化工仪表及其自动化

1、第一章第一章 自动控制系统基本概念自动控制系统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第二节第二节 自动控制系统的组成自动控制系统的组成第三节第三节 工艺管道及控制流程图工艺管道及控制流程图第四节第四节 自动控制系统方块图自动控制系统方块图第五节第五节 自动控制系统的分类自动控制系统的分类第六节第六节 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标复习复习第一节第一节 化工自动化的主要内容化工自动化的主要内容1 1、自动检测系统、自动检测系统2 2、自动信号和连锁保护系统、自动信号和连锁保护系统3 3、自动操纵及开停车系统、自动操纵及开停车系统4 4、自

2、动控制系统、自动控制系统第二节第二节 自动控制系统的组成自动控制系统的组成一一 控制的目的与要求控制的目的与要求二二 举例说明自动控制系统的组成举例说明自动控制系统的组成冷流体冷流体蒸蒸汽汽热流体热流体凝凝液液测量元件测量元件及变送器及变送器控制器控制器Qi给定给定hQ0控制器控制器变送器变送器 抑制外界扰动的影响，确保生产过程的稳定性，使抑制外界扰动的影响，确保生产过程的稳定性，使生产过程的工况最优化。生产过程的工况最优化。第三节第三节 工艺管道及控制流程图工艺管道及控制流程图LTLCQiQ0给定给定h冷流体冷流体蒸蒸汽汽凝凝液液TTTC 在化工控制流程图中，一般以细实线圆圈来表示仪表；在化

3、工控制流程图中，一般以细实线圆圈来表示仪表；圆圈内写有两位（或两位以上）字母，第一位字母表示被圆圈内写有两位（或两位以上）字母，第一位字母表示被测变量，后继字母表示仪表的功能。测变量，后继字母表示仪表的功能。 在检测、控制系统中，构成回路的每个仪表都有自己在检测、控制系统中，构成回路的每个仪表都有自己的仪表位号。的仪表位号。仪表位号由字母代号和数字编号两部分组成。仪表位号由字母代号和数字编号两部分组成。如如PIC207三三 系统中常用术语系统中常用术语 被控对象、被控变量、操纵变量、扰动、设定值、偏差被控对象、被控变量、操纵变量、扰动、设定值、偏差第四节第四节 自动控制系统方块图自动控制系统方

4、块图定义：描述系统各组成元、部件之间信号传递关系的图形。定义：描述系统各组成元、部件之间信号传递关系的图形。控制器输出控制器输出_zx + 控制器控制器 控制阀控制阀被控对象被控对象测量元件变送器测量元件变送器给定值给定值偏差偏差操纵变量操纵变量干扰作用干扰作用被控变量被控变量测量值测量值yfepq第五节第五节 自动控制系统的分类自动控制系统的分类一一 开环控制系统开环控制系统 定义：输入量对输出量只有顺向影响，定义：输入量对输出量只有顺向影响， 而输出对输入无影响。而输出对输入无影响。 1 1、按设定值进行控制、按设定值进行控制 2 2、按扰动进行控制即前馈控制、按扰动进行控制即前馈控制控制

5、装置控制装置设定值设定值蒸汽蒸汽冷物料冷物料热物料热物料FTFT控制装置控制装置蒸汽蒸汽二二 闭环控制系统闭环控制系统 1 1、定义、定义: :不仅输入对输出有顺向影响，不仅输入对输出有顺向影响，且输出对输入有反向影响。且输出对输入有反向影响。控制器输出控制器输出_zx + 控制器控制器 控制阀控制阀被控对象被控对象测量元件变送器测量元件变送器给定值给定值偏差偏差操纵变量操纵变量干扰作用干扰作用被控变量被控变量测量值测量值yfepq反馈：把系统的输出信号直接或经过一些环节回送反馈：把系统的输出信号直接或经过一些环节回送到输入端的做法叫反馈。到输入端的做法叫反馈。自动控制系统是具有被控变量负反馈

6、的闭环控制系统。自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环控制系统。它是按偏差进行控制的。它是按偏差进行控制的。2 2、闭环控制系统的类型、闭环控制系统的类型定值控制系统、随动控制系统、顺序控制系统定值控制系统、随动控制系统、顺序控制系统3 3、闭环控制系统动态的概念、闭环控制系统动态的概念4 4、开环与闭环系统的比较（精度、稳定性、抗干扰、开环与闭环系统的比较（精度、稳定性、抗干扰.).)三三 复合控制系统复合控制系统前馈前馈- -反馈控制系统反馈控制系统 反馈控制器反馈控制器y yf f（t t）测量元件变送器测量元件变送器+ +x x- -控控 制制 阀阀+ + +前馈控制器前馈控制器 对对

7、 象象测量变送测量变送e eZ Z第六节第六节 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标1 1、静态、静态一、控制系统的静态与动态一、控制系统的静态与动态2 2、动态、动态 前馈控制的优点是及时克服主要扰动对被控变前馈控制的优点是及时克服主要扰动对被控变量的影响。反馈控制系统的优点是检查控制效果，量的影响。反馈控制系统的优点是检查控制效果，克服其它扰动。两者组合在一起，可提高控制质量。克服其它扰动。两者组合在一起，可提高控制质量。 1 1、定义：、定义：由于干扰或设定的作用，使系统由一由于干扰或设定的作用，使系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。个平衡状态过渡到

8、另一个平衡状态的过程。二、控制系统的过渡过程二、控制系统的过渡过程 2 2、系统过渡过程的分析方法：、系统过渡过程的分析方法：常选阶跃扰动对系统的过渡过常选阶跃扰动对系统的过渡过程进行分析。程进行分析。0时间时间t输输入入量量t t0 0选择原因选择原因：1)1)因为阶跃扰动比较突然，比较危险，因为阶跃扰动比较突然，比较危险，对被控变量的影响最大，如果一个控制系统能够有效对被控变量的影响最大，如果一个控制系统能够有效地克服这类干扰，那么对其它比较缓和的干扰也一定地克服这类干扰，那么对其它比较缓和的干扰也一定能很好的克服。能很好的克服。2 2）在生产过程中，阶跃扰动最为多）在生产过程中，阶跃扰动

9、最为多见。见。3 3）这种干扰形式简单，容易实现，便于分析、）这种干扰形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。实验和计算。3 3、阶跃扰动下系统的过渡过程、阶跃扰动下系统的过渡过程1)1)发散的过渡过程发散的过渡过程y(t)y(0)发散振荡发散振荡ty(t)y(0)t非振荡发散非振荡发散具有这种过渡过程的控制系统不能满足生产要求，具有这种过渡过程的控制系统不能满足生产要求，2 2）衰减的过渡过程）衰减的过渡过程y(t)y(0)t非周期衰减非周期衰减y(t)y(0)衰减振荡衰减振荡t是我们所需要的是我们所需要的3 3）等幅振荡的过渡过程）等幅振荡的过渡过程允许被控变量在一定范围内变化时才采用。

10、允许被控变量在一定范围内变化时才采用。三、控制系统的品质指标三、控制系统的品质指标定值系统阶跃响应曲线定值系统阶跃响应曲线Cy(t)y()ty(0) 0tsB2B1Ay(tp)y(tp)tptp1 1、余差（静态偏差）、余差（静态偏差）C C反映控制准确性的一个指标反映控制准确性的一个指标2 2、衰减比、衰减比n n（或衰减率（或衰减率）B B1 1:B:B2 2= n= n ( (或或 ) )121BBB衡量过渡过程稳定性衡量过渡过程稳定性的动态指标的动态指标3 3、最大偏差、最大偏差A A，超，超调量调量()( )100%( )y tpyy描述被控变量偏离给定值的最大程度的物理量描述被控变

11、量偏离给定值的最大程度的物理量4 4、过渡过程时间、过渡过程时间t ts s和振荡频率和振荡频率 反映控制快速性的指标反映控制快速性的指标5 5、上升时间、上升时间tptp，周期，周期T T第二章第二章 被控对象的数学模型被控对象的数学模型第一节第一节 化工对象的特点及其描述方法化工对象的特点及其描述方法第二节第二节 描述对象特性的参数描述对象特性的参数第三节第三节 对象数学模型的建立对象数学模型的建立第四节第四节 对象特性的实验测取对象特性的实验测取二、描述对象特性的方法二、描述对象特性的方法 第一节第一节 化工对象的特点及其描述方法化工对象的特点及其描述方法一、概念：一、概念： 1、描述对

12、象输入输出关系的数学表达式、描述对象输入输出关系的数学表达式2、描述对象在一定形式输入作用下的输出数据或曲线、描述对象在一定形式输入作用下的输出数据或曲线 当以阶跃信号作为输入量时，其响应曲线主要类当以阶跃信号作为输入量时，其响应曲线主要类型有型有 有自衡的非振荡过程；有自衡的非振荡过程； 无自衡的非振荡过程；无自衡的非振荡过程；被控对象的数学模型是指对象在各输入量被控对象的数学模型是指对象在各输入量（控制量和扰动量）的作用下，其相应输出量（被（控制量和扰动量）的作用下，其相应输出量（被控变量）变化的函数关系数学表达式。控变量）变化的函数关系数学表达式。h(t)t阀门节流阀门节流h(t)t定量

13、泵定量泵第二节第二节 描述对象特性的参数描述对象特性的参数 一、放大系数一、放大系数K K1.定义定义 2.对系统的影响对系统的影响A A 控制通道控制通道 K应适当大一些应适当大一些,以使控制作用显著。以使控制作用显著。B 扰动通道扰动通道对扰动通道对扰动通道Kff 应小些，以使被控变应小些，以使被控变量偏离设定值小些，以利于控制。量偏离设定值小些，以利于控制。2.对系统的影响对系统的影响二、时间常数二、时间常数T TU0t0UiT63.2% UiU0(t)A A 控制通道控制通道 T 太大、太小在控制上都存在一定困难，所以需根太大、太小在控制上都存在一定困难，所以需根据实际情况适中考虑。据

14、实际情况适中考虑。1.定义定义0()(0)yyKx 4.4.对系统的影响对系统的影响yt0Bxt0 0 0yt三、时滞三、时滞2.2.纯滞后纯滞后 3.3.容量滞后容量滞后A A 控制通道控制通道 B 扰动通道扰动通道B 扰动通道扰动通道时间常数时间常数 T大些有一定的好处，这相当于将扰动信号大些有一定的好处，这相当于将扰动信号进行滤波。进行滤波。滞后的存在不利于控制滞后的存在不利于控制 扰动通道存在纯滞后，对扰动通道存在纯滞后，对控制系统的品质无影响；扰动通道控制系统的品质无影响；扰动通道存在容量滞后，对系统是有利的。存在容量滞后，对系统是有利的。1.定义定义第三节第三节 对象数学模型的建立

15、对象数学模型的建立一、有自衡对象的数学模型一、有自衡对象的数学模型 一阶对象（单容对象）一阶对象（单容对象）h=h0q2=q012q1=q0+q1+h+q2根据平衡关系有：对象物料储存根据平衡关系有：对象物料储存量的变化率量的变化率 = = 单位时间流入对单位时间流入对象的物料变化量象的物料变化量单位时间流出单位时间流出对象的物料变化量对象的物料变化量d Md hAdtdt=q=q1 1-q-q2 22hqR1d hRAhR qdt 1d hThk qdt 其中其中T=RAT=RA，K=RK=R0( )1sKG sTSexKydtydT（t-)t-) 二阶对象（双容对象）二阶对象（双容对象）h

16、1q1qih2q2R2R1111id hAqqdt 2212d hAqqdt 111hRq 222hRq 222121222()idhdhT TTThKqdtdt 01()adhTqdtt 01( )aseG ST S022212()aaidhd hTTTqdtdtt 01( )(1)asKG ST STeS二阶对象二阶对象 一阶对象一阶对象221 2120222()(idhd hTTTThK qdtdtt012( )(1)(1)sKG ST ST Se二、无自衡对象的数学模型二、无自衡对象的数学模型hq2q1第四节第四节 对象特性的实验测取对象特性的实验测取所谓对象特性的实验测所谓对象特性的

17、实验测取，就是在我们所要研究的被控取，就是在我们所要研究的被控对象上，人为的施加一个干扰作用对象上，人为的施加一个干扰作用( (输入量输入量) )，然后用仪，然后用仪表测量和记录对象的输出量随时间而变化的规律，可得表测量和记录对象的输出量随时间而变化的规律，可得到表征对象特性的一些数据和曲线，而后对这些数据或到表征对象特性的一些数据和曲线，而后对这些数据或曲线进行分析整理，可得描述对象特性的数学表达式。曲线进行分析整理，可得描述对象特性的数学表达式。当对象处于稳定状态时，在对象的输入端施加一个幅度当对象处于稳定状态时，在对象的输入端施加一个幅度已知的阶跃扰动，测量和记录对象输出量随时间变化的已

18、知的阶跃扰动，测量和记录对象输出量随时间变化的数值，即可得到输出量随时间而变化的曲线（即所谓反数值，即可得到输出量随时间而变化的曲线（即所谓反应曲线或飞升曲线），这种方法称为阶跃响应曲线法。应曲线或飞升曲线），这种方法称为阶跃响应曲线法。被控对象被控对象操纵变量操纵变量干扰作用干扰作用被控变量被控变量fqy一、阶跃扰动法（阶跃响应一、阶跃扰动法（阶跃响应曲线法）曲线法） 用阶跃响应曲线法来测取对象动态特性的原因：用阶跃响应曲线法来测取对象动态特性的原因：阶跃响应曲线能直观、完全的描述被控对象的动态特性。阶跃响应曲线能直观、完全的描述被控对象的动态特性。实验测试方法易于实现，只要使阀门开度作一突

19、然改实验测试方法易于实现，只要使阀门开度作一突然改变即可（如流量），不需要特殊的信号发生器。变即可（如流量），不需要特殊的信号发生器。输出输出参数的变化过程可利用原来的仪表记录下来，测试工作参数的变化过程可利用原来的仪表记录下来，测试工作量不大，数据处理也比较方便，所以广泛应用。量不大，数据处理也比较方便，所以广泛应用。 实验时必须注意：实验时必须注意： 合理选择阶跃扰动量合理选择阶跃扰动量。通常取阶跃信号值为正常通常取阶跃信号值为正常输入信号的输入信号的5 515%15%。 试验应在相同的测试条件下重试验应在相同的测试条件下重复作几次，需获得两次以上比较接近的响应曲线，减少复作几次，需获得两

20、次以上比较接近的响应曲线，减少干扰的影响。干扰的影响。实验应在阶跃信号作正、反方向变化时实验应在阶跃信号作正、反方向变化时分别测得其响应曲线，以检验被控对象的非线性程度。分别测得其响应曲线，以检验被控对象的非线性程度。 在实验前即在输入阶跃信号前，被控对象须处于稳定在实验前即在输入阶跃信号前，被控对象须处于稳定的工作状态。的工作状态。 测试和记录工作应该持续进行到输出测试和记录工作应该持续进行到输出量达到新稳态值为止。量达到新稳态值为止。其缺点是：其缺点是：对象在阶跃信号作用下，从不稳定到稳定对象在阶跃信号作用下，从不稳定到稳定一般所需时间较长，在这段时间内对象不可避免的要一般所需时间较长，在

21、这段时间内对象不可避免的要受到许多其它干扰的影响，使测试精度受到限制；为受到许多其它干扰的影响，使测试精度受到限制；为提高精度就须加大输入作用幅值，这就意味着对正常提高精度就须加大输入作用幅值，这就意味着对正常生产的影响增加，工艺上往往是不允许的。生产的影响增加，工艺上往往是不允许的。 所以对于有些不允许长时间偏离正常操作条件的所以对于有些不允许长时间偏离正常操作条件的被控对象，及阶跃信号幅值受生产条件限制而影响对被控对象，及阶跃信号幅值受生产条件限制而影响对象的模型精度时，可用矩形脉冲信号作为对象的输入象的模型精度时，可用矩形脉冲信号作为对象的输入信号，其响应曲线为矩形脉冲响应曲线信号，其响

22、应曲线为矩形脉冲响应曲线 二、矩形脉冲法（矩形脉冲二、矩形脉冲法（矩形脉冲响应曲线法）响应曲线法）0 t0时间时间t输输入入量量t1y(t)ax(t)tx00 x1(t)x2(t)a2a 3a4ay(t)t0y*(t)设被控对象为线性，则设被控对象为线性，则y y* *(t) (t) = y(t) - y(t-a) = y(t) - y(t-a) 或或 y(t) = yy(t) = y* *(t) + y(t-a)(t) + y(t-a)t=0 t=0 a a时，时，y(a)=yy(a)=y* *(a)(a)；t=at=a2a2a时，时，y(2a)= y(2a)= y y* *(2a)+y(a

23、)(2a)+y(a)；2.2. 优点：优点：用矩形脉冲干扰来测取对象的特性时，用矩形脉冲干扰来测取对象的特性时，由于加在对象上的干扰经过一段时间后便被除去，由于加在对象上的干扰经过一段时间后便被除去，使对象的输出量不致长时间偏离给定值，对生产影使对象的输出量不致长时间偏离给定值，对生产影响较小；因此干扰的幅值可取的比较大，以提高实响较小；因此干扰的幅值可取的比较大，以提高实验精度。验精度。BAy(t)t0y()y(0) 在对象输入阶跃信号在对象输入阶跃信号x x0 0的瞬时，其响应曲线的斜的瞬时，其响应曲线的斜率最大，以后逐渐减小，直到新的稳态值。此时对象率最大，以后逐渐减小，直到新的稳态值。

24、此时对象的数学模型可用一阶惯性环节来近似，即：的数学模型可用一阶惯性环节来近似，即： ( )1KGSTS其参数求法为：其参数求法为：（1 1）对象的静态放大系数）对象的静态放大系数K K1.确定一阶惯性环节的参数确定一阶惯性环节的参数1d hThk qdt 或或63.2%三、由阶跃响应曲线辨识被控对象的数学模型三、由阶跃响应曲线辨识被控对象的数学模型0()(0 )yyKx 根据放大系数的定义有：根据放大系数的定义有： （2 2）对象的时间常数）对象的时间常数T T方法一：方法一：根据根据T T的定义，当响应曲线达到的定义，当响应曲线达到63.2%63.2%y()-y()-y(0)y(0)时所需

25、时间。时所需时间。0dudtUiT|t=0 = ， 在对象输入阶跃信号的瞬时，其响应曲线的斜率为在对象输入阶跃信号的瞬时，其响应曲线的斜率为0 0，之后逐渐增大，最后又逐渐减小，达到稳态值时曲线呈之后逐渐增大，最后又逐渐减小，达到稳态值时曲线呈S S形，此时对象的数学模型可用有时滞的一阶环节来近形，此时对象的数学模型可用有时滞的一阶环节来近似，即：似，即： 可过可过O O点作阶跃响应曲线的点作阶跃响应曲线的方法二：方法二：根据根据切线，交最终稳态值的渐进线切线，交最终稳态值的渐进线y()y()于于A A点，其点，其投影投影OBOB即即为对象的时间常数为对象的时间常数T T。2.2. 确定有时滞

26、的一阶环节的参数确定有时滞的一阶环节的参数（1 1）K K可用式可用式求得求得（2 2）T T、的求法的求法方法一：方法一：过响应曲线的拐点过响应曲线的拐点P P作曲作曲线的切线，交时间轴于点线的切线，交时间轴于点B B，交，交y()y()于点于点A A，A A在时间轴的投影为在时间轴的投影为C C，则则OBOB为对象的为对象的 ,BC ,BC为对象的为对象的T T 。方法二：方法二：当拐点不易确定时，可当拐点不易确定时，可取阶跃响应曲线最终稳态值的取阶跃响应曲线最终稳态值的28%28%和和63%63%所对应的时间为所对应的时间为t t1 1和和t t2 2，按，按下式计算下式计算与与T T：

27、 123TttTB CAPy(t)y()0tt1t2ty(t)y()63%y()28%y()01()d hThk qdtt ( )1sKG SeTS或或0axTtg 当阶跃响应曲线开始时变化速度当阶跃响应曲线开始时变化速度较慢，后来才等较慢，后来才等速速上升，此时其数学模上升，此时其数学模型可用有时滞的积分环节来近似，即型可用有时滞的积分环节来近似，即: : 当阶跃响应曲线为一条等速变化的当阶跃响应曲线为一条等速变化的直线时，对象的数学模型可用积分环节直线时，对象的数学模型可用积分环节来描述，即：来描述，即： 此时此时积分时间常数积分时间常数 求参数时，在阶跃响应曲线上作其变化速度最大求参数时

28、，在阶跃响应曲线上作其变化速度最大处的切线，交时间轴于处的切线，交时间轴于A A点，则点，则OAOA为滞后时间为滞后时间， 0axTtgy(t)t00y(t)tA3.3.确定积分环节的参数确定积分环节的参数4.4.确定有时滞的积分环节的参数确定有时滞的积分环节的参数1ad hTqdt 1( )aG ST S或01()adhTqdtt a1G(S)=T Sse或5.5.确定有纯滞后，一阶和积分环节的参数确定有纯滞后，一阶和积分环节的参数 参数确定方法：作响应曲线的渐近线，交时间轴参数确定方法：作响应曲线的渐近线，交时间轴于于B B点，点，OAOA为纯滞后时间为纯滞后时间0 0;AB;AB为时间常

29、数为时间常数T;T;积分时间积分时间Ta= xTa= x0 0/tg /tg 。0y(t)tAB)(02222tqdthdTdthdTTiaa0-s1G(s)= e (1)aT S TS或或第三章第三章 检测仪表与传感器检测仪表与传感器第一节第一节 自动检测仪表的原理性组成自动检测仪表的原理性组成第二节第二节 仪表的性能指标仪表的性能指标第三节第三节 压力检测及仪表压力检测及仪表第四节第四节 流量检测及仪表流量检测及仪表第五节第五节 物位检测及仪表物位检测及仪表 第六节第六节 温度检测及仪表温度检测及仪表第一节第一节 自动检测仪表的原理性组成自动检测仪表的原理性组成 从其各部分作用入手来剖析仪

30、表的原理性组成，从其各部分作用入手来剖析仪表的原理性组成，中间部件中间部件 显示器显示器 被测参数被测参数参数显示参数显示传感器传感器一、传感器一、传感器 它的作用是感受被测参数的变化并发出它的作用是感受被测参数的变化并发出与之相适应的信号与之相适应的信号要求具有高准确性、高稳定性、高灵敏性要求具有高准确性、高稳定性、高灵敏性 它的作用是直接将传感器（一次仪表）发出的信号，它的作用是直接将传感器（一次仪表）发出的信号，按规定的规范要求传输给显示器（二次仪表）。按规定的规范要求传输给显示器（二次仪表）。按其作按其作用的不同，分为三种：（一）单纯的传递作用（二）按用的不同，分为三种：（一）单纯的传

31、递作用（二）按比例传递比例传递（三）信号形式的转换（三）信号形式的转换二、中间部件二、中间部件三、显示器三、显示器 它的功能是将来自传感器的信号，以所需形式向观它的功能是将来自传感器的信号，以所需形式向观察者反映被测参数的数量变化察者反映被测参数的数量变化。它的形式有：。它的形式有：（一）指示式仪表（二）记录式仪表（三）积算式仪表（一）指示式仪表（二）记录式仪表（三）积算式仪表 （四）信号式仪表（五）调节式仪表（四）信号式仪表（五）调节式仪表第二节第二节 仪表的性能指标仪表的性能指标（一）读数误差（一）读数误差 仪表读数误差是读数与标准测量值之差，即仪表读数误差是读数与标准测量值之差，即: :

32、 = M-AM-A100hA 读数的相对误差读数的相对误差（二）仪表误差（二）仪表误差 在测量标尺范围内，各读数误差的最大值，定义为仪在测量标尺范围内，各读数误差的最大值，定义为仪表的绝对误差。表的绝对误差。 m 100mN 仪表的相对误差仪表的相对误差（三）基本误差、允许误差和精度等级（三）基本误差、允许误差和精度等级1 1、仪表的基本误差：指在仪表制造厂保证的条仪表的基本误差：指在仪表制造厂保证的条件下，仪表的相对误差。件下，仪表的相对误差。 3 3、仪表精度等级：是按国家统一规定的允许误差仪表精度等级：是按国家统一规定的允许误差的大小划分成的等级。的大小划分成的等级。仪表的精度等级在数值

33、上为仪表的允许误差去掉仪表的精度等级在数值上为仪表的允许误差去掉“”号及号及“”号后的数值。号后的数值。 2 2、允许误差：是国家标准规定的，即指在标准允许误差：是国家标准规定的，即指在标准条件下使用时，仪表所应满足的相对误差。条件下使用时，仪表所应满足的相对误差。注意：基本误差必须与允许误差相一致。注意：基本误差必须与允许误差相一致。 （四）仪表的灵敏度与刻度分格标准（四）仪表的灵敏度与刻度分格标准仪表指针的线位移或角位移仪表指针的线位移或角位移与引起此位移的被与引起此位移的被仪表的变差不应超过仪表的允许误差。仪表的变差不应超过仪表的允许误差。（六）线性度（六）线性度(非线性误差非线性误差)

34、%100max仪表量程ff（即（即测参数的变化测参数的变化X X之比即为仪表灵敏度，即之比即为仪表灵敏度，即S=x（五）指示变差（五）指示变差：指在外界条件不变时，使用同一仪表：指在外界条件不变时，使用同一仪表对相同的被测参数值进行正、反行程测量时，其所得到对相同的被测参数值进行正、反行程测量时，其所得到的仪表指示值是不相等的，两者之差称为仪表在此读数的仪表指示值是不相等的，两者之差称为仪表在此读数点的指示变差。点的指示变差。100N正反maxx -x变差被测变量被测变量仪仪表表输输出出理论理论实际实际maxf（七）反应时间：（七）反应时间：它反应了仪表动态特性的好坏。它反应了仪表动态特性的好

35、坏。三、工业仪表的分类三、工业仪表的分类第三节第三节 压力检测及仪表压力检测及仪表一、压力单位及测压仪表一、压力单位及测压仪表 按照转换原理的不同，大致可分为四大类按照转换原理的不同，大致可分为四大类: :1.1.液柱式液柱式压力计压力计 2.2.弹性式压力计弹性式压力计 3.3.电气式压力计电气式压力计 4.4.活塞式压活塞式压力计力计2 2、按信息的获取、传递、反映和处理的过程、按信息的获取、传递、反映和处理的过程来分类。来分类。 3 3、按仪表的组成形式来分：、按仪表的组成形式来分：基地式仪表、单基地式仪表、单元组合式仪表。元组合式仪表。 1 1、按仪表使用的能源来分：、按仪表使用的能源

36、来分：气动仪表、电动气动仪表、电动 仪表、液动仪表。仪表、液动仪表。二、弹性式压力计二、弹性式压力计弹性式压力计是利用各种形式的弹性元件，在被测弹性式压力计是利用各种形式的弹性元件，在被测介质压力的作用下，使弹性元件受压后产生弹性变形的介质压力的作用下，使弹性元件受压后产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。原理而制成的测压仪表。 1.1.弹性元件弹性元件 （1 1）弹簧管式弹性元件）弹簧管式弹性元件 （2 2）薄膜式弹性元件）薄膜式弹性元件 （3 3）波纹管式弹性元件）波纹管式弹性元件2.2.弹簧管压力表弹簧管压力表三、电气式压力计三、电气式压力计1.1.霍尔片式压力传感器霍尔片式压力传感器霍尔

37、片式压力传感器是根据霍尔效应制成的，即霍尔片式压力传感器是根据霍尔效应制成的，即利用霍尔元件将由压力所引起的弹性元件的位移转换利用霍尔元件将由压力所引起的弹性元件的位移转换成霍尔电势，从而实现压力的测量。成霍尔电势，从而实现压力的测量。U UH H=R=RH HBIBIp p(a)(a)自由端自由端p p(b)(b)p p(c)(c)3.3.压阻式压力传感器压阻式压力传感器: :是利用单晶硅的压阻效应而构成的。是利用单晶硅的压阻效应而构成的。4.4.力矩平衡式压力变送器：力矩平衡式压力变送器：是根据力矩平衡原理工的。是根据力矩平衡原理工的。有电动和气动两种有电动和气动两种。它们都由测量部分和转

38、换部分组成。它们都由测量部分和转换部分组成。5.5.电容式压力变送器：电容式压力变送器：是利用中心感应膜片和两边弧形是利用中心感应膜片和两边弧形固定电极形成的二个电容器，将压力的变化转换成电容固定电极形成的二个电容器，将压力的变化转换成电容量的变化，然后进行测量的。量的变化，然后进行测量的。3 32 22 21 14 42.2.应变片式压力传感器：应变片式压力传感器：是利用电阻应变原理构成的。是利用电阻应变原理构成的。四、压力计的选用四、压力计的选用 （1 1）仪表类型的选用；）仪表类型的选用；（2 2）仪表测量范围的确定；）仪表测量范围的确定；（3 3）仪表精度等级的选取）仪表精度等级的选取

39、; ;第四节第四节 流量检测及仪表流量检测及仪表第五节第五节 物位检测及仪表物位检测及仪表 测量物位的仪表种类很多测量物位的仪表种类很多一、一、 概述概述物位测量指对液体液位的测量，固体或颗粒状物物位测量指对液体液位的测量，固体或颗粒状物质料位的测量及对两种密度不同液体介质的分界面的质料位的测量及对两种密度不同液体介质的分界面的测量。测量。 二、差压式物位计二、差压式物位计：基于静力学原理，利用液位变化引基于静力学原理，利用液位变化引起压差变化的原理而工作。起压差变化的原理而工作。 + -PA PBhqiq01 1、液位测量、液位测量 2 2、液体分界面的测量、液体分界面的测量三、电容式物位计

40、三、电容式物位计电容器的极板间充电容器的极板间充以不同介质时，电以不同介质时，电容量的大小也有所容量的大小也有所不同。不同。dDLCln21四、核辐射物位计四、核辐射物位计 利用核辐射射线的透射强度随介质层厚度的利用核辐射射线的透射强度随介质层厚度的变化而变化的原理进行测量变化而变化的原理进行测量，即射线的透射强度，即射线的透射强度随着介质层厚度增加呈指数规律衰减，关系为穿随着介质层厚度增加呈指数规律衰减，关系为穿过介质后的射线强度过介质后的射线强度I I= =入射强度入射强度I I0 0 * * ，uHe五、称重式液罐计量仪五、称重式液罐计量仪第六节第六节 温度检测及仪表温度检测及仪表一、测

41、温仪表的分类一、测温仪表的分类按测量方式不同按测量方式不同,分为接触式与非接触式两类。接触分为接触式与非接触式两类。接触式测温利用热交换原理式测温利用热交换原理,非接触式测温利用热辐射原理。非接触式测温利用热辐射原理。三、热电偶温度计三、热电偶温度计热电偶温度计是基于热电偶温度计是基于热电效应热电效应原理来测量温度的。原理来测量温度的。二、温度测量的基本原理二、温度测量的基本原理温度参数是不能直接测量的，温度参数是不能直接测量的，一般只能根据物质的一般只能根据物质的某些特性值与温度之间的函数关系，来实现间接测量。某些特性值与温度之间的函数关系，来实现间接测量。温度测量的基本原理与这些特性值的选

42、择密切相关。温度测量的基本原理与这些特性值的选择密切相关。3.测量仪表测量仪表 热电偶温度计热电偶温度计测量系统原理图测量系统原理图1.热电偶热电偶2.导线导线t0AtBEt0 1 1、热电偶热电偶 它是由两种不同它是由两种不同材料的导体材料的导体A A和和B B焊接而成。焊接焊接而成。焊接的的一端一端插入被测介质中，感受被插入被测介质中，感受被测温度，称为热电偶的测温度，称为热电偶的工作端或工作端或热端，另一端热端，另一端与导线连接，称为与导线连接，称为冷端或自由端冷端或自由端。 (1)(1)热电现象及测温原理热电现象及测温原理 12t0ABt0t3eAB(t0)2AB1eAB(t)AB24

43、1tt1Bt1t03热电现象热电现象则此闭合回路的总热电势则此闭合回路的总热电势E E（t,tt,t0 0）为：）为： E E（t,tt,t0 0）= e= eABAB(t)- e(t)- eABAB(t(t0 0) ) 热电偶构成条件：两种不同材料的导体；两接热电偶构成条件：两种不同材料的导体；两接点温度不相同，点温度不相同，在热电偶回路中接入第三种导线对原产生的热电势在热电偶回路中接入第三种导线对原产生的热电势数值并无影响，不过必须保证引入线两端的温度相同。数值并无影响，不过必须保证引入线两端的温度相同。（2 2）插入第三种导线的问题）插入第三种导线的问题2 2、补偿导线的选用、补偿导线的

44、选用 为什么要采用补偿导线为什么要采用补偿导线采用一种专用导线，采用一种专用导线，将热电偶冷端延伸出来，将热电偶冷端延伸出来，此导线为此导线为“补偿导线补偿导线”。tt0康铜康铜t1镍镍铬铬_t1镍镍硅硅AB+热电偶热电偶铜铜补偿导线补偿导线t0铜导线铜导线测温毫伏表测温毫伏表 由于不同热电偶所用补偿导线不同，在使用补偿导由于不同热电偶所用补偿导线不同，在使用补偿导线时，注意型号相配，极性不能接错，热电偶与补偿导线时，注意型号相配，极性不能接错，热电偶与补偿导线连接端所处的温度不应超过线连接端所处的温度不应超过100100。铜导线铜导线_测温毫伏计测温毫伏计冰水混合物冰水混合物+t补偿导线补偿

45、导线油油（1 1）冷端温度保持为）冷端温度保持为00的方法的方法（2 2）冷端温度修正的方法）冷端温度修正的方法E(t,0)=E(t,tE(t,0)=E(t,t1 1)+E(t)+E(t1 1,0),0)3 3、冷端温度补偿、冷端温度补偿（3 3）校正仪表机械零点法）校正仪表机械零点法+_RtaR1R2R3b（4 4）补偿电桥法）补偿电桥法利用不平衡电桥产生的利用不平衡电桥产生的电势补偿热电偶因冷端电势补偿热电偶因冷端温度变化引起的热电势温度变化引起的热电势变化值。变化值。t仪表仪表ABt1t1t1t1t0（5 5）补偿热电偶法）补偿热电偶法P P8585四、热电阻温度计四、热电阻温度计热电阻

46、温度计由热电阻、显热电阻温度计由热电阻、显示仪表以及连接导线组成，其示仪表以及连接导线组成，其连连接导线采用三线制接法。接导线采用三线制接法。仪表仪表热电阻热电阻Rt1 1、热电阻热电阻 是测温（感温）元件。是测温（感温）元件。（1 1）测温原理）测温原理 利用金属导体的电阻值随温度变化而利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量。变化的特性来进行温度测量。金属导体都具有正的温度系数，其阻值与温度关系金属导体都具有正的温度系数，其阻值与温度关系为：为：Rt=RtRt=Rt0 01+(t-t1+(t-t0 0) )（为电阻温度系数）为电阻温度系数） 即即Rt=RtRt=Rt0 0

47、* *t t在在00650650范围内，铂电阻与温度范围内，铂电阻与温度的关系为：的关系为： （RtRt0 0为为00时电阻值）时电阻值）)1 (320CtBtAtRtRt（2 2）常用热电阻）常用热电阻（3 3）热电阻结构）热电阻结构 在在-50-50+150+150的范围内，铜电阻的范围内，铜电阻与温度的关系是线性的，即与温度的关系是线性的，即Rt=RtRt=Rt0 01+(t-t1+(t-t0 0) )DBWDBW主要由输入回路（测量桥路）和电压主要由输入回路（测量桥路）和电压电流转换电流转换器两部分组成。器两部分组成。输入回路输入回路将热电偶产生的电势或热电阻将热电偶产生的电势或热电阻

48、的阻值转换成相应的电压信号，的阻值转换成相应的电压信号，电压电压电流转换器电流转换器又将又将五、（五、（DBWDBW）电动温度变送器）电动温度变送器此电压信号转换成一一对应的此电压信号转换成一一对应的010mA010mA的直流电流信号。的直流电流信号。输入输入回路回路电压电压电电流转换器流转换器Et(或或Rt)UI（一）输入回路（一）输入回路 DBWDBW的输入回路实际上是一个直流不平衡桥路，的输入回路实际上是一个直流不平衡桥路，按测温元件的不同可分为热电偶、热电阻、热电偶温按测温元件的不同可分为热电偶、热电阻、热电偶温差、热电阻温差桥路和直流毫伏测量桥路五种差、热电阻温差桥路和直流毫伏测量桥

49、路五种（只要（只要改变接线端子的连接方式就能组成各种测量桥路）。改变接线端子的连接方式就能组成各种测量桥路）。1 1、热电偶温度测量、热电偶温度测量 桥路桥路U=UU=UALAL=E=ET T+U+UBLBL =E=ET T+R+RCuCuI I1 1-Rw-Rw2 2I I2 2C_L -BA +输出输出UK工作工作ETT+RCuER21R20W3I2IW2R18I1检查检查（1 1）自动补偿由于冷端温度变化而引起的测量误差）自动补偿由于冷端温度变化而引起的测量误差（2 2）实现零点调整和迁移）实现零点调整和迁移（3 3）对仪表作定值检查）对仪表作定值检查输出输出U_+TLER21R20CW

50、3I2IW2R18BRI1TH检查检查_+工作工作KA +L-U UALAL=E=ETHTH-E-ETLTL+I+I1 1R-IR-I2 2R Rw2w22 2、热电偶温差测量桥路、热电偶温差测量桥路 作用是：把热电阻的阻值变化转换成相应的毫作用是：把热电阻的阻值变化转换成相应的毫伏电压信号，实现零点迁移并送出一个固定数值的伏电压信号，实现零点迁移并送出一个固定数值的电压来对仪表进行定值检查。电压来对仪表进行定值检查。3 3、热电阻温度测量桥路、热电阻温度测量桥路U=IU=I1 1Rt-IRt-I2 2RwRw2 2输出输出UER21R20CW3I2IW2R18BI1检查检查工作工作KA +L

51、 -Rt为克服导线电阻的影响，热为克服导线电阻的影响，热电阻采用三线制接法，电阻采用三线制接法，即在即在W W2 2桥路中也串入一条与桥路中也串入一条与RtRt桥桥臂中相同粗细，相同长度，臂中相同粗细，相同长度，相同材料的连接线，且二桥相同材料的连接线，且二桥臂电流相等，所以在二桥臂臂电流相等，所以在二桥臂中两根连接导线上产生的压中两根连接导线上产生的压降相等，从而相互抵消。降相等，从而相互抵消。 U=IU=I1 1 RtRtH H -I-I2 2 RtRtL L -I-I2 2R RW W2 2只要保证接线长度相等即可，只要保证接线长度相等即可，无需采用三线制无需采用三线制4 4、热电阻温差

52、测量桥路、热电阻温差测量桥路输出输出UER21R20W3I2IW2R18BI1检查检查工作工作KA +L _RtHCRtL（二）电压（二）电压电流转换器电流转换器I I0 0=U/R=U/Rf f六、测温元件的选用及安装六、测温元件的选用及安装 p p9191第四章第四章 显示仪表显示仪表第二节第二节 自动电子电位差计自动电子电位差计第三节第三节 自动电子平衡电桥自动电子平衡电桥R动动R并并R调调RTR串串+_冷 端 补 偿冷 端 补 偿器器补偿导线补偿导线补补偿偿电电阻阻连 接 铜 导连 接 铜 导线线量程电阻量程电阻第一节第一节 动圈式显示仪表动圈式显示仪表一、测量机构及作用原理一、测量机

53、构及作用原理 二、二、XCZ101XCZ101型动圈式仪表型动圈式仪表R R外外=15=15动圈式仪表实质上是一种测量电流的仪表动圈式仪表实质上是一种测量电流的仪表 。被测参数被测参数检测元件检测元件E E或或R R测量电路测量电路动圈动圈I I( (微安微安) )指针指针指示指示配热电偶配热电偶1 1、外接调整电阻、外接调整电阻2 2、动圈的温度补偿、动圈的温度补偿内外总R),(),(00RttERttEI串一串一热敏电阻热敏电阻RtRt，用锰铜丝绕制，用锰铜丝绕制的的R R并并和和RtRt并联并联，还串入一恒定，还串入一恒定R R串串。三、三、XCZ102XCZ102型动圈式仪表型动圈式仪

54、表a稳稳压压电电源源R动动R串串RTRtR并并R4R3R0R1R1R1R2bcd+-配热电阻配热电阻1 1、不平衡电桥、不平衡电桥2 2、三线制、三线制3 3、外接调整电阻、外接调整电阻4 4、稳压电源、稳压电源R R1 1=5=5。五、缺点五、缺点属开环式仪表；属开环式仪表； 由于是测量电流由于是测量电流的仪表，因此能引起电流变化的各种的仪表，因此能引起电流变化的各种干扰因素都会导致测量误差；干扰因素都会导致测量误差；它的它的可动部分易损坏，怕震动和阻尼时间可动部分易损坏，怕震动和阻尼时间较长，且不便于实现自动记录。较长，且不便于实现自动记录。四四、动圈式仪表使用中注意的问题、动圈式仪表使用

55、中注意的问题第一节第一节 自动电子电位差计自动电子电位差计 电子电位差计是用来测量电压信号的，凡是能转换电子电位差计是用来测量电压信号的，凡是能转换成电压的工艺变量都能用它来测量成电压的工艺变量都能用它来测量。一、工作原理一、工作原理 电子电位差计是根据电子电位差计是根据“电压补偿原理电压补偿原理”工作的。工作的。这种这种用已知电压来补偿未知电压，使测量线路中电流等用已知电压来补偿未知电压，使测量线路中电流等于于0 0的测压方法称为的测压方法称为“电压补偿法电压补偿法”。用这种方法测量电用这种方法测量电压比较精确，因为没有电流通过测量线路，也就不存在压比较精确，因为没有电流通过测量线路，也就不

56、存在线路电阻影响问题。线路电阻影响问题。R2R3I2I1R4RPCRGBUx+_+EDRBRMFHAEC可逆电机可逆电机 ND指指示示记记录录结结构构放大器的输入电压放大器的输入电压U UCECE=U=UCDCD-U-Ux x=U=UCFCF+U+UFBFB-U-UDBDB-U-Ux x二、测量桥路中各电阻的作用二、测量桥路中各电阻的作用 1 1、起始电阻、起始电阻R RG G2 2、量程电阻、量程电阻R RM M3 3、上支路限流电阻、上支路限流电阻R R4 44 4、下支路限流电阻、下支路限流电阻R R3 35 5、冷端温度补偿电阻、冷端温度补偿电阻R R2 2第三节第三节 自动电子平衡电

57、桥自动电子平衡电桥项目项目热电偶系统热电偶系统热电阻系统热电阻系统输入信号输入信号电动势电动势电阻电阻电桥输出电桥输出E0冷端温度补偿冷端温度补偿有有无无接线方式接线方式双补偿线，桥外双补偿线，桥外三线，桥臂三线，桥臂电源电源直流直流直流或交流直流或交流自动电子电位差计与自动电子平衡电桥的比较自动电子电位差计与自动电子平衡电桥的比较第五章第五章 自动控制仪表自动控制仪表 第一节第一节 概述概述 第二节第二节 比例控制比例控制 第三节第三节 比例积分控制比例积分控制 第四节第四节 微分控制微分控制 第五节第五节 模拟式控制器模拟式控制器 第六节第六节 可编程序控制器可编程序控制器p(t)=Kp(

58、t)=Kp pe(t) e(t) 一、比例控制规律及特点一、比例控制规律及特点二、积分控制规律及特点二、积分控制规律及特点tI0p(t)= K( )e t dt三、比例积分控制规律三、比例积分控制规律tIPdtteKteKtP0)()()(P(t)KpAtP(t)KIAttKpAtp(t)比例度比例度tIPdtteTteKtP0)(1)()(四、微分规律及特点四、微分规律及特点dttdeTtPD)()(P0t五、五、PIDPID控制器控制器tDIPDIPdttdeTdtteTteKtPtPtPtP0)()(1)()()()()(KpAtp(t)P(t)KpAtte(t)A第二节第二节 比例控制

59、比例控制(P)(P)控制器的输出变化量与输入偏差成控制器的输出变化量与输入偏差成正比，在时间上没有延滞。正比，在时间上没有延滞。图为阶跃图为阶跃偏差作用下，比例控制器的开环输出偏差作用下，比例控制器的开环输出特性。特性。p(t)=Kp(t)=Kp pe(t) e(t) 一、比例控制规律及特点一、比例控制规律及特点K Kp p是衡量比例作用强弱的物理量是衡量比例作用强弱的物理量。二、比例度二、比例度 所谓比例度就是指控制器输入的相对变化量与相应的所谓比例度就是指控制器输入的相对变化量与相应的输出的相对变化量之比的百分数，输出的相对变化量之比的百分数，即：即：maxminmaxmin/()100/

60、()exxppp %1001PK三、比例作用及三、比例作用及对系统过渡过程的影响对系统过渡过程的影响1 1、在扰动及设定值变化时有余差存在、在扰动及设定值变化时有余差存在2 2、比例度、比例度越大，过渡过程的曲线越平稳，随着比越大，过渡过程的曲线越平稳，随着比例度的减小，余差逐渐减小例度的减小，余差逐渐减小, ,但系统的振荡程度加剧，但系统的振荡程度加剧，当当继续减小到某一数值，系统会出现等幅振荡。继续减小到某一数值，系统会出现等幅振荡。P117P117图图5-85-8 在基本控制规律中，比例在基本控制规律中，比例控制规律控制规律是最基本、最是最基本、最主要、最普遍的控制规律。它能较为迅速地克