1、第一章 過程控制基本概念教學要求：了解過程控制的發展概況及特點；掌握過程控制系統各部分作用，系統的組成；掌握管道及儀表流程圖繪制方法，認識常見圖形符號、文字代號；學會繪制簡單系統的管道及儀表流程圖；掌握控制系統的基本控制要求（穩定、快速、準確）； 掌握靜態、動態及過渡過程概念；掌握品質指標的定義，學會計算品質指標。重 點：自動控制系統的組成及各部分的功能；負反饋概念；控制系統的基本控制要求及質量指標。難 點：常用術語物理意義（操縱變量與擾動量區別）；根據控制系統要求繪制方框圖；靜態，過渡過程概念。自動控制技術在工業、農業、國防和科學技術現代化中起著十分重要的作用，自動控制水平的高低也是衡量一個

2、國家科學技術先進與否的重要標志之一。隨著國民經濟和國防建設的發展，自動控制技術的應用日益廣泛，其重要作用也越來越顯著。生產過程自動控制（簡稱過程控制）-自動控制技術在石油、化工、電力、冶金、機械、輕工、紡織等生產過程的具體應用，是自動化技術的重要組成部分。1.1 過程控制的發展概況及特點一、過程控制的發展概況在過程控制發展的歷程中，生產過程的需求、控制理論的開拓和控制技術工具和手段的進展三者相互影響、相互促進，推動了過程控制不斷的向前發展。縱觀過程控制的發展歷史，大致經歷了以下幾個階段：20世紀40年代：手工操作狀態，只有少量的檢測儀表用于生產過程，操作人員主要根據觀測到的反映生產過程的關鍵參

3、數，用人工來改變操作條件，憑經驗去控制生產過程。20世紀40年代末50年代：過程控制系統：多為單輸入、單輸出簡單控制系統過程檢測：采用的是基地式儀表和部分單元組合儀表（氣動型和電動型）；部分生產過程實現了儀表化和局部自動化控制理論：以反饋為中心的經典控制理論20世紀60年代：過程控制系統：串級、比值、均勻、前饋和選擇性等多種復雜控制系統。自動化儀表：單元組合儀表（氣動型和電動型）成為主流產品60年代后期，出現了專門用于過程控制的小型計算機，直接數字控制系統和監督計算機控制系統開始應用于過程控制領域。控制理論：出現了以狀態空間方法為基礎，以極小值原理和動態規劃等最優控制理論為基本特征的現代控制理

4、論,傳統的單輸入單輸出系統發展到多輸入多輸出系統領域， 、型、型20世紀7080年代：微電子技術的發展，大規模集成電路制造成功且集成度越來越高（80年代初一片硅片可集成十幾萬個晶體管，于是32位微處理器問世），微型計算機的出現及應用都促使控制系統發展。過程控制系統：最優控制、非線性分布式參數控制、解耦控制、模糊控制自動化儀表：氣動型和電動型，以微處理器為主要構成單元的智能控制裝置。集散控制系統（DCS）、可編程邏輯控制器 (PLC) 、工業PC機、和數字控制器等，已成為控制裝置的主流。集散控制系統實現了控制分散、危險分散，操作監測和管理集中。 控制理論：形成了大系統理論和智能控制理論。模糊控制

5、、專家系統控制、模式識別技術20世紀90年代至今：信息技術飛速發展過程控制系統：管控一體化現場，綜合自動化是當今生產過程控制的發展方向。自動化儀表：總線控制系統的出現，引起過程控制系統體系結構和功能結構上的重大變革。現場儀表的數字化和智能化，形成了真正意義上的全數字過程控制系統。各種智能儀表、變送器、無紙紀錄儀人工智能、神經網絡控制二、自動化技術的應用范疇1.宇航方面：（現代控制理論）同步衛星與地面接收站直接對應，偏差影響收看效果（隨動控制系統）衛星的發射與回收（神州3號衛星，哥倫比亞號航天飛機）自動關機、點火系統2.軍事方面：火炮自動點火、巡航導彈3.其他方面：農業（病蟲害防治、專家系統）社

6、會科學（計劃生育，人口增長模型）4.現代管理：辦公自動化（以計算機技術和現代通信技術為主體的綜合處理與辦公活動相關的語言、數據、圖像、文字等人及信息系統。5.工業生產：自動車床、加熱爐、發酵罐三、過程控制系統的特點過程控制系統與其他自動控制系統相比，有如下幾個特點：1.生產過程的連續性 在過程控制系統中，大多數被控過程都是以長期的或間歇形式運行，在密閉的設備中被控變量不斷的受到各種擾動的影響。2.被控過程的復雜性 過程控制涉及范圍廣：石化過程的精餾塔、反應器；熱工過程的換熱器、鍋爐等。被控對象較復雜：動態特性多為大慣性，大滯后形式，且具有非線性、分布參數和時變特性。3.控制方案的多樣性被控過程

7、對象特性各異，工藝條件及要求不同， 過程控制系統的控制方案非常豐富。包括：常規PID控制、改進PID控制、串級控制、前饋-反饋控制、解耦控制；為滿足特定要求而開發的比值控制、均勻控制、選擇性控制、推斷控制；新型控制系統，如模糊控制、預測控制、最優控制等。四、過程控制的主要內容1.自動檢測系統利用各種檢測儀表對工藝參數進行測量、指示或記錄如：加熱爐溫度、壓力檢測2.自動信號和聯鎖保護系統自動信號系統：當工藝參數超出要求范圍，自動發出聲光信號聯鎖保護系統：達到危險狀態，打開安全閥或切斷某些通路，必要時緊急停車如：反應器溫度、壓力進入危險限時，加大冷卻劑量或關閉進料閥3.自動操縱及自動開停車系統自動

8、操縱系統：根據預先規定的步驟自動地對生產設備進行某種周期性操作如：合成氨造氣車間煤氣發生爐，按吹風、上吹、下吹、吹凈等步驟周期性地接通空氣和水蒸汽自動開停車系統：按預先規定好的步驟將生產過程自動的投入運行或自動停車4.自動控制系統： 利用自動控制裝置對生產中某些關鍵性參數進行自動控制，使他們在受到外界擾動的影響而偏離正常狀態時，能自動的回到規定范圍。（本書介紹的重點內容）1.2 過程控制系統的組成利用自動控制裝置構成的過程控制系統，可以在沒有人直接參與的條件下，使這些工藝參數能自動按照預定的規律變化。一、 過程控制系統實例1. 鍋爐汽包水位控制。在鍋爐正常運行中，汽包水位是一個重要的參數，它的

9、高低直接影響著蒸汽的品質及鍋爐的安全。水位過低，當負荷很大時，汽化速度很快，汽包內的液體將全部汽化，導致鍋爐燒干甚至會引起爆炸；水位過高會影響汽包的汽水分離，產生蒸汽帶液現象，降低了蒸汽的質量和產量，嚴重時會損壞后續設備。蒸汽 汽包 給水 蒸汽 加熱室 液位變送汽包 控制器加熱室 給水 執行器 （a） (b)圖1.1 鍋爐汽包水位控制示意圖眼 檢測元件（變送器）要想實現對汽包水位的控制，首先應隨時掌握水位的變化情況腦 控制器 控制器將接收到的測量信號與預先規定的水位高度進行比較。如果兩個信號不相等，表明實際水位與規定水位有偏差，此時控制器將根據偏差的大小向執行器輸出一個控制信號，手 執行器執行

10、器即可根據控制信號來改變閥門的開度，從而使進入鍋爐的水量發生變化，達到控制鍋爐汽包水位的目的。2. 發酵罐溫度控制（參見教材P 4）發酵罐是間歇發酵過程中的重要設備，廣泛應用于微生物制藥、食品等行業。發酵罐的溫度是影響發酵過程的一個重要參數。因為微生物菌體本身對溫度非常敏感，只有在適宜的溫度下才能正常生長代謝，而且涉及菌體生長和產物合成的酶也必須在一定的溫度下才能具有高的活性。溫度還會影響發酵產物的組成。因此，按一定的規律控制發酵罐的溫度就顯得非常重要。冷卻水 溫度變送控制器執行器冷卻水 (a) (b)圖1.2 發酵罐溫度控制系統示意圖影響發酵過程溫度的主要因素有微生物發酵熱、電機攪拌熱、冷卻

11、水的流量及本身的溫度變化以及周圍環境溫度的改變等。一般采用通冷卻水帶走反應熱的方式使罐內溫度保持工藝要求的數值。對于小型發酵罐，通常采用夾套式冷卻形式。如圖1.2（a）所示。實現對發酵罐溫度的控制，可使用溫度檢測儀表（如熱電偶、熱電阻等）測量罐中的實際溫度，將測得的數值送入控制器,然后與工藝要求保持的溫度數值進行比較。如果兩個信號不相等，則由控制器的輸出控制冷卻水閥門的開度，改變冷卻水的流量，從而達到控制發酵罐溫度的目的。二、過程控制系統的組成一個過程控制系統一般由兩部分組成。需要控制的工藝設備或機器(被控過程) + 自動控制裝置（反應器、精餾塔、換熱器、壓力罐 （控制器、執行器、測量元件及變

12、送器）儲槽、加熱爐、壓縮機、泵、冷卻塔）幾個常用術語： 被控過程（對象）工藝參數需要控制的生產過程設備或機器等。如鍋爐汽包，發酵罐。被控變量 被控對象中要求保持設定值的工藝參數。如汽包水位、發酵溫度。操縱變量 受控制器操縱，用以克服擾動的影響使被控變量保持設定值的物料量或能量。如鍋爐給水量和發酵罐冷卻水量。擾動量 除操縱變量外，作用于被控對象并引起被控變量變化的因素。如蒸汽負荷的變化、冷卻水溫度的變化等。設定值 被控變量的預定值。偏 差(e) 被控變量的設定值與實際值之差。在實際控制系統中，能夠直接獲取的信息是被控變量的測量值而不是實際值，因此，通常把設定值與測量值之差作為偏差。1.3 過程控

13、制系統的兩種表示形式一、 方 框 圖方框圖是控制系統或系統中每個環節的功能和信號流向的圖解表示，是控制系統進行理論分析、設計中常用到的一種形式。1. 方框圖組成 方框-每一個方框表示系統中的一個組成部分（也稱為環節），方框內添入表示其自身特性的數學表達式或文字說明；信號線-信號線是帶有箭頭的直線段，用來表示環節間的相互關系和信號的流向；作用于方框上的信號為該環節的輸入信號，由方框送出的信號稱為該環節的輸出信號。比較點-比較點表示對兩個或兩個以上信號進行加減運算，“+”號表示相加，“-”號表示相減；引出點-表示信號引出， 從同一位置引出的信號在數值和性質方面完全相同。帶有輸入輸出信號的方框 比較

14、點 分支點圖1.3方框的組成單元示意圖系統中的每一個環節用一個方框來表示，四個方框分別表示：被控對象（鍋爐汽包）、測量變送裝置、控制器和執行器。每個方框都分別標出各自的輸入、輸出變量。如被控對象環節，給水流量變化會引起汽包水位的變化，因此給水流量（操縱變量）作為輸入信號作用于被控對象，而汽包水位（被控變量）則作為被控對象的輸出信號；引起被控變量（汽包水位）偏離設定值的因素還包括蒸汽負荷的變化和給水管壓力的變化等擾動量，它們也作為輸入信號作用于被控對象。圖1.4 鍋爐汽包水位控制系統方框圖2. 負反饋概念：反饋通過測量變送裝置將被控變量的測量值送回到系統的輸入端，這種把系統的輸出信號直接或經過一

15、些環節引回到輸入端的做法叫做反饋。分為和反饋-負反饋（引回到輸入端的信號是減弱輸入端作用的稱為負反饋）用“-” 號表示正反饋（引回到輸入端的信號是增強輸入端作用的稱為正反饋）用“+”號表示。在繪制方框圖時應注意1. 方框圖中每一個方框表示一個具體的實物。2. 方框之間帶箭頭的線段表示它們之間的信號聯系，與工藝設備間物料的流向無關。方框圖中信號線上的箭頭除表示信號流向外，還包含另一種方向性的含義，即所謂單向性。對于每一個方框或系統，輸入對輸出的因果關系是單方向的，只有輸入改變了才會引起輸出的改變，輸出的改變不會返回去影響輸入。例如冷水流量會使汽包水位改變，但反過來，汽包水位的變化不會直接使冷水流

16、量跟著改變。3. 比較點不是一個獨立的元件，而是控制器的一部分。為了清楚的表示控制器比較機構的作用，故將比較點單獨畫出。二、管道及儀表流程圖 管道及儀表流程圖是自控設計的文字代號、圖形符號在工藝流程圖上描述生產過程控制的原理圖，是控制系統設計、施工中采用的一種圖示形式。該圖在工藝流程圖的基礎上，按其流程順序，標出相應的測量點、控制點、控制系統及自動信號與連鎖保護系統等。由工藝人員和自控人員共同研究繪制。在管道及儀表流程圖的繪制過程中所采用的圖形符號、文字代號應按照有關的技術規定進行。下面結合化工部過程檢測和控制系統用文字代號和圖形符號HG20505-92，介紹一些常用的圖形符號和文字代號。1圖

17、形符號過程檢測和控制系統圖形符號包括測量點、連接線（引線、信號線）和儀表圓圈等。測量點測量點 （2）連接線 (a) (b) (c)（3）儀表常規儀表圖形符號是直徑為12mm(或10mm)的細實線圓圈。執行器執行器的圖形符號是由執行機構和調節機構的圖形符號組合而成。2. 儀表位號在檢測、控制系統中，構成回路的每個儀表（或元件）都用儀表位號來標識。儀表位號由字母代號組合和回路編號兩部分組成。儀表位號中的第一個字母表示被測變量，后繼字母表示儀表的功能；回路的編號由工序號和順序號組成，一般用三位至五位阿拉伯數字表示，如下例所示：T RC 1 31 順序號（一般用兩位數字，也可以用三位數字）工序號（一般

18、用一位數字，也可以用兩位數字）功能字母代號 被測變量字母代號在管道及儀表流程圖中，儀表位號的標注方法是：字母代號填寫在儀表圓圈的上半圓中；回路編號填寫在下半圓中。PI121TRC101(a)就地安裝 （b）集中盤面安裝3. 字母代號儀表信號中表示被測變量和儀表功能的字母代號見P9表1.3。管道及儀表流程圖實例圖1.8和圖1.9為簡化的鍋爐汽包管道及儀表流程圖和發酵罐管道及儀表流程圖。圖1.10 為某化工廠超細碳酸鈣生產中碳化部分簡化的工藝管道及儀表流程圖。二氧化碳精漿液TI PI 102102貯槽FICQ101HIC101LIC1O1 TI 101PI 101精漿液FICQ 101表示為第一工

19、序第01個流量控制回路（帶累計指示），累計指示儀及控制器安裝在控制室。HIC 101 表示為第一工序第01個帶指示的手動控制回路，手動控制器（手操器）安裝在控制室。LIC 101 表示為第一工序第01個帶指示的液位控制回路，液位指示控制器安裝在控制室。TI 102 TI 101 表示為第一工序第01、02個溫度檢測回路，溫度指示儀安裝在現場。PI PI 101 102 表示為第一工序第01、02個壓力檢測回路，壓力指示儀安裝在現場。1.4過程控制系統的主要類型按系統功能-溫度控制系統、壓力控制系統、位置控制系統、流量控制系統等；按系統性能-線性系統和非線性系統、連續系統和離散系統、定常系統和時

20、變系統；按被控變量的數量-單變量控制系統和多變量控制系統；按采用的控制裝置-常規儀表控制系統、計算機控制系統；按控制系統基本結構形式-閉環控制系統和開環控制系統。一、 閉環控制系統 閉環控制系統是指控制器與被控對象之間既有順向控制又有反向聯系的控制系統。閉環控制系統 優點-不管任何擾動引起被控變量偏離設定值，都會產生控制作用去克服被控變量與設定值的偏差。因此閉環控制系統有較高的控制精度和較好的適應能力，其應用范圍非常廣泛。缺點-閉環控制系統的控制作用只有在偏差出現后才產生，當系統的慣性滯后和純滯后較大時，控制作用對擾動的克服不及時，從而使其控制質量大大降低。在閉環控制系統中，根據設定值的不同形

21、式，又可分為定值控制系統，隨動控制系統和程序控制系統。1. 定值控制系統特點：設定值是固定不變 作用：保證在擾動作用下使被控變量始終保持在設定值上2. 隨動控制系統特點：設定值是一個未知的變化量作用：保證在各種條件下系統的輸出（被控變量）以一定的精度跟隨設定值的變化而變化。3. 程序控制系統特點：設定值是一個按一定時間程序變化的時間函數作用：保證在各種條件下系統的輸出（被控變量）以一定的精度跟隨設定值的變化而變化。如：機械行業的數控車床、間歇生產過程中化學反應器的溫度控制等都屬于這類控制系統。程序控制系統可以看成是隨動控制系統的特殊情況，其分析研究方法與隨動控制系統相同。二、 開環控制系統開環

22、控制系統-控制器與被控對象之間只有順向控制而沒有反向聯系的控制系統。操縱變量可以通過控制對象去影響被控變量，但被控變量不會通過控制裝置去影響操縱變量。從信號傳遞關系上看，未構成閉合回路。1. 按設定值進行控制控制方式的原理：需要控制的是被控對象中的被控變量，而測量的只是設定值。如圖1.12(a)所示的換熱器。換熱器的工作原理是：冷物料與載熱體（蒸汽）在換熱器中進行熱交換，使冷物料出口溫度上升至工藝要求的數值。因此，系統中被控變量為冷物料出口溫度，操縱變量為蒸汽流量。操縱變量與設定值保持一定的函數關系，當設定值變化時，操縱變量隨之變化進而改變被控變量。 (a) (b)圖1.12 按設定值控制的開

23、環控制系統2. 按擾動進行控制控制方式的原理-需要控制的仍然是被控對象中的被控變量，而測量的是破壞系統正常進行的擾動量。利用擾動信號產生控制作用，以補償擾動對被控變量的影響，故稱按擾動進行控制。由于測量的是擾動量，這種控制方式只能對可測的擾動進行補償。對于不可測擾動及對象，各功能部件內部參數的變化對被控變量造成的影響，系統自身無法控制。因此控制精度仍然受到原理上的限制。1.5. 過程控制系統的性能指標及要求一、 過程控制系統的過渡過程靜態-被控變量不隨時間而變化的平衡狀態在這種狀態下，系統的輸入（設定值和擾動量）及輸出（被控變量）都保持不變，系統內各組成環節都不改變其原來的狀態，其輸入、輸出信

24、號的變化率為零。而此時生產仍在進行，物料和能量仍然有進有出。因此靜態反映的是相對平衡狀態。動態-被控變量隨時間而變化的不平衡狀態當一個原來處于相對平衡狀態的系統受到擾動作用的影響后，其平衡狀態受到破壞，被控變量偏離設定值，此時控制器會改變原來的狀態，產生相應的控制作用，改變操縱變量去克服擾動的影響，力圖恢復平衡狀態。過渡過程-在設定值發生變化或系統受到擾動作用后，系統將從原來的平衡狀態經歷一個過程進入另一個新的平衡狀態。一般來說，一個控制系統的好壞在靜態時是難以判別的，只有在動態過程中才能充分反映出來。系統在其進行過程中，會不斷受到擾動的頻繁作用，系統自身通過控制裝置不斷地施加控制作用去克服擾

25、動的影響，使被控變量保持在工藝生產所規定的技術指標上。因此，我們對系統研究的重點應放在控制系統的動態過程。過渡過程的幾種形式在階躍信號作用下，被控變量隨時間的變化有以下幾種形式。如圖1.15 所示。圖中，Y表示被控變量。1.發散振蕩過程如圖1.15 中曲線所示，它表明系統受到擾動作用后，被控變量上下波動，且幅度越來越大，即被控變量偏離設定值越來越遠，以致超越工藝允許的范圍。2. 非振蕩衰減過程如圖1.15 中曲線所示。它表明被控變量受到擾動作用后，產生單調變化，經過一段時間最終能穩定下來。3.等幅振蕩過程如圖1.15 中曲線所示。 它表明系統受到擾動作用后，被控變量做上下振幅穩定的振蕩，即被控

26、變量在設定值的某一范圍內來回波動。4.衰減振蕩過程如圖1.15 中曲線所示，它表明系統受到擾動作用后，被控變量上下波動，且波動的幅度逐漸減小，經過一段時間最終能穩定下來。5. 非振蕩發散過程如圖1.15 中曲線所示。它表明系統受到擾動作用后，被控變量單調變化偏離設定值越來越遠，以致超出工藝設計的范圍。y t ty t ty t ty t ty t t 圖1.15過渡過程的基本形式上面五種過程形式中，非振蕩衰減過程和衰減振蕩過程是穩定過程，能基本滿足控制要求。常見的典型信號控制系統在其運行的過程中，不斷受到各種擾動的影響，這些擾動不僅形式各異，對被控變量的影響也各不相同。為了便于對系統進行分析、

27、研究，通常選擇幾種具有確定性的典型信號來代替系統運行過程中受到的大量的無規則隨機信號。有：階躍信號、斜坡信號、脈沖信號、加速度信號和正弦信號等。其中階躍信號對被控變量的影響最大，且階躍擾動最為常見。A 0 t0 t0 （1.1）當A=1時稱為單位階躍信號。二、 過程控制系統的質量指標質量指標：在比較不同控制方案時，應首先規定評價控制系統的優劣程度的性能指標，一般情況下，主要采用以階躍響應曲線形式表示的質量指標。控制系統最理想的過渡過程應具有什么形狀，沒有絕對的標準，主要依據工藝要求而定，除少數情況不希望過渡過程有振蕩外，大多數情況則希望過渡過程是略帶振蕩的衰減過程。在階躍信號作用下常以下面幾個

28、特征參數作為質量指標。衰減比這是表示衰減過程響應曲線衰減程度的指標。數值上等于同方向兩個相鄰波峰值之比，即：顯然當n=1為等幅振蕩；n1為衰減振蕩。為保持系統有足夠的穩定程度，工程上常取衰減比為4:110:1。 峰值時間tp峰值時間是指過渡過程曲線達到第一個峰值所需要的時間。Tp愈小表明控制系統反應愈靈敏。這是反映系統快速性的一個動態指標。(3) 過渡時間ts過渡時間是指控制系統受到擾動作用后，被控變量從過渡狀態恢復到新的平衡狀態所經歷的最短時間。最大偏差A對于一個穩定的定值控制系統來說，最大偏差是指被控變量第一個波峰值與設定值的差。 最大偏差（或超調量）表示了被控變量偏離設定值的程度。A(或

29、)愈大，表示偏離生產規定的狀態愈遠，特別是對一些有危險限制的情況，如化學反應器的化合物爆炸極限等，應特別慎重，以確保生產安全進行。余差C余差是指過渡過程終了時新穩態值與設定值之差。它是反映控制系統控制精度的靜態指標，一般希望它為零或不超過工藝設計的范圍。第二章 過程參數的檢測與儀表教學要求：掌握檢測儀表的基本性能指標（精度等級、變差、靈敏度等）掌握壓力的檢測方法 （液柱測壓法、彈性變形法、電測壓法）學會正確選用壓力計 掌握應用靜壓原理測量液位和差壓變送器測量液位時的零點遷移差壓式流量計測量原理，常用節流元件，轉子流量計結構、測量原理掌握容積式流量計（腰輪流量計）結構、工作原理、使用場合掌握應用

30、熱電效應測溫原理掌握補償導線的選用 掌握冷端溫度補償的四種方法；了解熱電偶結構，分類重 點：彈性變形法、電測壓法壓力計選用 應用差壓變送器測量液位的零點遷移問題補償導線的選用和冷端溫度補償難 點：確定精度等級，壓電式測量原理應用差壓變送器測量液位的零點遷移問題第三導體定理電橋補償法2.1概述一、檢測過程及誤差 1 檢測過程 檢測過程的實質在于被測參數都要經過能量形式的一次或多次轉換，最后得到便于測量的信號形式，然后與相應的測量單位進行比較，由指針位移或數字形式顯示出來。檢測誤差誤差-測量值和真實值之間的差值誤差產生的原因：選用的儀表精確度有限，實驗手段不夠完善、環境中存在各種干擾因素，以及檢測

31、技術水平的限制等原因，根據誤差的性質及產生的原因，誤差分為三類。（1）系統誤差 -在同一測量條件下，對同一被測參數進行多次重復測量時，誤差的大小和符號保持不變或按一定規律變化特點：有一定規律的，一般可通過實驗或分析的方法找出其規律和影響因素，引入相應的校正補償措施，便可以消除或大大減小。誤差產生的原因：系統誤差主要是由于檢測儀表本身的不完善、檢測中使用儀表的方法不正確以及測量者固有的不良習慣等引起的。 （2）疏忽誤差 -明顯地歪曲測量結果的誤差，又稱粗差，特點：無任何規律可循。誤差產生的原因：引起的原因主要是由于操作者的粗心（如讀錯、算錯數據等）、不正確操作、實驗條件的突變或實驗狀況尚未達到預

32、想的要求而匆忙測試等原因所造成的。 （3）隨機誤差 -在相同條件下多次重復測量同一量時，誤差的大小、符號均為無規律變化，又稱偶然誤差。 特點：變化難以預測，無法修正誤差產生的原因：隨機誤差主要是由于測量過程中某種尚未認識的或無法控制的各種隨機因素（如空氣擾動、噪聲擾動、電磁場等）所引起的綜合結果。隨機誤差在多次測量的總體上服從一定統計規律，可利用概率論和數理統計的方法來估計其影響。二、檢測儀表的基本技術性能指標1精度檢測儀表的精度反映測量值接近真實值的準確程度，一般用一系列誤差來衡量。（1） 絕對誤差絕對誤差指儀表指示值與被測參數真值之間的差值，即實際上通常采用多次測量結果的算術平均值或用精度

33、較高的標準表的指示值作為約定真值。則絕對誤差可用下式表示：（2）引用誤差把絕對誤差折合成標尺范圍的百分數表示，即 （3）精度等級按儀表工業規定，去掉最大引用誤差的“”號和“%”號，稱為儀表的精度等級，目前已系列化。只能從下列數系中選取最接近的合適數值作為精度等級，即0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。例1 有兩臺測溫儀表，它們的測溫范圍分別為0100和100300，校驗表時得到它們的最大絕對誤差均為2，試確定這兩臺儀表的精度等級。解 這兩臺儀表的最大引用誤差分別為去掉最大引用誤差的“%”號，其數值分別為2和1，由于國家規定的精度等級

34、中沒有2級儀表，同時該儀表的誤差超過了1級儀表所允許的最大誤差，所以這臺儀表的精度等級為2.5級，而另一臺儀表的精度等級正好為1級。由此可見，兩臺測量范圍不同的儀表，即使它們的絕對誤差相等，它們的精度等級也不相同，測量范圍大的儀表精度等級比測量范圍小的高。例2 某臺測溫儀表的工作范圍為0500，工藝要求測溫時測量誤差不超過4，試問如何選擇儀表的精度等級才能滿足要求？解 根據工藝要求，儀表的最大引用誤差為去掉最大引用誤差的“”號和“%”號，其數值為0.8，介于0.51.0之間，若選擇精度等級為1.0級的儀表，其最大絕對誤差為5，超過了工藝上允許的數值，故應選擇0.5級的儀表才能滿足要求。小結：在

35、確定一個儀表的精度等級時，要求儀表的允許誤差應該大于或等于儀表校驗時所得到的最大引用誤差；而根據工藝要求來選擇儀表的精度等級時，儀表的允許誤差應該小于或等于工藝上所允許的最大引用誤差。這一點在實際工作中要特別注意。2 靈敏度與靈敏限（1） 靈敏度 靈敏度表示儀表對被測參數變化反應的能力，是指儀表達到穩態后輸出增量與輸入增量之比，即靈敏限 靈敏限是指引起儀表指針發生可見變化的被測參數的最小變化量。一般，儀表的靈敏限數值不大于儀表允許誤差絕對值的一半。3回差在外界條件不變的情況下，當被測參數從小到大（正行程）和從大到小（反行程）時，同一輸入的兩個相應輸出值常常不相等。兩者絕對值之差的最大值 和儀表

36、量程之比的百分數稱為回差，也稱變差即回差產生原因：由于傳動機構的間隙、運動件的摩擦、彈性元件的彈性滯后等。回差越小，儀表的重復性和穩定性越好。應當注意，儀表的回差不能超過儀表引用誤差，否則應當檢修。2.2 壓力檢測方法及儀表一、壓力檢測的基本知識 1壓力的概念及單位2 壓力的表示方法3二、壓力檢測方法 根據工業對象的特點，通常有三種檢測壓力的方法，即液柱測壓法，彈性變形法和電測壓力法。1 液柱測壓法測壓原理：是以流體靜力學為基礎，一般用液柱產生或傳遞的壓力來平衡被測壓力的方法進行測量的。2 彈性變形法測壓原理：當被測壓力作用于彈性元件，彈性元件便產生相應的變形。根據變形的大小，便可測知被測壓力

37、的數值。3 電測壓力法測壓原理：是利用轉換元件（如某些機械和電氣元件）直接把被測壓力變換為電信號來進行測量的。 彈性元件附加一些變換裝置，使彈性元件自由端的位移量轉換成相應的電信號，如電阻式、電感式、電容式、霍爾片式、應變式、振弦式等 電測壓力法可分為兩類非彈性元件組成的快速測壓元件，主要利用某些物體的某一物理性質與壓力有關，如壓電式、壓阻式、壓磁式等。（1） 電容式測壓原理 測壓原理：是采用變電容原理，利用彈性元件受壓變形來改變可變電容器的電容量，然后通過測量電容量C便可以知道被測壓力的大小，從而實現壓力-電容轉換的。（2） 壓電式測壓原理測壓原理：是根據“壓電效應”把被測壓力變換為電信號的

38、。（3） 壓電效應：當某些晶體受壓發生機械變形時（壓縮或伸長），在兩個相對的面上產生異性電荷，這種沒有外電場存在，而由于變形而引起的電現象稱為“壓電效應”。（4） 應變片式測壓原理 測壓原理：是通過應變片將被測壓力P引起的彈性元件應變量的變化轉換為電阻值R的變化，從而完成壓力電阻的轉換，并遠傳至橋式電路獲得相應的毫伏級電量輸出信號，在顯示或記錄裝置上顯示出被測壓力值。三、壓力檢測儀表根據不同的原理及工藝生產過程的不同要求，可以制成不同形式的壓力表。彈性式壓力表（彈簧管壓力表）由于結構簡單，價格便宜，使用和維修方便，并且測壓范圍較寬，因此，在工業過程中得到了十分廣泛地應用。電測法壓力表測量脈動壓

39、力和高真空、超高壓等場合時比較合適本節主要介紹在工業生產過程中常見的彈簧管壓力表和霍爾式壓力表。四、差壓（壓力）變送器變送器是自動測控系統中的一個重要組成部分。作用：將各種物理量轉換成統一的標準信號，如氣動單元組合儀表（簡稱為QDZ儀表）為20100 KPa；電動單元組合儀表（簡稱為DDZ儀表）中，DDZ-型儀表為010mADC； DDZ-型儀表為420mADC。按工作能源不同，壓力變送器和差壓變送器都分為氣動和電動變送器兩大類；按工作原理的不同，又可分為力平衡式變送器和微位移平衡式變送器，如以電容、電感、電阻和弦振頻率為傳感元件的變送器都屬于微位移式變送器。80年代以后，國際上相繼推出了各具

40、特色的智能變送器。目前世界上尚未形成統一的現場總線（Field bus）（現場總線是用于過程自動化和制造自動化最底層的現場設備或現場儀表互連的通信網絡）標準，因而各個廠家的智能變送器大多按各自的通訊標準開發，所以相互無操作性，無可互換性。1 力平衡式壓力變送器就變送器的杠桿系統來說，力平衡式變送器有單杠桿、雙杠桿和矢量機構三種。結構DDZ-型力平衡式電動變送器的結構如P34圖2.10所示，主要由四部分組成：測量機構 組成：由高、低壓室、膜盒、軸封膜片等部分，作用：是把被測差壓轉換成作用于主杠桿上的力。杠桿系統 杠桿系統是差壓變送器中的機械傳動和力矩平衡部分組成：主、副杠桿、調零和零點遷移機構、

41、平衡錘、靜壓調整及矢量機構等。作用：是把測量機構對主杠桿的輸入力所產生的力矩轉換成檢測片的微小位移。位移檢測放大器組成：差動變送器、低頻振蕩器、整流濾波及功率放大器等部分組成。作用：是將副杠桿上檢測片的微小位移轉換成直流信號輸出。電磁反饋機構 組成：由反饋線圈、永久磁鋼等。作用：將變送器輸出電流轉換成相應的電磁反饋力，作用于副杠桿上，產生反饋力矩，以便和測量部分產生的輸入力矩相平衡。（1） 工作原理2 微位移式變送器微位移式變送器因其傳感器元件位移和變形極小而得名。典型的產品有：美國羅斯蒙特（Rosemount）公司研制的1151系列電容式變送器，美國霍尼韋爾（Honeywell）公司的DST

42、型擴散硅式變送器，日本富士電機公司的FC系列浮動膜盒電容式變送器等。（1）測量部分測量部分包括電容膜盒、高低壓室及法蘭組件等，作用：將差壓、壓力等參數轉換成與電容有關的參數。 （2）轉換部分 轉換部分由測量電路和電氣殼體組成，其作用是將測量部分所得到的電容比的變化量轉換成420mADC標準的電流輸出信號，并附有調零、調量程、調遷移量等各種裝置。3 智能差壓（壓力）變送器智能差壓（壓力）變送器是一種帶微處理器的變送器，對應于被測量差壓和壓力輸出420mADC的模擬信號或數字標準信號。依靠SFC（智能通信器），用戶在現場或控制室就可對變送器發送或接受信息來設定各種參數。智能差壓（壓力）變送器具有遠

43、程通訊的功能，不需要把變送器從塔頂或危險的安裝地拆下來，減少了維修成本和時間。五、壓力檢測儀表的選擇壓力表的選擇應根據工藝過程對壓力測量的要求，被測介質的性質，現場環境條件等來確定儀表的種類、型號、量程和精度，并確定是否需要帶有遠傳、報警等附加裝置。1儀表種類和型號的選擇儀表種類和型號的選擇應根據工藝要求，介質性質及現場環境等因素來考慮。介質的物理、化學性質（如溫度、粘度、臟污程度、腐蝕性、易燃性等）如何；現場環境條件（如溫度、濕度、有無振動、有無腐蝕性等）2儀表量程的確定儀表的量程是根據被測壓力的大小和保證儀表壽命等方面來考慮的，通常儀表的上下限值應稍大于工藝被測壓力的最大值。按“化工自控設

44、計技術規定”。對被測壓力較穩定的情況，最大壓力值應不超過滿量程的2/3；對被測壓力波動較大的情況，最大壓力值應不超過滿量程的1/2。一般為了保證測量的精度，被測壓力的最小值也不應低于全量程的1/3。3儀表精度等級的選擇精度等級是根據生產所允許的最大測量誤差和儀表量程來確定的。2.3物位檢測方法及儀表 物位檢測的作用：為了確定容器中的貯料數量，以保證連續生產的需要或進行經濟核算；為了監視或控制容器的物位，使它保持在規定的范圍內；對它的上下極限位置進行報警，以保證生產安全、正常進行。物位檢測方法： 應用浮力原理檢測物位應用靜壓原理檢測物位應用電學原理檢測物位應用超聲波反射檢測物位應用射線被物體的吸

45、收檢測物位一、物位檢測方法1應用浮力原理檢測物位利用漂浮于液面上的浮標或浸沒于液體中的浮筒對液位進行測量的。測量原理：當液位變化時，浮標產生相應的位移，而浮標所受到的浮力維持不變，只要檢測出浮標的位移就可以知道液位的高低。當液位變化時，浮筒所受到的浮力的發生變化，只要檢測出浮力的變化就可以知道液位的高低。2應用靜壓原理檢測物位差壓變送器測量液位時的零點遷移問題（重點）利用差壓變送器測量液位時，差壓變送器將由液位形成的差壓P轉換成相應的統一標準電信號輸出。然而，由于安裝位置條件不同，往往存在著儀表零點遷移問題。無遷移 特征：差壓變送器的正壓室取壓口正好與容器的最低液位（Hmin=0）處于同一水平

46、位置。作用于變送器正、負壓室的差壓P與液位高度H的關系為P=Hg。當H =0時，正負壓室的差壓P=0，變送器輸出為I0=4mA當H= Hmax時，差壓Pmax=gHmax，變送器的輸出信號20 mA，負遷移 在實際測量中，為了防止容器內的液體和氣體進入變送器的取壓室而造成導壓管線堵塞或腐蝕，以及保持負壓室的凝液高度恒定，往往在變送器的正、負壓室與取壓點之間分別加裝隔離罐，并充以密度為2的隔離液。正遷移 當變送器的安裝位置與容器的最低液位（H=0）不在同一水平位置上。在差壓變送器的產品手冊中，通常注明是否帶有遷移裝置以及相應的遷移量范圍，應根據現場的具體情況予以正確選用。4.應用超聲波反射檢測物

47、位 聲波可以在氣體、液體、固體中傳播，并具有一定的傳播速度。當聲波從一種介質向另一種介質傳播時，在兩種密度不同，聲速不同的介質的分界面上，傳播方向便發生改變，即一部分被反射，一部分折射入相鄰介質內。若聲波從液體或固體傳播到氣體時，或相反的情況下，由于兩種介質的密度相差懸殊，聲波幾乎全部被反射。因此，測量時由置于容器底部的超聲波探頭向液面與氣體的分界面發射超聲波，經過時間t后，便可接收到從界面反射回來的回波信號。2.4流量檢測方法及儀表一、流量檢測方法流量是工業生產過程操作與管理的重要依據。在具有流動介質的工藝過程中，物料通過工藝管道在設備之間來往輸送和配比，生產過程中的物料平衡和能量平衡等都與

48、流量有著密切的關系。流量指瞬時流量，即單位時間內通過管道某一截面的流動介質的量。用體積流量（單位為m3/s）或質量流量（單位為kg/s）表示。總量為選定的某一段時間間隔內流過管道某一截面的流體量的總和，也可分別用體積總量或質量總量表示。常見的流量檢測方法有以下幾種：應用容積法檢測流量應用動壓能和靜壓能轉換的原理檢測流量根據能量守恒定理，動壓能和靜壓能在一定條件下可以相互轉換，但其總量不變。節流元件兩端的靜壓差的大小與流體的流量有關，將靜壓差的變化作為測量依據應用改變流通面積的方法檢測流量應用流體振蕩原理檢測流量應用電磁感應原理檢測流量應用超聲波檢測流量應用流體動量矩原理檢測流量質量流量檢測方法

49、1.應用容積法檢測流量單位時間內所排出固定容積的數目作為測量依據為了連續地在密閉的管道中測量流體的流量，一般采用容積分界的方法，即由儀表殼體和轉子組成流體的計量室，流體經過儀表時，在儀表的入、出口之間產生壓力差，此流體壓力差對轉子產生驅動力矩，轉子旋轉，將流體一份一份地排出，其排出的流體總量為2. 應用動壓能和靜壓能轉換的原理檢測流量流體在管道中流動時，具有動能和位能，對于理想的流體，流體在同一管道的任一截面的動能和靜壓能的總和是不變的，但是若采取一定方式（例如節流），可以造成能量形式的相互轉化，然后通過測量靜壓的變化求出流速和流量。工業中常用的方法是在管道中插入一流通面積較小的節流元件，造成

50、流體通過節流元件時，在節流元件的上、下游之間產生靜壓差（簡稱差壓），通過測量差壓求出流量值。3. 應用改變流通面積的方法檢測流量檢測原理:在一個由下往上逐漸擴大的錐形管中垂直地放置一阻力件，當流體自下而上流經錐形管與轉子之間的環形流通面積時，由于受到流體的沖擊，轉子便要向上運動。隨著轉子的上升，轉子與錐形管間的環形流通面積增大、流速降低，直到流體作用在轉子上的浮力和沖力（阻力）與轉子本身重量相平衡時，轉子停留在某一高度，維持平衡。當流量增大時，流過環隙的流速v增大，轉子所受沖力增大，由于轉子在流體中的重力與所受浮力不變，所以轉子就上升，造成環隙面積增大，從而流速v減小，沖力也減小，直至達到新的

51、平衡，轉子又停浮在一個新的高度上，這樣轉子在錐形管中停浮的高度與流體的流量大小一一對應。在錐形管外壁上以流量值刻度，則根據轉子浮起的高度即可直接顯示出被測流量的數值。流量計的刻度值進行修正（1） 液體流量的修正 修正公式 （2）氣體流量的修正 用于測量氣體的轉子流量計，不僅在被測介質氣體密度與空氣不同時要進行刻度換算，而且當溫度和壓力變化時，也須進行刻度換算。刻度換算公式為2.4.2差壓式流量計差壓式流量計是基于流體動壓能和靜壓能在一定條件下可以相互轉換的原理，利用流體流經節流裝置時所產生的靜壓差來實現流量測量的儀表。差壓式流量計主要由節流裝置、信號管路和差壓計（或差壓變送器和顯示儀表）組成。

52、QQ321h圖2.34 差壓式流量計1孔板 2引壓管 3差壓計2.5溫度檢測方法及儀表一、溫度檢測的基本知識 1溫度及溫度測量依據測溫元件與被測物體接觸與否，測溫方式通常有接觸式和非接觸式之分。 2溫標 目前國際上常用的溫標有：攝氏溫標、華氏溫標、熱力學溫標和國際實用溫標。二、溫度檢測方法1應用熱膨脹原理測溫固體膨脹式應用固體受熱膨脹測量溫度的方法一般是利用兩片線膨脹系數不同的金屬片疊焊在一起，構成雙金屬溫度計。液體膨脹式應用液體膨脹測量溫度常用的有水銀玻璃溫度計，其結構簡單，使用方便，但結構脆弱易損壞。2應用熱電效應測溫熱電效應-兩種不同導體或半導體A與B串接成的閉和回路，如果兩個接點出現溫差（tt0），在回路中就有電流產生，這種由于溫度不同而產生電動勢（熱電勢）的現象。由兩種不同材料構成的上述熱電變換元件叫熱電偶，稱A、B二導體為熱電極。 圖2.40 熱電偶（1） 接觸電勢 兩種不同材料的導體接觸時產生（2） 溫差電勢 當同一導體A（或B）兩端溫度不同，（3）閉和回路總電勢 可見，當導體材料A、B確定后，總電勢EAB(t, t0)僅與溫度t和t0有關。如果能使冷端溫度t0 固定，則