自动化仪表讲义

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2、动控制技术在工业、农业、国防和科学技术现代化中起着十分重要的作用，自动 控制水平的高低也是衡量一个国家科学技术先进与否的重要标志之一。随着国民经济和 国防建设的发展，自动控制技术的应用日益广泛，其重要作用也越来越显著。 生产过程自动控制（简称过程控制）自动控制技术在石油、化工、电力、冶金、 机械、轻工、纺织等生产过程的具体应用，是自动化技术的重要组成部分。 控制系统 系统的发展概况及特点 1.1 控制系统的发展概况及特点 一、过程控制的发展概况 在过程控制发展的历程中，生产过程的需求、控制理论的开拓和控制技术工具和手 段的进展三者相互影响、相互促进，推动了过程控制不断的向前发展。纵观过程控制的

3、 发展历史，大致经历了以下几个阶段： 20 世纪 40 年代： 手工操作状态，只有少量的检测仪表用于生产过程，操作人员主要根据观 测到的反映生产过程的关键参数，用人工来改变操作条件，凭经验去控制 生产过程。 20 世纪 40 年代末50 年代： 过程控制系统：多为单输入、单输出简单控制系统 过程检测： 采用的是基地式仪表和部分单元组合仪表 （气动型和电动型） ； 部分生产过程实现了仪表化和局部自动化 控制理论：以反馈为中心的经典控制理论 20 世纪 60 年代： 过程控制系统：串级、比值、均匀、前馈和选择性等多种复杂控制系统。 自动化仪表：单元组合仪表（气动型和电动型）成为主流产品 60 年代

4、后期，出现了专门用于过程控制的小型计算机，直接数字 控制系统和监督计算机控制系统开始应用于过程控制领域。 控制理论：出现了以状态空间方法为基础，以极小值原理和动态规划等最优 1 控制理论为基本特征的现代控制理论,传统的单输入单输出系统发 展到多输入多输出系统领域。 20 世纪 7080 年代： 微电子技术的发展，大规模集成电路制造成功且集成度越来越高（80 年 代初一片硅片可集成十几万个晶体管，于是 32 位微处理器问世） ，微型计算 机的出现及应用都促使控制系统发展。 过程控制系统：最优控制、非线性分布式参数控制、解耦控制、模糊控制 自动化仪表：气动型和电动型，以微处理器为主要构成单元的智能

5、控制 装置。集散控制系统（DCS） 、可编程逻辑控制器 (PLC) 、工 业 PC 机、和数字控制器等，已成为控制装置的主流。 集散控制系统实现了控制分散、危险分散，操作监测和管理集 中。 控制理论：形成了大系统理论和智能控制理论。模糊控制、专家系统控制、 模式识别技术 20 世纪 90 年代至今：信息技术飞速发展 过程控制系统：管控一体化现场，综合自动化是当今生产过程控制的发展方 向。 自动化仪表： 总线控制系统的出现，引起过程控制系统体系结构和功能结 构上的重大变革。现场仪表的数字化和智能化，形成了真正 意义上的全数字过程控制系统。各种智能仪表、变送器、无 纸纪录仪、人工智能、神经网络控制

6、 二、自动化技术的应用范畴 1.宇航方面： （现代控制理论） 同步卫星与地面接收站直接对应，偏差影响收看效果（随动控制系统） 卫星的发射与回收（神州 3 号卫星，哥伦比亚号航天飞机）自动关机、点火系统 2.军事方面： 火炮自动点火、巡航导弹 3.其他方面：农业（病虫害防治、专家系统） 社会科学（计划生育，人口增长模型） 4.现代管理： 办公自动化 （以计算机技术和现代通信技术为主体的综合处理与办公活 动相关的语言、数据、图像、文字等人及信息系统。 5.工业生产：自动车床、加热炉、发酵罐 三、控制系统的特点 过程控制系统与其他自动控制系统相比，有如下几个特点： 1.生产过程的连续性 生产过程的连

7、续性 在过程控制系统中，大多数被控过程都是以长期的或间歇形式运行，在密闭的设备 2 化工自动化及仪表 中被控变量不断的受到各种扰动的影响。 2.被控过程的复杂性 被控过程的复杂性 过程控制涉及范围广：石化过程的精馏塔、反应器；热工过程的换热器、锅炉等。 被控对象较复杂：动态特性多为大惯性，大滞后形式，且具有非线性、分布参数和 时变特性。 3.控制方案的多样性 控制方案的多样性 被控过程对象特性各异，工艺条件及要求不同， 过程控制系统的控制方案非常 丰富。 包括：常规 PID 控制、改进 PID 控制、串级控制、前馈-反馈控制、解耦控制； 为满足特定要求而开发的比值控制、均匀控制、选择性控制、推

8、断控制； 新型控制系统，如模糊控制、预测控制、最优控制等。 四、控制系统的主要内容 控制系统的主要内容 系统 1.自动检测系统 自动检测系统 利用各种检测仪表对工艺参数进行测量、指示或记录 如：加热炉温度、压力检测 2.自动信号和联锁保护系统 自动信号和联锁保护系统 自动信号系统：当工艺参数超出要求范围，自动发出声光信号 联锁保护系统：达到危险状态，打开安全阀或切断某些通路，必要时紧急停车 如：反应器温度、压力进入危险限时，加大冷却剂量或关闭进料阀 3.自动操纵及自动开停车系统 自动操纵及自动开停车系统 自动操纵系统：根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作 如：合成氨造气车间煤气

9、发生炉，按吹风、上吹、下吹、吹净等 步骤周期性地接通空气和水蒸汽 自动开停车系统：按预先规定好的步骤将生产过程自动的投入运行或自动停车 4.自动控制系统： 自动控制系统： 自动控制系统 利用自动控制装置对生产中某些关键性参数进行自动控制，使他们在受到外界 扰动的影响而偏离正常状态时， 能自动的回到规定范围。 （本书介绍的重点内容） 过程控制系统的组成 1.2 过程控制系统的组成 利用自动控制装置构成的过程控制系统，可以在没有人直接参与的条件下，使这些 工艺参数能自动按照预定的规律变化。 一、 过程控制系统实例 1. 锅炉汽包水位控制。 在锅炉正常运行中，汽包水位是一个重要的参数，它的高低直接影

10、响着蒸汽的品质 及锅炉的安全。水位过低，当负荷很大时，汽化速度很快，汽包内的液体将全部汽化， 导致锅炉烧干甚至会引起爆炸；水位过高会影响汽包的汽水分离，产生蒸汽带液现象， 降低了蒸汽的质量和产量，严重时会损坏后续设备。 3 蒸汽 汽包 汽包 加热室 蒸汽 液位变送 加热室 控制器 给水 给水 执行器 （a） 锅炉汽包水位控制示意图 图 1.1 锅炉汽包水位控制示意图 (b) 眼 检测元件（变送器） 要想实现对汽包水位的控制，首先应随时掌握水位的变化情况 控制器 控制器将接收到的测量信号与预先规定的水位高度进行比较。如果两 个信号不相等，表明实际水位与规定水位有偏差，此时控制器将根据 偏差的大小

11、向执行器输出一个控制信号， 执行器 执行器即可根据控制信号来改变阀门的开度，从而使进入锅炉的水量 发生变化，达到控制锅炉汽包水位的目的。 脑 手 2. 发酵罐温度控制（参见教材 P 4） 发酵罐是间歇发酵过程中的重要设备，广泛应用于微生物制药、食品等行业。发酵 罐的温度是影响发酵过程的一个重要参数。因为微生物菌体本身对温度非常敏感，只有 在适宜的温度下才能正常生长代谢，而且涉及菌体生长和产物合成的酶也必须在一定的 温度下才能具有高的活性。温度还会影响发酵产物的组成。因此，按一定的规律控制发 酵罐的温度就显得非常重要。 温度变送 控制器 执行器 冷却水 冷却水 (a) 图 1.2 发酵罐温度控制

12、系统示意图 (b) 4 化工自动化及仪表 影响发酵过程温度的主要因素有微生物发酵热、电机搅拌热、冷却水的流量及本身 的温度变化以及周围环境温度的改变等。一般采用通冷却水带走反应热的方式使罐内温 度保持工艺要求的数值。对于小型发酵罐，通常采用夹套式冷却形式。如图 1.2（a）所 示。 实现对发酵罐温度的控制，可使用温度检测仪表（如热电偶、热电阻等）测量罐中 的实际温度，将测得的数值送入控制器,然后与工艺要求保持的温度数值进行比较。如果 两个信号不相等，则由控制器的输出控制冷却水阀门的开度，改变冷却水的流量，从而 达到控制发酵罐温度的目的。 二、 过程控制系统的组成 一个过程控制系统一般由两部分组

13、成。 需要控制的工艺设备或机器(被控过程) + 自动控制装置 （反应器、精馏塔、换热器、压力罐 （控制器、执行器、测量元件及变送器） 储槽、加热炉、压缩机、泵、冷却塔） 几个常用术语： 被控过程（对象）工艺参数需要控制的生产过程设备或机器等。如锅炉汽包，发酵 罐。 被控变量 被控对象中要求保持设定值的工艺参数。如汽包水位、发酵温度。 操纵变量 受控制器操纵，用以克服扰动的影响使被控变量保持设定值的物料量或 能量。如锅炉给水量和发酵罐冷却水量。 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。如蒸汽负 荷的变化、冷却水温度的变化等。 设定值 被控变量的预定值。 偏 差(e) 被控变

14、量的设定值与实际值之差。在实际控制系统中，能够直接获取的 信息是被控变量的测量值而不是实际值，因此，通常把设定值与测量值之差作为偏差。 1.3 过程控制系统的两种表示形式 一、 方 框 图 方框图是控制系统或系统中每个环节的功能和信号流向的图解表示，是控制系统进 行理论分析、设计中常用到的一种形式。 1. 方框图组成 方框每一个方框表示系统中的一个组成部分（也称为环节） ，方框内添入表示 其自身特性的数学表达式或文字说明； 信号线信号线是带有箭头的直线段，用来表示环节间的相互关系和信号的流 向；作用于方框上的信号为该环节的输入信号，由方框送出的信号称 为该环节的输出信号。 比较点比较点表示对两

15、个或两个以上信号进行加减运算， 号表示相加， “+” “-” 5 号表示相减； 引出点表示信号引出， 从同一位置引出的信号在数值和性质方面完全相同。 带有输入输出信号的方框 比较点 分支点 图 1.3 方框的组成单元示意图 系统中的每一个环节用一个方框来表示， 四个方框分别表示： 被控对象 （锅炉汽包） 、 测量变送装置、控制器和执行器。每个方框都分别标出各自的输入、输出变量。如被控 对象环节，给水流量变化会引起汽包水位的变化，因此给水流量（操纵变量）作为输入 信号作用于被控对象，而汽包水位（被控变量）则作为被控对象的输出信号；引起被控 变量（汽包水位）偏离设定值的因素还包括蒸汽负荷的变化和给

16、水管压力的变化等扰动 量，它们也作为输入信号作用于被控对象。 图 1.4 锅炉汽包水位控制系统方框图 2. 负反馈概念： 反馈通过测量变送装置将被控变量的测量值送回到系统的输入端，这种把系统的输 出信号直接或经过一些环节引回到输入端的做法叫做反馈。分为和 反馈负反馈（引回到输入端的信号是减弱输入端作用的称为负反馈）用“-” 号表示 正反馈（引回到输入端的信号是增强输入端作用的称为正反馈）用“+”号表示。 在绘制方框图时应注意 1. 方框图中每一个方框表示一个具体的实物。 2. 方框之间带箭头的线段表示它们之间的信号联系， 与工艺设备间物料的流向无关。 方框图中信号线上的箭头除表示信号流向外，还

17、包含另一种方向性的含义，即所谓单向 性。对于每一个方框或系统，输入对输出的因果关系是单方向的，只有输入改变了才会 引起输出的改变，输出的改变不会返回去影响输入。例如冷水流量会使汽包水位改变， 但反过来，汽包水位的变化不会直接使冷水流量跟着改变。 3. 比较点不是一个独立的元件，而是控制器的一部分。为了清楚的表示控制器比较 机构的作用，故将比较点单独画出。 6 化工自动化及仪表 二、管道及仪表流程图 管道及仪表流程图是自控设计的文字代号、图形符号在工艺流程图上描述生产过 程控制的原理图，是控制系统设计、施工中采用的一种图示形式。该图在工艺流程图的 基础上，按其流程顺序，标出相应的测量点、控制点、

18、控制系统及自动信号与连锁保护 系统等。由工艺人员和自控人员共同研究绘制。在管道及仪表流程图的绘制过程中所采 用的图形符号、文字代号应按照有关的技术规定进行。下面结合化工部过程检测和控 制系统用文字代号和图形符号HG20505-92，介绍一些常用的图形符号和文字代号。 1图形符号 过程检测和控制系统图形符号包括测量点、连接线（引线、信号线）和仪表圆圈等。 测量点 测量点 （2）连接线 (a) (b) (c) （3）仪表 常规仪表图形符号是直径为 12mm(或 10mm)的细实线圆圈。 执行器 执行器的图形符号是由执行机构和调节机构的图形符号组合而成。 2. 仪表位号 在检测、控制系统中，构成回路

19、的每个仪表（或元件）都用仪表位号来标识。仪表 位号由字母代号组合和回路编号两部分组成。仪表位号中的第一个字母表示被测变量， 后继字母表示仪表的功能；回路的编号由工序 号和顺序号组成，一般用三位至五位阿拉伯数字表示，如下例所示： T RC 1 31 顺序号（一般用两位数字，也可以用三位数字） 7 工序号（一般用一位数字，也可以用两位数字） 功能字母代号 被测变量字母代号 在管道及仪表流程图中，仪表位号的标注方法是：字母代号填写在仪表圆圈的上半 圆中；回路编号填写在下半圆中。 PI 121 (a)就地安装 TRC 101 （b）集中盘面安装 3. 字母代号 仪表信号中表示被测变量和仪表功能的字母代

20、号见 P9 表 1.3。 管道及仪表流程图实例 图 1.8 和图 1.9 为简化的锅炉汽包管道及仪表流程图和发酵罐管道及仪表流程图。图 1.10 为某化工厂超细碳酸钙生产中碳化部分简化的工艺管道及仪表流程图。 HIC 101 PI 102 FIC 101 TI 102 二 氧 化 TI 101 PI 101 LIC 1O 精浆液 精浆液 贮槽 FICQ （带累计指示） 累计指示仪及控制器安装 ， 101 表示为第一工序第 01 个流量控制回路 在控制室。 HIC 101 表示为第一工序第 01 个带指示的手动控制回路，手动控制器（手操器）安装在 控制室。 LIC 101 TI 101 表示为第

21、一工序第 01 个带指示的液位控制回路， 液位指示控制器安装在控制室。 TI 102 表示为第一工序第 01、02 个温度检测回路，温度指示仪安装在现场。 8 化工自动化及仪表 PI 101 PI 表示为第一工序第 01、02 个压力检测回路，压力指示仪安装在现场。 102 1.4 过程控制系统的主要类型 按系统功能温度控制系统、压力控制系统、位置控制系统、流量控制系统等； 按系统性能-线性系统和非线性系统、连续系统和离散系统、定常系统和时变系统； 按被控变量的数量单变量控制系统和多变量控制系统； 按采用的控制装置常规仪表控制系统、计算机控制系统； 按控制系统基本结构形式闭环控制系统和开环控制

22、系统。 一、 闭环控制系统 闭环控制系统是指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的控制系统。 闭环控制系统 优点不管任何扰动引起被控变量偏离设定值，都会产生控制作 用去克服被控变量与设定值的偏差。因此闭环控制系统有 较高的控制精度和较好的适应能力， 其应用范围非常广泛。 缺点闭环控制系统的控制作用只有在偏差出现后才产生，当系 统的惯性滞后和纯滞后较大时，控制作用对扰动的克服不 及时，从而使其控制质量大大降低。 在闭环控制系统中，根据设定值的不同形式，又可分为定值控制系统，随动控制系 统和程序控制系统。 1. 定值控制系统 特点：设定值是固定不变 作用：保证在扰动作用下使被控变量始终保持

23、在设定值上 2. 随动控制系统 特点：设定值是一个未知的变化量 作用：保证在各种条件下系统的输出（被控变量）以一定的精度跟随设定值的变化 而变化。 3. 程序控制系统 特点：设定值是一个按一定时间程序变化的时间函数 作用：保证在各种条件下系统的输出（被控变量）以一定的精度跟随设定值的变化 而变化。 如：机械行业的数控车床、间歇生产过程中化学反应器的温度控制等都属于这类控 制系统。程序控制系统可以看成是随动控制系统的特殊情况，其分析研究方法与随动控 制系统相同。 9 二、 开环控制系统 开环控制系统控制器与被控对象之间只有顺向控制而没有反向联系的控制系统。 操纵变量可以通过控制对象去影响被控变量

24、，但被控变量不会通过控制装 置去影响操纵变量。从信号传递关系上看，未构成闭合回路。 1. 按设定值进行控制 控制方式的原理：需要控制的是被控对象中的被控变量，而测量的只是设定值。 如图 1.12(a)所示的换热器。换热器的工作原理是：冷物料与载热体（蒸汽）在换热器中 进行热交换，使冷物料出口温度上升至工艺要求的数值。因此，系统中被控变量为冷物 料出口温度，操纵变量为蒸汽流量。操纵变量与设定值保持一定的函数关系，当设定值 变化时，操纵变量随之变化进而改变被控变量。 (a) (b) 图 1.12 按设定值控制的开环控制系统 2. 按扰动进行控制 控制方式的原理需要控制的仍然是被控对象中的被控变量，

25、而测量的是破坏系统 正常进行的扰动量。利用扰动信号产生控制作用，以补偿扰动 对被控变量的影响，故称按扰动进行控制。 由于测量的是扰动量，这种控制方式只能对可测的扰动进行补偿。对 于不可测扰动及对象，各功能部件内部参数的变化对被控变量造成的影响，系统自身无 法控制。因此控制精度仍然受到原理上的限制。 1.5. 过程控制系统的性能指标及要求 过程控制系统的性能指标及要求 一、 过程控制系统的过渡过程 静态被控变量不随时间而变化的平衡状态 静态 在这种状态下，系统的输入（设定值和扰动量）及输出（被控变量）都保 持不变，系统内各组成环节都不改变其原来的状态，其输入、输出信号的变化 10 化工自动化及仪

26、表 率为零。而此时生产仍在进行，物料和能量仍然有进有出。因此静态反映的是 相对平衡状态。 动态被控变量随时间而变化的不平衡状态 动态 当一个原来处于相对平衡状态的系统受到扰动作用的影响后，其平衡状态 受到破坏，被控变量偏离设定值，此时控制器会改变原来的状态，产生相应的 控制作用，改变操纵变量去克服扰动的影响，力图恢复平衡状态。 过渡过程在设定值发生变化或系统受到扰动作用后， 系统将从原来的平衡状态经 过渡过程 历一个过程进入另一个新的平衡状态。 一般来说，一个控制系统的好坏在静态时是难以判别的，只有在动态过程中才能充 分反映出来。系统在其进行过程中，会不断受到扰动的频繁作用，系统自身通过控制装

27、 置不断地施加控制作用去克服扰动的影响，使被控变量保持在工艺生产所规定的技术指 标上。因此，我们对系统研究的重点应放在控制系统的动态过程。 过渡过程的几种形式 在阶跃信号作用下， 被控变量随时间的变化有以下几种形式。 如图 1.15 所示。 图中， Y 表示被控变量。 1.发散振荡过程 如图 1.15 中曲线所示，它表明系统受到扰动作用后，被控变量上下波动，且幅度 越来越大，即被控变量偏离设定值越来越远，以致超越工艺允许的范围。 2. 非振荡衰减过程 如图 1.15 中曲线所示。它表明被控变量受到扰动作用后，产生单调变化，经过一 段时间最终能稳定下来。 3.等幅振荡过程 如图 1.15 中曲线

28、所示。 它表明系统受到扰动作用后，被控变量做上下振幅稳定 的振荡，即被控变量在设定值的某一范围内来回波动。 4.衰减振荡过程 如图 1.15 中曲线所示，它表明系统受到扰动作用后，被控变量上下波动，且波动 的幅度逐渐减小，经过一段时间最终能稳定下来。 5. 非振荡发散过程 如图 1.15 中曲线所示。它表明系统受到扰动作用后，被控变量单调变化偏离设定 值越来越远，以致超出工艺设计的范围。 y t y t y t 11 y y t t 图 1.15 过渡过程的基本形式 上面五种过程形式中，非振荡衰减过程和衰减振荡过程是稳定过程，能基本满足控 制要求。 常见的典型信号 控制系统在其运行的过程中，不

29、断受到各种扰动的影响，这些扰动不仅形式各异， 对被控变量的影响也各不相同。为了便于对系统进行分析、研究，通常选择几种具有确 定性的典型信号来代替系统运行过程中受到的大量的无规则随机信号。有：阶跃信号、 斜坡信号、脉冲信号、加速度信号和正弦信号等。其中阶跃信号对被控变量的影响最大， 且阶跃扰动最为常见。 r(t） = A 0 t0 t0 （1.1） 当 A=1 时称为单位阶跃信号。 二、 过程控制系统的质量指标 质量指标： 质量指标： 在比较不同控制方案时，应首先规定评价控制系统的优劣程度的性能指标，一般情 况下，主要采用以阶跃响应曲线形式表示的质量指标。 控制系统最理想的过渡过程应具有什么形状

30、，没有绝对的标准，主要依据工艺要求 而定，除少数情况不希望过渡过程有振荡外，大多数情况则希望过渡过程是略带振荡的 衰减过程。 在阶跃信号作用下常以下面几个特征参数作为质量指标。 衰减比 这是表示衰减过程响应曲线衰减程度的指标。数值上等于同方向两个相邻波峰值之 比，即： n= B B 显然当 n=1 为等幅振荡；n1 为衰减振荡。为保持系统有足够的稳 定程度，工程上常取衰减比为 4:110:1。 12 化工自动化及仪表 峰值时间 tp 峰值时间是指过渡过程曲线达到第一个峰值所需要的时间。Tp 愈小表明控制系统反 应愈灵敏。这是反映系统快速性的一个动态指标。 (3) 过渡时间 ts 过渡时间是指控

31、制系统受到扰动作用后，被控变量从过渡状态恢复到新的平衡状态 所经历的最短时间。 最大偏差 A 对于一个稳定的定值控制系统来说，最大偏差是指被控变量第一个波峰值与设定值 的差。 最大偏差（或超调量）表示了被控变量偏离设定值的程度。A(或)愈大，表示偏离 生产规定的状态愈远，特别是对一些有危险限制的情况，如化学反应器的化合物爆炸极 限等，应特别慎重，以确保生产安全进行。 余差 C 余差是指过渡过程终了时新稳态值与设定值之差。它是反映控制系统控制精度的静 态指标，一般希望它为零或不超过工艺设计的范围。 第二章 过程参数的检测与仪表 教学要求：掌握检测仪表的基本性能指标（精度等级、变差、灵敏度等） 掌

32、握压力的检测方法 （液柱测压法、弹性变形法、电测压法） 差压式流量计测量原理，常用节流元件，转子流量计结构、测量原理 掌握容积式流量计（腰轮流量计）结构、工作原理、使用场合 掌握应用热电效应测温原理 13 掌握补偿导线的选用 掌握冷端温度补偿的四种方法；了解热电偶结构，分类 2.1 概述 一、检测过程及误差 1 检测过程 检测过程的实质在于被测参数都要经过能量形式的一次或多次转换，最后得到便于 测量的信号形式，然后与相应的测量单位进行比较，由指针位移或数字形式显示出来。 检测误差 误差测量值和真实值之间的差值 误差产生的原因：选用的仪表精确度有限，实验手段不够完善、环境中存在各种干 扰因素，以

33、及检测技术水平的限制等原因， 根据误差的性质及产生的原因，误差分为三类。 （1）系统误差 在同一测量条件下，对同一被测参数进行多次重复测量时，误差的大 小和符号保持不变或按一定规律变化 特点：有一定规律的，一般可通过实验或分析的方法找出其规律和影响因素， 引入相应的校正补偿措施，便可以消除或大大减小。 误差产生的原因：系统误差主要是由于检测仪表本身的不完善、检测中使用仪 表的方法不正确以及测量者固有的不良习惯等引起的。 （2）疏忽误差 明显地歪曲测量结果的误差，又称粗差， 特点：无任何规律可循。 误差产生的原因： 引起的原因主要是由于操作者的粗心 （如读错、 算错数据等） 、 不正确操作、实验

34、条件的突变或实验状况尚未达到预想的要求 而匆忙测试等原因所造成的。 （3）随机误差 在相同条件下多次重复测量同一量时，误差的大小、符号均为无规律 变化，又称偶然误差。 特点：变化难以预测，无法修正 误差产生的原因： 随机误差主要是由于测量过程中某种尚未认识的或无法控制的 各种随机因素（如空气扰动、噪声扰动、电磁场等）所引起的综合结 果。 随机误差在多次测量的总体上服从一定统计规律， 可利用概率论和数理统计的方 法来估计其影响。 二、检测仪表的基本技术性能指标 14 化工自动化及仪表 1精度 精度 检测仪表的精度反映测量值接近真实值的准确程度，一般用一系列误差来衡量。 （1）绝对误差 绝对误差指

35、仪表指示值与被测参数真值之间的差值，即 x = x ? xt 实际上通常采用多次测量结果的算术平均值或用精度较高的标准表的指示值作为约 定真值。则绝对误差可用下式表示： x = x ? x0 （2）引用误差 引用误差 把绝对误差折合成标尺范围的百分数表示，即 = x ? x0 标尺上限值 ? 标尺下限值 100 % = ?x 100 % （3）精度等级 精度等级 按仪表工业规定，去掉最大引用误差的“”号和“%”号，称为仪表的精度等级， 目前已系列化。只能从下列数系中选取最接近的合适数值作为精度等级，即 0.005，0.02， 0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4

36、.0 等。 例 1 有两台测温仪表，它们的测温范围分别为 0100和 100300，校验表时得 到它们的最大绝对误差均为 2，试确定这两台仪表的精度等级。 解 这两台仪表的最大引用误差分别为 1 = 2 100 % = 2 % 100 ? 0 2 = 100 % = 1 % 300 ? 100 2 去掉最大引用误差的“%”号，其数值分别为 2 和 1，由于国家规定的精度等级中没 有 2 级仪表，同时该仪表的误差超过了 1 级仪表所允许的最大误差，所以这台仪表的精 度等级为 2.5 级，而另一台仪表的精度等级正好为 1 级。由此可见，两台测量范围不同的 仪表，即使它们的绝对误差相等，它们的精度等

37、级也不相同，测量范围大的仪表精度等 级比测量范围小的高。 例 2 某台测温仪表的工作范围为 0500， 工艺要求测温时测量误差不超过4， 试问如何选择仪表的精度等级才能满足要求？ 解 根据工艺要求，仪表的最大引用误差为 max = 4 500 ? 0 100 % = 0 . 8 % 去掉最大引用误差的“”号和“%”号，其数值为 0.8，介于 0.51.0 之间，若选 择精度等级为 1.0 级的仪表，其最大绝对误差为5，超过了工艺上允许的数值，故应 选择 0.5 级的仪表才能满足要求。 小结：在确定一个仪表的精度等级时， 小结：在确定一个仪表的精度等级时，要求仪表的允许误差应该大于或等于仪表校

38、15 验时所得到的最大引用误差；而根据工艺要求来选择仪表的精度等级时， 验时所得到的最大引用误差；而根据工艺要求来选择仪表的精度等级时，仪表的允许误 差应该小于或等于工艺上所允许的最大引用误差。这一点在实际工作中要特别注意。 差应该小于或等于工艺上所允许的最大引用误差。这一点在实际工作中要特别注意。 2 灵敏度与灵敏限 （1）灵敏度 灵敏度表示仪表对被测参数变化反应的能力，是指仪表达到稳态后输出增量与输入 增量之比，即 S= y ?x 灵敏限 灵敏限是指引起仪表指针发生可见变化的被测参数的最小变化量。一般，仪表的灵 敏限数值不大于仪表允许误差绝对值的一半。 3回差 回差 在外界条件不变的情况下

39、，当被测参数从小到大（正行程）和从大到小（反行程） 时，同一输入的两个相应输出值常常不相等。两者绝对值之差的最大值 ? max和仪表量程 之比的百分数称为回差，也称变差即 b = max 100 % 回差产生原因：由于传动机构的间隙、运动件的摩擦、弹性元件的弹性滞后等。回差越 小，仪表的重复性和稳定性越好。应当注意，仪表的回差不能超过仪表 引用误差，否则应当检修。 2.2 压力检测方法及仪表 一、压力检测的基本知识 1压力的概念及单位 2 压力的表示方法 3 二、压力检测方法 根据工业对象的特点，通常有三种检测压力的方法，即液柱测压法，弹性变形法和 电测压力法。 1 液柱测压法 测压原理：是以

40、流体静力学为基础，一般用液柱产生或传递的压力来平衡被测压力 的方法进行测量的。 2 弹性变形法 测压原理：当被测压力作用于弹性元件，弹性元件便产生相应的变形。根据变形的 大小，便可测知被测压力的数值。 16 化工自动化及仪表 3 电测压力法 测压原理：是利用转换元件（如某些机械和电气元件）直接把被测压力变换为电信 号来进行测量的。 弹性元件附加一些变换装置，使弹性元件自由端的 位移量转换成相应的电信号，如电阻式、电感式、 电容式、霍尔片式、应变式、振弦式等 电测压力法可分为两类 非弹性元件组成的快速测压元件， 主要利用某些物 体的某一物理性质与压力有关， 如压电式、 压阻式、 压磁式等。 （1

41、） ） 电容式测压原理 测压原理： 是采用变电容原理， 利用弹性元件受压变形来改变可变电容器的电容量， 然后通过测量电容量 C 便可以知道被测压力的大小，从而实现 压力-电容转换的。 （2）压电式测压原理 压电式测压原理 测压原理：是根据“压电效应”把被测压力变换为电信号的。 ，在两个相对的 （3） 压电效应：当某些晶体受压发生机械变形时（压缩或伸长） ） 面上产生异性电荷， 这种没有外电场存在， 而由于变形而引起的电现象称为 “压 电效应” 。 （4） 应变片式测压原理 ） 测压原理：是通过应变片将被测压力 P 引起的弹性元件应变量的变化转换为电阻值 R 的变化，从而完成压力电阻的转换，并远

42、传至桥式电路获得相应的 毫伏级电量输出信号，在显示或记录装置上显示出被测压力值。 三、压力检测仪表 根据不同的原理及工艺生产过程的不同要求，可以制成不同形式的压力表。 弹性式压力表（弹簧管压力表）由于结构简单，价格便宜，使用和维修方便，并且 测压范围较宽，因此，在工业过程中得到了十分广泛地应用。 电测法压力表测量脉动压力和高真空、超高压等场合时比较合适 本节主要介绍在工业生产过程中常见的弹簧管压力表和霍尔式压力表。 差压（压力） 四、差压（压力）变送器 17 变送器是自动测控系统中的一个重要组成部分。 作用：将各种物理量转换成统一的标准信号， 如气动单元组合仪表（简称为 QDZ 仪表）为 20

43、100 KPa； 电动单元组合仪表（简称为 DDZ 仪表）中，DDZ-型仪表为 010mADC； DDZ-型仪表为 420mADC。 按工作能源不同，压力变送器和差压变送器都分为气动和电动变送器两大类；按工 作原理的不同，又可分为力平衡式变送器和微位移平衡式变送器，如以电容、电感、电 阻和弦振频率为传感元件的变送器都属于微位移式变送器。80 年代以后，国际上相继推 出了各具特色的智能变送器。目前世界上尚未形成统一的现场总线（Field bus） （现场总 线是用于过程自动化和制造自动化最底层的现场设备或现场仪表互连的通信网络）标准， 因而各个厂家的智能变送器大多按各自的通讯标准开发，所以相互无

44、操作性，无可互换 性。 1 力平衡式压力变送器 就变送器的杠杆系统来说，力平衡式变送器有单杠杆、双杠杆和矢量机构三种。结 构 DDZ-型力平衡式电动变送器的结构如 P34 图 2.10 所示， 主要由四部分组成： 测量机构 组成：由高、低压室、膜盒、轴封膜片等部分， 作用：是把被测差压转换成作用于主杠杆上的力。 杠杆系统 杠杆系统是差压变送器中的机械传动和力矩平衡部分 组成：主、副杠杆、调零和零点迁移机构、平衡锤、静压调整及矢量机 构等。 作用：是把测量机构对主杠杆的输入力所产生的力矩转换成检测片的微 小位移。 位移检测放大器 组成：差动变送器、低频振荡器、整流滤波及功率放大器等部分组成。 作

45、用：是将副杠杆上检测片的微小位移转换成直流信号输出。 电磁反馈机构 组成：由反馈线圈、永久磁钢等。 作用：将变送器输出电流转换成相应的电磁反馈力，作用于副杠杆 上，产生反馈力矩，以便和测量部分产生的输入力矩相平衡。 （1）工作原理 2 微位移式变送器 微位移式变送器因其传感器元件位移和变形极小而得名。 典型的产品有：美国罗斯蒙特（Rosemount）公司研制的 1151 系列电容式变送器， 美国霍尼韦尔（Honeywell）公司的 DST 型扩散硅式变送器，日本富士电机公司的 FC 系 列浮动膜盒电容式变送器等。 18 化工自动化及仪表 （1）测量部分 测量部分 测量部分包括电容膜盒、高低压室

46、及法兰组件等， 作用：将差压、压力等参数转换成与电容有关的参数。 （2）转换部分 转换部分由测量电路和电气壳体组成，其作用是将测量部分所得到的电容比的变化 量转换成 420mADC 标准的电流输出信号， 并附有调零、调量程、调迁移量等各种装置。 3 智能差压（压力）变送器 智能差压（压力） 智能差压（压力）变送器是一种带微处理器的变送器，对应于被测量差压和压力输 出 420mADC 的模拟信号或数字标准信号。依靠 SFC（智能通信器） ，用户在现场或控 制室就可对变送器发送或接受信息来设定各种参数。智能差压（压力）变送器具有远程 通讯的功能，不需要把变送器从塔顶或危险的安装地拆下来，减少了维修

47、成本和时间。 五、压力检测仪表的选择 压力表的选择应根据工艺过程对压力测量的要求，被测介质的性质，现场环境条件 等来确定仪表的种类、型号、量程和精度，并确定是否需要带有远传、报警等附加装置。 1仪表种类和型号的选择 仪表种类和型号的选择 仪表种类和型号的选择应根据工艺要求，介质性质及现场环境等因素来考虑。 介质的物理、化学性质（如温度、粘度、脏污程度、腐蚀性、易燃性等）如何；现 场环境条件（如温度、湿度、有无振动、有无腐蚀性等） 2仪表量程的确定 仪表量程的确定 仪表的量程是根据被测压力的大小和保证仪表寿命等方面来考虑的，通常仪表的上 下限值应稍大于工艺被测压力的最大值。按“化工自控设计技术规

48、定” 。对被测压力较稳 定的情况，最大压力值应不超过满量程的 2/3；对被测压力波动较大的情况，最大压力值 应不超过满量程的 1/2。一般为了保证测量的精度，被测压力的最小值也不应低于全量程 的 1/3。 3仪表精度等级的选择 仪表精度等级的选择 精度等级是根据生产所允许的最大测量误差和仪表量程来确定的。 2.3 物位检测方法及仪表 物位检测的作用：为了确定容器中的贮料数量，以保证连续生产的需要或进行经 济核算； 为了监视或控制容器的物位，使它保持在规定的范围内； 对它的上下极限位置进行报警，以保证生产安全、正常进行。 物位检测方法： 应用浮力原理检测物位 19 应用静压原理检测物位 应用电学

49、原理检测物位 应用超声波反射检测物位 应用射线被物体的吸收检测物位 一、物位检测方法 1应用浮力原理检测物位 利用漂浮于液面上的浮标或浸没于液体中的浮筒对液位进行测量的。 测量原理：当液位变化时，浮标产生相应的位移，而浮标所受到的浮力维持不 变，只要检测出浮标的位移就可以知道液位的高低。 当液位变化时，浮筒所受到的浮力的发生变化，只要检测出浮力的 变化就可以知道液位的高低。 2应用静压原理检测物位 差压变送器测量液位时的零点迁移问题（重点） 差压变送器测量液位时的零点迁移问题（重点） 利用差压变送器测量液位时， 差压变送器将由液位形成的差压P 转换成相应的统一 标准电信号输出。然而，由于安装位

50、置条件不同，往往存在着仪表零点迁移问题。 无迁移 特征： 特征：差压变送器的正压室取压口正好与容器的最低液位（Hmin=0）处于同 一水平位置。作用于变送器正、负压室的差压P 与液位高度 H 的 关系为P=Hg。 当 H =0 时，正负压室的差压P=0，变送器输出为 I0=4mA 当 H= Hmax 时，差压Pmax =gHmax，变送器的输出信号 20 mA， 负迁移 在实际测量中，为了防止容器内的液体和气体进入变送器的取压室而造成 导压管线堵塞或腐蚀，以及保持负压室的凝液高度恒定，往往在变送器的正、负压室与 取压点之间分别加装隔离罐，并充以密度为2 的隔离液。 正迁移 当变送器的安装位置与

51、容器的最低液位（H=0）不在同一水平位置上。 在差压变送器的产品手册中，通常注明是否带有迁移装置以及相应的迁移量范围， 应根据现场的具体情况予以正确选用。 4. 应用超声波反射检测物位 声波可以在气体、液体、固体中传播，并具有一定的传播速度。 当声波从一种介质向另一种介质传播时，在两种密度不同，声速不同的介质的分界 面上，传播方向便发生改变，即一部分被反射，一部分折射入相邻介质内。若声波从液 体或固体传播到气体时，或相反的情况下，由于两种介质的密度相差悬殊，声波几乎全 部被反射。因此，测量时由置于容器底部的超声波探头向液面与气体的分界面发射超声 20 化工自动化及仪表 波，经过时间 t 后，便

52、可接收到从界面反射回来的回波信号。 2.4 流量检测方法及仪表 一、流量检测方法 流量是工业生产过程操作与管理的重要依据。在具有流动介质的工艺过程中，物料 通过工艺管道在设备之间来往输送和配比，生产过程中的物料平衡和能量平衡等都与流 量有着密切的关系。 流量指瞬时流量，即单位时间内通过管道某一截面的流动介质的量。 用体积流量（单位为 m3/s）或质量流量（单位为 kg/s）表示。 总量为选定的某一段时间间隔内流过管道某一截面的流体量的总和， 也可分别用体积总量或质量总量表示。 常见的流量检测方法有以下几种： 应用容积法检测流量 应用动压能和静压能转换的原理检测流量 根据能量守恒定理，动压能和静

53、压能在一定条件下可以相互转 换，但其总量不变。节流元件两端的静压差的大小与流体的流 量有关，将静压差的变化作为测量依据 应用改变流通面积的方法检测流量 应用流体振荡原理检测流量 应用电磁感应原理检测流量 应用超声波检测流量 应用流体动量矩原理检测流量 质量流量检测方法 1.应用容积法检测流量 1.应用容积法检测流量 单位时间内所排出固定容积的数目作为测量依据 为了连续地在密闭的管道中测量流体的流量，一般采用容积分界的方法，即由仪表 壳体和转子组成流体的计量室，流体经过仪表时，在仪表的入、出口之间产生压力差， 此流体压力差对转子产生驱动力矩，转子旋转，将流体一份一份地排出，其排出的流体 总量为

54、2. 应用动压能和静压能转换的原理检测流量 流体在管道中流动时，具有动能和位能，对于理想的流体，流体在同一管道的任一 截面的动能和静压能的总和是不变的，但是若采取一定方式（例如节流） ，可以造成能量 形式的相互转化，然后通过测量静压的变化求出流速和流量。工业中常用的方法是在管 道中插入一流通面积较小的节流元件，造成流体通过节流元件时，在节流元件的上、下 游之间产生静压差（简称差压） ，通过测量差压求出流量值。 3. 应用改变流通面积的方法检测流量 检测原理:在一个由下往上逐渐扩大的锥形管中垂直地放置一阻力件，当流体自下而 上流经锥形管与转子之间的环形流通面积时，由于受到流体的冲击，转子便要向上

55、运动。 21 随着转子的上升，转子与锥形管间的环形流通面积增大、流速降低，直到流体作用在转 子上的浮力和冲力（阻力）与转子本身重量相平衡时，转子停留在某一高度，维持平衡。 当流量增大时，流过环隙的流速 v 增大，转子所受冲力增大，由于转子在流体中的重力 与所受浮力不变，所以转子就上升，造成环隙面积增大，从而流速 v 减小，冲力也减小， 直至达到新的平衡，转子又停浮在一个新的高度上，这样转子在锥形管中停浮的高度与 流体的流量大小一一对应。在锥形管外壁上以流量值刻度，则根据转子浮起的高度即可 直接显示出被测流量的数值。 流量计的刻度值进行修正 （1） 液体流量的修正 修正公式 ( z ? s )

56、y QN = = kQ QY ( z ? y ) s （2）气体流量的修正 用于测量气体的转子流量计，不仅在被测介质气体密度与空 气不同时要进行刻度换算，而且当温度和压力变化时，也须进行刻度换算。 刻度换算公式为 Q1 = 0 P1T0 Q0 1 P0T1 2.4.2 差压式流量计 差压式流量计是基于流体动压能和静压能在一定条件下可以相互转换的原理，利用 流体流经节流装置时所产生的静压差来实现流量测量的仪表。 差压式流量计主要由节流装置、信号管路和差压计（或差压变送器和显示仪表）组 成。 1 Q 2 h 3 图 2.34 Q 差压式流量计 1孔板 2引压管 3差压计 2.5 温度检测方法及仪表 一、温度检测的基本知识 1温度及温度测量 22 化工自动化及仪表 依据测温元件与被测物体接触与否，测温方式通常有接触式和非接触式之分。 2温标 目前国际上常用的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标和国际实用温标。 二、温度检测方法