过程控制技术

1、过程装备控制技术 一、过程控制系统的基本概念一、过程控制系统的基本概念 二、检测技术二、检测技术 三、单回路控制系统设计三、单回路控制系统设计 四、复杂控制系统四、复杂控制系统 五、典型单元操作的控制五、典型单元操作的控制 六、六、DCSDCS控制系统控制系统 “过程过程”事物发展所经过的程序；阶段。事物发展所经过的程序；阶段。 “过程过程”也是将输入转化为输出的系统。也是将输入转化为输出的系统。 被控变量被控变量：被控过程内要求保持：被控过程内要求保持设定数值设定数值的工艺参数。的工艺参数。 被控对象被控对象：在自动控制系统中，工艺变量需要控制的生产设备或机器。：在自动控制系统中，工艺变量需

2、要控制的生产设备或机器。 被控对象的特性被控对象的特性：当被控对象的输入发生变化时，其输出变量随时间：当被控对象的输入发生变化时，其输出变量随时间 的变化规律。的变化规律。 绪论绪论 第一章第一章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 第一节第一节 化工自动化的主要内容化工自动化的主要内容 生产过程自动化所包含的内容：生产过程自动化所包含的内容： l 自动检测系统自动检测系统 l 信号联锁系统信号联锁系统 l 自动操纵系统自动操纵系统 l 自动控制系统自动控制系统 1.1.自动检测系统自动检测系统 利用各种仪表对主要工艺参数进行利用各种仪表对主要工艺参数进行测量测量、指示指示或或记录记

3、录的的 系统，称为自动检测系统。系统，称为自动检测系统。 2.2.信号联锁系统信号联锁系统 3.3.自动操纵系统自动操纵系统 4.4.自动控制系统自动控制系统 信号联锁系统是一种安全装置。信号联锁系统是一种安全装置。 是一种根据预先规定的是一种根据预先规定的程序程序，自动地对生产设，自动地对生产设 备进行某种周期性操作。备进行某种周期性操作。 是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的 设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作 状态或参数自动地按照预定的状态或参数自动地按照预定的规律规律运行。运行。 第二节第

4、二节 自动控制系统的基本组成及表现形式自动控制系统的基本组成及表现形式 一、自动控制系统的基本组成一、自动控制系统的基本组成 液位控制器液位检测变送器 执行阀 流程图（原理图）流程图（原理图） 方框图（结构图）方框图（结构图） 名词术语：名词术语： 1) 1) 被控变量被控变量y(t)y(t)：被控过程内要求保持设定数值的工艺参数。：被控过程内要求保持设定数值的工艺参数。 2) 2) 操纵变量操纵变量q(t)q(t)：受控制器操纵，用以克服扰动量的影响，使：受控制器操纵，用以克服扰动量的影响，使 被控变量保持设定值的物料量或能量。被控变量保持设定值的物料量或能量。 3) 3) 扰动量扰动量f(

5、t) :f(t) :除控制参数外，作用于被控过程并引起被控除控制参数外，作用于被控过程并引起被控变变 量量变化的各种因素。变化的各种因素。 4) 4) 给定值给定值r(t)r(t)：被控变量的设定值。：被控变量的设定值。 5) 5) 测量值测量值z(t)z(t)：被控变量经测量变送环节实际测量的值。：被控变量经测量变送环节实际测量的值。 6) 6) 偏差偏差e(f)e(f)：被控变量的设定值与当前实际值之差。：被控变量的设定值与当前实际值之差。 7) 7) 控制信号控制信号u(t)u(t)：控制器的输出量。：控制器的输出量。 二、自动控制系统的表现形式二、自动控制系统的表现形式 1.1.方框图

6、（结构图）方框图（结构图） 基本单元基本单元 l 信号线信号线 l 引出点（测量点）引出点（测量点） l 比较点比较点 l 方框（环节）方框（环节） 二、流程图（原理图）二、流程图（原理图） 1、图形符号、图形符号 测量点（取样点）测量点（取样点） 连接线连接线 仪表（包括检测、显示、控制）图形符号仪表（包括检测、显示、控制）图形符号 按按系统克服干扰的方法划分系统克服干扰的方法划分和和系统给定值系统给定值的不同，的不同， 过程控制系统有如下不同的分类方法。过程控制系统有如下不同的分类方法。 1 1按系统克服干扰的方法划分按系统克服干扰的方法划分 (1)(1)反馈控制系统反馈控制系统 反馈是过

7、程控制的核心内容，只有通过反馈才能实现反馈是过程控制的核心内容，只有通过反馈才能实现 对被控参数的闭环控制，所以这类系统是过程控制中使对被控参数的闭环控制，所以这类系统是过程控制中使 用最为普遍的。用最为普遍的。 反馈控制是根据系统被控参数与给定值的偏差进行反馈控制是根据系统被控参数与给定值的偏差进行 工作的，偏差是控制的依据，最后目的是减小或消除偏工作的，偏差是控制的依据，最后目的是减小或消除偏 差。反馈信号也可能有多个，从而可以构成串级等多回差。反馈信号也可能有多个，从而可以构成串级等多回 路控制系统。路控制系统。 第三节第三节 自动控制系统分类自动控制系统分类 (2)(2)前馈控制系统前

8、馈控制系统 前馈控制系统是根据扰动量的大小进行工作的，扰动是前馈控制系统是根据扰动量的大小进行工作的，扰动是 控制的依据，属于开环控制。控制的依据，属于开环控制。 (3)(3)前馈一反馈复合控制系统前馈一反馈复合控制系统 为了充分发挥前馈和反馈的各自优势，可将两者为了充分发挥前馈和反馈的各自优势，可将两者 结合起来，构成前馈一反馈复合控制系统。结合起来，构成前馈一反馈复合控制系统。 2 2按给定值信号特点划分按给定值信号特点划分 (1)(1)定值控制系统定值控制系统 在运行时，系统被控参数在运行时，系统被控参数( (如温度、压力、流量、物位、如温度、压力、流量、物位、 成分等成分等) )的给定

9、值是固定不变的，有时只允许在规定的小范的给定值是固定不变的，有时只允许在规定的小范 围内变化。定值控制系统是工业生产过程中应用最多的一围内变化。定值控制系统是工业生产过程中应用最多的一 种过程控制系统。种过程控制系统。 (2)(2)随动控制系统随动控制系统 随动控制系统是指被控参数的给定值随时间任意变化随动控制系统是指被控参数的给定值随时间任意变化 的控制系统。的控制系统。 (3)(3)程序控制系统程序控制系统 程序控制系统的给定值也是一个不断变化的信号，但程序控制系统的给定值也是一个不断变化的信号，但 这种变化是一个已知的时间函数，即给定值按一定的时间这种变化是一个已知的时间函数，即给定值按

10、一定的时间 程序变化。程序变化。 第四节第四节 自动控制系统的过渡过程和品质自动控制系统的过渡过程和品质 一、一、 控制系统的静态与动态控制系统的静态与动态 控制系统性能的评价指标概括如下：控制系统性能的评价指标概括如下： 1)1)系统必须是稳定的。系统必须是稳定的。 2)2)系统应能提供尽可能好的稳态调节系统应能提供尽可能好的稳态调节( (静态指标静态指标) )。 3)3)系统应能提供尽可能好的过渡过程系统应能提供尽可能好的过渡过程( (动态指标动态指标) )。 稳定是系统性能中最重要、最根本的指标，只有在系稳定是系统性能中最重要、最根本的指标，只有在系 统是稳定的前提下，才能讨论静态和动态

11、指标。控制系统统是稳定的前提下，才能讨论静态和动态指标。控制系统 性能指标应根据生产工艺过程的实际需要来确定，特别需性能指标应根据生产工艺过程的实际需要来确定，特别需 要注意的是，不能不切实际地提出过高的控制性能指标。要注意的是，不能不切实际地提出过高的控制性能指标。 过程控制系统通常采用过程控制系统通常采用系统阶跃响应性能指标系统阶跃响应性能指标和和偏差偏差 积分性能指标积分性能指标。后者在采用计算机仿真或分析时采用。后者在采用计算机仿真或分析时采用。 二、过程控制系统的性能指标二、过程控制系统的性能指标 过渡过程过渡过程：从一个稳态到达另一个稳态的历程。：从一个稳态到达另一个稳态的历程。

12、在阶跃扰动作用下，控制系统过渡过程曲线有以下几在阶跃扰动作用下，控制系统过渡过程曲线有以下几 种典型形式：种典型形式：发散振荡过程、非振荡发散过程、等幅振荡发散振荡过程、非振荡发散过程、等幅振荡 过程、衰减振荡过程和非振荡衰减过程。过程、衰减振荡过程和非振荡衰减过程。 阶跃扰动作用下控制系统过渡过程曲线：阶跃扰动作用下控制系统过渡过程曲线： (a)(a)发散振荡过程发散振荡过程(b)(b)非振荡发散过程非振荡发散过程(c)(c)等幅振荡过程等幅振荡过程 d)d)衰减振荡过程衰减振荡过程 (e)(e)非振荡衰减过程非振荡衰减过程 (1) (1)稳态误差（余差）稳态误差（余差）e ess ss 稳

13、态误差是指系统过渡过程终了时给定值与被控参数稳态误差是指系统过渡过程终了时给定值与被控参数 稳态值之差，它是反映控制精度的一个稳态指标。稳态值之差，它是反映控制精度的一个稳态指标。 一般要求稳态误差不超过预定值，最理想是等于零。一般要求稳态误差不超过预定值，最理想是等于零。 ryess)( 1 1阶跃响应性能指标阶跃响应性能指标 (2)(2)衰减比衰减比 衰减比是衡量系统过渡过程稳衰减比是衡量系统过渡过程稳 定性的一个动态性能指标。定性的一个动态性能指标。 可定义为可定义为: : 2 1 B B n 为了保持系统足够的稳定程度，一般取衰减比为为了保持系统足够的稳定程度，一般取衰减比为4 4：1

14、 1 1010：1 1。其中。其中4 4：1 1衰减比常作为评价过渡过程动态性能的一衰减比常作为评价过渡过程动态性能的一 个理想指标。个理想指标。 衰减率衰减率 1 21 B BB 衰减率一般取衰减率一般取0.750.750.90.9 对于定值系统来说，对于定值系统来说，最大偏差最大偏差是指被控参数第一个波是指被控参数第一个波 峰值与给定值之差。峰值与给定值之差。 对随动系统通常采用对随动系统通常采用超调量超调量指标：指标： rtyA p )( (3)(3)最大偏差（超调量）最大偏差（超调量） %100 )( )()( y yty p (4) (4)过渡过程时间（回复时间）过渡过程时间（回复时

15、间）t ts s。 过渡过程时间是指系统从受扰动作用时起，直到被过渡过程时间是指系统从受扰动作用时起，直到被 控参数进入新的稳定值士控参数进入新的稳定值士5 5( (或或2 2) )范围内所经历的范围内所经历的 时间。它是反映系统快速性能的指标，通常要求以愈短时间。它是反映系统快速性能的指标，通常要求以愈短 愈好。愈好。 例例: : 阶跃响应性能指标。阶跃响应性能指标。 某发酵过程工艺规定操作温度为某发酵过程工艺规定操作温度为404022。现设计。现设计 一定值控制系统，在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线一定值控制系统，在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线 如下图所示。试确定该系统的如下图所示。试确定该

16、系统的稳态误差稳态误差、衰减比衰减比、超超 调量调量、振荡周期振荡周期和和过渡过程时间过渡过程时间。 基本概念基本概念 被控对象的数学模型被控对象的数学模型是指过程在各输人量（包括控是指过程在各输人量（包括控 制量与拢动量）作用下，其相应输出量（被控变量）变制量与拢动量）作用下，其相应输出量（被控变量）变 化函数关系的数学表达式。化函数关系的数学表达式。 过程的数学模型有两种：过程的数学模型有两种： 一是一是参数模型参数模型用数学方程式或函数来表示。用数学方程式或函数来表示。 二是二是非参数模型非参数模型用曲线或表格来表示。用曲线或表格来表示。 机理建模是根据过程的内部机理（运动规律），运用一

17、些机理建模是根据过程的内部机理（运动规律），运用一些已知已知 的定律、原理的定律、原理，如生物学定律、化学动力学原理、物料平衡方程、，如生物学定律、化学动力学原理、物料平衡方程、 能量平衡方程、传热传质原理等，能量平衡方程、传热传质原理等，建立过程的数学模型建立过程的数学模型。 一、机理分析法建模（理论建模）一、机理分析法建模（理论建模） （一）有自衡过程的数学模型（一）有自衡过程的数学模型 第二节第二节 对象数学模型的建立对象数学模型的建立 物料平衡关系：物料平衡关系： 0 dt dV dt dh A dt dV QQ 21 (1)(1)静态平衡时静态平衡时 讨论：讨论： (2)(2)非静态

18、平衡时非静态平衡时 s R h Q 2 21 QQ 当当q q1 1发生微小的变化时发生微小的变化时: : 其中其中R Rs s为阀门为阀门2 2的阻力，也称为阀阻力系数的阻力，也称为阀阻力系数 h h不变不变 dt dh A dt dV QQ 21 s R h Q 2 将将代入代入 dt dh A R h Q s 1 得：得： h dt dh ARRQ ss 1 整理：整理： 令：令： s RK s ART h dt dh TKQ 1得：得： )()( 1 SHsTsHsKQ 上式进行拉氏变换得：上式进行拉氏变换得： 传递函数为：传递函数为： 1)( )( 1 Ts K sQ sH h dt

19、 dh TKQ 1 传递函数定义传递函数定义：零初始条件下，系统输出量的拉氏变换与输入量的：零初始条件下，系统输出量的拉氏变换与输入量的 拉氏变换之比。拉氏变换之比。 传递函数作用传递函数作用：表征系统的动态性能，而且可以用来研究系统的结构：表征系统的动态性能，而且可以用来研究系统的结构 或参数的变化对系统性能的影响。或参数的变化对系统性能的影响。 传递函数应用传递函数应用：控制理论中的频率法和根轨迹法。：控制理论中的频率法和根轨迹法。 （无相互影响） dt dh AQQ 1 1121 dt dh AQQ 2 2212 得：得： dt dh A dt dh AQQ 2 2 1 121 将：将：

20、 1 1 12 R h Q 2 2 2 R h Q 将：将： （1 1） （2 2） （3 3） 代入（代入（2 2）式）式 dt dh A R h R h 2 2 2 2 1 1 求微分：求微分： dt dh R R dt hd RA dt dh 2 2 12 2 12 1 和和 2 2 2 R h Q dt dh R R dt hd RA dt dh 2 2 12 2 12 1 整理得：整理得： 122 2 2211 2 2 2211 )(QRh dt dh RARA dt hd RARA 代入（代入（3 3）式）式 1)()( )( 21 2 211 2 sTTsTT K sQ sH 1

21、22 2 2211 2 2 2211 )(QRh dt dh RARA dt hd RARA 12 2 21 2 2 21 )(KQh dt dh TT dt hd TT （二）无自衡过程的数学模型（二）无自衡过程的数学模型 1.1.无自衡单容过程的数学模型无自衡单容过程的数学模型 dt dh AQ 1 0 2 Q AssQ sH1 )( )( 1 2.2.无自衡双容过程的数学模型无自衡双容过程的数学模型 ) 1( 1 )( )( 1 2 TssTsQ sH a 2 ATa 21R AT 二、二、非参数模型非参数模型 1 1、阶跃响应曲线法、阶跃响应曲线法 2 2、矩阵脉冲法、矩阵脉冲法 第三

22、节第三节 被控对象的特性参数被控对象的特性参数 一、放大系数一、放大系数K K 被控对象的特性参数：被控对象的特性参数：放大系数放大系数K K、时间常数、时间常数T T、滞后时间、滞后时间 被控对象的特性：被控对象的特性：当被控对象的输入变量发生变化时，其当被控对象的输入变量发生变化时，其 输出变量随时间的变化规律（包括变化的大小和速度）。输出变量随时间的变化规律（包括变化的大小和速度）。 是指被控对象重新达到平衡状态时的输出变化量与是指被控对象重新达到平衡状态时的输出变化量与 输入变化量输入变化量之比之比。它是静态参数；。它是静态参数； 1 Q h K 1 QKh或或 二、时间常数二、时间常

23、数T T h dt dh TKQ 1 解上式得：解上式得： )1 ()( T t eKAth 表示被控对象受到输入作用后，输出变量达到新表示被控对象受到输入作用后，输出变量达到新 稳态值的快慢；它是动态特性参数；稳态值的快慢；它是动态特性参数； 把把t=Tt=T代入上式得：代入上式得： hKAth632. 0632. 0)( 二、二、滞后时间滞后时间 滞后现象滞后现象：当输入发生变化后，其被控变量并不立即发：当输入发生变化后，其被控变量并不立即发 生变化，而是过一段时间才发生变化。生变化，而是过一段时间才发生变化。 根据滞后的性质不同分为：传递滞后和容量滞后根据滞后的性质不同分为：传递滞后和容

24、量滞后 1.1.传递滞后传递滞后 0 )()( )( tKxty dt tdy T 对于一阶对象对于一阶对象 2.2.容量滞后容量滞后 h 容量滞后主要特征：当输入阶跃作用后，被控对象的输出容量滞后主要特征：当输入阶跃作用后，被控对象的输出 变量开始变化很慢，然后逐渐加快，变量开始变化很慢，然后逐渐加快， 接着又变慢，直至逐渐接近稳定值。接着又变慢，直至逐渐接近稳定值。 第三章第三章 检测仪表与传感器检测仪表与传感器 一、检测仪表组成一、检测仪表组成 过程检测仪表主要用于确定被控变量的当前值。包括过程检测仪表主要用于确定被控变量的当前值。包括 传感器和变送器两部分。传感器和变送器两部分。 1

25、1传感器传感器 传感器是检测仪表中的重要部件，它直接与被控对象传感器是检测仪表中的重要部件，它直接与被控对象 发生关联，感受被控参数的变化，并传送出与之相适应的发生关联，感受被控参数的变化，并传送出与之相适应的 电量或非电量信号。电量或非电量信号。 工程上通常也把这个过程称为工程上通常也把这个过程称为一次测量一次测量，所用仪表称，所用仪表称 为为一次仪表一次仪表。 第一节第一节 概述概述 2 2变送器变送器 将传感器送来的检测信号进行将传感器送来的检测信号进行转换、放大、整形、滤波转换、放大、整形、滤波 等处理后，调制成相应的等处理后，调制成相应的标准信号标准信号，并输出给，并输出给控制器采样

26、控制器采样或或 进行进行模拟、数字显示模拟、数字显示，这部分电路称之为，这部分电路称之为变送电路变送电路。 标准信号是物理量的形式和数值范围都符合国际标准的标准信号是物理量的形式和数值范围都符合国际标准的 信号，如直流电流信号，如直流电流4 420mA20mA，空气压力，空气压力2020100kPa100kPa都是当前都是当前 通用的标准信号。其中直流电流通用的标准信号。其中直流电流4 420mA20mA可用于远距离可用于远距离3 3 5km5km的传输。如果仅用于电气控制柜内短距离传输，也可的传输。如果仅用于电气控制柜内短距离传输，也可 采用直流采用直流1 15V5V(DC)(DC)形式。形

27、式。 工程上习惯将传感器后面的计量显示仪表称为工程上习惯将传感器后面的计量显示仪表称为二次仪表二次仪表， 有时也将传感器和变送电路统称为有时也将传感器和变送电路统称为变送器变送器。 二、测量误差及处理二、测量误差及处理 测量的最终目的是为了求得被测变量的真实值。测测量的最终目的是为了求得被测变量的真实值。测 量值与真实值之间总是存在着一定的差别，这个差别就量值与真实值之间总是存在着一定的差别，这个差别就 是是测量误差测量误差。 一、测量误差的基本概念一、测量误差的基本概念 1 1真值真值 被测变量本身所具有的真实值，称为被测变量本身所具有的真实值，称为真值真值，它是一，它是一 个理想的概念，一

28、般是无法得到的。所以在计算误差时，个理想的概念，一般是无法得到的。所以在计算误差时， 一般用约定真值来代替。一般用约定真值来代替。 约定真值约定真值是一个接近真值的值，它与真值之差可忽是一个接近真值的值，它与真值之差可忽 略不计。实际测量中以在没有系统误差的情况下，足够略不计。实际测量中以在没有系统误差的情况下，足够 多次的测量值的平均值作为约定真值。多次的测量值的平均值作为约定真值。 绝对误差绝对误差是指仪表输出信号所代表的被测值与被测是指仪表输出信号所代表的被测值与被测 参数真值之差。显然，绝对误差只能是被测值与约定真参数真值之差。显然，绝对误差只能是被测值与约定真 值之差。值之差。 =M

29、-A=M-A 式中式中为绝对误差为绝对误差；M M为被测值为被测值；A A为约定真值为约定真值。 仪表绝对误差的求法是用精确度高的标准仪表和实仪表绝对误差的求法是用精确度高的标准仪表和实 用测量仪表，在相同的条件下，对同一参数进行测量，用测量仪表，在相同的条件下，对同一参数进行测量， 然后进行数据比较，这项工作就叫做仪表的校验。工业然后进行数据比较，这项工作就叫做仪表的校验。工业 用仪表要定期进行校验，校验合格后才能投入使用。用仪表要定期进行校验，校验合格后才能投入使用。 绝对误差与约定真值的百分比，定义为仪表的绝对误差与约定真值的百分比，定义为仪表的相对相对 误差误差，即，即 %100 A

30、2. 2. 绝对误差和相对误差绝对误差和相对误差 3. 3. 引用误差引用误差 绝对误差与仪表量程的百分比，称为仪表的引用误差，绝对误差与仪表量程的百分比，称为仪表的引用误差， 即即 式中以为仪表引用误差；式中以为仪表引用误差；为仪表的绝对误差；为仪表的绝对误差；X X为仪为仪 表的量程，即仪表测量范围的上限值与下限值之差。表的量程，即仪表测量范围的上限值与下限值之差。 例例 2 21 1误差的计算。误差的计算。 某压力表刻度某压力表刻度O O100kPa100kPa，在，在50kPa50kPa处计量检定值为处计量检定值为 49495kPa5kPa，求在，求在50kPa50kPa处仪表的绝对误

31、差、相对误差和引用处仪表的绝对误差、相对误差和引用 误差。误差。 %100 X %5 . 0%100 100 5 . 0 解：仪表的绝对误差解：仪表的绝对误差=50-49.5=0.5kPa=50-49.5=0.5kPa 仪表的相对误差仪表的相对误差 仪表的引用误差仪表的引用误差 %1%100 5 .49 5 .0 4 4精度等级精度等级 仪表的精度等级是衡量仪表准确程度的一个品质指标。仪表的精度等级是衡量仪表准确程度的一个品质指标。 常用引用误差作为判断精度等级的尺度。常用引用误差作为判断精度等级的尺度。 精度等级又称精度等级又称准确度级准确度级，是按国家统一规定的允许误，是按国家统一规定的允

32、许误 差大小划分成的等级。我国生产的仪表，其精度等级有：差大小划分成的等级。我国生产的仪表，其精度等级有： O.001O.001、O.005O.005、O.02O.02、O.05O.05、O.1O.1、O.2O.2、O.4O.4、O.5O.5、1.O1.O、 1.51.5、2.52.5、4.O4.O等。级数越小，精度等。级数越小，精度( (准确度准确度) )就越高。就越高。 通常，科学实验用的仪表精度等级在通常，科学实验用的仪表精度等级在O.05O.05级级以上；工以上；工 业检测用仪表多在业检测用仪表多在O.1O.14.04.0级级，其中校验用的标准仪表多，其中校验用的标准仪表多 为为0.1

33、0.1或或O.2O.2级级，现场使用多为，现场使用多为O.5O.54.O4.O级级。 三、工业仪表的分类三、工业仪表的分类 1 1、按仪表使用的能源分类、按仪表使用的能源分类 气动仪表、电动仪表、液动仪表，气动仪表、电动仪表、液动仪表， 2 2、按信息获得、传递、反应和处理分类、按信息获得、传递、反应和处理分类 检测仪表检测仪表 显示仪表显示仪表 集中控制装置集中控制装置 控制仪表控制仪表 执行器执行器 3 3、按仪表的组成形式分类、按仪表的组成形式分类 基地式仪表、单元组合仪表基地式仪表、单元组合仪表 四、测量信号的处理四、测量信号的处理 这包括对测量信号进行这包括对测量信号进行线性化处理和

34、滤波处理线性化处理和滤波处理等。等。 例如，对例如，对差压流量信号差压流量信号进行开平方处理，对进行开平方处理，对热电偶信号热电偶信号 进行折线化处理进行折线化处理等实现测量信号的线性化。等实现测量信号的线性化。 而关于测量信号的滤波，可以采用而关于测量信号的滤波，可以采用模拟电路模拟电路，如由运算，如由运算 放大器构成的放大器构成的低通、高通、带通或带阻滤波电路低通、高通、带通或带阻滤波电路，也可以采，也可以采 用计算机构成的用计算机构成的软件滤波算法来消除噪声软件滤波算法来消除噪声( (干扰干扰) )。 数字滤波数字滤波是一种程序滤波，即利用计算机自身能够进行是一种程序滤波，即利用计算机自

35、身能够进行 运算与判断的特点，通过计算机软件滤去干扰信号，以提高运算与判断的特点，通过计算机软件滤去干扰信号，以提高 信号的真实性。采用数字滤波可以消除低频干扰。信号的真实性。采用数字滤波可以消除低频干扰。 一般常用的数字滤波方法有一般常用的数字滤波方法有4 4种：种：算术平均值滤波算术平均值滤波、程程 序判断滤波序判断滤波、中位值法滤波中位值法滤波。 (1)(1)算术平均值滤波算术平均值滤波 算术平均值滤波又称为递推平均滤波，它对算术平均值滤波又称为递推平均滤波，它对周期性周期性等等 幅振荡的干扰有较明显的滤波效果。其公式为幅振荡的干扰有较明显的滤波效果。其公式为 式中式中 为为n n次采样

36、的平均值，即滤波器的输出；次采样的平均值，即滤波器的输出；X Xi i为第为第 i i次的采样值，即滤波器的输入；次的采样值，即滤波器的输入；n n为采样次数。为采样次数。 (2)(2)程序判断滤波程序判断滤波 当当 时，则时，则X Xi i为输入计算机的采样值；当为输入计算机的采样值；当 时，则将时，则将X Xi-1 i-1采样值作为第 采样值作为第i i次采样值输入计算机。次采样值输入计算机。 式中式中X Xi-1 i-1为上次采样值； 为上次采样值；X Xi i为本次采样值；为本次采样值；B B为阈值，为阈值， B B值的选择主要决定于对象被测参数的变化速度。值的选择主要决定于对象被测参

37、数的变化速度。 程序判断滤波可以有效滤除现场的随机干扰程序判断滤波可以有效滤除现场的随机干扰。 BXX ii 1 n i i x n Y 1 1 BXX ii 1 Y (3) (3)中值法滤波中值法滤波 连续采样三次以上的值，从中选择大小居中的那个值连续采样三次以上的值，从中选择大小居中的那个值 作为有效的测量信号，对某些变化速度不是太快的参数，作为有效的测量信号，对某些变化速度不是太快的参数， 为了去掉干扰脉冲，经常采用这种滤波方法。为了去掉干扰脉冲，经常采用这种滤波方法。 第二节第二节 温度检测温度检测 一、热电偶一、热电偶 热电偶：热电偶：利用两种不同的金属连接在一起，当节点处温度变利用

38、两种不同的金属连接在一起，当节点处温度变 化时，应用其两端产生电势变化的原理而制成的传感器。化时，应用其两端产生电势变化的原理而制成的传感器。 热电极热电极 测量端测量端 参考端参考端 二、热电偶测温的工作原理二、热电偶测温的工作原理 1 1、热电效应：、热电效应：将两种不同的金属组成闭合回路，且使两接将两种不同的金属组成闭合回路，且使两接 触点温度不同，回路中会产生电流，表明回路中有电势产生，触点温度不同，回路中会产生电流，表明回路中有电势产生， 这种物理现象称为这种物理现象称为热电效应热电效应或塞贝克效应。或塞贝克效应。 回路中的总电势包括：回路中的总电势包括： 接触电势接触电势珀尔贴珀尔

39、贴(Peltier)(Peltier)电势电势 温差电势温差电势汤姆逊汤姆逊(Thomson)(Thomson)电势电势 珀尔贴电势珀尔贴电势接触电势接触电势 自由电子自由电子密度不同密度不同的两种金属接触，在接触点处由于的两种金属接触，在接触点处由于 电子的电子的扩散扩散现象形成现象形成接触（珀尔贴接触（珀尔贴Peltier Peltier ）电势）电势，此现，此现 象称为象称为珀尔贴效应珀尔贴效应。 接触电势为：接触电势为： BT AT AB n n e kT TEln)( 0 0 ln)( 0 0 BT AT AB n n e kT TE 总接触电势：总接触电势： 0 0 lnln)()

40、( 0 0 BT AT BT AT ABAB n n e kT n n e kT TETE )(TEAB )( 0 TEAB 其中其中e e为电子的电量为电子的电量,K,K为波尔兹曼常数为波尔兹曼常数,n,nAT AT、 、 n nBT BT为 为T T端端A A、B B金属的自由电子的密度。金属的自由电子的密度。 汤姆逊电势汤姆逊电势温差电势温差电势 均质导体两端均质导体两端温度不相等温度不相等时，由于导体内自由电子从高时，由于导体内自由电子从高 温端向低温端的温端向低温端的扩散扩散，在其两端形成的电势称为，在其两端形成的电势称为温差（汤姆温差（汤姆 逊逊ThomsonThomson）电势）

41、电势，此现象称为，此现象称为汤姆逊效应汤姆逊效应。 T T AA dTTTE 0 ),( 0 导体导体A A中的中的汤姆逊电势汤姆逊电势： 式中，式中， A A为导体为导体A A中的中的汤姆逊系数汤姆逊系数。 ),( 0 TTEA )(TEAB ),( 0 TTEA),( 0 TTEB )( 0 TEAB T T AA dTTTE 0 ),( 0 T T BB dTTTE 0 ),( 0 导体导体A A、B B中的中的汤姆逊电势汤姆逊电势： 总电势：总电势： 接触电势接触电势( (珀尔贴电势珀尔贴电势) )： BT AT AB n n e kT TEln)( 0 0 ln)( 0 0 BT A

42、T AB n n e kT TE dT n n e kT n n e kT TTETETTETETTE T T AB BT AT BT AT AABBABAB 0 0 0 )(lnln ),()(),()()( 0 0000 ， )()( )(ln)(ln )()(lnln )()(lnln )(lnln )()()()( 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 TETE dT n n e kT dT n n e kT dTdT n n e kT n n e kT dTdT n n e kT n n e kT dT n n e kT

43、n n e kT dTTETETTE ABAB T AB BT AT T AB BT AT T AB T AB BT AT BT AT T AB T AB BT AT BT AT T T AB BT AT BT AT T T ABABABAB ， 当当TT0TT0时，总的热电势为：时，总的热电势为： 称为冷端电势 称为热端电势 )( )( 0 TE TE AB AB 1.1.均质导体定律均质导体定律 两种均质金属组成的热电偶，其热电势大小与热电极两种均质金属组成的热电偶，其热电势大小与热电极直直 径径、长度长度及热电极及热电极长度上的温度长度上的温度分布无关，只与热电极材料分布无关，只与热电极

44、材料 和两端温度有关。和两端温度有关。 如果材质不均匀，则当热电极上各处温度不同时，将产如果材质不均匀，则当热电极上各处温度不同时，将产 生附加热电势，造成无法估计的测量误差，生附加热电势，造成无法估计的测量误差， 三、三、 热电偶的基本定律热电偶的基本定律 2 2中间温度定律中间温度定律 热电偶的接点温度为热电偶的接点温度为T T、T T0 0时，时， 其热电势等于该热电偶在接点温度其热电势等于该热电偶在接点温度 为为T T、T Tn n。和。和T Tn n、T T0 0时相应的热电势时相应的热电势 的代数和的代数和, ,即即 这个定律可用于热电偶的串联，这个定律可用于热电偶的串联， 测量总

45、温或平均温度。测量总温或平均温度。 ),(),(),( 00 TTETTETTE nABnABAB 3 3中间导体定律中间导体定律 在热电偶的参考端接人第三在热电偶的参考端接人第三 种均质金属种均质金属, ,若被插入金属两端若被插入金属两端 温度相同，则回路总热电势为三温度相同，则回路总热电势为三 个接触电势与温差电势的代数和，个接触电势与温差电势的代数和， 表示为表示为 由此可见引入第三个导体由此可见引入第三个导体C C后，只要保持后，只要保持C C两端温度相等，两端温度相等， 不会影响回路中热电势的大小，即中间导体定律。不会影响回路中热电势的大小，即中间导体定律。 同样可知若再插入第四种、

46、第五种同样可知若再插入第四种、第五种均质导体，只要均质导体，只要 所插入的导体两端温度都与参考点相同，都不会影响原来热所插入的导体两端温度都与参考点相同，都不会影响原来热 电势的大小。电势的大小。 因此我们可以用铜线将毫伏表接入热电偶回路。使铜线因此我们可以用铜线将毫伏表接入热电偶回路。使铜线 两接点温度一致，就可对热电势进行测量。两接点温度一致，就可对热电势进行测量。 4. 4. 标准（参考）电极定律标准（参考）电极定律 如果两种导体（如果两种导体（A A，B B）分别与第三种）分别与第三种C C组合成热电组合成热电 偶的热电势已知，则由这两种导体（偶的热电势已知，则由这两种导体（A A，B

47、 B）组成热电偶）组成热电偶 的热电势也就已知。即的热电势也就已知。即 )()()( 000 TTETTETTE BCACAB ， 上式说明上式说明: : 两种金属组成热电偶的热电势可以用它们分别与第两种金属组成热电偶的热电势可以用它们分别与第 三种金属组成热电偶的热电势之差来表示，这一定律即三种金属组成热电偶的热电势之差来表示，这一定律即 为为标准电极定律标准电极定律。 工程上常以铂、铜等作为标准电极，若已知多种金工程上常以铂、铜等作为标准电极，若已知多种金 属对标准电极的热电势，即可求出各种金属间任意组成属对标准电极的热电势，即可求出各种金属间任意组成 热电偶的热电势。热电偶的热电势。 当

48、两热电极固定以后（即当两热电极固定以后（即n nA A、n nB B、 A A、 B B为常数）。为常数）。 热电偶热电偶测温原理测温原理 )(ln)(ln )()()()( 0 0 0 0 0 0 0 00 dT n n e kT dT n n e kT dTTETETTE T AB BT AT T AB BT AT T T ABABABAB ， 当当T T0 0保持不变时保持不变时 CTETETETTE ABABABAB )()()()( 00 ， 四、热电偶的种类和结构四、热电偶的种类和结构 1 1热电极材料的基本要求热电极材料的基本要求 热电极是感温元件，热电极是感温元件，基本要求：基

49、本要求： 热电势足够大，测温范围宽、线性好；热电势足够大，测温范围宽、线性好； 热电特性稳定；热电特性稳定； 性能稳定，不易氧化、变形和腐蚀；性能稳定，不易氧化、变形和腐蚀； 电阻温度系数电阻温度系数 、电阻率、电阻率小；小； 易加工、复制性好；易加工、复制性好； 价廉价廉 2 2 热电偶的分类热电偶的分类 热电偶的分类及其性能，见下表。热电偶的分类及其性能，见下表。 3. 3. 热电偶的绝缘方法热电偶的绝缘方法 热电偶电极的绝缘方法热电偶电极的绝缘方法 （a a）裸线热电偶；（）裸线热电偶；（b b）珠形绝缘热电偶；）珠形绝缘热电偶； （c c）双孔绝缘子热电偶；（）双孔绝缘子热电偶；（d

50、d）石棉绝缘管热电偶）石棉绝缘管热电偶 普通型热电偶普通型热电偶 普通型热电偶结构见图普通型热电偶结构见图 引线口 不锈钢套管 接线盒 焊点 瓷绝缘套管 安装固定件 普通型热电偶结构普通型热电偶结构 . .热电偶结构热电偶结构 5.热电偶分度表热电偶分度表 五、热电偶的冷端补偿及处理五、热电偶的冷端补偿及处理 热偶标准分度表是以热偶标准分度表是以T T0 000为参考温度条件下测试制为参考温度条件下测试制 定的，若定的，若T T0 000，则应进行，则应进行冷端补偿冷端补偿，其补偿方法：，其补偿方法： 1. 1. 补偿导线补偿导线 利用补偿导线代替热电极，引到温度较稳定的利用补偿导线代替热电极

51、，引到温度较稳定的T T0 0端测端测 试。要求：在一定的温度范围内，补偿导线与配对的热电试。要求：在一定的温度范围内，补偿导线与配对的热电 偶具有相同或相近的偶具有相同或相近的热电特性热电特性。 2.2.冰浴法冰浴法 将热电偶冷端置于冰水混合物的将热电偶冷端置于冰水混合物的00恒温器内，使其工恒温器内，使其工 作与分度状态达到一致。作与分度状态达到一致。 下图是延长导线法和下图是延长导线法和冰浴法冰浴法的一个实例。的一个实例。 图图5-95-9冷端处理的延长导线法和冰浴法冷端处理的延长导线法和冰浴法 3.3.冷端温度校正法冷端温度校正法 )0()()0( 00 ，tEtTETE ABABAB

52、 例如：铂铑例如：铂铑铂热电偶测温，参考冷端温度为室铂热电偶测温，参考冷端温度为室2121，测得，测得 mVTEAB465. 0)21(， 查表查表 mVEAB119. 0)021(，则则mVTEAB584. 0119. 0465. 0)0(， 由此查分度表由此查分度表 T T9292 若直接用若直接用0.465mV0.465mV查表，则查表，则T T7575。 CTETETETTE ABABABAB )()()()( 00 ， 4.4.补偿电桥法补偿电桥法 原理：原理：电桥输出电压电桥输出电压U(TU(T0 0 ,0 )= E ,0 )= EAB AB(T (T0 0 ,0) ,0)，自动补

53、偿。，自动补偿。 补偿电路：补偿电路：如图如图5-105-10所示。图中所示。图中R R1 1、R R2 2、R R3 3、R RW W为锰铜电阻，阻值为锰铜电阻，阻值 几乎不随温度变化，几乎不随温度变化，R RCu Cu为铜电阻，电阻值随温度升高而增大。为铜电阻，电阻值随温度升高而增大。T T0 0=0=0 时，时，R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=RCuCu，电桥输出，电桥输出U Uab ab=0 =0，对热电偶电势无影响。，对热电偶电势无影响。T T0 000 时，时，U Uab ab0 0，U Uab ab =E =EAB AB(T (T0 0 ,0) ,0)，热电偶的热电

54、势得到自动补偿。，热电偶的热电势得到自动补偿。 图图5-10 5-10 冷端温度补偿线路图冷端温度补偿线路图 六、热电偶误差分析六、热电偶误差分析 1 1测量基本误差：测量基本误差： （1 1）分度误差：工业用热电偶与标准热电偶分度之间误差；）分度误差：工业用热电偶与标准热电偶分度之间误差； （2 2）仪表误差：测量仪表引入测量误差；）仪表误差：测量仪表引入测量误差； （3 3）冷端处理误差；）冷端处理误差； （4 4）接线误差：接线电阻影响，应选高内阻测量仪表；）接线误差：接线电阻影响，应选高内阻测量仪表； （5 5）漏电误差，必须保证良好绝缘。）漏电误差，必须保证良好绝缘。 2 2传热误差

55、传热误差 热电偶测温存在热交换平衡问题，存在热电偶测量端温热电偶测温存在热交换平衡问题，存在热电偶测量端温 度低于被测介质温度现象，称为传热误差，应尽量减少热电度低于被测介质温度现象，称为传热误差，应尽量减少热电 偶的热量损失。偶的热量损失。 二、热电阻传感器二、热电阻传感器 定义：利用电阻随温度变化的特性制成的传感器。定义：利用电阻随温度变化的特性制成的传感器。 主要检测参数：温度、与温度有关的参量。主要检测参数：温度、与温度有关的参量。 分类：分类：1 1）金属热电阻（热电阻）金属热电阻（热电阻） 2 2）半导体热电阻（热敏电阻）半导体热电阻（热敏电阻） 金属热电阻（热电阻）金属热电阻（热电阻） 材料：要求有较大的、稳定的温度系数，电阻材料：要求有较大的、稳定的温度系数，电阻 率率大，线性好，性能稳定，便于生产大，线性好，性能稳定，便于生产 （铜、铂、镍）。（铜、铂、镍）。 特点：测温精度较高，范围广（特点：测温精度较高，范围广（-200-200600600），）， 稳定性、重复性好。但热惯性大，灵敏稳定性、重复性好。但热惯性大，灵敏 度低。度低。 结构：热电阻是由结构：热电阻是由电阻体电阻体、绝缘套管绝缘套管和和接线盒接线盒等等 主要部件组成的，电阻丝是热电阻的最主主要部件组成的，电阻丝是热电阻的最主 要部分。要部分。 阻值与温度的函数关系为阻值