過程自動化及儀表課件

自動控制系統(tǒng)概述

1.1自動化及儀錶發(fā)展概述控制理論的發(fā)展經(jīng)典控制理論:20世紀40年～20世紀50年代Nyquist(1932)頻域分析技術(shù)Bode(1945)圖根軌跡分析方法(1948)特點：主要從輸出與輸入量的關係方面分析與研究問題。適用範圍：線性定常的單輸入、單輸出控制系統(tǒng)。以傳遞函數(shù)為基礎，在頻率域?qū)屋斎雴屋敵隹刂葡到y(tǒng)進行分析與設計PID控制規(guī)律是古典控制理論最輝煌的成果之一現(xiàn)代控制理論:20世紀60年代獲得迅猛發(fā)展其主要內(nèi)容為：（基礎）線性系統(tǒng)理論，最優(yōu)控制理論，最佳估計理論，系統(tǒng)辨識等。特點：從輸入-狀態(tài)-輸出的關係全面地分析與研究系統(tǒng)。適用範圍：不限於線性定常系統(tǒng)，也適用於線形時變，非線性及離散系統(tǒng)，多輸入、多輸出的情況。大系統(tǒng)理論:20世紀70年代開始將現(xiàn)代控制理論與系統(tǒng)理論相結(jié)合核心思想：

系統(tǒng)的分解與協(xié)調(diào)適用範圍：

高維線性系統(tǒng)智能控制理論控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及儀錶的發(fā)展基地式：20世紀50年代，適用於單回路單元組合式（按功能）：DDZ,QDZ20世紀60年代，之間用標準統(tǒng)一信號聯(lián)繫電腦：DDC,DCS20世紀70年代先進控制和優(yōu)化控制：CIPS,FCS20世紀80年代以後

自動化儀錶的發(fā)展經(jīng)歷了如下過程：

模擬儀錶

數(shù)字儀錶

智能儀錶。當前自動控制系統(tǒng)發(fā)展的一些主要特點生產(chǎn)裝置實施先進控制成為發(fā)展主流過程優(yōu)化受到普遍關注傳統(tǒng)的DCS在走向國際統(tǒng)一標準的開放式系統(tǒng)綜合自動化系統(tǒng)（CIPS）是發(fā)展方向1.2自動控制系統(tǒng)

1.2.1自動控制系統(tǒng)

自動控制的必要性蒸汽汽包省煤器給水圖1-1鍋爐汽包示意圖手動控制的步驟：(1)觀察液位數(shù)值；(2)把觀察到的實際數(shù)值與設定值加以比較，根據(jù)偏差的大小及變化情況做出判斷，併發(fā)布命令。(3)根據(jù)命令操作給水閥，使液位回到設定值。蒸汽汽包省煤器給水

鍋爐汽包自動控制系統(tǒng)示意圖加熱爐的溫度控制系統(tǒng)蒸汽汽包省煤器給水

鍋爐汽包自動控制系統(tǒng)示意圖術(shù)語被控過程（被控對象）：自動控制系統(tǒng)中，工藝參數(shù)需要控制的生產(chǎn)過程、設備或機器。被控變數(shù)：被控過程內(nèi)要求保持設定值的工藝參數(shù)被控過程：汽包被控變數(shù)：

汽包液位操縱變數(shù)：受控制器操縱的用以克服干擾的影響，使被控變數(shù)保持設定值的物料量或能量擾動：除操縱變數(shù)外，作用於被控過程並引起被控變數(shù)變化的因素操縱變數(shù)：水的流量擾動：水壓力、蒸汽壓力蒸汽汽包省煤器給水

鍋爐汽包自動控制系統(tǒng)示意圖設定值：工藝參數(shù)所要求保持的數(shù)值偏差：被控變數(shù)設定值與實際值之差負回饋：將被控變數(shù)送回輸入端並與輸入變數(shù)相減蒸汽汽包省煤器給水

鍋爐汽包自動控制系統(tǒng)示意圖加熱爐的溫度控制系統(tǒng)被控過程：加熱爐被控變數(shù)：物料出口溫度操縱變數(shù)：燃料油流量擾動：被加熱原料油溫度、燃料油熱值等1.2.2閉環(huán)控制與開環(huán)控制

閉環(huán)控制：

在回饋控制系統(tǒng)中，被控變數(shù)送回輸入端，與設定值進行比較，根據(jù)偏差進行控制，控制被控變數(shù)，這樣，整個系統(tǒng)構(gòu)成了一個閉環(huán)。閉環(huán)控制的特點（優(yōu)點）：按偏差進行控制，使偏差減小或消除，達到被控變數(shù)與設定值一致的目的。

閉環(huán)控制的缺點：控制不夠及時；如果系統(tǒng)內(nèi)部各環(huán)節(jié)配合不當，系統(tǒng)會引起劇烈震盪，甚至會使系統(tǒng)失去控制。開環(huán)控制：

開環(huán)控制的特點（優(yōu)點）：不需要對被控變數(shù)進行測量，只根據(jù)輸入信號進行控制，控制很及時。開環(huán)控制的缺點：由於不測量被控變數(shù)，也不與設定值相比較，所以系統(tǒng)受到擾動作用後，被控變數(shù)偏離設定值，並無法消除偏差，這是開環(huán)控制的缺點。

開環(huán)的液位控制系統(tǒng)（按擾動控制，又稱前饋控制）開環(huán)控制舉例1Ff

FT

LT

FdC

蒸汽汽包省煤器給水蒸汽汽包省煤器給水

鍋爐汽包自動控制系統(tǒng)示意圖1.2.3自動控制系統(tǒng)的組成及方框圖

在研究自動控制系統(tǒng)時，為了更清楚的表示控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的組成、特性和相互間的信號聯(lián)繫，一般都採用方框圖。每個方框表示組成系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)，兩個方框之間用帶箭頭的線段表示信號聯(lián)繫；進入方框的信號為環(huán)節(jié)輸入，離開方框的為環(huán)節(jié)輸出。閉環(huán)控制系統(tǒng)組成檢測元件和變送器的作用是把被控變數(shù)c(t)轉(zhuǎn)化為測量值y(t)。比較機構(gòu)的作用是比較設定值r(t)與測量值y(t)並輸出其差值?？刂蒲b置的作用是根據(jù)偏差的正負、大小及變化情況，按某種預定的控制規(guī)律給出控制作用u(t)。比較機構(gòu)和控制裝置通常組合在一起，稱為控制器。執(zhí)行器的作用是接受控制器送來的u(t)，相應地去改變操縱變數(shù)q(t)。

系統(tǒng)中控制器以外的各部分組合在一起，即過程、執(zhí)行器、檢測元件與變送器的組合稱為廣義對象。閉環(huán)控制系統(tǒng)組成在分析控制系統(tǒng)的工作過程時，有幾個很重要的概念：（1）資訊：圖中的r(t)、y(t)、f(t)等儘管是實際的物理量，但它們是作為資訊來轉(zhuǎn)換和作用的。圖中的每一部分稱為一個環(huán)節(jié)，作用於它的資訊稱為該環(huán)節(jié)的輸入信號，它送出的資訊稱為輸出信號。前一環(huán)節(jié)的輸出就是後一環(huán)節(jié)的輸入信號。每一環(huán)節(jié)的輸出信號與輸入信號之間的關係僅僅取決於該環(huán)節(jié)的特性。從整個系統(tǒng)來看，輸入信號：設定值和擾動輸出信號：被控變數(shù)、測量值（2）閉環(huán)：按資訊的流向來說（3）動態(tài)：物理量是時間的函數(shù)、是不斷變化的。擾動作用使被控變數(shù)偏離設定值，控制作用又使它回到設定值。閉環(huán)控制系統(tǒng)組成1.2.4自動控制系統(tǒng)的分類按設定值的不同情況，將自動控制系統(tǒng)分為三類:

定值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)、程式控制系統(tǒng)。定值控制系統(tǒng)

設定值保持不變（為一恒定值）的回饋控制系統(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng)。

隨動控制系統(tǒng)

設定值不斷變化，且事先是不知道的，並要求系統(tǒng)的輸出（被控變數(shù)）隨之而變化。

程式控制系統(tǒng)

設定值也是變化的，但它是一個已知的時間函數(shù)，即根據(jù)需要按一定時間程式變化1.3自動控制系統(tǒng)的過渡過程及品質(zhì)指標1.3.1靜態(tài)與動態(tài)

控制系統(tǒng)的輸入有設定作用和擾動作用。靜態(tài)（定態(tài)）：當輸入恒定不變時，整個系統(tǒng)若能建立平衡，系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)將暫不動作，它們的輸出都處於相對靜止狀態(tài)。此時輸入與輸出之間的關係稱為系統(tǒng)的靜態(tài)特性。環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性動態(tài)：由於輸入的變化，輸出隨時間變化，其間的關係稱為系統(tǒng)的動態(tài)特性。也就是說，從輸入開始，經(jīng)過控制直到再建立靜態(tài)，在這段時間中，整個系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)和變數(shù)都處於變化的過程之中，這種狀態(tài)稱為動態(tài)。環(huán)節(jié)的動態(tài)特性1.3.2自動控制系統(tǒng)的過渡過程

當自動控制系統(tǒng)的輸入發(fā)生變化後，被控變數(shù)（即輸出）隨時間不斷變化，它隨時間而變化的過程稱為系統(tǒng)的過渡過程。也就是系統(tǒng)從一個平衡狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(tài)的過程。

對於一個穩(wěn)定的系統(tǒng)（所有正常工作的回饋系統(tǒng)都是穩(wěn)定系統(tǒng)）要分析其穩(wěn)定性、準確性和快速性，常以階躍作用為輸入時的被控變數(shù)的過渡過程為例，因為階躍作用很典型，實際上也經(jīng)常遇到，且這類輸入變化對系統(tǒng)來講是比較嚴重的情況。

定值控制系統(tǒng)過渡過程的幾種形式(階躍擾動)

發(fā)散振盪單調(diào)發(fā)散等幅振盪衰減振盪單調(diào)衰減單項控制指標（僅適用於衰減振盪過程）穩(wěn)定性、準確性和快速性1.3.3自動控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標綜合控制指標最大動態(tài)偏差或超調(diào)量是描述被控變數(shù)偏離設定值最大程度的物理量，是衡量過渡過程穩(wěn)定性的一個動態(tài)指標。

對於定值控制系統(tǒng)，過渡過程的最大動態(tài)偏差是指被控變數(shù)第一個波的峰值與設定值之差。在上圖中，最大偏差就是第一個波的峰值。為A

（1）最大動態(tài)偏差（emax）或超調(diào)量（）CtyBB’A0穩(wěn)態(tài)特性最大偏差表示系統(tǒng)瞬間偏離給定值的最大程度。若偏差越大，偏離的時間越長，對穩(wěn)定正常生產(chǎn)越不利。要求小。特別是對於一些有約束條件的系統(tǒng)，如化學反應器的化合物爆炸極限、觸媒燒結(jié)溫度極限等，都會對最大偏差的允許值有所限制。

同時考慮到干擾會不斷出現(xiàn)，當?shù)谝粋€干擾還未清除時，第二個干擾可能又出現(xiàn)了，偏差有可能是疊加的，所以要限制最大偏差的允許值。因此，在決定最大偏差的允許值時，要根據(jù)工藝情況慎重選擇。在設定作用下的控制系統(tǒng)（隨動控制系統(tǒng)）中，通常採用超調(diào)量這個指標來表示被控變數(shù)偏離設定值的程度，一般超調(diào)量以百分數(shù)給出。A超調(diào)量定義：第一個波的峰值與最終穩(wěn)態(tài)值之差，即B=A-C,如果系統(tǒng)的新穩(wěn)態(tài)值等於設定值，那麼最大偏差就等於超調(diào)量。ytBB’C0衰減比是衡量過渡過程穩(wěn)定性的動態(tài)指標。定義：第一個波的振幅與同方向第二個波的振幅之比。

（2）衰減比n衰減比nCtyBB’A0穩(wěn)態(tài)特性衰減比n

n>1:衰減振盪。n越大，則控制系統(tǒng)的穩(wěn)定度也越高，當n趨於無窮大時，控制系統(tǒng)的過渡過程接近於非振盪過程。

n=1:等幅振盪。

n<1:發(fā)散振盪。n越小，意味著控制系統(tǒng)的振盪過程越劇烈，穩(wěn)定度也越低，根據(jù)實際操作經(jīng)驗，為保持足夠的穩(wěn)定裕度，一般希望過渡過程有兩個波左右，與此對應的衰減比在4:1到10:1的範圍內(nèi)。衰減率：衰減比4:1——衰減率0.75衰減比10:1——衰減率0.90CtyBB’A0穩(wěn)態(tài)特性（3）餘差定義：控制系統(tǒng)過渡過程終了時設定值與被控變數(shù)穩(wěn)態(tài)值之差。

餘差是反映控制準確性的一個重要穩(wěn)態(tài)指標，一般希望其為零，或不超過預定的範圍。上圖中，

在控制系統(tǒng)中，對餘差的要求取決於生產(chǎn)過程的要求，並不是越小越好。例如儲槽液位，餘差可大一些；化學反應器的溫度控制要求高，餘差就要小一些。CtyBB’A0穩(wěn)態(tài)特性（4）回復時間（過渡時間）回復時間表示控制系統(tǒng)過渡過程的長短。定義：控制系統(tǒng)在受到階躍外作用後，被控變數(shù)從原有穩(wěn)態(tài)值達到新的穩(wěn)態(tài)值所需要的時間。理論上講，控制系統(tǒng)要完全達到新的平衡狀態(tài)需要無限長的時間。CtyBB’A0穩(wěn)態(tài)特性實際上，被控變數(shù)接近於新穩(wěn)態(tài)值的或或的範圍內(nèi)且不再越出時為止所經(jīng)歷的時間，可計為過渡時間。一般希望過渡時間短一些。ytBB’5%A0Ts（5）振盪頻率（或振盪週期）在衰減比相同條件下，週期與過渡時間成正比；振盪頻率與回復時間成反比。定義：過渡過程同向兩波峰之間的時間間隔稱為振盪週期或工作週期。其倒數(shù)稱為振盪頻率。其他一些次要指標：振盪次數(shù)：是指在過渡過程內(nèi)被控變數(shù)振盪的次數(shù)?！袄硐脒^渡過程兩個波”：是指過渡過程振盪兩次就能穩(wěn)定下來。上升時間：是指干擾開始作用起到第一個波峰所需要的時間。CtyBB’A0穩(wěn)態(tài)特性總結(jié)：主要指標有：最大偏差、衰減比、餘差、過渡時間。在實際的系統(tǒng)中如何確定這些指標，要根據(jù)實際情況來定。原則：對生產(chǎn)過程有決定性意義的主要品質(zhì)指標應該優(yōu)先保證。例題：某換熱器的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)在單位階躍干擾下的過渡過程曲線如下圖所示。試分別求出最大偏差、衰減比、餘差、過渡時間（設定值為200℃）。(℃)解：(1)最大偏差：(2)餘差：(℃)℃(3)衰減比：第一個波的振幅第二個波的振幅(℃)(℃)衰減比℃(4)過渡時間：過渡時間與規(guī)定的被控變數(shù)的限制範圍大小有關，假設為，就可以認為過渡過程已經(jīng)結(jié)束，那麼限制範圍為(℃)那麼，在新穩(wěn)態(tài)值（205℃）兩側(cè)以限制範圍為寬度畫一區(qū)域，只要被控變數(shù)不再越出即可。因此，過渡過程為22min.℃

過程特性過程：需要實現(xiàn)控制的機器、設備或生產(chǎn)過程過程特性：是指被控過程的輸入變數(shù)（操縱變數(shù)或擾動變數(shù)）發(fā)生變化時，其輸出變數(shù)（被控變數(shù)）隨時間的變化規(guī)律。簡單控制系統(tǒng)方塊圖2.1過程特性的類型通道：輸入變數(shù)對輸出變數(shù)的作用途徑控制通道：操縱變數(shù)q(t)對被控變數(shù)c(t)的作用途徑擾動通道：擾動變數(shù)f(t)對被控變數(shù)c(t)的作用途徑廣義對象特性主要通過回應曲線來呈現(xiàn)控制通道的回應曲線：當被控作用u(t)做階躍變化（擾動f(t)不變）時被控變數(shù)的時間特性c(t)擾動通道的回應曲線：當擾動f(t)做階躍變化（控制作用u(t)不變）時被控變數(shù)的時間特性c(t)回應曲線有四種：有自衡的非振盪過程無自衡的非振盪過程有自衡的振盪過程具有反向特性的過程有自衡的非振盪過程如下圖中的液位過程無自衡的非振盪過程如下圖中的液位過程2.2過程的數(shù)學描述

要研究被控過程的特性，就必須知道被控過程的數(shù)學模型（參量模型），也就是對過程的數(shù)學描述。數(shù)學模型：表示具體過程的輸入、輸出關係的數(shù)學方程式。其形式有：微分方程式、偏微分方程式、狀態(tài)方程換熱器由前面的分析可得：一階被控過程控制通道的動態(tài)方程為：一階被控過程擾動通道的動態(tài)方程為：有純滯後其中：分別為控制通道、擾動通道的時間常數(shù)和放大係數(shù)；

分別為被控變數(shù)增量、操縱變數(shù)增量和擾動變數(shù)增量。2.3過程特性的一般分析

描述有自衡非振盪過程的特性參數(shù)有放大係數(shù)K、時間常數(shù)T和時滯τ。放大係數(shù)K(1)控制通道的放大係數(shù)Ko(2)擾動通道的放大係數(shù)Kf(1)控制通道的放大係數(shù)Ko定義：在擾動變數(shù)f(t)不變的情況下，被控變數(shù)的變化量Δc與操縱變數(shù)Δq在時間趨於無窮大時之比控制通道的放大係數(shù)Ko反映了過程以初始工作點為基準的被控變數(shù)與操縱變數(shù)在過程結(jié)束時的變化量之間的關係，是一個穩(wěn)態(tài)特性參數(shù)。過程的放大係數(shù)受負荷和工作點的影響。在相同的負荷下，Ko隨工作點的增大而減?。辉谙嗤墓ぷ鼽c下，Ko隨工作點的增大而減小。蒸汽加熱器的穩(wěn)態(tài)特性在某一負荷下，蒸汽量不同，達到平衡的出口溫度不同；反之，在蒸汽量相同，處理量不同的情況下，達到平衡的出口溫度也不同。選擇Ko的原則：希望Ko稍大。(2)

擾動通道的放大係數(shù)Kf定義：在操縱變數(shù)q(t)不變的情況下，過程受到幅度為Δf的階躍擾動作用，過程從原有穩(wěn)定狀態(tài)達到新的穩(wěn)定狀態(tài)時被控變數(shù)的變化量與擾動幅度Δf之比。很明顯，希望Kf小一些。但是，擾動對系統(tǒng)的影響還要考慮Δf的大小。時間常數(shù)T

時間常數(shù)T是表徵被控變數(shù)變化快慢的動態(tài)參數(shù)?？刂七^程中時間常數(shù)的概念來源於電工學中時間常數(shù)的概念。在阻容環(huán)節(jié)的充電過程中，T=RC表徵了充電過程的快慢。定義1：在階躍外作用下，一個阻容環(huán)節(jié)的輸出變化量完成全部變化量的63.2%所需要的時間。定義2：在階躍外作用下，一個阻容環(huán)節(jié)的輸出變化量保持初始變化速度，達到新的穩(wěn)態(tài)值所需要的時間。任何過程都具有儲存物料或能量的能力，如過程的容量有熱容、液容、氣容。任何過程在物料或能量的傳遞過程中，也總是存在著一定的阻力，如熱阻、液阻、氣阻。因此，可以用過程容量係數(shù)C與阻力係數(shù)R的乘積來表徵過程的時間常數(shù)。（1）控制通道時間常數(shù)To對控制系統(tǒng)的影響在相同的控制作用下，過程的時間常數(shù)To越大，被控變數(shù)的變化越緩慢。To越小，被控變數(shù)的變化越快。希望To適中

（2）擾動通道時間常數(shù)Tf對控制系統(tǒng)的影響過程的時間常數(shù)Tf越大越好，相當於對擾動信號進行濾波。希望Tf大純滯後τ定義：在輸入變化後，輸出不是隨之立即變化，而是需要間隔一段時間才發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為純滯後（時滯）現(xiàn)象。具有純滯後時間的階躍回應曲線

定義中的純滯後包括了兩種滯後：純滯後、容量滯後。

實際工業(yè)過程中的純滯後時間是指純滯後與容量滯後時間之和純滯後τo是由於資訊的傳輸需要時間而引起的。它可能起因於被控變數(shù)c(t)至測量值y(t)的檢測通道，也可能起因於控制信號u(t)至操縱變數(shù)q(t)的一側(cè)。物料傳輸容量滯後是多容量過程的固有特性，是由於物料或能量的傳遞需要通過一定的阻力而引起的。容量滯後（1）純滯後對控制通道的影響

希望τo小。純滯後τ對系統(tǒng)控制過程的影響，是以其與時間常數(shù)的比值τ/T來衡量的。

的過程較易控制；τ/T較大時，需要在一定程度上降低控制系統(tǒng)的指標；τ/T>(0.5~0.6)時，需用特殊控制規(guī)律。（2）純滯後對擾動通道的影響

一般地，在不同變數(shù)的過程中，液位和壓力過程的τ較小，流量過程的τ和T都較小，溫度過程的τc較大，成分過程的τo和τc都較大。

對τo無要求。

希望τc大。2.4過程特性的實驗測定方法

過程特性參數(shù)可以由過程的數(shù)學模型通過求解得到，但是在生產(chǎn)過程中，很多過程的數(shù)學模型是很難得到的。

工程上一般用實驗方法來測定過程特性參數(shù)。最簡便的方法就是直接在原設備或機器中施加一定的擾動，通過該過程的輸出變數(shù)進行測量和記錄，然後通過分析整理得到過程特性參數(shù)。

階躍擾動法（反應曲線法）

當過程處於穩(wěn)定狀態(tài)時，在過程的輸入端施加一個幅度已知的階躍擾動，測量和記錄過程輸出變數(shù)的數(shù)值，畫出輸出變數(shù)隨時間變化的反應曲線，根據(jù)回應曲線求得過程特性參數(shù)。放大係數(shù)

K=B/A

時間常數(shù)

T純滯後

τ一階系統(tǒng)放大係數(shù)K:

K=[c(t)-c(0)]/A

時間常數(shù)T:

T=2、3之間的距離純滯後τ:

τ=1、2之間的距離二階系統(tǒng)階躍擾動法直觀、簡便易行、所以得到了廣泛的應用。但是許多過程較複雜、擾動因素較多，會影響測試精度；另外，由於工藝條件的限制，階躍擾動幅度不能太大，所以在實施擾動法時應該在系統(tǒng)相對穩(wěn)定的情況下進行。矩形脈衝擾動法週期擾動法統(tǒng)計相關法

檢測變送3.1概述3.1.0檢測變送的重要性3.1.1測量誤差3.1.2儀錶性能指標

在過程自動化中要通過檢測元件獲取生產(chǎn)工藝變數(shù)，最常見變數(shù)是溫度、壓力、流量、物位（四大參數(shù)）。檢測元件又稱為敏感元件、感測器，它直接回應工藝變數(shù)，並轉(zhuǎn)化成一個與之成對應關係的輸出信號。這些輸出信號包括位移、電壓、電流、電阻、頻率、氣壓等。3.1.0檢測變送的重要性

由於檢測元件的輸出信號種類繁多，且信號較弱不易察覺，一般都需要將其經(jīng)過變送器處理，轉(zhuǎn)換成標準統(tǒng)一的電氣信號（如4～20mA或0～10mA直流電流信號,20～100KPa氣壓信號）送往顯示儀錶，指示或記錄工藝變數(shù)，或同時送往控制器對被控變數(shù)進行控制。有時將檢測元件、變送器及顯示裝置統(tǒng)稱為檢測儀錶,或者將檢測元件稱為一次儀錶，將變送器和顯示裝置稱為二次儀錶。檢測——實施正確控制的第一步變送——將檢測元件輸出的各種信號、微弱信號轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一(標準)的電氣信號。靜態(tài)：正確——y(t)正確反映c(t)的值可靠——長期工作動態(tài)：迅速——y(t)迅速反映c(t)的變化過程控制對檢測儀錶要求：3.1.1

測量誤差(1)絕對誤差：儀錶的指示值與被測量的真值之間的差值。(2)

相對誤差（儀錶引用誤差）測量誤差：檢測儀錶獲得的被測值與實際被測變數(shù)真實值之間的差距。理論上：實際上：絕對誤差與儀錶的量程之比。(3)允許誤差(4)附加誤差——由於外界環(huán)境條件變化以及儀錶波動等外界因素引起的誤差。3.1.2

儀錶性能指標精確度（精度）——表示儀錶測量結(jié)果的可靠程度。

儀錶的精度等級是按國家統(tǒng)一規(guī)定的允許誤差大小來劃分成若干等級的。儀錶精度等級數(shù)值越小，說明儀錶測量準確度越高。

精度等級：允許誤差去掉“±”號及“%”後，系列化圓整後的數(shù)值。

儀錶的精度等級以一定的符號形式表示在儀錶尺規(guī)板上，如1.0外加一個圓圈或三角形。精度等級1.0，說明該儀錶允許誤差為1.0%。目前我國生產(chǎn)的儀錶的精度等級有：0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0等1.01.0[例1]某臺測溫儀錶的量程是600--1100℃，其最大絕對誤差為±4℃，試確定該儀錶的精度等級。

由於國家規(guī)定的精度等級中沒有0.8級儀錶，而該儀錶的最大引用誤差超過了0.5級儀錶的允許誤差，所以這臺儀錶的精度等級應定為1.0級。解儀錶的最大允許誤差為[例2]某臺測溫儀錶的量程是600--1100℃，工藝要求該儀錶指示值的誤差不得超過±4℃，應選精度等級為多少的儀錶才能滿足工藝要求。±0.8%介於允許誤差±0.5%與±1.0%之間，如果選擇允許誤差為±1.0%,則其精度等級應為1.0級。量程為600～1100℃，精確度為1.0級的儀錶，可能產(chǎn)生的最大絕對誤差為±5℃，超過了工藝的要求。所以只能選擇一臺允許誤差為±0.5%，即精確度等級為0.5級的儀錶，才能滿足工藝要求。解根據(jù)工藝要求，儀錶的最大允許誤差為結(jié)論：校表：選表：儀錶量程的上限：Ymax:4/3~3/2倍（被測變數(shù)）

波動較大時：3/2~2倍（被測變數(shù)）下限：一般地，被測變數(shù)的值不低於全量程的1/3。

儀錶精度與量程有關，量程是根據(jù)所要測量的工藝變數(shù)來確定的。在儀錶精度等級一定的前提下適當縮小量程，可以減小測量誤差，提高測量準確性。(2)變差

——在外界條件不變的情況下，使用同一臺儀錶對某一變數(shù)進行正反行程測量時對應於同一測量值所得的儀錶讀數(shù)之間的差異。注意：儀錶的變差不能超出儀錶的允許誤差。(3)線性度

——衡量儀錶實際特性偏離線性程度的指標。線性度差就要降低儀錶精度。圖3.1線性度(4)靈敏度和解析度靈敏度：儀錶的輸出變化量與引起此變化的輸入變化量的比值，即靈敏度=△Y/△X對於模擬式儀錶而言，ΔY是儀錶指針的角位移或線位移。靈敏度反映了儀錶對被測量變化的靈敏程度。解析度（儀錶靈敏限）：儀錶輸出能分辨和回應的最小輸入變化量。解析度是靈敏度的一種反映。對於數(shù)字式儀錶而言，解析度就是數(shù)字顯示器最末位數(shù)字間隔代表被測量的變化與量程的比值。(5)動態(tài)誤差

由於儀錶動作的慣性延遲和測量傳遞滯後，當被測量突然變化後必須經(jīng)過一段時間才能準確顯示出來，這樣造成的誤差。注：在工業(yè)生產(chǎn)中被測量變化較快是不能忽略動態(tài)誤差。3.2溫度檢測3.2.1溫度檢測方法3.2.2熱電偶3.2.3熱電阻3.2.4熱電偶、熱電阻的選用3.2.1溫度檢測方法按測溫元件是否與被測對象接觸分為：

接觸式：非接觸式：接觸式：測溫元件與被測對象接觸，依靠傳熱和對流進行熱交換。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、可靠，測溫精度較高。缺點：由於測溫元件與被測對象必須經(jīng)過充分的熱交換且達到平衡後才能測量，這樣容易破壞被測對象的溫度場，同時帶來測溫過程的延遲現(xiàn)象，不適於測量熱容量小的對象、極高溫的對象、處於運動中的對象。不適於直接對腐蝕性介質(zhì)測量。非接觸式：測溫元件不與被測對象接觸，而是通過熱輻射進行熱交換，或測溫元件接收被測對象的部分熱輻射能，由熱輻射能大小推出被測對象的溫度。優(yōu)點：從原理上講測量範圍從超低溫到極高溫，不破壞被測對象溫度場。非接觸式測溫回應快，對被測對象干擾小，可用於測量運動的被測對象和有強電磁干擾、強腐蝕的場合。缺點：容易受到外界因素的干擾，測量誤差較大，且結(jié)構(gòu)複雜，價格比較昂貴。

3.2.2熱電偶(1)

測溫原理——熱電效應圖3.2熱電偶的熱電效應（參比端、冷端、固定端）（工作端、熱端、自由端）將兩種不同材料的導體或半導體A和B連在一起組成一個閉合回路，而且兩個接點的溫度θ≠θo,則回路內(nèi)將有電流產(chǎn)生，電流大小正比於接點溫度θ和θo的函數(shù)之差，而其極性則取決於A和B的材料。根據(jù)熱電偶的“中間導體定律”可知：熱電偶回路中接入第三種導體後，只要該導體兩端溫度相同，熱電偶回路中所產(chǎn)生的總熱電勢與沒有接入第三種導體時熱電偶所產(chǎn)生的總熱電勢相同；同理，如果回路中接入更多種導體時，只要同一導體兩端溫度相同，也不影響熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢值。因此熱電偶回路可以接入各種顯示儀錶、變送器、連接導線等。熱電偶的“中間導體定律”分度表：當θ0=0℃時，

與溫度θ對應的數(shù)值表。（非線性）分度號：與分度表所對應的熱電偶的代號。常用工業(yè)熱電偶比較常用熱電偶類型：普通型熱電偶：(熱電偶結(jié)構(gòu)類型見P27)熱電極、絕緣管、接線盒等鎧裝熱電偶多點式熱點偶防爆型熱點偶表面型熱點偶鎧裝熱電偶的特點·熱回應時間少，減小動態(tài)誤差；·可彎曲安裝使用；·測量範圍大；·機械強度高，耐壓性能好；扁接插式鎧裝熱電偶補償導線式鎧裝熱電偶防噴式鎧裝熱電偶防水式鎧裝熱電偶手柄式鎧裝熱電偶圓接插式鎧裝熱電偶圖3.3多點熱電偶

適用於生產(chǎn)現(xiàn)場存在溫度梯度不顯著，須同時測量多個位置或位置的多處測量。廣泛應用於大化肥合成塔、存儲罐等裝置中。圖3.4多點熱電偶

防爆型熱電偶的原理

防爆熱電偶是利用間隙隔爆原理，設計具有足夠強度的接線盒等部件，將所有會產(chǎn)生火花，電弧和危險溫度的零部件都密封在接線盒腔內(nèi)，當腔內(nèi)發(fā)生爆炸時，能通過接合面間隙熄火和冷卻，使爆炸後的火焰和溫度傳不到腔外，從而進行隔爆。

特點

·多種防爆形式，防爆性能好；

·壓簧式感溫元件，抗振性能好；

·測溫範圍大；

·機械強度高，耐壓性能好；

無固定裝置固定法蘭式固定螺紋式活絡管接頭式直型管接頭式圖3.5防爆型熱電偶一覽圖吹氣型熱電偶通過吹進氮氣或其他氣體，將有害氣體送出保護管外，從而提高熱電偶壽命。是30萬噸合成氨裝置中不可缺少的測溫裝置。另外，壓簧固定熱電偶、直角彎頭熱電偶、耐磨阻漏熱電偶等等圖3.6吹氣型熱電偶(2)補償導線解決參比端溫度的恒定問題。補償導線要求：價格便宜，0~100℃範圍內(nèi)的熱電性質(zhì)與要補償?shù)臒犭娕嫉臒犭娦再|(zhì)幾乎完全一樣圖3.7補償導線連接圖(3)熱電偶參比端溫度補償（測量的準確性）補償原理：工作端溫度θ，參比端θ0，熱電勢為因此參比端溫度補償方法：

①計算法②冰浴法③機械調(diào)零法（動圈表調(diào)零法），等級1.0以上④補償電橋法：利用參比端溫度補償器例如：用鎳鉻-鎳矽（K）熱電偶測溫，熱電偶參比端溫度θo=20℃，測得的熱電勢E（θ，θo）=32.479mV。由K分度表中查得E（20，0）=0.798mV,則E（θ，0）=E（θ，20）+E（20，0）

=32.479+0.798=33.277mV再反查K分度表，得實際溫度是800℃。計算法舉例：3.2.3熱電阻⑴金屬熱電阻——測溫原理是基於導體的電阻會隨溫度的變化而變化的特性。

熱電阻是利用物質(zhì)在溫度變化時，其電阻也隨著發(fā)生變化的特徵來測量溫度的。當阻值變化時，工作儀錶便顯示出阻值所對應的溫度值。

常用熱電阻：銅電阻和鉑電阻熱電阻的結(jié)構(gòu)形式：普通型、鎧裝型、專用型熱電阻通常和顯示儀錶、記錄儀錶、電子電腦等配套使用。直接測量各種生產(chǎn)過程中的-200°C～500°C範圍內(nèi)液體、蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體表面溫度。

無固定裝置熱電阻

固定螺紋式熱電阻

活動法蘭式熱電阻

固定螺紋錐式熱電阻

固定螺紋管接頭式熱電阻

活絡管接頭式熱電阻圖3.8圖3.9裝配式熱電阻防噴式鎧裝熱電阻扁接插式鎧裝熱電阻防水式鎧裝熱電阻圓接插式鎧裝熱電阻補償導線式鎧裝熱電阻圖3.10端面熱電阻——適合於測量電廠汽輪機及電機軸瓦或其他機體表面溫度。防腐熱電阻——採用新型防腐材料，外包覆聚四氟乙烯F46，適合於石油化工各種腐蝕性介質(zhì)中測溫。是氯堿行業(yè)的專用測溫儀錶。圖3.11

端面熱電阻圖3.12防腐熱電阻微型熱電偶/熱電阻

——適用於狹小場所的溫度測量與控制。是紡織、絛綸等行業(yè)業(yè)不可缺少的溫度測量裝置。爐壁熱電偶/熱電阻

適合於電廠鍋爐爐壁，管壁及其它圓柱體表面測量。微型熱電偶/熱電阻

特殊熱電偶/熱電阻

爐壁熱電偶/熱電阻

圖3.13⑵半導體熱敏電阻——測溫原理是基於某些半導體材料的電阻值隨溫度的變化而變化的特性。NTC型：負溫度係數(shù)熱敏電阻，多數(shù)是此類

PTC型：正溫度係數(shù)熱敏電阻，用於位式溫度檢測

特點：結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、體積小、熱慣性小。缺點：非線性嚴重、互換性差、測溫範圍窄3.2.4熱電偶、熱電阻的選用(1)選用原則：較高溫度——熱電偶中低溫區(qū)——熱電阻一般以500℃為分界，但不絕對原因有兩點：(1)在中低溫區(qū)，熱電偶輸出的熱電勢很小，對測量儀錶放大器和抗干擾要求很高。(2)由於參比端溫度變化不易得到完全補償，在較低溫度區(qū)內(nèi)引起的相對誤差就很突出。另外，還應注意工作環(huán)境，如環(huán)境溫度、介質(zhì)性質(zhì)（氧化性、還原性、腐蝕性）等，選擇適當?shù)谋Ｗo套管、連接導線等。(2)安裝(1)選擇有代表性的測溫點位置，測溫元件有足夠的插入深度(2)熱電偶或熱電阻的接線盒的出線孔應朝下，以免積水及灰塵等造成接觸不良，防止引入干擾信號。(3)檢測元件應避開熱輻射強烈影響處。要密封安裝孔，避免被測介質(zhì)溢出或冷空氣吸入而引入誤差。圖3.14熱電偶安裝(3)使用熱電偶：——參比端溫度補償——補償導線的極性不能接反——分度號應與配接的變送、顯示儀錶分度號一致——在與採用補償電橋法進行參比端溫度補償?shù)膬x錶（如電子電位差計、溫度變送器等）配套測溫時，熱電偶的參比端要與補償電阻感受相同溫度。熱電阻：——分度號應與配接的變送、顯示儀錶分度號一致——採用三線制接法熱電阻溫度變送器輸入熱電阻信號給輸入回路。輸入回路是一個不平衡電橋，熱電阻即為橋路的一個橋臂。如果是金屬熱電阻，由於連接熱電阻的導線存在電阻，且導線電阻值隨環(huán)境溫度的變化而變化，從而造成測量誤差，因此實際測量時採用三線制接法。所謂三線制接法，就是從現(xiàn)場的金屬熱電阻兩端引出三根材質(zhì)、長短、粗細均相同的連接導線，其中兩根導線被接入相鄰兩對抗橋臂中，另一根與測量橋路電源負極相連。見下圖。由於流過兩橋臂的電流相等，因此當環(huán)境溫度變化時，兩根連接導線因阻值變化而引起的壓降變化相互抵消，不影響測量橋路輸出電壓的大小。圖3.153.3流量檢測3.3.0基本概念主要研究內(nèi)容：3.3.1流量檢測的主要方法3.3.2速度式流量計（差壓式流量感測器）3.3.3容積式流量計3.3.4質(zhì)量流量計3.3.5流量儀錶的選用3.3.0基本概念流量（暫態(tài)流量）：單位時間內(nèi)流過管道某一截面的流體的數(shù)量。累積流量（總流量）：某一時段內(nèi)流過的流體的總合。暫態(tài)流量在某一時段的累積量。流量的表示方法：品質(zhì)流量(qm)：單位時間內(nèi)流過某截面的流體的品質(zhì)。單位：(kg/s)體積流量(qv)：單位時間內(nèi)流過某截面的流體的體積。(工作狀態(tài)下)單位:(m3/s)

qm=qvρ體積流量(qvn)：折算到標準的壓力和溫度下的體積流量。（標準狀態(tài)下）

qvn=qm/ρn

qvn=qvρ/ρn流體的密度受流體的工作狀態(tài)（如溫度、壓力）影響。

對於液體，壓力變化對密度的影響非常小，一般可以忽略不計。溫度對密度的影響要大一些，一般溫度每變化10℃時，液體密度的變化約在1%以內(nèi)，所以當溫度變化不是很大，測量準確度要求不是很高的情況下，往往也可以忽略不計。

對於氣體，密度受溫度、壓力變化影響較大，如在常溫常壓附近，溫度每變化10℃，密度變化約為3%；壓力每變化10kPa，密度約變化3%。

因此在測量氣體流量時，必須同時測量流體的溫度和壓力。為了便於比較，常將在工作狀態(tài)下測得的體積流量換算成標準狀態(tài)下（溫度為20℃，壓力為101325Pa）的體積流量，用符號qVN表示，單位符號為Nm3/s。

生產(chǎn)過程中各種流體的性質(zhì)各不相同，流體的工作狀態(tài)及流體的粘度、腐蝕性、導電性也不同，很難用一種原理或方法測量不同流體的流量。尤其工業(yè)生產(chǎn)過程，其情況複雜，某些場合的流體是高溫、高壓，有時是氣液兩相或液固兩相的混合流體。所以目前流量測量的方法很多，測量原理和流量感測器（或稱流量計）也各不相同，從測量方法上一般可分為以下幾大類。3.3.1流量檢測的主要方法(1)測體積流量容積法：在單位時間內(nèi)以標準固定體積對流動介質(zhì)連續(xù)不斷地進行度量，以排出流體的固定容積數(shù)來計算流量。容積法受流體流動狀態(tài)影響較小，適用於測量高粘度、低雷諾數(shù)的流體。雷諾數(shù)是流體流動中慣性力與粘性力比值的量度,依據(jù)雷諾數(shù)的大小可以判別流動特徵

如：橢圓齒輪流量計、腰輪流量計、皮膜式流量計等圖3.16

LC橢圓齒輪流量計

速度法：平均流速乘以管道截面積求得流體的體積流量。測量平均流速的方法有：差壓式、電磁式、漩渦式、聲學式、熱學式、渦輪式差壓式

又稱節(jié)流式，利用節(jié)流件前後的差壓和流速關係，通過差壓值獲得流體的流速；電磁式導電流體在磁場中運動產(chǎn)生感應電勢，感應電勢大小與流體的平均流速成正比；旋渦式流體在流動中遇到一定形狀的物體會在其周圍產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦，旋渦釋放的頻率與流速成正比；

渦輪式流體作用在置於管道內(nèi)部的渦輪上使渦輪轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)動速度在一定流速範圍內(nèi)與管道內(nèi)流體的流速成正比；

聲學式根據(jù)聲波在流體中傳播速度的變化得到流體的流速；熱學式利用加熱體被流體的冷卻程度與流速的關係來檢測流速。基於速度法的流量檢測儀錶有:節(jié)流式流量計、靶式流量計、彎管流量計、轉(zhuǎn)子流量計、電磁流量計、旋渦流量計、渦輪流量計、超聲流量計等。YJLB型一體化節(jié)流式流量計YJLB型一體化節(jié)流式流量計將節(jié)流裝置和差壓變送器做成一體，繼承了節(jié)流裝置的優(yōu)點，結(jié)構(gòu)緊湊，成套性好，故障率低，使用安裝方便，動態(tài)特性好，提高了測量精度，可滿足各種流量測量的需要

圖3.17圖3.18靶式流量計圖3.1990度彎管流量計測品質(zhì)流量直接法：直接測量品質(zhì)流量?？蒲Y奧利力式流量計、量熱式流量計、角動量式流量計等。

間接法：測出體積流量和密度，經(jīng)過計算得到。主要有壓力溫度補償式品質(zhì)流量計。

品質(zhì)流量計是直接測量流體流過的品質(zhì)。具有精度不受流體的溫度、壓力、密度、粘度等變化影響的優(yōu)點圖3.20

SITRANSFC科裏奧利力品質(zhì)流量計3.3.2速度式流量計（差壓式流量感測器）

差壓式流量感測器又稱節(jié)流式流量感測器，它是利用管路內(nèi)的節(jié)流裝置，將管道中流體的暫態(tài)流量轉(zhuǎn)換成節(jié)流裝置前後的壓力差的原理來實現(xiàn)的。圖3.21差壓式流量感測器流量測量系統(tǒng)差壓式流量感測器流量測量系統(tǒng)主要由節(jié)流裝置和差壓計（或差壓變送器）組成，如下圖所示。節(jié)流裝置的作用是把被測流體的流量轉(zhuǎn)換成壓差信號，差壓計則對壓差信號進行測量並顯示測量值，差壓變送器能把差壓信號轉(zhuǎn)換為與流量對應的標準電信號或氣信號，以供顯示、記錄或控制。

差壓式流量感測器發(fā)展較早，技術(shù)成熟而較完善，而且結(jié)構(gòu)簡單，對流體的種類、溫度、壓力限制較少，因而應用廣泛。(1)節(jié)流裝置

節(jié)流裝置是差壓式流量感測器的流量敏感檢測元件，是安裝在流體流動的管道中的阻力元件。常用的節(jié)流元件有孔板、噴嘴、文丘裏管。它們的結(jié)構(gòu)形式、相對尺寸、技術(shù)要求、管道條件和安裝要求等均已標準化，故又稱標準節(jié)流元件，如下頁圖所示。圖3-22標準節(jié)流元件(a)孔板；(b)噴嘴；(c)文丘裏管

其中孔板最簡單又最為典型，加工製造方便，在工業(yè)生產(chǎn)過程中常被採用。標準節(jié)流裝置按照規(guī)定的技術(shù)要求和試驗數(shù)據(jù)來設計、加工、安裝，無需檢測和標定，可以直接投產(chǎn)使用，並可保證流量測量的精度。

(2)測量原理測量原理

在管道中流動的流體具有動壓能和靜壓能，在一定條件下這兩種形式的能量可以相互轉(zhuǎn)換，但參加轉(zhuǎn)換的能量總和不變。用節(jié)流元件測量流量時，流體流過節(jié)流裝置前後產(chǎn)生壓力差Δp(Δp=p1-p2)，且流過的流量越大，節(jié)流裝置前後的壓差也越大，流量與壓差之間存在一定關係，這就是差壓式流量感測器測量原理。

圖3-23節(jié)流件前後流速和壓力分佈情況

圖3-23為節(jié)流件前後流速和壓力分佈情況，圖中充分地反映了能量形式的轉(zhuǎn)換。由於流動是穩(wěn)定不變的，即流體在同一時間內(nèi)通過管道截面A和節(jié)流件開孔截面A0的流體量應相同，這樣通過截面A0的流速必然比通過截面A時快。在流速變化的同時，流體的動壓能和靜壓能也發(fā)生變化，根據(jù)能量守恆定律，因而在孔板前後出現(xiàn)了靜壓差。通過測量此靜壓差便可以求出流速和流量。

流量方程式為

對於可壓縮流體，例如各種氣體及蒸氣通過節(jié)流元件時，由於壓力變化必然會引起密度ρ的改變，即ρ1≠ρ2，這時在公式中應引入體積膨脹係數(shù)ε，可壓縮性流體體積膨脹係數(shù)ε小於1，如果是不可壓縮性流體，則ε=1。

流量公式中的流量係數(shù)α與節(jié)流裝置的結(jié)構(gòu)形式、取壓方式、節(jié)流裝置開孔直徑、流體流動狀態(tài)（雷諾數(shù)）及管道條件等因素有關。對於標準節(jié)流裝置，α值可直接從有關手冊中查出。(3)差壓式流量檢測系統(tǒng)

圖3-24差壓式流量檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

節(jié)流裝置是將被測流體的流量值變換成差壓信號Δp，節(jié)流裝置輸出的差壓信號由壓力信號管路輸送到差壓變送器（或差壓計）。由流量基本方程式可以看出，被測流量與差壓Δp成平方根關係，對於直接配用差壓計顯示流量時，流量尺規(guī)是非線性的，為了得到線性刻度，可加開方運算電路或加開方器。如差壓流量變送器帶有開方運算，變送器的輸出電流就與流量成線性關係。顯示儀錶則顯示流量的大小。

要使儀錶的指示值與通過管道的實際流量相符，必須做到以下幾點：

（1）差壓變送器的壓差和顯示儀錶的流量尺規(guī)有若干種規(guī)格，選擇時應與節(jié)流裝置孔徑匹配。（2）在測量蒸汽和氣體流量時，常遇到工作條件的密度ρ與設計時的密度ρc不相同，這時必須對示數(shù)進行修正。（3）顯示儀錶刻度通常是線性的，測量值（差壓信號）要經(jīng)過開方運算進行線性化處理後再送顯示儀錶。（4）節(jié)流裝置應正確安裝。（5）接至差壓變送器的壓差應該與節(jié)流裝置前後壓差相一致，這就需要正確安裝差壓信號管路。介質(zhì)為液體時：

差壓變送器應裝在節(jié)流裝置下麵，取壓點應在工藝管道的中心線以下引出（下傾45°左右），導壓管最好垂直安裝，否則也應有一定斜度。當差壓變送器放在節(jié)流裝置之上時，要裝置貯氣罐。

圖3.25介質(zhì)為氣體時：差壓變送器應裝在節(jié)流裝置的上面,防止導壓管內(nèi)積聚液滴，取壓點應在工藝管道的上半部引出。圖3.26介質(zhì)為蒸汽時：

應使導壓管內(nèi)充滿冷凝液，因此在取壓點的出口處要裝設凝液罐，其他安裝同液體。圖3.27介質(zhì)具有腐蝕性時：

可在節(jié)流裝置和差壓變送器之間裝設隔離罐，內(nèi)放不與介質(zhì)有互溶的隔離液來傳遞壓力，或採用噴吹法等。圖3.28（2）靶式流量計

在流體通過的管道中，垂直於流動方向插上一塊圓盤形的靶。流體通過時對靶片產(chǎn)生推力，經(jīng)杠桿系統(tǒng)產(chǎn)生力矩。力矩與流量的平方近似成正比。靶式流量計適用於測量粘稠性及含少量懸浮固體的液體。

圖3.29（3）旋渦流量計

旋渦流量計又稱渦街流量計，其測量方法基於流體力學中的卡門渦街原理。把一個旋渦發(fā)生體（如圓柱體、三角柱體等非流線型對稱物體）垂直插在管道中，當流體繞過旋渦發(fā)生體時會在其左右兩側(cè)後方交替產(chǎn)生旋渦，形成渦列，且左右兩側(cè)旋渦的旋轉(zhuǎn)方向相反。這種渦列就稱為卡門渦街。

在一定的雷諾數(shù)Re範圍內(nèi)，體積流量qv與旋渦的頻率f成線性關係。只要測出旋渦的頻率f就能求得流過流量計管道流體的體積流量qv。

旋渦流量計的輸出信號是與流量成正比的脈衝頻率信號或標準電流信號，可以遠距離傳輸，而且輸出信號與流體的溫度、壓力、密度、成分、粘度等參數(shù)無關。該流量計量程比寬，結(jié)構(gòu)簡單，無運動件，具有測量精度高、應用範圍廣、使用壽命長等特點。另外，轉(zhuǎn)子流量計、渦輪流量計、電磁流量計、超聲波流量計3.3.3容積式流量計該流量計系直讀累積式流體流量計，是由裝有一對橢圓齒輪轉(zhuǎn)子的計量室、密封聯(lián)軸器（小口徑流量計採用靈敏度高的磁性聯(lián)軸器）和計數(shù)機構(gòu)組成。測得旋轉(zhuǎn)頻率就可求得體積流量。圖3.30橢圓齒輪流量測量示意圖3.3.4品質(zhì)流量計

(1)直接式品質(zhì)流量感測器——科裏奧利品質(zhì)流量感測器

科裏奧利品質(zhì)流量感測器是利用流體在直線運動的同時，處於一個旋轉(zhuǎn)系中，產(chǎn)生與品質(zhì)流量成正比的科裏奧利力而製成的一種直接式品質(zhì)流量感測器。

圖3-31科裏奧利力分析圖

當品質(zhì)為m的質(zhì)點在對P軸作角速度為ω旋轉(zhuǎn)的管道內(nèi)移動時，如圖3-31所示，質(zhì)點具有兩個分量的加速度及相應的加速度力：

①法向加速度:即向心加速度ar，其量值為ω2r，方向朝向P軸。②切向加速度:即科裏奧利加速度at,

其量值為2ωv，方向與ar垂直。由於複合運動，在質(zhì)點的at方向上作用著科裏奧利力為2ωvm，而管道對質(zhì)點作用著一個反向力，其值為-2ωvm。

當密度為ρ的流體以恒定速度v在管道內(nèi)流動時，任何一段長度為Δx的管道都受到一個大小為ΔFc的切向科裏奧利力，即ΔFc=2ωvρAΔx

式中,A為管道的流通內(nèi)截面積。

因為品質(zhì)流量qm=ρvA，所以

ΔFc=2ωqmΔx

基於上式，如直接或間接測量在旋轉(zhuǎn)管道中流動流體所產(chǎn)生的科裏奧利力就可以測得品質(zhì)流量，這就是科裏奧利品質(zhì)流量感測器的工作原理。圖3-32科裏奧利品質(zhì)流量感測器結(jié)構(gòu)原理圖

然而，通過旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生科裏奧利力實現(xiàn)起來比較困難，目前的感測器均採用振動的方式來產(chǎn)生，圖3-32是科裏奧利品質(zhì)流量感測器結(jié)構(gòu)原理圖。流量感測器的測量管道是兩根兩端固定平行的U形管，在兩個固定點的中間位置由驅(qū)動器施加產(chǎn)生振動的激勵能量，在管內(nèi)流動的流體產(chǎn)生科裏奧利力，使測量管兩側(cè)產(chǎn)生方向相反的扭曲。位於U形管的兩個直管管端的兩個檢測器用光學或電磁學方法檢測扭曲量以求得品質(zhì)流量。

當管道充滿流體時，流體也成為轉(zhuǎn)動系的組成部分，流體密度不同，管道的振動頻率會因此而有所改變，而密度與頻率有一個固定的非線性關係，因此科裏奧利品質(zhì)流量感測器也可測量流體密度。

推導式品質(zhì)流量感測器

推導式品質(zhì)流量感測器實際上是由多個感測器組合而成的品質(zhì)流量測量系統(tǒng)，根據(jù)感測器的輸出信號間接推導出流體的品質(zhì)流量。組合方式主要有以下幾種。

（1）差壓式流量感測器與密度感測器組合方式差壓式流量感測器的輸出信號是差壓信號，它正比於ρq2v，若與密度感測器的輸出信號進行乘法運算後再開方即可得到品質(zhì)流量。即

（2）體積流量感測器與密度流量感測器組合方式能直接用來測量管道中的體積流量qv的感測器有電磁流量感測器、渦輪流量感測器、超聲波流量感測器等，利用這些感測器的輸出信號與密度感測器的輸出信號進行乘法運算即可得到品質(zhì)流量。即K1qvK2ρ=Kqm

（3）差壓式流量感測器與體積式流量感測器組合方式

差壓式流量感測器的輸出差壓信號Δp與ρq2v成正比，而體積流量感測器輸出信號與qv成正比，將這兩個感測器的輸出信號進行除法運算也可得到品質(zhì)流量。即

3.3.5流量儀錶的選用選擇流量儀錶要考慮的主要因素：流體特性（物性參數(shù)和流動參數(shù)）、化學性質(zhì)、髒汙結(jié)垢影響最大的是：密度和粘度使用環(huán)境：是否會腐蝕安裝條件：3.4壓力檢測

壓力是重要的工業(yè)參數(shù)之一，正確測量和控制壓力對保證生產(chǎn)工藝過程的安全性和經(jīng)濟性有重要意義。壓力及差壓的測量還廣泛地應用在流量和液位的測量中。3.4壓力檢測3.4.1壓力單位及壓力檢測方法主要研究內(nèi)容：3.4.2常用壓力檢測儀錶3.4.3壓力錶的選用3.4.1壓力單位及壓力檢測方法(1)壓力單位工程技術(shù)上所稱的“壓力”實質(zhì)上就是物理學裏的“壓強”，定義為均勻而垂直作用於單位面積上的力。其運算式為

式中:P——壓力；F——作用力；A——作用面積。

國際單位制（SI）中定義：1牛頓力垂直均勻地作用在1平方米面積上形成的壓力為1“帕斯卡”。帕斯卡簡稱“帕”，單位符號為Pa。

其他的壓力單位“工程大氣壓”（即kgf/cm2）、“毫米汞柱”（即mmHg）、“毫米水柱”（即mmH2O）、物理大氣壓（即atm）等還在應用，換算關係見p40表3-6。(2)壓力的表示方法絕對壓力

指作用於物體表面積上的全部壓力，其零點以絕對真空為基準，又稱總壓力或全壓力，一般用大寫符號P表示大氣壓力

是指地球表面上的空氣柱重量所產(chǎn)生的壓力，以P0表示。

圖3.33絕對壓力、表壓力、負壓之間的關係表壓力

這是指絕對壓力與大氣壓力之差，一般用p表示。測壓儀錶一般指示的壓力都是表壓力，表壓力又稱相對壓力。

當絕對壓力小於大氣壓力時，則表壓力為負壓，負壓又可用真空度表示，負壓的絕對值稱為真空度。如測爐膛和煙道氣的壓力均是負壓。

差壓任意兩個壓力之差稱為差壓。如靜壓式液位計和差壓式流量計就是利用測量差壓的大小來知道液位和流體流量的大小的。

(3)壓力的檢測方法彈性力平衡方法：基於彈性元件的彈性變形特性。彈性元件受到被測壓力作用而產(chǎn)生變形，而因彈性變形產(chǎn)生的彈性力與被測壓力相平衡。測出彈性元件變形的位移就可測出彈性力。此類壓力計有彈簧管壓力計、波紋管壓力計、膜式壓力計等。

重力平衡方法：主要有活塞式和液柱式?；钊綁毫τ媽⒈粶y壓力轉(zhuǎn)換成活塞上所加平衡砝碼的品質(zhì)來進行測量的，測量精度高，測量範圍寬，性能穩(wěn)定可靠，一般作為標準型壓力檢測儀錶來校驗其他類型的測壓儀錶。液柱式壓力計是根據(jù)流體靜力學原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換成液柱高度進行測量的，最典型的是U型管壓力計，結(jié)構(gòu)簡單且讀數(shù)直觀。機械力平衡方法：其原理是將被測壓力變換成一個集中力，用外力與之平衡，通過測量平衡時的外力來得到被測壓力。機械力平衡方法較多用於壓力或差壓變送器中，精度較高，但結(jié)構(gòu)複雜。物性平衡方法：基於在壓力作用下測壓元件的某些物性發(fā)生變化的原理。如電氣式壓力計、振頻式壓力計、光纖壓力計、集成式壓力計等。(1)彈性式壓力錶

彈性式壓力錶是以彈性元件受壓後所產(chǎn)生的彈性變形作為測量基礎的。它結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，現(xiàn)場使用和維修都很方便，又有較寬的壓力測量範圍，因此在工程中獲得了非常廣泛的應用。

3.4.2常用壓力檢測儀錶彈性元件採用不同材料、不同形狀的彈性元件作為感壓元件，可以適用於不同場合、不同範圍的壓力測量。目前廣泛使用的彈性元件有彈簧管、波紋管和膜片等。圖3-34彈性元件示意圖

圖3-34給出了一些常用彈性元件的示意圖。其中波紋膜片和波紋管多用於微壓和低壓測量；單圈和多圈彈簧管可用於高、中、低壓和真空度的測量。

彈簧管壓力錶

彈簧管壓力錶在彈性式壓力錶中更是歷史悠久，應用廣泛。彈簧管壓力錶中壓力敏感元件是彈簧管。彈簧管的橫截面呈非圓形（橢圓形或扁形），彎成圓弧形的空心管子，如圖15-35所示。管子的一端為封閉，作為位移輸出端，另一端為開口，為被測壓力輸入端。當開口端通入被測壓力後，非圓橫截面在壓力p作用下將趨向圓形，並使彈簧管有伸直的趨勢而產(chǎn)生力矩，其結(jié)果使彈簧管的自由端由B移至B′而產(chǎn)生位移，圖3-35單圈彈簧管結(jié)構(gòu)圖3-36彈簧管壓力錶

(2)壓力感測器——是能夠檢測壓力並提供遠傳信號的裝置。能夠滿足自動化系統(tǒng)集中檢測顯示和控制的要求。當壓力感測器輸出的電信號進一步變換成標準統(tǒng)一信號時，又將它稱為壓力變送器。應變片式：壓電式：壓阻式：電容式：集成式：應變片式壓力感測器

應變效應當某些材料受到某一方向的壓力作用而發(fā)生變形時，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上就產(chǎn)生符號相反的電荷；當壓力去掉後，又重新恢復不帶電狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱為壓電效應。具有壓電效應的材料稱為壓電材料。壓電材料種類較多，有石英晶體、人工製造的壓電陶瓷，還有高分子壓電薄膜等。

壓電式壓力感測器

1-絕緣體2-壓電元件3-殼體4-膜片

壓阻元件是指在半導體材料的基片上用積體電路工藝製成的擴散電阻。它是基於壓阻效應工作的，即當它受壓時，其電阻值隨電阻率的改變而變化。常用的壓阻元件有單晶矽膜片以及在N型單晶矽膜片上擴散P型雜質(zhì)的擴散矽等，也是依附於彈性元件而工作。壓阻式壓力感測器其測量原理是將彈性元件的位移轉(zhuǎn)換為電容量的變化。將測壓膜片作為電容器的可動極板，它與固定極板組成可變電容器。當被測壓力變化時，由於測壓膜片的彈性變形產(chǎn)生位移改變了兩塊極板之間的距離，造成電容量發(fā)生變化。

電容式壓力感測器它是將微機械加工技術(shù)和微電子集成工藝相結(jié)合的一類新型感測器，有壓阻式、微電容式、微諧振式等形式。

將差壓、靜壓和溫度同時測出，再送入微機系統(tǒng)經(jīng)過運算處理後就可以得到修正後的被測差壓值、靜壓值和溫度值。集成式壓力感測器壓力錶的選用主要包括儀錶型式、量程範圍、精度和靈敏度、外形尺寸以及是否還需要遠傳和其他功能，如指示、記錄、報警、控制等。選用的依據(jù)如下：(1)必須滿足工藝生產(chǎn)過程的要求，包括量程和精度；(2)考慮被測介質(zhì)的性質(zhì)，如溫度、壓力、粘度、腐蝕性、易燃易爆程度等；(3)注意儀錶安裝使用時所處的現(xiàn)場環(huán)境條件，如環(huán)境溫度、電磁場、振動等。

3.4.3壓力錶的選用3.5物位檢測3.5.0基本概念研究內(nèi)容：3.5.1物位檢測的主要方法和分類3.5.2常用物位檢測儀錶——差壓式液位計3.5.3物位檢測儀錶的選用3.5.0基本概念

在容器中液體介質(zhì)的高低叫液位，容器中固體或顆粒狀物質(zhì)的堆積高度叫料位。測量液位的儀錶叫液位計，測量料位的儀錶叫料位計，測量兩種密度不同的液體介質(zhì)分界面的高低（界位）的儀錶叫介面計。上述三種儀錶統(tǒng)稱為物位計。物位開關：在物位檢測中，有時不需要對物位進行連續(xù)測量，只需要測量物位是否達到上線、下限或某個特定的位置，這種定點測量用的儀錶被稱為物位開關。一般用來監(jiān)視、報警、輸出控制信號。3.5.1物位檢測的主要方法和分類按工作原理主要有以下幾種類型：直讀式：根據(jù)流體的連通性原理來測量液位。

靜壓式：壓力式和差壓式。根據(jù)液柱或物料堆積高度變化對某點上產(chǎn)生的靜（差）壓力的變化的原理測量物位。

浮力式：它根據(jù)浮子高度隨液位高低而改變或液體對浸沉在液體中的浮筒（或稱沉筒）的浮力隨液位高度變化而變化的原理來測量液位。前者稱為恒浮力式，後者稱為變浮力式。電氣式：根據(jù)把物位變化轉(zhuǎn)換成各種電量變化的原理來測量物位。輻射式：根據(jù)同位素射線的核輻射透過物料時，其強度隨物質(zhì)層的厚度變化而變化的原理來測量液位。另外還有：聲學式、光學式、射線式微波式、鐳射式、射流式、光纖維式等等3.5.2常用物位檢測儀錶——差壓式液位計圖3-41差壓感測器測量液位原理圖

設被測介質(zhì)的密度為ρ，容器頂部為氣相介質(zhì)，氣相壓力為pA，pB是液位零面的壓力，p1是取壓口的壓力，根據(jù)靜力學原理可得因此，差壓變送器正負壓室的壓力差為液位測量問題就轉(zhuǎn)化為差壓測量問題了。但是，當液位零面與檢測儀錶的取壓口不在同一水準高度時，會產(chǎn)生附加的靜壓誤差。就需要進行量程遷移和零點遷移。(1)取壓點與液位零面在同一水平面圖3.42液位測量的正遷移如圖所示，當差壓變送器的取壓口低於容器底部的時候，差壓變送器上測得的差壓為為了使液位的滿量程和起始值仍能與差壓變送器的輸出上限和下限相對應，就必須克服固定差壓ρgh0的影響，採用零點遷移就可實現(xiàn)。(2)取壓口低於容器底部因為：所以：

在無遷移情況下，實際測量範圍是0～（h0ρg+hmaxρg），原因是這種安裝方法時ΔP多出一項h0ρg。當h=0時，ΔP=h0ρg，因此P0＞20KPa。為了遷移掉h0ρg，即在h=0時仍然使P0=20KPa，可以調(diào)整儀錶的遷移彈簧張力。由於h0ρg作用在正壓室上，稱之為正遷移量。遷移彈簧張力抵消了h0ρg在正壓室內(nèi)產(chǎn)生的力，達到正遷移的目的。

由於ρgh0〉0，所以稱為正遷移。

量程遷移後，測量範圍為0～hmaxρg，再通過零點遷移，使差壓式液位計的測量範圍調(diào)整為h0ρg～（h0ρg+hmaxρg）。

圖3.43液位測量的負遷移當被測介質(zhì)有腐蝕性時，差壓變送器的正、負壓室之間就需要裝隔離罐，如果隔離液的密度為ρ1(ρ1>ρ)，則(3)介質(zhì)有腐蝕性時因為：所以：對比無遷移情況，ΔP多了一項壓力-（h1-h0）ρ1g，它作用在負壓室上，稱之為負遷移量。當h=0時，ΔP=-(h1-h0)ρ1g，因此P0<20KPa。為了遷移掉-(h1-h0)ρ1g的影響，可以調(diào)整負遷移彈簧的張力來進行負遷移以抵消掉-(h1-h0)ρ1g在負壓室內(nèi)產(chǎn)生的力，以達到負遷移的目的。

遷移調(diào)整後，差壓式液位計的測量範圍調(diào)整為

-(h1-h0)ρ1g～[hmaxρg-(h1-h0)ρ1g]

將上式變?yōu)椋河伸端苑Q為負遷移。利用差壓式液位計還可以測量液體的分界面，如下圖所示。液位計正、負壓室受力情況如下：

P1=h0ρ2g+（h1+h2）ρ1gP2=（h2+h1+h0）ρ1gΔP=P1

–P2=h0g（ρ2-ρ1）由於（ρ2-ρ1）是已知的，所以壓差ΔP與分界面高度h0成一一對應關係。(4)測量分界面介面測量電容式物位計超聲波物位計核輻射式物位計磁翻轉(zhuǎn)式物位計(5)其他物位計3.5.3物位檢測儀錶的選用必須考慮測量範圍、測量精度、被測介質(zhì)的物理化學性質(zhì)、環(huán)境操作條件、容器結(jié)構(gòu)形狀等因素。在液位檢測中最為常用的就是靜壓式和浮力式測量方法，但必須在容器上開孔安裝引壓管或在介質(zhì)中插入浮筒，因此在介質(zhì)為高粘度或者易燃易爆場合不能使用這些方法。在料位檢測中可以採用電容式、超聲波式、射線式等測量方法。3.8變送器3.8.0概述3.8.1變送器的量程、零點遷移3.8.2溫度變送器3.8.3差壓變送器3.8.4智能變送器3.8變送器作用：將檢測元件的輸出信號轉(zhuǎn)換成標準統(tǒng)一信號送往顯示儀錶或控制儀錶進行顯示、記錄或控制。

溫度變送器、差壓變送器、流量變送器、液位變送器等分類：根據(jù)驅(qū)動能源形式電動變送器(電力)氣動變送器(壓縮空氣)根據(jù)檢測與變送分離與否檢測與變送分離：溫度變送器檢測與變送一起：壓力變送器3.8.0概述工作原理：負回饋原理包括測量、放大和回饋三個部分圖3.44變送器的原理框圖根據(jù)前圖可得，變送器輸入與輸出的關係為：圖3.45

變送器的輸入輸出特性輸入輸出特性：式中：K——放大器的放大係數(shù)

F——回饋部分的回饋係數(shù)

C——測量部分的轉(zhuǎn)換係數(shù)當KF>>1時，3.8.1變送器的量程、零點遷移量程遷移：目的是使變送器輸出信號的上限值與測量範圍的上限值相對應。圖3.46變送器量程調(diào)整前後的輸入輸出特性改變回饋係數(shù)F的大小可以實現(xiàn)量程調(diào)整。F大則量程大；F小則量程小。零點遷移：目的是使變送器輸出信號的下限值與測量範圍的下限值相對應。零點調(diào)整：

xmin=0零點遷移：xmin≠0

xmin>0正遷移

xmin<0負遷移圖3.47變送器零點遷移前後的輸入輸出特性將儀錶的量程遷移和零點遷移相結(jié)合可以提高儀錶的測量精度和靈敏度，擴大儀錶的適用範圍，增加其通用性和靈活性。例：利用差壓法測量液位，理想：0~500mm，實際：250±50mm調(diào)整方法：先量程遷移，再零點遷移圖3.483.8.2溫度變送器作用：是將熱電偶、熱電阻的檢測信號轉(zhuǎn)換成標準統(tǒng)一信號輸出給顯示儀錶或控制器實現(xiàn)對溫度的顯示、記錄或自動控制。分類：連接方式：（見P64）四線制：供電電源和輸出信號分別用兩根導線傳輸(被廣泛採用)。電源與信號分離，對電流信號的零點和元器件的功耗無嚴格要求兩線制：變送器與控制室之間只用兩根導線連接。既是電源線又是信號線，節(jié)省電纜，且利於安全防爆。功能：熱電偶溫度變送器、熱電阻溫度變送器、直流毫伏變送器熱電偶溫度變送器量程單元(1)具有熱電偶參比端溫度補償功能(2)具有零點遷移、調(diào)整及量程遷移功能(3)具有線性化功能熱電阻溫度變送器量程單元(1)三線制接法(2)線性化功能直流毫伏變送器量程單元

輸入信號為直流毫伏使用溫度變送器時應注意的問題：(1)使用前都要進行量程遷移和零點遷移(2)溫度變送器要與輸入信號類型相符，分度號的匹配、接線等熱電偶溫度變送器：(1)分度號一致(2)熱電偶的參比端要與變送器上的補償電阻感受相同溫度熱電阻溫度變送器：(1)分度號一致；(2)金屬熱電阻採用三線制接法，半導體熱敏電阻不用3.8.3差壓變送器作用：將測量得到的差壓、正壓、負壓、液位、密度等信號轉(zhuǎn)換成標準統(tǒng)一信號，作為顯示儀錶、控制器或運算器的輸入信號，以實現(xiàn)對上述參數(shù)的顯示、記錄或自動控制。類型：力矩平衡式差壓變送器、電容式差壓變送器、擴散矽式差壓變送器力矩平衡式差壓變送器：工作原理：力矩平衡原理3.8.4智能變送器現(xiàn)場匯流排控制系統(tǒng)的發(fā)展，電腦技術(shù)、網(wǎng)路技術(shù)等智能變送器=微處理器+先進感測器技術(shù)輸出信號：模擬和數(shù)字兩種信號類型：智能溫度變送器、智能壓力變送器、智能差壓變送器等。特點：(1)基本誤差僅為±0.1%，測量精度高，性能穩(wěn)定、可靠。(2)零點遷移範圍較寬，量程比較大。(3)具有溫度（熱電偶變送器）、靜壓補償功能（差壓變送器）和非線性校正能力（溫度變送器），以保證儀錶精度。(4)輸出方式有模擬、數(shù)字兩種，能夠?qū)崿F(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通訊。(5)能對變送器進行遠程組態(tài)調(diào)零、調(diào)量程和自診斷，以便使用和維護。發(fā)展特徵：研究新材料、開發(fā)利用新功能，使感測器多功能化、微型化、集成化、數(shù)位化、智能化。新材料、新功能的開發(fā)，新加工技術(shù)的使用多維、多功能化的感測器微型化、集成化、數(shù)位化和智能化3.9現(xiàn)代感測器技術(shù)的發(fā)展

顯示儀錶

功能：對各種檢測變數(shù)進行顯示、記錄類型：模擬式顯示儀錶數(shù)字式顯示儀錶新型顯示儀錶4.0顯示儀錶概述(1)模擬式顯示儀錶原理：檢測元件和變送器將被測變數(shù)（物理量或化學量）變換成另一物理量，此物理量隨被測變數(shù)的變化作相應變化，這種變化是對被測變數(shù)的模擬。方式：利用尺規(guī)、指針、曲線等方法組成：信號變換、放大環(huán)節(jié)、磁電偏轉(zhuǎn)機構(gòu)及指示記錄機構(gòu)特點：工作可靠、價格低廉，能夠反映和記錄測量值的變化趨勢缺點：結(jié)構(gòu)較複雜，讀數(shù)不夠直觀，測量速度不夠迅速，測量重現(xiàn)性不好(2)數(shù)字式顯示儀錶功能：直接用數(shù)字量顯示或以數(shù)字形式記錄列印被測變數(shù)值的儀錶?？梢院投喾N感測器配合測量、顯示各種工藝參數(shù)，並且可以進行巡迴檢測、越限報警及實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動控制。方式：數(shù)字式組成：由一些必要電路