过程控制系统习题和答案

PAGE..过程控制系统习题和答案四、测温元件的安装接触式测温仪表所测得的温度都是由测温〔感温元件来决定的。在正确选择测温元件和二次仪表之后,如不注意测温元件的正确安装,测量精度仍得不到保证。工业上一般是按下列要求进行安装的。⒈测温元件的安装要求⑴在测量管道温度时,应保证测温元件与流体充分接触,以减少测量误差。因此要求安装时测温元件应迎着被测介质流向插入,至少须与被测介质正交〔成90?,切勿与被测介质形成顺流。如图14.3-15所示。⑵测温元件的感温点应处于管道中流速最大处。一般来说,热电偶、铂电阻、铜电阻保护套管末端应分别越过流束中心线5~10mm、50~70mm、25~30mm。⑶测温元件应有足够的插入深度,以减小测量误差。为此,测温元件应斜插安装或在弯头处安装。如图14.3-16所示.⑷若工艺管道过小<直径小于80mm>,安装测温元件处应接装扩大管,如图14.3-17所示.⑸热电偶、热电阻的接线盒面盖应向上,以避免雨水或其它液体、脏物进入接线盒中影响测量。如图14.3-18所示。⑹为了防止热量散失,测量元件应插在有保温层的管道或设备处。⑺测温元件安装在负压管道中时,必须保证其密封性,以防止外界冷空气进入,使读数降低。⒉布线要求⑴按照规定的型号配用热电偶的补偿导线,注意热电偶的正、负极与补偿导线的正、负极相连接,不要接错。⑵热电阻的线路电阻一定要符合所配二次仪表的要求。⑶为了保护连接导线与补偿导线不受外来的机械损伤,应把连接导线或补偿导线穿入钢管或走槽板内。⑷导线应尽量避免有接头。应有良好的绝缘。禁止与交流电线合用一根穿线管,以免引起感应。⑸导线应尽量避开交流动力电线。⑹补偿导线不应有中间接头,否则应加装接线盒。另外,最好与其它导线分开敷设。五显示仪表凡是能将生产过程中各种参数进行指示、记录或累积的仪表统称为显示仪表〔或称为二次仪表。⒈显示仪表的分类

显示仪表按照显示的方式来分,可分为模拟式、数字式和屏幕显示式三种。⑴模拟式显示仪表模拟式显示仪表是以仪表的指针〔或记录笔的线性位移或角位移来模拟显示被测参数连续变化的仪表。这类仪表由于要使用磁电偏转机构或机电式伺服机构,因此测量速度较慢、测量精度低、难以准确读数。但由于其结构简单、工作可靠、价廉且又能反映出被测参数的变化趋势,因而目前大量地应用于工业生产中。⑵数字式显示仪表数字式显示仪表是直接以数字形式显示被测参数大小的仪表。其特点是测量速度快、精度高、读数直观准确,便于和计算机等数字化装置联用,因而近年来得到迅速发展。⑶屏幕显示仪表是一种与计算机联用的新型显示装置,可以把生产过程中的工艺参数以文字、符号和图形等形式在屏幕上显示出来。它具有模拟式显示仪表和数字式显示仪表的两种特点。⒉模拟式显示仪表工业上常用的模拟式显示仪表有动圈式显示仪表和自动平衡式显示仪表。⑴动圈式显示仪表动圈式显示仪表具有结构简单、价格低廉、灵敏度高等优点。其输入信号为直流毫伏信号,因此可以与热电偶或热电阻等测温元件配合,作为温度显示、控制之用；也可以与其它变送器配合,用来测量、控制其它参数。如XCZ型动圈表可用作参数指示；而XCT型动圈表除可参数指示外,还有控制参数的功能。测量机构及作用原理动圈式仪表测量机构核心部件是一个磁电式毫伏计。其中动圈是用具有绝缘层的细铜线绕成的矩形框,如图14.3-19所示。用张丝把它吊置在永久磁钢的空间磁场中。当测量信号〔即直流毫伏信号通过张丝加在动圈上时,便有电流通过动圈。此时载流线圈将受到磁场力作用而转动,动圈的转动使作为其支承的张丝发生扭转,张丝就产生反抗动圈转动的反力矩,该反力矩随张丝扭转角的增大而增大。当两力矩平衡时,动圈就停留在某一位置上。由于动圈的位置与输入毫伏信号相对应,当面板直接刻成温度标尺时,装在动圈上的指针就指示出被测对象的温度数值。⑵自动平衡式显示仪表常用的自动平衡式显示仪表有自动电子电位差计和自动电子平衡电桥。要求重点掌握自动电子电位差计的工作原理。⑴手动式电子电位差计电子电位差计根据"电压补偿原理"工作的,如图14.3-20所示。图中Et为被测热电势,滑线电阻W与稳压电源E组成一闭合回路,因此流过W上的电流I是恒定的,这样一来就可以将W的标尺刻成电压数值。G为检流计。当移动滑动触点C使通过检流计的电流为零时,UBC应等于Et,因此滑动触点C所指的刻度即为被测电压Et。⑵自动电子电位差计自动电子电位差计就是根据上述电压平衡原理进行工作的。与手动式电子电位差计不同,它用可逆电机及机械传动机构代替人工进行电压平衡操作,用放大器代替检流计来检测不平衡电压,并控制可逆电机的工作。图14.3-21是自动电子电位差计的原理图。当热电势Et与已知的直流压降UBC相比较时,若Et≠UCB,其比较之后的差值〔即不平衡信号经放大器放大后,输出足以驱动可逆电机的功率,使可逆电机通过机械传动机构去带动滑动触点C的移动,直到Et=UCB为止。这时放大器输入端的输入信号为零,可逆电机不再转动,测量线路达到了平衡,这样UCB就可以代表被测量的Et值。⒊数字式显示仪表⑴数字式显示仪表的分类①按输入信号形式划分,可分为电压型和频率型两类。所谓电压型是指输入信号是电压或电流信号,而频率型是指输入信号是频率、脉冲或开关信号。②按输入信号的点数划分,可分为单点和多点两种。③按显示位数划分,可分为3位半和4位半等多种。所谓半位的显示是指最高位是1或0。如位显示范围为-1999~+1999。⑵数字式显示仪表的基本组成数字式显示仪表的组成一般包括前置放大、非线性校正或开方等运算电路、模-数〔A/D转换、标度变换及显示装置等部分,其组成框图如图14.3-22所示。①前置放大电路输入信号往往很小〔一般是毫伏级,必须经前置放大电路放大至伏级电压幅度,才能供线性化电路或A/D转换电路工作。有时输入信号夹带测量噪音〔扰动信号,因此也可以在前置放大电路中加上一些滤波电路,抑制扰动影响。②非线性校正或开方等运算电路许多检测元件〔如热电偶、热电阻具有非线性特性,须将信号经过非线性校正或开方等运算电路的处理后成线性特性,以提高仪表的测量精度。③模-数〔A/D转换电路数字式显示仪表的输入信号多数为连续变化的模拟量,须经A/D转换电路将模拟量转换成断续变化的数字量。A/D转换是数字式显示仪表的核心。A/D转换电路种类较多,常见的有双积分型、脉冲宽度调制型、电压/频率转换型和逐次比较型等。④标度变换电路标度变换电路的作用是对被测信号进行量纲换算,使仪表能以工程量形式显示被测参数的大小。⑤数字显示电路数字显示电路的数字显示方法很多,常用的有发光二极管显示器〔LED和液晶显示器〔LCD。[例14.3-4]现用一支镍铬-铜镍热电偶测量某换热器内的温度,其冷端温度为30℃,显示仪表的机械零位在0℃,这时指示值为400℃,则该换热器内的温度应是多少？〔A430℃

〔B420℃

〔C400℃

〔D422.5℃正确答案：〔D题解：由于该热电偶的冷端温度为30℃,在测温时所产生的热电势为E<t,30>,应等于测量仪表所接收到的热电势,即E<t,30>=E<400,0>=28943?V,看表14.3-5。而E<30,0>=1801?V,可知

E<t,0>=E<t,30>+E<30.0>=28943+1801=30744?V〔A为错误答案。查分度表可得E<430,0>=31350?V,因此换热器内的温度不是430℃。〔B也为错误答案。因E<420,0>=30546?V,而E<400,0>=28943?V。〔C也是错误答案。查表换算可得出换热器内的温度为〔D是正确答案。[例14.3-5]用Cu50的铜电阻测温,测得其热电阻Rt为80Ω,已知R0=50Ω,R100=71.4Ω,该测温点的实际温度为：〔A150℃

〔B130℃

〔C140.2℃

<D>135.5℃正确答案：〔C题解:根据铜电阻的电阻值与温度的关系,

将R0=50Ω,R100=71.4Ω代入,可得因此

即该测温点的实际温度为140.2℃。〔A、〔B、〔D均为错误答案。14.3.4常用流量仪表

一、流量测量仪表的分类测量流量的方法很多,其测量原理和所用的仪表结构形式各不相同。一般可分为三大类。⑴速度式流量计这类流量计是以测量流体在管道内的流速作为测量依据来计算流量的。例如差压式流量计、转子流量计、电磁流量计、涡轮流量计、堰式流量计等。⑵容积式流量计这类流量计是以单位时间内所排出的流体的固定容积的数目作为测量依据来计算流量的。例如椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、活塞式流量计等。⑶质量流量计这类流量计是以测量流体流过的质量M为依据的。质量流量计分为直接式和间接式两种。直接式质量流量计直接测量质量流量,例如量热式、角动量式、陀螺式和科里奥利力式等质量流量计。间接式质量流量计是用密度与容积流量经过运算求得质量流量的。质量流量计的测量精度不受流体的温度、压力、粘度等变化影响,是一种发展中的流量测量仪表。二、差压式流量计⒈测量原理及组成差压式〔也称节流式流量计是基于流体流动的节流原理,利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的。它通常是由能将被测流量转换成压差信号的节流装置和能将此压差转换成对应的流量值显示出来的差压计组成。⒉节流现象与流量基本方程式⑴节流现象流体在有节流装置的管道中流动时,在节流装置前后的管壁处,流体的静压力产生差异的现象称为节流现象。图14.3-23显示孔板前后流体的速度与压力的分布情况。当节流装置形状一定,取压点位置也一定时,根据测得的压差就可以求出流量。节流装置包括节流件和取压装置。节流件是能使管道中的流体产生局部收缩的元件,应用最广泛的是孔板,此外还有是喷嘴、文丘里管等。取压装置应用最广泛的是角接取压〔包括环室取压和单独钻孔取压两种,此外还有法兰取压、径距取压和理论取压等方法。我国国家规定的标准节流件为标准孔板和标准喷嘴,取压方式为角接取压、法兰取压和径距取压。⑵流量基本方程式根据柏努利方程和流体的连续性方程,可推导出流量与压差之间的流量方程式为

式中：α——流量系数,它与节流装置的结构形式、取压方式、孔口截面积与管道截面积之比、雷诺数Re、孔口边缘锐度、管壁粗糙度等因素有关；ε——膨胀校正系数,它与孔板前后压力的相对变化量、介质的等熵指数、孔口截面积与管道截面积之比等因素有关。应用时可查有关手册得到。但对不可压缩的液体,常取ε=1,对于可压缩的气体,ε<1；F0——节流装置的开孔截面积；Δp——节流装置前后实际测得的压力差；ρ1

——节流装置前的流体密度。⒊差压式流量计的使用要求差压式流量计的应用非常广泛,但在现场实际应用时,往往具有较大的测量误差。因此,必须引起注意的是：不仅需要合理的选型、准确的设计计算和加工制造,更要注意正确的安装、维护和符合使用条件等,才能保证差压式流量计有足够的实际测量精度。节流装置的使用要求有：⑴必须注意被测流体工作状态的变动。如果实际使用时被测流体的工作状态〔温度、压力、湿度等以及相应的流体密度、粘度、雷诺数等参数数值与设计计算时有所变动,则必须按新的工艺条件重新进行设计计算,或将所测的数值加以必要的修正。⑵节流装置必须正确安装。按照国标要求,节流装置前后应有一定长度的直管段,流体流向要正确,管道里要全部充满流体,流体必须是单相的等。在使用中要保持节流装置的清洁。⑶导压管应根据国标正确安装,防止堵塞与渗漏。⑷节流装置因长期使用而被冲击、腐蚀可能造成几何形状和尺寸的变化,导致测量值变小。因此应注意检查、维护,必要时应换用新的节流件。⑸应正确安装和使用差压计,以免引起测量误差。[例14.3-6]孔板流量计测得的流量与孔板两侧的哪个物理量成正比？

〔A孔板前后的流体压差

〔B孔板前后流体压差的平方根

〔C孔板前后的流速差

〔D孔板前后流速差的平方根正确答案：〔B题解：〔B为正确答案。孔板流量计的流量公式为Q=ψ,表明测得的流量与孔板前后流体压差的平方根成正比,故此答案正确。〔A、〔C、〔D均为错误答案。孔板是局部阻力元件,其前后的压差与通过孔板的流量的平方成正比,故孔板流量计测得的流量与孔板前后的流体压差的平方根成正比,而不是与孔板前后流体压差、孔板前后的流速差或孔板前后流速差的平方根成正比。三、转子流量计⒈测量原理及组成见图14.3-24,转子流量计基本是由两个部分组成,一个是由下往上逐渐扩大的锥形管〔通常是由玻璃制成的,锥度为40′~3°；另一个是放在锥形管内可自由运动的转子。工作时,流体自下往上流动,作用于转子上一个向上的力,使转子浮起。流量越大,向上的力越大,转子上升越高,转子与管壁间的环隙越大,通过环隙的流体的流速越小,作用在转子上的力反而变小。当流体作用在转子上的力与转子在流体中的重力相等,即处于力平衡时,转子就稳定在一个高度上。这样,转子在锥形管中的平衡位置的高低与被测介质的流量大小相对应。如果在锥形管外沿延其高度刻上对应的流量值,则根据转子平衡位置的高低就可以直接读出流量的大小,这就是转子流量计测量流量的基本原理。转子流量计中转子的平衡条件是

式中

V——转子的体积,常数；

ρt——转子材料的密度,常数；ρf——被测流体的密度,常数；

p1、p2——分别为转子前后流体的压力；

A——转子的最大横截面积,常数；

g——重力加速度,常数。由此可以看出,转子流量计采用恒压降、变节流面积的测量方法,即以压降不变,利用节流面积的变化来测量流量的大小。转子流量计按结构形式分为指示型和远传型两种。指示型用于就地指示；远传型可以将反映流量大小的转子高度转换为电信号进行远传,以显示或记录。⒉转子流量计的流量方程式

式中

φ——仪表常数；h——转子浮起的高度；其它参数如上式。⒊转子流量计的指示值修正转子流量计是一种非标准化仪表,在大多数情况下,可按照实际被测介质进行刻度。但仪表厂为了便于成批生产,是在工业基准状态〔20℃,0.10133MPa下用水或空气进行刻度的。所以在实际使用时,如果工作介质的密度和工作状态不同,必须对流量值按照实际被测介质的密度、温度、压力等参数的具体情况进行修正。⑴测量液体时,如果被测介质不是水,必须按下式对流量刻度进行修正：

式中

Q0——用水标定时的刻度流量；ρw——水的密度；ρt——转子材料的密度；Qf——密度为ρf的被测介质的实际流量；ρf——实际被测介质的密度。⑵测量气体时,如果被测介质不是空气,必须按下式对流量刻度进行修正：

式中

Q1——被测介质的流量,Nm3/h；Q0——按标准状态刻度的显示流量值,Nm3/h；ρ1——被测介质在标准状态下的密度,kg/Nm3；ρ0——校验用介质空气在标准状态下的密度〔1.293kg/Nm3；p1——被测介质的绝对压力,MPa；p0——工业基准状态时的绝对压力<0.10133MPa>;T1——被测介质的绝对温度,K；

T0——工业基准状态时的绝对温度<293K>。四、椭圆齿轮流量计椭圆齿轮流量计属于容式流量计的一种。它对被测流体的粘度变化不敏感,特别适合于测量高粘度的流体〔例如重油、聚乙烯醇、树脂等,甚至糊状物的流量。⒈工作原理及组成椭圆齿轮流量计的测量部分是由两个相互嚙合的椭圆形齿轮A和B、轴及壳体组成。椭圆齿轮与壳体之间形成半月形测量室。如图14.3-25所示。当流体流过椭圆齿轮流量计时,由于要克服阻力将会引起压力损失,从而使进口侧压力p1大于出口侧压力p2。在此压力差的作用下,产生作用力矩使椭圆齿轮连续转动,每转动一周排出四个半月形容积的被测介质。故通过椭圆齿轮流量计的体积流量为

式中

n——椭圆齿轮的旋转速度；V0——半月形测量室容积。由上式可知,在V0已定的条件下,只要测出椭圆齿轮的转速n,再配以一定的传动机构及积算机构,就可记录或指示被测介质的总量。⒉使用特点由于椭圆齿轮流量计是基于容积式测量原理的,与流体的粘度等性质无关,因此特别适用于高粘度介质的流量测量,且测量精度较高,压力损失较小,安装使用也较方便。但在使用时要特别注意被测介质不能含有固体颗粒,更不能夹杂机械物,否则会引起齿轮磨损以至损坏。为此,椭圆齿轮流量计的入口端必须加装过滤器。另外,椭圆齿轮流量计的使用温度有一定的范围,温度过高就使齿轮有卡死的可能。五、涡轮流量计⒈测量原理及组成在流体流动的管道内,安装一个可以自由转动的叶轮,当流体通过叶轮时,流体的动能使叶轮旋转。流体的流速越高,动能就越大,叶轮转速也越高。在规定的流量范围和一定的流体粘度下,转速与流速成线性关系。因此,测出叶轮的转速或转数,就可确定流过管道的流量或总量。涡轮流量计就是利用这一原理进行流量测量的。涡轮流量计的基本结构如图14.3-26所示。涡轮1是用高导磁系数的不锈钢材料制成,叶轮芯上装有螺旋形叶片,流体作用于叶片上使之转动。导流器2是用于稳定流体的流向和支撑叶轮的。磁电感应转换器3是由线圈和磁钢组成,用以将叶轮的转速转换成相应的电信号,以供给前置放大器5进行放大。整个涡轮流量计安装在外壳4上,外壳是由非导磁的不锈钢制成,两端与流体管道相连接。⒉使用特点优点是安装方便,磁电感应转换器与叶片间不需密封,无齿轮传动机构,因而测量精度高,可耐高压,静压可达50MPa。反应快,可测脉动流量。输出信号为电频率信号,便于远传,不受干扰。缺点是涡轮容易磨损,被测介质不能带有机械杂质,否则会影响测量精度和损坏机件。因此,一般应加装过滤器。安装时必须保证前后有一定的直管段,以使流向比较稳定。一般入口直管段的长度取管道内径的10倍以上,出口取5倍以上。六、电磁流量计⒈测量原理与组成电磁流量计是利用电磁感应原理来测量具有导电性的液体介质〔如酸、硷、盐溶液以及含有固体颗粒或纤维液体等的流量。电磁流量计通常由变送器和转换器两部分组成。被测介质的流量经变送器转换成感应电势后,再经转换器把电势信号转换成统一标准信号输出,以便进行指示、记录或与电动单元组合仪表配套使用。电磁流量计变送部分的原理如图14.3-27所示。在一段用非导磁材料制成的管道外面安装有一对磁极N和S,用以产生磁场。根据发电机原理,当导电液体流经管道时,因切割磁力线而产生感应电势。此感应电势由与磁力线成垂直方向的两个电极引出。当磁感应强度不变,管道直径一定时,则感应电势的大小仅与流体的流速有关,而与其它因素无关。将这个感应电势经过放大、转换、传送给显示仪表,就能在显示仪表上读出流量来。电磁流量计的体积流量Q与感应电势Ex的关系由下式决定：

式中

Ex——感应电势；

Kˊ——比例系数；

B——磁感应强度；

D——管道直径；

⒉使用特点电磁流量计的测量导管内无可动部件或突出于管内的部件,因而压力损失很小。在采取防腐衬里的条件下,可用来测量各种腐蚀性液体的流量,也可测量含有颗悬浮物等液体的流量。此外,其输出信号与流量之间的关系不受液体的物理性质〔例如温度、压力、粘度等变化和流动状态的影响。对流量变化反应速度快,故可用来测量脉动流量。电磁流量计只能用来测量导电液体的流量,其导电率要求不小于10-6~10-5L/<cm?Ω>,即不小于水的导电率。不能测量气体、蒸汽及石油制品等的流量。由于液体中所感应出的电势很小,需要引入高倍放大器,因此易受外界电磁场干扰的影响,使用不当时会大大地影响仪表的精度。在使用时要注意维护,防止电极与管道间绝缘的破坏。安装时要远离一切磁源〔例如大功率电机、变压器等。不能有振动。七、漩涡流量计漩涡流量计又称涡街流量计,它可以用来测量各种管道中的液体、气体和蒸汽的流量,目前在油田应用较广。漩涡流量计的特点是测量精度高、测量范围宽、没有运动部件、无机械磨损、维护方便、压力损失小,节能效果明显。测量原理：漩涡流量计是利用有规则的漩涡剥离现象来测量流体流量的仪表。在流体中垂直插入一个非流线形的柱状物〔圆柱或三角柱作为漩涡发生体,如图14.3-28所示。当雷诺数达到一定的数值时,会在柱状物的下游产生如图所示的两列平行状,并且上下交替出现的漩涡,称为"涡街"<或"卡曼涡街">。当两列漩涡之间的距离h和同列的两漩涡之间的距离L之比能满足h/L=0.281时,则所产生的涡街是稳定的。由圆柱体形成的卡曼漩涡,其单侧漩涡产生的频率为：

式中

f——单侧漩涡产生的频率,Hz；

u——流体平均流速,m/s；d——圆柱体直径,m；St——斯特劳哈尔系数〔当雷诺数Re=5×102~15×104时,St=0.2。

由上式可知,当St近似为常数时,漩涡产生的频率f与流体的平均流速u成正比。测得频率f即可求得体积流量Q。14.3.5常用物位仪表测量物位的仪表种类很多,按其工作原理主要有下列几种：⑴直读式

这类仪表主要有玻璃管液位计、玻璃板液位计等。它们是根据流体力学的连通性原理来测量液位的。⑵差压式

这类仪表又可分为压力式和差压式两类。它们是根据液柱或物料堆积对某定点产生压力的原理而工作的。⑶浮力式

这类仪表可分为浮子式、浮球式和沉桶式等几种。它们是利用浮子的高度随液位变化而变化,或液体对沉浸于液体中的浮子〔或沉桶的浮力随液位高度而变化的原理工作的。⑷电磁式

这类仪表可分为电阻式〔即电极式、电容式和电感式等几种。⑸核辐射式

这类仪表是利用核辐射透过物料时,其强度随物质层的厚度而变化的原理工作的,目前应用较多的是γ射线。⑹声波式

这类仪表可根据其工作原理分为声波遮断式、反射式和阻尼式等几种。它们的原理是：由于物料厚度的变化引起声阻抗的变化、声波的遮断和声波反射距离的不同,测出这些变化就可测出物位的变化。⑺光学式

这类仪表是利用物位对光波的遮断和反射原理而工作的。所利用的光源可以有白炽灯光或激光等。一、差压式液位变送器⒈工作原理差压式液位变送器是利用容器内的液位改变时,由液柱产生的静压也相应变化的原理工作的。如图14.3-29所示。设密闭容器内的气相压力为p,则正压室：p1=Hρg+p负压室：p2=p

Δp=p1-p2=Hρg式中

H——液位高度；ρ——介质密度；

g——重力加速度；p1、p2——分别为差压变送器正、负压室的压力。

通常被测介质的密度是已知的,差压变送器测得的差压与液位高度成正比。这样就把测量液位高度转换为测量差压的问题了。当被测容器是敞口的,气相压力为大气压时,只需将差压变送器的负压室通大气即可。若不需要远传信号,也可以在容器底部安装压力表,如图14.3-30所示。根据压力p与液位H成正比的关系,可直接在压力表上按液位进行刻度。⒉零点迁移问题使用差压变送器测量液位时,一般来说,压差Δp与液位高度H之间关系为Δp=Hρg。这是一般的"无迁移"的情况。当H=0时,作用在正负压室的压力是相等的。⑴负迁移在实际测量中,常在差压变送器的正、负压室与取压点之间加装隔离罐,并充以密度为ρ2的中性隔离液,以防止具有腐蚀作用的液体或气体进入变送器而造成对仪表的腐蚀,如图14.3-31所示。此时差压变送器的正、负压室的压力分别为

p1=Hρ1g+h1ρ2g+p

p2=h2ρ2g+p则

Δp=Hρ1g-<h2-h1>ρ2g即当被测液位H=0时,Δpmin=-<h2–h1>ρ2g<0,相当于在负压室多了一项附加压差<h2-h1>ρ2g,此即为负迁移。可通过调整变送器上的零点迁移弹簧来消除该固定压差的作用,使变送器的输出仍为零信号。⑵正迁移当仪表安装高度与容器最低液位〔Hmin=0不在同一水平位置上时,如图14.3-32所示,则正、负压室的压力分别为

p1=Hρg+h1ρg+p

p2=p则

Δp=p1-p2=Hρg+h1ρg式中

h1——差压计正压室到液位起点处的垂直高度。当H=0时,Δpmin=h1ρg>0。对比无迁移情况,相当于在正压室多了一项附加压差h1ρg,此即为正迁移。可通过调整变送器上的零点迁移弹簧来消除该固定压差的作用,使变送器的输出仍为零信号。迁移同时改变了测量范围的上、下限,相当于测量范围的平移,它并不改变量程的大小。例如某差压变送器的测量范围为0~5000Pa,对于DDZ-Ⅲ型差压变送器,当压差由0变化到5000Pa时,变送器的输出将由4mA变化到20mA,这是无迁移情况,如图14.3-33中的曲线a。假定固定压差为<h2-h1>ρ2g=2000Pa,则当H=0时,附加压差ΔP=-2000Pa,此时当压差由-2000Pa变化到3000Pa时,变送器的输出将由4mA变化到20mA,这是负迁移情况,如图14.3-33中的曲线b.假定固定压差为h1ρg=2000Pa,则当H=0时,附加压差Δp=h1ρg=2000Pa,此时当压差由2000Pa变化到7000Pa时,变送器的输出将由4mA变化到20mA,这是正迁移情况,如图14.3-33中的曲线c。⒊用法兰式差压变送器测量液位测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及粘度大、易凝固等液体的液位时,为避免引压管线被腐蚀、被堵塞,应使用在导压管入口处加隔离膜盒的法兰式差压变送器,如图14.3-34所示。作为敏感元件的测量头1〔金属膜盒经毛细管2与变送器3的测量室相通。在膜盒、毛细管和测量室所组成的封闭系统内充有硅油作为传压介质,并使被测介质不进入毛细管与变送器,以免堵塞。法兰式差压变送器按其结构形式又分为单法兰式和双法兰式两种。图14.3-34中所示的为双法兰式,单法兰式只在正压室的导压管入口处加装有隔离膜盒,负压室直接与大气相通,用于测量敞口容器的液位。二、电容式物位传感器测量原理在电容器的极板之间充以不同非导电介质时,电容量的大小也有所不同。因此,可通过测量电容量的变化来测量物位〔包括液位、料位和界面。图14.3-35是由两个同轴圆柱极板组成的电容器,在两圆筒间充以介电常数为ε的介质时,则两圆筒间的电容量表达式为

式中标L——两极板相互遮盖部分的长度；

d、D——圆筒形内电极的外径和外电极的内径。所以,当D和d一定时,电容量C的大小与极板的长度L和介电常数ε的乘积成比例。这样,将电容传感器〔探头插入被测物料中,电极浸入物料中的深度随物位高低变化,必然引起其电容量的变化,从而可检测出物位。[例14.3-7]如图所示,用一台差压变送器测量某容器的液位,其最高液位和最低液位到仪表的距离分别为h1=1m和h2=4m,被测介质的密度为980kg/m3。则变送器的量程和迁移量分别是多少？〔A30kPa、9613.8Pa

〔B28.8kPa、-9613.8Pa

〔C30kPa、-9613.8Pa

〔D28.8kPa、9613.8Pa正确答案：〔A题解：⑴当不考虑迁移量时,变送器的测量范围应根据液位的最大变化范围来计算。

故依据仪表量程规范,可选量程范围为0~30kPa。⑵正、负压室的压力差分别为

正、负压室的压力差为当H=0时,Δpmin=h1ρg>0,故需要正迁移,迁移量为

〔B答案是量程和迁移方向错误；〔C答案是迁移方向错误；〔D答案是量程错误。14.4控制仪表及控制规律要求:掌握各种控制规律及其特点,熟悉比例度、积分时间、微分时间对控制系统的影响,了解控制器参数的工程整定方法。14.4.1基本控制规律及其对系统过渡过程的影响所谓控制器的控制规律是指控制器的输出信号p与输入偏差e之间的关系,即

式中

z——控制器的输入测量值信号；

x——控制器的设定值信号。常用的控制规律有位式控制、比例控制<P>、积分控制<I>、微分控制<D>以及它们的组合控制规律<PI、PD、PID>等。⒈位式控制位式控制的输出只有数个特定的数值,或它们的执行机构只有数个特定的位置。最常见的是双位控制,它的输出只有两个数值<最大或最小>,其执行机构只有两个特定的位置<全关或全开>。位式控制器结构简单、成本较低、易于实现,但其控制作用不是连续变化的,由其所构成的控制系统的被控变量的变化是一个等幅振荡过程而不能稳定在某一数值上。因此位式控制器只能应用在被控变量允许在一定范围内波动的场合,如某些液位控制、恒温箱和管式炉的温度控制、仪表用压缩空气储罐的压力控制等。⒉比例控制⑴比例控制规律<P>比例控制规律<P>是指控制器的输出信号变化量p与输入偏差信号变化量e之间成比例关系,即

式中

Kp——比例放大系数。比例控制器的特性如图14.4-1。比例控制的优点是反应快、控制及时。其缺点是控制结果有余差,因此只能用于控制精度要求不高的场合。⑵比例度δ比例度δ是反映比例控制器的比例控制作用强弱的参数,在数值上等于控制器输入偏差变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数,即式中

xmax-xmin——输入的最大变化量,即仪表的量程；pmax-pmin——输出的最大变化量,即控制器输出的工作范围。

从控制器表面指示看,比例度δ就是使控制器的输出变化满刻度时<即控制阀从全关到全开或相反>,相应的仪表测量值变化占仪表测量范围的百分数。或者说,使控制器输出变化满刻度时,输入偏差变化对应于指示刻度的百分数。比例度δ越大,表示比例控制作用越弱。减小比例度会使系统的稳定性变差,但可减小余差,提高系统的静态准确度。在单元组合仪表中,控制器的输入和输出都是标准统一信号,即xmax-xmin=pmax-pmin,此时比例度δ为

⑶比例度δ对系统过渡过程的影响在比例控制系统中,比例度δ对系统过渡过程的影响见图14.4-2。由图可见,比例度越大<即Kp越小>过渡过程曲线越平稳,但余差也越大；比例度越小,过渡过程曲线越振荡,余差也越小。若比例度过小,则可能出现发散振荡。⒊积分控制<I>和比例积分控制<PI>⑴积分控制<I>积分控制规律是指控制器的输出变化量p与输入偏差e的积分成正比,即

式中KI为积分速度。当输入偏差是常数A时,上式可写成即输出是一直线<见图14.4-3>。由图可见,只要偏差存在,控制器的输出信号就不断变化。偏差存在的时间越长,输出信号的变化量也越大,直到输出达到极限值为止。当偏差为零时,输出就会停止在某一数值上,因此用积分控制器组成的控制系统可以达到无余差。

输出信号p的变化速度与偏差e及KI成正比,而其控制作用是随着时间积累才逐渐增强的,所以控制动作缓慢,会出现控制不及时,因此称积分控制为"滞后控制"。当对象惯性较大时,被控变量将出现大的超调量,过渡时间也将延长,因此常常把比例与积分组合起来,这样既控制及时,又能消除余差。⑵比例积分控制<PI>在比例控制的基础上,再加上积分控制作用,便构成比例积分控制,其输出p与输入e的关系为

经常采用积分时间TI来代替KI,,上式变为

若偏差是幅值为A的阶跃干扰,则可得这一关系如图14.4-4所示。图中阶跃上升部分KPA是比例作用造成的,缓慢上升部分<KP/TI>At是积分作用造成的。积分时间TI是表征积分作用强弱的参数。积分时间TI越小,积分速度KI越大,积分作用越强；反之,积分时间TI越大,积分作用越弱。若积分时间TI为无穷大,就没有积分作用,而成为纯比例控制器了。⑶积分时间对系统过渡过程的影响在比例积分控制系统中,在比例度δ固定的情况下,积分时间TI对过渡过程的影响如图14.4-5所示。TI过大,积分作用不明显,余差消除很慢<曲线3>；TI太小,易于消除余差,但系统振荡加剧<曲线1>；曲线2适宜。大多数系统都可采用比例积分控制器。但当对象滞后很大时,可能控制时间较长,最大偏差也较大；负荷变化过于激烈时,由于积分动作缓慢,使控制作用不及时,此时可增加微分作用。⒋微分控制<D>和比例微分控制<PD>⑴微分控制<D>微分控制规律是指控制器的输出变化量p与输入偏差e的变化速度成正比,即

式中

TD——微分时间。此式表示理想微分控制器的特性,见图14.4-6。若在t0时刻输入一个阶跃信号,则在t0时控制器的输出将为无穷大,其余时间输出为零。这种控制器用在系统中,即使偏差很小,只要出现变化趋势,马上就进行控制,故有"超前控制"之称,这就是它的优点。但它的输出不能反映偏差的大小,。假如偏差固定,即使数值很大,微分作用也无输出,因而控制结果不能消除余差。所以理想微分控制器不能单独使用。在实际应用中,微分控制常与比例控制或比例积分控制结合起来使用。⑵比例微分控制<PD>理想的比例微分控制规律的输出变化量p与输入偏差e的关系为

理想比例微分控制器很难制造,工业上使用的是具有实际比例微分控制规律的控制器,其控制特性如图14.4-7。微分时间TD是用来表征微分控制作用强弱的参数。微分时间TD越大,微分作用越强。当TD=0时无微分作用,比例微分控制器就变为纯比例控制器了。⑶微分时间TD对系统过渡过程的影响微分时间TD对系统过渡过程的影响如图14.4-8所示。当TD太大时,微分作用太强,系统振荡频繁；而TD太小时,微分作用太弱,系统稳定性较好,但余差较大；当TD适当时,最大偏差减小,余差也减小<但并不能消除>,控制时间短,系统的稳定性提高。⒌比例积分微分控制<PID>比例积分微分控制规律是指控制器的输出变化量p与输入偏差e的关系为比例积分微分控制器的特性如图14.4-9所示。从图中可以看出,在PID控制过程中比例作用始终与偏差相对应起控制作用；微分作用具有超前控制,因此起到快速控制作用；而积分作用又能消除余差。只要合理选择δ、TI、TD三参数,就能获得较高的控制质量。PID控制规律综合了各种控制规律的优点,具有较好的控制性能,但这并不意味着它在任何情况下都是最适合的,必须根据过程特性和工艺要求,选择最合适的控制规律。[例14.4-1]某台DDZ-Ⅲ型温度比例控制器,测温范围为200~1200℃。当温度设定值由800℃变化到850℃时,其输出由12mA变化到16mA。则该控制器的比例度δ及放大系数KP分别应是多少？〔A40%、2.5

〔B25%、4

〔C20%、5

〔D80%、1.25正确答案<C>题解：根据比例度的定义,代入相关数据,可得

对于单元组合仪表有

A>、〔B、〔D均为错误答案。[例14.4-2]某流量自动控制系统,用纯比例控制器进行控制。图示为采用不同比例度时系统的过渡过程〔其中曲线b、c为比较满意的控制结果。试判断四条过渡过程曲线中哪一条对应的比例度最大？

图14.4-10纯比例控制系统的过渡过程曲线<A>曲线a

〔B曲线b

〔C曲线c

〔D曲线d正确答案：〔A题解：控制器比例度与其放大系数成反比,比例度越大,系统过渡过程越平稳,但余差也越大。比例度越小,过渡过程振荡越剧烈。由图可以看出其中3曲线的稳态值均在1左右,只有d的稳态值为0.5左右。即其余差明显大于a曲线。故判断其比例度最大,即〔D是正确答案。〔A〔B、〔C、曲线所代表的系统控制器比例度均小于〔D曲线系统,故为错误答案。14.4.2模拟式控制器基本原理控制器的作用是将被控变量的测量值与给定值〔设定值进行比较,然后对比较后得到的偏差进行比例、积分、微分等运算,并将运算结果以一定的信号形式送往执行器,以实现对被控变量的自动控制。在模拟式控制器中,所传送的信号形式为连续的模拟信号。由于气动控制器和DDZ-Ⅱ型电动控制器在大型企业中已不多见,故只讨论DDZ-Ⅲ电动控制器的基本原理。DDZ-Ⅲ型控制器主要由输入电路、给定电路、PID运算电路、自动与手动<包括硬手动和软手动两种>切换电路、输出电路及指示电路等组成,其方块图如图14.4-11所示。图中,控制器接收来自变送器的测量信号<4~20mA或1~5V>,在输入电路中与给定值进行比较,得出偏差信号。然后在PD与PI电路中进行PID运算,最后由输出电路转换为4~20mA直流电流输出。控制器的给定值可由"内给定"或"外给定"两种方式取得,用切换开关K6进行选择。当控制器工作于"内给定"方式时,给定电压由控制器内部的高精度稳压电源取得。当控制器需要由计算机或另外的控制器供给给定信号时,开关K6切换到"外给定"位置上,由外来的4~20mA电流流过250Ω精密电阻产生1~5V的给定电压。14.4.3数字式控制器基本原理数字式控制器与模拟式控制器的构成原理和工作方式有根本的差别,但从仪表总的功能和输入输出关系来看,由于数字式控制器备有模-数<A/D>和数-模<D/A>转换器件,因此两者并无外在的明显差异。⒈可编程序调节器可编程序调节器实际上就是数字式控制器,为了避免与可编程序控制器<PLC>混淆,使用了一个习惯名称——可编程序调节器。它是以微处理器为控制核心,其控制规律可根据需要由用户自己编程,而且可以随时擦除改写以适应系统的变化。在一台可编程序调节器上,能够实现相当于模拟仪表的各种运算器<加、减、乘、除、开方及逻辑运算>和PID控制器的功能,并可进行高、低值选择,同时还配有与上位计算机通信联系的标准接口,能够灵活地适应各种各样的过程控制。该控制器本身还具有自我诊断功能,,万一发生故障,可快速查出异常,并显示故障部位,便于排除故障。⒉可编程序控制器<PLC>可编程序控制器是基于微计算机技术工作的,它主要是用于逻辑控制。它的最大特点是通过编程的方式实现控制,并可通过改变软件来改变控制方式和逻辑规律,同时功能丰富、可靠性强,可组成集散系统或纳入局部网络。与微计算机相比,它的优点是语言简单、编程简便、面向用户、面向现场、使用方便。目前PLC广泛应用于石油、化工、电力、钢铁、机械等各行各业。它除了可用于开关量逻辑控制、机械加工的数字控制、机器人的控制外,也已经广泛应用于连续生产过程的闭环控制。现代大型PLC都配有PID子程序或PID模块,可实现单回路控制与各种复杂控制。PLC采用了典型的计算机结构,其基本组成如图14.4-12所示。主要部分包括中央处理器CPU、存储器和输入、输出接口电路等。其内部采用总线结构,进行数据和指令的传输。14.4.4简单控制系统的结构与组成所谓简单控制系统,通常是指由一个测量元件、变送器、一个控制器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统,因此也称为单闭环控制系统。图14.4-13是简单控制系统的方块图。由图可知,简单控制系统是由四个基本环节组成,即被控对象<简称对象>,测量变送装置、控制器和执行器。从图中可以看出,该系统中有一条从系统的输出端引向输入端的反馈路线,也就是说该系统中的控制器是根据被控变量的测量值与给定值的偏差来进行控制的,这是简单反馈控制系统的特点。简单控制系统的结构比较简单,所需的自动化装置数量少,投资低,操作维护也比较方便,而且在一般情况下,都能满足控制质量的要求。因此,这种控制系统在工业生产中得到了广泛的应用。14.4.5控制器参数的工程整定所谓控制器参数的整定,就是按照已定的控制方案,求取使控制质量最好的控制器参数值。具体来说,就是确定最合适的控制器比例度δ、积分时间TI和微分时间TD。控制器参数整定的方法主要有理论计算法和工程整定法两大类,其中常用的是工程整定法。工程整定法是在已经投运的实际控制系统中,通过实验或探索,来确定控制器的最佳参数。常用的工程整定法主要有下列三种。⒈临界比例度法该法是系统在纯比例作用下运行,通过调整比例度使系统处于等幅振荡〔即临界振荡,得到对应的临界比例度δk和临界振荡周期Tk,然后根据经验公式求取控制器的各参数值。这种方法比较简单,容易掌握和判断,适用于一般的控制系统。但不适用于临界比例度小的系统和不允许产生等幅振荡的系统,否则易影响生产的正常进行或造成事故。⒉衰减曲线法该方法是系统在纯比例作用下运行,通过使系统产生衰减比为4:1或10:1的衰减振荡,得到该衰减曲线对应的比例度δs和衰减周期Ts,然后根据经验公式求取控制器的各参数值。这种方法比较简单,适用于一般情况下的各种参数的控制系统。但对于扰动频繁、记录曲线不规则的系统难于应用。⒊经验凑试法该方法是根据经验数据,先将控制器的参数置于一定的数值上,然后通过不断观察过渡过程曲线,运用δ、TI、TD对过渡过程的影响为指导,按照规定顺序,对δ、TI、TD逐个整定,直到获得满意的过渡过程为止。这种方法简单,适用于各种控制系统,应用广泛。特别是外界扰动作用频繁,记录曲线不规则的控制系统,采用此法最为合适。但此法主要是靠经验,在缺乏实际经验或过渡过程本身较慢时,往往较为费时。14.5执行器要求：了解气动执行器和电动执行器的基本组成、基本结构、特点及应用；掌握控制阀的流量特性、执行器的气开气关形式及控制器的正反作用的选择、控制阀口径的选择。14.5.1执行器的基本组成执行器是自动控制系统中的一个重要的组成部分.它的作用是接收控制器送来的控制信号,改变被控介质的流量,从而将被控变量维持在工艺要求的数值上或在一定的范围内。执行器按其使用能源形式可分为气动、电动、液动三大类。气动执行器用压缩空气做为能源,其特点是结构简单、动作可靠、平稳、输出推力较大、维修方便、防火防爆、价格低廉,因此广泛应用于化工、炼油等生产过程中。在采用电动仪表或计算机控制时,只要经过电-气转换器或电-气阀门定位器将电信号转换为0.02~0.1MPa的标准气压信号,也可以使用气动执行器。而电动执行器的能源取用方便,信号传递迅速,在油田中也在大量使用。执行器基本上是由执行机构和控制机构<阀>两部分组成,如图14.5-1所示。执行机构是执行器的推动装置,它按控制信号的大小产生相应的推力,推动执行机构动作,所以它是将控制信号转换为阀杆位移的装置。控制机构是执行器的控制部分,它直接与被控介质接触,控制流体的流量,所以它是将阀杆的位移转换为流过阀的流量的装置。14.5.2气动薄膜控制阀气动执行器主要由执行机构和控制机构两大部分组成。图14.5-1所示即为气动执行器。根据不同的使用要求,它们又可分为许多不同的形式。气动执行机构主要分为活塞式和薄膜式两种。活塞式执行机构的推力较大,主要适用于大口径、高压降控制阀和蝶阀的推动装置。薄膜式执行机构最为常用,它可以用做一般控制阀的推动装置,组成气动薄膜式执行机构,习惯上称为气动薄膜控制阀。它的结构简单、价格便宜、维修方便、应用广泛。⒈气动薄膜控制阀的执行机构气动薄膜式执行机构有正作用和反作用两种形式<见图14.5-2>。当来自控制器或阀门定位器的信号压力增大时,阀杆向下动作的叫正作用执行机构<ZMA型>；当信号增大时阀杆向上动作的叫反作用执行机构<ZMB型>。现以正作用执行机构为例来说明气动薄膜式执行机构的结构。它是由上下膜盖、波纹膜片、推杆、弹簧、标尺等组成。当来自控制器的气压信号增大时,通过上膜盖上的膜头作用在橡胶膜片上,产生向下的推力增大,使推杆移动并压缩弹簧,当弹簧的反作用力与推力相等时,推杆稳定在某一位置上。执行机构的输出位移与输入气压信号成比例关系。信号压力越大,推杆的位移量也越大,推杆的位移l就是执行机构的直线输出位移,也称行程。当信号压力在0.02~0.1MPa范围变化时,阀杆做全行程动作。行程规格有10、16、25、40、60、100mm等。⒉控制机构控制机构即控制阀,实际上是一个局部阻力可以改变的节流元件。通过阀杆上部与执行机构相连,下部与阀芯相连。由于阀芯在阀体内移动,改变了阀芯与阀座之间的流通面积,即改变了阀的阻力系数,被控介质的流量也就相应地改变,从而达到控制工艺参数的目的。根据不同的使用要求,控制阀的机构型式很多,主要有直通单座阀、直通双座阀、角形阀、三通阀、蝶阀<翻板阀>、隔膜阀、笼式阀<套筒阀>、凸轮挠曲阀<偏心旋转阀>、球阀等。控制阀的阀芯与阀杆间用销钉连接,这种连接形式使阀芯根据需要可以正装<正作用>,也可以反装<反作用>,如图14.5-3所示。14.5.3电动执行器

电动执行器是接收来自控制器的4~20mA的直流电流信号,并将其转换成相应的角位移或直行程位移,去操纵阀门、档板等控制机构,以实现自动控制。电动执行器有角行程、直行程和多转式等类型。角行程电动执行机构以电动机为动力元件,将输入的直流电流信号转换为相应的角位移<0°~90°>,这种执行机构用于操纵蝶阀、档板之类的旋转式控制阀。直行程执行机构接收输入的直流电流信号后,使电动机转动,然后经减速器减速并转换为直线位移输出,去操纵单座、双座、三通等各种控制阀和其它直线式控制机构。多转式电动执行机构主要用来开启和关闭闸阀、截止阀等多转式阀门。各种类型的电动执行机构在电气原理上基本是相同的,只是减速器不一样。下面以角行程的电动执行机构为例说明。角行程执行机构主要由伺服放大器、伺服电动机、减速器、位置发送器和操纵器组成,如图14.5-4所示。其工作过程大致如下：伺服放大器将由控制器来的输入信号与位置反馈信号进行比较,当无信号输入时,由于位置反馈信号也为零,放大器无输出,电动机不转；如有信号输入,且与位置反馈信号比较产生偏差,经放大器放大后,驱动伺服电动机,经减速后使减速器的输出轴转动,直到与输出轴相连的位置发送器的输出信号与输入信号相等为止。此时输出轴就稳定在与该输入信号相对应的转角上,实现了输入电流信号与输出转角的转换。位置发送器是能将执行机构输出轴的位移转变为4~20mADC反馈信号的装置,它的主要部分是差动变压器。电动执行机构不仅可与控制器配合实现自动控制,还可以通过操纵器实现控制系统的自动控制和手动控制的相互切换。当操纵器的切换开关置于手动操纵位置时,由正、反操作按钮直接控制电动机的电源,以实现执行机构输出轴的正转或反转,进行遥控手动操作。14.5.4控制阀的流量特性控制阀的流量特性是指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>之间的关系,式中

相对流量Q/Qmax——控制阀某一开度时的流量与全开时的流量Qmax之比；相对开度

l/L——控制阀某一开度行程l与全开行程L之比。流量特性通常有两种形式,即理想流量特性和工作流量特性。一、理想流量特性指在控制阀前后压差保持不变的条件下得到的流量特性。它取决阀芯的形状,如图14.5-5所示,主要有直线、等百分比<对数>、抛物线及快开等几种。⒈直线流量特性直线流量特性是指控制阀的相对流量与相对开度成直线关系,即单位位移所引起的流量变化是常数。可表示为

式中K为常数,即控制阀的放大系数KV。直线流量特性见图14.5.6中的曲线2。由上式可推得其相对流量与相对位移之间的关系：

式中R为可调比,是控制阀所能控制的最大流量Qmax与最小流量Qmin<一般是Qmax的2%~5%>的比值。国产控制阀的理想可调比为30<隔膜阀为10>。直线流量特性控制阀的特点:由于放大系数KV是一个常数,不论阀杆原来在什么位置,只要阀杆作相同的变化,流量也作相同的变化。因此,直线控制阀在开度较小时流量相对变化量大,这时灵敏度过高,控制作用过强,易产生振荡,对控制不利；在开度较大时相对流量变化量小,这时灵敏度又太低,控制作用缓慢。因此直线控制阀在大开度和小开度的情况下控制性能都较差,不宜用于负荷变化大的场合。⒉等百分比<对数>流量特性等百分比流量特性是指单位相对开度变化所引起的相对流量变化与该点的相对流量成正比关系,即控制阀的放大系数KV随相对流量的增加而增大。可表示为

由上式可推得其相对流量与相对位移之间的关系：

等百分比流量特性见图14.5.6中的曲线4。等百分比流量特性控制阀的特点：从图中可看出,控制阀的放大系数KV随相对开度的增大而增大。因此,在同样的开度变化量下,相对流量小时,其变化量也小,控制平稳缓和；相对流量大时,其变化量也大,控制灵敏有效。⒊抛物线流量特性抛物线流量特性是指阀的相对流量与相对开度之间成抛物线关系。可表示为

抛物线流量特性见图14.5-6中的曲线3。它介于直线特性与等百分比特性之间。⒋快开流量特性这种流量特性是在开度小时就有较大的流量,随着开度的增大,流量很快就达到最大,随后再增大开度时流量的变化就很小了,因此称为快开特性。其特性曲线见图14.5-6中的曲线1。具有快开流量特性的控制阀适用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统。二、工作流量特性在实际生产中,控制阀前后压差总是变化的,这时的流量特性称之为工作流量特性。⒈串联管道的工作流量特性以图14.5-7所示的串联系统为例来讨论,系统的总压差Δp等于管路系统的压差Δp2与控制阀的压差Δp1之和,如图14.5-8所示。以s表示控制阀全开时阀上压差与系统总压差<即系统中最大流量时动力损失总和>之比,以Qmax表示管道阻力等于零时控制阀的全开流量,则可得串联管道以Qmax作参比值的工作流量特性,如图14.5-9所示。图中,当s=1时,

管道阻力损失为零,系统总压差全降在阀上,控制阀的工作特性与理想特性一致。随着s值的减小,直线特性逐渐趋近于快开特性,等百分比特性逐渐趋近于直线特性。因此在实际使用中,一般希望s值不低于0.3~0.5。⒉并联管道的工作流量特性控制阀一般都装有旁路<见图14.5-10>,以便手动操作和维护。当生产量提高或控制阀选小时,只好将旁路阀打开一些,此时控制阀的理想流量特性就改变成为工作特性。显然这时管路的总流量Q等于控制阀流量Q1与旁路阀流量Q2之和,即Q=Q1+Q2。若以x表示并联管道时控制阀全开时的流量Q1max与总管最大流量Qmax之比,则可得到在压差Δp一定,而x为不同数值时的工作流量特性,如图14.5-11所示。由图可见,当x=1,即旁路阀关闭<Q2=0>时,控制阀的工作特性与理想特性相同。随着x值的减小,即旁路阀逐渐打开,虽然阀本身的流量特性变化不大,但可调范围大大降低了。所以,采用旁路阀的控制方案是不好的,一般认为旁路流量最多只能是总流量的百分之几,即x值最小不低于0.8。综合上述串、并联管道的情况,可得如下结论：①串、并联管道都会使阀的理想流量特性发生畸变,串联管道的影响尤为严重。②串、并联管道都会使控制阀的可调范围降低,并联管尤为严重。③串联管道使系统总流量减少,并联管道使系统总流量增加。④串、并联管道会使控制阀的放大系数减小。串联管道时控制阀若处于大开度,则s值降低对放大系数影响更为严重；并联管道时控制阀若处于小开度,则x值降低对放大系数影响更为严重。三、控制阀的选择选用控制阀时,一般要根据被控介质的特点<即温度、压力、腐蚀性、粘度等>、控制要求、安装地点等因素,参考各种类型控制阀的特点合理地选用。在具体选用时,一般应考虑下面几个主要问题。⒈控制阀结构与特性的选择控制阀的结构形式主要是根据工艺条件,如温度、压力及介质的物理、化学特性<如腐蚀性、粘度等>来选择。例如强腐蚀性介质可采用隔膜阀,高温介质可选用带翅形散热片的结构形式等。控制阀的流量特性一般是先按控制系统的特点来选择阀的希望流量特性,然后再考虑工艺配管情况来选择相应的理想流量特性。使控制阀在具体的管道系统中,畸变后的工作流量特性能满足控制系统对它的要求。目前使用较多的是等百分比流量特性。⒉气开式与气关式的选择气动执行器有气开式与气关式两种型式。有信号时阀关,无信号时阀开的为气关式,反之为气开式。由于执行机构有正、反作用,控制阀也有正、反装,因此气动执行器的气关或气开可由此组合而成,如图14.5-12和表14.5-1所示。气开、气关的选择原则：当仪表供气系统发生故障或控制信号突然中断时,应保证生产设备安全和操作人员的安全。如果阀处于打开位置时危害性小,则应选择气关式；反之,则应选择气开式。⒊控制阀口径的选择控制阀口径选择得合适与否将会直接影响控制效果。口径选得过小,会使流经控制阀的介质达不到所需的最大流量。在大的扰动情况下,系统会因介质流量的不足而失控,使控制效果变差,此时若企图通过开大旁路阀来弥补介质流量的不足,则会使阀的流量特性发生畸变；口径选得过大,不仅会浪费设备投资,而且会使控制阀经常处于小开度工作,控制性能也会变差,易使控制系统变得不稳定。控制阀的口径选择是由控制阀的流量系数C值决定的。C的定义为：在给定的行程下,当阀两端压差为100kPa,流体密度为1g/cm3时,流经控制阀的流体流量<以m3/h表示>。控制阀的流量系数C表示控制阀容量的大小,是表示控制阀流通能力的参数。因此,C亦称为控制阀的流通能力。对于不可压缩的流体,且阀前后压差p1-p2不太大<即流体为非阻塞流>时,其流量系数C的计算公式为：

式中

ρ——流体密度,g/cm3；Q——流经阀的流量,m3/h；p1-p2——阀前后的压差,kPa。从上式中可看出,当阀前后压差为100kPa时,流经阀的水<ρ=1g/cm3>流量Q即为该阀的C值。控制阀全开时的流量系数C100称为控制阀的最大流量系数Cmax。Cmax与控制阀的口径大小有着直接的关系。因此,控制阀口径的选择实质上就是根据特定的工艺条件<即给定的介质流量、阀前后的压差及介质的物性参数等>进行Cmax值的计算,然后按控制阀生产厂家的产品目录,选出相应的控制阀口径,使得通过控制阀的流量满足工艺要求的最大流量且有一定的裕量,但裕量不宜过大。C值的计算与介质的特性、流动的状态等因素有关,具体计算时应参考有关计算手册或应用相应的计算机软件。四、控制器正、反作用的选择自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。在执行器、被控对象作用方向已经确定的情况下,控制器的正、反作用的选择就决定着控制系统是否具有负反馈作用。所谓作用方向,是指输入变化后,输出的变化方向。当某个环节的输入增加时,其输出也增加,则称该环节为"正作用"方向；反之,当环节的输入增加时,其输出反而减少,则称该环节为"反作用"。由于测量变送器,其作用方向一般都是"正作用"。因此,在考虑整个控制系统的作用方向时,只需考虑控制器、执行器和被控对象三个环节的作用方向,使它们组合后能起到负反馈的作用。对于控制阀,其作用方向由工艺安全条件决定。气开式为"正作用"方向,气关式为"反作用"方向。对于被控对象,其作用方向由工艺机理确定。当操纵变量增加时,被控变量也增加,则被控对象为"正作用"方向；反之,当操纵变量增加时,被控变量反而减小,则被控对象为"反作用"方向。对于控制器,由于给定值是内部信号,因此其输入信号是被控变量的测量值。当被控变量的测量值增加时,控制器的输出也增加,称其为"正作用"方向；反之,当被控变量的测量值增加时,控制器的输出信号反而减小,则称其为"反作用"。控制器的正、反作用的确定可通过控制器上的正、反作用切换开关来进行。选择控制器正、反作用的一般步骤为：①由操纵变量对被控变量的影响确定被控对象的作用方向；②从工艺安全条件来确定控制阀的气开、气关形式；③在满足系统负反馈控制的各环节<控制器、执行器、被控对象及测量变送器>符号乘积为"负"的条件下,选择控制器的正、反作用方向。[例14.5-1]图14.5-13所示为一换热器温度控制系统,要求物料温度不能过高,否则容易分解,则其执行器和控制器分别应如何选择作用方向？〔A气关阀、正作用

〔B气开阀、反作用〔C气关阀、反作用

〔D气开阀、正作用正确答案：〔B题解：〔1操纵变量〔热剂流量越大,被控变量〔换热器物料出口温度越高,被控对象为正作用〔+。〔2由于要求物料温度不能过高,在控制器失灵而无控制信号或气源断气时,控制阀应处于全关状态,以避免阀门全开导致热剂流量达到最大,温度不断上升而使物料分解,因此控制阀应选气开阀,即正作用〔+。〔3为形成负反馈闭环控制系统,使各环节符号乘积为"负",控制器必须选用反作用〔-。这样才能当换热器出口温度上升时,控制器的输出减小,使阀门开度减小,加热剂流量也随之减小,从而使出口温度下降。〔A答案虽然能够形成负反馈闭环控制系统,但不能确保生产安全,是错误答案。〔C〔D答案不能形成负反馈闭环控制系统,都是错误答案。[例14.5-2]图14.5-14为贮罐液位控制系统,为安全起见,贮罐内液体严禁溢出。当选择流出量QO为操纵变量时,其控制阀和控制器分别应如何选择作用方向？〔A气关式、正作用

〔B气开式、正作用

〔C气关式、反作用

〔D气开式、反作用正确答案：〔C题解：在该系统中,贮罐是被控对象,流出量Q0是操纵变量,贮槽液位高度h是被控变量。①当操纵变量流出量Q0增加时,,被控变量液位高度h下降,因此对象是反作用〔-。②从工艺安全条件出发,为避免当控制信号突然中断时,控制阀全关而导致液体溢出,,执行器应选气关式,即反作用〔-。③为保证控制系统是负反馈,使各环节符号乘积为"负",控制器必须选用反作用〔-。这样才能当液位上升时,控制器的输出减小,从而开大输出阀门,,使液位能降下来。〔A、〔D答案都无法形成负反馈闭环控制系统,都是错误答案。〔B答案虽能形成负反馈闭环控制系统,但不能确保生产安全,也是错误答案。14.6计算机控制系统要求：了解计算机控制系统的基本组成与基本概念。14.6.1计算机控制系统的组成与特点一、计算机控制系统的组成由被控制的生产过程和工业控制计算机所组成的控制系统称为计算机控制系统。在常规仪表组成的控制系统中,如果用计算机代替常规控制器,则可构成计算机控制系统。图14.6-1所示为计算机控制系统的原理图。在计算机控制系统中,由于计算机的输入和输出信号都是数字信号,因此需要有将模拟信号转换为数字信号的A/D转换器以及将数字控制信号转换为模拟信号的D/A转换器。由图可知,计算机是通过各种接口及外部设备与生产过程发生关系,并对生产过程进行数据处理及控制的。图中,被控变量的测量值经传感器或变送器转换成统一的标准信号,再送到A/D转换器后得到数字信号,该数字信号通过接口送入计算机。计算机按预定的控制程序对其进行必要的处理、分析和比较,并按照一定的控制规律进行运算,从而得出控制量的改变值的数字量,再通过D/A转换器得到模拟量,送执行器实现对被控变量的自动控制。从本质上来看,计算机控制系统的控制过程主要包括以下三个内容：①实时数据采集

对被控变量的瞬时值进行检测,并输入计算机；②实时决策

对采集到的数据进行分析,并按预定的控制规律进行运算,根据运算结果,决定进一步的控制决策；③实时控制

根据决策,实时地对控制机构发出控制信号。所谓"实时"是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成。亦即计算机对输入信息,能以足够快的速度进行处理,并在一定的时间内作出反应和进行控制。超过了这个时间,就失去了控制的时机,控制也就失去了意义。计算机控制系统的基本组成如图14.6-2所示。二、各组成部分的功能作为生产过程控制的实时计算机系统主要由硬件部分和软件部分组成。⒈硬件部分主要包括计算机<主机>、外部设备、外围设备、自动化仪表及操作控制台等,它是实现计算机控制的物质基础。⒉软件部分软件部分包括系统软件和应用软件。⑴系统软件包括程序设计系统<用户编制程序所需要的工作程序>、操作系统<对计算机控制系统进行管理、调度的程序>及诊断系统<对计算机进行测试、查错及故障修复的工具性程序>。⑵应用软件为执行具体任务而编制的用户程序,因控制对象的不同而异,一般由用户自行建立,生产厂有时也提供其中的通用部分。它主要包括过程监视程序<巡回检测、数据处理、越限报警及操作台服务程序等>、过程控制程序<描述生产过程、控制规律及实现控制动作的程序等>及公共应用程序<制表打印、服务子程序等>。三、计算机控制系统的特点：与模拟控制系统相比,计算机控制系统具有如下优点：①计算机完全取代模拟控制器,可实现几十个甚至更多的单回路的PID控制,经济合算。②通过编程,能比较容易地实现各种复杂的控制,如串级控制、前馈控制、自动选择性控制、具有较大纯滞后对象的控制等。当控制要求发生变化时,可通过重新编程来适应控制要求的改变而不必改动硬件结构。③把显示、记录、报警和设定值的设定等都集中在操作控制台上,给操作人员带来很大方便。通过控制台,可以进行修改设定值、调整报警极限、查看过程变量、修改控制算法中的参数、改变控制规律等操作。其缺点是：要求工业控制计算机的可靠性高。在比较重要的场合,应配备后备系统,否则会直接影响生产。14.6.2直接数字控制<DDC>系统直接数字控制系统<DirectDigitalControlSystem>简称DDC系统,它是用一台工业计算机配以适当的输入输出设备,从生产过程中经输入通道获取信息,按照预先规定的控制算法<如PID、内回流等>计算出控制量,并通过输出通道直接作用在执行机构上,实现对整个生产过程的闭环控制。通常它有几十个控制回路。DDC系统是微型机在工业上应用最普遍最基本的一种方式。从控制方式来说,可以说它是一种由微型计算机代替常规控制器所组成的一种简单的计算机控制系统。其原理可由图14.6-1表示。其基本组成也可用图14.6-2表示。14.6.3集散控制系统<DCS>一、基本概念及组成分布式控制系统<DistributedControlSystem>简称DCS,在我国有一个意译的名称,叫做集散控制系统,意思是说,这种系统在信息上是集中管理的,在控制上是分散的。这种既集中又分散的控制方式使它既有计算机控制系统控制算式先进、精度高、响应速度快的优点,又有常规仪表控制系统安全可靠、维护方便的优点。集散系统在结构上是一种分层次的控制装置。基本控制器完成现场各子系统的现场直接控制任务；监控计算机则通过协调各基本控制器的工作,达到过程的动态优化；管理或调度计算机则完成制定生产计划、产品管理、财务管理、人员管理以及工艺流程管理等一系列来自组织层的任务。集散控制系统的品种繁多,但其基本结构是类同的。图14.6-3是集散控制系统的基本组成示意图。它主要由基本控制站、数据采集站、CRT操作站、上位计算机和数据通道组成。大规模的DCS系统,上位计算机除执行监控职能外,还有更上一层管理或调度计算机。小规模的DCS系统可不带上位计算机和CRT操作站。二、DCS的各组成部分⒈基本控制站基本控制器是集散系统中最基本的控制单元。它可以与操作面板配合组成最小规模的控制系统,这种控制系统可以代替模拟式控制器的工作,控制回路有2~64个。它还可以直接挂在高速数据通道上,组成更大规模的控制系统。基本控制站采用功能模块组件组装式的总线结构。其控制算法有7~212种,除了进行基本的PID控制外,还可以进行位式控制、串级控制、选择性控制以及逻辑控制等。为了提高可靠性,基本控制站一般都有冗余配置,主设备与备用设备之比<备份比>一般为1∶1~8∶1。⒉数据采集站数据采集站又称为过程输入输出接口,它是为过程中的非控制变量专门设置的数据采集系统。它不但能完成现场数据的采集及预处理,而且还能对实时数据进一步加工处理,供CRT操作站显示和打印,实现开环集中监视。它要求采集系统的容量大、采样速率高,能适用于不同类型的过程变量和各种工艺条件。为了减轻通信系统的负担,一般采用"非正常情况报告"的传送方式,由接口单元自身对采集的数据进行预处理和存储。⒊CRT操作站作为集散系统的人-机接口装置,CRT操作站一般配有高分辨率大屏幕的彩色CRT、操作员键盘、工程师键盘、打印机、硬拷贝机和大容量存储器。操作站除了执行对过程的监控操作外,系统的组态、编程也可在操作站上进行。为了使操作直观方便,CRT除了有一套标准画面的选择性显示外,一般还有动态流程图显示功能。操作站还有打印输出功能,可以完成部分的生产管理工作,如打印各种日报表、报警表和CRT屏幕拷贝,以及提供特种打印服务。⒋高速数据通道集散系统的特征之一是系统中采用多处理机结构,这就使各处理机之间的联系,特别是上位计算机与各基本控制站的处理机之间的数据传送变得十分重要。为了使各处理机之间的数据能够合理传送,必须将通信系统构成一定的网络,并遵循一定的通信方式才能实现。根据DCS的覆盖范围和管理条件,在DCS中常用的网络结构属于局部网络〔Local—Area—Network的