化工儀表及自動化緒論內容提要化工自動化的意義及目的化工自動化的進展概況化工儀表及自動化系統的分類化工自動化的意義及目的加快生產速度、降低生產成本、提高產品產量和質量。減輕勞動強度、改善勞動條件。能夠保證生產安全，防止事故發生或擴大，達到延長設備使用壽命，提高設備利用率、保障人身安全的目的。生產過程自動化的實現，能全然改變勞動方式，提高工人文化技術水平，以適應當代信息技術革命和信息產業革命的需要。化工自動化的進展情況20世紀40年代往常絕大多數化工生產處于手工操作狀況，操作工人依照反映要緊參數的儀表指示情況，用人工來改變操作條件，生產過程單憑經驗進行。低效率，花費龐大。20世紀50年代到60年代人們對化工生產各種單元操作進行了大量的開發工作，使得化工生產過程朝著大規模、高效率、連續生產、綜合利用方向迅速進展。20世紀70年代以來，化工自動化技術水平得到了專門大的提高20世紀70年代，計算機開始用于操縱生產過程，出現了計算機操縱系統20世紀80年代末至90年代，現場總線和現場總線操縱系統得到了迅速的進展化工儀表及自動化系統的分類按功能不同，分四類：檢測儀表(包括各種參數的測量和變送)顯示儀表(包括模擬量顯示和數字量顯示)操縱儀表(包括氣動、電動操縱儀表及數字式操縱器)執行器(包括氣動、電動、液動等執行器)圖圖0-1各類儀表之間的關系1.自動檢測系統利用各種儀表對生產過程中要緊工藝參數進行測量、指示或記錄的部分。作用：對過程信息的獵取與記錄作用。圖圖0-2熱交換器自動檢測系統示意圖自動檢測系統中要緊的自動化裝置自動檢測系統中要緊的自動化裝置敏感元件傳感器顯示儀表敏感元件對被測變量作出響應,把它轉換為適合測量的物理量。傳感器對檢測元件輸出的物理量信號作進一步信號轉換顯示儀表將檢測結果以指針位移、數字、圖像等形式,準確地指示、記錄或儲存。2.自動信號和聯鎖愛護系統對某些關鍵性參數設有自動信號聯鎖愛護裝置，是生產過程中的一種安全裝置。自動信號聯鎖愛護電路按要緊構成元件不同分類：有觸點式、無觸點式兩類3.自動操縱及自動開停車系統自動操縱系統能夠依照預先規定的步驟自動地對生產設備進行某種周期性操作。自動開停車系統能夠按照預先規定好的步驟,將生產過程自動地投入運行或自動停車。4.自動操縱系統對生產中某些關鍵性參數進行自動操縱,使它們在受到外界干擾的阻礙而偏離正常狀態時,能自動地調回到規定的數值范圍內。本學科的作用通過本門課程的學習,應能了解要緊工藝參數(溫度、壓力、流量及物位)的檢測方法及其儀表的工作原理及特點;能依照工藝要求,正確地選用和使用常見的檢測儀表及操縱儀表;能了解化工自動化的初步知識,理解差不多操縱規律,明白得操縱器參數是如何阻礙操縱質量的;能依照工藝的需要,和自控設計人員共同討論和提出合理的自動操縱方案;能為自控設計提供正確的工藝條件和數據;能在生產開停車過程中,初步掌握自動操縱系統的投運及操縱器的參數整定;能了解檢測技術和操縱技術的進展趨勢和最新進展動態。第一章檢測儀表差不多知識內容提要：測量過程與測量誤差測量儀表的品質指標測量系統中的常見信號類型檢測系統中信號的傳遞形式檢測儀表與測量方法的分類化工檢測的進展趨勢一、測量過程與測量誤差測量是用實驗的方法,求出某個量的大小。舉例舉例測一段導線的長度直接測量間接測量測量實質：是將被測參數與其相應的測量單位進行比較的過程。測量誤差：由儀表讀得的被測值(測量值)與被測參數的真實值之間的差距。測量誤差按其產生緣故的不同,能夠分為三類：系統誤差疏忽誤差偶然誤差絕對誤差：xI：儀表指示值xt：被測量的真值由于真值無法得到xx：被校表的讀數值，x0：標準表的讀數值相對誤差：二、檢測儀表的品質指標1.測量儀表的準確度（精確度）兩大阻礙因素絕對誤差和儀表的標尺范圍講明：儀表的測量誤差能夠用絕對誤差Δ來表示。然而，儀表的絕對誤差在測量范圍內的各點不相同。因此，常講的“絕對誤差”指的是絕對誤差中的最大值Δmax。三、檢測儀表的品質指標相對百分誤差相對百分誤差δ同意誤差同意誤差小結：儀表的δ允越大，表示它的精確度越低；反之，儀表的δ允越小，表示儀表的精確度越高。將儀表的同意相對百分誤差去掉“±”號及“％”號，便能夠用來確定儀表的精確度等級。目前常用的精確度等級有0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。舉例：例1-1某臺測溫儀表的測溫范圍為200~700℃，校驗該表時得到的最大絕對誤差為±4℃解：該儀表的相對百分誤差為假如將該儀表的δ去掉“±”號與“％”號，其數值為0.8。由于國家規定的精度等級中沒有0.8級儀表，同時，該儀表的誤差超過了0.5級儀表所同意的最大誤差，因此，這臺測溫儀表的精度等級為1.0級。儀表的準確度等級是衡量儀表質量優劣的重要指標之一。準確度等級數值越小，就表征該儀表的準確度等級越高，儀表的準確度越高。工業現場用的測量儀表，其準確度大多在0.5級以下。儀表的精度等級一般可用不同的符號形式標志在儀表面板上。舉例舉例1.51.0如：注意：在工業上應用時,對檢測儀表準確度的要求,應依照生產操作的實際情況和該參數對整個工藝過程的阻礙程度所提供的誤差同意范圍來確定,如此才能保證生產的經濟性和合理性。2.檢測儀表的恒定度變差是指在外界條件不變的情況下，用同一儀表對被測量在儀表全部測量范圍內進行正反行程（即被測參數逐漸由小到大和逐漸由大到小）測量時，被測量值正行和反行所得到的兩條特性曲線之間的差值。圖圖1-1測量儀表的變差儀表的變差不能超出儀表的同意誤差，否則應及時檢修。3.靈敏度與靈敏限儀表的靈敏度是指儀表指針的線位移或角位移，與引起那個位移的被測參數變化量的比值。即式中，S為儀表的靈敏度；Δα為指針的線位移或角位移；Δx為引起Δα所需的被測參數變化量。儀表的靈敏限是指能引起儀表指針發生動作的被測參數的最小變化量。通常儀表靈敏限的數值應不大于儀表同意絕對誤差的一半。注意：上述指標僅適用于指針式儀表。在數字式儀表中，往往用分辨率表示。4.反應時刻反應時刻確實是用來衡量儀表能不能盡快反映出參數變化的品質指標。反應時刻長，講明儀表需要較長時刻才能給出準確的指示值，那就不宜用來測量變化頻繁的參數。儀表反應時刻的長短，實際上反映了儀表動態特性的好壞。儀表的反應時刻有不同的表示方法儀表的反應時刻有不同的表示方法當輸入信號突然變化一個數值后，輸出信號將由原始值逐漸變化到新的穩態值。儀表的輸出信號由開始變化到新穩態值的63.2％（95％）所用的時刻，可用來表示反應時刻。5.線性度線性度是表征線性刻度儀表的輸出量與輸入量的實際校準曲線與理論直線的吻合程度。通常總是希望測量儀表的輸出與輸入之間呈線性關系。圖1-2圖1-2線性度示意圖式中，δf為線性度（又稱非線性誤差）；Δfmax為校準曲線關于理論直線的最大偏差（以儀表示值的單位計算）。6.重復性重復性表示檢測儀表在被測參數按同一方向作全量程連續多次變動時所得標定特性曲線不一致的程度。若標定的特性曲線一致,重復性就好,重復性誤差就小。圖圖1-3重復性示意圖三、檢測系統中的常見信號類型作用于檢測裝置輸入端的被測信號，通常要轉換成以下幾種便于傳輸和顯示的信號類型：1.位移信號2.壓力信號3.電氣信號4.光信號四、檢測系統中信號的傳遞形式1.模擬信號在時刻上是連續變化的,即在任何瞬時都能夠確定其數值的信號。2.數字信號數字信號是一種以離散形式出現的不連續信號,通常用二進制數“0”和“1”組合的代碼序列來表示。3.開關信號用兩種狀態或用兩個數值范圍表示的不連續信號。五、檢測儀表與測量方法的分類1.檢測儀表的分類①依據所測參數的不同,可分成壓力(包括差壓、負壓)檢測儀表、流量檢測儀表、物位(液位)檢測儀表、溫度檢測儀表、物質成分分析儀表及物性檢測儀表等。②按表達示數的方式不同,可分成指示型、記錄型、訊號型、遠傳指示型、累積型等。③按精度等級及使用場合的不同,可分為有用儀表、范型儀表和標準儀表,分不使用在現場、實驗室和標定室。2.測量方法的分類按照測量結果的獲得過程按照測量結果的獲得過程直接測量間接測量（1）直接測量利用通過標定的儀表對被測參數進行測量，直接從顯示結果獲得被測參數的具體數值的測量方法。依照被測參數獲得方式的不同，直接測量又有偏差法與平衡法（零位法）之分。除此之外除此之外,還有一種將平衡法與偏差法結合起來的微差法（2）間接測量當被測量不宜直接測量時,能夠通過測量與被測量有關的幾個相關量后,再通過計算來確定被測量的大小。六、化工檢測的進展趨勢1.檢測技術的現代化2.檢測儀表的集成化、數字化、智能化3.軟測量技術和虛擬儀器七、例題分析1.某臺具有線性關系的溫度變送器,其測溫范圍為0～200℃輸入信號標準溫度/℃050100150200輸出信號/mA正行程讀數x正正行程讀數x反44.0288.1012.0112.1016.0116.092020.01試依照以上校驗數據確定該儀表的變差、準確度等級與線性度。解:該題的解題步驟如下。(1)依照儀表的輸出范圍確定在各溫度測試點的輸出標準值x標。任一溫度值的標準輸出信號(mA)為例如,當溫度為50℃其余類推。(2)算出各測試點正、反行程時的絕對誤差Δ正與Δ反,并算出正、反行程之差Δ變,分不填入下表內(計算Δ變時可不考慮符號,取正值)。輸入信號/℃050100150200輸出信號/mA正行程讀數x正反行程讀數x反標準值44.02488.10812.0112.101216.0116.09162020.0120絕對誤差/mA正行程Δ正反行程Δ反00.0200.100.010.100.010.0900.01正反行程之差Δ變0.020.100.090.080.01(3)由上表找出最大的絕對誤差Δmax,并計算最大的相對百分誤差δmax。由上表可知去掉δmax的“±”號及“%”號后,其數值為0.625,數值在0.5～1.0之間,由于該表的δmax已超過0.5級表所同意的δ允,故該表的準確度等級為1.0級。(4)計算變差由于該變差數值在1.0級表同意的誤差范圍內,故不阻礙表的準確度等級。注意若變差數值Δ變max超過了絕對誤差Δmax,則應以Δ變max來確定儀表的準確度等級。(5)由計算結果可知,非線性誤差的最大值Δfmax=0.10,故線性度δf為注意：在具體校驗儀表時,為了可靠起見,應適當增加測試點與實驗次數,本例題只是簡單列舉幾個數據講明問題罷了。2.某臺測溫儀表的測溫范圍為200～1000℃,工藝上要求測溫誤差不能大于±5解:工藝上同意的相對百分誤差為要求所選的儀表的相對百分誤差不能大于工藝上的δ允,才能保證測溫誤差不大于±5℃,因此所選儀表的準確度等級應為0.5級。因此儀表的準確度等級越高,能使測溫誤差越小,但為了不增加投資費用,不宜選過高準確度的儀表。第二章壓力檢測概述：在化工生產中,壓力是指由氣體或液體均勻垂直地作用于單位面積上的力。在工業生產過程中,壓力往往是重要的操作參數之一。壓力的檢測與操縱,對保證生產過程正常進行,達到高產、優質、低消耗和安全是十分重要的。第一節壓力單位及測壓儀表壓力是指均勻垂直地作用在單位面積上的力。壓力的單位為帕斯卡，簡稱帕（Pa）為了使大伙兒了解國際單位制中的壓力單位（Pa或MPa）與過去的單位之間的關系，下面給出幾種單位之間的換算關系表。表3-1各種壓力單位換算表壓力單位帕/Pa兆帕/MPa工程大氣壓/(kgf/cm2)物理大氣壓/atm汞柱/mmHg水柱/mH2O（磅/英寸2）/（1b/in2）巴/bar帕11×1061.0197×10-59.869×10-67.501×10-31.0197×10-41.450×10-41×10-5兆帕1×106110.1979.8697.501×1031.0197×1021.450×10210工程大氣壓9.807×1049.807×10-210.9678735.610.0014.220.9807物理大氣壓1.0133×1050.101331.0332176010.3314.701.0133汞柱1.3332×1021.3332×10-41.3595×10-31.3158×10-310.01361.934×10-21.3332×10-3水柱9.806×1039.806×10-30.10000.0967873.5511.4220.09806（磅/英寸2）6.895×1036.895×10-30.070310.0680551.710.703110.06895巴1×1050.11.01970.9869750.110.19714.501在壓力測量中，常有表壓、絕對壓力、負壓或真空度之分。pp表P真P絕P絕大氣壓力線零線圖2-1絕對壓力、表壓、負壓（真空度）的關系當被測壓力低于大氣壓力時，一般用負壓或真空度來表示。測量壓力或真空度的儀表按照其轉換原理的不同，分為四類。1.液柱式壓力計它依照流體靜力學原理，將被測壓力轉換成液柱高度進行測量。按其結構形式的不同有U形管壓力計、單管壓力計等優點這類壓力計結構簡單、使用方便缺點其精度受工作液的毛細管作用、密度及視差等因素的阻礙，測量范圍較窄，一般用來測量較低壓力、真空度或壓力差。2.彈性式壓力計它是將被測壓力轉換成彈性元件變形的位移進行測量的。3.電氣式壓力計它是通過機械和電氣元件將被測壓力轉換成電量（如電壓、電流、頻率等）來進行測量的儀表。4.活塞式壓力計它是依照水壓機液體傳送壓力的原理，將被測壓力轉換成活塞上所加平衡砝碼的質量來進行測量的。優點：測量精度專門高，同意誤差可小到0.05%～0.02%。缺點：結構較復雜，價格較貴。第二節彈性式壓力計定義：彈性式壓力計是利用各種形式的彈性元件，在被測介質壓力的作用下，使彈性元件受壓后產生彈性變形的原理而制成的測壓儀表。優點：具有結構簡單、使用可靠、讀數清晰、牢固可靠、價格低廉、測量范圍寬以及有足夠的精度等優點。可用來測量幾百帕到數千兆帕范圍內的壓力。一、彈性元件彈性元件是一種簡易可靠的測壓敏感元件。當測壓范圍不同時，所用的彈性元件也不一樣。圖2-2彈性元件示意圖彈簧管式彈性元件如圖(a)和(b)所示，波浪管式彈性元件如圖(e)所示，薄膜式彈性元件如圖(c)和(d)所示。二、彈簧管壓力表分類分類使用的測壓元件單圈彈簧管壓力表與多圈彈簧管壓力表。用途一般彈簧管壓力表，耐腐蝕的氨用壓力表、禁油的氧氣壓力表等。1—1—彈簧管；2—拉桿；3—扇形齒輪；4—中心齒輪；5—指針；6—面板；7—游絲；8—調整螺絲；9—接頭彈簧壓力表差不多測量原理單圈彈簧管是一根彎成270°圓弧的橢圓截面的空心金屬管子。管子的自由端B封閉，另一端固定在接頭９上。當通入被測的壓力p后，由于橢圓形截面在壓力p的作用下，將趨于圓形，而彎成圓弧形的彈簧管也隨之產生擴張變形。同時，使彈簧管的自由端B產生位移。輸入壓力p越大，產生的變形也越大。由于輸入壓力與彈簧管自由端B的位移成正比，因此只要測得B點的位移量，就能反映壓力p的大小。注意：彈簧管自由端B的位移量一般專門小，直接顯示有困難，因此必須通過放大機構才能指示出來。警惕：在化工生產過程中，常需要把壓力操縱在某一范圍內，即當壓力低于或高于給定范圍時，就會破壞正常工藝條件，甚至可能發生危險。這時就應采納帶有報警或操縱觸點的壓力表。將一般彈簧管壓力表稍加變化，便可成為電接點信號壓力表，它能在壓力偏離給定范圍時，及時發出信號，以提醒操作人員注意或通過中間繼電器實現壓力的自動操縱。圖2-4電接點信號壓力表1，4?a靜觸點；2?a動觸點；3?a綠燈；5?a紅燈第三節電氣式壓力計定義：電氣式壓力計是一種能將壓力轉換成電信號進行傳輸及顯示的儀表。優點優點1.該儀表的測量范圍較廣，分不可測7×10-5Pa至5×102MPa的壓力，同意誤差可至0.2％；2.由于能夠遠距離傳送信號，因此在工業生產過程中能夠實現壓力自動操縱和報警，并可與工業操縱機聯用。組成圖圖2-5電氣式壓力計組成方框圖一般由壓力傳感器、測量電路和信號處理裝置所組成。常用的信號處理裝置有指示儀、記錄儀以及操縱器、微處理機等。一、應變片壓力傳感器應變片式壓力傳感器利用電阻應變原理構成。電阻應變片有金屬和半導體應變片兩類，被測壓力使應變片產生應變。當應變片產生壓縮（拉伸）應變時，其阻值減小（增加），再通過橋式電路獲得相應的毫伏級電勢輸出，并用毫伏計或其他記錄儀表顯示出被測壓力，從而組成應變片式壓力計。圖圖2-6應變片壓力傳感器示意圖1—應變筒；2—外殼；3—密封膜片二、壓阻式壓力傳感器工作原理:壓阻式壓力傳感器利用單晶硅的壓阻效應而構成。采納單晶硅片為彈性元件，在單晶硅膜片上利用集成電路的工藝，在單晶硅的特定方向擴散一組等值電阻，并將電阻接成橋路，單晶硅片置于傳感器腔內。當壓力發生變化時，單晶硅產生應變，使直接擴散在上面的應變電阻產生與被測壓力成比例的變化，再由橋式電路獲得相應的電壓輸出信號。第三節電氣式壓力計特點精度高、工作可靠、頻率響應高、遲滯小、尺寸小、重量輕、結構簡單；便于實現顯示數字化；能夠測量壓力，稍加改變，還能夠測量差壓、高度、速度、加速度等參數。圖圖3-12壓阻式壓力傳感器1—基座；2—單晶硅片；3—導環；4—螺母；5—密封墊圈；6—等效電阻三、電容式壓力變送器工作原理先將壓力的變化轉換為電容量的變化，然后進行測量。圖圖2-8電容式測量膜盒1?a中心感應膜片(可動電極)；2?a固定電極；3?a測量側；4?a隔離膜片第四節智能式變送器智能型壓力或差壓變送器是在一般壓力或差壓傳感器的基礎上增加微處理器電路而形成的智能檢測儀表。一、智能變送器的特點①性能穩定,可靠性好,測量精度高,差不多誤差僅為±0.1%。②量程范圍可達100∶1,時刻常數可在0～36s內調整,有較寬的零點遷移范圍。③具有溫度、靜壓的自動補償功能,在檢測溫度時,可對非線性進行自動校正。④具有數字、模擬兩種輸出方式,能夠實現雙向數據通訊,能夠與現場總線網絡和上位計算機相連。⑤能夠進行遠程通訊,通過現場通訊器,使變送器具有自修正、自補償、自診斷及錯誤方式告警等多種功能,簡化了調整、校準與維護過程,使維護和使用都十分方便。二、智能變送器的結構原理從整體上來看,由硬件和軟件兩大部分組成。從電路結構上來看,包括傳感器部件和電子部件兩部分。舉例以美國費希爾-羅斯蒙特公司的3051C型智能差壓變送器為例介紹其工作原理。圖2-93051C型智能差壓變送器（4～20mA）方框圖3051C型智能差壓變送器所用的手持通信器為275型，帶有鍵盤及液晶顯示器。能夠接在現場變送器的信號端子上，就地設定或檢測，也能夠在遠離現場的操縱室中，接在某個變送器的信號線上進行遠程設定及檢測。實現的功能實現的功能（1）組態（2）測量范圍的變更（3）變送器的校準（4）自診斷圖圖2-10手持通信器的連接示意圖注意要對智能型差壓變送器每五年校驗一次，智能型差壓變送器與手持通信器結合使用，可遠離生產現場，尤其是危險或不易到達的地點，給變送器的運行和維護帶來了極大的方便。第五節壓力計的選用及安裝一、壓力計的選用壓力計的選用應依照工藝生產過程對壓力測量的要求，結合其他各方面的情況，加以全面的考慮和具體的分析，一般考慮以下幾個問題。1、儀表類型的選用2、儀表測量范圍的確定3、儀表精度級的選取二、壓力計的安裝1.測壓點的選擇應能反映被測壓力的真實大小。①要選在被測介質直線流淌的管段部分，不要選在管路拐彎、分叉、死角或其他易形成漩渦的地點。②測量流淌介質的壓力時，應使取壓點與流淌方向垂直，取壓管內端面與生產設備連接處的內壁應保持平齊，不應有凸出物或毛刺。③測量液（氣）體壓力時，取壓點應在管道下（上）部，使導壓管內不積存氣（液）體。2.導壓管鋪設①導壓管粗細要合適，一般內徑為6～10mm，長度應盡可能短，最長不得超過50m，以減少壓力指示的遲緩。如超過50②導壓管水平安裝時應保證有1:10～1:20的傾斜度，以利于積存于其中之液體（或氣體）的排出。③當被測介質易冷凝或凍結時，必須加設保溫伴熱管線。④取壓口到壓力計之間應裝有切斷閥，以備檢修壓力計時使用。切斷閥應裝設在靠近取壓口的地點。3.壓力計的安裝①壓力計應安裝在易觀看和檢修的地點。②安裝地點應力求幸免振動和高溫阻礙。③測量蒸汽壓力時，應加裝凝液管，以防止高溫蒸汽直接與測壓元件接觸[圖3-17（a）］；關于有腐蝕性介質的壓力測量，應加裝有中性介質的隔離罐，右圖（b）表示了被測介質密度ρ2大于和小于隔離液密度ρ1的兩種情況。圖圖2-11壓力計安裝示意圖１?a壓力計；２?a切斷閥門；３?a凝液管；４?a取壓容器④壓力計的連接處，應依照被測壓力的高低和介質性質，選擇適當的材料，作為密封墊片，以防泄漏。⑤當被測壓力較小，而壓力計與取壓口又不在同一高度時，對由此高度而引起的測量誤差應按Δp＝±Hρg進行修正。式中H為高度差，ρ為導壓管中介質的密度，g為重力加速度。⑥為安全起見，測量高壓的壓力計除選用有通氣孔的外，安裝時表殼應向墻壁或無人通過之處，以防發生意外。例題分析1.某臺往復式壓縮機的出口壓力范圍為25～28MPa，測量誤差不得大于1MPa。工藝上要求就地觀看，并能高低限報警，試正確選用一臺壓力表，指出型號、精度與測量范圍。解由于往復式壓縮機的出口壓力脈動較大，因此選擇儀表的上限值為依照就地觀看及能進行高低限報警的要求，由本章附錄，可查得選用YX-150型電接點壓力表，測量范圍為0～60MPa。由于，故被測壓力的最小值不低于滿量程的1/3，這是同意的。另外，依照測量誤差的要求，可算得同意誤差為因此，精度等級為1.5級的儀表完全能夠滿足誤差要求。至此，能夠確定，選擇的壓力表為YX-150型電接點壓力表，測量范圍為0～60MPa，精度等級為1.5級。2.假如某反應器最大壓力為0.6MPa，同意最大絕對誤差為±0.02MPa。現用一臺測量范圍為0～1.6MPa，準確度為1.5級的壓力表來進行測量，問能否符合工藝上的誤差要求？若采納一臺測量范圍為0～1.0MPa，準確度為1.5級的壓力表，問能符合誤差要求嗎？試講明其理由。解：關于測量范圍為0～1.6MPa，準確度為1.5級的壓力表，同意的最大絕對誤差為1.6×1.5%=0.024(MPa)因為此數值超過了工藝上同意的最大絕對誤差數值,因此是不合格的。關于測量范圍為0～1.0MPa，準確度亦為1.5級的壓力表,同意的最大絕對誤差為1.0×1.5%=0.015(MPa)因為此數值小于工藝上同意的最大絕對誤差,故符合對測量準確度的要求,能夠采納。該例講明了選一臺量程專門大的儀表來測量專門小的參數值是不適宜的。第三章流量檢測概述介質流量是操縱生產過程達到優質高產和安全生產以及進行經濟核算所必需的一個重要參數。定義流量大小：單位時刻內流過管道某一截面的流體數量的大小，即瞬時流量。總量：在某一段時刻內流過管道的流體流量的總和，即瞬時流量在某一段時刻內的累計值。質量流量M體積流量Q如以t表示時刻，則流量和總量之間的關系是流量計：測量流體流量的儀表。計量表：測量流體總量的儀表。1.速度式流量計以測量流體在管道內的流速作為測量依據來計算流量的儀表。2.容積式流量計以單位時刻內所排出的流體的固定容積的數目作為測量依據來計算流量的儀表。3.質量流量計以測量流體流過的質量M為依據的流量計。質量流量計分直接式和間接式兩種。第一節差壓式流量計差壓式（也稱節流式）流量計是基于流體流淌的節流原理，利用流體流經節流裝置時產生的壓力差而實現流量測量的。通常是由能將被測流量轉換成壓差信號的節流裝置和能將此壓差轉換成對應的流量值顯示出來的差壓計以及顯示儀表所組成。一、節流現象與流量差不多方程式流體在有節流裝置的管道中流淌時，在節流裝置前后的管壁處，流體的靜壓力產生差異的現象稱為節流現象。節流裝置確實是在管道中放置的一個局部收縮元件,應用最廣泛的是孔板,其次是噴嘴、文丘里管。注意:要準確測量出截面Ⅰ、Ⅱ處的壓力有困難，因為產生最低靜壓力p2′的截面Ⅱ的位置隨著流速的不同會改變。因此是在孔板前后的管壁上選擇兩個固定的取壓點，來測量流體在節流裝置前后的壓力變化。因而所測得的壓差與流量之間的關系，與測壓點及測壓方式的選擇是緊密相關的。圖圖3-1孔板裝置及壓力、流速分布圖2.節流差不多方程式流量差不多方程式是闡明流量與壓差之間定量關系的差不多流量公式。它是依照流體力學中的伯努利方程和流體連續性方程式推導而得的。能夠看出要明白流量與壓差的確切關系，關鍵在于α的取值。流量與壓力差ΔP的平方根成正比。二、標準節流裝置國內外把最常用的節流裝置、孔板、噴嘴、文丘里管等標準化，并稱為“標準節流裝置”。采納標準節流裝置進行設計計算時都有統一標準的規定、要求和計算所需要的通用化實驗數據資料。1.節流裝置的選用①在加工制造和安裝方面,以孔板為最簡單,噴嘴次之,文丘里管最復雜。造價高低也與此相對應。實際上,在一般場合下,以采納孔板為最多。②當要求壓力損失較小時,可采納噴嘴、文丘里管等。③在測量某些易使節流裝置腐蝕、沾污、磨損、變形的介質流量時,采納噴嘴較采納孔板為好。④在流量值與壓差值都相同的條件下,使用噴嘴有較高的測量精度,而且所需的直管長度也較短。⑤如被測介質是高溫、高壓的,則可選用孔板和噴嘴。文丘里管只適用于低壓的流體介質。2.節流裝置的安裝使用①必須保證節流裝置的開孔和管道的軸線同心,并使節流裝置端面與管道的軸線垂直。②在節流裝置前后長度為兩倍于管徑(2D)的一段管道內壁上,不應有凸出物和明顯的粗糙或不平現象。③任何局部阻力(如彎管、三通管、閘閥等)均會引起流速在截面上重新分布,引起流量系數變化。因此在節流裝置的上、下游必須配置一定長度的直管。④標準節流裝置(孔板、噴嘴),一般都用于直徑D≥50mm的管道中。⑤被測介質應充滿全部管道同時連續流淌。⑥管道內的流束(流淌狀態)應該是穩定的。⑦被測介質在通過節流裝置時應不發生相變。三、力矩平衡式差壓變送器變送器是單元組合式儀表中不可缺少的差不多單元之一。所謂單元組合式儀表,這是將對參數的檢測及其變送、顯示、操縱等各部分,分不做成只完成某一種功能而又能各自獨立工作的單元儀表(簡稱單元,例如變送單元、顯示單元、操縱單元等)。分類按使用的能源不同,單元組合式儀表有氣動單元組合式儀表(QDZ型)和電動單元組合式儀表(DDZ型)。差壓變送器能夠將差壓信號Δp轉換為統一標準的氣壓信號或電流信號,能夠連續地測量差壓、液位、分界面等工藝參數。當它與節流裝置配合時,能夠用來連續測量液體、蒸汽和氣體的流量。力矩平衡式差壓變送器是一種典型的自平衡檢測儀表，它利用負反饋的工作原理克服元件材料、加工工藝等不利因素的阻礙，使儀表具有較高的測量準確度(一般為0.5級)、工作穩定、可靠、線性好、不靈敏區小、溫度誤差小等一系列優點。舉例以DDZ-Ⅲ型壓力變送器為例DDZ-Ⅲ型差壓變送器將差壓信號轉換為4～20mA的直流電流信號。在差壓Δp作用下，產生一個測試力，即（3-5）1—測量氣室;2—測量膜片;3—支點;4—主杠桿;5—推板;6—矢量板;7—拉桿;8—支撐簧片;9—動鐵心;10—差動變送器;11—副杠桿;12—放大器;13—永久磁鋼;14—可動線圈;15—調零彈簧圖圖3-2DDZ-Ⅲ型差壓變送器示意圖該變送器是按力矩平衡原理工作的。依照主、副杠桿的平衡條件能夠推導出被測壓力Δp與輸出信號I0的關系。當主杠桿平衡時，應有（（3-6）式中，、分不為F測、F1離支點O1的距離。將式（3-5）代入式（3-6），有（（3-7）式中,為一比例系數。而而（3-8）（3-9）分不為F2及電磁力離副杠桿十字支撐簧片的距離。（（3-10）將式（3-10）代入式（3-9），得（3-11）聯立式（3-8）與（3-11），得（3-20）式中，為轉換比例系數。四、差壓式流量計的測量誤差在現場實際應用時，往往具有比較大的測量誤差，有的甚至高達10％～20％。注意不僅需要合理的選型、準確的設計計算和加工制造，更要注意正確的安裝、維護和符合使用條件等，才能保證差壓式流量計有足夠的實際測量精度。誤差產生的緣故被測流體工作狀態的變動。節流裝置安裝不正確。孔板入口邊緣的磨損。導壓管安裝不正確，或有堵塞、滲漏現象差壓計安裝或使用不正確導壓管要正確地安裝，防止堵塞與滲漏，否則會引起較大的測量誤差。關于不同的被測介質，導壓管的安裝亦有不同的要求，下面分類討論。圖3-3圖3-3測量液體流量時的取壓點位置圖圖3-4測量液體流量時的連接圖11?a節流裝置；2?a引壓導管3?a放空閥；4?a平衡閥；5?a差壓變送器；6?a貯氣罐；7?a切斷閥（1）測量液體的流量時，應該使兩根導壓管內都充滿同樣的液體而無氣泡，以使兩根導壓管內的液體密度相等。①取壓點應該位于節流裝置的下半部，與水平線夾角α為0°～45°。②引壓導管最好垂直向下，如條件不許可，導壓管亦應下傾一定坡度（至少1∶20～1∶10），使氣泡易于排出。③在引壓導管的管路中，應有排氣的裝置。（2）測量氣體流量時，上述的這些差不多原則仍然適用。①取壓點應在節流裝置的上半部。②引壓導管最好垂直向上，至少亦應向上傾斜一定的坡度，以使引壓導管中不滯留液體。③假如差壓計必須裝在節流裝置之下，則需加裝貯液罐和排放閥，如圖3-5所示。（3）測量蒸汽的流量時，要實現上述的差不多原則，必須解決蒸汽冷凝液的等液位問題，以消除冷凝液液位的高低對測量精度的阻礙。常見的接法見圖3-6所示。1?a節流裝置；21?a節流裝置；2?a凝液罐；3?a引壓導管；4?a排放閥；5?a差壓變送器；6?a平衡閥圖3-6測量蒸汽流量的連接圖圖3-5測量氣體流量時的連接圖1?a節流裝置；2?a引壓導管；3?a差壓變送器；4?a貯液罐；5?a排放閥差壓計或差壓變送器安裝或使用不正確也會引起測量誤差。由引壓導管接至差壓計或變送器前，必須安裝切斷閥1、2和平衡閥3，如圖3-7所示。測量腐蝕性（或因易凝固不適宜直接進入差壓計）的介質流量時，必須采取隔離措施。常用的兩種隔離罐形式如圖3-8所示。圖3-26隔離罐的兩種形式圖3-26隔離罐的兩種形式圖3-7差壓計閥組安裝示意圖1，2?a切斷閥；3?a平衡閥第二節轉子流量計一、工作原理轉子流量計采納的是恒壓降、變節流面積的流量測量方法。圖3-9轉子流量計的工作原理圖轉子流量計中轉子的平衡條件是轉子流量計中轉子的平衡條件是（3-13）由式（由式（3-25）可得（3-14）依照轉子浮起的高度就能夠推斷被測介質的流量大小依照轉子浮起的高度就能夠推斷被測介質的流量大小或二、電遠傳式轉子流量計它能夠將反映流量大小的轉子高度h轉換為電信號，適合于遠傳，進行顯示或記錄。LZD系列電遠傳式轉子流量計要緊由流量變送及電動顯示兩部分組成。流量變送部分圖圖3-10差動變壓器結構轉換原理轉換原理若將轉子流量計的轉子與差動變壓器的鐵芯連接起來，使轉子隨流量變化的運動帶動鐵芯一起運動，那么，就能夠將流量的大小轉換成輸出感應電勢的大小。2.電動顯示部分圖圖3-11LTD系列電遠傳轉子流量計第三節漩渦流量計精度高、測量范圍寬、沒有運動部件、無機械磨損、維護方便、壓力損失小、節能效果明顯。圖圖3-12卡門渦列(a)圓柱渦列；(b)三角柱渦列漩渦流量計是利用有規則的漩渦剝離現象來測量流體流量的儀表。滿足h／L＝0.281時，則所產生的渦街是穩定的。由圓柱體形成的卡曼漩渦，其單側漩渦產生的頻率為熱學法熱學法電容法壓差法漩渦頻率的檢測方法圖3-13圓柱檢出器原理圖1?a空腔；2?a圓柱棒；3?a導壓孔；4?a鉑電阻絲；5?a隔墻第四節質量流量計定義直接測量單位時刻內所流過的介質的質量,即質量流量M。優點質量流量計的最后輸出信號只與介質的質量流量M成比例,這就能從全然上提高流量測量的精度,省去了煩瑣的換算和修正。質量流量的差不多方程式為一、直接式質量流量計（（3-18）（3-19）將式(3-19)減去式(3-18),可得即即第四章物位檢測第一節物位檢測的意義及要緊類型幾個概念液位料位液位計料位計界面計測量物位的兩個目的按其工作原理分為直讀式物位儀表差壓式物位儀表浮力式物位儀表電磁式物位儀表核輻射式物位儀表聲波式物位儀表光學式物位儀表一、工作原理將差壓變送器的一端接液相，另一端接氣相因此圖圖4-1差壓式液位計原理圖結論當用差壓式液位計來測量液位時,若被測容器是敞口的,氣相壓力為大氣壓,則差壓計的負壓室通大氣就能夠了,這時也能夠用壓力計來直接測量液位的高低。若容器是受壓的,則需將差壓計的負壓室與容器的氣相相連接。以平衡氣相壓力pA的靜壓作用。二、零點遷移問題實際應用中，正、負室壓力p1、p2分不為則則圖圖4-2負遷移示意圖遷移同時改變了測量范圍的上、下限，相當于測量范圍的平移，它不改變量程的大小。三、用法蘭式差壓變送器測量液位為了解決測量具有腐蝕性或含有結晶顆粒以及黏度大、易凝固等液體液位時引壓管線被腐蝕、被堵塞的問題，應使用法蘭式差壓變送器，如下圖所示。圖圖4-5法蘭式差壓變送器測量液位示意圖1?a法蘭式測量頭；2?a毛細管；3?a變送器第三節其他物位計一、電容式物位計1.測量原理通過測量電容量的變化能夠用來檢測液位、料位和兩種不同液體的分界面。當D和當D和d一定時，電容量C的大小與極板的長度L和介質的介電常數ε的乘積成比例。兩圓筒間的電容量C圖4-8電容器的組成1?a內電極；2?a外電極結論電容量的變化與液位高度H成正比。該法是利用被測介質的介電系數ε與空氣介電系數ε0不等的原理進行工作，（ε-ε0）值越大，儀表越靈敏。電容器兩極間的距離越小，儀表越靈敏。二、核輻射物位計射線的透射強度隨著通過介質層厚度的增加而減弱，具體關系見式（4-9）。（4-9（4-9）特點適用于高溫、高壓容器、強腐蝕、劇毒、有爆炸性、黏滯性、易結晶或沸騰狀態的介質的物位測量，還能夠測量高溫融熔金屬的液位。可在高溫、煙霧等環境下工作。但由于放射線對人體有害，使用范圍受到一些限制。圖圖4-10核輻射物位計示意圖1?a輻射源；2?a同意器三、雷達式液位計雷達式液位計是一種采納微波技術的液位檢測儀表。雷達波由天線發出到接收到由液面來的反射波的時刻t由下式確定由于由于圖4-12圖4-12雷達式液位計示意圖故雷達探測器對時刻的測量有微波脈沖法及連續波調頻法兩種方式。四、稱重式液罐計量儀既能將液位測得專門準，又能反映出罐中真實的質量儲量。稱重儀依照天平原理設計。圖圖4-14稱重式液罐計量儀第六章顯示儀表概述顯示儀表：凡能將生產過程中各種參數進行指示、記錄或累積的儀表。分類模擬式顯示儀表數字顯示儀表屏幕顯示儀表第一節模擬式顯示儀表一、自動平衡電子電位差計電位差計是用來測量電勢或電位的,當它與熱電偶配合時,能夠用來測量和顯示溫度。圖6-1圖6-1電子電位差計原理圖熱電偶測量橋路放大器可逆電機指示機構記錄機構同步電機穩壓電源圖6-2電子電位差計原理方框圖結論電子電位差計既保持了手動電位差計測量精度高的優點，而且無須用手去調節就能自動指示和記錄被測溫度值。二、電子自動平衡電橋（1）平衡電橋測溫原理利用平衡電橋來測量熱電阻變化。當被測溫度為下限時，Rt有最小值Rt0，滑動觸點應在RP的左端，現在電橋的平衡條件是（6-3（6-3）圖圖6-5平衡電橋結論滑動觸點B的位置就能夠反映電阻的變化，亦即反映了溫度的變化。同時能夠看到觸點的位移與熱電阻的增量呈線性關系。三、電子計數器當用間接法進行數碼轉換時,是先將模擬量轉換為與之對應的時刻間隔或頻率,然后必須再將時刻間隔或頻率轉換為數字量,才能進行計數。圖圖6-9時刻間隔測量原理框圖四、顯示器圖6-11數碼管驅動電路圖6-11數碼管驅動電路圖6-10輝光數碼管示意圖五、數字式顯示儀表的差不多組成圖圖6-12數字式溫度顯示儀表的差不多組成六、數字模擬混合記錄儀為了使數字式記錄儀與模擬式記錄儀的優點結合起來,兩者相互取長補短,能夠在數字式顯示儀表的基礎上加上模擬式顯示記錄儀表的記錄部分,構成數字模擬混合記錄儀。第七章自動操縱系統概述第一節自動操縱系統的組成人工操作與自動操縱比較圖圖7-1圖7-1人工操作圖操縱速度和精度不能滿足大型操縱速度和精度不能滿足大型現代化生產的需要圖圖7-2液位自動操縱圖表7-1被測變量和儀表功能的字母代號字母第一位字母后繼字母被測變量修飾詞功能ACDEFIKLMPQRSTVWYZ分析電導率密度電壓流量電流時刻或時刻程序物位水分或濕度壓力或真空數量或件數放射性速度或頻率溫度黏度力供選用位置差比（分數）積分、累積安全報警操縱（調節）檢測元件指示自動-手動操作器積分、累積記錄或打印開關、聯鎖傳送閥、擋板、百葉窗套管繼動器或計算器驅動、執行或未分類的終端執行機構在自動操縱系統的組成中,除必須具有前面所述的自動化裝置外,還必須具有操縱裝置所操縱的生產設備。在自動操縱系統中,將需要操縱其工藝參數的生產設備、機器、一段管道或設備的一部分叫做被控對象,簡稱對象。第二節自動操縱系統的方塊圖一、信號和變量載有變量信息的物理變量是信號。系統或環節系統或環節uy圖7-3輸入、輸出變量圖ABABuu1u2圖7-5信號分叉點圖7-4簡單水槽二、自動操縱系統方塊圖在研究自動操縱系統時，為了便于對系統分析研究，一般都用方塊圖來表示操縱系統的組成。下頁圖為液位自動操縱系統地點塊圖每個環節表示組成系統的一個部分，稱為“環節”。兩個方塊之間用一條帶有箭頭的線條表示其信號的相互關系，箭頭指向方塊表示為那個環節的輸入，箭頭離開方塊表示為那個環節的輸出。線旁的字母表示相互間的作用信號。方塊圖中，x指設定值；z指輸出信號；e指偏差信號；p指發出信號；q指出料流量信號；y指被控變量；f指擾動作用。當x取正值，z取負值，e=x-z，負反饋；x取正值，z取正值，e=x+z，正反饋。圖圖7-6自動操縱系統方塊圖其他操縱系統用同一種形式地點塊圖能夠代表不同的操縱系統當進料流量或溫度變化等因素引起出口物料溫度變化時，能夠將該溫度變化測量后送至溫度操縱器TC。溫度操縱器的輸出送至操縱閥，以改變加熱蒸汽量來維持出口物料的溫度不變。圖圖7-7蒸汽加熱器溫度操縱系統為了便于分析,有時將操縱器以外的各個環節(包括被控對象、測量元件及變送器、操縱閥)組合在一起看待,稱之為廣義對象,如此,整個系統可認為是由操縱器與廣義對象兩者所構成,其方塊圖可簡化。操縱器操縱器廣義對象被控變量測量值z給定值干擾作用f-x圖7-8簡化方塊圖三、反饋自動操縱系統是一個閉環系統，是由于反饋的存在造成的xxKβyze-圖7-9負反饋系統小結自動操縱系統是具有被控變量負反饋的閉環系統。它與自動測量、自動操縱等開環系統比較,最本質的差不,就在于操縱系統有無負反饋存在。自動操縱裝置自動操縱裝置對象操縱指令操縱作用工藝參數圖7-10自動操縱系統方塊圖四、自動操縱系統的分類按被控變量來分類，如溫度、壓力等操縱系統；按操縱器具有的操縱規律來分類，如比例、比例積分、比例微分、比例積分微分等操縱系統；將操縱系統按照工藝過程需要操縱的被控變量的給定值是否變化和如何變化來分類，如此可將自動操縱系統分為三類，即定值操縱系統、隨動操縱系統和程序操縱系統。1.定值操縱方法“定值”是恒定給定值的簡稱。工藝生產中，若要求操縱系統的作用是使被操縱的工藝參數保持在一個生產指標上不變，或者講要求被控變量的給定值不變，就需要采納定值操縱系統。2.隨動操縱系統（自動跟蹤系統）給定值隨機變化，該系統的目的確實是使所操縱的工藝參數準確而快速地跟隨給定值的變化而變化。3.程序操縱系統（順序操縱系統）給定值變化，但它是一個已知的時刻函數，即生產技術指標需按一定的時刻程序變化。這類系統在間歇生產過程中應用比較一般。第三節過渡過程和品質指標一、操縱系統的靜態與動態自動操縱目的：希望將被控變量保持在一個不變的給定值上，這只有當進入被控對象的物料量（或能量）和流出對象的物料量（或能量）相等時才有可能。靜態——被控變量不隨時刻而變化的平衡狀態（變化率為0，不是靜止）。當一個自動操縱系統的輸入（給定和干擾）和輸出均恒定不變時，整個系統就處于一種相對穩定的平衡狀態，系統的各個組成環節如變送器、操縱器、操縱閥都不改變其原先的狀態，它們的輸出信號也都處于相對靜止狀態，這種狀態確實是靜態。動態——被控變量隨時刻變化的不平衡狀態。從干擾作用破壞靜態平衡，通過操縱，直到系統重新建立平衡，在這一段時刻中，整個系統的各個環節和信號都處于變動狀態之中，這種狀態叫做動態。結論：在自動化工作中，了解系統的靜態是必要的，然而了解系統的動態更為重要。因為在生產過程中，干擾是客觀存在的，是不可幸免的，就需要通過自動化裝置不斷地施加操縱作用去對抗或抵消干擾作用的阻礙，從而使被控變量保持在工藝生產所要求操縱的技術指標上。二、操縱系統的過渡過程系統由一個平衡狀態過渡到另一個平衡狀態的過程。舉例舉例圖7-11操縱系統方塊圖操縱器執行器對象被控變量測量、變送給定值干擾-當干擾作用于對象，系統輸出y發生變化，在系統負反饋作用下，通過一段時刻，系統重新恢復平衡。系統在過渡過程中，被控變量是隨時刻變化的。被控變量隨時刻的變化規律首先取決于作用于系統的干擾形式。在生產中，出現的干擾是沒有固定形式的，且多半屬于隨機性質。在分析和設計操縱系統時，為了安全和方便，常選擇一些定型的干擾形式，其中常用的是階躍干擾。采納階躍干擾的優點：這種形式的干擾比較突然、危險，且對被控變量的阻礙也最大。假如一個操縱系統能夠有效地克服這種類型的干擾，那么一定能專門好地克服比較緩和的干擾。這種干擾的形式簡單，容易實現，便于分析、實驗和計算。圖圖7-12階躍干擾作用三、操縱系統的操縱指標操縱系統的過渡過程是衡量品質的依據。多數情況下，希望得到衰減振蕩過程，在此取這種過程形式討論操縱系統的品質指標。操縱指標要緊有兩類,一類是時刻域的單項指標,另一類是時刻域的綜合指標。五種重要品質指標（1）最大偏差或超調量最大偏差是指在過渡過程中，被控變量偏離給定值的最大數值。在衰減振蕩過程中，最大偏差確實是第一個波的峰值。特不是關于一些有約束條件的系統，如化學反應器的化合物爆炸極限、觸媒燒結溫度極限等，都會對最大偏差的同意值有所限制。超調量也能夠用來表征被控變量偏離給定值的程度。（2）衰減比衰減比是衰減程度的指標，它是前后相鄰兩個峰值的比。適應表示為n:1，一般n取為4～10之間為宜。（2）余差當過渡過程終了時，被控變量所達到的新的穩態值與給定值之間的偏差叫做余差，或者講余差確實是過渡過程終了時的殘余偏差。有余差的操縱過程稱為有差調節，相應的系統稱為有差系統。反之就為無差調節和無差系統。（4）過渡時刻從干擾作用發生的時刻起，直到系統重新建立新的平衡時止，過渡過程所經歷的時刻叫過渡時刻。一般在穩態值的上下規定一個小范圍，當被控變量進入該范圍并不再越出時，就認為被控變量差不多達到新的穩態值，或者講過渡過程差不多結束那個范圍一般定為穩態值的±５％（也有的規定為±２％）（5）震蕩周期或頻率過渡過程同向兩波峰（或波谷）之間的間隔時刻叫振蕩周期或工作周期，其倒數稱為振蕩頻率。在衰減比相同的情況下，周期與過渡時刻成正比，一般希望振蕩周期短一些為好。時刻域的綜合指標綜合性指標往往通過偏差的某些函數對時刻的積分值來表達,以兼顧最大偏差、超調量、衰減比、過渡時刻等各方面的因素。以偏差e表示過渡過程中被控變量與新穩態值的差值,即e(t)=y(t)-y(∞)。三種綜合指標①偏差絕對值對時刻的積分,簡記為IAE采納絕對值,可幸免正負積分面積相消的現象。②偏差絕對值與時刻乘積對時刻的積分,簡記為ITAE它對后期的偏差值加大權值,因此對消除偏差所需的時刻比較敏感。③偏差平方值對時刻的積分,簡記為ISE采納平方值,同樣能夠幸免正負偏差積分時的相消現象。與IAE相比,它對最大偏差的數值更加敏感。四、阻礙操縱指標的要緊因素一個自動操縱系統能夠概括成兩大部分，即工藝過程部分（被控對象）和自動化裝置部分。前者指與該自動操縱系統有關的部分。后者指為實現自動操縱所必需的自動化儀表設備，通常包括測量與變送裝置、操縱器和執行器等三部分。關于一個自動操縱系統，過渡過程品質的好壞，在專門大程度上決定于對象的性質。例如在前所述的溫度操縱系統中，屬于對象性質的要緊因素有：換熱器的負荷大小，換熱器的結構、尺寸、材質等，換熱器內的換熱情況、散熱情況及結垢程度等。不同自動化系統要具體分析。第八章差不多操縱規律概論操縱器的操縱規律是指操縱器的輸出信號與輸入信號之間的關系：即在研究操縱器的操縱規律時：經常是假定操縱器的輸入信號e是一個階躍信號，然后來研究操縱器的輸出信號p隨時刻的變化規律。操縱器的差不多操縱規律位式操縱（其中以雙位操縱比較常用）、比例操縱（P）、積分操縱（I）、微分操縱（D）。第一節位式操縱一、雙位操縱理想的雙位操縱器其輸出p與輸入偏差額e之間的關系為圖9-1圖9-1理想雙位操縱特性圖9-2雙位操縱示例二、具有中間區的雙位操縱將上圖中的測量裝置及繼電器線路稍加改變，便可成為一個具有中間區的雙位操縱器，見下圖。由于設置了中間區，當偏差在中間區內變化時，操縱機構可不能動作，因此能夠使操縱機構開關的頻繁程度大為降低，延長了操縱器中運動部件的使用壽命。圖9-3圖9-3實際的雙位操縱規律圖9-4具有中間區的雙位操縱過程結論雙位操縱過程中一般采納振幅與周期作為品質指標被控變量波動的上、下限在同意范圍內，使周期長些比較有利。雙位操縱器結構簡單、成本較低、易于實現，因而應用專門普遍。三、多位操縱對系統的操縱效果較好，但會使操縱裝置的復雜程度增加。圖圖9-5三位操縱器特性圖第二節比例操縱在雙位操縱系統中，被控變量不可幸免地會產生持續的等幅振蕩過程，為了幸免這種情況，應該使操縱閥的開度與被控變量的偏差成比例，依照偏差的大小，操縱閥能夠處于不同的位置，如此就有可能獲得與對象負荷相適應的操縱變量，從而使被控變量趨于穩定，達到平衡狀態。圖圖9-6水槽液位操縱一、比例操縱規律及其特點（（9-4）比例操縱器比例操縱器KCeΔp圖9-7比例操縱器比例操縱器實際上是一個放大倍數可調的放大量圖圖9-8簡單比例操縱系統示意圖如上圖，依照相似三角形原理因此，關于具有比例操縱的操縱器（（9-5）二、比例度及其對操縱過程的阻礙1.比例度比例度是指操縱器輸入的變化相對值與相應的輸出變化相對值之比的百分數。（（9-7）圖圖9-9比例度與輸入輸出的關系將式（9-7）改寫后得即即（9-8）關于一只具體的比例操縱器，儀表的量程和操縱器的輸出范圍差不多上固定的,令（9-9）對一只操縱器來講，K是一個固定常數。將式(9-9)代入式(9-8)，得（9-10（9-10）而在單元組合式儀表中（9-11）（9-11）優點：反應快，操縱及時缺點：存在余差結論若對象的滯后較小、時刻常數較大以及放大倍數較小時，操縱器的比例度能夠選得小些，以提高系統的靈敏度，使反應快些，從而過渡過程曲線的形狀較好。反之，比例度就要選大些以保證穩定。第三節積分操縱一、積分操縱規律及其特點當對操縱質量有更高要求時，就需要在比例操縱的基礎上，再加上能消除余差的積分操縱作用。圖圖9-10積分操縱規律積分操縱作用的輸出變化量Δp與輸入偏差e的積分成正比，即（9-12（9-12）（9-13）當輸入偏差是常數A（9-13）對式(9-12)微分,可得（9-14（9-14）結論積分操縱作用輸出信號的大小不僅取決于偏差信號的大小,而且要緊取決于偏差存在的時刻長短。積分操縱器輸出的變化速度與偏差成正比。積分操縱作用在最后達到穩定時，偏差等于零。第九章自動操縱儀表第一節操縱儀表的作用與分類操縱儀表或稱操縱器,它將被控變量測量值與給定值相比較后產生的偏差,進行一定的運算,并將運算結果以一定信號形式送往執行器,以實現對被控變量的自動操縱。一、操縱儀表的能源形式按照儀表所用的能源按照儀表所用的能源操縱儀表直接作用式操縱器間接作用式操縱器二、操縱儀表的結構形式按操縱儀表與自動操縱系統中的檢測、變送、顯示等各部分的組合方式不同,要緊能夠分為基地式操縱儀表與單元組合式操縱儀表等。基地式操縱儀表基地式操縱儀表是將測量、變送、顯示及操縱等功能集于一身的一種操縱儀表。結構比較簡單,常用于單機操縱系統。單元組合式儀表單元組合式儀表把整套儀表按照其功能和使用要求，分成若干獨立作用的單元，各單元之間用統一的標準信號聯系。使用時，針對不同的要求,將各單元以不同的形式組合，能夠組成各種各樣的自動檢測和操縱系統。優點①能夠用有限的單元組成各種各樣的操縱系統,具有高度的通用性和靈活性。②能夠通過轉換單元,把氣動表、電動表,甚至液動表聯系起來,混合使用。③由于各單元獨立作用,因此在布局、安裝、維護上也更合理、更方便。④儀表大都采納力平衡或力矩平衡原理,工作位移小、無機械摩擦、精度高、使用壽命長、性能較好。⑤由于零部件的標準化、系列化,有利于大規模生產,降低了成本,提高了產量和質量。⑥有利于進展新品種,采納新工藝、新技術。分類依照使用能源的不同,單元組合儀表要緊分為氣動單元組合儀表和電動單元組合儀表。單元組合儀表一般能夠分為七大類單元。變送單元(B)顯示單元(X)給定單元(G)輔助單元(F)操縱單元(T)計算單元(J)轉換單元(Z)在電動單元組合儀表中還包括執行單元(K)。氣動單元組合儀表是以0.14MPa壓縮空氣為能源,各單元之間以統一的0.02～0.1MPa氣壓標準信號相聯系,整套儀表的精度為1級。電動單元組合式儀表的進展時期：DDZ-Ⅰ型——電子管器件為要緊器件DDZ-Ⅱ型——晶體管等分立元件為要緊器件DDZ-Ⅲ型——線性集成電路作為核心器件三、操縱儀表的信號形式操縱儀表操縱儀表模擬式操縱儀表數字是操縱儀表第二節模擬式操縱儀表一、概述模擬式操縱儀表所傳送的信號形式為連續的模擬信號。差不多差不多結構比較環節反饋環節放大器差不多功能PID運算功能測量值、給定值與偏差顯示輸出顯示手動與自動的雙向切換內、外給定信號的選擇正、反作用的選擇二、DDZ-Ⅲ型電動操縱器1.DDZ-Ⅲ型儀表的特點（1）采納國際電工委員會（IEC）推舉的統一標準信號。優點電氣零點不是從零開始，且不與機械零點重合，這不但利用了晶體管的線性段，而且容易識不斷電、斷線等故障。本信號制的電流-電壓轉換電阻為250Ω。由于聯絡信號為1～5VDC，可采納并聯信號制，因此干擾少，連接方便。（2）廣泛采納現性集成電路，可靠性提高，維修工作量減少。優點由于集成運算放大器均為差分放大器，且輸入對稱性好，漂移小，儀表的穩定性得到提高。由于集成運算放大器有高增益，因而開環放大倍數專門高，這使儀表的精度得到提高。由于采納了集成電路，焊點少，強度高，大大提高了儀表的可靠性。（3）Ⅲ型儀表統一由電源箱供給24VDC電源，并有蓄電池作為備用電源。優點各單元省掉了電源變壓器，沒有工頻電源進入單元儀表，既解決了儀表發熱問題，又為儀表的防爆提供了有利條件。在工頻電源停電時備用電源投入，整套儀表在一定時刻內仍可照常工作，接著進行監視操縱作用，有利于安全停車。（4）內部帶有附加裝置的操縱器能和計算機聯用,在與直接數字計算機操縱系統配合使用時,在計算機停機時,可作后備操縱器使用。（5）自動、手動的切換是雙向無擾動的方式進行的。（6）整套儀表可構成安全火花防爆系統。第二節模擬式操縱儀表Ⅲ型操縱器有全刻度指示和偏差指示兩個基型品種。圖圖10-1DDZ-Ⅲ型操縱器結構方框圖要緊由輸入電路、給定電路、PID運算電路、自動與手動（包括硬手動和軟手動兩種）切換電路、輸出電路及指示電路等組成。第十章執行器一、概述執行器作用同意操縱器的輸出信號,直接操縱能量或物料等調節介質的輸送量,達到操縱溫度、壓力、流量、液位等工藝參數的目的。按能源形式分類：氣動執行器電動執行器液動執行器氣氣-電轉換器電-氣轉換器電-氣閥門定位器氣動執行器電動執行器氣動操縱儀表電動操縱儀表圖11-1轉換單元的使用簡圖第一節氣動執行器一、氣動執行器的組成與分類1.組成結結構氣動執行結構操縱閥常用輔助設備閥門定位器手輪機構圖11-2氣動薄膜操縱閥外形圖2.執行機構的分類薄模式結構簡單、價格廉價、維修方便，應用廣泛。活塞式推力較大，用于大口徑、高壓降操縱閥或蝶閥的推動裝置。長行程行程長、轉矩大，適于輸出轉角（60°～90°）和力矩。氣動薄膜式執行機構有正作用和反作用兩種形式。依照有無彈簧可分為有彈簧的及無彈簧的執行機構。3.操縱閥的分類依照不同的使用要求，操縱閥的結構形式要緊有以下幾種。（1）直通單座操縱閥閥體內只有一個閥芯與閥座。特點結構簡單、價格廉價、全關時泄漏量少。缺點在壓差大的時候，流體對閥芯上下作用的推力不平衡，這種不平衡力會阻礙閥芯的移動。直通單座閥直通單座閥（2）直通雙座操縱閥閥體內有兩個閥芯和兩個閥座。特點流體流過的時候，不平衡力小。直通雙座閥缺點容易泄漏直通雙座閥（3）角形操縱閥角形閥的兩個接管呈直角形。特點流路簡單、阻力較小，適于現場管道要求直角連接，介質為高黏度、高壓差和含有少量懸浮物和固體顆粒狀的場合。流向一般是底進側出。角形閥角形閥（4）高壓操縱閥高壓操縱閥的結構形式大多為角形,閥芯頭部摻鉻或鑲以硬質合金,以適應高壓差下的沖刷和汽蝕。為了減少高壓差對閥的汽蝕,有時采納幾級閥芯,把高差壓分開,各級都承擔一部分以減少損失。（5）三通操縱閥共有三個出入口與工藝管道連接。按照流通方式分合流型和分流型兩種三通閥（三通閥（A）（B）（A（A）分流型（B）合流型采納耐腐蝕襯里的閥體和隔膜。特點結構簡單、流阻小、流通能力比同口徑的其他種類的閥要大。不易泄漏。耐腐蝕性強，適用于強酸、強堿、強腐蝕性介質的操縱，也能用于高黏度及懸浮顆粒狀介質的操縱。結論①串、并聯管道都會使閥的理想流量特性發生畸變，串聯管道的阻礙尤為嚴峻。②串、并聯管道都會使操縱閥的可調范圍降低，并聯管道尤為嚴峻。③串聯管道使系統總流量減少，并聯管道使系統總流量增加。④串、并聯管道會使操縱閥的放大系數減小，串聯管道時操縱閥大開度時阻礙嚴峻，并聯管道時操縱閥小開度時阻礙嚴峻。第三節電動執行器一、概述1.電動執行器的特點①由于工頻電源取用方便,不需增添專門裝置,特不是執行器應用數量不太多的單位,更為適宜;②動作靈敏、精度較高、信號傳輸速度快、傳輸距離能夠專門長,便于集中操縱;③在電源中斷時,電動執行器能保持原位不動,不阻礙主設備的安全;④與電動操縱儀表配合方便,安裝接線簡單;⑤體積較大、成本較貴、結構復雜、維修苦惱,并只能應用于防爆要求不太高的場合2.電動執行器的組成兩大部分電動執行機構調節機構電動執行機構依照其輸出形式不同角行程電動執行機構直行程電動執行機構多轉式電動執行機構。二、角行程電動執行機構DKJ型角行程電動執行機構以交流220V為動力,同意操縱器的直流電流輸出信號,并轉變為0°～90°的轉角位移,以一定的機械轉矩和旋轉速度自動操縱擋板、閥門等調節機構,完成調節任務。三、直行程電動執行機構直行程電動執行機構(DKZ型)是以操縱儀表的指令作為輸入信號,使電動機動作,然后經減速器減速并轉換為直線位移輸出,去操作單座、雙座、三通等各種操縱閥和其他直線式調節機構,以實現自動調節的目的。第十一章簡單操縱系統第一節概述簡單操縱系統通常是指由一個測量元件、變送器、一個操縱器、一個操縱閥和一個對象所構成的單閉環操縱系統。圖12-1液位操縱系統圖12-1液位操縱系統圖12-2溫度操縱系統表1-2被測變量和儀表功能的字母代號字母第一位字母后繼字母被測變量修飾詞功能ACDEFIKLMPQRSTVWYZ分析電導率密度電壓流量電流時刻或時刻程序物位水分或濕度壓力或真空數量或件數放射性速度或頻率溫度黏度力供選用位置差比（分數）積分、累積安全報警操縱（調節）檢測元件指示自動-手動操作器積分、累積記錄或打印開關、聯鎖傳送閥、擋板、百葉窗套管繼動器或計算器驅動、執行或未分類的終端執行機構圖圖12-3簡單操縱系統的方塊圖從圖中可知簡單操縱系統由四個差不多環節組成，即被控對象、測量變送裝置、操縱器和執行器。第二節被控變量的選擇生產過程中希望借助自動操縱保持恒定值（或按一定規律變化）的變量稱為被控變量。被控變量的界定它們對產品的產量、質量以及安全具有決定性的作用，而人工操作又難以滿足要求的；人工操作盡管能夠滿足要求，然而，這種操作是既緊張而又頻繁的。被控變量的分類（按照與生產過程的關系）直接指標操縱；間接指標操縱。選擇被控變量的原則①被控變量應能代表一定的工藝操作指標或能反映工藝操作狀態，一般是工藝過程中較重要的變量。②被控變量在工藝操作過程中經常要受到一些干擾阻礙而變化。為維持其恒定，需要較頻繁的調節。③盡量采納直接指標作為被控變量。當無法獲得直接指標信號，或其測量和變送信號滯后專門大時，可選擇與直接指標有單值對應關系的間接指標作為被控變量。④被控變量應能被測量出來，并具有足夠大的靈敏度。⑤選擇被控變量時，必須考慮工藝合理性和國內儀表產品現狀。⑥被控變量應是獨立可控的。第三節操縱變量的選擇在自動操縱系統中，把用來克服干擾對被控變量的阻礙，實現操縱作用的變量稱為操縱變量。最常見的操縱變量是介質的流量。操作變量操作變量系統的干擾通過工藝分析確定操縱變量的選擇原則①操縱變量應是可控的，即工藝上同意調節的變量。②操縱變量一般應比其他干擾對被控變量的阻礙更加靈敏。③在選擇操縱變量時，除了從自動化角度考慮外，還要考慮工藝的合理性與生產的經濟性。第四節操縱器操縱規律的原則及參數整定一、操縱規律的選擇目前工業上常用的操縱器要緊有三種操縱規律:比例操縱規律P、比例積分操縱規律PI和比例積分微分操縱規律PID。二、操縱器參數的工程整定按照已定的操縱方案，求取使操縱質量最好的操縱器參數值。即確定最合適的操縱器比例度δ、積分時刻TI和微分時刻TD。方法理論計算的方法和工程整定法。幾種常用的工程整定法1.臨界比例度法先通過試驗得到臨界比例度δk和臨界周期Tk，然后依照經驗總結出來的關系求出操縱器各參數值。2.衰減曲線法通過使系統產生衰減振蕩來整定操縱器的參數值。在閉環的操縱系統中，先將操縱器變為純比例作用，并將比例度預置在較大的數值上。在達到穩定后，用改變給定值的方法加入階躍干擾，觀看被控變量記錄曲線的衰減比，然后從大到小改變比例度，直至出現4∶1或10∶1衰減比為止。通過比例度δs和衰減周期TS,得到操縱器的參數整定值。注意！（1）加的干擾幅值不能太大，要依照生產操作要求來定，一般為額定值的5％左右，也有例外的情況。（2）必須在工藝參數穩定情況下才能施加干擾，否則得不到正確的δS、TS或δS′和T升值。（3）關于反應快的系統，如流量、管道壓力和小容量的液位操縱等，要在記錄曲線上嚴格得到4∶1衰減曲線比較困難。一般以被控變量來回波動兩次達到穩定，就能夠近似地認為達到4∶1衰減過程了。3.經驗湊試法依照經驗先將操縱器參數放在一個數值上，直接在閉環的操縱系統中，通過改變給定值施加干擾，在記錄儀上觀看過渡過程曲線，運用δ、TI、TD對過渡過程的阻礙為指導，按照規定順序，對比例度δ、積分時刻TI和微分時刻TD逐個整定，直到獲得中意的過渡過程為止。整定的步驟（1）先用純比例作用進行湊試，待過渡過程已差不多穩定并符合要求后，再加積分作用消除余差，最后加入微分作用是為了提高操縱質量。（2）先按表7-4中給出的范圍把TI定下來，如要引入微分作用，可取TD＝(1/3～1/4)TI，然后對δ進行湊試，湊試步驟與前一種方法相同。第十二章復雜操縱系統概述依照依照系統的結構和所擔負的任務復雜操縱系統復雜操縱系統串級操縱系統均勻操縱系統比值操縱系統分程操縱系統前饋操縱系統選擇操縱系統三沖量操縱系統第一節串級操縱系統一、串級操縱系統概述當對象的滯后較大，干擾比較劇烈、頻繁時，可考慮采納串級操縱系統。依照原油出口溫度的變化來操縱燃料閥門的開度在實際生產過程中，特不是當加熱爐的燃料壓力或燃料本身的熱值有較大波動時，該簡單操縱系統的操縱質量往往專門差，原料油的出口溫度波動較大，難以滿足生產上的要求。在上述操縱系統中，有兩個操縱器T1C和T2C，接收來自對象不同部位的測量信號θ1和θ2。T1C的輸出作為T2C的給定值，而后者的輸出去操縱執行器以改變操縱變量。從系統的結構看，這兩個操縱器是串接工作的。幾個串級操縱系統中常用的名詞主變量工藝操縱指標，在串級操縱系統中起主導作用的被控變量。副變量串級操縱系統中為了穩定主變量或因某種需要而引入的輔助變量。副對象為副變量表征其特性的工藝生產設備。主操縱器按主變量的測量值與給定值而工作，其輸出作為副變量給定值的那個操縱器。副操縱器其給定值來自主操縱器的輸出，并按副變量的測量值與給定值的偏差而工作的那個操縱器。主回路由主變量的測量變送裝置，主、副操縱器，執行器和主、副對象構成的外回路。副回路由副變量的測量變送裝置，副操縱器執行器和副對象所構成的內回路。圖圖13-4串級操縱系統典型方塊圖二、串級操縱系統的特點及應用1.系統的結構串級操縱系統有兩個閉合回路。主回路是個定值操縱系統,副回路是個隨動系統。在串級操縱系統中,主變量是反映產品質量或生產過程運行情況的要緊工藝參數。副變量的引入往往是為了提高主變量的操縱質量,它是基于主,副變量之間具有一定的內在關系而工作的。選擇串級操縱系統的副變量一般有兩類情況：一類情況是選擇與主變量有一定關系的某一中間變量作為副變量;另一類選擇的副變量確實是操縱變量本身,如此能及時克服它的波動,減小對主變量的阻礙。選擇串級操縱系統的副變量一般有兩類情況：一類情況是選擇與主變量有一定關