仪表工取证培训教材

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原理而制成的测压仪表。如图2—9所示，弹性元件分别为弹簧管（a）(b)，膜片(c)，膜盒(d)，波纹管（e）。图2—9常用弹性元件弹簧管压力表的结构原理如图2—10所示。弹簧管l是压力表的测量元件。图中所示为单圈弹簧管,它是一根弯成270o圆弧的椭圆截面的空心金属管子。管子的自由端B封闭,管子的另一端固定在接头9上。当通入被测的压力p后,椭圆形截面在压力p的作用下,将趋于圆形,弹簧管也随之产生向外挺直的扩张变形。使弹簧管的自由端B产生位移。由于输入压力与弹簧管自由端B的位移成正比,所以只要测得B点的位移量,就能反映压力p的大小,这就是弹簧管压力表的基本测量原理。图2—10压力表的结构弹簧管自由端B的位移量一般很小,必须通过放大机构才能指示出来。放大过程如下:弹簧管自由端B的位移通过拉杆2(见图2—10)使扇形齿轮3作逆时针偏转,于是指针5通过同轴的中心齿轮4的带动而作顺时针偏转,在面板6的刻度标尺上显示出被测压力的数值。由于弹簧管自由端的位移与被测压力之间具有正比关系,因此弹簧管压力表的刻度标尺是线性的。游丝7用来克服因扇形齿轮和中心齿轮间的传动间隙而产生的仪表变差。改变调整螺钉8的位置(即改变机械传动的放大系数),可以实现压力表量程的调整。（二）霍尔式远传压力表1．霍尔效应在霍尔片的Z轴方向加一磁感应强度为B的恒定磁场,在Y轴方向加一外电场(接入直流稳压电源),便有恒定电流沿Y轴方向通过。电子在霍尔片中运动时,由于受电磁力的作用,而使电子的运动轨道发生偏移,造成霍尔片的一个端面上有电子积累,另一个端面上正电荷过剩,于是在霍尔片的X轴方向上出现电位差,这一电位差称为霍尔电势,这样一种物理现象就称为“霍尔效应”。如图2—11所示，霍尔片为一半导体(如锗)材料制成的薄片。在霍尔片的长度方向通入控制电流I，在平面法线方向外加磁场B，于是电子在磁场中受洛伦兹力，而向宽度方向偏移，因此在霍尔片两侧分别积累正负电荷并沿宽度方向产生霍尔电场。这一电场对电子产生的力阻止电子偏移。当电场力fE与洛伦兹力fL相平衡时，霍尔输出端电荷积累达到平衡，这就是霍尔效应。当磁感应强度B方向与霍尔片平面法线夹角为θ时，霍尔电压V=KIBcosθ，其中K为霍尔元件灵敏度。当载流子为空穴时，它与电子运动方向相反，而洛伦兹力方向相同，所以产生的霍尔电压极性相反。霍尔元件主要用于磁场、转速、微小位移、加速度等的测量，是放音磁头、磁接近开关、同步传动装置、无刷直流电机、函数发生器、运算器、功率计、调制器、解调器、频谱分析、回转器、隔离器中的重要器件。图2—11霍尔效应原理2．霍尔压力传感器如图2—12所示，它将霍尔元件固定于弹性敏感元件上，在压力的作用下霍尔元件随弹性敏感元件的变形而在磁场中产生位移，从而输出与压力成一定关系的电信号。保持霍尔元件的激励电流不变，而使它在一个均匀梯度的磁场中移动时，它输出的霍尔电势大小就取决于它在磁场中的位移量(如图所示)。磁场梯度越大，灵敏度就越高；梯度变化越均匀，霍尔电势与位移的关系就越接近于线性。霍尔元件结构简单、形小体轻、无触点、频带宽、动态特性好、寿命长，而且已经商品化。霍尔元件用于压力传感器，按照弹性敏感元件的不同有多种结构形式。图a、b中的压力传感器分别采用膜盒和弹簧管作为弹性敏感元件，并由两块半环形五类磁铁产生梯度均匀的磁场。图2—12霍尔压力传感器（三）应变片式压力传感器电阻应变片有金属应变片(金属丝或金属箔)和半导体应变片两类。当应变片产生压缩或拉伸应变时，其阻值减小或增加。应变片阻值的变化，再通过桥式电路获得相应的毫伏级电势输出，并用毫伏计或其他记录仪表显示出被测压力，从而组成应变片式压力计。1．应变式压力传感器金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。金属电阻应变片的内部结构如图2—13所示，是电阻应变片的结构示意图，它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。图2—13应变片的结构图金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示：R=ρ×L/S式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω·cm/m）

S——导体的截面积（cm2）

L——导体的长度（m）我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情况。如图2—14所示为应变式压力传感器。采用金属导体应变片。图2—14应变式传感器的结构原理2．压阻式压力传感器通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。如图2—16所示的是压阻变式压力传感器。图2—15半导体应变片图2—16压阻式压力传感器2—半导体敏感条；2—基底；3—引线；4—引线连接片；5—内引线压阻式传感器是采用集成电路制造技术在半导体基片上直接生成扩散电阻并组成电桥半导体材料通常为硅材料所以压阻式传感器又常称为扩散硅压力传感器。（四）压电压力传感器1．压电效应对某些电介质沿着一定方向加力而使其变形时，在一定表面上产生电荷，当外力撤除后，又恢复到不带电状态，这种现象称为正压电效应。在电介质的极化方向施加电场，电介质会在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外电场去除后，变形或应力随之消失，此现象称为逆压电效应。图2—17石英晶体的压电效应如图2—21所示的石英晶体的压电效应，（a）正负电荷是互相平衡的，所以外部没有带电现象。（b）在X轴方向压缩，表面A上呈现负电荷、B表面呈现正电荷。（c）沿Y轴方向压缩，在A和B表面上分别呈现正电荷和负电荷压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。图2—18压电压力传感器的结构优点：转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、固有频率高、动态特性好、工作温度高达550℃（压电系数不随温度而改变）、工作湿度高达100%、稳定性好。2．瓷压力传感器原理及应用抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥闭桥，由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0/3.0/3.3mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿0～70℃，并可以和绝大多数介质直接接触。陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40～135℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度大于2kV，输出信号强，长期稳定性好。高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。3．蓝宝石压力传感器原理与应用利用应变电阻式工作原理，采用硅-蓝宝石作为半导体敏感元件，具有无与伦比的计量特性。蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成，不会发生滞后、疲劳和蠕变现象；蓝宝石比硅要坚固，硬度更高，不怕形变；蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘特性（1000OC以内），因此，利用硅-蓝宝石制造的半导体敏感元件，对温度变化不敏感，即使在高温条件下，也有着很好的工作特性；蓝宝石的抗辐射特性极强；另外，硅-蓝宝石半导体敏感元件，无漂移，因此，从根本上简化了制造工艺，提高了重复性，确保了高成品率。用硅-蓝宝石半导体敏感元件制造的压力传感器和变送器，可在最恶劣的工作条件下正常工作，并且可靠性高、精度好、温度误差极小、性价比高。三．流量测量及仪表测量流体流量的仪表统称为流量计或流量表．流量计是工业测量中重要的仪表之一。随着工业生产的发展，对流量测量的准确度和范围的要求越来越高，流量测量技术日新月异．为了适应各种用途，各种类型的流量计相继问世。目前已投入使用的流量计已超过100种。从不同的角度出发，流量计有不同的分类方法。常用的分类方法有两种，一是按流量计采用的测量原理进行归纳分类：二是按流量计的结构原理进行分类。按测量原理分类：(1)力学原理：属于此类原理的仪表有利用伯努利定理的差压式、转子式；利用动量定理的冲量式、可动管式；利用牛顿第二定律的直接质量式；利用流体动量原理的靶式；利用角动量定理的涡轮式；利用流体振荡原理的旋涡式、涡街式；利用总静压力差的皮托管式以及容积式和堰、槽式等等。(2)电学原理：用于此类原理的仪表有电磁式、差动电容式、电感式、应变电阻式等。(3)声学原理：利用声学原理进行流量测量的有超声波式．声学式(冲击波式)等。(4)热学原理：利用热学原理测量流量的有热量式、直接量热式、间接量热式等。(5)光学原理：激光式、光电式等是属于此类原理的仪表。(6)原于物理原理：核磁共振式、核幅射式等是属于此类原理的仪表．(7)其它原理：有标记原理(示踪原理、核磁共振原理)、相关原理等。按流量计结构原理分类：

按当前流量计产品的实际情况，根据流量计的结构原理，大致上可归纳为以下几种类型：（一）容积式流量计容积式流量计相当于一个标准容积的容器，它接连不断地对流动介质进行度量。流量越大，度量的次数越多，输出的频率越高。容积式流量计的原理比较简单，适于测量高粘度、低雷诺数的流体。根据回转体形状不同，目前生产的产品分：适于测量液体流量的椭圆齿轮流量计、腰轮流量计(罗茨流量计)、旋转活塞和刮板式流量计；适于测量气体流量的伺服式容积流量计、皮膜式和转简流量计等。图2—19椭圆齿轮流量计由图2—19可见，该流量计由两椭圆齿轮相互啮合进行工作，其工作过程简述如下：图中P1表示流量计进口流体压力；表示出口流体压力，显然压力P1大于P2．在图2—19(a)中，下面转子虽然受到流体的压差作用，但不产生旋转力矩，而上面齿轮在两例差压作用下产生旋转力矩而转动．由于两个齿轮互相啮合，故各自以O1，O2为轴心按箭头方向旋转，同时齿轮O1将半月形计量空间的流体排向出口．在图2—19(a)状态时，上齿轮为主动轮，下齿轮为从动轮．在图1－19(b)位置时，两个齿轮均在流体差压作用下产生旋转力矩，并在该力矩作用下沿箭头方向旋转，转变到图2—19(c)所示的位置．这时齿轮位置与图2—19(a)相反，下齿轮为主动轮，上齿轮为从动轮．下齿轮在进出口流体差压作用下旋转，又一次将它与壳体之间的半月型“计量空间”中的流体排出．如此连续不断运动，椭圆齿轮每转一周，就排出四份“计量空间”流体体积．因此，只要读出齿轮的转数，就可以计算出排出的液体量。可计算出排出的流体总量为：

V＝4nv＝2πn（R2－ab）δ

（2－4）式中

n——齿轮的转动次数；

a，b——椭圆齿轮的长半袖，短半铀；δ——椭圆齿轮的厚度．（二）涡轮式流量计涡轮流量计的原理示意图如图2—20所示。在管道中心安放一个涡轮，两端由轴承支撑。当流体通过管道时，冲击涡轮叶片，对涡轮产生驱动力矩，使涡轮克服摩擦力矩和流体阻力矩而产生旋转。在一定的流量范围内，对一定的流体介质粘度，涡轮的旋转角速度与流体流速成正比。由此，流体流速可通过涡轮的旋转角速度得到，从而可以计算得到通过管道的流体流量。图2—20涡轮流量计的原理示意图涡轮的转速通过装在机壳外的传感线圈来检测。当涡轮叶片切割由壳体内永久磁钢产生的磁力线时，就会引起传感线圈中的磁通变化。传感线圈将检测到的磁通周期变化信号送入前置放大器，对信号进行放大、整形，产生与流速成正比的脉冲信号，送入单位换算与流量积算电路得到并显示累积流量值；同时亦将脉冲信号送入频率电流转换电路，将脉冲信号转换成模拟电流量，进而指示瞬时流量值。（三）差压式流量计(变压降式流量计)差压式流量计由一次装置和二次装置组成。一次装置称流量测量元件，它安装在被测流体的管道中，产生与流量(流速)成开放关系的压力差（如图2—21所示），供二次装置进行流量显示和信号的远传。二次装置称变送单元。它接收测量元件产生的差压信号，并将其开方并转换为相应的流量进行显示和远传。差压流量计的一次装置常为节流装置或动压测定装置如2—22图所示(孔板、喷嘴、文丘里管等)。二次装置为各种机械式、电子式、组合式差压计配以流量显示仪表。差压计的差压敏感元件多为弹性元件。由于差压和流量呈平方根关系，故流量显示仪表都配有开平方装置，以使流量刻度线性化。多数仪表还设有流量积算装置，以显示累积流量，以便经济核算。这种利用差压测量流量的方法历史悠久，比较成熟，世界各国一般都用在比较重要的场合，约占各种流量测量方式的70％。发电厂主蒸汽、给水、凝结水等的流量测量都采用这种表计。图2—21差压式流量计的测量原理图2—22常用节流装置（四）变面积式流量计(等压降式流量计)如图2—23，放在上大下小的锥形流道中的浮子受到自下而上流动的流体的作用力而移动。当此作用力与浮子的“显示重量”(浮子本身的重量减去它所受流体的浮力)相平衡时，俘子即静止。浮子静止的高度可作为流量大小的量度。由于流量计的通流截面积随浮子高度不同而异，而浮子稳定不动时上下部分的压力差相等，因此该型流量计称变面积式流量计或等压降式流量计。该式流量计的典型仪表是转子(浮子)流量计。平衡条件：图2—23转子流量计V（ρt-ρf）g＝（P1-P2）AΔP=（P1-P2）＝V（ρt-ρf）g/A在ΔP一定的情况下，流过流量计的流量与环隙面积F0有关。即与转子浮起的高度有关。可用下式表达：由上式可知：流量Q(M)与转子的高度h成正比。（五）动量式流量计利用测量流体的动量来反映流量大小的流量计称动量式流量计．由于流动流体的动量P与流体的密度ρ及流速v的平方成正比，即p∝ρv2，当通流截面确定时，v与容积流量Q成正比，故p∝ρQ2。设比例系数为A，则因此，测得P，即可反映流量Q．这种型式的流量计，大多利用检测元件把动量转换为压力、位移或力等，然后测量流量。这种流量计的典型仪表是靶式（如图2—24所示）和转动翼板式流量计。图2—24靶式流量计（六）冲量式流量计利用冲量定理测量流量的流量计称冲量式流量计，多用于测量颗粒状固体介质的流量，还用来测泥浆、结晶型液体和研磨料等的流量。流量测量范围从每小时几公斤到近万吨。典型的仪表是水平分力式冲量流量计，其测量原理是当被测介质从一定高度h自由下落到有倾斜角θ的检测板上产生一个冲力，冲力的水平分力与质量流量成正比，故测量这个水平分力即可反映质量流量的大小。按信号的检测方式，该型流量计分位移检测型和直接测力型。（七）电磁流量计电磁流量计是应用导电体在磁场中运动产生感应电动势，而感应电动势又和流量大小成正比，通过测电动势来反映管道流量的原理而制成的。其测量精度和灵敏度都较高。工业上多用以测量水、矿浆等介质的流量。可测最大管径达2m，而且压损极小。但导电率低的介质，如气体、蒸汽等则不能应用。图2—25电磁流量计的结构原理图电磁流量计造价较高，且信号易受外磁场干扰，影响了在工业管流测量中的广泛应用。为此，产品在不断改进更新，向微机化发展。（八）超声波流量计超声波多普勒流量计的测量原别是以物理学中的多普勒效应为基础的。根据声学多普勒效应，当声源和观察者之间有相对运动时，观察者所感受到的声频率将不同于声源所发出的频率。这个因相对运动而产生的频率变化与两物体的相对速度成正比。在超声波多普勒流量测量方法中，超声波发射器为一固定声源，随流体一起运动的固体颗粒起了与声源有相对运动的“观察者”的作用，当然它仅仅是把入射到固体颗粒上的超声波反射回接收据。发射声波与接收声波之间的频率差，就是由于流体中固体颗粒运动而产少的声波多普勒频移。由于这个频率差正比于流体流速，所以测量频差可以求得流速。进而可以得到流体的流量。因此，超声波多普勒流量测量的一个必要的条件是：被测流体介质应是含有一定数量能反射声波的固体粒子或气泡等的两相介质。这个工作条件实际上也是它的一大优点，即这种流量测量方法适宜于对两相流的测量，这是其它流量计难以解决的问题．因此，作为一种极有前途的两相流测量方法和流量计，超声波多普勒流量测量方法目前正日益得到应用。（1）超声波物位计超声波物位计的工作原理是由换能器（探头）发出高频超声波脉冲遇到被测介质表面被反射回来，部分反射回波被同一换能器接收，转换成电信号。超声波脉冲以声波速度传播，从发射到接收到超声波脉冲所需时间间隔与换能器到被测介质表面的距离成正比。此距离值S与声速C和传输时间T之间的关系可以用公式表示：S=CT/2由于发射的超声波脉冲有一定的宽度，使得距离换能器较近的小段区域内的反射波与发射波重迭，无法识别，不能测量其距离值。这个区域称为测量盲区。盲区的大小与超声波物位计的型号有关。图2—26超声波流量计的结构图（2）超声（波）流量计在管道上的纵向距离为l的两处安装两组超声波发生器和接收器（图2—26）中的T1、R1和T2、R2）。当流体静止时，声速为c。当流体速度为v时，顺流的声速为c+v，传播时间为t1；逆流的声速为c-v，传播时间为t2。通过测量时间差来测量流速的方法称为时间法。由于时间差非常小，欲测△t需要较复杂的电子线路，为简化测量线路，用测量顺逆两个连续波之间的相位差（ω为─连续波的角频率）来求得流速的方法称为相位差法。这两种方法都需要准确知道声速c，但液体中的声速c随温度变化。为消除因温度差异而产生的误差，可通过测量频率差而求得流速。这种方法称为频率差法。集成电路的发展使超声(波)流量计可普遍使用锁相环路技术，这样就能消除由声速带来的误差，使超声（波）流量计的应用得到推广。（九）流体振荡式流量计流体振荡式流量计是利用流体在特定流道条件下流动时将产生振荡，且振荡的频率与流速成比例这一原理设计的．当通流截面一定时，流速与导容积流量成正比。因此，测量振荡频率即可测得流量．这种流量计是70年代开发和发展起来的．由于它兼有无转动部件和脉冲数字输出的优点，很有发展前途。目前典型的产品有涡街流量计、旋进旋涡流量计。1．涡街流量计的测量原理漩涡流量计又称涡街流量计。漩涡流量计的特点是精确度高、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。漩涡流量计是利用有规则的游涡剥离现象来测量流体流量的仪表。如图2—27，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。当雷诺数达到一定的数值时,会在柱状物的下游处产生两列平行状，并且上下交替出现的漩涡，称为涡街，也称作“卡曼涡街”。当两列游涡之间的距离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、有规律的。管道中流体流过漩涡发生体时，在其后方和两侧会交替地产生有规律的漩涡列，流速U越大，漩涡产生频率f也越大，其关系式为：F=KU/D式中：K──斯特芬哈系数

D──漩涡发生体直径图2—27涡街流量计的原理图它是将测得的微弱的频率信号经电子线路处理成与流速成正比的电脉冲信号由显示仪表显示出流量的瞬时值。漩涡频率是不受流体密度、温度、压力和粘度等的影响，这是它的主要优点。2．旋涡流量计传感器的基本结构主要由壳体，前导向架、轴、叶轮、后导向架和带磁电感应转换器的放大器等组成。前、后导向架安装在壳体中，轴安装在导向架上，导向架上有几片呈辐射的整流片，当流体流过时基本上沿着平行于轴线的方向流动。前，后导向架由压紧圈固定在壳体上，叶轮上均匀分布着叶片，迫使流体进行旋转运动。当被测介质沿管道中轴到达仪表上游入口时，其固定于端部的扇型叶片首先迫使流体进行旋转运动，然后再由旋涡发生体形成旋涡流。由于流体本身具有的动能，旋涡流继续在文丘利管中向前旋进，在流体到达文氏管的收缩段时由于节流作用使得旋涡流动能增加、流速加大，当进入扩散段后，又因回流的作用流体就被迫进行二次旋转。产生的旋涡频率再经频率感测元件(压电晶体)检测、转换及前置放大器的放大、滤波和整形等一系列过程之后，旋涡频率就被转变成了与被测介质流速大小成正比的脉冲信号，然后再与温度、压力等检测信号一起被送往微处理器进行积算处理，最后在LCD上显示出测量结果(标准状况下的瞬时流量、累计流量及温度、压力数据)。其工作原理框图如图2—28所示。图2—28旋涡流量计的结构原理图（十）质量流量计由于流体的容积受温度、压力等参数的影响，用容积流量表示流量大小时需给出介质的参数。在介质参数不断变化的情况下，往往难以达到这一要求，而造成仪表显示值失真。因此，质量流量计就得到广泛的应用和重视。质量流量计分直接式和间接式两种。直接式质量流量计利用与质量流量直接有关的原理进行测量，目前常用的有量热式、角动量式、振动陀螺式、马格努斯效应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计与容积流量直接相乘求得质量流量的。在现代工业生产中，流动工质的温度、压力等运行参数不断提高，在高温高压的情况下，由于材质和结构等方面的原因，直接式质量流量计的应用遇到困难，而间接式质量流量计由于密度计受湿度和压力适用范围的限制，往往也不好实际应用。因此，在工业生产中广泛采用的是温度压力补偿式质量流量计。可把它看作一种间接式质量流量计，不是配用密度计，而是利用温度、压力与密度间的关系，用温度、压力信号经函数运算为密度信号，与容积流量相乘而得到质量流量．目前温度、压力补偿式质量流量计虽已实用化，但当被测介质参数变化范围很大或很迅速时，正确地补偿将很困难或不可能，因此进一步研究在实际生产中适用的质量流量计和密度计还是一个课题。陈上述常用结构原理的流量计比各种结构的流量计很多，如适用于明渠测流的各种堰式流量计、槽式流量计；适于大口径测流的插入式流量计；测量层流流量的层流流量计；适于二相流测量的相关法流量计；以及激光法、核磁共振法流量计和多种示踪法、稀释法测流等。随着科技的发展和实际应用需要，新型流量计将不断涌现流量计的类型将更为齐全。1．质量流量测量原理一台质量流量计的计量系统包括一台传感器和一台用于信号处理的变送器。Rosemount质量流量计依据牛顿第二定律：力=质量×加速度（Ｆ＝ｍａ）图2—29质量流量计测量原理图如图2—29所示，当质量为ｍ的质点以速度V在对P轴作角速度ω旋转的管道内移动时，质点受两个分量的加速度及其力：a.法向加速度，即向心加速度αr，其量值等于2ωr，朝向P轴；b.切向角速度αt，即科里奥利加速度，其值等于2ωV，方向与αr垂直。由于复合运动，在质点的αt方向上作用着科里奥利力Fc=2ωVm，管道对质点作用着一个反向力-Fc=-2ωVm。当密度为ρ的流体在旋转管道中以恒定速度V流动时，任何一段长度Δx的管道将受到一个切向科里奥利力ΔFc：ΔFc=2ωVρAΔx

（1）式中，A—管道的流通截面积。由于存在关系式：mq=ρVA所以：ΔFc=2ωqmΔx

（2）

因此，直接或间接测量在旋转管中流动流体的科里奥利力就可以测得质量流量。图2—30质量流量计（科氏力）的结构传感器内是U型流量管（图2—30），在没有流体流经流量管时，流量管由安装在流量管端部的电磁驱动线圈驱动，其振幅小于1mm，频率约为80Hz，流体流入流量管时被强制接受流量管的上下垂直运动。在流量管向上振动的半个周期内，流体反抗管子向上运动而对流量管施加一个向下的力；反之，流出流量管的流体对流量管施加一个向上的力以反抗管子向下运动而使其垂直动量减少。这便导致流量管产生扭曲，在振动的另外半个周期，流量管向下振动，扭曲方向则相反，这一扭曲现象被称之为科里奥利(Coriolis)现象，即科氏力。根据牛顿第二定律，流量管扭曲量的大小完全与流经流量管的质量流量大小成正比，安装于流量管两侧的电磁信号检测器用于检测流量管的振动。当没有流体流过流量管时，流量管不产生扭曲，两侧电磁信号检测器的检测信号是同相位的（图2—31）；当有流体流经流量管时，流量管产生扭曲，从而导致两个检测信号产生相位差（图2—32），这一相位差的大小直接正比于流经流量管的质量流量。图2—31无流量情况下的传感器信号图2—32有无流量情况下的传感器信号由于这种质量流量计主要依靠流量管的振动来进行流量测量，流量管的振动，以及流过管道的流体的冲力产生了科氏力，致使每个流管产生扭转，扭转量与振动周期内流过流管的质量流速成正比。由于一个流管的扭曲滞后于另一流管的扭曲，质量管上的传感器输出信号可通过电路比较，来确定扭曲量，见图2—33。图2—33质量流量计的信号流程电路中由时间差检测器测量左右检测信号之间的滞后时间。这个“时间差”ΔT经过数字量测量、处理、滤波以减少噪声，提高测量分辨率。时间差乘上流量标定系数来表示质量流量。由于温度影响流管钢性，科氏力产生的扭曲量也将受温度影响。被测量的流量不断由变送器调整，后者随时检测粘在流管外表上的铂电阻温度计输出。变送器用一个三相的电阻温度计电桥放大电路来测量传感器温度，放大器的输出电压转化成频率，并由计数器数字化后读入微处理器。四、液位测量（一）浮球式液位变送器浮球式液位变送器由磁性浮球、测量导管、信号单元、电子单元、接线盒及安装件组成。一般磁性浮球的比重小于0.5，可漂于液面之上并沿测量导管上下移动。导管内装有测量元件，它可以在外磁作用下将被测液位信号转换成正比于液位变化的电阻信号，并将电子单元转换成4～20mA或其它标准信号输出。该变送器为模块电路，具有耐酸、防潮、防震、防腐蚀等优点，电路内部含有恒流反馈电路和内保护电路，可使输出最大电流不超过28mA，因而能够可靠地保护电源并使二次仪表不被损坏。（二）浮简式液位变送器浮筒式液位变送器是将磁性浮球改为浮筒，它是根据阿基米德浮力原理设计的。浮筒式液位变送器是利用微小的金属膜应变传感技术来测量液体的液位、界位或密度的。它在工作时可以通过现场按键来进行常规的设定操作。（三）静压或液位变送器该变送器利用液体静压力的测量原理工作。它一般选用硅压力测压传感器将测量到的压力转换成电信号，再经放大电路放大和补偿电路补偿，最后以4～20mA或0～10mA电流方式输出。（四）电容式物位变送器电容式物位变送器适用于工业企业在生产过程中进行测量和控制生产过程，主要用作类导电与非导电介质的液体液位或粉粒状固体料位的远距离连续测量和指示。电容式液位变送器由电容式传感器与电子模块电路组成，它以两线制4～20mA恒定电流输出为基型，经过转换，可以用三线或四线方式输出，输出信号形成为1～5V、0～5V、0～10mA等标准信号。电容传感器由绝缘电极和装有测量介质的圆柱形金属容器组成。当料位上升时，因非导电物料的介电常数明显小于空气的介电常数，所以电容量随着物料高度的变化而变化。变送器的模块电路由基准源、脉宽调制、转换、恒流放大、反馈和限流等单元组成。采用脉宽调特原理进行测量的优点是频率较低，对周围元射频干扰、稳定性好、线性好、无明显温度漂移等。（五）超声波变送器超声波变送器分为一般超声波变送器（无表头）和一体化超声波变送器两类，一体化超声波变送器较为常用。一体化超声波变更新器由表头（如LCD显示器）和探头两部分组成，这种直接输出4～20mA信号的变送器是将小型化的敏感元件（探头）和电子电路组装在一起，从而使体积更小、重量更轻、价格更便宜。超声波变送器可用于液位。物位的测量和开渠、明渠等流量测量，并可用于测量距离。第三部分：控制仪表知识一．过程控制仪表与装置的分类和特点控制仪表包括控制器、执行器、运算器以及可编程调节器、可编程控制器等。1．按所用能源分类包括气动、电动、液动等。电动仪表和气动仪表应用的最多。气动控制仪表的特点：结构简单，性能稳定可靠，维护方便，价格便宜，并且具有本质安全防爆性能，特别适用于石油、化工等有爆炸危险的场所。电动控制仪表的特点：可以实现无滞后的远距离传送，同时又具有能源简单、便于和计算机配合的特点。由于采取安全火花防爆措施解决了防爆问题，电动仪表同样也能应用于易燃易爆的危险场所，因此在工业生产过程中得到越来越广泛的应用。2．按结构分类基地式仪表：一般与检测装置、显示装置一起组装在一个整体之内，同时具有检测、控制与显示的功能。结构简单、价格低廉、使用方便，通用性差，信号不易传递，一般应用于简单控制系统中。单元组合式：按各组成环节的不同功能和使用要求，将整套仪表分为若干单元，各单元能独立实现某种功能，使用时可以按生产工艺的不同要求挑选需要的单元加以组合，其特点是应用灵活，通用性强，使用维护方便，特别适用于中、小企业的过程控制系统。组件组装式仪表：单元组合仪表的基础上发展起来的一种成套仪表装置，结构上包括控制机柜和显示操作盘两部分，它的主要特点是功能分离，结构组件化，特别适用于要求组成各种复杂控制和集中显示操作的大、中型企业的过程控制系统。3．按信号类型分类模拟式：传输信号通常为连续变化的模拟量，其线路简单，操作方便，价格较低。数字式：它以微型计算机为核心，功能完善，性能优越，能解决模拟式仪表难以解决的问题，满足现代生产过程的高质量控制要求。它可实现连续生产过程、断续生产过程的控制，也可以通过在PLC中加入PID等控制功能，实现批量控制。传输信号为断续变化的数字量。包括现场级数字仪表、可编程调节器、可编程控制器。4．信号制及供电方式气动控制仪表：气源空气压力0.14MPa，以0.02～0.1MPa气压信号作为仪表间的标准联络信号。电动控制仪表：电动Ⅱ型仪表的统一标准联络信号为0～10mA（DC）电流信号，供电电源为220V（AC）电动Ⅲ型仪表统一标准的模拟信号为4～20mA（DC）电流信号和1～5V（DC）电压信号，供电方式为24V（DC）集中供电。二、基本控制规律概述（一）控制规律概述控制规律是指控制器的输出信号与输入偏差信号随时间变化的规律。工程实际中应用最广泛的控制规律为比例（P）、积分（I）、微分（D）控制规律，简称PID控制规律，各种控制器的运算规律均由这些基本控制规律组合而成。1．控制规律的表示形式PID控制器的一般形式为：△y＝f(e)几种常用控制规律的微分方程表达式可分别表示为：比例作用（P）比例积分作用（PI）比例微分作用（PD）比例积分微分作用（PID）（二）PID控制规律对控制过程的影响１．比例控制规律对控制过程的影响当控制器只具有比例控制规律时，称此控制器为比例控制器。比例控制的输出与输入的关系为：δ——比例度（KP——比例放大倍数）是一个重要的系数，它决定了比例控制作用的强弱。δ越小、KP越大，比例控制作用越强。δ越大、KP越小，比例控制作用越弱。比例作用的特点：及时、迅速（控制器的输出与输入成正比，只要有偏差存在，控制器输出就会马上与偏差成比例地变化），但无法消除余差。比例度的选择原则:若对象的滞后较小，时间常数较大以及放大倍数较小，那么可以选择小的比例度来提高系统的灵敏度，从而使过渡过程曲线的形状较好。反之，为保证系统的稳定性，就要选择大的比例度来保证稳定。２．比例积分控制规律对系统控制质量的影响积分作用是指控制器的输出与输入的积分成比例的作用。数学表达式为：只要存在偏差，积分控制器的输出就会不断地随时间积分而增大，只有当偏差为零时，控制器才会停止积分，保持在一定的输出值不变。积分作用的一个图3—1比例度对过渡过程的影响重要优点是能够消除余差。积分时间是指在阶跃信号作用下，控制器积分作用的输出等于比例作用的输出所经历的时间。积分时间TI是一个常数，它可以用来表示积分速度的大小和积分作用的强弱。PI控制器的输出随时间变化的表达式为：图3—2比例积分对阶跃信号的响应图3—3积分时间对过渡过程的影响图3—3表示在同样比例度下积分时间对过渡过程的影响。由图中曲线３可以看出，TI过大时积分作用不明显，余差消除地也慢，从图中曲线１、２可以看出，TI较小时易于消除余差，但系统的振荡加剧。相比之下，曲线２就比较理想。３．比例微分控制规律对系统控制质量的影响理想微分控制器的输出与输入信号的关系为：通常称微分控制为“超前控制”。比例微分输出的大小与偏差变化速度及微分时间ＴＤ成正比。微分作用的强弱用微分时间来衡量。由图3—4可以看出微分时间TD对过渡过程的影响。微分时间越长，微分作用越强。PD控制器的输出与输入的关系如式所示：PD控制优点：能提高系统的响应速度，同时改善过程的动态品质，抑制过渡过程的最大动态偏差，有助于提高系统的稳定性。PD控制不足之处：一般只适应于时间常数较大或多容过程的调节控制，而不适用于流量、压力等一些变化剧烈的过程。其次，当微分作用太强时会导致系统中的控制阀频繁开启，容易造成系统振荡。PD控制一般总是以比例动作为主，微分动作为辅。图3—4微分时间对过渡过程的影响4.PID控制规律PID控制规律是三种控制规律的组合。它吸取了比例控制的快速反应功能、积分控制的消除余差功能和微分控制的超前功能。三．控制仪表（一）显示记录仪表包括：现场显示仪表、控制室显示仪表、无纸记录仪等。现在工业控制中常用的是数字显示仪表（digitaldisplayinstrument）。在生产过程中，它与各种检测仪表配合，可用来显示温度、压力和流量等过程变量，以便进行目视观察、数字记录或数据远传处理，也可用于实验室精密测试等方面。数字显示仪表常见的有机械式和电子式两类。1．机械式数字显示仪表采用齿轮等机械传动装置,将检测仪表和字轮式数字显示器联接起来，由机械联动来反映被测变量的变化，实现位移、转速和流量等变量的数字显示。2．电子式数字显示仪表由晶体管和集成电路等元件构成的电子式仪表。这类仪表按输入信号形式分为电压型和频率型两类。图3—5为数字式显示仪表的原理框图。电压型仪表接受电压或电流信号，它的工作原理是将输入的电压信号,通过模拟—数字转换,变换成相应的断续信号,一般为二～十进制编码信号,然后经数字译码和光电显示器件将数字显示出来。频率型仪表接受脉冲或频率信号，它的工作原理是通过对输入信号进行计数和逻辑控制，累计一定时间间隔内的脉冲数，并将计得的脉冲数转换成相应的二～十进制编码信号,再经译码实现数字显示。也可直接接受来自检测仪表的数字信号，经变换、数据处理后，实现数字显示。3．数字显示仪表的特点读数准确方便，测量速度快，能提供数字信号输出，若配以附加功能还可实现存储记录、测量报警、定值控制等。图3—5数字显示仪表原理框图（二）电动Ⅲ型控制器（调节器）1．电动Ⅲ型控制仪表的特点以线性集成电路为主，大大提高了可靠性，降低了功耗；提高了控制器的操作性能；易于控制器功能的扩展;采用安全火花防爆措施，提高了稳定性和可靠性。同时，DDZ-Ⅲ型PID控制器中采用的运算放大器是高增益高输入阻抗的，因此具有较高的积分增益和良好的保持特性。DDZ-Ⅲ型控制器有两个基型品种，全刻度指示控制器和偏差指示控制器。（1）4～20mA传送1～5V接收国际（IEC）统一标准信号。（2）电气零点与机械零点不重合，易于识别断电、断线故障。（3）采用线性集成电路，仪表性能可靠性提高。（4）24V集中供电有利于安全操作。（5）后备手操器。自动／手动双向无扰动切换。（6）可构成安全火花防爆系统。无扰动切换——输入方式之间或输出方式之间切换时对工艺不产生干扰或扰动。无平衡无扰动切换——切换前无需任何操作直接切换对工艺不会带来扰动。2．电动Ⅲ型控制仪表的结构原理图3—6电动Ⅲ型控制仪表的结构原理图如图3—6所示，输入电路对输入信号和给定信号进行综合比较，获得偏差信号并进行放大，同时实现电平的移动，把以零伏为基准的输入电压转换成以10V参考电压为基准的输出电压信号。比例微分电路（PD电路）的作用是对输入电路的输出信号VO1进行比例微分运算。PI电路的作用是对PD电路的输出信号VO2进行比例积分运算，然后输出以10V为基准的1～5V的电压信号至输出电路经转换和功率放大输出4～20Ma(DC)送至现场控制阀或其他执行器。（三）可编程调节器如图3—7所示，可编程调节器实质上是一台工业控制计算机。其具备以下特点：a、性能/价格比高；b、使用方便；c、灵活性强；d、可靠性高图3—7可编程调节器的结构原理图1、系统软件包括有：过程管理软件、输入/输出处理软件、自诊断、通讯、软件自整定、人—机接口管理软件（固化在ROM中）。2、应用软件运算模块——可供用户调用的具有某种运算功能的标准子程序（固化在ROM中）。用户程序——由用户自己编写（制）用于解决实际控制功能的程序（在EPROM中）。3、几个概念：（1）过程控制软件包——标准子程序库（PID模块、四则运算、逻辑运算模块）（2）运算模块——可供用户调用的具有某种运算功能的标准子程序（3）用户程序——由用户自己编写（制）用于解决实际控制功能的程序（4）组态——将软件包中的模块作适当的选用、连接的工作叫组套——软连接。（5）编程方式包括：在线编程（联机编程）和离线编程（脱机编程）（四）可编程控制器（PLC）１．PLC的硬件组成PLC采用典型的计算机结构，主要由中央处理器、存储器、输入/输出模块、功能模块、电源、编程器等几个部分组成，如图3—8所示。图3—8PLC２．PLC的软件系统⑴系统程序系统程序是PLC赖以工作的基础，采用汇编语言编写，固化在ROM型系统程序存储器中，不需要用户干预。系统程序分为系统监控程序和解释程序。系统监控程序用于监视并控制PLC的工作，解释程序用于把用户的程序解释成微处理器能够执行的程序。⑵用户程序又称为应用程序，是用户为完成某一特定的控制任务而利用PLC的编程语言编制的程序。用户程序通过编程器输入到PLC的用户程序存储器中。为便于程序修改，一般在用户程序编制和调试以及试运行阶段选用电池支持式ＲＡＭ型用户程序存储器好；而在程序定型后，宜选用EEPROM型用户程序存储器，这样既能对程序进行少量调整，又避免了更换电池，可长期使用。３．编程语言各种型号的PLC都有自己的编程语言。通常使用的有梯形图、语句表、逻辑符号图、顺序功能图以及高级编程语言等。⑴梯形图梯形图语言是类似于继电器控制线路图的一种编程语言。a.程序应按从自上而下，从左到右的顺序编制b.每个继电器的线圈和它的触点均用同一编号，每个元件的触点使用时没有数量限制。c.梯形图每一行都是从左边开始，线圈接在最右边（线圈右边不允许再有接触点），如图(a)错，图(b)正确。图(a)图（b）d.线圈不能直接接在左边母线上。e.适当的编制顺序可减少程序步数串联元件多的电路应尽量放在上部并联元件多的电路应尽量靠近母线。梯形图中有双输出时，可适当调整以简化程序。重新安排不能编程的梯形图适当改变不能执行或结构不好的梯形图，可使不能执行的梯形图变得可以执行。使逻辑复杂的梯形图变得逻辑简单，从而简化程序。如下图中桥式电路在PLC中无法执行，经改变成右图后程序变得可以执行。而输出线圈后不能接触点的错误程序经改变成右图后，变得简单且可执行。c.复杂电路的处理如果梯形图构成的电路比较复杂，用ANB、ORB等指令难以解决，可重复使用一些触点画出它的等效电路，然后再进行编程就比较容易了。⑵语句表这是一种与汇编语言类似的助记符编程语言。其表达方式为：步序操作码（指令）操作数（数据）0000LDX0000001ORX0100002ANDNOTX0010003OUTY0000004END４．PLC的工作过程PLC的工作过程一般可分为三个主要阶段：输入采样（处理）阶段、程序执行阶段和输出刷新（处理）阶段。如图3—9所示。图3—9PLC的工作过程5．PLC的选型和应用PLC的选型和应用是工程设计中的重要一环。目前，适用于工程应用的PLC种类繁多，性能各异。在实际工程应用中，应根据什么进行系统的硬件设计、机型选择应注意的性能指标以及模块的选择等都是比较重要的问题。在实际设计时，应根据工艺的要求进行选型，同时也应该考虑到系统的经济性和先进性。电气连锁要在PLC外部组成，确保操作人员及设备的安全。尽量选用PLC能直接驱动的设备元件，尽量不要增加外部继电器，以免降低PLC的运行可靠性。PLC控制速度大大高于传统继电器的控制速度，在旧设备改造中，要考虑到PLC的运算速度与某些控制项目是否匹配的问题。一般PLC控制系统都设置有自动和手动两种操作方式。调试或当自动操作万一有故障时，手动操作可继续运行维持生产。有些控制系统需要时间控制，定时范围需根据工艺要求不断修改。PLC内部都有定时器，其设定值是在编程器上编制的程序来设定的。如果认为经常用编程器改变定时器的设定值不方便，可考虑采用补码开关输入点的输入状态（8421码）来改变PLC的定时器的时间，满足工艺生产的要求。这种方法的主要特点有：适用于各种系列的PLC；拨码开关和演示时间相对应，直观方便；使用EPROM将程序固化后，还可以改变计数器的常数；如果PLC有锁存或主控等功能，可利用这些功能经一步扩大定时器的时间调节范围。四．控制阀及阀门定位器执行器是自动控制系统中的一个重要组成部分。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所要求的数值上或一定的范围内。执行器按其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作为能源，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，而且价格较低，因此广泛地应用于化工、炼油等生产过程中。输入信号为20～100kPa；以电为能源的电动执行器（即电动调节阀），输入信号为4～20mADC；以高压液体为能源的液动执行器（即液动调节阀）。控制阀的特点是：安装在生产现场，直接与介质接触；通常在高温、高压、高粘度、强腐蚀、易结晶、易燃易爆、剧毒等场合下工作；直接影响过程控制系统的控制质量。（一）电动执行器执行机构包括：永磁低速同步电动机、位置发送器和减速器等。图3—10电动执行器的原理图（二）气动执行器1．气动执行器的结构和原理气动执行器由气动执行机构和控制机构两个部分组成。按执行机构的差别可分为薄膜式和活塞式两种。气动活塞式执行结构主要适用于大口径、高压降控制阀或蝶阀的推动装置，工业上薄膜式应用最多。气动薄膜执行机构主要由弹性薄膜平衡弹簧和推杆组成。执行机构是执行器的推动装置，即它接受标准气压信号后，经膜片转换成推力，使推杆产生位移，同时带动阀芯动作，使阀芯产生相应位移，改变阀的开度。气动执行机构按推杆位移的方向有：正作用形式：如果当输入气压信号增加时，推杆向下移动反作用形式：当输入气压信号增加时，推杆向上移动控制机构直接与介质接触，其结构、材料、和性能将直接影响过程控制系统的安全性、可靠性和系统的控制质量。根据流体力学的观点，控制阀是一个局部阻力可变的节流元件。通过改变阀芯的行程而改变控制阀的阻力系数，以达到控制流量的目的。根据不同的使用要求，控制阀有直通双座控制阀、直通单座控制阀、蝶阀、三通阀、高压阀、角形阀、隔膜阀等多种结构形式。气动执行器主要由执行机构与控制机构两大部分组成。（1）执行机构的分类图3—11气动控制阀的结构气动执行机构主要分为薄膜式和活塞式两种。其中薄膜式执行机构最为常用，它可以用作一般控制阀的推动装置，组成气动薄膜式执行器，习惯上称为气动薄膜调节阀。它的结构简单、价格便宜、维修方便，应用广泛。除薄膜式和活塞式之外，还有长行程执行机构。它的行程长、转矩大，适于输出转角（0°～90°)和力矩，例如用于蝶阀或风门的推动装置。气动薄膜式执行机构有正作用和反作用两种型式。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)；当信号压力增大时，阀抨向上动作的叫反作用执行机构(ZMB型)。正作用执行机构的信号压力是通入波纹膜片上方的薄膜气室；反作用执行机构的信号压力是通入波纹膜片下方的薄膜气室。通过更换个别零件，两者便能互相改装。根据有无弹簧执行机构可分为有弹簧的及无弹簧的，有弹簧的薄膜式执行机构最为常用，无弹簧的薄膜式执行机构常用于双位式控制。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。控制阀的结构形式很多，主要有以下几种。类型特点主要使用场合直通单座控制阀结构简单、泄露量小、易于保证关闭、小口径、低压差直通双座控制阀不平衡力小、泄露量较大最为常用角形控制阀流路简单，阻力较小现场管道要求直角连接、高压差、介质黏度大、含有少量悬浮物和颗粒状固体三通控制阀有三个出入口与工艺管道连接，可组成分流与合流两种形式配比控制或旁路控制隔膜控制阀结构简单、流阻小、流通能力大、耐腐蚀性强强酸、强碱、强腐蚀性、高黏度、含悬浮颗粒状的介质蝶阀结构简单、重量轻、价格便宜、流阻极小、泄露量大大口径、大流量、低压差、含有少量纤维或悬浮颗粒状介质球阀阀芯与阀体都呈球形体流体的黏度大、污秽、双位控制凸轮挠曲阀密闭性好、重量轻、体积小、安装方便介质黏度高、含悬浮物颗粒笼式阀可调范围大、振动小、不平衡力小、结构简单、套筒互换性好、汽蚀小、噪音小压差大、要求噪音小的场合。对高温、高黏度及含固体颗粒的介质不适用2．控制阀的流量特性控制阀的流量特性是指介质流过控制阀阀门的相对流量与相对开度（即阀的相对位移）之间的关系。其数学表达式为：流量特性是控制阀最重要的特性，它对整个过程控制系统的品质有很大影响。一般来说，通过改变控制阀阀芯与阀座间的流通截面积，便可实现对流量的控制。⑴理想流量特性当控制阀阀前后压差固定不变时得到的流量特性就叫做理想流量特性，理想流量特性取决于阀芯的形状，不同的阀芯曲面得到的理想特性是不同的。理想流量特性主要有直线、对数、抛物线和快开四种（如图3—12所示）。图3—12控制阀的理性流量特性及阀芯形状①直线流量特性控制阀的相对流量与阀芯的相对开度成直线关系。直线流量特性小开度时，流量相对变化量大，在大开度时，流量相对变化量小。②对数（等百分比）流量特性阀杆的相对位移变化所引起的相对流量变化与该点的相对流量成正比，即控制阀的放大系数随相对流量的增加而增大。对数流量特性的曲率是随着流量的增大而增大的，但是相对行程变化引起的流量相对变化值是相等的。由于对具有对数流量特性的控制阀而言，小开度时，放大系数较小，控制平稳缓和，大开度时，放大系数较大，控制及时有效，因此，从过程控制看，利用对数流量特性是有利的。③抛物线流量特性相对流量与阀杆的相对开度成抛物线关系，即平方关系。④快开流量特性在小开度时流量就比较大，随着开度的增大，流量很快达到最大。⑵工作流量特性实际应用中，控制阀与其他设备串联或并联安装在管道中，其前后的压差是变化的，此时的流量特性称为工作特性。理想流量特性会因控制阀前后压差遭受阻力损失而畸变成工作流量特性。图3—13串联管道①串联管道的工作流量特性图3—13所示串联系统，系统总压差⊿p等于管路系统（除控制阀外的全部设备和管道的各局部阻力之和）的压差⊿PK与控制阀的压差⊿PV之和。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阔的全开流量，此时阀上压差为系统总压差。S＝1时，管道阻力损失为零，系统总压差全降在阀上，工作特性与理想特性一致。随着S值的减小，直线特性渐渐趋近于快开特性，等百分比特性渐渐接近于直线特性（如图3—14所示）。所以，在实际使用中，一般希望S值不低于0.3～0.5。在现场使用中，如果控制阀选得过大或生产在低负荷状态，控制阀将工作在小开度。有时，为了使控制阀有一定的开度而把工艺阀门关小些以增加管道阻力，使流过控制阀的流量降低，这样，S值下降，使流量特性畸变，控制质量恶化。(a)直线特性(b)等百分比（对数）特性图3—14串联管道的工作流量特性②并联管道的工作流量特性控制阀一般都装有旁路，以便手动操作和维护。当生产量提高或控制阀选小了时，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。图3—15并联管道图3—15表示并联管道时的情况。显然这时管路的总流量Q是控制阀流量Q1与旁路流量Q2之和，即Q=Q1+Q2若以x代表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，可以得到在压差⊿p为一定，而X为不同数值时的工作流量特性。当X=1,即旁路阀关闭、Q2=0时，控制阀的工作流量特性与它的理想流量特性相同。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。控制阀关死，即Q1=0时，流量Qmin比控制阀本身的Q1min大得多。同时，在实际使用中总存在着串联管道阻力的影响，控制阀上的压差还会随流量的增加而降低，使可调范围下降得更多些，控制阀在工作过程中所能控制的流量变化范围更小，甚至几乎不起控制作用。所以，采用打开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十几，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，并联管道尤为严重。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、并联管道会使控制阔的放大系数减小，即输入信号变化引起的流量变化值减少。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。(a)直线特性(b)等百分比（对数）特性图3—16串联管道的工作流量特性3.控制阀的选择控制阀的选择，主要是流量特性、流通能力以及气开、气关形式和结构的选择。选择时要根据流体性质、工艺条件和控制要求，参考各种控制阀的特点，选择合适的结构形式。气动薄膜控制阀选用得正确与否是很重要的。选用控制阀时，一般要根据被控介质的特点(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，一般应考虑下列几个主要方面的问题。（1）控制阀结构的选择控制阀的结构形式主要根据工艺条件，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。（2）流量特性的选择控制阀的结构型式确定以后，还需确定控制阀的流量特性(即阀芯的形状)。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。使控制阀安装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。目前使用比较多的是等百分比流量特性。（3）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。有压力信号时阀关、无信号压力时阀开的为气关式。反之，为气开式。由于执行机构有正、反作用，控制阀（具有双导向阀芯的）也有正、反作用。因此气动执行器的气关或气开即由此组合而成（如图3—17）。图3—17控制阀的气开气关形式气开、气关的选择主要从工艺生产上安全要求出发。考虑原则是：①信号压力中断时，应保证设备和操作人员的安全。如果阀处于打开位置时危害性小，则应选用气关式，以使气源系统发生故障，气源中断时，阀门能自动打开，保证安全。反之阀处于关闭时危害性小，则应选用气开阀。②介质性质若介质为易结晶物料，则选用气关式，以防堵塞。③节约原则信号压力中断时应减少物料的流失。（4）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。口径选择得过小，会使流经控制阀的介质达不到所需要的最大流量。在大的干扰情况下，系统会因介质流量(即操纵变量的数值)的不足而失控，因而使控制效果变差，此时若企图通过开大旁路间来弥补介质流量的不足，则会使阔的流量特性产生畸变；口径选择得过大，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，容易使控制系统变得不稳定。控制阀的口径选择是由控制间流量系数C值决定的。流量系数C的定义为：在控制阀全开状态下，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)。例如，某一控制阀在全开状态下，当阀两端压差为100kPa时，如果流经阀的水流量为40m3/h，则该控制阀的流量系数C值为40。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，控制阀流量系数C亦可称控制阀的流通能力。控制阀全开时的流量系统C100（即行程为100%时的C值）,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、阀前后的压差以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留有一定的裕量，但裕量不宜过大。4．控制阀的安装气动执行器的正确安装和维护，是保证它能发挥应有效用的重要一环。对气动执行器的安装和维护，一般应注意下列几个问题。(1)为便于维护检修，气动执行器应安装在靠近地面或楼板的地方。当装有阀门定位器或手轮机构时，更应保证观察、调整和操作的方便。于轮机构的作用是：在开停车或事故情况下，可以用它来直接人工操作控制阀，而不用气压驱动。(2)气动执行器应安装在环境温度不高于+60℃和不低于－40℃的地方，并应远离振动较大的设备。为了避免膜片受热老化，控制阀的上膜盖与载热管道或设备之间的距离应大于200mm。(3)阀的公称通径与管道公称通径不同时，两者之间应加一段异径管。(4)气动执行器应该是正立垂直安装于水平管道上。特殊情况下需要水平或倾斜安装时，除小口径阀外，一般应加支撑。即使正立垂直安装，当阀的自重较大和有振动场合时，也应加支撑。(5)通过控制阀的流体方向在阀体上有箭头标明，不能装反，正如孔板不能反装一样。(6)控制阀前后一般要各装一只切断阀，以便修理时拆下控制阀。考虑到控制阀发生故障或维修时，不影响工艺生产的继续进行，一般应装旁路阀。(7)控制阀安装前，应对管路进行清洗，排去污物和焊渣。安装后还应再次对管路和阀门进行清洗，并检查阀门与管道连接处的密封性能。当初次通入介质时，应使阀门处于全开位置以免杂质卡住。有箭头标明，不能装反，正如孔板不能反装一样。(8)在日常使用中，要对控制阀经常维护和定期检修。应注意填料的密封情况和阀杆上下移动的情况是否良好，气路接头及膜片有否漏气等。检修时重点检查部位有阀体内壁阀座、阀芯、膜片及密封圈、密封填料等。（三）电气阀门定位器的工作原理

电气阀门定位器是按力平衡原理设计工作的，其工作原理是在气动阀门定位器的基础上开发而成的电流信号控制阀门定位器。如图3—18所示，当从电动调节器来的电流信号，输入到力矩马达组件的线圈时，在力矩马达的气隙中产生一个磁场，它与永久磁铁产生的磁场共同作用，使衔铁产生一个向左的力，主杠杆（衔铁）绕支点（15）转动，档板靠近喷嘴，喷嘴背压经放大器放大后，送入薄膜执行机构气室，使阀杆向下移动，并带动反馈杆绕支点转动，连接在同一轴上的反馈凸轮作逆时针主向转动，通过滚轮使付杠杆绕支点转动，并将反馈弹簧（11）拉伸、弹簧对主杠杆的拉力与力矩马达作用在主杠杆上的力矩相等时，械杆系统达到平衡状态。此时，一定的信号电流就与一定人阀门位置相对应。弹簧是作调整零位用的。图3—18电－气阀门定位器1－力矩马达；2－主杠杆；3－平衡弹簧；4－反馈凸轮支；5一反馈凸轮；6－副杠杆；7－副杠杆支点；8－薄膜执行机构；9－反馈杆;10－滚轮;11－反馈弹簧；12－调零弹簧；13－挡板;14－啧嘴;15－主杠杆支点以上作用方式为正作用，若要改变作用方式，只要将凸轮翻转，A向变成B向等，即可。所谓正作用定位器，就是信号电流增加，输出压力亦增加；所谓反作用定位器，就是信号电流增加，输出压力则减少。一台正作用执行机构只要装上反作用定位器，就能实现反作用执行机构的动作；相反，一台反作用执行机构只要装上反作用定位器，就能实现正作用执行机构的动作。（四）智能电气阀门定位器的工作原理及应用电气阀门定位器是气动调节阀的关键附件之一，其作用是把调节装置输出的电信号变成驱动调节阀动作的气信号。它具有阀门定位功能，既克服阀杆摩擦力，又可以克服因介质压力变化而引起的不平衡力，从而能够使阀门快速的跟随，并对应于调节器输出的控制信号，实现调节阀快速定位，提升其调节品质。随着智能仪表技术的发展，微电子技术广泛应用在传统仪表中，大大提高了仪表的功能与性能。其在电气阀门定位器中的应用使智能定位器的性能和功能有了一个大的飞跃。虽然智能电气阀门定位器与传统定位器从控制规律上基本相同，都是将输入信号与位置反馈进行比较后对输出压力信号进行调节。但在执行元件上智能定位器和传统定位器完全不同，也就是工作方式上二者完全不同。智能定位器以微处理器为核心，利用了新型的压电阀代替传统定位器中的喷嘴、挡板调压系统来实现对输出压力的调节。目前有很多厂家生产智能型电气阀门定位器，西门子公司的SIPATTPS2系列智能电气阀门定位器比较典型，具有一定代表性，下面以就以SIPARTPS2系列定位器为例，对智能定位器的工作原理进行说明，其基本结构如图2所示。其具体工作原理如下:由阀杆位置传感器拾取阀门的实际开度信号，通过A/D转换变为数字编码信号，与定位器的输入(设定)信号的数字编码在CPU中进行对比，计算二者偏差值。如偏差值超出定位精度，则CPU输出指令使相应的开/关压电阀动作，即:当设定信号大于阀位反馈时，升压压电阀V一l打开，输出气源压力P1增大，执行机构气室压力增加是阀门开度增加，减小二者偏差;如设定信号小于阀位反馈则排气压电阀V-2打开，通过消音器排气减小输出气源压力P1，执行机构气室压力减小是阀门开度减小，二者偏差减小。正是通过CPU控制压电阀来调节输出气源压力的大小使输入信号与阀位达到新的平衡。2.3智能电气阀门定位器对输出气源压力调节的新颖之处1)输出压力调节采用PID脉宽调制(PWM)技术，迅速准确。由于CPU对压电阀的控制采用一个五步开关程序来控制，可以精确、快速地控制输出气源压力增减。其控制算法一般采用数字PID调节方式，CPU根据输入信号与阀位产生偏差的大小和方向进行PID计算，输出一个PWM脉宽调制脉冲信号来控制压电阀开、闭动作。由于脉冲的宽度对应于定位器输出气源压力的增量，从而可以迅速、准确的改变气源压力输出P1。当偏差较大时，定位器输出一个连续信号，快速连续、大幅度的改变P1的大小，当偏差较小时，定位器输出一个较小脉宽的脉冲信号，断续、小幅改变P1的大小，当偏差很小(进入死区)时，则无脉冲输出，阀位稳定工作。2)新型压电阀器件的采用，保证了控制的高精度。压电阀的主导元件是一个压电柔韧开关阀，也称作硅微控制阀，由于其质量小，开关惯性非常小，可以执行很高的开关频率，因而作为一个高频率的脉冲阀，对输出气路压力P1进行控制，驱动执行机构，可以达到很高的阀门定位精度。3)阀位反馈元件定位精度高，寿命长。阀位反馈元件是一个结构简单、高精度、高可靠性的导电塑料电位器，将执行机构的直线或转角位移转换为电阻信号，因而可以精确的检测阀位并且可以方便的对阀门进行零位，满度及阀门流量特性曲线的定位。2.4智能定位器的特点由于新型控制元件如导电塑料和压电阀的使用，可以使阀门定位达到很高精度，由于微处理的使用，可以使定位器的调校以及适用范围有大的改善。主要特点是:1)安装简易;可以进行自动调校。组态简便、灵活，可以非常方便的设定阀门正反作用，流量特性，行程限定或分程操作等功能。2)定位器的耗气量极小。传统定位器的喷嘴、挡板系统是连续耗气型元件。由于智能定位器采用脉冲压电阀替代了传统定位器的喷嘴、挡板系统,而且五步脉冲压电阀控制方式可实现阀门的快速、精确定位。智能定位器只有在减小输出压力时，才向外排气，因此在大部分时间内处于非耗气状态，其总耗气量为20L/h，相对于传统定位器来说可以忽略不计。3)具有智能通讯和现场显示功能，便于维修人员对定位器工作情况进行检查维修。4)定位器与阀门可以采用分离式安装方式。因为智能定位器的位置反馈元件是电位器，即阀位信息是用电信号传递的，并且可以在CPU中对阀门的特征进行现场整定。因此采用行程位置检测装置外置的方法，将阀位反馈组件与定位器本身分离安装。将行程位置检测装置在执行机构上，定位器安装在离执行器一定距离的地方，如图3所示:这样就大大扩展了定位器的使用范围，例如可以适用于大型风门、闸门等非标准结构的执行机构以及超大行程结构的执行机构中(已经有大量此类应用)。正是与智能电气阀门定位器的结合，大大提高了此类装置的控制定位精度。5)行程检测装置还可以采用非接触式位置传感器，用于恶劣现场。如应用在强振动、高低温及核辐射区环境中的阀门上，避免了不良环境对定位器的影响，保证定位器的可靠使用和寿命。6)具有丰富的自诊断功能。不仅可以对定位器本身的工作情况进行故障自诊断，还可对调节阀和执行机构的性能进行定量测量和诊断。如阀门行程的变化检测，对阀门极限位置变化的测量，可诊断阀门的磨损情况;对阀门定位时间的测量可以诊断定位周期是否合适，是否会引起震荡;还可以对气动执行机构的密封情况