儀表培訓教材1

第一篇基礎知識第一章儀表基礎知識第一節(jié)儀表分類檢測與過程控制儀表(通常稱自動化儀表)分類方法很多，根據(jù)不同原則可以進行相應的分類。例如按儀表所使用的能源分類，可以分為氣動儀表、電動儀表和液動儀表(很少見)；按儀表組合形式，可以分為基地式儀表、單元組合儀表和綜合控制裝置，按儀表安裝形式；可以分為現(xiàn)場儀表、盤裝儀表和架裝儀表，隨著微處理機的蓬勃發(fā)展，根據(jù)儀表有否引入微處理機(器)又可以分為智能儀表與非智能儀表。根據(jù)儀表信號的形式可分為模擬儀表和數(shù)字儀表。檢測與過程控制儀表最通用的分類是按儀表在測量與控制系統(tǒng)中的作用進行劃分，一般分為檢測儀表、顯示儀表、調(diào)節(jié)(控制)儀表和執(zhí)行器四大類，見表1—1—1。檢測儀表根據(jù)其被測變量不同，根據(jù)化工生產(chǎn)五大參量又可分為溫度檢測儀表、流量檢測儀表、壓力檢測儀表、物位檢測儀表和分析儀表(器)。表1—1—1檢測與過程控制儀表分類表按功能按被測變量按工作原理或結構形式按組合形式按能源其他檢測儀表壓力液柱式，彈性式，電氣式，活塞式單元組合電、氣智能溫度膨脹式，熱電偶，熱電阻，光學，輻射單元組合智能流量節(jié)流式，轉(zhuǎn)子式，容積式，速度式，靶式，電磁，旋渦單元組合電、氣智能物位直讀，浮力，靜壓，電學，聲波，輻射，光學單元組合電、氣智能成分pH，氧分析，色譜，紅外，紫外，實驗室和流程顯示儀表模擬和數(shù)宇電、氣單點，多點，打印，筆錄指示和記錄動圈，自動平衡電橋，電位差計調(diào)節(jié)(控制)儀表自力式基地式氣動組裝式單元組合電動可編程執(zhí)行器執(zhí)行機構薄膜，活塞，長行程，其他執(zhí)行機構和閥可以進行各種組合氣、電、液閥直通單座，直通雙座，套筒(籠式)球閥，蝶閥，直線，對數(shù)，拋物線，快開顯示儀表根據(jù)記錄和指示、模擬與數(shù)字等功能，又可以分為記錄儀表和指示儀表、模擬儀表和數(shù)顯儀表，其中記錄儀表又可分為單點記錄和多點記錄(指示亦可以有單點和多點)，其中又有有紙記錄或無紙記錄，若是有紙紀錄又分筆錄和打印記錄。調(diào)節(jié)儀表可以分為基地式調(diào)節(jié)儀表和單元組合式調(diào)節(jié)儀表。由于微處理機引入，又有可編程調(diào)節(jié)器與固定程序調(diào)節(jié)器之分。執(zhí)行器由執(zhí)行機構和調(diào)節(jié)閥兩部分組成。執(zhí)行機構按能源劃分有氣動執(zhí)行器、電動執(zhí)行器和液動執(zhí)行器，按結構形式可以分為薄膜式、活塞式(氣缸式)和長行程執(zhí)行機構。調(diào)節(jié)閥根據(jù)其結構特點和流量特性不同進行分類，按結構特點分通常有直通單座、直通雙座、三通、角形、隔膜、蝶形、球閥、偏心旋轉(zhuǎn)、套筒(籠式)、閥體分離等，按流量特性分有直線、對數(shù)(等百分比)、拋物線、快開等。這類分類方法相對比較合理，儀表覆蓋面也比較廣，但任何一種分類方法均不能將所有儀表分門別類地劃分得井井有序，它們中間互有滲透，彼此溝通。例如變送器具有多種功能，溫度變送器可以劃歸溫度檢測儀表，差壓變送器可以劃歸流量檢測儀表，壓力變送器可以劃歸壓力檢測儀表，若用靜壓法測液位可以劃歸物位檢測儀表，很難確切劃歸哪一類。另外單元組合儀表中的計算和輔助單元也很難歸并。第二節(jié)儀表主要性能指標一、概述在工程上儀表性能指標通常用精確度(又稱精度)、變差、靈敏度來描述。儀表工校驗儀表通常也是調(diào)校精確度、變差和靈敏度三項。變差是指儀表被測變量(可理解為輸入信號)多次從不同方向達到同一數(shù)值時，儀表指示值之間的最大差值，或者說是儀表在外界條件不變的情況下，被測參數(shù)由小到大變化(正向特性)和被測參數(shù)由大到小變化(反向特性)不一致的程度，兩者之差即為儀表變差，如圖1—1—1所示。變差大小取最大絕對誤差與儀表標尺范圍之比的百分比：(1—1—1)其中=│A1一A2│變差產(chǎn)生的主要原因是儀表傳動機構的間隙，運動部件的摩擦，彈性元件滯后等。隨著儀表制造技術的不斷改進，特別是微電子技術的引入，許多儀表全電子化了，無可動部件，模擬儀表改為數(shù)字儀表等等，所以變差這個指標在智能型儀表中顯得不那么重要和突出了。靈敏度是指儀表對被測參數(shù)變化的靈敏程度，或者說是對被測的量變化的反應能力，是在穩(wěn)態(tài)下，輸出變化增量對輸入變化增量的比值：(1—1—2)式中S—儀表靈敏度—儀表輸出變化增量；—儀表輸入變化增量；靈敏度有時也稱“放大比”，也是儀表靜特性曲線上各點的斜率。增加放大倍數(shù)可以提高儀表靈敏度，單純加大靈敏度并不改變儀表的基本性能，即儀表精度并沒有提高，相反有時會出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，造成輸出不穩(wěn)定。儀表靈敏度應保持適當?shù)牧?。然而對于儀表用戶，諸如化工企業(yè)儀表工來講，儀表精度固然是一個重要指標，但在實際使用中，往往更強調(diào)儀表的穩(wěn)定性和可靠性，因為化工企業(yè)檢測與過程控制儀表用于計量的為數(shù)不多，而大量的是用于檢測。另外，使用在過程控制系統(tǒng)中的檢測儀表其穩(wěn)定性、可靠性比精度更為重要。二、精確度儀表精確度簡稱精度，又稱準確度。精確度和誤差可以說是孿生兄弟，因為有誤差的存在，才有精確度這個概念。儀表精確度簡言之就是儀表測量值接近真值的準確程度，通常用相對百分誤差(也稱相對折合誤差)表示。相對百分誤差公式如下：(1—1—3)式中—檢測過程中相對百分誤差；(標尺上限值一標尺下限值)—儀表測量范圍；—絕對誤差，是被測參數(shù)測量值x1和被測參數(shù)標準值x2之差。所謂標準值是精確度比被測儀表高3～5倍的標準表測得的數(shù)值。從式(1—1—3)中可以看出，儀表精確度不僅和絕對誤差有關，而且和儀表的測量范圍有關。絕對誤差大，相對百分誤差就大，儀表精確度就低。如果絕對誤差相同的兩臺儀表，其測量范圍不同，那么測量范圍大的儀表相對百分誤差就小，儀表精確度就高。精確度是儀表很重要的一個質(zhì)量指標，常用精度等級來規(guī)范和表示。精度等級就是最大相對百分誤差去掉正負號和％。按國家統(tǒng)一規(guī)定劃分的等級有0.005，0.02，0.05，0.1，0.35，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。儀表精度等級一般都標志在儀表標尺或標牌上，如〈0.5〉，（0.5），0.5等，數(shù)字越小，說明儀表精確度越高。要提高儀表精確度，就要進行誤差分析。誤差通?？梢苑譃槭韬稣`差、緩變誤差、系統(tǒng)誤差和隨機誤差。疏忽誤差是指測量過程中人為造成的誤差，一則可以克服，二則和儀表本身沒有什么關系；緩變誤差是由于儀表部元器件老化過程引起的，它可以用更換元器件、零部件或通過不斷校正加以克服和消除。系統(tǒng)誤差是指對同一被測參數(shù)進行多次重復測量時，所出現(xiàn)的數(shù)值大小或符號都相同的誤差，或按一定規(guī)律變化的誤差，可以通過分析計算加以處理，使其最后的影響減到最小，但是難以完全消除。隨機誤差(偶然誤差)是由于某些目前尚未被人們認識的偶然因素所引起，其數(shù)值大小和性質(zhì)都不固定，難以估計，但可以通過統(tǒng)計方法從理論估計其對檢測結果的影響。誤差來源主要指系統(tǒng)誤差和隨機誤差。在用誤差表示精度時，是指隨機誤差和系統(tǒng)誤差之和。三、復現(xiàn)性(重復性)測量復現(xiàn)性是在不同測量條件下，如不同的方法，不同的觀測者，在不同的檢測環(huán)境對同一被檢測的量進行檢測時，其測量結果一致的程度。測量復現(xiàn)性作為儀表的性能指標，表征儀表的特性尚不普及，但是隨著智能儀表的問世、發(fā)展和完善，復現(xiàn)性必將成為儀表的重要性能指標。測量的精確性不僅僅是儀表的精確度，它還包括各種因素對測量參數(shù)的影響，是綜合誤差。以電動Ⅲ型差壓變送器為例，綜合誤差如下式所示：e綜＝(e02+e12+-e22+e32+e42????????????…)1/2(1—1—4)式中e0--(25±1)℃狀態(tài)下的參考精度，±0.25％或±0.5％；e1——環(huán)境溫度對零點(4mA)的影響，±1.75％；e2——環(huán)境溫度對全量程(20mA)的影響，±0．5％；e3--工作壓力對零點(4mA)的影響，±0.25％；e4--工作壓力對全量程(20mA)的影響，±0．25％。將e0、e1、e2、e3、e4的的數(shù)值代入式(1—1—4)得：e綜=這說明0.25級電動Ⅲ變送器測量精度由于溫度和工作壓力變化的影響，由原來的0.25級下降為1.87，說明這臺儀表復現(xiàn)性差。它也說明對同一被測的量進行檢測時，由于測量條件不同，受到環(huán)境溫度和工作壓力的影響。其測量結果一致的程度差。若用一臺全智能差壓變送器代替上例中電動Ⅲ型差壓變送器，對應于式(1—1—4)中的e0＝±0.0625％，e1+e2＝±0.075％，e3+e4=±0.15％，代入式(1—1—4)得e綜=±0.18％，由此可見全智能差壓變送器測量綜合誤差e綜=±0.18％，要比電動重型差壓變送器e綜=±1.87％小得多，說明全智能差壓變送器對溫度和壓力進行補償、抗環(huán)境溫度和工作壓力能力強?？梢杂脙x表復現(xiàn)性來描述儀表的抗干擾能力。測量復現(xiàn)性通常用不確定度來估計。不確定度是由于測量誤差的存在而對被測量值不能肯定的程度，可采用方差或標準差(取方差的正平方根)表示。不確定度的所有分量分為兩類：A類：用統(tǒng)計方法確定的分量B類：用非統(tǒng)計方法確定的分量．設A類不確定度的方差為si2(標準差為si)，B類不確定度假定存在的相應近似方差為uj2(標準差為uj)，則合成不確定度為：δ=(∑si2+∑uj2)1/2(1—1—5)四、穩(wěn)定性在規(guī)定工作條件內(nèi)，儀表某些性能隨時間保持不變的能力稱為穩(wěn)定性(度)。儀表穩(wěn)定性是化工企業(yè)儀表十分關心的一個性能指標。由于化工企業(yè)使用儀表的環(huán)境相對比較惡劣，被測量的介質(zhì)溫度、壓力變化也相對比較大，在這種環(huán)境中投入儀表使用，儀表的某些部件隨時間保持不變的能力會降低，儀表的穩(wěn)定性會下降。衡量或表征儀表穩(wěn)定性現(xiàn)在尚未有定量值，化工企業(yè)通常用儀表零點漂移來衡量儀表的穩(wěn)定性。儀表投入運行一年之中零位沒有漂移，說明這臺儀表穩(wěn)定性好，相反儀表投入運行不到3個月，儀表零位就變了，說明儀表穩(wěn)定性不好。儀表穩(wěn)定性的好壞直接關系到儀表的使用范圍，有時直接影響化工生產(chǎn)。儀表穩(wěn)定性不好造成的影響往往比儀表精度下降對化工生產(chǎn)的影響還要大。儀表穩(wěn)定性不好，儀表維護量也大，是儀表工最不希望出現(xiàn)的事情。五、可靠性儀表可靠性是化工企業(yè)儀表工所追求的另一個重要性能指標?？煽啃院蛢x表維護量是相反相成的，儀表可靠性高說明儀表維護量小，反之儀表可靠性差，儀表維護量就大。對于化工企業(yè)檢測與過程控制儀表，大部分安裝在工藝管道、各類塔、釜、罐、器上，而且化工生產(chǎn)的連續(xù)性，多數(shù)有毒、易燃易爆的環(huán)境，這些惡劣條件給儀表維護增加了很多困難，一是考慮化工生產(chǎn)安全，二是關系到儀表維護人員人身安全，所以化工企業(yè)使用檢測與過程控制儀表要求維護量越小越好，亦即要求儀表可靠性盡可能地高。隨著儀表更新?lián)Q代，特別是微電子技術引入儀表制造行業(yè)，使儀表可靠性大大提高。儀表生產(chǎn)廠商對這個性能指標也越來越重視，通常用平均無故障時間MTBF來描述儀表的可靠性。一臺全智能變送器的MTBF比一般非智能儀表如電動Ⅲ變送器要高10倍左右，它可高達100～390年。第三節(jié)工業(yè)控制儀表的發(fā)展一、模擬式控制儀表多年來，在自動化儀表的發(fā)展過程中，模擬式控制儀表是一個重要環(huán)節(jié)。它包括基地式儀表、單元組合儀表(氣動、電動)和組裝式儀表。1．單元組合儀表目前國內(nèi)生產(chǎn)的單元組合儀表主要技術條件如下：項目DDZ－IIDDZ－IIIQDZ－IV信號0～10mADC4～20mADC1～5VDC20～100kPa信號傳輸方式電流電流壓力壓力220VAC24VDC140kPa(壓縮空氣)防爆結構隔爆本安，隔爆基本電路元件晶體管分立元件集成運算電路氣動元件氣動單元組合儀表I型到重型儀表結構發(fā)生了很大變化，但外特性—信號傳輸制式仍然一樣。電動單元組合儀表從I型到Ⅲ型，無論從內(nèi)部結構以及外部特性都有了很大改變。DDZ—Ⅲ儀表以集成電路為主要放大元件，采用國際標準化的4～20mADC信號，根據(jù)應用需要，又不斷開發(fā)出新的功能單元，可十分靈活地組成各種控制系統(tǒng)。單元組合儀表由于結構簡單、維修方便、價格低廉等優(yōu)點，目前仍然在中、小型生產(chǎn)裝置中應用。在工程設計中，究竟采用氣動的還是電動的儀表，因其各有特長，應該根據(jù)裝置的具體條件進行綜合考慮和分析。以下幾點可供選用時參考：①集中操作程度；②是否與計算機相配合操作；③要求響應速度；④經(jīng)濟性；⑤可靠性及使用維護方面;⑥安全性(防爆、停電、氣源故障等);⑦環(huán)境條件及傳輸距離。一般來說，下列條件以選用氣動儀表為宜；①自變送器至顯示調(diào)節(jié)儀表間的距離較短，通常以不超過150m較為合適；②工藝物料是易燃易爆介質(zhì)及相對濕度很大的場合；③要求儀表投資少；④一般中小型企業(yè)要求易維修，經(jīng)濟可靠：⑤在以電動儀表為主的大型裝置里，有些現(xiàn)場就地調(diào)節(jié)回路不要求引入中央控制室集中操作時。下列條件以選擇電動儀表為宜：①變送器至顯示調(diào)節(jié)單元間的距離超過150m以上時；②大型企業(yè)要求高度集中管理的中央控制時；③設置有計算機進行控制及管理的對象；④要求響應速度快，信息處理及運算復雜的場合。在現(xiàn)代化生產(chǎn)裝置中都是發(fā)揮它們各自的特點進行混合選用的。從國外引進技術生產(chǎn)的I系列、EK系列儀表，基本結構及原理與國產(chǎn)DDZ單元組合儀表相似，在中、小型生產(chǎn)裝置上有大量的應用。2.組裝式儀表(組裝式電子綜合控制裝置)TF型組裝式電子綜合控制裝置是一種類似模擬計算機的綜合控制裝置?？刂蒲b置由一些標準化設計的功能組件塊插裝組合而成。顯示、操作功能集中在控制臺上實現(xiàn)，運算、控制功能則在機柜中實施。整套綜合控制裝置可按用戶要求設計。由于結構組件標準化，簡化了系統(tǒng)配線，降低了安裝費用。功能組件的基本元件為線性集成鬼路和TTL數(shù)字集成電路。3．基地式儀表基地式儀表指把測量、顯示、調(diào)節(jié)所有的功能件組裝在一塊儀表內(nèi)。它是工業(yè)自動化儀表早期發(fā)展的產(chǎn)物，現(xiàn)在已經(jīng)很少使用，但在一些生產(chǎn)裝置中，常常用于不太重要場合下的就地調(diào)節(jié)。KF系列指示調(diào)節(jié)儀就是一種現(xiàn)場型氣動指示調(diào)節(jié)儀，常用來測量和調(diào)節(jié)溫度、壓力、差壓、液位、流量。指示調(diào)節(jié)儀的技術特點如下：①測量元件量程寬；②采用空氣回路板和耐熱、耐寒表殼，大大地提高了儀表穩(wěn)定性及精度；③儀表帶有環(huán)境溫度補償機構；④各種類型指示調(diào)節(jié)儀中許多零件具有互換的通用性。二、數(shù)字式控制儀表1．集散型控制系統(tǒng)(DCS)作為當代先進科技結晶的集散型控制系統(tǒng)(DCS)，自1975年問世以來，經(jīng)過20多年的改進、發(fā)展，已經(jīng)成為一種相當成熟的控制儀表。90年代DCS的重要特點是把過程控制、監(jiān)視、信息管理有機地結合在一起，采用開放系統(tǒng)和標準的通訊協(xié)議，解決了不同廠家產(chǎn)品設備的互聯(lián)問題。由于采用了功能強大的工作站和32位微處理器，增加了程控、批量控制的能力。新一代的DCS更注重于信息網(wǎng)絡和管控一體化，技術特點體現(xiàn)在：①單元結構功能齊全；②完善的控制功能；③豐富的窗口技術；④速度＞5～10Mbps的局域網(wǎng)通訊；⑤采用通用化的UNIX或Windows操作系統(tǒng)，資源共享，信息集中管理，管控一體化；⑥采用冗余、容錯技術，故障自診斷技術，可靠性高，⑦組合靈活，擴展方便?，F(xiàn)代DCS的基本設計思想是信息集中、控制分散、配置靈活、組態(tài)方便。2．可編程控制器(PLC)可編程控制器(PLC)是與DCS同期發(fā)展并取得廣泛應用的數(shù)字式控制儀表。PLC早期開發(fā)的目的是為了取代繼電器，實施程序(邏輯)控制。通過編程進行邏輯運算，大大地提高靈活性。PLC進行邏輯運算速度非常快，在邏輯控制上明顯占有優(yōu)勢。隨著微電子技術發(fā)展，PLC自身也在不斷提高技術性能，拓寬應用范圍。多數(shù)PLC采用高性能處理器及實時多任務操作系統(tǒng)，在更快速地進行邏輯控制的同時也普遍增加回路控制功能，向DCS應用領域滲透。現(xiàn)代的PLC技術特點是：①功能齊全(邏輯控制，回路控制)；②網(wǎng)絡通訊功能增強；③具有豐富的圖形顯示功能；④編程標準化有利于PLC系統(tǒng)開放化。3．工業(yè)PC機近年來，工業(yè)自動化領域另一項發(fā)展很快的數(shù)字控制儀表是工業(yè)PC機控制(IPC)。IPC采用的是通用的微處理器(CPU)，可以具有很強的運算功能和速度。通訊采用標準化總線，有豐富的圖形顯示及多媒體技術，采用通用性強的UNIX或windows實時多任務操作系統(tǒng)，可提供方便、友好的人機畫面。IPC較之原來的PC機在可靠性、抗干擾能力、模板設計方面都有了很大改進。由于PC機價格低廉，所以IPC具有很好的性能價格比。IPC采用的是模塊化結構，系統(tǒng)構成，拓展十分靈活。由于它具備的優(yōu)點及性能，且可靠性在不斷提高，在過程控制中會得到進一步的推廣應用。第四節(jié)工業(yè)過程安全控制儀表的發(fā)展隨著生產(chǎn)裝置大型化、生產(chǎn)操作復雜化，對生產(chǎn)過程安全控制的要求越來越高。安全控制的目的是：①避免人員或生產(chǎn)設備的損傷；②避免由于事故而造成的的環(huán)境污染；③減少事故停車的損失。安全控制一般包括兩方面內(nèi)容：①信號報警，這是警告操作人員，生產(chǎn)操作已偏離正常工況，應引起警覺，②聯(lián)鎖/停車系統(tǒng)，這是當生產(chǎn)將要發(fā)生事故時而采取的緊急措施，避免事故的發(fā)生，保障操作人員和相關設備的安全。在早期的石油化工裝置中，信號報警采用閃光報警器，聯(lián)鎖/停車系統(tǒng)則大多選用繼電器或固態(tài)邏輯插卡。由于DCS、PLC的出現(xiàn)，信號報警和聯(lián)鎖、停車系統(tǒng)的實施有了新的發(fā)展，微處理器為報警信息存儲、快速處理提供了良好的手段。在考慮信號報警和聯(lián)鎖、停車系統(tǒng)設計時，應該遵循下列原則。①系統(tǒng)的構成可選用有觸點或無觸點回路，但必須動作可靠。②信號報警接點可利用儀表內(nèi)部接點也可另外設置報警接點。重要的報警點和聯(lián)鎖、停車用的接點則應單獨設置。③聯(lián)鎖、停車系統(tǒng)動作前應設置預報警信號。為確保安全，重要的聯(lián)鎖(停車)故障檢出器應設置二個或三個以上經(jīng)邏輯“或門”發(fā)出信號，即2取1或3取2系統(tǒng)。④設置聯(lián)鎖(停車)投用和解除開關。對于安全性要求較高的生產(chǎn)裝置，常常要求設置單獨的緊急停車系統(tǒng)(ESD)。目前我國尚無具體的安全要求等級劃分標準，安全要求等級劃分原則上可參考國際上的有關規(guī)定。例如德國技術控制委員會(TüV)將有關安全要求劃分為AK1～AK7級。安全等級劃分原則是將事故發(fā)生的可能性及其程度大小和防止事故發(fā)生的可能性結合在一起，以確定其風險等級。風險等級越高，則要求安全等級也越高。近年來對IEC1508草案提出的4級SIL的設計思路已被眾多化工、石化、煉油裝置所采用，而SIL等級需由對過程危險分析的結果來決定選用安全儀表系統(tǒng)。安全完整性SIL和TüV級別關系為：SIL1234TüV級別AK1～AK3AK4AK5，AK6AK7構成ESD的安全儀表系統(tǒng)有繼電器、固態(tài)邏輯電路、PLC故障安全控制系統(tǒng)(FSC)。繼電器型ESD可靠性高，不受大多數(shù)干擾影響，一次費用也較低，缺點是體積大，修改、擴展靈活性較差，在早期的ESD上使用較多。固態(tài)邏輯電路組件型ESD克服了繼電器諸多缺點，但價格偏高，程序不易修改。PLC型ESD由于具有方便靈活的編程功能，以采用冗余、容錯技術和故障自診斷技術大大提高了可靠性，已成為近期ESD主選系統(tǒng)。對于安全要求更高的生產(chǎn)裝置，則應選擇硬件、軟件都可以冗余配置韻專用故障安全控制系統(tǒng)(FSC)，它能做到：①故障發(fā)生后，系統(tǒng)有足夠的時間進行自診斷，發(fā)出故障信息，引起警戒，可及時排除故障；②采用容錯技術，將被動故障轉(zhuǎn)化為主動故障；③采用冗余技術實施故障隔離；④軟件方面有充分的故障安全措施。第二章計量知識第一節(jié)法定計量單位一、法定計量單位組成我國的法定計量單位(以下簡稱法定單位)包括：①國際單位制的基本單位(見表1—3—1)；②國際單位制的輔助單位(見表1—3—2)；③國際單位制中具有專門名稱的導出單位(見表1—3—3)；④國家選定的非國際單位制單位(見表1—3—4)；⑤由以上單位構成的組合形式的單位；⑥由詞頭和以上單位所構成的十進倍數(shù)和分數(shù)單位詞頭(見表1—3—5)。表1—3—1SI基本單位量單位名稱單位符號定義長度米m米等于氪—86原子的2p10和5d5能級之間躍遷所對應的輻射，在真空中的1650763.73個波長的長度質(zhì)量千克(公斤)kg千克是質(zhì)量單位，等于國際千克原器的質(zhì)量時間秒S秒是銫—133原子基態(tài)的兩個超精細能級之間躍遷所對應的輻射的919263l770個周期的持續(xù)時間電流安[培]A安培是一恒定電流，若保持在處于真空中相距1米的兩無限長，而圓截面可忽略的平行直導線內(nèi)，則在此兩導線之間產(chǎn)生的力在每米長度上等于2X10-7牛頓熱力學溫度開[爾文]K熱力學溫度單位開爾文是水三相點熱力學溫度的1／273.16物質(zhì)的量摩[爾]mol①摩爾是一系統(tǒng)的物質(zhì)的量，該系統(tǒng)中所包含的基本單元數(shù)與0.012千克碳-12的原子數(shù)目相等②在使用摩爾時，基本單元應予指明，可以是原子、分子、離子、電子及其他粒子，或是這些粒子的特定組合發(fā)光強度坎[德拉]cd坎德拉是一光源在給定方向上的發(fā)光強度，該光源發(fā)出頻率為540×1012赫茲的單色輻射，且在此方向上的輻射強度為1／683瓦特每球面度表1—3—2SI輔助單位量單位名稱單位符號定義平面角弧度rad弧度是一圓內(nèi)兩條半徑之間的平面角，這兩條半徑在圓周上截取的弧長與半徑相等立體角球面度sr球面度是一立體角，其頂點位于球心。而它在球面上所截取的面積等于以球半徑為邊長的正方形面積表1—3—3具有專門名稱的SI導出單位量SI單位名稱符號用其他SI單位表示的表示式用SI基本單位表示的表示式頻率赫[茲]HzS-1力牛[頓]Nm.kg.s-2壓強，(壓力)，應力帕[斯卡]PaN/m2m-1.kg.s-2能，功，熱量焦[耳]JN.mm2．kg．s-2功率，輻[射]通量瓦[特]WJ/sm2.kg.s-3電量，電荷庫[侖]Cs.A電位(電勢)，電壓，電動勢伏[特]VW/Am2．kg.S-3．A-1電容法[拉]FC/Vm-2．kg-1.s4．A2電阻歐[姆]nV/Am2．kg.s-3．A-2電導西[門子]SA/Vm-2．kg-1.s3.A2磁通[量]韋[伯]WbV.Sm2.kg.s-2．A-1磁感應[強度]，磁通密度特[斯拉]TWb/m2kg.s-2．A-1電感亨[利]HWb/Am2.kg.s-2．A-2攝氏溫度攝氏度℃K光通[量]流[明]lmCd.Sr[光]照度勒[克斯]lx1m/m2m-2.Cd.Sr[放射性]活度，(放射性強度)貝可[勒爾]BqS-1表1—3—4可與國際單位制單位并用的我國法定計量單位(摘自GB3100—93)表1—3—5用于構成十進倍數(shù)和分數(shù)單位詞頭(摘自GB3100—93)所表示的因數(shù)詞頭名稱詞頭符號所表示的因數(shù)詞頭名稱詞頭符號1018艾[克薩]E10-1分d1015拍[它]P10-2厘C1012太[拉]T10-3毫m109吉[咖]G10-6微μ106兆M10-9納[諾]n103千k10-12皮[可]p102百h10-15飛[母托]f101十da10-18阿[托]a二、常用化工計量單位對照化工企業(yè)常用計量單位以及非法定計量單位對照與換算列表于表1—3—6。表1—3-6化工常用計量單位對照表12μλμλΩ三、數(shù)字修約規(guī)則各種測量、計算的數(shù)值需要修約時，應按下列規(guī)則進行。1、在擬舍棄的數(shù)字中，若左邊第一個數(shù)字小于5(不包括5)，則舍去，所擬保留的末位數(shù)字不變。例如15.2434，修約到保留一位小數(shù)，修約前15.2434，修約后15.2。2、在擬舍棄的數(shù)字中，若左邊第一個數(shù)字大于5(不包括5)時，則進1，即所擬保留的末位數(shù)字加1。例48.4843，修約到保留一位小數(shù)，修約前48.4843，修約后48.5。3、在擬舍棄的數(shù)字中，若左邊第一個數(shù)字等于5，其右邊的數(shù)字并非全部為零時，則進1，即所擬保留的數(shù)字加1。例如，2.0501修約到只保留一位小數(shù)，修約前2.0501，修約后為2.1。4、在擬舍棄的數(shù)字中，若左邊第一個數(shù)字等于5，其右邊的數(shù)字皆為零，所擬保留的末位數(shù)字若為奇數(shù)則進1。若為偶數(shù)(包括“0”修約前修約后0.35000.40.45000.41.051.05、所擬舍棄的數(shù)字，若為兩位以上數(shù)字時，不得連續(xù)進行多次修約，應根據(jù)所擬舍棄數(shù)字中左邊第一個數(shù)字的大小，按上述規(guī)定一次修約出結果。例如將15.4546修約成整數(shù)，修約前15.4546，修約后15。若多次修約，一次修約為15.455，二次修約為15.46，三次修約為15.5，四次修約為16，這結果就是錯誤的。第二節(jié)量值傳遞一、企業(yè)計量標準為了保證檢測與過程控制儀表的完好，需要定期進行修理和校正，根據(jù)中華人民共和國計量法和有關法規(guī)的要求，這些儀表以及其他計量器具要定期進行檢定，企業(yè)根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)營管理和保證產(chǎn)品質(zhì)量的要求，有必要建立量值傳遞標準，也稱企業(yè)計量標準。企業(yè)計量標準通常分為兩個部分，一是企業(yè)最高標準，二是次級標準，也稱工作標準。對于石化、化肥、氯堿行業(yè)等大中型企業(yè)，在力學和電磁量傳遞系統(tǒng)中有企業(yè)最高標準和工作標準，大型化機企業(yè)在長度量傳遞系統(tǒng)中有企業(yè)最高標準和工作標準，對于中小型企業(yè)、橡膠行業(yè)、精細化工行業(yè)，一般只有企業(yè)最高標準而不設工作標準。企業(yè)要不要建立計量標準，建多少個標準比較好，提出以下原則供參考。①根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營、保證產(chǎn)品質(zhì)量等的實際需要出發(fā)，同時兼顧及時、方便、適用等因素。要考慮到化工生產(chǎn)的特點及對儀表的要求。②進行必要的經(jīng)濟分析。根據(jù)第①原則，初步確定企業(yè)應建計量標準；根據(jù)第②原則，進行經(jīng)濟分析，以獲得最佳方案。經(jīng)濟分析大致如下：計量器具檢定一般采取兩種方法，一是送檢，二是自檢。兩者費用作一粗略概算，加以比較，從而確定最佳方案。計量器具送檢所需費用FA＝NSP1+P2(1—3—1)式中FA--企業(yè)計量器具年送檢費用；N——送檢計量器具總數(shù)；S——年送檢次數(shù)；P1——每件計量器具檢定費用；P2--其他費用，如差旅費、修理費等。B．計量器具自檢所需費用FB＝PA+PB+PC+PD(1—3—2)式中，F(xiàn)B——企業(yè)自建計量標準年投資費用；PA--建標總投資每年折舊費用(總投資／使用年限)；PB——每年維護費用；PC——配備檢定人員年平均費用；pD—認證考核年平均費用。若FA≥FB（1—3—3）則建標為好。即使是FB稍大于FA，如有可能也應該建標，因為企業(yè)建標還包含著社會效益(如有可能可以對外開展技術服務，增加收益)，同時它也標志企業(yè)計量水平的一個方面。若FA《FB，則送檢為好。建立企業(yè)計量標準，有以下四個要素：第一，根據(jù)計量法有關法規(guī)，企業(yè)各項最高標準器具要經(jīng)過有關人民政府計量行政部門主持考核合格后才能使用。要求計量標準必須做到準確、可靠和完善，要求計量標準器、配套儀器和技術資料應具備以下條件：計量標準器及附屬設備的名稱、規(guī)格型號、精度等級、制造廠編號。出廠年、月。技術條件及使用說明書。定點計量部門檢定合格證書。政府計量部門考核結果，及考核所需的全部技術文件資料。計量標準器使用履歷表。第二，具有計量標準正常工作所需要的溫度、濕度、防塵、防震、防腐蝕、抗干擾等環(huán)境條件和工作場所。第三，計量檢定人員應取得所從事的檢定項目的計量檢定證件。第四，具有完善的管理制度，包括計量標準的保存、維護、使用制度、周期檢定制。度和技術規(guī)范。二、量值傳遞定義量值傳遞系統(tǒng)是指通過檢定，將國家基準所復現(xiàn)的計量單位量值通過標準逐級傳遞到工作用計量器具，以保證被測對象所測得的量值準確一致的工作系統(tǒng)。量值傳遞是計量領域中的常用術語，其含義是指單位量值的大小，通過基準、標準直至工作計量器具逐級傳遞下來。它是依據(jù)計量法、檢定系統(tǒng)和檢定規(guī)程，逐級地進行溯源測量的范疇。其傳遞系統(tǒng)是根據(jù)量值準確度的高低，規(guī)定從高準確度量值向低準確度量值逐級確定的方法、步驟。第三節(jié)常用計量器具這里介紹的常用計量器具通常稱為標準儀表(器)，主要用于檢定和調(diào)校在生產(chǎn)經(jīng)營過程中使用的檢測與過程控制用儀表(檢測、控制和計量)?；て髽I(yè)中最常用的計量器具有直流數(shù)字電壓表、直流數(shù)字萬用表、標準電阻箱、標準壓力表、標準直流電壓電流源、標準氣壓源等等。一、直流數(shù)字電壓表直流數(shù)字電壓表工作原理如圖1—3—10所示。被測信號(直流電壓模擬信號)經(jīng)輸入電路，通過A／D變換器，將摸擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，數(shù)字信號通過電子計數(shù)器計數(shù)，再由數(shù)字顯示器以數(shù)字形式輸出(顯示)。直流數(shù)字電壓表中A／D變換器最常用的有雙積分式和逐次比較式兩種。=1\*GB3①雙積分式數(shù)字電壓表工作原理如圖1—3—11所示。Ux是被測直流電壓，UR是基準電壓。測量工作可分成采樣、比較和暫停三個階段。這類儀表抗干擾能力強，性能價格比高，一般用于直流電壓測量和檢測儀表校正等。②逐次比較式數(shù)字電壓表工作原理如圖1—3—12所示。在數(shù)字信號控制下，D/A變換器輸出數(shù)值不同的基準量化電壓，經(jīng)比較器與輸入的待測模擬電壓Ux進行比較，從最高位開始經(jīng)反饋系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)，逐次比較，逐步逼近，至兩個電壓平衡為止。此時，比較寄存器所儲存的二進制數(shù)碼即表示被測電壓大小。這類儀表測量速度快，每秒可達數(shù)千次，但抗干擾能力弱。一般用于多點巡回檢測系統(tǒng)中多路直流電壓測量。二、標準電壓電流源標準電壓電流源輸出高精度、高穩(wěn)定性的電壓和電流信號，作為標準信號輸入被檢定或被調(diào)校的儀表，是不可缺少的校驗儀表。通常用于檢定、校驗溫度變速器、電子記錄儀、電動調(diào)節(jié)器、數(shù)顯儀表、電氣閥門定位器、數(shù)據(jù)巡回采集儀、DCS系統(tǒng)現(xiàn)場控制單元等。以日本橫河株式會社產(chǎn)品2553為例，其工作原理如圖1—3—13所示。齊納二極管產(chǎn)生一個基準電壓Vs。進入積分回路，以對應儀器正面盤上設定值的脈沖寬度時間進行積分。積分器輸出V1進入采樣保持電路，保持最終值。輸出VH進入放大器，根據(jù)設定的量程進行放大，從而得到最終輸出值V0。三、標準氣動壓力信號源氣動壓力信號源提供高精度、高穩(wěn)定性的氣動壓力信號，作為檢定或調(diào)校各類差壓變送器、低壓壓力變送器、法蘭差壓變送器、氣動記錄儀、氣動調(diào)節(jié)器等儀表的標準輸入信號，是使用頻度相當高的檢定(也稱標準)儀表。以日本橫河株式會社產(chǎn)品2656標準氣動壓力信號源為例，其工作原理如圖1—3—14所示。儀表主要由電壓分配器、伺服閥和壓力傳感器組成。由壓力設置盤上設定信號，通過D／A轉(zhuǎn)換電路、脈沖寬度調(diào)制產(chǎn)生一個直流標準電壓。標準電壓與來自壓力傳感器的反饋電壓差通過伺服放大器放大輸入伺服閥組件中的馬達。伺服閥組件由噴嘴閥、閥座、馬達和傳動齒輪組成。氣動，輸入壓力信號(ps)通過閥座與噴嘴閥之間開度逸出，馬達通過傳動齒輪減速，驅(qū)動噴嘴閥和螺絲軸。由于螺絲軸轉(zhuǎn)動，噴嘴閥活動方向如箭頭所示，它改變壓縮空氣流量，調(diào)節(jié)輸出壓力Po，輸出壓力反饋至壓力傳感器，反饋電壓輸出使噴嘴閥活動，直至和標準電壓偏差為零。至此，氣動壓力輸出值即為壓力設定盤上的設定值。這類儀表不但輸出高精度、高穩(wěn)定性的氣壓信號，且在檢定儀表時，輸入信號量程確定后，可以自動地分四步(25％，50％，75％，100％)或5步(20％，40％，60％，80％，100％)輸入被檢定儀表，十分方便。例如檢定1臺低差壓變送器，量程為6250Pa。分5步檢定，即1250、2500、3750、5000和6250Pa，自動輸入差壓變送器，觀察差壓變送器輸出(如1151型)是否為7.2、10.4、13.6、16.8和20mA。假如沒有自動設置功能，首先要輸入20％即1250Pa，人工調(diào)整(用定位器)要用很長時間慢慢靠近，而且很難做到恰好是1250Pa，1249.5或1250.5Pa)，費時而且影響輸入精度。有自動設置功能既保證輸入精度，而且省時省事，大大提高工作效率。四、多功能便攜式校準儀這類儀表的主要特點是集數(shù)字多用表和標準電壓電流源的功能于一體，可兼作標準測量儀表，標定被檢定儀表的輸出信號，又可以作為標準信號源，輸出標準電壓、電流或電阻信號到被檢定儀表。這類儀表配上壓力模塊，可以輸出標準氣動壓力信號，這樣前面介紹的三種標準儀器的功能都集中于一體了。這類儀表的另一個特點就是小巧，堅固，攜帶方便，就地檢定和調(diào)校儀表十分方便；尤其是新建項目儀表安裝要一次調(diào)校，二次調(diào)校，使用這類標準儀表更顯出它的優(yōu)越性。這類儀表第三個特點是測試和檢定數(shù)據(jù)自動記錄并存儲在儀表中，可以通過文件系統(tǒng)和打字機自動打印檢測數(shù)據(jù)，亦可按要求設置的軟件編制檢定報告。第三章電子電工基本知識第一節(jié)電路的基本概念和基本定律一、電路和電路模型1.電路①電路是電流的流通路徑,它是由一些電氣設備和元器件按一定方式連接而成的。復雜的電路呈網(wǎng)狀,又稱網(wǎng)絡。電路和網(wǎng)絡這兩個術語是通用的。②電路的一種作用是實現(xiàn)電能的傳輸和轉(zhuǎn)換。另一種作用是實現(xiàn)信號的處理。③電源：電路中提供電能或信號的器件負載：電路中吸收電能或輸出信號圖圖3.1電路的組成2.理想電路元件①在一定條件下對實際器件加以理想化,只考慮其中起主要作用的某些電磁現(xiàn)象。②理想電路元件是一種理想化的模型,簡稱為電路元件。電阻元件是一種只表示消耗電能的元件;電感元件是表示其周圍空間存在著磁場而可以儲存磁場能量的元件;電容元件是表示其周圍空間存在著電場而可以儲存電場能量的元件等。③對具有兩個引出端的元件,稱為二端元件;對具有兩個以上引出端的元件,稱為多端元件。3.電路模型實際電路可以用一個或若干個理想電路元件經(jīng)理想導體連接起來模擬,這便構成了電路模型。二、電流電壓及其參考方向1.電流及其參考方向①電流：帶電粒子（電子、離子等）的定向運動,稱為電流。用符號i表示,即②電流的實際方向：正電荷運動方向。③直流：當電流的量值和方向都不隨時間變化時,稱為直流電流,簡稱直流。直流電流常用英文大寫字母I表示。④交流：量值和方向隨著時間按周期性變化的電流,稱為交流電流,簡稱交流。常用英文小寫字母i表示。⑤在分析與計算電路時,?？扇我庖?guī)定某一方向作為電流的參考方向或正方向。圖圖3.2電流的參考方向2.電壓及其參考方向①電路中A、B兩點間的電壓是單位正電荷在電場力的作用下由A點移動到B點所減少的電能,即 式中,Δq為由A點移動到B點的電荷量,ΔWAB為移動過程中電荷所減少的電能。②電壓的實際方向：是使正電荷電能減少的方向。電壓的SI單位：是伏［特］,符號為V。常用的單位：千伏（kV）、毫伏（mV）、微伏（μV）等。③量值和方向都不隨時間變化的直流電壓,用大寫字母U表示。交流電壓,用小寫字母u表示。圖圖3.3電壓的參考方向④若電壓的參考方向與實際方向一致，電壓為正。若電壓的參考方向與實際方向相反，電壓為負。⑤分析電路時，首先應該規(guī)定電流電壓的參考方向。⑥元件的電壓參考方向與電流參考方向是一致的,稱為關聯(lián)參考方向。圖圖3.4電流和電壓的關聯(lián)參考方向3.電位①在電路中任選一點,叫做參考點,則某點的電位就是由該點到參考點的電壓。②如果已知a、b兩點的電位各為Va,Vb,則此兩點間的電壓即兩點間的電壓等于這兩點的電位的差③參考點不同，各點的電位不同，但兩點間的電壓與參考點的選擇無關四、電功率和電能1.功率①定義：傳遞轉(zhuǎn)換電能的速率叫電功率，簡稱功率，用p或P表示。②功率的正負如果電流、電壓選用關聯(lián)參考方向,則所得的p應看成支路接受的功率,計算所得功率為負值時,表示支路實際發(fā)出功率。如果電流、電壓選擇非關聯(lián)參考方向,p應看成支路發(fā)出的功率,即計算所得功率為正值時,表示支路實際發(fā)出功率;計算所得功率為負值時,表示支路接受功率。③直流功率在直流情況下功率的單位為瓦［特］,簡稱瓦,符號為W,常用的有千瓦（kW）、兆瓦（MW）和毫瓦（mW）等。④電能的計算直流時，有所有元件接受的功率的總和為零。這個結論叫做“電路的功率平衡”。例3.1圖3.5所示為直流電路,U1=4V,U2=-8V,U3=6V,I=4A,求各元件接受或發(fā)出的功率P1、P2和P3,并求整個電路的功率P。解：P1的電壓參考方向與電流參考方向相關聯(lián),故 P1=U1I=4×4=16W(接受16W)P2和P3的電壓參考方向與電流參考方向非關聯(lián),故P2=U2I=(-8)×4=-32W(接受32W) P3=U3I=6×4=24W(發(fā)出24W)圖3.5例3.1圖整個電路的功率P,圖3.5例3.1圖故P=16+32-24=24W四、電阻元件和歐姆定律1.電阻元件電阻元件是一個二端元件,它的電流和電壓的方向總是一致的,它的電流和電壓的大小成代數(shù)關系。電流和電壓的大小成正比的電阻元件叫線性電阻元件。元件的電流與電壓的關系曲線叫做元件的伏安特性曲線。線性電阻元件的伏安特性為通過坐標原點的直線,這個關系稱為歐姆定律。圖圖3.6線性電阻的伏安特性曲線2.歐姆定律在電流和電壓的關聯(lián)參考方向下,線性電阻元件的伏安特性如圖1.6所示,歐姆定律的表達式為案(1.7)式中,R是元件的電阻,它是一個反映電路中電能消耗的電路參數(shù),是一個正實常數(shù)。式中電壓用V表示,電流用A表示時,電阻的單位是歐［姆］,符號為Ω。電阻的十進倍數(shù)單位有千歐（kΩ）、兆歐（MΩ）等。3.非線性電阻元件電流和電壓的大小不成正比的電阻元件叫非線性電阻元件。本書只討論線性電阻電路。4.電導令G=1/R,則式（1.7）變?yōu)?1.8)式中,G稱為電阻元件的電導,單位是西［門子］,符號為S。如果線性電阻元件的電流和電壓的參考方向不關聯(lián),則歐姆定律的表達式為或5.功率在電流和電壓關聯(lián)參考方向下,任何瞬時線性電阻元件接受的電功率為線性電阻元件是耗能元件。6.焦耳定律如果電阻元件把接受的電能轉(zhuǎn)換成熱能,則從t0到t時間內(nèi)。電阻元件的熱［量］Q,也就是這段時間內(nèi)接受的電能W為若電流不隨時間變化,以上兩式稱為焦耳定律。7.兩種特殊情況線性電阻元件有兩種特殊情況值得注意:一種情況是電阻值R為無限大,電壓為任何有限值時,其電流總是零,這時把它稱為“開路”;另一種情況是電阻為零,電流為任何有限值時,其電壓總是零,這時把它稱為“短路”。例3.2有220V,100W燈泡一個,其燈絲電阻是多少？每天用5h,一個月（按30天計算）消耗的電能是多少度？解燈泡燈絲電阻為一個月消耗的電能為五、電壓源和電流源1.電壓源①電壓源是一個理想二端元件。它具有兩個特點:Ⅰ.電壓源對外提供的電壓u(t)是某種確定的時間函數(shù),不會因所接的外電路不同而改變,即u(t)=us(t)。Ⅱ通過電壓源的電流i（t）隨外接電路不同而不同。常見的電壓源有直流電壓源和正弦交流電壓源。圖3.8圖3.8直流電壓源的伏安特性圖3.7電壓源電壓波形②電壓為零的電壓源相當于短路。③由圖1.7(a)知,電壓源發(fā)出的功率為P=UsIp＞0時,電壓源實際上是發(fā)出功率； p＜0時,電壓源實際上是接受功率。2.電流源①電流源也是一個理想二端元件,它有以下兩個特點:Ⅰ.電流源向外電路提供的電流i(t)是某種確定的時間函數(shù),不會因外電路不同而改變,即i(t)=is,is是電流源的電流。Ⅱ.電流源的端電壓u(t)隨外接的電路不同而不同。圖1.9電流源及直流電流源的伏安特性②如果電流源的電流is=Is(Is是常數(shù)圖1.9電流源及直流電流源的伏安特性③電流為零的電流源相當與開路。④電流源發(fā)出的功率為P=UIp＞0,電流源實際是發(fā)出功率;p＜0,電流源實際是接受功率。⑤電壓源和電流源,稱為獨立源。在電子電路的模型中還常常遇到另一種電源,它們的源電壓和源電流不是獨立的,是受電路中另一處的電壓或電流控制,稱為受控源或非獨立源例3.3計算圖3.10所示電路中電流源的端電壓U1,5Ω電阻兩端的電壓U2和電流源、電阻、電壓源的功率P1,P2,P3。圖圖3.10例3.3圖電流源的電流、電壓選擇為非關聯(lián)參考方向,所以P1=U1Is=13×2=26W(發(fā)出)電阻的電流、電壓選擇為關聯(lián)參考方向,所以P2=10×2=20W(接受)電壓源的電流、電壓選擇為關聯(lián)參考方向,所以P3=2×3=6W(接受)六、基爾霍夫定律基爾霍夫定律是集中參數(shù)電路的基本定律,它包括電流定律和電壓定律。1.相關名詞支路:電路中流過同一電流的一個分支稱為一條支路。節(jié)點:三條或三條以上支路的聯(lián)接點稱為節(jié)點?；芈?由若干支路組成的閉合路徑,其中每個節(jié)點只經(jīng)過一次,這條閉合路徑稱為回路。網(wǎng)孔:網(wǎng)孔是回路的一種。將電路畫在平面上,在回路內(nèi)部不另含有支路的回路稱為網(wǎng)孔。2.基爾霍夫電流定律（KCL）圖3.11電路實例①在集中參數(shù)電路中,任何時刻,流出（或流入）一個節(jié)點的所有支路電流的代數(shù)和恒等于零,這就是基爾霍夫電流定律,簡寫為圖3.11電路實例對圖1.11中的節(jié)點a,應用KCL則有（1.14）寫出一般式子,為 ∑i=0把式（1.14）改寫成下式,即i1=i3+i4②在集中參數(shù)電路中,任何時刻,流入一個節(jié)點電流之和等于流出該節(jié)點電流之和。③KCL原是適用于節(jié)點的,也可以把它推廣運用于電路的任一假設的封閉面。例如圖1.11所示封閉面S所包圍的電路。3.基爾霍夫電壓定律①定義：在集中參數(shù)電路中,任何時刻,沿著任一個回路繞行一周,所有支路電壓的代數(shù)和恒等于零,這就是基爾霍夫電壓定律,簡寫為KVL。用數(shù)學表達式表示為（1.16）②在寫出式（1.16）時,先要任意規(guī)定回路繞行的方向,凡支路電壓的參考方向與回路繞行方向一致者,此電壓前面取“+”號,支路電壓的參考方向與回路繞行方向相反者,則電壓前面取“-”號。在圖3.11中,對回路abcga應用KVL,有③如果一個閉合節(jié)點序列不構成回路,例如圖1.11中的節(jié)點序列acga,在節(jié)點ac之間沒有支路,但節(jié)點ac之間有開路電壓uac,KVL同樣適用于這樣的閉合節(jié)點序列,即有（1.17）④將式（1.17）改寫為電路中任意兩點間的電壓是與計算路徑無關的,是單值的。所以,基爾霍夫電壓定律實質(zhì)是兩點間電壓與計算路徑無關這一性質(zhì)的具體表現(xiàn)。不論元件是線性的還是非線性的,電流、電壓是直流的還是交流的,只要是集中參數(shù)電路,KCL和KVL總是成立的。圖3.12例3.４圖例3.4圖3.12例3.４圖解為計算功率,先計算電流、電壓。元件1與元件2串聯(lián),idb=iba=10A,元件1發(fā)出功率元件2接受功率元件3與元件4串聯(lián),idc=ica=-5A,元件3發(fā)出功率:=5×(-5）=-25W,即接受25W。取回路cabdc,應用KVL,有 uca－2+10－5=0得 uca=-3V元件4接受功率P4=（-3）×（-5）=15W取節(jié)點a,應用KCL,有iad－10－(-5)=0得 iad=5A取回路adba,應用KVL,有uad－10＋２＝０得 uad＝８Ｖ元件５接受功率＝８×５＝４０W根據(jù)功率平衡:100=20+25+15+40證明計算無誤第二節(jié)直流電阻電路的分析計算一、電阻的串聯(lián)和并聯(lián)1.等效網(wǎng)絡的定義①二端網(wǎng)絡端口電流 端口電壓

②等效網(wǎng)絡:一個二端網(wǎng)絡的端口電壓電流關系和另一個二端網(wǎng)絡的端口電壓、電流關系相同,這兩個網(wǎng)絡叫做等效網(wǎng)絡。

③等效電阻（輸入電阻）：無源二端網(wǎng)絡在關聯(lián)參考方向下端口電壓與端口電流的比值。2.電阻的串聯(lián)①定義在電路中,把幾個電阻元件依次一個一個首尾連接起來,中間沒有分支,在電源的作用下流過各電阻的是同一電流。這種連接方式叫做電阻的串聯(lián)。圖圖3.14電阻的串聯(lián)②電阻串聯(lián)時,各電阻上的電壓為（2.2）例3.5圖3.15如圖2.3所示,用一個滿刻度偏轉(zhuǎn)電流為50μA,電阻Rg為2kΩ的表頭制成100V量程的直流電壓表,應串聯(lián)多大的附加電阻Rf圖3.15解滿刻度時表頭電壓為附加電阻電壓為代入式（2.2）,得解得3.電阻的并聯(lián)并聯(lián)電阻的等效電導等于各電導的和(如圖3.16所示),即圖3.16電阻的并聯(lián)并聯(lián)電阻的電壓相等,各電阻的電流與總電流的關系為（3.17）兩個電阻R1、R2并聯(lián)例3.6如圖2.5所示,用一個滿刻度偏轉(zhuǎn)電流為50μA,電阻Rg為2kΩ的表頭制成量程為50mA的直流電流表,應并聯(lián)多大的分流電阻R2?50mAI250AR2Rg圖3.18例3.6圖解由題意已知,I1=50μA,R1=Rg50mAI250AR2Rg圖3.18例3.6圖4.電阻的串、并聯(lián)定義：電阻的串聯(lián)和并聯(lián)相結合的連接方式,稱為電阻的串、并聯(lián)或混聯(lián)。例3.7進行電工實驗時,常用滑線變阻器接成分壓器電路來調(diào)節(jié)負載電阻上電壓的高低。圖2.6中R1和R2是滑線變阻器,RL是負載電阻。已知滑線變阻器額定值是100Ω、3A,端鈕a、b上輸入電壓U1=220V,RL=50Ω。試問:（1）當R2=50Ω時,輸出電壓U2是多少？（2）當R2=75Ω時,輸出電壓U2是多少？滑線變阻器能否安全工作？解（1）當R2=50Ω時,Rab為R2和RL并聯(lián)后與R1串聯(lián)而成,故端鈕a、b的等效電阻滑線變阻器R1段流過的電流負載電阻流過的電流可由電流分配公式（2.5）求得，即當R2=75Ω時，計算方法同上,可得因I1=4A,大于滑線變阻器額定電流3A,R1段電阻有被燒壞的危險。簡單電路計算步驟：簡單電路：可用串、并聯(lián)化簡。

復雜電路：不可用串、并聯(lián)化簡。簡單電路計算步驟：

（1）計算總的電阻，算出總電壓（或總電流）。

（2）用分壓、分流法逐步計算出化簡前原電路中各電阻、電流、電壓。電阻的星形連接與三角形連接的等效變換1.三角形連接和星形連接三角形連接：三個電阻元件首尾相接構成一個三角形。如下圖a所示。星形連接：三個電阻元件的一端連接在一起，另一端分別連接到電路的三個節(jié)點。如圖b所示。圖3.192.三角形、星形等效的條件端口電壓U12、U23、U31和電流I1、I2、I3都分別相等，則三角形星形等效。3.已知三角形連接電阻求星形連接電阻4.已知星形連接電阻求三角形連接電阻5.特殊情況設三角形電阻R12=R23=R32=，則=R1=R2=R3=反之，R12=R23=R31=3

三、兩種實際電源模型的等效變換1.實際電壓源模型電壓源Us電阻R的串聯(lián)組合圖3.20電壓源和電阻串聯(lián)組合電壓源和電阻串聯(lián)(3(3.12)2.實際電流源的模型電流源Is和電導G的并聯(lián)。圖3.21電流源和電導并聯(lián)組合(3.13)(3.13)3.兩種實際電源模型的等效變換比較式（3.12）和式(3.13),只要滿足實際電壓源和實際電流源間就可以等效變換。注意：Is的參考方向是由Us的負極指向其正極。四、支路電流法①支路電流法定義支路電流法以每個支路的電流為求解的未知量。②KCL方程的列寫以圖3.22所示的電路為例來說明支路電流法的應用。對節(jié)點a列寫KCL方程對節(jié)點b列寫KCL方程節(jié)點數(shù)為n的電路中,按KCL列出的節(jié)點電流方程只有(n-1)個是獨立的。圖3.22支路電流法舉例按順時針方向繞行,對左面的網(wǎng)孔列寫KVL方程:按順時針方向繞行對右面的網(wǎng)孔列寫KVL方程:支路電流法分析計算電路的一般步驟（1）在電路圖中選定各支路（b個）電流的參考方向,設出各支路電流。（2）對獨立節(jié)點列出(n-1)個KCL方程。（3）通常取網(wǎng)孔列寫KVL方程,設定各網(wǎng)孔繞行方向,列出b-(n-1)個KVL方程。（4）聯(lián)立求解上述b個獨立方程,便得出待求的各支路電流。例3.8圖3.22所示電路中,Us1=130V、R1=1Ω為直流發(fā)電機的模型,電阻負載R3=24Ω,Us2=117V、R2=0.6Ω為蓄電池組的模型。試求各支路電流和各元件的功率。解以支路電流為變量,應用KCL、KVL列出式（2.15）、(2.17)和式(2.18),并將已知數(shù)據(jù)代入,即得解得I1=10A,I2=-5A,I3=5A。I2為負值,表明它的實際方向與所選參考方向相反,這個電池組在充電時是負載。 Us1發(fā)出的功率為 Us1I1=130×10=1300W Us2發(fā)出的功率為 Us2I2=117×（-5）=-585W即Us2接受功率585W。各電阻接受的功率為功率平衡,表明計算正確。五、網(wǎng)孔法①網(wǎng)孔法和網(wǎng)孔電流的定義R1￡?￡-Us3IR1￡?￡-Us3I1R3R2I2￡?￡-Us2￡?￡-Us1I3Im1Im2圖3.23網(wǎng)孔方程的一般形式通常，選取網(wǎng)孔的繞行方向與網(wǎng)孔電流的參考方向一致經(jīng)整理后，得可以進一步寫成上式就是當電路具有兩個網(wǎng)孔時網(wǎng)孔方程的一般形式。其中Ⅰ.R11=R1+R2、R22=R2+R3分別是網(wǎng)孔1與網(wǎng)孔2的電阻之和,稱為各網(wǎng)孔的自電阻。因為選取自電阻的電壓與電流為關聯(lián)參考方向,所以自電阻都取正號。Ⅱ.R12=R21=-R2是網(wǎng)孔1與網(wǎng)孔2公共支路的電阻,稱為相鄰網(wǎng)孔的互電阻?；ル娮杩梢允钦?也可以是負號。當流過互電阻的兩個相鄰網(wǎng)孔電流的參考方向一致時,互電阻取正號,反之取負號Ⅲ.1=Us1-Us2、Us2=Us2-Us3分別是各網(wǎng)孔中電壓源電壓的代數(shù)和,稱為網(wǎng)孔電源電壓。凡參考方向與網(wǎng)孔繞行方向一致的電源電壓取負號,反之取正號。（3.21）推廣到具有m個網(wǎng)孔的平面電路,（3.21）例3.9用網(wǎng)孔法求圖2.19所示電路的各支路電流。解（1）選擇各網(wǎng)孔電流的參考方向,如圖2.19所示。計算各網(wǎng)孔的自電阻和相關網(wǎng)孔的互電阻及每一網(wǎng)孔的電源電壓（2）按式(3.21)列網(wǎng)孔方程組(3)求解網(wǎng)孔方程組解之可得(4)任選各支路電流的參考方向,如圖所示。由網(wǎng)孔電流求出各支路電流:例3.10用網(wǎng)孔法求圖2.20所示電路各支路電流及電流源的電壓。圖3.24例3.10圖解（1）選取各網(wǎng)孔電流的參考方向及電流源電壓的參考方向,如圖3.24所示。（2）列網(wǎng)孔方程:補充方程（3）解方程組,得（4）選取各支路電流的參考方向如圖所示,各支路電流六、節(jié)點電壓法1.節(jié)點電壓法和節(jié)點電壓的定義節(jié)點電壓法：以電路的節(jié)點電壓為未知量來分析電路的一種方法。節(jié)點電壓：在電路的n個節(jié)點中,任選一個為參考點,把其余(n-1)個各節(jié)點對參考點的電壓叫做該節(jié)點的節(jié)點電壓。電路中所有支路電壓都可以用節(jié)點電壓來表示。2.節(jié)點方程的一般形式對節(jié)點1、2分別由KCL列出節(jié)點電流方程:設以節(jié)點3為參考點,則節(jié)點1、2的節(jié)點電壓分別為U1、U2。將支路電流用節(jié)點電壓表示為代入兩個節(jié)點電流方程中,經(jīng)移項整理后得（3（3.22）(3.23)將式（3.22(3.23)這就是當電路具有三個節(jié)點時電路的節(jié)點方程的一般形式。式（3.23）中的左邊G11=(G1+G2+G3)、G22=(G2+G3+G4)分別是節(jié)點1、節(jié)點2相連接的各支路電導之和,稱為各節(jié)點的自電導,自電導總是正的。G12=G21=-(G3+G4)是連接在節(jié)點1與節(jié)點2之間的各公共支路的電導之和的負值,稱為兩相鄰節(jié)點的互電導,互電導總是負的。式（2.23）右邊Is11=(Is1+Is3)、Is22=(Is2-Is3)分別是流入節(jié)點1和節(jié)點2的各電流源電流的代數(shù)和,稱為節(jié)點電源電流,流入節(jié)點的取正號,流出的取負號。3.節(jié)點方程的規(guī)范形式對具有n個節(jié)點的電路,其節(jié)點方程的規(guī)范形式為：4.電路中含有電壓源支路當電路中含有電壓源支路時,這時可以采用以下措施:Ⅰ.盡可能取電壓源支路的負極性端作為參考點。Ⅱ.把電壓源中的電流作為變量列入節(jié)點方程,并將其電壓與兩端節(jié)點電壓的關系作為補充方程一并求解。彌爾曼定理對于只有一個獨立節(jié)點的電路(2.25)寫成一般形式(2.25)七、疊加定理疊加定理的內(nèi)容疊加定理是線性電路的一個基本定理。疊加定理可表述如下:在線性電路中,當有兩個或兩個以上的獨立電源作用時,則任意支路的電流或電壓,都可以認為是電路中各個電源單獨作用而其他電源不作用時,在該支路中產(chǎn)生的各電流分量或電壓分量的代數(shù)和。圖3.25疊加定理舉例R2支路的電流2.使用疊加定理時,應注意以下幾點①只能用來計算線性電路的電流和電壓,對非線性電路,疊加定理不適用。②疊加時要注意電流和電壓的參考方向,求其代數(shù)和。③化為幾個單獨電源的電路來進行計算時,所謂電壓源不作用,就是在該電壓源處用短路代替,電流源不作用,就是在該電流源處用開路代替。④不能用疊加定理直接來計算功率。例3.11圖3.26（a）所示橋形電路中R1=2Ω,R2=1Ω,R3=3Ω,R4=0.5Ω,Us=4.5V,Is=1A。試用疊加定理求電壓源的電流I和電流源的端電壓U。圖3.26例3.11圖解(1)當電壓源單獨作用時,電流源開路,如圖2.27（b）所示,各支路電流分別為電流源支路的端電壓U′為(2)當電流源單獨作用時,電壓源短路,如圖2.27（c）所示,則各支路電流為電流源的端電壓為(3)兩個獨立源共同作用時,電壓源的電流為電流源的端電壓為八、戴維南定理戴維南定理內(nèi)容戴維南定理指出:含獨立源的線性二端電阻網(wǎng)絡,對其外部而言,都可以用電壓源和電阻串聯(lián)組合等效代替(1)該電壓源的電壓等于網(wǎng)絡的開路電壓(2)該電阻等于網(wǎng)絡內(nèi)部所有獨立源作用為零情況下的網(wǎng)絡的等效電阻2.證明圖3.27戴維南定理的證明下面我們對戴維南定理給出一般證明等效電阻的計算方法等效電阻的計算方法有以下三種：（1）設網(wǎng)絡內(nèi)所有電源為零,用電阻串并聯(lián)或三角形與星形網(wǎng)絡變換加以化簡,計算端口ab的等效電阻。（2）設網(wǎng)絡內(nèi)所有電源為零,在端口a、b處施加一電壓U,計算或測量輸入端口的電流I,則等效電阻Ri=U/I。（3）用實驗方法測量,或用計算方法求得該有源二端網(wǎng)絡開路電壓Uoc和短路電流Isc,則等效電阻Ri=Uoc/Isc。例3.12圖3.28（a）所示為一不平衡電橋電路,試求檢流計的電流I。圖3.28例2.14圖解開路電壓Ｕoc為例3.13求圖2.32（a）所示電路的戴維南等效電路。圖3.29例3.13圖解先求開路電壓Uoc(如圖3.29(a)所示)然后求等效電阻Ri其中第三節(jié)電感元件與電容元件一、電容元件1.電容元件的基本概念①電容元件是一個理想的二端元件,它的圖形符號如圖3.30所示。圖3.30線性電容元件的圖形符號②電容的SI單位為法［拉］,符號為F;1F=1C／V。常采用微法（μF）和皮法（pF）作為其單位。2.電容元件的u—i關系根據(jù)電流的定義，i＝dq/dt及q=Cu關聯(lián)參考方向下I=cdu/dt電流與該時刻電壓的變化率成正比。若電壓不變，i=0。電容相當與開路（隔直流作用）3.電容元件的儲能在電壓和電流關聯(lián)的參考方向下,電容元件吸收的功率為電容元件吸收的電能為若選取t0為電壓等于零的時刻,即u(t0)=０從時間t1到t2,電容元件吸收的能量為例3.14圖3.31（a）所示電路中,電容C＝0.5μF,電壓u的波形圖如圖3.31（b）所示。求電容電流i,并繪出其波形。圖3.31例3.14圖解由電壓u的波形,應用電容元件的元件約束關系,可求出電流i。當0≤t≤1μs,電壓u從０均勻上升到10V,其變化率為由上式可得當1μs≤t≤3μs,5μs≤t≤7μs及t≥8μs時，電壓u為常量,其變化率為故電流當7μs≤t≤8μs時,電壓u由－10V均勻上升到０,其變化率為故電流二、電容的串、并聯(lián)1.電容器的并聯(lián)2.電容器的串聯(lián)例3.15電路如圖3.34所示,已知U=18V,C1=C2=6μF,C3=3μF。求等效電容C及各電容兩端的電壓U1,U2,U3。圖3.34例3.15圖解Ｃ2與C3串聯(lián)的等效電容為：例3.16已知電容C1=4μF,耐壓值UM1=150V,電容C2=12μF,耐壓值UM1=360V。（1）將兩只電容器并聯(lián)使用,等效電容是多大？最大工作電壓是多少？（2）將兩只電容器串聯(lián)使用,等效電容是多大？最大工作電壓是多少？解（1）將兩只電容器并聯(lián)使用時,等效電容為其耐壓值為（2）將兩只電容器串聯(lián)使用時,等效電容為②②求工作電壓三、電感元件自感磁鏈1.電感元件的基本概念自感磁鏈（３.６）稱為電感元件的自感系數(shù),或電感系數(shù),簡稱電感。（３.６）圖3.35線圈的磁通和磁鏈圖3.36線性電感元件電感SI單位為亨［利］,符號為H;1H=1Wb／A。通常還用毫亨（mH）和微亨（μH）作為其單位,它們與亨的換算關系為2.電感元件的儲能在電壓和電流關聯(lián)參考方向下,電感元件吸收的功率為(3.8)(3.8)從t0到t時間內(nèi),電感元件吸收的電能為若選取t0為電流等于零的時刻,即i(t0)=０從時間t1到t2,電感元件吸收的能量為第四節(jié)電工測量一、電工儀表的類型、誤差和準確度電工儀表是實現(xiàn)電工測量過程所需技術工具的總稱。電工儀表的測量對象主要是電學量與磁學量。電學量又分為電量與電參量。通常要求測量的電量有電流、電壓、功率、電能、頻率等；電參量有電阻、電容、電感等。通常要求測量的磁學量有磁感應強度、磁導率等。1.電工儀表的分類按測量方法可分為比較式和直讀式兩類。比較式儀表需將被測量與標準量進行比較后才能得出被測量的數(shù)量，常用的比較式儀表有電橋、電位差計等。直讀式儀表將被測量的數(shù)量由儀表指針在刻度盤上直接指示出來，常用的電流表、電壓表等均屬直讀式儀表。直讀式儀表測量過程簡單，操作容易，但準確度不可能太高；比較式儀表的結構較復雜，造價較昂貴，測量過程也不如直讀法簡單，但測量的結果較直讀式儀表準確。按被測量的種類可分為電流表、電壓表、功率表、頻率表、相位表等。按電流的種類可分為直流、交流和交直流兩用儀表。按工作原理可分為磁電式、電磁式、電動式儀表等。按顯示方法可分為指針式（模擬式）和數(shù)字式。指針式儀表用指針和刻度盤指示被測量的數(shù)值；數(shù)字式儀表先將被測量的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，然后用數(shù)字顯示被測量的數(shù)值。按準確度可分為0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5和5.0共7個等級。常用電工儀表的符號和意義2.電工儀表的誤差和準確度電工儀表的準確度是指測量結果（簡稱示值）與被測量真實值（簡稱真值）間相接近的程度，是測量結果準確程度的量度。誤差是指示值與真值的偏離程度。準確度與誤差本身的含義是相反的，但兩者又是緊密聯(lián)系的，測量結果的準確度高，其誤差就小，因此，在實際測量中往往采用誤差的大小來表示準確度的高低。由于制造工藝的限制及測量時外界環(huán)境因素和操作人員的因素，誤差是不可避免的。根據(jù)引起誤差的原因不同，儀表誤差可分為基本誤差和附加誤差。基本誤差是在規(guī)定的溫度、濕度、頻率、波形、放置方式以及無外界電磁場干擾等正常工作條件下，由于儀表本身的缺點所產(chǎn)生的誤差。附加誤差是由于外界因素的影響和儀表放置不符合規(guī)定等原因所產(chǎn)生的誤差。附加誤差有些可以消除或限制在一定范圍內(nèi)，而基本誤差卻不可避免。3.誤差的表示方法絕對誤差：Ax：示值Ao：真值Am：滿標度值即量限相對誤差：ΔAm：最大絕對誤差示值誤差用于誤差很小或要求不高的場合。示值誤差：直讀儀表的準確度用最大引用誤差來分級，分為0.1、0.2、0.5、1.0.（3）引用誤差：1.5、2.5和5.0共7個等級。如準確度為2.5級的儀表，其最大引用誤差為2.5％。儀表的準確度：最大相對誤差：例3.17用一量程為150V的電壓表在正常條件下測某電路的兩點間電壓U，示值為100V，絕對誤差為1V。這時U的真值為100－1=99V，相對誤差r=1%。如果示值為10V，絕對誤差為－0.8V。則其真值為10.8V，相對誤差8%。如果已知該電壓表可能發(fā)生的最大絕對誤差為1.5V，則儀表的最大引用誤差為：所以該儀表的準確度等級為1.0級。注意：被測量比儀表量程小得越多，測量結果可能出現(xiàn)的最大相對誤差值也越大。例如用1.0級量程為150V的電壓表測量30V的電壓，可能出現(xiàn)的最大相對誤差為5％，而改用1.0級量程為50V的電壓表測量30V的電壓，可能出現(xiàn)的最大相對誤差為1.67％。所以選用儀表的量程