北邮过程控制第3节.

1、Beijing University of Posts and Telecommunications12:251 第第2 2章章 过程参数检测与变送过程参数检测与变送Beijing University of Posts and Telecommunications12:252上一次课温度检测压力检测热电阻热电偶金属半导体第三导体定律等值替换测温原理Beijing University of Posts and Telecommunications12:2532.4 流量的检测与变送流量的检测与变送2.4.1 流量的概念与检测方法流量的概念与检测方法1. 流量的基本概念：瞬时流量（单位时间内流

2、过工艺管道某截面的流体数量） 累积流量（某段时间内流过工艺管道某截面的流体总量） 体积、重量与质量流量。体积 流量 ：tvvAvdtqQAvvdAq0重量流量：vgqqvgQQ(N/h)(N)质量流量：vmqqvmQQ三种流量之关系mvvggqgqqq（瞬时）（累积）（瞬时）（累积）（瞬时）（累积）(2)（1）(3)Beijing University of Posts and Telecommunications12:2542. 流量的检测方法流量的检测方法 （1）体积流量检测方法）体积流量检测方法 容积法：单位时间内排出流体的固定体积数容积法：单位时间内排出流体的固定体积数 速度法：管道内

3、的平均流速乘以管道面积速度法：管道内的平均流速乘以管道面积（2）质量流量检测法）质量流量检测法 间接法：体积流量乘以密度间接法：体积流量乘以密度 直接法：仪表直接测得直接法：仪表直接测得tvvAvdtqQAvvdAq0vmqqvmQQBeijing University of Posts and Telecommunications12:2552.4.2 2.4.2 典型流量检测仪表典型流量检测仪表1. 容积式流量计：标准容积式流量计：标准“计量空间计量空间”、进出口压差、进出口压差椭圆齿轮流量计椭圆齿轮流量计nVqv4精度高，高粘度精度高，高粘度Beijing University of P

4、osts and Telecommunications12:2562. 速度式流量计速度式流量计（1）节流式（差压式）流量计：）节流式（差压式）流量计：伯努利方程：伯努利方程：22222211vpvp流体连续性方程：流体连续性方程：2211vAvABeijing University of Posts and Telecommunications12:257pKqpKqqmmqvv分别为流量系数和膨胀系数。2200AKAKqmqv、Beijing University of Posts and Telecommunications12:258（2）涡街流量计）涡街流量计Beijing Univ

5、ersity of Posts and Telecommunications12:2593.直接式质量流量计（科氏流量计）直接式质量流量计（科氏流量计）a) 水静止、管摆动；水静止、管摆动；b) 、c) 水流动、管摆动水流动、管摆动出水侧的摆动先于入水侧；出水侧摆动的相位超前入水侧；出水侧的摆动先于入水侧；出水侧摆动的相位超前入水侧；相位差相位差质量流量质量流量Beijing University of Posts and Telecommunications12:2510双弯管型：水按箭头流入、流出；双弯管型：水按箭头流入、流出；A、B、C三处各按一组压三处各按一组压电换能器：电换能器：A处

6、加交变电压，处加交变电压，B、C检测振动幅度检测振动幅度相位差相位差420mA 质量流量质量流量Beijing University of Posts and Telecommunications12:25112.5 2.5 物位的检测与变送物位的检测与变送典型物位检测仪表典型物位检测仪表 1. 差压式液位计：取压口与底部同一水平线差压式液位计：取压口与底部同一水平线ghppp21Beijing University of Posts and Telecommunications12:2512121ghghppp取压口低于容器底部取压口低于容器底部01gh正迁移正迁移Beijing Unive

7、rsity of Posts and Telecommunications12:25132. 电容式液位计电容式液位计原理：介电常数不同原理：介电常数不同电容变化电容变化物位物位)ln(2)()ln(200120dDHCHdDCCLxLxxHdDCCC)()ln(2120Beijing University of Posts and Telecommunications12:25143. 超声波液位计超声波液位计Beijing University of Posts and Telecommunications12:2515 第第3 3章章 过程控制仪表过程控制仪表调节器调节器 、电、电/气转

8、换器、执行器、安全栅气转换器、执行器、安全栅Beijing University of Posts and Telecommunications12:2516 1 1 调节器的功能调节器的功能（1）偏差显示）偏差显示 调节器的输入电路接收测量信号和给定信号，两者相减调节器的输入电路接收测量信号和给定信号，两者相减后的偏差信号由偏差显示仪表显示其大小和正负。后的偏差信号由偏差显示仪表显示其大小和正负。（2）输出显示）输出显示 调节器输出信号的大小由输出显示仪表显示，习惯上显调节器输出信号的大小由输出显示仪表显示，习惯上显示仪表也称阀位表。阀位表不仅显示调节阀的开度，而且通示仪表也称阀位表。阀位表

9、不仅显示调节阀的开度，而且通过它还可以观察到控制系统受干扰影响后的调节过程。过它还可以观察到控制系统受干扰影响后的调节过程。Beijing University of Posts and Telecommunications12:2517（3）内、外给定的选择）内、外给定的选择 当调节器用于定值控制时，给定信号常由调节器内部提当调节器用于定值控制时，给定信号常由调节器内部提供，称为内给定；而在随动控制系统中，调节器的给定信号供，称为内给定；而在随动控制系统中，调节器的给定信号往往来自调节器的外部，则称为外给定。内、外给定信号由往往来自调节器的外部，则称为外给定。内、外给定信号由内、外给定开关进

10、行选择或由软件实现。内、外给定开关进行选择或由软件实现。（4）正、反作用的选择 工程上，通常将调节器的输出随反馈输入的增大而增大工程上，通常将调节器的输出随反馈输入的增大而增大时，称为正作用调节器；而将调节器的输出随反馈输入的增时，称为正作用调节器；而将调节器的输出随反馈输入的增大而减小时，称为反作用调节器。大而减小时，称为反作用调节器。Beijing University of Posts and Telecommunications12:2518（5）手动切换操作）手动切换操作 在控制系统投入运行时，往往先进行手动操作改变调在控制系统投入运行时，往往先进行手动操作改变调节器的输出，待系统基

11、本稳定后再切换到自动运行状态；节器的输出，待系统基本稳定后再切换到自动运行状态；当自动控制时的工况不正常或调节器失灵时，必须切换到当自动控制时的工况不正常或调节器失灵时，必须切换到手动状态以防止系统失控。手动状态以防止系统失控。（6）其它功能）其它功能 如抗积分饱和、输出限幅、输入越限报警、偏差报警、如抗积分饱和、输出限幅、输入越限报警、偏差报警、软手动抗漂移、停电对策等，所有这些附加功能都是为了软手动抗漂移、停电对策等，所有这些附加功能都是为了进一步提高调节器的控制性能进一步提高调节器的控制性能 Beijing University of Posts and Telecommunicatio

12、ns12:25192 2 执行器执行器 执行器在过程控制中的作用是接受来自调节器的控制信号，执行器在过程控制中的作用是接受来自调节器的控制信号，改变其阀门开度，从而达到控制介质流量的目的。执行器直接改变其阀门开度，从而达到控制介质流量的目的。执行器直接与控制介质接触，是过程控制系统的最薄弱环节。与控制介质接触，是过程控制系统的最薄弱环节。 若执行器是采用电动式的，则无需电若执行器是采用电动式的，则无需电/ /气转换器；若执行器气转换器；若执行器是采用气动式的，则电是采用气动式的，则电/ /气转换器是必不可少的。气转换器是必不可少的。 3 3 安全栅安全栅 安全栅是构成安全火花防爆系统的关键仪表

13、，其作用一方安全栅是构成安全火花防爆系统的关键仪表，其作用一方面保证信号的正常传输；另一方面则控制流入危险场所的能量面保证信号的正常传输；另一方面则控制流入危险场所的能量在爆炸性气体或爆炸性混合物的点火能量以下，以确保过程控在爆炸性气体或爆炸性混合物的点火能量以下，以确保过程控制系统的安全火花性能。制系统的安全火花性能。 Beijing University of Posts and Telecommunications12:25201-双针垂直指示器双针垂直指示器2-外给定指示灯外给定指示灯3-内给定设定轮内给定设定轮4-自动自动软手动软手动硬手动硬手动 切换开关切换开关5-硬手动操作杆硬手

14、动操作杆6-输出指示器输出指示器7-软手动操作板键软手动操作板键DDZ-DDZ-型仪表型仪表Beijing University of Posts and Telecommunications12:2521DDZ-型仪表的特点型仪表的特点测量信号：测量信号：15V.DC； 外给定信号：外给定信号：420mA.DC；内给定信号：内给定信号：15V.DC； 测量与给定信号的指示精度：测量与给定信号的指示精度：1；输入阻抗影响：输入阻抗影响：满刻度的满刻度的0.1； 输出保持特性：输出保持特性：0.1（每小时）；（每小时）；输出信号：输出信号：420mA.DC； 调节精度：调节精度：0.5；负载电阻

15、：负载电阻：250750。Beijing University of Posts and Telecommunications12:2522调节器的线路实例调节器的线路实例Beijing University of Posts and Telecommunications12:2523Beijing University of Posts and Telecommunications12:2524数字式控制器的硬件电路 Beijing University of Posts and Telecommunications12:25253.2 3.2 执行器执行器3.2.1 执行器的构成原理执行器

16、的构成原理组成：执行机构组成：执行机构 调节阀调节阀执行器接受调节器输出的控制信号，并转换成直线位移或执行器接受调节器输出的控制信号，并转换成直线位移或角位移来改变调节阀的流通面积，以控制流入或流出被控过程角位移来改变调节阀的流通面积，以控制流入或流出被控过程的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。 气动、电动、液动气动、电动、液动Beijing University of Posts and Telecommunications12:25261. 气动执行机构气动执行机构 1-1-上盖上盖 2 2膜片膜片 3 3一平衡弹簧一平衡弹簧 4 4一阀

17、杆一阀杆 5 5阀体阀体 6 6阀座阀座 7 7阀芯阀芯 Beijing University of Posts and Telecommunications12:2527气动执行机构有正作用和反作用两种形式气动执行机构有正作用和反作用两种形式: :当输入气压信号增加时阀杆向下移动时称当输入气压信号增加时阀杆向下移动时称正作用正作用；当输入气压信号增加时阀杆向上移动时称当输入气压信号增加时阀杆向上移动时称反作用反作用。在工业生产中口径较大的调节阀通常采用正作用方式。在工业生产中口径较大的调节阀通常采用正作用方式。 Beijing University of Posts and Telecomm

18、unications12:2528lKAp气动薄膜执行机构的静态特性气动薄膜执行机构的静态特性A为膜片的有效面积；K为平衡弹簧的弹性系数 气动执行机构的动态特性可近似成一阶惯性环节，其惯气动执行机构的动态特性可近似成一阶惯性环节，其惯性的大小取决于膜头空间的大小与气管线的长度和直径。性的大小取决于膜头空间的大小与气管线的长度和直径。 Beijing University of Posts and Telecommunications12:25292. 电动执行机构电动执行机构 电动执行机构的组成框图电动执行机构的组成框图 Beijing University of Posts and Tele

19、communications12:2530（1） 直通单座阀直通单座阀流体对阀芯的不平流体对阀芯的不平衡作用力大。一般用在小衡作用力大。一般用在小口径、低压差的场合。口径、低压差的场合。q结构简单、泄漏量小。结构简单、泄漏量小。3调节机构调节机构 调节机构就是阀门，是一个局部阻力可以改变调节机构就是阀门，是一个局部阻力可以改变的节流元件。根据不同的使用要求，阀门的结构型的节流元件。根据不同的使用要求，阀门的结构型式很多。式很多。 Beijing University of Posts and Telecommunications12:2531（2 2） 直通双座阀直通双座阀 阀体内有两个阀芯和

20、阀座。阀体内有两个阀芯和阀座。q流体流过时，作用在上、下两个阀芯上的推力方向相流体流过时，作用在上、下两个阀芯上的推力方向相反且大小相近，可以互相抵消，所以不平衡力小。反且大小相近，可以互相抵消，所以不平衡力小。q但是，由于加工的限但是，由于加工的限制，上下两个阀芯阀座不易制，上下两个阀芯阀座不易保证同时密闭，因此泄漏量保证同时密闭，因此泄漏量较大。较大。Beijing University of Posts and Telecommunications12:25323.2.2 气动执行器的应用气动执行器的应用1. 调节阀的尺寸调节阀的尺寸 通常用公称直径通常用公称直径Dg和阀座直径和阀座直径

21、dg表示，它们的确定是合表示，它们的确定是合理应用执行器的前提条件。确定调节阀尺寸的主要依据是理应用执行器的前提条件。确定调节阀尺寸的主要依据是流通能力流通能力C。当流体为不可压缩时，通过调节阀的体积流量为当流体为不可压缩时，通过调节阀的体积流量为: 0122()VgqApprBeijing University of Posts and Telecommunications12:2533依据流通能力的定义，则有依据流通能力的定义，则有 gAC20流通能力C与调节阀的结构参数有确定的对应关系。这就是确定调节阀尺寸的理论依据。 可得流通能力与流体重度、阀前后压差和介质流量三者的定量关系，即 (3

22、35)VrCqpBeijing University of Posts and Telecommunications12:2534调节阀尺寸的确定过程为： maxCmaxC求得最大的流通能力然后选取大于查表确定出Dg和dg的大小。 的最低级别的C值，Beijing University of Posts and Telecommunications12:2535执行器的“气开、气关”有四种构成方式 序号序号执行机构执行机构作用方式作用方式阀体作用阀体作用方式方式执行器气开、执行器气开、气关形式气关形式a正正正正气关气关b正正反反气开气开c反反正正气开气开d反反反反气关气关Beijing Uni

23、versity of Posts and Telecommunications12:25363 调节阀的调节阀的流量特性流量特性调节阀的阀芯位移与流量之间的关系，对控制调节阀的阀芯位移与流量之间的关系，对控制系统的调节品质有很大影响。系统的调节品质有很大影响。流量流量特性的定义：特性的定义：被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（相对位移）间的关系称为调节阀的流量特性。度（相对位移）间的关系称为调节阀的流量特性。max( )qlfqLq/qmax 相对流量相对流量 l/L 相对开度相对开度Beijing University of Posts and

24、 Telecommunications12:2537 相对流量相对流量q/qmax 是控制阀某一是控制阀某一开度流量开度流量q与全开时流量与全开时流量qmax之比；之比； 相对开度相对开度l/L 是控制阀某一开是控制阀某一开度行程度行程l与全开行程与全开行程L之比。之比。 调节阀的流量特性不仅与阀调节阀的流量特性不仅与阀门的结构和开度有关，还与阀前门的结构和开度有关，还与阀前后的压差有关，必须分开讨论。后的压差有关，必须分开讨论。max( )qlfqLBeijing University of Posts and Telecommunications12:2538为了便于分析，先将阀前后压差固

25、定，然后为了便于分析，先将阀前后压差固定，然后再引伸到实际工作情况，于是有再引伸到实际工作情况，于是有固有流量特性固有流量特性与与工作流量特性工作流量特性之分。之分。1、固有（固有（理想）理想）流量特性流量特性在将控制阀前后压差固定时得到的流量特性在将控制阀前后压差固定时得到的流量特性称为称为固有固有流量特性。它取决于阀芯的形状。流量特性。它取决于阀芯的形状。（a）快开特性）快开特性（b）直线特性直线特性（c）等百分比特性等百分比特性Beijing University of Posts and Telecommunications12:2539Beijing University of Po

26、sts and Telecommunications12:2540（1）直线流量特性直线流量特性控制阀的相对流量与相对开度成直线关系，即控制阀的相对流量与相对开度成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是常数。用数学式单位位移变化所引起的流量变化是常数。用数学式表示为：表示为：maxmaxqlKCqlC为积分常数 KlldqqdmaxmaxBeijing University of Posts and Telecommunications12:2541Beijing University of Posts and Telecommunications12:2542在不同的开度上，再分别增加在

27、不同的开度上，再分别增加10%开度，相对流量开度，相对流量的变化比值为的变化比值为10时：时：（20-10）/10100%=100%50时：时：（60-50）/50100%=20%80时：时：（90-80）/80100%=12.5% Beijing University of Posts and Telecommunications12:2543（2） 等百分比（对数）流量特性等百分比（对数）流量特性单位相对行程变化所引起的相对流量变化与单位相对行程变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系：此点的相对流量成正比关系：v曲线斜率（放大系数）曲线斜率（放大系数）随行程的增大而增大。流量随

28、行程的增大而增大。流量小时，流量变化小；流量大小时，流量变化小；流量大时，流量变化大。时，流量变化大。VKqqKlldqqdmax1maxmax1max1maxlnCllKqq1maxmaxllRqqBeijing University of Posts and Telecommunications12:2544Beijing University of Posts and Telecommunications12:2545v等百分比阀在各流量点的放大系数不同，但对等百分比阀在各流量点的放大系数不同，但对流量的控制力却是相同的。流量的控制力却是相同的。10%处：处：（6.58%-4.68%）/

29、4.68%41%50%处：处：（25.7%-18.2%）/18.2%41%80%处：处：（71.2%-50.6%）/50.6%41% 同样以同样以10、50及及80三点为例，分别增加三点为例，分别增加10%开度，相对流量变化的比值为：开度，相对流量变化的比值为：Q/Q100L/Lmaxs=1Beijing University of Posts and Telecommunications12:2546（3）快开特性快开特性开度较小时就有较大流量，随开度的增大，流开度较小时就有较大流量，随开度的增大，流量很快就达到最大，故称为快开特性。适用于迅速量很快就达到最大，故称为快开特性。适用于迅速启闭

30、的切断阀或双位控制系统。启闭的切断阀或双位控制系统。1max2maxmaxqqKlldqqd2/1max2max1) 1(1llRRqq积分Beijing University of Posts and Telecommunications12:2547Beijing University of Posts and Telecommunications12:25482、调节阀的工作流量特性调节阀的工作流量特性实际使用时，调节阀装在具有阻力的管道系统实际使用时，调节阀装在具有阻力的管道系统中。管道对流体的阻力随流量而变化，阀前后压差中。管道对流体的阻力随流量而变化，阀前后压差也是变化的，这时流量

31、特性会发生畸变。也是变化的，这时流量特性会发生畸变。1) 管道串联时的工作流量特性管道串联时的工作流量特性Beijing University of Posts and Telecommunications12:2549q串联管道使调节阀的流量特性发生畸变。串联管道使调节阀的流量特性发生畸变。q串联管道使调节阀的流量可调范围降低，最大流量减小。串联管道使调节阀的流量可调范围降低，最大流量减小。q串联管道会使调节阀的放大系数减小，调节能力降低，串联管道会使调节阀的放大系数减小，调节能力降低， s值低于值低于0.3时，调节阀能力基本丧失。时，调节阀能力基本丧失。Beijing University

32、 of Posts and Telecommunications12:25502) 与管道并联工作时的流量特性与管道并联工作时的流量特性 图中图中S=1时，旁路阀关闭，工作流量特性即为理想流量特性。随着旁路阀时，旁路阀关闭，工作流量特性即为理想流量特性。随着旁路阀逐渐打开，值逐渐减小，调节阀的可调范围也将大大降低，从而使调节阀逐渐打开，值逐渐减小，调节阀的可调范围也将大大降低，从而使调节阀的控制能力大大下降，影响控制效果。根据实际经验，值不能低于的控制能力大大下降，影响控制效果。根据实际经验，值不能低于0.8。 图图3 337 37 并联管道时调节阀工作流量特性并联管道时调节阀工作流量特性a)

33、直线阀直线阀 b)对数阀对数阀Beijing University of Posts and Telecommunications12:2551（3）流量特性的选择）流量特性的选择 调节阀流量特性的选择有理论分析法和经验法。前者还在研究中，调节阀流量特性的选择有理论分析法和经验法。前者还在研究中，目前较多采用经验法。一般可从以下几方面考虑。目前较多采用经验法。一般可从以下几方面考虑。 1）依据过程特性选择。）依据过程特性选择。 一个过程控制系统，在负荷变动的情况下，要使系统保一个过程控制系统，在负荷变动的情况下，要使系统保持期望的控制品质，则必须要求持期望的控制品质，则必须要求系统总的放大系数在整个系统总的放大系数在整个操作范围内保持不变。操作范围内保持不变。一般变送器、已整定好的调节器、一般变送器、已整定好的调节器、执行机构等放大系数基本上是不变的，但过程特性则往往执行机构等放大系数基本上是不变的，但过程特性则往往是非线性的，其放大系数随负荷而变。因此，必须通过合是非线性的，其放大系数随负荷而变。因此，必须通过合理选择调节阀的工作特性，以补偿过程的非线性，其选择