热工控制基础知识

热工控制基础知识第1页，共36页，2023年，2月20日，星期六热工仪表基础知识热工测量元件：超声波流量计差压变送器压力表温度元件第2页，共36页，2023年，2月20日，星期六仪表的误差绝对误差：仪表的指示值与被测量的真实值之间的差值。相对误差：绝对误差值与标准值之比的百分数。引用误差：仪表的绝对误差折合成该仪表测量范围的百分数。引用误差去掉百分号后，用来表示仪表的精确度等级。基本误差：仪表测量结果中的最大引用误差称为仪表的基本误差。允许误差：根据仪表精确度等级规定，某种仪表的基本误差有一个允许值，称为仪表的允许误差。第3页，共36页，2023年，2月20日，星期六仪表的质量指标精确度（精确度等级）：精确度用来反映仪表测量误差偏离真值的程度。回程误差：对同一检测点，上升指示值与下降指示值之差称为回程误差。灵敏度：仪表的输出量变化与引起该变化的输入变化量的比值。指示值稳定性：仪表指示值受使用条件影响程度的大小，多用影响系数来表示。动态特性：仪表能否尽快地反映出被测物理量的变化情况。第4页，共36页，2023年，2月20日，星期六常用仪表介绍温度测量：热电偶、热电阻、双金属温度计压力测量：压力表、压力变送器、压力开关差压测量：差压变送器、差压开关液位测量：双色水位计、电接点水位计、导波雷达流量测量：孔板流量计、弯管流量计、超声波流量计、涡街流量计转速测量：磁阻式探头距离测量：电涡流传感器第5页，共36页，2023年，2月20日，星期六温度测量元件温度：表示物体冷热程度、反映物体内部热运动状况的物理量称为温度。温标：衡量物体温度的标尺叫做温标，它是温度的数值表示方法。常用温度测量元件：热电偶、热电阻、双金属温度计、膨胀式温度计第6页，共36页，2023年，2月20日，星期六热电偶原理：基于两种不同金属之间的热电现象。在两种不同金属导体焊成的闭合回路中，当两焊接端的温度不同时，在其回路中就会产生电动势，这种现象叫做热电效应，相应的电动势叫做热电势，在回路中产生的电流称为热电流。特点：（1）测量精确度高；（2）结构简单，制造方便；（3）动态响应快；（4）可进行远距离测量；（5）测温范围广。第7页，共36页，2023年，2月20日，星期六故障现象可能原因处理方法温度示值偏低或不稳电极短路找出短路原因，如潮湿或绝缘损坏接线柱处积灰清扫补偿导线与热偶极性接反纠正接线补偿导线与热偶极不配套更换相配套的补偿导线冷端补偿不符要求调整冷端补偿达到要求热偶安装位置不当按规定重新安装温度示值偏高补偿导线与热偶极不配套更换相配套的补偿导线有直流干扰信号进入排除直流干扰显示不稳定接线柱处接触不良将接线柱拧紧测量线路绝缘破损，引起断续短路或接地找出故障点，修复绝缘热偶安装不牢或有震动紧固电偶，消除震动热电偶电极将断未断更换热偶外界干扰查出干扰源，采取屏蔽措施显示误差大热电偶电极变质更换热偶热电偶安装位置不当改变安装位置保护管表面积灰清除积灰显示无穷大接线断路找到断点，重新接好热电极断开或损坏更换热电偶第8页，共36页，2023年，2月20日，星期六热电阻原理：利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的特性，来测量温度的感温元件称为热电阻。特点：（1）测量精确度高；（2）输出信号大，灵敏度高；（3）不需冷端温度补偿；（4）测温稳定性好；（5）元件结构复杂，热响应时间长。第9页，共36页，2023年，2月20日，星期六热电阻测量电路二线制接法

采用两线制的测温电桥如图所示：左图为接线示意图，右图为等效原理图。从图中可以看出热电阻两引线电阻RW和热电阻Rt一起构成电桥测量臂，这样引线电阻RW因沿线环境温度改变引起的阻值变化量2△RW和因被测温度变化引起热电阻Rt的增量值△Rt一起成为有效信号被转换成测量信号，从而影响温度测量精度。第10页，共36页，2023年，2月20日，星期六三线制接法三线制接线法构成如图所示测量电桥，可以消除内引线电阻的影响，测量精度高于两线制。目前三线制在工业检测中应用最广。而且，在测温范围窄或导线长，导线途中温度易发生变化的场合必须考虑采用三线制热电阻。第11页，共36页，2023年，2月20日，星期六四线制接法如图所示，在热电阻感温元件的两端各连两根引线，此种引线形式称为四线制热电阻。在高精度测量时，要采用如图所示四线制测温电桥。此种引线方式不仅可以消除内引线电阻的影响，而且在连接导线阻值相同时，可消除该电阻的影响，还可以通过CPU定时控制继电器的一对触点C和D的通断，改变测量热电阻中的电流方向，消除测量过程中的寄生电势影响。四线制测量方式不受连接导线的电阻的影响.第12页，共36页，2023年，2月20日，星期六故障现象可能原因处理方法温度示值偏低或不稳保护管内有金属屑、积灰，接线柱处脏污或短路除去金属屑，清扫灰尘、水滴等，找到短路点，加强绝缘温度示值无穷大热电阻或引线断路更换热电阻，找到断点重新接好温度显示负值热电阻接线有错或有短路现象改正接线，找出短路处，加强绝缘温度显示误差大热电阻丝材料受腐蚀变质更换热电阻第13页，共36页，2023年，2月20日，星期六压力测量元件压力：垂直作用在单位面积上的力称为压力，物理学中称为压强。绝对压力：以完全真空作零标准表示的压力。当用绝对压力表示低于大气压力的压力时，把该绝对压力称为真空。表压力：以大气压力作为零标准表示的压力。表压力为正时，简称压力。表压力为负时，称为负压力或真空。差压：以大气压力之外的任意压力作零标准表示的压力。常用压力测量元件：弹簧管式压力表、膜盒式压力表、绝对压力表、压力变送器、差压变送器第14页，共36页，2023年，2月20日，星期六故障现象可能原因处理方法压力无指示无电源检查电源接线，接通电源信号接线断路检找断点，重新接线压力指示跳动被测介质压力波动大关小阀门开度安装位置震动大可安装减震器或移到震动小的地方显示不变化导压管堵透通导压管导压管切断阀未打开打开切断阀显示误差大变送器与仪表量程设置不一致重新设置量程检测元件损坏更换压力计零点量程调跑了重新调校压力计第15页，共36页，2023年，2月20日，星期六流量仪表1、基本概念流量是单位时间内流经某一截面的流体数量。流量可用体积流量和质量流量来表示。体积流量：流体量以体积表示时称为体积流量。qv=uA质量流量：流体量以质量表示时称为质量流量。qm=ρqv=ρuA2、分类工业上常用的流量仪表可分为两大类（1）速度式流量计：以测量流体在管道中的流速作为测量依据来计算的仪表。（2）容积式流量计：它以单位时间内所排出的流体固定容积的数目作为测量依据。3、流量测量仪表还可以有以下的分类节流式流量计转子流量计电磁流量计容积式流量计流体振动式流量计超声波流量计质量流量计第16页，共36页，2023年，2月20日，星期六差压式流量计

节流装置与差压变送器配套测量流体的流量，是目前使用最广的一种流量测量仪表。在管道中流动的流体具有动能和位能，在一定条件下这两种能量可以相互转换，但参加转换的能量总和是不变的。节流元件测量流量就是利用这个原理来实现的。在节流装置中，应用最多的是孔板、喷嘴、文丘利管等。根据能量守恒定律及流体连续原理，节流装置的流量公式可以写成： Q=k√△P第17页，共36页，2023年，2月20日，星期六

转子流量计以液体流动时的节流原理为基础的一种流量测量仪表。其特点：压力损失小而且稳定，反应灵敏，量程较宽，结构简单，价格便宜，使用维护方便。但精度受测量介质的温度、密度和粘度的影响，而且仪表必须垂直安装。

原理：转子流量计是由一段向上扩大的圆锥形管子和密度大于被测介质密度，且能随被测介质流量大小上下浮动的转子组成的。当液体自下而上流过时，转子因受到液体冲击而向上运动。随着转子的上移，转子与锥形管之间的环形流通面积增大，液体流速减低，冲击作用减弱，

直到液体作用在转子上向上的推力与转子在流体中的重力

相平衡。此时，转子停留在锥管中某一高度上。如果液体

流量再增大，则平衡时转子所处的位置更高；反之则相反。

因此，根据转子悬浮的高低就可测知液体流量的大小。

转子流量计第18页，共36页，2023年，2月20日，星期六故障现象可能原因处理方法显示偏低正压则切断阀未打开或正导压管堵打开切断阀，透通导压管平衡阀关不严关严平衡阀或更换三阀组显示偏高负压则切断阀未打开或负导压管堵打开切断阀，透通导压管导压管内隔离液被介质置换重新加注隔离液，使两导压管内充满隔离液显示跳动被测介质压力波动大关小阀门开度安装位置震动大可安装减震器或移到震动小的地方显示不变化导压管堵透通导压管导压管切断阀未打开打开切断阀显示误差大变送器与仪表量程设置不一致重新设置量程检测元件损坏更换压力计零点量程调跑了重新调校压力计没有开方运算设置开方运算第19页，共36页，2023年，2月20日，星期六1、分类物位测量仪表的种类很多，按液位、料位和界位来可分：（1）液位仪表：浮力式（浮筒、浮球、浮标、沉筒）、静压式（压力式、差压式）、电容式、电感式、电阻式、超声波式、微波式等。（2）界位仪表：浮力式、差压式、电极式、超声波式等。（3）料位仪表：重锤探测式、音叉式、超声波式、激光式、放射性式等。2、浮力式液位计浮力式液位计有两种。一种是维持浮力不变的液位计，称为恒浮力式液位计，如浮球、浮标式液位计等。另一种是在检测过程中浮力是发生变化的，称为变浮力式液位计，如沉筒式液位计等。

物位仪表第20页，共36页，2023年，2月20日，星期六（1）恒浮力式液位计恒浮力式液位计是利用浮子本身的重量和所受的浮力均为定值，并使浮子始终漂浮在液面上，并随液面的变化而变化的原理来测量液位的。（2）变浮力式液位计变浮力式液位计的检测元件是沉浸在液体事的浮筒。它随液位变化而产生浮力的变化，去推动气动或电动元件，发出信号给显示仪表，以指示被测液面的值。图示为位移平衡浮筒式液位变送原理图。当液位发生变化时，浮筒1（又称沉筒）本身的重力与所受的浮力的不平衡力，经杠杆2传至扭力管3，而扭力管产生转角弹性变形，由心轴4传出，经推板5传到霍尔片6，转换成霍尔电势，经功率放大后转换成统一的标准电信号输出，以远传给显示仪表指示。

第21页，共36页，2023年，2月20日，星期六（3）差压式液位计差压式液位是利用容器内的液位改变时，液柱产生的静压也相应变化的原理而工作的。图为差压式液位计测量原理图。当差压计一端接液相，另一端接气相时，根据液体静力学原理，有：Pb=Pa+ρgH式中H------液位高度ρ------被测介质密度g--------被测当地的重力加速度所以有：△P=Pb-Pa=ρgH在一般情况下，被测介质的密度和重力加速度都是已知的，因此，差压计测得的差压与液位的高度H成正比，这样就把测量液位高度的问题变成了测量差压的问题。

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(4)翻板液位计翻板液位计的翻板是由导磁的薄铁皮制成。垂直排列，并各自能绕框架上的小轴翻转（如图）。翻板一面涂红漆，另一面涂银灰色漆。工作时，液位计的连通管经法兰与容器相连通，构成一连通器。连通器中间有浮标，它随液位的变化而变化。浮标中间有一磁钢，其位置正好与液面一致。当液位上升时，磁钢将吸引翻板，并将它们逐个翻转，使红的一面在外边；下降时，又将它们翻过来，使银灰的一面在外边。即以颜色表示液位高低。第23页，共36页，2023年，2月20日，星期六故障现象可能原因处理方法显示偏低或不变化沉筒脱落或漏；浮球脱落修复沉筒、浮球或更换沉筒沉筒扭力管被污物卡住清理异物显示偏高筒底部有污物排污显示误差大变送器与仪表量程设置不一致重新设置量程检测元件损坏更换压力计零点量程调跑了重新调校压力计第24页，共36页，2023年，2月20日，星期六1、概含执行器常称为调节阀，它由执行机构和调节机构两部分组成。其中执行机构是调节阀的推动部分，它按控制信号的大小产生相应的推力，通过阀杆使调节阀阀蕊产生相应的位移。调节机构是调节阀的调节部分，它与调节介质直接接触，在执行机构的推动下，改变阀蕊与阀座间的流通面积，从而达到调节流量的目的。2、分类执行器按其能源形式分气动、电动、液动三大类。气动执行器按其执行机构形式分薄膜式、活塞式和长行程式。电动和液动执行器按执行机构的运行方式分为直行程和角行程两类。

执行器第25页，共36页，2023年，2月20日，星期六

气动薄膜执行机构是应用最广泛的执行机构，它接受0.02~0.1MPa气动信号。它正作用和反作用两种形式，当信号压力增加时推杆向下移动的叫正作用执行机构。信号压力增加时推杆向上移动的叫反作用执行机构。

气动薄膜（有弹簧）的薄膜的有效面积越大，执行机构的推力和位移也越大。气动活塞式（无弹簧）执行机构随气缸两侧压差而移动。因为没有反力弹簧抵消推力，所以有很大的输出推力，适用于高静压、高差压的工艺场合。第26页，共36页，2023年，2月20日，星期六调节机构调节机构又称阀。种类很多，根据结构、用途来分，其基本形式是直通单座阀、直通双座阀、蝶阀、三通阀、偏心旋转阀、套筒阀、角形阀等。

（1）直通单座阀：阀体内只有一个阀蕊和阀座，阀杆带动阀蕊上下移动来改变阀蕊与阀座之间的相对位置，从而改变流体流量。其主要优点是泄漏量小。（2）直通双座阀：阀体内只有两个阀蕊和阀座，阀杆带动阀蕊上下移动来改变阀蕊与阀座之间的相对位置，从而改变流体流量。其主要优点是适用压差比同口径单座阀大。第27页，共36页，2023年，2月20日，星期六（3）蝶阀：又称翻板阀，由于阀板在阀体内旋转的角度不同，使阀的流通面积不同，从而调节流体流量。其主要优点是适用于大口径、大流量和浓稠浆液及悬浮粒的场合。（4）偏心旋转阀：又称凸轮挠曲阀，简称偏心阀。球面阀蕊6连在柔臂7上与轮毂8相接，轮毂与转轴4用键滑配，转轴带动球面阀蕊旋转改变流体流量。工作时转轴的运动是由气动执行机构驱动的，推杆的运动通过曲柄传给转轴。其主要优点是流路阻力小，可调比大，适用大压差、严密封的场合和粘度大及有颗粒介质的场合。第28页，共36页，2023年，2月20日，星期六单回控制1、控制系统中常用的名词术语被控对象：自动控制系统中需要控制的生产过程、设备或机器等。被控变量：被控对象内要求保持设定数值的工艺参数。如锅炉水位。操纵变量：受控制器操纵的，用以克服干扰的影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量。如锅炉给水。扰动量：除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。设定值：被控变量的预定值。偏差：被控变量的设定值与实际值之差。2、分类控制系统总的来可分为两大类:即开环系统和闭环系统。开环系统的输出信号不反馈到系统的输入端，因而也不对控制作用产生影响的系统，称为开环控制系统。第29页，共36页，2023年，2月20日，星期六

闭环系统的输出通过测量变送环节，又反回系统的输入端，与给定信号比较，以偏差的形式进入调节器，对系统起控制作用，整个系统构成一个封闭的反馈回路，这种控制系统被称为闭环控制系统。3、简单控制系统简单控制系统又称单回路控制系统，是指由一个被控对象、一个测量变送器、一个调节器一个调节阀所组成的单回路闭合控制系统。第30页，共36页，2023年，2月20日，星期六4、调节器调节器是将变送器来的测量信号与给定值进行比较后，对偏差信号按一定的调节规律进行运算，并将运算的结果以统一的信号输出，去控制执行器动作。调节器最基本的调节规律有：比例调节规律、积分调节规律、微分调节规律、比例积分调节规律、比例微分调节规律、比例积分微分调节规律。（1）比例调节规律其输出信号p与输入偏差信号e之间成比例关系，即p=kPe比例度与放大倍数kP成反比,kP越大，比例作用越强。优点：控制及时。缺点：存在余差，所谓余差就是指过渡时间终了时，被控变量所达到的新的稳态值与设定值之间的差值。余差的值随着调节器的放大倍数Kp的增大而减小，但是余差不能靠放大倍数的增大而完全消除。为了消除余差，必须引进积分作用。第31页，共36页，2023年，2月20日，星期六（2）积分调节规律其输出信号p与输入偏差信号e的积分成正比。积分时间Ti=1/KI越短，积分作用越强，消除余差越快，Ti太小，系统振荡加剧。优点：消除余差。缺点：控制不及时,常与比例组合起来用。（3）微分调节规律控制器的输出信号与偏差信号的变化速度成正比，微分时间TD越大，微分作用越强。优点：超前控制。缺点：其输出不能反映偏差的大小，不能单独用第32页，共36页，2023年，2月20日，星期六调节器控制规律的选择

目前工业上用的控制器主要有三种控制规律：比例控制控制规律（P）