化工自动化备课笔记

化工自动化备课笔记

1、熟悉何为（过程）自动化与自动化技术、自动化仪表的简要进展过程

2、掌握如何来构筑一个操纵系统

［教学重点］:自动化技术、自动化仪表的简要进展过程

［教学难点］:如何来构筑一个操纵系统

［教学时数］：1

［教学内容］:

第一章绪论

1.1何为（过程）自动化：

从工艺的眼光来看

在工艺设备上，配备一些自动化装置，用它们来代替操作人员的（部分）直接劳动，

使生产在不一致程度上按照规定的要求自动地进行，也即：用自动化装置来管理设备（生

产过程），使之正常运行

换一种说法

所谓自动化是使工艺参数保持在需要的值或者者状态上，或者者使生产过程按照一

定的程序或者者步骤运行，保证生产过程运行在最佳状态

所谓“自动操纵''是指应用自动化仪器仪表或者自动操纵装置代替人自动地对仪器设备

或者工业生产过程进行操纵，使之有目的地修正被控对象的动力学行为，以达到预期的

状态或者满足预期的性能要求。

为什么要实现自动操纵？

原因一：代替人的劳动，减轻劳动强度，提高生产效率

原因二：炼油、化工、冶金、电力、生物、制药等工业过程的生产规模越来越向大

型化、复杂化方向进展，各类类型的自动操纵技术已经成了现代工业生产实现安全、高

效、优质、低耗的基本条件与重要保证

1.2如何来构筑一个操纵系统？

进

操纵器，

..小・・・・・”・・•

1.3自动化技术的简要进展过程

1、操纵理论的简要进展过程

自动操纵的本质：是指应用自动化仪器仪表、自动操纵装置代替人，自动地对仪器

设备或者工业生产过程进行操纵，使之有目的地修正被控对象的动力学行为，以达到预

期的状态或者满足预期的性能要求

操纵问题的本质：就是要求基于对象内在的动力学本质与规律，运用适当的数学工

具求取问题的解。

“操纵”这一概念本身即反映了人们对征服自然与外在的渴望，作为自动操纵科学的

核心的操纵理论与技术也自然而然地在人们征服自然与改造自然的历史中进展起来。

2、经典操纵理论

1868年J.C.Maxwell为熟悉决蒸汽机调速器的精度与稳固性之间的矛盾，首先提出

了微分方程模型与稳固性分析的数学方法，从微分方程角度讨论了调节器系统可能产生

的不稳固现象，他所发表的“论调节器”是目前比较公认的第一篇操纵理论论文。

1877年EJ.Routh与1895年A.Hurwitz制造性地提出了称之Routh,它是经典操纵

理论中最基础的稳固性分析工具之一。

1932年Nyquist提出了“Nyquist稳固性判据”。

1945年Bode建立了操纵系统的频域设计方法（Bode图法）。之后，通过Wienner、

Nichols等人的杰出奉献，终于形成了经典的反馈操纵与频域理论，并于20世纪50年

代趋于成熟

经典操纵理论建立在传递函数基础上的，要紧针对线性定常、SISO对象，基于反

馈操纵的主导思想，完成操纵系统的镇定任务。经典操纵理论最辉煌的成果首推PID操

纵规律，关于无时间延迟的SISO系统极为有效。直到目前，在工业过程操纵中仍然被

广泛应用。（90%以上）

3、现代操纵理论

由于工业生产过程也向着大型化、连续化的方向进展。导致

（a）操纵系统渐趋复杂：

在整体结构上，表现为非线性、不确定性、无穷维、多层次等；

在被处理的信息上，表现为信号的不确定性、随机性、不完全性等。

（b）操纵要求越来越高，除了实现单纯的稳固操纵以外，操纵器的设计往往还要追求

最佳的性能要求

经典操纵理论已无法满足解决多变量、非线性、不确定性与最佳性能要求等问题

的需要，这在客观上促使现代操纵理论得以建立与进展。

4、经典操纵理论与现代操纵理论的关系

关于经典操纵理论、现代操纵理论与智能操纵理论而言，并非意味着相互的否定与

排斥，它们之间有着共同进展、互相渗透、相互结合的进展关系。

需要提出的是，在当今的过程操纵领域中，几乎有90%以上的操纵回路仍然沿用经

典的P1D操纵算法或者PID操纵算法的变形，并能够获取比较满意的操纵效果

5、仪表的简要进展过程

常见的测控参数：T、P、L、F、A（五大参数）

测控仪表的分类：变送器（传感器）、执行器、操纵器三大类

'温度T：温度变送器（热电偶、热电阻、集成温度传感器……）

操纵器：懒鼾飓城蝴魏楣跳机系统

14薄;耀调节阀

自搠操缴榨和露ill*?——不是名词解释

需要学习箍蒯珞疑所递糊僦fe碳濡量锦源豳街流翻株陶髓温量计）

怎么样期嫖祚而瞬瞰H股h得夔鲫

需要学习的建自控回升通解研胡硼叩开能脚的特性对自控系统的影响，（最常

用）检测仪表、操纵仪表的基本工作原理，如何选择合适的自控设备（仪表）……

•如何工程实施？

——即使一个象空调器温度操纵那么简单的自动操纵回路的实施？

需要学习自动系统的设计、操纵参数的整定……

更复杂的操纵回路如何工程实施？

计算机操纵是什么一回事？怎么样来设计一个计算机操纵系统?

［教学目的要求］:

1、熟悉自控系统的构成、自控系统的分类、系统运行的基本要求自动操纵、系统的

过渡过程与品质指标

2、掌握方块图、管道及仪表流程

［教学时数］:2

［教学重点］:自控系统的构成、自控系统的分类、系统运行的基本要求自动操纵、系统

的过渡过程与品质指标

［教学难点］:方块图、管道及仪表流程

［教学内容］:

第2章自控系统基本概念

2.1自控系统的构成

操纵系统的4个基本环节：被控对象、检测仪表（测量变送环节）、操纵器、执行器

几个常用术语：

（1）被控对象：需要实现操纵的设备、机械或者生产过程称之被控对象，简称对象。

（2）被控变量：对象内要求保持一定数值（或者按某一规律变化）的物理量称之被

控变量.

（3）操纵变量（操纵变量）：受执行器操纵，用以使被控变量保持一定数值的物料

或者能量称之操纵变量或者操纵变量。

（4）干扰（扰动）除操纵变量（操纵变量）以外，作用于对象并引起被控变量变

化的一切因素称之干扰。

（5）设（给）定值工艺规定被控变量所要保持的数值。

（6）偏差：偏差本应是设定值与被控变量的实际值之差。但能获取的信息是被控变

量的测量值而非实际值，因此，在操纵系统中通常把设定值与测量值之差定义为偏差。

2.2系统运行的基本要求

自动操纵系统的（最）基本要求是系统运行务必是稳固的

反馈是操纵系统的输出（即被控变量）通过测量变送返回到操纵系统的输入端，并

与设定值比较的过程。

若反馈的结果是使系统的输出减小，则称之负反馈

若反馈的结果是使系统的输出增加，则称之正反馈

工业操纵系统通常情况下都应为负反馈。

闭环与开环

闭环——系统的输出被反馈到输入端并与设定值进行比较的系统称之闭环系统，如

今系统根据设定值与测量值的偏差进行操纵，直至消除偏差

开环——系统的输出没有被反馈回输入端，执行器仅只根据输入信号进行操纵的系

统称之开环系统，如今系统的输出与设定值与测量值之间的偏差无关

要实现自动操纵，系统务必闭环。

闭环操纵系统稳固运行的必要条件是负反馈

正作用与反作用(如何保证系统是负反馈的？)

I、输出信号随输入信号的增加而增加的环节称之正作用环节

2、输出信号随输入信号的增加而减小的环节称之反作用环节

比如：关于调节器来说，测量值增大，输出增大，称之正作用调节器

3、能否构成负反馈系统与系统中各环节的特性有关

由于被控对象与执行器的特性是由实际的工艺现场条件决定的，因此应当通过操纵

器的正、反作用特性来满足系统负反馈的要求。

2.3操纵系统的分类

1)按被控变量对操作变量的影响分

闭环操纵系统——如：反馈操纵

开环操纵系统——如：前馈操纵

2)按补偿干扰的方法分

反馈

,1

干扰f(t)一被控变量f调节器-»操作变量一补偿干扰

前馈

干扰f(t)-变送器-补偿器f操作变量一补偿干扰

反馈+前馈

3）按设定值的特点区分

定值操纵系统一一设定值是由工艺要求给出的不变常数

通常要求被控变量尽量与设定值保持一致。

随动操纵系统一一设定值随时间不断发生变化

通常要求被控变量尽可能地与设定值一起变化。

教材中的程序操纵事实上能够懂得为随动操纵

4）按操纵系统的复杂程度区分

简单操纵系统复杂操纵系统

5）按操纵变量的名称区分

温度操纵系统压力操纵系统……

6）按调节规律区分

P、PLPD、PID、预估操纵……

2.4过渡过程与品质指标

（1）静态（稳态）与动态

操纵系统的作用：尽可能使被控变量与设定值保持一致（或者随设定值一起变化）,

当被控变量受干扰影响而偏离设定值时，操纵作用务必促使被控变量回到设定值

静态一一被控变量不随时间变化的平衡状态（变化率为0,不是静止）。

假如操纵系统是稳固的，假设设定值与干扰都保持不变，通过足够长的时间，操纵

系统中各参数必定会到达一个"相对”平衡状态，这种状态就是所谓的“静态”，在操纵领

域中更多的称之为，，稳态，，。

静态”是物料、能量、传热、传质、化学反应速度等平衡关系的最终表达。

很明显，单纯用“静态”的概念来衡量操纵系统的品质指标是不充分的。

动态一一被控变量随时间变化的不平衡状态。

假如系统原先处于相对平衡状态（静态），当出现干扰使被控变量发生变化，如今

操纵系统发生作用，调节器根据偏差及其偏差的变化情况，改变调节器输出，再经执行

器改变操纵变量，使被控变量重新回到设定值来，这么一个从干扰发生、系统操纵、直

到重新建立平衡的过程称之"动态”过程。

工艺设计要紧围绕系统“静态”特性开展工作

自动操纵要紧是在“静态”特性基础上研究其“动态”特性

一一当系统失去平衡以后，如何使系统重新回到平衡状态

(2)过渡过程

过渡过程：受到干扰作用后系统失稳，在操纵系统的作用下，被控变量回复到新的

平衡状态的过程。

在分析与设计操纵系统时，往往选定阶跃信号作为输入。

阶跃干扰：在某一瞬间tO干扰突然阶跃式地加入系统，并保持在这个幅值•阶跃干

扰比较突然、比较危险、对操纵系统的影响也最大、且容易产生阶跃干扰。

关于一个操纵系统，假如能有效克服阶跃干扰，确信能很好地克服其它变化比较缓

与的各类干扰。

几种典型的过渡过程：

非周期衰减过程4

衰减振荡过程Y

等幅振荡过程：通常是不同意的除开关量操纵回路

发散振荡过程X

单调发散过程X

(3)过渡过程的品质指标

通常要评价与讨论一个操纵系统性能优劣，其标准有二大类：

•以系统受到阶跃输入作用后的响应曲线的形式给出。要紧包含：

最大偏差(超调量)、

衰减比

余差

过渡时间

振荡周期(振荡频率)……

•以误差性能指标的形式给出，通常指偏差对某个函数的积分。要紧包含：

平方误差积分指标

时间乘平方误差积分指标

绝对误差积分指标

时间乘绝对误差积分指标

当这些值达到最小值的系统是某种意义下的最优系统。

影响过渡过程的要紧因素？

固定因素：对象特性

测量仪表特性

执行器特性

补偿因素：操纵器特性——这是自动操纵的要紧研究内容

以误差性能指标的形式给出

/]=je?

平方误差积分指标

时间乘平方误差的积分指标J2=J()(f)dt

绝对误差积分指标Jo=f|e(t)|dt

Jo

时间乘绝对误差积分指标「co

J=11e(t)|dt

4J0

优化操纵的策略：J->min

［教学目的要求］:

1、熟悉对象的数学模型的建立

2、掌握对象的三个特性参数及其意义

［教学重点］:对象的数学模型的建立

［教学难点］:对象的三个特性参数及其意义

［教学时数］:3

［教学内容］:

第三章被控对象的数学模型

3.1被控对象特性及其对过渡过程的影响

对象特性——是指对象输入量与输出量之间的关系（数学模型）

即对象受到输入作用后，被控变量是如何变化的、变化量为多少

输入量？？操纵变量+各类各样的干扰变量

由对象的输入变量至输出变量的信号联系称之通道

操纵变量至被控变量的信号联系通道称操纵通道

干扰至被控变量的信号联系通道称干扰通道

干扰变量一T干揉逋造;…1被控变量

6-----------------

操纵变量一一腺醺通道L.J

L__1

对象输出为操纵通道输出与各干扰通道输出之与

1.数学模型的表示方法：

参量模型：通过数学方程式表示

常用的描述形式：微分方程（组）*、传递函数*、频率特性等

参量模型的微分方程的通常表达式：

谛霞麻铀疑之俊求输关机啕漏他岫裾碍储崛•入扁M妫地式。

当n=m时，称对象是正则的；当n>m时，称对象是严格正则的；n<m的对象是不

可实现的。通常n=l,称该对象为一阶对象模型；n=2,称二阶对象模型.

非参量模型：使用曲线、表格等形式表示。

特点：形象、清晰，缺乏数学方程的解析性质（必要时须进行数学处理获得参量模型）。

建模的方法：机理建模、实验建模、混合建模

机理建模——根据物料、能量平衡、化学反应、传热传质等基本方程，从理论上来

推导建立数学模型。

由于工业对象往往都非常复杂，物理、化学过程的机理通常不能被完全熟悉，而且

线性的并不多，再加上分布元件参数（即参数是时间与位置的函数）较多，通常很难完

全掌握系统内部的精确关系式。另外，在机理建模过程中，往往还需要引入恰当的简化、

假设、近似、非线性的线性化处理等，而且机理建模也仅适用于部分相对简单的系统。

实验建模——在所要研究的对象上，人为的施加一个输入作用，然后用仪表记录表

征对象特性的物理量随时间变化的规律，得到一系列实验数据或者曲线。这些数据或者

曲线就能够用来表示对象特性。

这种应用对象输入输出的实测数据来决定其模型的方法，通常称之系统辨识。其要

紧特点是把被研究的对象视为一个黑箱子，不管其内部机理如何，完全从外部特性上来

测试与描述对象的动态特性。有的时候，为进一步分析对象特性，可对这些数据或者曲

线进行处理，使其转化为描述对象特性的解析表达式。

混合建模——将机理建模与实验建模结合起来，称之混合建模。

混合建模是一种比较有用的方法，它先由机理分析的方法提出数学模型的结构形

式，把被研究的对象视为一个灰箱子，然后对其中某些未知的或者不确定的参数利用实

验的方法给予确定。这种在已知模型结构的基础上，通过实测数据来确定数学表达式中

某些参数的方法，称之参数估计

3.2.对象机理数学模型的建立

问题：处于平衡状态的对象加入干扰以后，不经操纵系统能否自行达到新的平衡状态？

上图：假设初始为平衡状态qi=q。，水箱水位保持不变。

当发生变化时（qi>q。），如今水箱的水位开始升高

根据流体力学原理，水箱出口流量与H是存在一定的对应关系的：q0=H/R

因此，qiTnHTnqoT,直至qi=q。可见该系统受到干扰以后，即使不加操纵，最

终自身是会回到新的平衡状态，这种特性称之“自衡特性

下图：假如水箱出口由泵打出，其不一致之处在于：qi当发生变化时，q。不发生变化。

假如qi>qo，水位H将不断上升，直至溢出，可见该系统是无自衡能力。

绝大多数对象都有自衡能力，通常而言有自衡能力的系统比无自衡能力的系统容易

操纵。

•一阶线性对象

问题：求右图所示的对象模型(输入输出模型)

解：该对象的输入量为qi被控变量为液位h

根据物料平衡方程：该对象的输入量为qi被控变量为液位h

单位时间内水槽体积的改变=输入流量一输出流量

aThdhh

由于出口流量能够近似地表示为：=—因此

a%Rdt'R

dh

=>T—+h=K-qZ=AR、K=R)(i)

记”声W舒畸像的麻熨编辑嘘里患法4海秘赢屈觞傲型，一结

构形上完全相同。’由于在操纵领域中，特性的分麻k往是针对变化量流言的，为了书写

方便在以后的表达式中不写出变化量符号。

__________________nT——FA/z=K•\qi(11)____________

K一一放大系数，在阶跃输入作用下，对象输出达

到新的稳固值时，输出变化量与输入变化量

之比，也称静态增益。K越大，表示输入量

对输出量的影响越大。

T——时间常数，在阶跃输入作用下，对象输出达

到最终稳态变化量的63.2%所需要的时间，

时间常数T是反映响应变化快慢或者响应滞

•二阶线性对象

问题：求右图所示的对象模型(输入输出模型)。

解该对象的输入量为qi被控变量为液位h2（同样利用物料平衡方程）

鬣^筌d九管"些dih弟用……）

3.3.对象模型的三个基本参数：K、T、T

K对过渡过程的影响

阶跃输入作用下，对象输出达到新的稳固值时，输出变化量与输入变化量之比，称

之静态增益（输出静态变化量与输入静态变化量之比）。

Af

▼

广义对象

操纵通道放大系数K=包

Ko越大n操纵变量断通被控变量Ay的影响越灵敏n操纵能力需V

冷越大n干扰Af对被控变量Ay的影响越灵敏。

在设计操纵系统时，应合理地选择KO使之大些，抗干扰能力强，太大会引起系

统振荡。

T对过渡过程的影响

时间常数：在阶跃输入作用下，对象输出达到最终稳态变化量的63.2%所需要的时

时间常数T是反映响应变化快慢或者响应滞后的重要参数。用T表示的响应

滞后称阻容滞后（容量滞后），T大反应慢，难以操纵；T小反应块。

操纵通道To大n响应慢、操纵不及时、过渡时间tp长、超调量b大

操纵通道To小n响应快、操纵及时、过渡时间tp短、超调量b小

操纵通道To太小n响应过快、容易引起振荡、降低系统稳固性。

干扰通道的时间常数对被控变量输出的影响也是相类似的。

通常情况希望To小些，但不能太小，大些

T对过渡过程的影响

产生纯滞后的原因：物料输送等中间过程产生时间常数对象所表现出来的等效纯滞

后。

物料输送产生的纯滞后比较容易懂得，实际对象由于多容的存在也会使响应速度变

慢，特别是初始响应被大大延迟，在动态特性上也可近似作为纯滞后看待。事实上，广

义等效的等效纯滞后就包含了以上二个部分之与。

操纵通道纯滞后t对操纵确信不利，纯滞后增大n操纵质量恶化、超调量。大

干扰通道的纯滞后对系统响应影响不大，由于干扰本身是不确定的，能够在任何时

间出现。

在工艺设计时，应尽量减少或者避免纯滞后时间。如：简化工艺、减少不必要的环

节，以利于减少操纵通道的滞后时间，在选择操纵阀与检测点的安装位置时，应选取靠

近操纵对象的有利位置。

［教学目的要求］:

1、熟悉霍尔片式力矩平衡式压力计的工作原理

2、掌握弹簧官压力计的工作原理、差压式流量计的工作原理、压力表的选择与安装

［教学重点］:霍尔片式力矩平衡式压力计的工作原理

［教学难点］:弹簧官压力计的工作原理、差压式流量计的工作原理、压力表的选择与安

装

［教学时数］:6

［教学内容］:

第4章检测仪表及传感器

4.1概述

4.1.1检测过程与测量误差

（1）检测过程与测量误差

检测过程参数检测就是用专门的技术工具，依靠能量的变换、实验与计算找到被测

量的值。

参数检测的基本过程

传感器又称之检测元件或者敏感元件，它直接响应被测变量，经能量转换并转化成

一个与被测变量成对应关系的便于传送的输出信号，如mV、V、mA、Q、Hz、位移、

力等等。

由于传感器的输出信号种类很多，而且信号往往很微弱，通常都需要通过变送环节

的进一步处理，把传感器的输出转换成如0〜10mA、4〜20mA等标准统一的模拟量信

号或者者满足特定标准的数字量信号，这种检测仪表称之变送器。

有些时候，传感器能够不通过变送环节，直接通过显示装置把被测量显示出来。

测量误差--------------

测量误差——仪表测得的测量值与被测真值之差△=Xi-Xt

由于真值在理论上是无法真正被获取的，因此，测量误差就是指检测仪表（精度较

低）与标准表（精度较高）在同一时刻对同一被测变量进行测量所得到的2个读数之差。

即：

A=x-x.

_____!___2Jxo—标准表读数

测量误差的几种表示形式：

绝对误差IA=x—I

=—X100%

实际相对误差

标称相对误差&=9x100%

相对百分误差

检测仪表的要紧性能指标苗=——-——xl00%

X—X

人入

仪表的精确度一台测，maxmin其最大绝对误差

lOkPa（在整个量程范围内），另一台测量范围0〜400kPa的压力测量仪表，其最大绝对误

差5kPa,请问哪一台压力检测仪表的精度更高？

（2）检测仪表的要紧性能指标

仪表的精确度一台测量范围0〜lOOOkPa的压力测量仪表，其最大绝对误差

lOkPa（在整个量程范围内），另一台测量范围0〜400kPa的压力测量仪表，其最大绝对误

差5kPa,请问哪一台压力检测仪表的精度更高？

尽管后者的最大绝对误差较小，但这并不说明后者较前者精度高。

在自动化仪表中，通常是以最大相对百分误差来衡量仪表的精确度，定义仪表的精

度等级。

由于仪表的绝对误差在测量范围内的各点上是不相同的，因此在工业上通常将绝对

误差中的最大值，即把最大绝对误差折合成测量范围的百分数表示，称之最大相对百分

误差：

§=取大误差=一——*100%

量程％max-/in

仪表的精度等级（精确度等级）是指仪表在规定的工作条件下同意的最大相对百分

误差。

检测仪表的要紧性能指标

仪表的精确度等级

仪表的精度等级（精确度等级）是指仪表在规定的工作条件下同意的最大相对百分

误差。

把仪表同意的最大相对百分误差去掉“土”号与“%”号,便能够用来确定仪表的精度等级。

目前，按照国家统一规定所划分的仪表精度等级有：

0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0等。

所谓的0.5级仪表，表示该仪表同意的最大相对百分误差为±0.5%,以此类推。

精度等级通常用一定的符号形式表示在仪表面板上：

仪表的精度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。

精度等级数值越小，表示仪表的精确度越高。

精度等级数值小于等于005的仪表通常用来作为标准表，而工业用表的精度等级数

值通常大于等于0.5o

非线性误差在通常情况下，总是希望测量仪表的输出量与输入量之间呈线性对应关

系。测量仪表的非线性误差就是用来表征仪表的输出量与输入量的实际对

应关系与理论直线的吻合程度。

通常非线性误差用实际测得的输入一输出特性曲线（也称之校准曲线）

与理论直线的之间的最大偏差与测量仪表量程之比的百分数来表示：

N

\8=----------------照--------------x100%

57f测量范围上限一测量范围下限

被测变量

变差

在外界条件不变的情况下，使用同一仪表对被测变量在全量程范围内进行正反行程

即逐步由小到大与逐步由大到小）测量时，对应于同一被测值的仪表输出可能不等，二

者之差的绝对值即为变差。变差的大小，根据在同一被测值下正反特性间仪表输出的最

大绝对误差与测量仪表量程之比的百分数来表示：

第

xlOO%

仪

表

输

出

灵敏度与分辨力

灵敏度是表征检测仪表对被测量变化的灵敏程度，它是指仪表输出变化量与输入变

化量之比，即灵敏度=Ay/Ax

分辨力又称之灵敏限，是仪表输出能响应与分辨的最小输入变化量，它也是灵敏度

的一种反映。对数字式仪表来说，分辨力就是数字显示仪表变化一个LSB（二进制最低

有效位）时输入的最小变化量

动态误差相对百分误差、非线性误差、变差都是稳态（静态）误差。

动态误差是指检测系统受外扰动作用后，被测变量处于变动状态下仪表示

值与参数实际值之间的差异。

引起该误差的原因是由于检测元件与检测系统中各类运动惯性与能量形式

转换需要时间所造成的。

衡量各类运动惯性的大小，与能量传递的快慢常使用时间常数T与传递滞后

时间（纯滞后时间）T两个参数表示（这两个参数的含义与上一章中对象数学模型

中的时间常数T与纯滞后时间T的数学含义是一致的）

它们的存在会降低检测过程的动态性能，其中纯滞后时间I的不利影响会远

远超过时间常数T的影响。

4.2压力检测及变送器

4.2.1弹性式压力检测

弹性式压力检测是用弹性元件把压力转换成弹性元件位移的一种检测方法

膜片受压力作用产生位移，可直接带动传动机构指示。但是膜片的位移较小，

灵敏度低，指示精度不高，通常为2.5级。膜片更多的是与其他转换元件合

起来使用，通过膜片与转换元件把压力转换成电信号；

波纹管的位移相对较大，通常可在其顶端安装传动机构，带动指针直接读数。其

特点是灵敏高（特别是在低压区），常用于检测较低的压力（1.0~106Pa）,

但波纹管迟滞误差较大，精度通常只能达到1.5级；

弹簧管结构简单、使用方便、价格低廉，它使用范围广，测量范围宽，能够测量

负压、微压、低压、中压与高压，因此应用十分广泛。根据制造的要求，仪

表精度最高可达0.15级。

（1）弹簧管与弹簧管压力表

弹簧管是横截面呈非圆形（椭圆形或者扁圆形），弯成圆弧状（中心角常为270。）

的空心管子。管子的一端为封闭，另一端为开口。闭口端作为自由端，开口端作为固定

端。

被测压力介质从开口端进入并充满弹簧管的整个内腔，由于弹簧管的非圆横截面，

使它有变成圆形并伴有伸直的趋势而产生力矩，其结果使弹簧管的自由端产生位移，同

时改变其中心角。位移量（中心角改变量）与所加压力有如下的函数关系：

2团推得［

△8D\-irR?b.a^0Zl

式曲@0为弹簧皆中心府名初始隔；♦一药受压后中心J%|；R为弹簧管弯曲

圆弧的外半径；h为管壁厚度；a、b为弹簧管椭圆形截面的长、短半轴

弹簧管自由端B的位移量通常很小，需要通过放大机构才能指示出来，为了加大弹

簧管自由端的位移量，也可使用多圈弹簧管，其原理与单圈弹簧管相似。

单圈弹簧管压力表是工业现场使用最普遍的就地指示式压力检测仪表

输出的弹簧管压力表）

弹簧管压力表结构简单、使用方便、价格低廉、测量范围宽，能够测量负压、微压、

低压、中压与高压

通常的工业用弹簧管压力表的精度等级为1.5级或者2.5级，但根据制造的要求，

其精度等级最高可达0.15级。

（2）膜盒式差压变送器

膜盒式差压变送器构成

工作原理：力矩平衡

检测元件——膜盒或者膜片

杠杆系统则有单杠杆、双杠杆与矢量机构

DDZ-III型差压变送器

检测部分：AP-输入力Fi

杠杆系统：力的传递与力矩比较，生成位移信号

位移检测放大器：位移一输出

电磁反馈装置：输出f反馈力乃

（3）电容式差压变送器

电容式差压变送器使用差动电容作为检测元件要紧包含测量部件与转换放大电路

两部分

电容式差压变送器测量原理

——差动电容测量原理

△P=0

Cii=Ci2=15pF

AP>011

AC-C—C-EA()

Cii的电容量减小i2ix与一5用+5

Ci2的电容量增大

4.2.2电气式压力检测——应变片压力璘破嵋连丛p

利用金属或者半导体材料制成的电胆体单胆值可■衣示弑

当电阻体受外力作用时，电阻体的K康、神忻积或甯电阻率会发生变化，即其阻值

也会发生变化。这种因尺寸变化引起阻值变化称之应变效应。

应变片多以金属材料为主，通常与弹性元件一起使用。

应变筒的上端与外壳固定在一起，下端与不锈钢密封膜片3紧密接触，应变片rl

与r2用胶合剂贴紧在应变筒的外壁，与筒体之间不发生相对滑动。

rl沿应变筒轴向贴放，作为测量片；r2沿径向贴放，作为温度补偿片。

图中应变片“、厂2的静态性能完全相同。当膜片受到外力作用时，弹性筒轴向受压，使

应变片"产生轴向应变，阻值变小；而应变片厂2受到轴向压缩，引起径向拉伸，阻值

变大。实际上，，2的变化量比”的变化量要小，-2的要紧作用是温度补偿。

是应变片阻值变化量的测量电桥，图中R3与R4是两个阻值相等的精密固定电阻。

不受压时n=r2=roR3=R4=r

U=（——幺一+—J）E,不受压时U=0

4+64+G

若应变片受压，则：rl=rO+Arl；r2=rO+Ar2（ArlWA⑵

（b）测量电桥

由此可见，由压力作用时，〃与「2一减一增，使电桥由较大的输出；当环境温度发

生变化时，〃、,2同时增减，不影响电桥的平衡。假如仪表能把电桥输出电压Ui进一

步转换为标准信号输出，则该仪表即可称之应变式压力变送器。

结论：应变片式压检测仪表具有较大的测量范围，被测压力可达几百MPa,并具有

良好的动态性能，适用于快速变化的压力测量。但是，尽管测量电桥具有一定的温度补

偿的作用，应变片式压力检测仪表仍有比较明显的温漂与时漂，因此，这种压力检测仪

表较多地用于通常要求的动态压力检测，测量精度通常在0.5〜1.0%左右。

——压阻式（扩散硅）压力/差压变送器

因电阻率变化引起阻值变化称之压阻效应。半导体材料的压阻效应比较明显。

用作压阻式传感器的基片材料要紧为硅片与楮片，由于单晶硅材料纯、功耗小、滞后与

蠕变极小、机械稳固性好，而且传感器的制造工艺与硅集成电路工艺有很好的兼容性，

以扩散硅压阻传感器作为检测元件的压力检测仪表得到了广泛的使用。

构成框图：

检测部分电磁放大部分

结论：

压阻式压力传感器的要紧优点是体积小，结构简单，其核心部分就是一个既是弹性

元件又是压敏元件的单晶硅膜片。扩散电阻的灵敏系数是金属应变片的几十倍，能直接

测量出微小的压力变化。此外，压阻式压力传感器还具有良好的动态响应，迟滞小，可

用来测量几千赫兹乃至更高的脉动压力。因此，这是一种进展比较迅速，应用十分广泛

的一类压力传感器。

这种传感器的缺点则是扩散电阻存在温度效应，容易受环境温度的影响，有些厂家

在传感器组件中提供了若干校正用的温度补偿电路，甚至把放大转换等电路集成在同一

块单晶硅膜片上，从而能够大大提高传感器的基本性能。

4.2.3智能型压力变送器

4.2.4压力检测仪表的选用与安装

——压力检测仪表的选用

三个方面——选用时应根据生产工艺对压力检测的要求、被测介质的特性、现场使用的

环境等条件本着节约的原则合理地考虑仪表的量程、精度、类型（材质）等。

⑴量程

仪表的量程是指该仪表可按规定的精确度对被测量进行测量的范围

关键：根据被测参数的大小来确定，同时务必考虑到被测对象可能发生的特殊超压情况,

对仪表的量程选择务必留有足够的余地。

测量稳固压力：最大工作压力Pimax不超过上限值Pmax的3/4

测量脉动压力：最大工作压力Pimax不超过上限值Pmax的2/3

测量高压压力：最大工作压力Pimax不超过上限值Pmax的3/5

最小工作压力Pimin不低于上限值Pmax的1/3

仪表的量程等级：1、1.6、2.5、4.0、6.0kPa与它们10n倍。

在选用仪表量程时，应使用相应规程或者者标准中的数值。

⑵仪表精度

—根据生产同意的最大误差来确定，即要求实际被测压力同意的最大绝对误差应

小于仪表的基本误差。

—在选择时应坚持节约的原则，只要测量精度能满足生产的要求，就不必追求用

过高精度的仪表。

⑶仪表类型

正确选用仪表类型是保证仪表正常工作及安全生产的前提。要紧应考虑下列几个方面：

1.仪表的材料

压力检测（检测仪表）的特点是压力敏感元件往往要与被测介质直接接触，因此在选择

仪表材料的时候要综合考虑仪表的工作条件。

比如：对腐蚀性较强的介质应使用像不锈钢之类的弹性元件或者敏感元件；

氨用压力表则要求仪表的材料不同意使用铜或者铜合金，由于氨气对铜的腐

蚀性极强；

又如氧用压力表在结构与材质上能够与普通压力表完全相同，但要禁油，由于油

进入氧气系统极易引起爆炸。

2.输出信号类型

只需观察压力变化的,可选如弹簧管压力表、液柱式压力计那样的直接指示型的仪

表：

如需将压力信号远传到操纵室或者其他电动仪表,则可选用电气式压力检测仪表或者其

他具有电信号输出的仪表；

假如要检测快速变化的压力信号,则可选用电气式压力检测仪表，如压阻式压力传感器;

假如操纵系统要求能进行数字量通信,则可选用智能式压力检测仪表

3.使用环境

对爆炸性较强的环境，在使用电气压力仪表时，应选择防爆型压力仪表；关于温度

特别高或者特别低、环境温度变化大的场合，应选择使用温度适当、温度系数小小的敏

感元件与其他变换元件。

上述选型原则也适用于差压、流量、液位等其它检测仪表的选型

——压力检测仪表的安装

分三种情况介绍

通常压力检测仪表的安装

特殊压力检测仪表的安装（高温、高压、腐蚀等）

压力变送器的安装

通常压力测量仪表的安装

不管选用何种压力仪表与使用何种安装方式，在安装过程中都应注意下列几点：

1.压力仪表务必经检验合格后才能安装

2.压力仪表的连接处，应根据被测压力的高低与被测介质性质，选择适当的材料作

为密封垫圈，以防泄漏

3.压力仪表尽可能安装在室温，相对湿度小于80%,振动小，灰尘少，没有腐蚀性

物质的地方，关于电气式压力仪表应尽可能避免受到电磁干扰

4.压力仪表应垂直安装。通常情况下，安装高度应与人的视线齐平，关于高压压力

仪表，其安装高度应高于通常人的头部

5.测量液体或者蒸汽介质压力时，应避免液柱产生的误差，压力仪表应安装在与取

压口同一水平的位置上，否则务必对压力仪表的示值进行修正

6.导压管的粗细合适，通常为6〜10mm,长度尽可能短，否则会引起测量迟缓

7.压力仪表与取压口之间应安装切断阀，以便维修

测量特殊介质时的压力测量仪表安装

1.测量高温（60℃以上）流体介质的压力时，为防止热介质与弹性元件直接接触，

压力仪表之前应加装U形管或者盘旋管等形式的冷凝器，避免因温度变化对测量精度与

弹性元件产生的影响。

2.测量高压流体介质的压力时，安装时压力仪表表壳应朝向墙壁或者者无人通过之

处，以防发生以外。

3.测量腐蚀性介质的压力时，除选择具有防腐能力的压力仪表之外，还应加装隔离

装置，利用隔离罐中的隔离液将被测介质与弹性元件隔离开来

4.测量波动剧烈（如泵、压缩机的出口压力）的压力时，应在压力仪表之前加装针

形阀与缓冲器，必要时还应加装阻尼器

5.测量粘性大或者易结晶的介质压力时，应在取压装置上安装隔离罐，使罐内与导

压管内充满隔离液，必要时可采取保温措施

6.测量含尘介质压力时，最好在取压装置后安装一个除尘器

总之，针对被测介质的不一致性质，要采取相应的放热、防腐、防冻、防堵与防尘

等措施

差压变送器的安装

三个方面的内容：取压口的选择引压管的安装变送器本身的安装

差压变送器取压口的选择

被测介质为液体时，取压口应位于管道下半部与管道水平线成0〜45°角内，目的是

保证引压管内没有气泡，两根引压管内液柱产生的附加压力能够相互抵消

被测介质为气体时，取压口应位于管道上半部与管道垂直中心线成0〜45°角内，

其目的时为了保证引压管中不积聚与滞留液体。

被测介质为蒸汽时，取压口应位于管道上半部与管道水平线成0〜45°角内。最常

见的接法是从管道水平位置接出，并分别安装凝液罐，这样两根引压管内部都充满冷凝

液，而且液位高度相同。

差压变送器引压管的安装

引压管应按最短距离敷设，引压管的弯曲处应该是均匀的圆角，曲率半径通常不小

于引压管外径的10倍。引压管的管路应保持垂直，或者者与水平线之间不小于1:10的

倾斜度，必要时要加装气体、凝液、微粒收集器等设备，并定期排除收集物。

引压管内径与引压管长度

被测介质<1.61.6~4.54.5~9

水、水蒸气、干气体7-91013

在测量液体介质时，变送器只能安装在取样口之上时，在引压管的管路中应有排气

装置，如图(a)所示，这样，即使有少量气泡，也不可能对测量精度造成影响。

在测量气体介质时，假如差压变送器只能安装在取样口之下时，务必加装如图(b)所致的

贮液罐与排放阀，克服因滞留液对测量精度产生影响。

测量蒸汽时的引压管管路则如图(c)所示。

差压变送器本身的安装差压变送器通常务必安装切断阀1、2与平衡阀3,构成三阀

组

1、2一切断阀3—平衡阀

差压变送器是用来测量差压的，但假如正、负引压管上的两个切断阀不能同时打开

或者者关闭时，就会造成差压变送器单向受很大的静压力，有的时候会使仪表产生附加

误差，严重时会使仪表损坏。

为了防止差压计单向受很大的静压力，务必正确使用平衡阀。

在启用差压变送器时，应先开平衡阀3,使正、负压室连通，受压相同，然后再打开切

断阀1、2,最后再关闭平衡阀3,变送器即可投入运行。

差压变送器需要停用检修时，应先打开平衡阀，然后再关闭切断阀1、2。

当切断阀1、2关闭，平衡阀3打开时，即能够对仪表进行零点校验。

4.3流量检测及变送器

4.3.1差压式流量计

差压式流量计也称之节流式流量计，它是目前工业生产过程中流量测量最成熟、最常

用的方法之一。

假如在管道中安置一个固定的阻力件，它的中间开一个比管道截面小的孔，当流体

流过该阻力件时，由于流体流束的收缩而使流速加快、静压力降低，其结果是在阻力件

前后产生一个较大的压差。

压差的大小与流体流速的大小有关，流速愈大，差压也愈大，因此只要测出差压就

能够推算出流速，继而能够计算出流体的流量。

（b）喷嘴

把流体流过阻力件使流束收缩造成压力变化的过程称节流过程，其中的阻力件称之

节流件。

作为流量检测用的节流件有标准的与特殊的两种。

标准节流件包含标准孔板、标准喷嘴与标准文丘里管。

关于标准化的节流件，在设计计算时都有统一标准的规定、要求与计算所需的有关

数据及程序，可直接按照标准制造；安装与使用时不必进行标定。

特殊节流件要紧用于特殊介质或者特殊工况条件的流量检测，它务必用实验方法单独标

定。

相比而言，标准孔板制作最简单，使用也最广泛，下列只介绍标准孔板,

——节流原理

流淌流体的能量有两种形式：静压能与动能。流体由于有压力而具有静压能，又由

于有流淌速度而具有动能，这两种形式的能量在一定条件下是能够相互转化的。

——流量方程

根据流体力学中的伯努利方程，能够推导得出节流式流量计的流量方程，也就是差

压与流量之间的定量关系式:

名=族4己即

a为流量系数

A0为节流件的开孔通体密度

△P节流装置前后实F

。要紧与节流装置的q,〃=5），23P制尚状态（如雷诺数）与管道条件等

因素有关。因此，是一个影响因素复杂的综合性参数，也是节流式流量计能否准确测量

流量的关键所在，雷诺数大于某一数值（界限雷诺数）时，a值可认为是一常数。关于

标准节流装置，能够从有关手册中查出；关于非标准节流装置，其值要由实验方法确定。

，可膨胀性系数用来校正流体的可压缩性，它与节流件前后压力的相对变化量、流

体的等嫡指数等因素有关，其取值范围小于等于1。关于不可压缩性流体，£=1;关于

可压缩性流体，则£<1。应用时能够查阅有关手册而得

——标准节流件（孔板）

节流装置包含节流件、取压装置与符合要求的前后直管段

标准节流装置是指节流件、取压装置都标准化，前后直管段符合规定要求，能够直接投

入使用

标准孔板，要求：

d/D应在0.2〜0.75之间

d不小于12.5mm

直孔厚度h应在0.005D到0.02D之间

孔板的总厚度H应在h与0.05D之间

圆锥面的斜角a应在30〜45°之间

标准喷嘴与标准文丘里管的结构参数的规定也能够查阅有关的设计手册。

——标准取压方式

国家规定标准的取压方式有角接取压、法兰取压与D—D/2取压。

角接取压角接取压的两个取压口分别位于孔板上下端面与管壁的夹角处

取压口能够是环隙取压口与单独钻孔取压口

环隙取压利用左右对称的两个环室把孔板夹在中间，通常要求环隙在整个圆周上穿

通管道，或者者每个夹持环应至少有四个开孔与管道内部连通，每个开孔的中心线彼此

互成等角度，再利用导压管把孔板上下游的压力分别引出

当使用单独钻孔取压时,取压口的轴线应尽可能以90°与管道轴线相交

环隙宽度与单独钻孔取压口的直径a通常在4〜10mm之间

显然，环隙取压由于环室的均压作用，便于测出孔板两端的平稳差压，能得到较好

的测量精度，但是夹持环的加工制造与安装要求严格。当管径D>500mm时，通常使用

单独钻孔取压。

夹持环

法兰取压与D—D/2取压

D-D/2取压装置是设有取压口的管段，上、下游取压口轴线与孔板上游端面的距离

分为D与D/2（D为管道的直径）

法兰取压装置是由一对带有取压口的法兰构成取压口轴线距离孔板上、下端面均

为25.4mm（1英寸）

——节流式流量计的安装

在各类标准的节流装置中以标准孔板的应用最为广泛，它具有结构简单、安装使用

方便的特点，适用于大流量的测量。孔板的最大缺点是流体流经节流件后压力缺失较大,

当工艺管路不同意有较大的压力缺失时，通常不宜选用孔板流量计。标准喷嘴与标准文

丘里管的压力缺失较小，但结构比较复杂，不易加工。

尽管节流式流量计的应用非常广泛，但是假如使用不当往往会出现很大的测量误差，有

的时候甚至高达10〜20%。下面列举一些造成测量误差的原因，以便在安装使用过程中

得到充分的注意，并予以适当的解决。

《差压变送器的安装如前所述》

——节流式流量计的使用特点与要求

A标准孔板应用广泛，它具有结构简单、安装方便的特点，适用于大流量的测量。

＞孔板测量的压损大,当不同意有较大的管道压损时，便不宜使用。在通常场合

下，仍使用孔板为多。

＞标准喷嘴与标准文丘里管的压力缺失较孔板为小，但结构比较复杂，不易加工。

＞标准节流装置仅适用于测量管道直径大于50mm,雷诺数在104〜105以上的流

隹；

＞流体应当清洁，充满全部管道，不发生相变;

＞为保证流体在节流装置前后为稳固的流淌状态,在节流装置的上、下游务必配

置•定长度的直管段（与管径、节流件的开孔面积与管路上的弯头数都有关系）

＞节流装置通过长时间的使用，会因物理磨损或者者化学腐蚀，造成几何形状与

尺寸的变化，从而引起测量误差，因此需要及时检查与维修，必要时更换新的

节流装置

——节流式流量计误差产生的原因

＞实际工况与设计要求不符，如：温度、压力、湿度与相应的流体重度、粘度、

雷诺数等参数数值发生变化，则会造成较大的误差。为了消除这种误差，务必

按新工艺重新设计计算，或者加以必要的修正。

＞节流装置安装不正确节流装置安装不正确，在安装时，特别要注意节流装置的

安装方向。

＞在使用中，要保持节流装置的清洁。如在节流装置处防止有沉淀、结焦、堵塞

等现象。

＞节流装置的磨损，应注意日常检查、维修，必要时应换用新的孔板。

＞导压管安装不正确，或者有诸塞、渗漏现象，

4.3.2转子流量计

在工业生产中经常遇到小流量的测量，因其流体的流速低，这就要求测量仪表有较

高的灵敏度，才能保证一定的精度。转子流量计特别适宜于测量管径50mm下列管道的

流量，测量的流量可小到每小时几升。

转子流量计要紧由两个部分构成：

一是由下往上逐步扩大的锥形管（通常用透明玻璃制成）

二是放在锥形管内可自由运动的转子。

被测流体由锥形管下端进入，流经转子与锥形管之间的环隙，再从上端流出。

当流体流过的时候，位于锥形管中的转子受到向上的一个力，使其浮起。当这个力

正好等于转子重量减去流体对转子的浮力，如今转子就停浮在一定的高度上。

若流体流量突然由小变大时，作用在转子上的向上的力就加大，转子上升，环隙增

大，即流通面积增大。随着环隙的增大，使流体流速变慢，流体作用在转子上的向上力

也就变小。这样，转