒等主要部分組成。11第11頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二1、溫度的測量與變送12第12頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二1、溫度的測量與變送

1.2熱電阻溫度計熱電阻溫度計由熱電阻、電測儀表(動圈儀表或平衡電橋)和連按導(dǎo)線所組成，其中熱電阻是感溫元件，有導(dǎo)體的和半導(dǎo)體兩種。熱電阻溫度計廣泛用來測量中、低溫(一般為500℃以下)。它的特點是準(zhǔn)確度高，在測量中、低溫時，它的輸出信號比熱電偶要大得多，靈敏度高，同樣可實現(xiàn)遠(yuǎn)傳、自動記錄和多點測量。13第13頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二1、溫度的測量與變送熱電阻的測溫原理金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變比而變化的。一般說來，他們之間的關(guān)系為:Rt=R0[1+α(t-t0)]ΔRt=Rt-R0=αR0Δt式中Rt溫度為t℃時的電阻值;R。溫度為t0℃(通常為0℃)時的電阻值;α電阻溫度系數(shù)即溫度變化1℃時電阻值的相對變化量，單位是℃-1，;Δt溫度的變化量，即t-t。=ΔtΔRt溫度改變Δt時的電阻變化量。

14第14頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二1、溫度的測量與變送

由上可知，溫度的變化，導(dǎo)致了導(dǎo)體電阻的變化。實驗證明，大多數(shù)金屬導(dǎo)體在溫度每升高1℃時，其電阻值要增加0.4一0.6%，熱電阻溫度計就是把溫度變化所引起熱電阻的變化值，通過測量電路(電橋)轉(zhuǎn)換成電壓(毫伏)信號，然后由顯示儀表指示或記錄被測溫度。熱電阻溫度計與熱電偶溫度計的測溫原理是不相同的。熱電偶溫度計把溫度的變化通過感溫元件——熱電偶轉(zhuǎn)換為熱電勢的變化值來測量溫度的；而熱電阻溫度計則是把溫度的變化通過感溫元件——熱電阻轉(zhuǎn)換為電阻的變化來測量溫度的。

15第15頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二1、溫度的測量與變送

對于制作熱電阻絲的材料是有一定技術(shù)要求的，一般應(yīng)具有下列特性；電阻溫度系數(shù)要大，則測量靈敏度就高；熱容量要小，則對溫度變化的響應(yīng)就快，即動態(tài)特性較好；電阻率要大，則相同的電阻值下電阻體體積就小，因而熱容量也?。辉谡麄€測溫范圍內(nèi)，具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性質(zhì)；要容易加工，有良好的復(fù)制性，電阻與溫度的關(guān)系最好近于線性或為平滑的曲線，以便于分度和讀數(shù)；價格便宜等。根據(jù)具體情況，目前應(yīng)用最廣泛的是鉑和銅，分度號Pt50鉑電阻、分度號Pt100鉑電阻和分度號Cu50銅電阻、分度號Cu100銅電阻。相應(yīng)的分度表(電阻值與溫度對照表)可在相關(guān)資料中查到。熱電阻是由電阻體、保護(hù)套管以及接線盒等主要部件所組成。除電阻體外，其余部分的結(jié)構(gòu)形狀一般與熱電偶的相應(yīng)部分相同。16第16頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二1、溫度的測量與變送

在選用測溫儀表解決現(xiàn)場測溫問題時，首先要分析被測對象特點及狀態(tài)，然后根據(jù)現(xiàn)有溫度計的特點及其技術(shù)指標(biāo)確定選用的類型。一般應(yīng)考慮以下幾個方面:1．儀表的可能測溫范圍及常用測溫范圍，是否符合被測對象的溫度變化范圍的要求;2．儀表的精度、穩(wěn)定性、響應(yīng)時間是否適應(yīng)測溫要求;3．根據(jù)測量場所有無沖擊、振動及電磁場，來考慮儀表的防震、防沖擊、抗干擾性能是否良好;4．儀表輸出信號能否自動記錄和遠(yuǎn)傳;5．儀表的防腐性、防爆性和連續(xù)使用期限，是否滿足被測對象的要求;6．電源電壓、頻率變化及環(huán)境溫度變化對儀表示值的影響程度;7．測溫元件的體積大小是否適當(dāng);8．儀表使用是否方便、安裝維護(hù)是否容易。17第17頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二2、壓力的測量與變送

在壓力測量中，通常有絕對壓力，表壓力、負(fù)壓、或真空度等名詞。絕對壓力是指介質(zhì)所受的實際壓力。表壓是指高于大氣壓的絕對壓力與大氣壓之差，即：P表=P絕-P大負(fù)壓與真空度是指大氣壓力與低于大氣壓力的絕對壓力之差，即：P真=P大-P絕絕對壓力、表壓力、大氣壓力、負(fù)壓力（真空度）之間的關(guān)系如下圖所示。因為各種工藝設(shè)備和測量儀表都處于大氣中，所以工程上都用表壓力或真空度來表示壓力的大小。我們用壓力表來測量壓力的數(shù)值，實際上也都是表壓或真空度（絕對壓力表的指示值除外）。因此，在工程上無特別說明時，所提的壓力均指表壓力或真空度。18第18頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二2、壓力的測量與變送

19P表壓P負(fù)壓P絕壓P絕壓大氣壓力線

表壓、絕壓、真空之間的關(guān)系圖第19頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二2、壓力的測量與變送

壓力測量儀表的品種，規(guī)格甚多。常用的壓力測量方法和儀表有：通過液體產(chǎn)生或傳遞壓力來平衡被測壓力的平衡法。屬于應(yīng)于這類方法的儀表有液柱式壓力計和活塞式壓力計；將被測壓力通過一些隔離元件（如彈性元件）轉(zhuǎn)換成一個集中力，并在測量過程中用一個外界力（如電磁力或氣動力）來平衡這個未知的集中力，然后通過對外界力的測量而得知被測壓力的機(jī)械力平衡法。力平衡式壓力變送器就是屬于應(yīng)用此法的例子；根據(jù)彈性元件受壓后產(chǎn)生彈性變型的大小來測量彈性力平衡法。屬于這類應(yīng)用方法的儀表很多，若根據(jù)所用彈性元件來分，可分為薄膜式，波紋管式，彈簧管式壓力表；能過機(jī)械和電子元件將被測壓力轉(zhuǎn)換在成各種電量（如電壓、電流、頻率等）來測量的電測法。例如電容式、電阻式、電感式、應(yīng)變片式和霍爾片式等變送器應(yīng)于此法的壓力測量儀表。20第20頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二2、壓力的測量與變送

目前，石油化工生產(chǎn)中應(yīng)用中廣泛的一種壓力測量儀表是彈性元件。根據(jù)測壓范圍不同，常用的測壓元件有單圈彈簧管、多圈彈簧管、膜片、膜盒、波紋管等。在被測介質(zhì)壓力的作用下，彈性元件發(fā)生彈性變型，而產(chǎn)生相應(yīng)的位移，能過轉(zhuǎn)換位置，可將位移轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號或氣信號，以遠(yuǎn)傳顯示，報警或調(diào)節(jié)用。21第21頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二2、壓力的測量與變送主要壓力檢測儀表：（1）彈簧管壓力表彈簧管壓力表是壓力儀表的主要組成部份之一，它有著極為廣泛的應(yīng)用價值，它具有結(jié)構(gòu)簡單，品種規(guī)格齊全、測量范圍廣、便于制造和維修和價格低廉等特點。彈簧管壓力表是單圈彈簧壓力表的簡稱。它主要由彈簧管、齒輪傳動機(jī)構(gòu)（包括拉桿、扇形齒輪、中心齒輪）、示數(shù)裝置（指針和分度盤）以及外殼等幾部份組成，如下圖所示。彈簧管是一端封閉并彎成270度圓孤形的空心管子。22第22頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二2、壓力的測量與變送

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彈簧管壓力表1、彈簧管2拉桿3、扇型齒輪3、中心齒輪5、指針6、面板7、游絲8、調(diào)整螺釘9接頭ab第23頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二2、壓力的測量與變送它的截面呈扁圓形或橢圓形，橢圓的長軸2a與圖面垂直的彈簧管的中心軸O相平行。管子封閉的一端B為自由端，即位移輸出端；而另一端A則是固定的，作為被測壓力的輸入端。當(dāng)由它的固定端A通入被測壓力P后，由于呈橢圓形截面的管子在壓力P的作用下，將趨于圓形，彎成圓弧形的彈簧管隨之產(chǎn)生向外挺直的擴(kuò)張變形，使自由端B發(fā)生位移。此時彈簧管的中心角γ要隨即減小Δγ，也就是自由端將由B移到B，處，如圖2-3(b)上虛線所示。此位移量就相應(yīng)于某一壓力值。自由端B的彈性變形位移通過拉桿使扇形齒輪作逆時針偏轉(zhuǎn)，使固定在中心齒輪軸上的指針也作順時針偏轉(zhuǎn)，從而在面板的刻度標(biāo)尺上顯示出被測壓力的數(shù)值。由于彈簧管自由端位移而引起彈簧管中心角相對變化值Δγ/γ與被測壓力P之間具有比例關(guān)系，因此彈簧管壓力表的刻度標(biāo)尺是均勻的。24第24頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二2、壓力的測量與變送由上述可如，彈簧管自由端將隨壓力的增大而向外伸張。反之若管內(nèi)壓力小于管外壓力，則自由端將隨負(fù)壓的增大而向內(nèi)彎曲。所以，利用彈簧管不僅可以制成壓力表，而且還可制成真空表或壓力真空表。彈簧管壓力表除普通型外，還有一些是具有特殊用途的，例如耐腐蝕的氨用壓力表、禁油的氧用壓力表等。為了能表明具體適用何種特殊介質(zhì)的壓力測量，常在其表殼、襯圈或表盤上涂以規(guī)定的色標(biāo)，并注有特殊介質(zhì)的名稱，使用時應(yīng)予以注意。25第25頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二2、壓力的測量與變送（2）應(yīng)變式壓力變送器應(yīng)變式變送器以是以電為能源，它利用應(yīng)變片作為轉(zhuǎn)換元件，將被測壓力轉(zhuǎn)換成應(yīng)變片電阻值的變化，然后經(jīng)過橋式電路得到毫伏級的電量輸出，供顯示儀表顯示被測壓力或經(jīng)放大電路轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號后，再傳送到記錄儀和調(diào)節(jié)器等儀表。應(yīng)變片有金屬電阻絲應(yīng)變片(金屬絲粘貼在襯底上組成的元件)和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩類。根據(jù)電阻應(yīng)變原理，應(yīng)變片在壓力作用下產(chǎn)生彈性變形dL/L(即應(yīng)變e)，其電阻值隨之發(fā)生變化。如果已如應(yīng)變片的電阻變化與其變形(即應(yīng)變)的關(guān)系，那么，通過對應(yīng)變片電阻變化的測量就可測知被測壓力。26第26頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二2、壓力的測量與變送

27第27頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二2、壓力的測量與變送（3）單晶硅諧振式傳感器

諧振式傳感器是采用超精細(xì)加工工藝在單晶硅材料上制成兩個完全一致的H型諧振梁，并以一定的頻率產(chǎn)生振動。其諧振頻率取決于梁的長度及張力，而張力隨壓力的變化而變化，實現(xiàn)了壓力變化轉(zhuǎn)換成頻率信號的變化，并采用了頻率差分技術(shù)，將兩個頻率信號直接輸出到脈沖計數(shù)器。從而使傳感器具有誤差小，重復(fù)性好、分解能力和反應(yīng)靈敏度高、直接輸出數(shù)字信號等特點。由于傳感器良好的特性，可使變送器幾乎不受靜壓和溫度的影響，而且具有優(yōu)良的過壓性能和范圍較寬的量程。28第28頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二2、壓力的測量與變送

29基礎(chǔ)振子引伸張力硅膜片過程壓力變送器工作原理圖第29頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二2、壓力的測量與變送（4）電容式傳感器30ΔSS0S0S2S1圖2-19膜片位移原理圖4~20 mA放大電路原理：△P變化△C電流的變化第30頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二2、壓力的測量與變送壓力表的選用應(yīng)根據(jù)工藝生產(chǎn)過程對壓力測量的要求，被測介質(zhì)的性質(zhì)，現(xiàn)場環(huán)境條件等來考慮儀表的類型、量程和精度等級。并確定是否需要帶有遠(yuǎn)傳、報警等附加裝置。這樣才能達(dá)到經(jīng)濟(jì)、合理和有效的目的。1．類型的選用儀表類型的選用必須滿足工蘭生產(chǎn)的要求。例如是否需要遠(yuǎn)傳變送、自動記錄或報警；被測介質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)(如腐蝕性、溫度高低、粘度大小、臟污程度、易燃易爆等)是否對儀表提出特殊要求；現(xiàn)場環(huán)境條件(如高溫、電磁場、振動等)對儀表有否特殊要求等。普通壓力表的彈簧管材料多采用銅合金，高壓的也有采用碳鋼，而氨用壓力表的彈簧管材料都采用碳鋼，不允許采用銅合金。因為氨氣對銅的腐蝕極強，所以普通壓力表用于氨氣壓力測量很快就要損壞。氧氣壓力表與普通壓力表在結(jié)構(gòu)和材質(zhì)上完全相同，只是氧用壓力表禁油。因為油進(jìn)入氧氣系統(tǒng)會引起爆炸。如果必須采用現(xiàn)有的帶油污的壓力表測量氧氣壓力時，使用前必須用四氯化碳反復(fù)清洗，認(rèn)真檢查直到無油污為止。31第31頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二2、壓力的測量與變送2．測量范圍的確定儀表的測量范圍是根據(jù)被測壓力的大小來確定的。對于彈性式壓力表，為保證彈性元件能在彈性變形的完全范圍內(nèi)可靠地工作，量程的上限值應(yīng)高于工藝生產(chǎn)中可能的最大壓力值。根據(jù)"化工自控設(shè)計技術(shù)規(guī)定"，在測量穩(wěn)定壓力時，最大工作壓力不應(yīng)超過量程的2/3；測量脈動壓力時，最大工作壓力不超過量程的1/2；測量高壓壓力時，最大工作壓力不應(yīng)超過量程的3/5。為了保證測量的準(zhǔn)確度，所測的壓力值不能太接近于儀表的下限值，亦即儀表的量程不能選得太大，一般被測壓力的最小值應(yīng)不低于量程的1/3。按上述要求算出后，實取稍大的相鄰系列值，一般可在相應(yīng)的產(chǎn)品目錄申查到。

3．精度級的選取儀表的精度主妥是根據(jù)生產(chǎn)上允許的最大測量誤差來確定的。此外，在滿足工藝要求的前提下，還要考慮經(jīng)濟(jì)性，即盡可能選用精度較低、價廉耐用的儀表。32第32頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二3、流量的測量與變送在化工生產(chǎn)過程中，為了有效地進(jìn)行生產(chǎn)操作和控制，經(jīng)常需要測量生產(chǎn)過程中各種介質(zhì)(如液體、氣體和蒸汽等)的流量，以便為生產(chǎn)操作和控制提供依據(jù)。同時，為了進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算，也需要知道在一般時間(如一班、一天等)內(nèi)流過的介質(zhì)總量。所以，對管道內(nèi)介質(zhì)流量的測量和變送是實現(xiàn)生產(chǎn)過程的控制以及進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算所必需的。在工程上，流量是指單位時間內(nèi)流過管道某一截面的流體的體積或質(zhì)量，即瞬時流量。流量的計量單位如下:表示體積流量的單位常用立方米每小時(m3/h)、升每分(I/min)、升每秒(l/s)等；表示質(zhì)量流量的單位常用噸每小時(t/h)、千克每小時(kg/h)、千克每秒(kg/s)等。

若流體的密度是ρ，則體積流量Q與質(zhì)量流量M的關(guān)系是:M=Qρ或Q=M/ρ33第33頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二3、流量的測量與變送

應(yīng)當(dāng)指出，流體的密度是隨工況參數(shù)而變化的。對于液體，由于壓力變化對密度的影響很小，一般可以忽略不計；但因溫度變化所產(chǎn)生的影響，則應(yīng)引起注意。不過一般溫度每變化10℃時，液體的密度變化約在1%以內(nèi)。所以，除溫度變化較大，測量準(zhǔn)確度要求較高的場合外，往往也可以忽略不計。對于氣體，由于密度受溫度、壓力變化影響較大，例如，在常溫附近，溫度每變化10℃，密度變化約為3%。在常壓附近，壓力每變10kPa，密度也約變化3%。因此，在測量氣體體積流量時，必須同時測量氣體的溫度和壓力，并將工作狀態(tài)下的體積流量換算成標(biāo)準(zhǔn)體積流量。所謂標(biāo)準(zhǔn)體積流量，在工業(yè)上是指20℃、0.10133MPa(稱標(biāo)定狀態(tài))或0℃、0.10133MPa(稱標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))條件下的體積流量。在儀表計量上多數(shù)以標(biāo)定狀態(tài)條件下的體積流量為標(biāo)準(zhǔn)體積流量。流量測量的方法和儀表種類繁多，其測量原理和儀表的結(jié)構(gòu)形式各不相同。針對石油化工生產(chǎn)過程的不同要求，采用不同的流量儀表。下表中列出了幾種主要類型流量表(或稱流量計)的性能及適用場合。34第34頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二3、流量的測量與變送35第35頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二3、流量的測量與變送3.1差壓式流量計差壓式(也稱節(jié)流式)流量計是使用歷史最久，應(yīng)用也最廣泛的一種流量測量儀表，同時也是目前生產(chǎn)中最成熟的流量測量儀表之一。它是基于流體流動的節(jié)流原理，利用流體流經(jīng)節(jié)流裝置時產(chǎn)生的壓力差與其流量有關(guān)而實現(xiàn)流量測量的。差壓式流量計通常是由能將被測流量轉(zhuǎn)換成差壓信號的節(jié)流裝置(包括節(jié)流元件和取壓裝置)、導(dǎo)壓管和差壓計或差壓變送器及其顯示儀表三部分所組成。在單元組合儀表中，由節(jié)流裝置所產(chǎn)生的差壓信號，常通過差壓變送器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號或氣信號，以供顯示、調(diào)節(jié)用。36第36頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二3、流量的測量與變送節(jié)流現(xiàn)象及其原理流體在有節(jié)流元件的管道中流動時，在節(jié)流元件前后的管璧處，流體的靜壓力產(chǎn)生差異的現(xiàn)象稱為節(jié)流現(xiàn)象，如圖3-1所示。所謂節(jié)流裝置就是設(shè)置在管道中能使流體產(chǎn)生局部收縮的節(jié)流元件和取壓裝置的總稱。應(yīng)用最廣泛的節(jié)流元件是孔板，其次是噴嘴、文丘里管。下面以孔板為例說明節(jié)流原理。

37第37頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二3、流量的測量與變送下圖表示在孔板前后流體的流速與壓力的分布情況：

38第38頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二3、流量的測量與變送

沿管道軸向連續(xù)地向前流動的流體，由于遇到節(jié)流元件的阻擋，使靠近管壁處的流體受到的阻擋作用最強，因而使其一部分動壓能轉(zhuǎn)化成靜壓能，于是就出現(xiàn)了節(jié)流元件入口端面靠近管壁處的流體靜壓力P1，的升高(即圖中P1＞P2)。此壓力比管道中心處壓力要大，即在節(jié)流元件入口端面處產(chǎn)生一徑向壓差。這一徑向壓差使流體產(chǎn)生徑向附加速度，從而使靠近管壁處的流體質(zhì)點的流向就與管道中心軸線相傾斜，形成了流束的收縮運動。同時，由于流體運動的慣性，使得流束收束最厲害(即流束最小截面)的位置不在節(jié)流孔處，而是位于節(jié)流孔之后(即圖中截面Ⅱ處)，并隨流量大小而變化。以上就是流體流經(jīng)節(jié)元件時，流束為什么產(chǎn)生收縮的原因。39第39頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二3、流量的測量與變送

由于節(jié)流元件的阻擋造成了流束的局部收縮，同時，又因流體始終處于連續(xù)穩(wěn)定的流動狀態(tài)，因此在流束截面最小處的流速達(dá)到最大。根據(jù)伯努利方程式和位能、動能的相互轉(zhuǎn)化原理，在流束截面最小處的流體靜壓力最低，同理，在孔板出口端面處，由于流速已比原來增大，因此靜壓力也就較原來為低(即圖中P2<P1)。故節(jié)流元件入口側(cè)的靜壓P1比其出口側(cè)的靜壓P2大，即在節(jié)流元件前后產(chǎn)生壓差ΔP。節(jié)流元件前流體壓力較高，常稱為正壓，并用“+”標(biāo)記；節(jié)流元件后流體靜壓力較低，常稱為負(fù)壓，并用“—”標(biāo)記。并且流量愈大，流束局部收縮和位能、動能的轉(zhuǎn)化也愈顯著，即ΔP也愈大。所以只要測出元件前后的壓力差ΔP就可求得流經(jīng)節(jié)流元件的流體流量。這就是節(jié)流裝置測量流量基本原理。40第40頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二3、流量的測量與變送

流量基本方程式是用來闡明流量與壓差之間的定量關(guān)系。它是根據(jù)流體力學(xué)中的伯努利方程式利連續(xù)性方程式推導(dǎo)而得的，即式

式中α一流量系數(shù)。它與節(jié)流元件的結(jié)構(gòu)形式、取壓方式、孔口截面積之比m；雷諾數(shù)Re、孔口邊緣尖銳度、管壁粗糙度等因素有關(guān)。可從有關(guān)手冊查得ε——膨脹校正系數(shù)。它與孔板前后壓力的相對變化量、介質(zhì)的等熵指數(shù)m等有關(guān)。也可從有關(guān)手冊查得。但對不可壓縮的液體來說，常取ε=1;A?！?jié)流元件的開孔截面積;ΔP——節(jié)流元件前后實際測得的靜壓差;ρ1————節(jié)流元件前流體密度41Q=αεA02ΔPρ1

M=αεA0√2ρ1ΔP第41頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二3、流量的測量與變送

在計算時，如果把Ao用π/4d2表示，d為工作溫度下孔板孔口直徑，單位為mm，而ΔP以Mpa為單位，則上述基本流量方程式可換算為實用流量計算公式，即：式中0.3998=3600×10-6×π/4×√2。以上流量公式表明，當(dāng)αερd等均為常數(shù)時，流量與壓差的平方根成正比。因此，由理論推導(dǎo)得來的流量基本方程式，應(yīng)用到測量實際生產(chǎn)中的流體流量時，公式中各系數(shù)應(yīng)能滿足在測量條件下的相對穩(wěn)定，這是采用這種流量計能否達(dá)到準(zhǔn)確測量的前提。因為流量與壓差的平方根成正比，所以，用這種流量計測量流量時，如果不加開方器，流量標(biāo)尺刻度是不均勻的。起始部分的刻度很密，后來逐漸變疏。因此，在用差壓法測量流量時，被測流量值不應(yīng)接近于儀表刻度的下限值，否則誤差將會很大。一般不要讓流量計運行在量程的30%以下。

42Q=0.003998αεd2ΔPρ1

M=0.003998αεd2

√ρ1ΔP第42頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二4、液位的測量與變送在石油化工生產(chǎn)中，常遇到測量容器中介質(zhì)的液位和界面的位置問題，液位測量是這個問題的一個方面。一般液位測量有兩種目的：一種是通過液位測量來確定容器里的原料或產(chǎn)品的數(shù)量，以保證生產(chǎn)過程中各環(huán)節(jié)得到預(yù)先計劃好的原料用量或進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算；另一種是通過液位測量，了解液位是否在規(guī)定范圍內(nèi)，以便及時監(jiān)視或控制容器液位，保證安全生產(chǎn)以及產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。由于各種被測介質(zhì)的性質(zhì)不同，各種生產(chǎn)設(shè)備的操作條件也不同，所以需要各種各樣的液位測量儀表，以滿足生產(chǎn)的不同需要，下表列出了各種液位測量儀表的主要特點和應(yīng)用場合。43第43頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二4、液位的測量與變送

44第44頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二4、液位的測量與變送4.1浮筒式液位計

浮筒式液位計是一種應(yīng)用浮力原理測量液位的儀表。利用浮筒浸沉在被測液體中，當(dāng)液位變化時，浮筒被浸沒程度不同，浮筒所受浮力也不同。只要測出浮力的變化，液位的高低便確定了。它主要由浮筒、杠桿、扭力臂及芯軸等組成。浮筒垂直地懸掛在杠桿的一端，杠桿的另一端與扭力管、芯軸的B端垂直地固定在一起，并由固定在外殼上的支點所支撐。扭力管的A端通過法蘭固定在儀表外殼上，芯軸的另一端為自由端，用來輸出角位移。45第45頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二4、液位的測量與變送

46第46頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二4、液位的測量與變送當(dāng)液位低于浮筒時，浮筒的全部重量作用在杠桿上，因而作用在扭力管上的扭力矩最大，使扭力管帶動芯軸扭轉(zhuǎn)的角位移也最大(約7。)。此時扭力管扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的彈性反力矩與鈕力矩相平衡；當(dāng)液位高于浮筒下端時，作用在杠桿上的力為浮筒重量與浮筒所受浮力之差，因此，隨著液位的升高，扭力矩將減小，扭力管帶動芯軸的扭角也相應(yīng)減小。在最高液位時，扭角最小(約2。)。由上可知，扭力管扭角的變化量即芯軸角位移的變化量Δθ與液位H成比例，其關(guān)系如下Δθ=-KH式中K-------轉(zhuǎn)換系數(shù)。

47第47頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二4、液位的測量與變送

即液位愈高，扭角愈小。若將扭角通過芯軸變成擋板或霍爾片的位移，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的氣信號或電信號，這樣就構(gòu)成了氣動或電動轉(zhuǎn)換部分。

浮筒式液位變送器的輸出信號不僅與液位高度有關(guān)，而且還與被測介質(zhì)的密度有關(guān)。因此對于同一液位高度，當(dāng)介質(zhì)種類不同或因工藝操作條件變化使介質(zhì)密度改變時，儀表的測量結(jié)果是不相同的。

48第48頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二4、液位的測量與變送4.2差壓式液位計

差壓式液位計是應(yīng)用差壓計或差壓變送器來測量變送器液位的，是目前應(yīng)用得最廣泛的一種液位測量儀表。差壓式液位汁是利用容器內(nèi)液位改變時，由液柱產(chǎn)生的靜壓也相應(yīng)變化的原理而工作的，如圖所示。

49+-HP氣

P液

Q入

P出排污當(dāng)差壓變送器的一端接液相，另一端接氣相時根據(jù)流體靜力學(xué)原理，我們知道，變送器正壓室受到的壓力為：Pl=P氣十Hρg式中H液位高度;ρ介質(zhì)密度;g重力加速度;P氣氣相壓力。圖4-3差壓變送器測量液位示意圖第49頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二4、液位的測量與變送差壓變送器負(fù)壓室壓力P2=P氣，則正負(fù)壓室的差壓為：ΔP=P1-P2通常，被測介質(zhì)的密度是已知的。因此，測得差壓值就能知道液位高度。若被測容器是敞口的，氣相壓力為大氣壓力，則差壓變送器的負(fù)壓室通大氣就可以了，這時也可用壓力變送器或壓力計來直接測量液位的高低。圖示容器是受壓的，則將負(fù)壓室與容器氣相相連接，以平衡氣相壓力的靜壓作用。50第50頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二4、液位的測量與變送

為了解決測量具有腐蝕性或含有結(jié)晶顆粒以及粘度大，易疑固等液體液位及引壓管線被腐蝕、被堵的問題，而專門生產(chǎn)了法蘭式差壓變送器。變送器的法蘭直接與容器上的法蘭相連接，如圖所示。作為敏感元件的測量頭(金屬膜盒)，經(jīng)毛細(xì)管與變送器的測量室相通。在膜盒、毛細(xì)管和測量室所組成的封閉系統(tǒng)內(nèi)充有硅油，作為傳壓介質(zhì)，并使被測介質(zhì)不進(jìn)入毛細(xì)管與變送器。

51第51頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二4、液位的測量與變送52+-——==-+Hhρ氣正遷移情況ρ+-——==-+312

法蘭式液位變送器測液位1、法蘭2、毛細(xì)管3、變送器第52頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二二、自動控制基礎(chǔ)知識

調(diào)節(jié)對象：自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工藝生產(chǎn)設(shè)備 給定值：生產(chǎn)中要求保持的工藝指標(biāo) 偏差：在自動化系統(tǒng)中，e=x-z給定值x大于測量值z時為正偏差，反之為負(fù)偏差；但在單獨討論調(diào)節(jié)器時，正好相反，即e=z-x。系統(tǒng)的過渡過程：調(diào)節(jié)系統(tǒng)在受干擾作用后，在調(diào)節(jié)器的控制下，被調(diào)參數(shù)隨時間而變化的過程。如果調(diào)節(jié)正常的話，這個過程是一個衰減振蕩的過程。傳遞函數(shù)及方框圖53調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥對象變送器x+e-H第53頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二二、自動控制基礎(chǔ)知識控制質(zhì)量指標(biāo)衰減比：表示系統(tǒng)的衰減程度的標(biāo)志，η=B1/B2（4:1~10:1常用）最大偏差A(yù)振蕩周期Pu余差C：過渡過程結(jié)束后，新穩(wěn)定值與給定值之差過渡時間T：從被調(diào)參數(shù)變化之時起，直到進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)值的±5%所需的時間54第54頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二二、自動控制基礎(chǔ)知識

55100%給定0%參數(shù)T自動控制系統(tǒng)的過渡過程±5%B1B2PuA第55頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二二、自動控制基礎(chǔ)知識調(diào)節(jié)器：根據(jù)偏差，按一定的運算規(guī)律產(chǎn)生輸出信號。比例P、積分I、微分D比例P：有兩種表示方式:比例度δ%和增益K，K=1/δ%, K增大，系統(tǒng)的穩(wěn)定器變差，控制質(zhì)量提高。 純比例調(diào)節(jié)時，K=輸出/輸入積分I：積分時間以Ti（分）來表示，積分作用的基本目的是在系統(tǒng)經(jīng)受干擾后使系統(tǒng)輸出返回設(shè)定值（即消除余差）。Ti↑系統(tǒng)穩(wěn)定性↑，Ti↓積分作用越強。微分D：微分時間以Td（分）來表示，微分作用的基本目的是能補償容量的滯后，使系統(tǒng)穩(wěn)定性改善，從而允許使用高的增益，并提高響應(yīng)速度。Td↑作用強，太強會振蕩。56第56頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二二、自動控制基礎(chǔ)知識比例控制P：比例，輸出與偏差成比例，但不能消除余差，它是以“偏差的大小”來動作的。比例積分控制PI：積分，輸出與偏差對時間的積分成比例，消除余差，它以“偏差是否存在”來動作

比例積分微分控制PID：微分，輸出與偏差變化的速度成比例，有超前調(diào)節(jié)的作用，對滯后大的對象有很好的效果。57第57頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二二、自動控制基礎(chǔ)知識調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定經(jīng)驗法（如表） a、流量系統(tǒng)PI控制 b、液位系統(tǒng)P控制 c、壓力系統(tǒng)PI控制 d、溫度系統(tǒng)PID控制臨界比例度法 比例調(diào)節(jié)，慢慢增大K，直至臨界等幅振蕩，測出Kmax和Pu衰減曲線法響應(yīng)曲線法系統(tǒng)δ%Ti分Td分溫度20~603~100.5~3流量40~1000.1~1壓力30~700.4~3液位20~80(>10)控制KTiTdP0.5KmaxPI0.45Kmax0.83PuPID0.6Kmax0.5Pu0.12Pu58Pu第58頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二三、調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)原理調(diào)節(jié)閥=執(zhí)行機(jī)構(gòu)+閥體部件59第59頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二三、調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：調(diào)節(jié)閥的推動裝置，它按信號壓力的大小產(chǎn)生相應(yīng)推力，使閥桿相應(yīng)的位移、閥芯動作。60序

號零

件

名

稱序

號零

件

名

稱1吊

環(huán)

螺

母10下

膜

蓋2上

膜

蓋11六

角

螺

栓

3膜

片12推

桿4托

盤13支

架5限

位

件14導(dǎo)

向

套6行

程

檔

塊15指

針7六

角

螺

母16標(biāo)

尺8彈

簧17閥

桿

連

接

部

件9防

雨

帽18銘

牌第60頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二三、調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥解體圖閥體部件：調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)部分，它直接與介質(zhì)接觸，由閥芯的動作，改變調(diào)節(jié)閥節(jié)流面積，達(dá)到調(diào)節(jié)的目的。61第61頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二三、調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)：分氣動薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)、氣動活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)和長執(zhí)行機(jī)構(gòu)。氣動薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)：分正、反兩種形式。當(dāng)信號壓力增加時，閥桿向下動作的叫正作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)。反之，信號增加閥桿向上的叫反作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通常接受20~100KPa的標(biāo)準(zhǔn)信號壓力，帶定位器時，最高壓力為250KPa，其行程規(guī)格有10、16、25、40、60、100mm六種。氣動活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)：比上述更強力的輸出機(jī)構(gòu)，其壓力可達(dá)500KPa，而且無彈簧抵消推力，輸出力大，適用于大口徑、高靜壓、高壓差閥和蝶閥。氣動長行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)：具有行程長、轉(zhuǎn)矩大的特點，它將信號氣壓轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的轉(zhuǎn)角（0~900）或位移（200~400mm），適合于角行程調(diào)節(jié)閥的需要，多用于大轉(zhuǎn)矩的蝶閥、閘閥、風(fēng)門等。62第62頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二三、調(diào)節(jié)閥閥體部件（如圖所示）直通單座閥：泄漏量小、許用壓差小、流通能力小。直通雙座閥：許用壓差大、流通能力大、泄漏量大。不適用于高粘度、含懸浮顆粒的流體套筒調(diào)節(jié)閥：穩(wěn)定性好，不易引起閥芯振動；互換性和通用性強，只要更換套筒就可得到不同的流量系數(shù)和流量特性；許用壓差大，熱膨脹影響小，；維修方便，閥座是通過螺紋與閥體相連的；使用壽命長；噪音低（比單、雙座閥低10分貝）63 1、直通單座；2、直通雙座；3、角形；4、隔膜閥；5、蝶閥；6、閥體分離閥；7、合流型三通調(diào)節(jié)閥；8、分流型三通調(diào)節(jié)閥第63頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二三、調(diào)節(jié)閥偏心旋轉(zhuǎn)閥：⑴流路簡單，阻力小，用物含固體懸浮物和高粘度的流體調(diào)節(jié)較為理想⑵流通能力較大，比同口徑的單、雙座閥大10~30%，可調(diào)比大，可達(dá)100：1⑶閥芯球面偏心旋轉(zhuǎn)運動減少了所要求的操作力矩，在流開流閉下都能穩(wěn)定操作，在高壓差下能順利使用，同時用較小的力就能嚴(yán)密關(guān)閉，所以泄漏量小。⑷可通過改變定位器中凸輪板位置，方便地得到直線或等百分比流量特性⑸體積小，重量輕，可根據(jù)現(xiàn)場安裝位置，不更換任何零件靈活組裝64第64頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二三、調(diào)節(jié)閥角形閥：角形調(diào)節(jié)閥除閥體為直角形外，其他結(jié)構(gòu)與直通單座閥調(diào)節(jié)閥相似⑴流路簡單，死區(qū)和渦流區(qū)較小，借助介質(zhì)自身的沖刷作用，可有效地防止介質(zhì)堵塞，有較好的自潔性能⑵流阻小，流量系數(shù)比單座閥大，相當(dāng)于雙座閥的流量系數(shù) 它適用于高粘度、含懸浮物和顆粒狀流體的場合，或用于要求直角配管的地方，其流向一般為底進(jìn)側(cè)出。高壓調(diào)節(jié)閥：適用于高靜壓和高壓閥調(diào)節(jié)的特殊閥門，最大公稱壓力為32MPa，常見的結(jié)構(gòu)有多級閥芯和單級閥芯。多級閥芯是幾個閥芯串在一起相當(dāng)幾個閥逐漸降壓，但這種閥結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，調(diào)節(jié)性能差，應(yīng)用較少；單級閥芯多為角形單座，但在高壓差下，流體對閥芯、閥座的沖刷和氣蝕嚴(yán)重，使用壽命短。65第65頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二三、調(diào)節(jié)閥蝶閥（翻板閥）：流通能力大，約為同口徑雙座閥的1.5~3倍；阻力損失??；沉積物不易積存；結(jié)構(gòu)緊湊，安裝空間很小。但操作轉(zhuǎn)矩大，泄漏量較大，可調(diào)范圍小。 特別適用于低壓差、大口徑、大流量的氣體和漿狀液體O型球閥：可起調(diào)節(jié)和切斷作用，常用于兩位式控制。它流路簡單，全開時完全形成直管通道，壓力損失最小，特別適用于高粘度、懸浮液、紙漿等流體場合。密封可靠，泄漏量很小，軟密封球閥可達(dá)到氣泡級密封。V型球閥：流通能力大，比普通閥高2倍以上；控制特性好，為等百分比；可調(diào)范圍大，可達(dá)300：1；具有剪切作用，能嚴(yán)密關(guān)閉，適用于漿料、纖維狀流體場合。主要缺點是操作壓力受到限制，高壓降時不適用。66第66頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二三、調(diào)節(jié)閥隔膜調(diào)節(jié)閥：隔膜調(diào)節(jié)閥用耐腐蝕襯里的閥體和膜片代替閥芯和閥座，由隔膜起調(diào)節(jié)作用優(yōu)點：1、用橡膠等材料做隔膜，抗腐蝕性能好。 2、結(jié)構(gòu)簡單，流路阻力小，同時能嚴(yán)密關(guān)閉。 3、流通能較同口徑的其他閥大。 4、流體被隔膜與閥門可動部件隔開，無需填料也不會外泄缺點：1、由于隔膜和襯里材質(zhì)限制，耐壓、耐溫較低，一般只能用于1.6MPa、150℃以下。 2、控制特性差，可調(diào)范圍小，流量特性近似快開特性，60%行程前近似線性，60%后流量變化很小。 隔膜調(diào)節(jié)閥適用于強酸、強堿等強腐蝕介質(zhì)的調(diào)節(jié)，也能用于高粘度及懸浮顆粒流體的調(diào)節(jié)。67第67頁，共78頁，2023年，2月20日，星期二三、調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥的