化工自動化備課筆記

化工自動化備課筆記

1、熟悉何為（過程）自動化與自動化技術(shù)、自動化儀表的簡要進展過程

2、掌握如何來構(gòu)筑一個操縱系統(tǒng)

［教學(xué)重點］:自動化技術(shù)、自動化儀表的簡要進展過程

［教學(xué)難點］:如何來構(gòu)筑一個操縱系統(tǒng)

［教學(xué)時數(shù)］：1

［教學(xué)內(nèi)容］:

第一章緒論

1.1何為（過程）自動化：

從工藝的眼光來看

在工藝設(shè)備上，配備一些自動化裝置，用它們來代替操作人員的（部分）直接勞動，

使生產(chǎn)在不一致程度上按照規(guī)定的要求自動地進行，也即：用自動化裝置來管理設(shè)備（生

產(chǎn)過程），使之正常運行

換一種說法

所謂自動化是使工藝參數(shù)保持在需要的值或者者狀態(tài)上，或者者使生產(chǎn)過程按照一

定的程序或者者步驟運行，保證生產(chǎn)過程運行在最佳狀態(tài)

所謂“自動操縱''是指應(yīng)用自動化儀器儀表或者自動操縱裝置代替人自動地對儀器設(shè)備

或者工業(yè)生產(chǎn)過程進行操縱，使之有目的地修正被控對象的動力學(xué)行為，以達到預(yù)期的

狀態(tài)或者滿足預(yù)期的性能要求。

為什么要實現(xiàn)自動操縱？

原因一：代替人的勞動，減輕勞動強度，提高生產(chǎn)效率

原因二：煉油、化工、冶金、電力、生物、制藥等工業(yè)過程的生產(chǎn)規(guī)模越來越向大

型化、復(fù)雜化方向進展，各類類型的自動操縱技術(shù)已經(jīng)成了現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)實現(xiàn)安全、高

效、優(yōu)質(zhì)、低耗的基本條件與重要保證

1.2如何來構(gòu)筑一個操縱系統(tǒng)？

進

操縱器，

..小?????”???

1.3自動化技術(shù)的簡要進展過程

1、操縱理論的簡要進展過程

自動操縱的本質(zhì)：是指應(yīng)用自動化儀器儀表、自動操縱裝置代替人，自動地對儀器

設(shè)備或者工業(yè)生產(chǎn)過程進行操縱，使之有目的地修正被控對象的動力學(xué)行為，以達到預(yù)

期的狀態(tài)或者滿足預(yù)期的性能要求

操縱問題的本質(zhì)：就是要求基于對象內(nèi)在的動力學(xué)本質(zhì)與規(guī)律，運用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)工

具求取問題的解。

“操縱”這一概念本身即反映了人們對征服自然與外在的渴望，作為自動操縱科學(xué)的

核心的操縱理論與技術(shù)也自然而然地在人們征服自然與改造自然的歷史中進展起來。

2、經(jīng)典操縱理論

1868年J.C.Maxwell為熟悉決蒸汽機調(diào)速器的精度與穩(wěn)固性之間的矛盾，首先提出

了微分方程模型與穩(wěn)固性分析的數(shù)學(xué)方法，從微分方程角度討論了調(diào)節(jié)器系統(tǒng)可能產(chǎn)生

的不穩(wěn)固現(xiàn)象，他所發(fā)表的“論調(diào)節(jié)器”是目前比較公認的第一篇操縱理論論文。

1877年EJ.Routh與1895年A.Hurwitz制造性地提出了稱之Routh,它是經(jīng)典操縱

理論中最基礎(chǔ)的穩(wěn)固性分析工具之一。

1932年Nyquist提出了“Nyquist穩(wěn)固性判據(jù)”。

1945年Bode建立了操縱系統(tǒng)的頻域設(shè)計方法（Bode圖法）。之后，通過Wienner、

Nichols等人的杰出奉獻，終于形成了經(jīng)典的反饋操縱與頻域理論，并于20世紀(jì)50年

代趨于成熟

經(jīng)典操縱理論建立在傳遞函數(shù)基礎(chǔ)上的，要緊針對線性定常、SISO對象，基于反

饋操縱的主導(dǎo)思想，完成操縱系統(tǒng)的鎮(zhèn)定任務(wù)。經(jīng)典操縱理論最輝煌的成果首推PID操

縱規(guī)律，關(guān)于無時間延遲的SISO系統(tǒng)極為有效。直到目前，在工業(yè)過程操縱中仍然被

廣泛應(yīng)用。（90%以上）

3、現(xiàn)代操縱理論

由于工業(yè)生產(chǎn)過程也向著大型化、連續(xù)化的方向進展。導(dǎo)致

（a）操縱系統(tǒng)漸趨復(fù)雜：

在整體結(jié)構(gòu)上，表現(xiàn)為非線性、不確定性、無窮維、多層次等；

在被處理的信息上，表現(xiàn)為信號的不確定性、隨機性、不完全性等。

（b）操縱要求越來越高，除了實現(xiàn)單純的穩(wěn)固操縱以外，操縱器的設(shè)計往往還要追求

最佳的性能要求

經(jīng)典操縱理論已無法滿足解決多變量、非線性、不確定性與最佳性能要求等問題

的需要，這在客觀上促使現(xiàn)代操縱理論得以建立與進展。

4、經(jīng)典操縱理論與現(xiàn)代操縱理論的關(guān)系

關(guān)于經(jīng)典操縱理論、現(xiàn)代操縱理論與智能操縱理論而言，并非意味著相互的否定與

排斥，它們之間有著共同進展、互相滲透、相互結(jié)合的進展關(guān)系。

需要提出的是，在當(dāng)今的過程操縱領(lǐng)域中，幾乎有90%以上的操縱回路仍然沿用經(jīng)

典的P1D操縱算法或者PID操縱算法的變形，并能夠獲取比較滿意的操縱效果

5、儀表的簡要進展過程

常見的測控參數(shù)：T、P、L、F、A（五大參數(shù)）

測控儀表的分類：變送器（傳感器）、執(zhí)行器、操縱器三大類

'溫度T：溫度變送器（熱電偶、熱電阻、集成溫度傳感器……）

操縱器：懶鼾颶城蝴魏楣跳機系統(tǒng)

14薄;耀調(diào)節(jié)閥

自搠操繳榨和露ill*?——不是名詞解釋

需要學(xué)習(xí)箍蒯珞疑所遞糊僦fe碳濡量錦源豳街流翻株陶髓溫量計）

怎么樣期嫖祚而瞬瞰H股h得夔鯽

需要學(xué)習(xí)的建自控回升通解研胡硼叩開能腳的特性對自控系統(tǒng)的影響，（最常

用）檢測儀表、操縱儀表的基本工作原理，如何選擇合適的自控設(shè)備（儀表）……

?如何工程實施？

——即使一個象空調(diào)器溫度操縱那么簡單的自動操縱回路的實施？

需要學(xué)習(xí)自動系統(tǒng)的設(shè)計、操縱參數(shù)的整定……

更復(fù)雜的操縱回路如何工程實施？

計算機操縱是什么一回事？怎么樣來設(shè)計一個計算機操縱系統(tǒng)?

［教學(xué)目的要求］:

1、熟悉自控系統(tǒng)的構(gòu)成、自控系統(tǒng)的分類、系統(tǒng)運行的基本要求自動操縱、系統(tǒng)的

過渡過程與品質(zhì)指標(biāo)

2、掌握方塊圖、管道及儀表流程

［教學(xué)時數(shù)］:2

［教學(xué)重點］:自控系統(tǒng)的構(gòu)成、自控系統(tǒng)的分類、系統(tǒng)運行的基本要求自動操縱、系統(tǒng)

的過渡過程與品質(zhì)指標(biāo)

［教學(xué)難點］:方塊圖、管道及儀表流程

［教學(xué)內(nèi)容］:

第2章自控系統(tǒng)基本概念

2.1自控系統(tǒng)的構(gòu)成

操縱系統(tǒng)的4個基本環(huán)節(jié)：被控對象、檢測儀表（測量變送環(huán)節(jié)）、操縱器、執(zhí)行器

幾個常用術(shù)語：

（1）被控對象：需要實現(xiàn)操縱的設(shè)備、機械或者生產(chǎn)過程稱之被控對象，簡稱對象。

（2）被控變量：對象內(nèi)要求保持一定數(shù)值（或者按某一規(guī)律變化）的物理量稱之被

控變量.

（3）操縱變量（操縱變量）：受執(zhí)行器操縱，用以使被控變量保持一定數(shù)值的物料

或者能量稱之操縱變量或者操縱變量。

（4）干擾（擾動）除操縱變量（操縱變量）以外，作用于對象并引起被控變量變

化的一切因素稱之干擾。

（5）設(shè)（給）定值工藝規(guī)定被控變量所要保持的數(shù)值。

（6）偏差：偏差本應(yīng)是設(shè)定值與被控變量的實際值之差。但能獲取的信息是被控變

量的測量值而非實際值，因此，在操縱系統(tǒng)中通常把設(shè)定值與測量值之差定義為偏差。

2.2系統(tǒng)運行的基本要求

自動操縱系統(tǒng)的（最）基本要求是系統(tǒng)運行務(wù)必是穩(wěn)固的

反饋是操縱系統(tǒng)的輸出（即被控變量）通過測量變送返回到操縱系統(tǒng)的輸入端，并

與設(shè)定值比較的過程。

若反饋的結(jié)果是使系統(tǒng)的輸出減小，則稱之負反饋

若反饋的結(jié)果是使系統(tǒng)的輸出增加，則稱之正反饋

工業(yè)操縱系統(tǒng)通常情況下都應(yīng)為負反饋。

閉環(huán)與開環(huán)

閉環(huán)——系統(tǒng)的輸出被反饋到輸入端并與設(shè)定值進行比較的系統(tǒng)稱之閉環(huán)系統(tǒng)，如

今系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定值與測量值的偏差進行操縱，直至消除偏差

開環(huán)——系統(tǒng)的輸出沒有被反饋回輸入端，執(zhí)行器僅只根據(jù)輸入信號進行操縱的系

統(tǒng)稱之開環(huán)系統(tǒng)，如今系統(tǒng)的輸出與設(shè)定值與測量值之間的偏差無關(guān)

要實現(xiàn)自動操縱，系統(tǒng)務(wù)必閉環(huán)。

閉環(huán)操縱系統(tǒng)穩(wěn)固運行的必要條件是負反饋

正作用與反作用(如何保證系統(tǒng)是負反饋的？)

I、輸出信號隨輸入信號的增加而增加的環(huán)節(jié)稱之正作用環(huán)節(jié)

2、輸出信號隨輸入信號的增加而減小的環(huán)節(jié)稱之反作用環(huán)節(jié)

比如：關(guān)于調(diào)節(jié)器來說，測量值增大，輸出增大，稱之正作用調(diào)節(jié)器

3、能否構(gòu)成負反饋系統(tǒng)與系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的特性有關(guān)

由于被控對象與執(zhí)行器的特性是由實際的工藝現(xiàn)場條件決定的，因此應(yīng)當(dāng)通過操縱

器的正、反作用特性來滿足系統(tǒng)負反饋的要求。

2.3操縱系統(tǒng)的分類

1)按被控變量對操作變量的影響分

閉環(huán)操縱系統(tǒng)——如：反饋操縱

開環(huán)操縱系統(tǒng)——如：前饋操縱

2)按補償干擾的方法分

反饋

,1

干擾f(t)一被控變量f調(diào)節(jié)器-?操作變量一補償干擾

前饋

干擾f(t)-變送器-補償器f操作變量一補償干擾

反饋+前饋

3）按設(shè)定值的特點區(qū)分

定值操縱系統(tǒng)一一設(shè)定值是由工藝要求給出的不變常數(shù)

通常要求被控變量盡量與設(shè)定值保持一致。

隨動操縱系統(tǒng)一一設(shè)定值隨時間不斷發(fā)生變化

通常要求被控變量盡可能地與設(shè)定值一起變化。

教材中的程序操縱事實上能夠懂得為隨動操縱

4）按操縱系統(tǒng)的復(fù)雜程度區(qū)分

簡單操縱系統(tǒng)復(fù)雜操縱系統(tǒng)

5）按操縱變量的名稱區(qū)分

溫度操縱系統(tǒng)壓力操縱系統(tǒng)……

6）按調(diào)節(jié)規(guī)律區(qū)分

P、PLPD、PID、預(yù)估操縱……

2.4過渡過程與品質(zhì)指標(biāo)

（1）靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)）與動態(tài)

操縱系統(tǒng)的作用：盡可能使被控變量與設(shè)定值保持一致（或者隨設(shè)定值一起變化）,

當(dāng)被控變量受干擾影響而偏離設(shè)定值時，操縱作用務(wù)必促使被控變量回到設(shè)定值

靜態(tài)一一被控變量不隨時間變化的平衡狀態(tài)（變化率為0,不是靜止）。

假如操縱系統(tǒng)是穩(wěn)固的，假設(shè)設(shè)定值與干擾都保持不變，通過足夠長的時間，操縱

系統(tǒng)中各參數(shù)必定會到達一個"相對”平衡狀態(tài)，這種狀態(tài)就是所謂的“靜態(tài)”，在操縱領(lǐng)

域中更多的稱之為，，穩(wěn)態(tài)，，。

靜態(tài)”是物料、能量、傳熱、傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)速度等平衡關(guān)系的最終表達。

很明顯，單純用“靜態(tài)”的概念來衡量操縱系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)是不充分的。

動態(tài)一一被控變量隨時間變化的不平衡狀態(tài)。

假如系統(tǒng)原先處于相對平衡狀態(tài)（靜態(tài)），當(dāng)出現(xiàn)干擾使被控變量發(fā)生變化，如今

操縱系統(tǒng)發(fā)生作用，調(diào)節(jié)器根據(jù)偏差及其偏差的變化情況，改變調(diào)節(jié)器輸出，再經(jīng)執(zhí)行

器改變操縱變量，使被控變量重新回到設(shè)定值來，這么一個從干擾發(fā)生、系統(tǒng)操縱、直

到重新建立平衡的過程稱之"動態(tài)”過程。

工藝設(shè)計要緊圍繞系統(tǒng)“靜態(tài)”特性開展工作

自動操縱要緊是在“靜態(tài)”特性基礎(chǔ)上研究其“動態(tài)”特性

一一當(dāng)系統(tǒng)失去平衡以后，如何使系統(tǒng)重新回到平衡狀態(tài)

(2)過渡過程

過渡過程：受到干擾作用后系統(tǒng)失穩(wěn)，在操縱系統(tǒng)的作用下，被控變量回復(fù)到新的

平衡狀態(tài)的過程。

在分析與設(shè)計操縱系統(tǒng)時，往往選定階躍信號作為輸入。

階躍干擾：在某一瞬間tO干擾突然階躍式地加入系統(tǒng)，并保持在這個幅值?階躍干

擾比較突然、比較危險、對操縱系統(tǒng)的影響也最大、且容易產(chǎn)生階躍干擾。

關(guān)于一個操縱系統(tǒng)，假如能有效克服階躍干擾，確信能很好地克服其它變化比較緩

與的各類干擾。

幾種典型的過渡過程：

非周期衰減過程4

衰減振蕩過程Y

等幅振蕩過程：通常是不同意的除開關(guān)量操縱回路

發(fā)散振蕩過程X

單調(diào)發(fā)散過程X

(3)過渡過程的品質(zhì)指標(biāo)

通常要評價與討論一個操縱系統(tǒng)性能優(yōu)劣，其標(biāo)準(zhǔn)有二大類：

?以系統(tǒng)受到階躍輸入作用后的響應(yīng)曲線的形式給出。要緊包含：

最大偏差(超調(diào)量)、

衰減比

余差

過渡時間

振蕩周期(振蕩頻率)……

?以誤差性能指標(biāo)的形式給出，通常指偏差對某個函數(shù)的積分。要緊包含：

平方誤差積分指標(biāo)

時間乘平方誤差積分指標(biāo)

絕對誤差積分指標(biāo)

時間乘絕對誤差積分指標(biāo)

當(dāng)這些值達到最小值的系統(tǒng)是某種意義下的最優(yōu)系統(tǒng)。

影響過渡過程的要緊因素？

固定因素：對象特性

測量儀表特性

執(zhí)行器特性

補償因素：操縱器特性——這是自動操縱的要緊研究內(nèi)容

以誤差性能指標(biāo)的形式給出

/]=je?

平方誤差積分指標(biāo)

時間乘平方誤差的積分指標(biāo)J2=J()(f)dt

絕對誤差積分指標(biāo)Jo=f|e(t)|dt

Jo

時間乘絕對誤差積分指標(biāo)「co

J=11e(t)|dt

4J0

優(yōu)化操縱的策略：J->min

［教學(xué)目的要求］:

1、熟悉對象的數(shù)學(xué)模型的建立

2、掌握對象的三個特性參數(shù)及其意義

［教學(xué)重點］:對象的數(shù)學(xué)模型的建立

［教學(xué)難點］:對象的三個特性參數(shù)及其意義

［教學(xué)時數(shù)］:3

［教學(xué)內(nèi)容］:

第三章被控對象的數(shù)學(xué)模型

3.1被控對象特性及其對過渡過程的影響

對象特性——是指對象輸入量與輸出量之間的關(guān)系（數(shù)學(xué)模型）

即對象受到輸入作用后，被控變量是如何變化的、變化量為多少

輸入量？？操縱變量+各類各樣的干擾變量

由對象的輸入變量至輸出變量的信號聯(lián)系稱之通道

操縱變量至被控變量的信號聯(lián)系通道稱操縱通道

干擾至被控變量的信號聯(lián)系通道稱干擾通道

干擾變量一T干揉逋造;…1被控變量

6-----------------

操縱變量一一腺醺通道L.J

L__1

對象輸出為操縱通道輸出與各干擾通道輸出之與

1.數(shù)學(xué)模型的表示方法：

參量模型：通過數(shù)學(xué)方程式表示

常用的描述形式：微分方程（組）*、傳遞函數(shù)*、頻率特性等

參量模型的微分方程的通常表達式：

諦霞麻鈾疑之俊求輸關(guān)機啕漏他岫裾礙儲崛?入扁M媯地式。

當(dāng)n=m時，稱對象是正則的；當(dāng)n>m時，稱對象是嚴格正則的；n<m的對象是不

可實現(xiàn)的。通常n=l,稱該對象為一階對象模型；n=2,稱二階對象模型.

非參量模型：使用曲線、表格等形式表示。

特點：形象、清晰，缺乏數(shù)學(xué)方程的解析性質(zhì)（必要時須進行數(shù)學(xué)處理獲得參量模型）。

建模的方法：機理建模、實驗建模、混合建模

機理建?！鶕?jù)物料、能量平衡、化學(xué)反應(yīng)、傳熱傳質(zhì)等基本方程，從理論上來

推導(dǎo)建立數(shù)學(xué)模型。

由于工業(yè)對象往往都非常復(fù)雜，物理、化學(xué)過程的機理通常不能被完全熟悉，而且

線性的并不多，再加上分布元件參數(shù)（即參數(shù)是時間與位置的函數(shù)）較多，通常很難完

全掌握系統(tǒng)內(nèi)部的精確關(guān)系式。另外，在機理建模過程中，往往還需要引入恰當(dāng)?shù)暮喕?/p>

假設(shè)、近似、非線性的線性化處理等，而且機理建模也僅適用于部分相對簡單的系統(tǒng)。

實驗建?！谒芯康膶ο笊?，人為的施加一個輸入作用，然后用儀表記錄表

征對象特性的物理量隨時間變化的規(guī)律，得到一系列實驗數(shù)據(jù)或者曲線。這些數(shù)據(jù)或者

曲線就能夠用來表示對象特性。

這種應(yīng)用對象輸入輸出的實測數(shù)據(jù)來決定其模型的方法，通常稱之系統(tǒng)辨識。其要

緊特點是把被研究的對象視為一個黑箱子，不管其內(nèi)部機理如何，完全從外部特性上來

測試與描述對象的動態(tài)特性。有的時候，為進一步分析對象特性，可對這些數(shù)據(jù)或者曲

線進行處理，使其轉(zhuǎn)化為描述對象特性的解析表達式。

混合建?！獙C理建模與實驗建模結(jié)合起來，稱之混合建模。

混合建模是一種比較有用的方法，它先由機理分析的方法提出數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)形

式，把被研究的對象視為一個灰箱子，然后對其中某些未知的或者不確定的參數(shù)利用實

驗的方法給予確定。這種在已知模型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過實測數(shù)據(jù)來確定數(shù)學(xué)表達式中

某些參數(shù)的方法，稱之參數(shù)估計

3.2.對象機理數(shù)學(xué)模型的建立

問題：處于平衡狀態(tài)的對象加入干擾以后，不經(jīng)操縱系統(tǒng)能否自行達到新的平衡狀態(tài)？

上圖：假設(shè)初始為平衡狀態(tài)qi=q。，水箱水位保持不變。

當(dāng)發(fā)生變化時（qi>q。），如今水箱的水位開始升高

根據(jù)流體力學(xué)原理，水箱出口流量與H是存在一定的對應(yīng)關(guān)系的：q0=H/R

因此，qiTnHTnqoT,直至qi=q。可見該系統(tǒng)受到干擾以后，即使不加操縱，最

終自身是會回到新的平衡狀態(tài)，這種特性稱之“自衡特性

下圖：假如水箱出口由泵打出，其不一致之處在于：qi當(dāng)發(fā)生變化時，q。不發(fā)生變化。

假如qi>qo，水位H將不斷上升，直至溢出，可見該系統(tǒng)是無自衡能力。

絕大多數(shù)對象都有自衡能力，通常而言有自衡能力的系統(tǒng)比無自衡能力的系統(tǒng)容易

操縱。

?一階線性對象

問題：求右圖所示的對象模型(輸入輸出模型)

解：該對象的輸入量為qi被控變量為液位h

根據(jù)物料平衡方程：該對象的輸入量為qi被控變量為液位h

單位時間內(nèi)水槽體積的改變=輸入流量一輸出流量

aThdhh

由于出口流量能夠近似地表示為：=—因此

a%Rdt'R

dh

=>T—+h=K-qZ=AR、K=R)(i)

記”聲W舒畸像的麻熨編輯噓里患法4海秘贏屈觴傲型，一結(jié)

構(gòu)形上完全相同。’由于在操縱領(lǐng)域中，特性的分麻k往是針對變化量流言的，為了書寫

方便在以后的表達式中不寫出變化量符號。

__________________nT——FA/z=K?\qi(11)____________

K一一放大系數(shù)，在階躍輸入作用下，對象輸出達

到新的穩(wěn)固值時，輸出變化量與輸入變化量

之比，也稱靜態(tài)增益。K越大，表示輸入量

對輸出量的影響越大。

T——時間常數(shù)，在階躍輸入作用下，對象輸出達

到最終穩(wěn)態(tài)變化量的63.2%所需要的時間，

時間常數(shù)T是反映響應(yīng)變化快慢或者響應(yīng)滯

?二階線性對象

問題：求右圖所示的對象模型(輸入輸出模型)。

解該對象的輸入量為qi被控變量為液位h2（同樣利用物料平衡方程）

鬣^筌d九管"些dih弟用……）

3.3.對象模型的三個基本參數(shù)：K、T、T

K對過渡過程的影響

階躍輸入作用下，對象輸出達到新的穩(wěn)固值時，輸出變化量與輸入變化量之比，稱

之靜態(tài)增益（輸出靜態(tài)變化量與輸入靜態(tài)變化量之比）。

Af

▼

廣義對象

操縱通道放大系數(shù)K=包

Ko越大n操縱變量斷通被控變量Ay的影響越靈敏n操縱能力需V

冷越大n干擾Af對被控變量Ay的影響越靈敏。

在設(shè)計操縱系統(tǒng)時，應(yīng)合理地選擇KO使之大些，抗干擾能力強，太大會引起系

統(tǒng)振蕩。

T對過渡過程的影響

時間常數(shù)：在階躍輸入作用下，對象輸出達到最終穩(wěn)態(tài)變化量的63.2%所需要的時

時間常數(shù)T是反映響應(yīng)變化快慢或者響應(yīng)滯后的重要參數(shù)。用T表示的響應(yīng)

滯后稱阻容滯后（容量滯后），T大反應(yīng)慢，難以操縱；T小反應(yīng)塊。

操縱通道To大n響應(yīng)慢、操縱不及時、過渡時間tp長、超調(diào)量b大

操縱通道To小n響應(yīng)快、操縱及時、過渡時間tp短、超調(diào)量b小

操縱通道To太小n響應(yīng)過快、容易引起振蕩、降低系統(tǒng)穩(wěn)固性。

干擾通道的時間常數(shù)對被控變量輸出的影響也是相類似的。

通常情況希望To小些，但不能太小，大些

T對過渡過程的影響

產(chǎn)生純滯后的原因：物料輸送等中間過程產(chǎn)生時間常數(shù)對象所表現(xiàn)出來的等效純滯

后。

物料輸送產(chǎn)生的純滯后比較容易懂得，實際對象由于多容的存在也會使響應(yīng)速度變

慢，特別是初始響應(yīng)被大大延遲，在動態(tài)特性上也可近似作為純滯后看待。事實上，廣

義等效的等效純滯后就包含了以上二個部分之與。

操縱通道純滯后t對操縱確信不利，純滯后增大n操縱質(zhì)量惡化、超調(diào)量。大

干擾通道的純滯后對系統(tǒng)響應(yīng)影響不大，由于干擾本身是不確定的，能夠在任何時

間出現(xiàn)。

在工藝設(shè)計時，應(yīng)盡量減少或者避免純滯后時間。如：簡化工藝、減少不必要的環(huán)

節(jié)，以利于減少操縱通道的滯后時間，在選擇操縱閥與檢測點的安裝位置時，應(yīng)選取靠

近操縱對象的有利位置。

［教學(xué)目的要求］:

1、熟悉霍爾片式力矩平衡式壓力計的工作原理

2、掌握彈簧官壓力計的工作原理、差壓式流量計的工作原理、壓力表的選擇與安裝

［教學(xué)重點］:霍爾片式力矩平衡式壓力計的工作原理

［教學(xué)難點］:彈簧官壓力計的工作原理、差壓式流量計的工作原理、壓力表的選擇與安

裝

［教學(xué)時數(shù)］:6

［教學(xué)內(nèi)容］:

第4章檢測儀表及傳感器

4.1概述

4.1.1檢測過程與測量誤差

（1）檢測過程與測量誤差

檢測過程參數(shù)檢測就是用專門的技術(shù)工具，依靠能量的變換、實驗與計算找到被測

量的值。

參數(shù)檢測的基本過程

傳感器又稱之檢測元件或者敏感元件，它直接響應(yīng)被測變量，經(jīng)能量轉(zhuǎn)換并轉(zhuǎn)化成

一個與被測變量成對應(yīng)關(guān)系的便于傳送的輸出信號，如mV、V、mA、Q、Hz、位移、

力等等。

由于傳感器的輸出信號種類很多，而且信號往往很微弱，通常都需要通過變送環(huán)節(jié)

的進一步處理，把傳感器的輸出轉(zhuǎn)換成如0?10mA、4?20mA等標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的模擬量信

號或者者滿足特定標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字量信號，這種檢測儀表稱之變送器。

有些時候，傳感器能夠不通過變送環(huán)節(jié)，直接通過顯示裝置把被測量顯示出來。

測量誤差--------------

測量誤差——儀表測得的測量值與被測真值之差△=Xi-Xt

由于真值在理論上是無法真正被獲取的，因此，測量誤差就是指檢測儀表（精度較

低）與標(biāo)準(zhǔn)表（精度較高）在同一時刻對同一被測變量進行測量所得到的2個讀數(shù)之差。

即：

A=x-x.

_____!___2Jxo—標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)

測量誤差的幾種表示形式：

絕對誤差I(lǐng)A=x—I

=—X100%

實際相對誤差

標(biāo)稱相對誤差&=9x100%

相對百分誤差

檢測儀表的要緊性能指標(biāo)苗=——-——xl00%

X—X

人入

儀表的精確度一臺測，maxmin其最大絕對誤差

lOkPa（在整個量程范圍內(nèi)），另一臺測量范圍0?400kPa的壓力測量儀表，其最大絕對誤

差5kPa,請問哪一臺壓力檢測儀表的精度更高？

（2）檢測儀表的要緊性能指標(biāo)

儀表的精確度一臺測量范圍0?lOOOkPa的壓力測量儀表，其最大絕對誤差

lOkPa（在整個量程范圍內(nèi)），另一臺測量范圍0?400kPa的壓力測量儀表，其最大絕對誤

差5kPa,請問哪一臺壓力檢測儀表的精度更高？

盡管后者的最大絕對誤差較小，但這并不說明后者較前者精度高。

在自動化儀表中，通常是以最大相對百分誤差來衡量儀表的精確度，定義儀表的精

度等級。

由于儀表的絕對誤差在測量范圍內(nèi)的各點上是不相同的，因此在工業(yè)上通常將絕對

誤差中的最大值，即把最大絕對誤差折合成測量范圍的百分數(shù)表示，稱之最大相對百分

誤差：

§=取大誤差=一——*100%

量程％max-/in

儀表的精度等級（精確度等級）是指儀表在規(guī)定的工作條件下同意的最大相對百分

誤差。

檢測儀表的要緊性能指標(biāo)

儀表的精確度等級

儀表的精度等級（精確度等級）是指儀表在規(guī)定的工作條件下同意的最大相對百分

誤差。

把儀表同意的最大相對百分誤差去掉“土”號與“%”號,便能夠用來確定儀表的精度等級。

目前，按照國家統(tǒng)一規(guī)定所劃分的儀表精度等級有：

0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0等。

所謂的0.5級儀表，表示該儀表同意的最大相對百分誤差為±0.5%,以此類推。

精度等級通常用一定的符號形式表示在儀表面板上：

儀表的精度等級是衡量儀表質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。

精度等級數(shù)值越小，表示儀表的精確度越高。

精度等級數(shù)值小于等于005的儀表通常用來作為標(biāo)準(zhǔn)表，而工業(yè)用表的精度等級數(shù)

值通常大于等于0.5o

非線性誤差在通常情況下，總是希望測量儀表的輸出量與輸入量之間呈線性對應(yīng)關(guān)

系。測量儀表的非線性誤差就是用來表征儀表的輸出量與輸入量的實際對

應(yīng)關(guān)系與理論直線的吻合程度。

通常非線性誤差用實際測得的輸入一輸出特性曲線（也稱之校準(zhǔn)曲線）

與理論直線的之間的最大偏差與測量儀表量程之比的百分數(shù)來表示：

N

\8=----------------照--------------x100%

57f測量范圍上限一測量范圍下限

被測變量

變差

在外界條件不變的情況下，使用同一儀表對被測變量在全量程范圍內(nèi)進行正反行程

即逐步由小到大與逐步由大到?。y量時，對應(yīng)于同一被測值的儀表輸出可能不等，二

者之差的絕對值即為變差。變差的大小，根據(jù)在同一被測值下正反特性間儀表輸出的最

大絕對誤差與測量儀表量程之比的百分數(shù)來表示：

第

xlOO%

儀

表

輸

出

靈敏度與分辨力

靈敏度是表征檢測儀表對被測量變化的靈敏程度，它是指儀表輸出變化量與輸入變

化量之比，即靈敏度=Ay/Ax

分辨力又稱之靈敏限，是儀表輸出能響應(yīng)與分辨的最小輸入變化量，它也是靈敏度

的一種反映。對數(shù)字式儀表來說，分辨力就是數(shù)字顯示儀表變化一個LSB（二進制最低

有效位）時輸入的最小變化量

動態(tài)誤差相對百分誤差、非線性誤差、變差都是穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）誤差。

動態(tài)誤差是指檢測系統(tǒng)受外擾動作用后，被測變量處于變動狀態(tài)下儀表示

值與參數(shù)實際值之間的差異。

引起該誤差的原因是由于檢測元件與檢測系統(tǒng)中各類運動慣性與能量形式

轉(zhuǎn)換需要時間所造成的。

衡量各類運動慣性的大小，與能量傳遞的快慢常使用時間常數(shù)T與傳遞滯后

時間（純滯后時間）T兩個參數(shù)表示（這兩個參數(shù)的含義與上一章中對象數(shù)學(xué)模型

中的時間常數(shù)T與純滯后時間T的數(shù)學(xué)含義是一致的）

它們的存在會降低檢測過程的動態(tài)性能，其中純滯后時間I的不利影響會遠

遠超過時間常數(shù)T的影響。

4.2壓力檢測及變送器

4.2.1彈性式壓力檢測

彈性式壓力檢測是用彈性元件把壓力轉(zhuǎn)換成彈性元件位移的一種檢測方法

膜片受壓力作用產(chǎn)生位移，可直接帶動傳動機構(gòu)指示。但是膜片的位移較小，

靈敏度低，指示精度不高，通常為2.5級。膜片更多的是與其他轉(zhuǎn)換元件合

起來使用，通過膜片與轉(zhuǎn)換元件把壓力轉(zhuǎn)換成電信號；

波紋管的位移相對較大，通?？稍谄漤敹税惭b傳動機構(gòu)，帶動指針直接讀數(shù)。其

特點是靈敏高（特別是在低壓區(qū)），常用于檢測較低的壓力（1.0~106Pa）,

但波紋管遲滯誤差較大，精度通常只能達到1.5級；

彈簧管結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價格低廉，它使用范圍廣，測量范圍寬，能夠測量

負壓、微壓、低壓、中壓與高壓，因此應(yīng)用十分廣泛。根據(jù)制造的要求，儀

表精度最高可達0.15級。

（1）彈簧管與彈簧管壓力表

彈簧管是橫截面呈非圓形（橢圓形或者扁圓形），彎成圓弧狀（中心角常為270。）

的空心管子。管子的一端為封閉，另一端為開口。閉口端作為自由端，開口端作為固定

端。

被測壓力介質(zhì)從開口端進入并充滿彈簧管的整個內(nèi)腔，由于彈簧管的非圓橫截面，

使它有變成圓形并伴有伸直的趨勢而產(chǎn)生力矩，其結(jié)果使彈簧管的自由端產(chǎn)生位移，同

時改變其中心角。位移量（中心角改變量）與所加壓力有如下的函數(shù)關(guān)系：

2團推得［

△8D\-irR?b.a^0Zl

式曲@0為彈簧皆中心府名初始隔；?一藥受壓后中心J%|；R為彈簧管彎曲

圓弧的外半徑；h為管壁厚度；a、b為彈簧管橢圓形截面的長、短半軸

彈簧管自由端B的位移量通常很小，需要通過放大機構(gòu)才能指示出來，為了加大彈

簧管自由端的位移量，也可使用多圈彈簧管，其原理與單圈彈簧管相似。

單圈彈簧管壓力表是工業(yè)現(xiàn)場使用最普遍的就地指示式壓力檢測儀表

輸出的彈簧管壓力表）

彈簧管壓力表結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價格低廉、測量范圍寬，能夠測量負壓、微壓、

低壓、中壓與高壓

通常的工業(yè)用彈簧管壓力表的精度等級為1.5級或者2.5級，但根據(jù)制造的要求，

其精度等級最高可達0.15級。

（2）膜盒式差壓變送器

膜盒式差壓變送器構(gòu)成

工作原理：力矩平衡

檢測元件——膜盒或者膜片

杠桿系統(tǒng)則有單杠桿、雙杠桿與矢量機構(gòu)

DDZ-III型差壓變送器

檢測部分：AP-輸入力Fi

杠桿系統(tǒng)：力的傳遞與力矩比較，生成位移信號

位移檢測放大器：位移一輸出

電磁反饋裝置：輸出f反饋力乃

（3）電容式差壓變送器

電容式差壓變送器使用差動電容作為檢測元件要緊包含測量部件與轉(zhuǎn)換放大電路

兩部分

電容式差壓變送器測量原理

——差動電容測量原理

△P=0

Cii=Ci2=15pF

AP>011

AC-C—C-EA()

Cii的電容量減小i2ix與一5用+5

Ci2的電容量增大

4.2.2電氣式壓力檢測——應(yīng)變片壓力璘破嵋連叢p

利用金屬或者半導(dǎo)體材料制成的電膽體單膽值可■衣示弒

當(dāng)電阻體受外力作用時，電阻體的K康、神忻積或甯電阻率會發(fā)生變化，即其阻值

也會發(fā)生變化。這種因尺寸變化引起阻值變化稱之應(yīng)變效應(yīng)。

應(yīng)變片多以金屬材料為主，通常與彈性元件一起使用。

應(yīng)變筒的上端與外殼固定在一起，下端與不銹鋼密封膜片3緊密接觸，應(yīng)變片rl

與r2用膠合劑貼緊在應(yīng)變筒的外壁，與筒體之間不發(fā)生相對滑動。

rl沿應(yīng)變筒軸向貼放，作為測量片；r2沿徑向貼放，作為溫度補償片。

圖中應(yīng)變片“、廠2的靜態(tài)性能完全相同。當(dāng)膜片受到外力作用時，彈性筒軸向受壓，使

應(yīng)變片"產(chǎn)生軸向應(yīng)變，阻值變??；而應(yīng)變片廠2受到軸向壓縮，引起徑向拉伸，阻值

變大。實際上，，2的變化量比”的變化量要小，-2的要緊作用是溫度補償。

是應(yīng)變片阻值變化量的測量電橋，圖中R3與R4是兩個阻值相等的精密固定電阻。

不受壓時n=r2=roR3=R4=r

U=（——幺一+—J）E,不受壓時U=0

4+64+G

若應(yīng)變片受壓，則：rl=rO+Arl；r2=rO+Ar2（ArlWA⑵

（b）測量電橋

由此可見，由壓力作用時，〃與「2一減一增，使電橋由較大的輸出；當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)

生變化時，〃、,2同時增減，不影響電橋的平衡。假如儀表能把電橋輸出電壓Ui進一

步轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號輸出，則該儀表即可稱之應(yīng)變式壓力變送器。

結(jié)論：應(yīng)變片式壓檢測儀表具有較大的測量范圍，被測壓力可達幾百MPa,并具有

良好的動態(tài)性能，適用于快速變化的壓力測量。但是，盡管測量電橋具有一定的溫度補

償?shù)淖饔?，?yīng)變片式壓力檢測儀表仍有比較明顯的溫漂與時漂，因此，這種壓力檢測儀

表較多地用于通常要求的動態(tài)壓力檢測，測量精度通常在0.5?1.0%左右。

——壓阻式（擴散硅）壓力/差壓變送器

因電阻率變化引起阻值變化稱之壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)比較明顯。

用作壓阻式傳感器的基片材料要緊為硅片與楮片，由于單晶硅材料純、功耗小、滯后與

蠕變極小、機械穩(wěn)固性好，而且傳感器的制造工藝與硅集成電路工藝有很好的兼容性，

以擴散硅壓阻傳感器作為檢測元件的壓力檢測儀表得到了廣泛的使用。

構(gòu)成框圖：

檢測部分電磁放大部分

結(jié)論：

壓阻式壓力傳感器的要緊優(yōu)點是體積小，結(jié)構(gòu)簡單，其核心部分就是一個既是彈性

元件又是壓敏元件的單晶硅膜片。擴散電阻的靈敏系數(shù)是金屬應(yīng)變片的幾十倍，能直接

測量出微小的壓力變化。此外，壓阻式壓力傳感器還具有良好的動態(tài)響應(yīng)，遲滯小，可

用來測量幾千赫茲乃至更高的脈動壓力。因此，這是一種進展比較迅速，應(yīng)用十分廣泛

的一類壓力傳感器。

這種傳感器的缺點則是擴散電阻存在溫度效應(yīng)，容易受環(huán)境溫度的影響，有些廠家

在傳感器組件中提供了若干校正用的溫度補償電路，甚至把放大轉(zhuǎn)換等電路集成在同一

塊單晶硅膜片上，從而能夠大大提高傳感器的基本性能。

4.2.3智能型壓力變送器

4.2.4壓力檢測儀表的選用與安裝

——壓力檢測儀表的選用

三個方面——選用時應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝對壓力檢測的要求、被測介質(zhì)的特性、現(xiàn)場使用的

環(huán)境等條件本著節(jié)約的原則合理地考慮儀表的量程、精度、類型（材質(zhì)）等。

⑴量程

儀表的量程是指該儀表可按規(guī)定的精確度對被測量進行測量的范圍

關(guān)鍵：根據(jù)被測參數(shù)的大小來確定，同時務(wù)必考慮到被測對象可能發(fā)生的特殊超壓情況,

對儀表的量程選擇務(wù)必留有足夠的余地。

測量穩(wěn)固壓力：最大工作壓力Pimax不超過上限值Pmax的3/4

測量脈動壓力：最大工作壓力Pimax不超過上限值Pmax的2/3

測量高壓壓力：最大工作壓力Pimax不超過上限值Pmax的3/5

最小工作壓力Pimin不低于上限值Pmax的1/3

儀表的量程等級：1、1.6、2.5、4.0、6.0kPa與它們10n倍。

在選用儀表量程時，應(yīng)使用相應(yīng)規(guī)程或者者標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)值。

⑵儀表精度

—根據(jù)生產(chǎn)同意的最大誤差來確定，即要求實際被測壓力同意的最大絕對誤差應(yīng)

小于儀表的基本誤差。

—在選擇時應(yīng)堅持節(jié)約的原則，只要測量精度能滿足生產(chǎn)的要求，就不必追求用

過高精度的儀表。

⑶儀表類型

正確選用儀表類型是保證儀表正常工作及安全生產(chǎn)的前提。要緊應(yīng)考慮下列幾個方面：

1.儀表的材料

壓力檢測（檢測儀表）的特點是壓力敏感元件往往要與被測介質(zhì)直接接觸，因此在選擇

儀表材料的時候要綜合考慮儀表的工作條件。

比如：對腐蝕性較強的介質(zhì)應(yīng)使用像不銹鋼之類的彈性元件或者敏感元件；

氨用壓力表則要求儀表的材料不同意使用銅或者銅合金，由于氨氣對銅的腐

蝕性極強；

又如氧用壓力表在結(jié)構(gòu)與材質(zhì)上能夠與普通壓力表完全相同，但要禁油，由于油

進入氧氣系統(tǒng)極易引起爆炸。

2.輸出信號類型

只需觀察壓力變化的,可選如彈簧管壓力表、液柱式壓力計那樣的直接指示型的儀

表：

如需將壓力信號遠傳到操縱室或者其他電動儀表,則可選用電氣式壓力檢測儀表或者其

他具有電信號輸出的儀表；

假如要檢測快速變化的壓力信號,則可選用電氣式壓力檢測儀表，如壓阻式壓力傳感器;

假如操縱系統(tǒng)要求能進行數(shù)字量通信,則可選用智能式壓力檢測儀表

3.使用環(huán)境

對爆炸性較強的環(huán)境，在使用電氣壓力儀表時，應(yīng)選擇防爆型壓力儀表；關(guān)于溫度

特別高或者特別低、環(huán)境溫度變化大的場合，應(yīng)選擇使用溫度適當(dāng)、溫度系數(shù)小小的敏

感元件與其他變換元件。

上述選型原則也適用于差壓、流量、液位等其它檢測儀表的選型

——壓力檢測儀表的安裝

分三種情況介紹

通常壓力檢測儀表的安裝

特殊壓力檢測儀表的安裝（高溫、高壓、腐蝕等）

壓力變送器的安裝

通常壓力測量儀表的安裝

不管選用何種壓力儀表與使用何種安裝方式，在安裝過程中都應(yīng)注意下列幾點：

1.壓力儀表務(wù)必經(jīng)檢驗合格后才能安裝

2.壓力儀表的連接處，應(yīng)根據(jù)被測壓力的高低與被測介質(zhì)性質(zhì)，選擇適當(dāng)?shù)牟牧献?/p>

為密封墊圈，以防泄漏

3.壓力儀表盡可能安裝在室溫，相對濕度小于80%,振動小，灰塵少，沒有腐蝕性

物質(zhì)的地方，關(guān)于電氣式壓力儀表應(yīng)盡可能避免受到電磁干擾

4.壓力儀表應(yīng)垂直安裝。通常情況下，安裝高度應(yīng)與人的視線齊平，關(guān)于高壓壓力

儀表，其安裝高度應(yīng)高于通常人的頭部

5.測量液體或者蒸汽介質(zhì)壓力時，應(yīng)避免液柱產(chǎn)生的誤差，壓力儀表應(yīng)安裝在與取

壓口同一水平的位置上，否則務(wù)必對壓力儀表的示值進行修正

6.導(dǎo)壓管的粗細合適，通常為6?10mm,長度盡可能短，否則會引起測量遲緩

7.壓力儀表與取壓口之間應(yīng)安裝切斷閥，以便維修

測量特殊介質(zhì)時的壓力測量儀表安裝

1.測量高溫（60℃以上）流體介質(zhì)的壓力時，為防止熱介質(zhì)與彈性元件直接接觸，

壓力儀表之前應(yīng)加裝U形管或者盤旋管等形式的冷凝器，避免因溫度變化對測量精度與

彈性元件產(chǎn)生的影響。

2.測量高壓流體介質(zhì)的壓力時，安裝時壓力儀表表殼應(yīng)朝向墻壁或者者無人通過之

處，以防發(fā)生以外。

3.測量腐蝕性介質(zhì)的壓力時，除選擇具有防腐能力的壓力儀表之外，還應(yīng)加裝隔離

裝置，利用隔離罐中的隔離液將被測介質(zhì)與彈性元件隔離開來

4.測量波動劇烈（如泵、壓縮機的出口壓力）的壓力時，應(yīng)在壓力儀表之前加裝針

形閥與緩沖器，必要時還應(yīng)加裝阻尼器

5.測量粘性大或者易結(jié)晶的介質(zhì)壓力時，應(yīng)在取壓裝置上安裝隔離罐，使罐內(nèi)與導(dǎo)

壓管內(nèi)充滿隔離液，必要時可采取保溫措施

6.測量含塵介質(zhì)壓力時，最好在取壓裝置后安裝一個除塵器

總之，針對被測介質(zhì)的不一致性質(zhì)，要采取相應(yīng)的放熱、防腐、防凍、防堵與防塵

等措施

差壓變送器的安裝

三個方面的內(nèi)容：取壓口的選擇引壓管的安裝變送器本身的安裝

差壓變送器取壓口的選擇

被測介質(zhì)為液體時，取壓口應(yīng)位于管道下半部與管道水平線成0?45°角內(nèi)，目的是

保證引壓管內(nèi)沒有氣泡，兩根引壓管內(nèi)液柱產(chǎn)生的附加壓力能夠相互抵消

被測介質(zhì)為氣體時，取壓口應(yīng)位于管道上半部與管道垂直中心線成0?45°角內(nèi)，

其目的時為了保證引壓管中不積聚與滯留液體。

被測介質(zhì)為蒸汽時，取壓口應(yīng)位于管道上半部與管道水平線成0?45°角內(nèi)。最常

見的接法是從管道水平位置接出，并分別安裝凝液罐，這樣兩根引壓管內(nèi)部都充滿冷凝

液，而且液位高度相同。

差壓變送器引壓管的安裝

引壓管應(yīng)按最短距離敷設(shè)，引壓管的彎曲處應(yīng)該是均勻的圓角，曲率半徑通常不小

于引壓管外徑的10倍。引壓管的管路應(yīng)保持垂直，或者者與水平線之間不小于1:10的

傾斜度，必要時要加裝氣體、凝液、微粒收集器等設(shè)備，并定期排除收集物。

引壓管內(nèi)徑與引壓管長度

被測介質(zhì)<1.61.6~4.54.5~9

水、水蒸氣、干氣體7-91013

在測量液體介質(zhì)時，變送器只能安裝在取樣口之上時，在引壓管的管路中應(yīng)有排氣

裝置，如圖(a)所示，這樣，即使有少量氣泡，也不可能對測量精度造成影響。

在測量氣體介質(zhì)時，假如差壓變送器只能安裝在取樣口之下時，務(wù)必加裝如圖(b)所致的

貯液罐與排放閥，克服因滯留液對測量精度產(chǎn)生影響。

測量蒸汽時的引壓管管路則如圖(c)所示。

差壓變送器本身的安裝差壓變送器通常務(wù)必安裝切斷閥1、2與平衡閥3,構(gòu)成三閥

組

1、2一切斷閥3—平衡閥

差壓變送器是用來測量差壓的，但假如正、負引壓管上的兩個切斷閥不能同時打開

或者者關(guān)閉時，就會造成差壓變送器單向受很大的靜壓力，有的時候會使儀表產(chǎn)生附加

誤差，嚴重時會使儀表損壞。

為了防止差壓計單向受很大的靜壓力，務(wù)必正確使用平衡閥。

在啟用差壓變送器時，應(yīng)先開平衡閥3,使正、負壓室連通，受壓相同，然后再打開切

斷閥1、2,最后再關(guān)閉平衡閥3,變送器即可投入運行。

差壓變送器需要停用檢修時，應(yīng)先打開平衡閥，然后再關(guān)閉切斷閥1、2。

當(dāng)切斷閥1、2關(guān)閉，平衡閥3打開時，即能夠?qū)x表進行零點校驗。

4.3流量檢測及變送器

4.3.1差壓式流量計

差壓式流量計也稱之節(jié)流式流量計，它是目前工業(yè)生產(chǎn)過程中流量測量最成熟、最常

用的方法之一。

假如在管道中安置一個固定的阻力件，它的中間開一個比管道截面小的孔，當(dāng)流體

流過該阻力件時，由于流體流束的收縮而使流速加快、靜壓力降低，其結(jié)果是在阻力件

前后產(chǎn)生一個較大的壓差。

壓差的大小與流體流速的大小有關(guān)，流速愈大，差壓也愈大，因此只要測出差壓就

能夠推算出流速，繼而能夠計算出流體的流量。

（b）噴嘴

把流體流過阻力件使流束收縮造成壓力變化的過程稱節(jié)流過程，其中的阻力件稱之

節(jié)流件。

作為流量檢測用的節(jié)流件有標(biāo)準(zhǔn)的與特殊的兩種。

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件包含標(biāo)準(zhǔn)孔板、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴與標(biāo)準(zhǔn)文丘里管。

關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)化的節(jié)流件，在設(shè)計計算時都有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定、要求與計算所需的有關(guān)

數(shù)據(jù)及程序，可直接按照標(biāo)準(zhǔn)制造；安裝與使用時不必進行標(biāo)定。

特殊節(jié)流件要緊用于特殊介質(zhì)或者特殊工況條件的流量檢測，它務(wù)必用實驗方法單獨標(biāo)

定。

相比而言，標(biāo)準(zhǔn)孔板制作最簡單，使用也最廣泛，下列只介紹標(biāo)準(zhǔn)孔板,

——節(jié)流原理

流淌流體的能量有兩種形式：靜壓能與動能。流體由于有壓力而具有靜壓能，又由

于有流淌速度而具有動能，這兩種形式的能量在一定條件下是能夠相互轉(zhuǎn)化的。

——流量方程

根據(jù)流體力學(xué)中的伯努利方程，能夠推導(dǎo)得出節(jié)流式流量計的流量方程，也就是差

壓與流量之間的定量關(guān)系式:

名=族4己即

a為流量系數(shù)

A0為節(jié)流件的開孔通體密度

△P節(jié)流裝置前后實F

。要緊與節(jié)流裝置的q,〃=5），23P制尚狀態(tài)（如雷諾數(shù)）與管道條件等

因素有關(guān)。因此，是一個影響因素復(fù)雜的綜合性參數(shù)，也是節(jié)流式流量計能否準(zhǔn)確測量

流量的關(guān)鍵所在，雷諾數(shù)大于某一數(shù)值（界限雷諾數(shù)）時，a值可認為是一常數(shù)。關(guān)于

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，能夠從有關(guān)手冊中查出；關(guān)于非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，其值要由實驗方法確定。

，可膨脹性系數(shù)用來校正流體的可壓縮性，它與節(jié)流件前后壓力的相對變化量、流

體的等嫡指數(shù)等因素有關(guān)，其取值范圍小于等于1。關(guān)于不可壓縮性流體，￡=1;關(guān)于

可壓縮性流體，則￡<1。應(yīng)用時能夠查閱有關(guān)手冊而得

——標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件（孔板）

節(jié)流裝置包含節(jié)流件、取壓裝置與符合要求的前后直管段

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置是指節(jié)流件、取壓裝置都標(biāo)準(zhǔn)化，前后直管段符合規(guī)定要求，能夠直接投

入使用

標(biāo)準(zhǔn)孔板，要求：

d/D應(yīng)在0.2?0.75之間

d不小于12.5mm

直孔厚度h應(yīng)在0.005D到0.02D之間

孔板的總厚度H應(yīng)在h與0.05D之間

圓錐面的斜角a應(yīng)在30?45°之間

標(biāo)準(zhǔn)噴嘴與標(biāo)準(zhǔn)文丘里管的結(jié)構(gòu)參數(shù)的規(guī)定也能夠查閱有關(guān)的設(shè)計手冊。

——標(biāo)準(zhǔn)取壓方式

國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的取壓方式有角接取壓、法蘭取壓與D—D/2取壓。

角接取壓角接取壓的兩個取壓口分別位于孔板上下端面與管壁的夾角處

取壓口能夠是環(huán)隙取壓口與單獨鉆孔取壓口

環(huán)隙取壓利用左右對稱的兩個環(huán)室把孔板夾在中間，通常要求環(huán)隙在整個圓周上穿

通管道，或者者每個夾持環(huán)應(yīng)至少有四個開孔與管道內(nèi)部連通，每個開孔的中心線彼此

互成等角度，再利用導(dǎo)壓管把孔板上下游的壓力分別引出

當(dāng)使用單獨鉆孔取壓時,取壓口的軸線應(yīng)盡可能以90°與管道軸線相交

環(huán)隙寬度與單獨鉆孔取壓口的直徑a通常在4?10mm之間

顯然，環(huán)隙取壓由于環(huán)室的均壓作用，便于測出孔板兩端的平穩(wěn)差壓，能得到較好

的測量精度，但是夾持環(huán)的加工制造與安裝要求嚴格。當(dāng)管徑D>500mm時，通常使用

單獨鉆孔取壓。

夾持環(huán)

法蘭取壓與D—D/2取壓

D-D/2取壓裝置是設(shè)有取壓口的管段，上、下游取壓口軸線與孔板上游端面的距離

分為D與D/2（D為管道的直徑）

法蘭取壓裝置是由一對帶有取壓口的法蘭構(gòu)成取壓口軸線距離孔板上、下端面均

為25.4mm（1英寸）

——節(jié)流式流量計的安裝

在各類標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)流裝置中以標(biāo)準(zhǔn)孔板的應(yīng)用最為廣泛，它具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝使用

方便的特點，適用于大流量的測量?？装宓淖畲笕秉c是流體流經(jīng)節(jié)流件后壓力缺失較大,

當(dāng)工藝管路不同意有較大的壓力缺失時，通常不宜選用孔板流量計。標(biāo)準(zhǔn)噴嘴與標(biāo)準(zhǔn)文

丘里管的壓力缺失較小，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不易加工。

盡管節(jié)流式流量計的應(yīng)用非常廣泛，但是假如使用不當(dāng)往往會出現(xiàn)很大的測量誤差，有

的時候甚至高達10?20%。下面列舉一些造成測量誤差的原因，以便在安裝使用過程中

得到充分的注意，并予以適當(dāng)?shù)慕鉀Q。

《差壓變送器的安裝如前所述》

——節(jié)流式流量計的使用特點與要求

A標(biāo)準(zhǔn)孔板應(yīng)用廣泛，它具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便的特點，適用于大流量的測量。

＞孔板測量的壓損大,當(dāng)不同意有較大的管道壓損時，便不宜使用。在通常場合

下，仍使用孔板為多。

＞標(biāo)準(zhǔn)噴嘴與標(biāo)準(zhǔn)文丘里管的壓力缺失較孔板為小，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不易加工。

＞標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置僅適用于測量管道直徑大于50mm,雷諾數(shù)在104?105以上的流

隹；

＞流體應(yīng)當(dāng)清潔，充滿全部管道，不發(fā)生相變;

＞為保證流體在節(jié)流裝置前后為穩(wěn)固的流淌狀態(tài),在節(jié)流裝置的上、下游務(wù)必配

置?定長度的直管段（與管徑、節(jié)流件的開孔面積與管路上的彎頭數(shù)都有關(guān)系）

＞節(jié)流裝置通過長時間的使用，會因物理磨損或者者化學(xué)腐蝕，造成幾何形狀與

尺寸的變化，從而引起測量誤差，因此需要及時檢查與維修，必要時更換新的

節(jié)流裝置

——節(jié)流式流量計誤差產(chǎn)生的原因

＞實際工況與設(shè)計要求不符，如：溫度、壓力、濕度與相應(yīng)的流體重度、粘度、

雷諾數(shù)等參數(shù)數(shù)值發(fā)生變化，則會造成較大的誤差。為了消除這種誤差，務(wù)必

按新工藝重新設(shè)計計算，或者加以必要的修正。

＞節(jié)流裝置安裝不正確節(jié)流裝置安裝不正確，在安裝時，特別要注意節(jié)流裝置的

安裝方向。

＞在使用中，要保持節(jié)流裝置的清潔。如在節(jié)流裝置處防止有沉淀、結(jié)焦、堵塞

等現(xiàn)象。

＞節(jié)流裝置的磨損，應(yīng)注意日常檢查、維修，必要時應(yīng)換用新的孔板。

＞導(dǎo)壓管安裝不正確，或者有諸塞、滲漏現(xiàn)象，

4.3.2轉(zhuǎn)子流量計

在工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常遇到小流量的測量，因其流體的流速低，這就要求測量儀表有較

高的靈敏度，才能保證一定的精度。轉(zhuǎn)子流量計特別適宜于測量管徑50mm下列管道的

流量，測量的流量可小到每小時幾升。

轉(zhuǎn)子流量計要緊由兩個部分構(gòu)成：

一是由下往上逐步擴大的錐形管（通常用透明玻璃制成）

二是放在錐形管內(nèi)可自由運動的轉(zhuǎn)子。

被測流體由錐形管下端進入，流經(jīng)轉(zhuǎn)子與錐形管之間的環(huán)隙，再從上端流出。

當(dāng)流體流過的時候，位于錐形管中的轉(zhuǎn)子受到向上的一個力，使其浮起。當(dāng)這個力

正好等于轉(zhuǎn)子重量減去流體對轉(zhuǎn)子的浮力，如今轉(zhuǎn)子就停浮在一定的高度上。

若流體流量突然由小變大時，作用在轉(zhuǎn)子上的向上的力就加大，轉(zhuǎn)子上升，環(huán)隙增

大，即流通面積增大。隨著環(huán)隙的增大，使流體流速變慢，流體作用在轉(zhuǎn)子上的向上力

也就變小。這樣，轉(zhuǎn)