［教學目的要求J:

1、了解何為（過程）自動化和自動化技術、自動化儀表的簡要發展過程

2、掌握如何來構筑一個控制系統

［教學重點］:自動化技術、自動化儀表的簡要發展過程

［教學難點］:如何來構筑一個控制系統

［教學時數］：1

［教學內容］:

第一章緒論

1.1何為（過程）自動化：

從工藝的眼光來看

在工藝設備上，配備一些自動化裝置，用它們來代替操作人員的（部分）直接勞動，

使生產在不同程度上按照規定的要求自動地進行，也即：用自動化裝置來管理設備（生

產過程），使之正常運行

換一種說法

所謂自動化是使工藝參數保持在需要的值或者狀態上，或者使生產過程按照一定的

程序或者步驟運行，保證生產過程運行在最佳狀態

所謂“自動控制”是指應用自動化儀器儀表或自動控制裝置代替人自動地對儀器設備或

工業生產過程進行控制，使之有目的地修正被控對象的動力學行為，以達到預期的狀態

或滿足預期的性能要求。

為什么要實現自動控制？

原因一：代替人的勞動，減輕勞動強度，提高生產效率

原因二：煉油、化工、冶金、電力、生物、制藥等工業過程的生產規模越來越向大

型化、復雜化方向發展，各種類型的自動控制技術已經成了現代工業生產實現安全、高

效、優質、低耗的基本條件和重要保證

1.2如何來構筑一個控制系統？

進

業、I

1.3自動化技術的簡要發展過程

1、控制理論的簡要發展過程

自動控制的本質：是指應用自動化儀器儀表、自動控制裝置代替人，自動地對儀器

設備或工業生產過程進行控制，使之有目的地修正被控對象的動力學行為，以達到預期

的狀態或滿足預期的性能要求

控制問題的本質：就是要求基于對象內在的動力學本質和規律，運用適當的數學工

具求取問題的解。

“控制”這一概念本身即反映了人們對征服自然與外在的渴望，作為自動控制科學的

核心的控制理論與技術也自然而然地在人們征服自然與改造自然的歷史中發展起來。

2、經典控制理論

1868年J.C.Maxwell為了解決蒸汽機調速器的精度和穩定性之間的矛盾，首先提出

了微分方程模型和穩定性分析的數學方法，從微分方程角度討論了調節器系統可能產生

的不穩定現象，他所發表的“論調節器”是目前比較公認的第一篇控制理論論文。

1877年E.J.Routh和1895年A.Hurwitz創造性地提出了稱為Routh,它是經典控制

理論中最基礎的穩定性分析工具之一。

1932年Nyquist提出了“Nyquist穩定性判據

1945年Bode建立了控制系統的頻域設計方法（Bode圖法）。之后，經過Wienner、

Nichols等人的杰出貢獻，終于形成了經典的反饋控制和頻域理論，并于20世紀50年

代趨于成熟

經典控制理論建立在傳遞函數基礎上的，主要針對線性定常、SISO對象，基于反

饋控制的主導思想，完成控制系統的鎮定任務。經典控制理論最輝煌的成果首推PID控

制規律，對于無時間延遲的S1SO系統極為有效。直到目前，在工業過程控制中仍然被

廣泛應用。（90%以上）

3、現代控制理論

由于工業生產過程也向著大型化、連續化的方向發展。導致

（a）控制系統漸趨復雜：

在整體結構上，表現為非線性、不確定性、無窮維、多層次等；

在被處理的信息上，表現為信號的不確定性、隨機性、不完全性等。

（b）控制要求越來越高，除了實現單純的穩定控制以外，控制器的設計往往還要追求

最佳的性能要求

經典控制理論已無法滿足解決多變量、非線性、不確定性以及最佳性能要求等問

題的需要，這在客觀上促使現代控制理論得以建立和發展。

4、經典控制理論和現代控制理論的關系

對于經典控制理論、現代控制理論以及智能控制理論而言，并非意味著相互的否定

和排斥，它們之間有著共同發展、互相滲透、相互結合的發展關系。

需要提出的是，在當今的過程控制領域中，幾乎有90%以上的控制回路仍然沿用經

典的PID控制算法或PID控制算法的變形，并能夠獲取比較滿意的控制效果

5,儀表的簡要發展過程

常見的測控參數：T、P、L、F、A（五大參數）

測控儀表的分類：變送器（傳感器）、執行器、控制器三大類

'溫度T：溫度變送器（熱電偶、熱電阻、集成溫度傳感器……）

壓力P：壓力變送器

妒J差壓△「：差壓變送器*

之。器］液位L：差壓變送器*

流量F：流量變送器（電磁流量計、渦街流量計、渦輪流量計）

.成份A：成份分析儀（在線、離線）

L匕曲J電動調節閥

能源（動力）右口、田甘閑

［氣動調節閥

執行器＜

作（連續0~100%：調節閥

作萬戊（通斷?！?。加開關閥

控制器：常規調節器、智能調節器、計算機系統

6、自動化裝置的簡要發展過程

1.4本課程的主要知識點

自動控制究竟是一個什么“東西”？——不是名詞解釋

需要學習自控回路（系統）的組成、基本工作原理、如何評價自動質量……

怎么樣來構建一個自動控制回路？

需要學習構建自控回路的各環節的作用，各環節的特性對自控系統的影響，（最常

用）檢測儀表、控制儀表的基本工作原理，如何選擇合適的自控設備（儀表）……

?如何工程實施？

——即使一個象空調器溫度控制那么簡單的自動控制回路的實施？

需要學習自動系統的設計、控制參數的整定……

更復雜的控制回路如何工程實施？

計算機控制是什么一回事？怎么樣來設計一個計算機控制系統？

［教學目的要求］:

1、了解自控系統的組成、自控系統的分類、系統運行的基本要求自動控制、系統的

過渡過程和品質指標

2、掌握方塊圖、管道及儀表流程

［教學時數］:2

［教學重點］：自控系統的組成、自控系統的分類、系統運行的基本要求自動控制、系統

的過渡過程和品質指標

［教學難點］:方塊圖、管道及儀表流程

［教學內容］:

第2章自控系統基本概念

2.1自控系統的組成

控制系統的4個基本環節：被控對象、檢測儀表（測量變送環節）、控制器、執行器

幾個常用術語：

（1）被控對象：需要實現控制的設備、機械或生產過程稱為被控對象，簡稱對象。

（2）被控變量：對象內要求保持一定數值（或按某一規律變化）的物理量稱為被控

變量。

（3）控制變量（操縱變量）：受執行器控制，用以使被控變量保持一定數值的物料

或能量稱為控制變量或操縱變量。

（4）干擾（擾動）除控制變量（操縱變量）以外，作用于對象并引起被控變量變

化的一切因素稱為干擾。

（5）設（給）定值工藝規定被控變量所要保持的數值。

（6）偏差：偏差本應是設定值與被控變量的實際值之差。但能獲取的信息是被控變

量的測量值而非實際值，因此，在控制系統中通常把設定值與測量值之差定義為偏差。

2.2系統運行的基本要求

自動控制系統的（最）基本要求是系統運行必須是穩定的

反饋是控制系統的輸出（即被控變量）通過測量變送返回到控制系統的輸入端，并

與設定值比較的過程。

若反饋的結果是使系統的輸出減小，則稱為負反饋

若反饋的結果是使系統的輸出增加，則稱為正反饋

工業控制系統一般情況下都應為負反饋。

閉環與開環

閉環——系統的輸出被反饋到輸入端并與設定值進行比較的系統稱為閉環系統，此

時系統根據設定值與測量值的偏差進行控制，直至消除偏差

開環——系統的輸出沒有被反饋回輸入端，執行器僅只根據輸入信號進行控制的系

統稱為開環系統，此時系統的輸出與設定值與測量值之間的偏差無關

要實現自動控制，系統必須閉環。

閉環控制系統穩定運行的必要條件是負反饋

正作用與反作用（如何保證系統是負反饋的？）

1、輸出信號隨輸入信號的增加而增加的環節稱為正作用環節

2、輸出信號隨輸入信號的增加而減小的環節稱為反作用環節

例如：對于調節器來說，測量值增大，輸出增大，稱為正作用調節器

3、能否構成負反饋系統和系統中各環節的特性有關

由于被控對象和執行器的特性是由實際的工藝現場條件決定的，所以應當通過控制

器的正、反作用特性來滿足系統負反饋的要求。

2.3控制系統的分類

1）按被控變量對操作變量的影響分

閉環控制系統——如：反饋控制

開環控制系統——如：前饋控制

2）按補償干擾的方法分

反饋

干擾f（t）-被控變量-調節器-操作變量-補償干擾

前饋

干擾f（t）T變送器-＞補償器—操作變量7補償干擾

反饋+前饋

3）按設定值的特點區分

定值控制系統一一設定值是由工藝要求給出的不變常數

通常要求被控變量盡量與設定值保持一致。

隨動控制系統一一設定值隨時間不斷發生變化

通常要求被控變量盡可能地與設定值一起變化。

教材中的程序控制事實上可以理解為隨動控制

4）按控制系統的復雜程度區分

簡單控制系統復雜控制系統

5）按控制變量的名稱區分

溫度控制系統壓力控制系統……

6）按調節規律區分

P、PLPD、PID、預估控制...

2.4過渡過程和品質指標

（1）靜態（穩態）和動態

控制系統的作用：盡可能使被控變量與設定值保持一致（或隨設定值一起變化），

當被控變量受干擾影響而偏離設定值時，控制作用必須驅使被控變量回到設定值

靜態一一被控變量不隨時間變化的平衡狀態（變化率為0,不是靜止）。

如果控制系統是穩定的，假設設定值和干擾都保持不變，經過足夠長的時間，控制

系統中各參數必然會到達一個"相對”平衡狀態，這種狀態就是所謂的“靜態”，在控制領

域中更多的稱之為“穩態

靜態”是物料、能量、傳熱、傳質、化學反應速度等平衡關系的最終體現。

很明顯，單純用“靜態”的概念來衡量控制系統的品質指標是不充分的。

動態一一被控變量隨時間變化的不平衡狀態。

如果系統原來處于相對平衡狀態（靜態），當出現干擾使被控變量發生變化，此時

控制系統發生作用，調節器根據偏差及其偏差的變化情況，改變調節器輸出，再經執行

器改變操縱變量，使被控變量重新回到設定值來，這么一個從干擾發生、系統控制、直

到重新建立平衡的過程稱為“動態”過程。

工藝設計主要圍繞系統“靜態”特性開展工作

自動控制主要是在“靜態”特性基礎上研究其“動態”特性

一—當系統失去平衡以后，如何使系統重新回到平衡狀態

（2）過渡過程

過渡過程：受到干擾作用后系統失穩，在控制系統的作用下，被控變量回復到新的

平衡狀態的過程。

在分析和設計控制系統時，往往選定階躍信號作為輸入。

階躍干擾：在某一瞬間10干擾突然階躍式地加入系統，并保持在這個幅值。階躍干

擾比較突然、比較危險、對控制系統的影響也最大、且容易產生階躍干擾。

對于一個控制系統，如果能有效克服階躍干擾，肯定能很好地克服其它變化比較緩

和的各種干擾。

幾種典型的過渡過程：

非周期衰減過程Y

衰減振蕩過程4

等幅振蕩過程：一般是不允許的除開關量控制回路

發散振蕩過程x

單調發散過程x

（3）過渡過程的品質指標

通常要評價和討論一個控制系統性能優劣，其標準有二大類：

?以系統受到階躍輸入作用后的響應曲線的形式給出。主要包括：

最大偏差（超調量）、

衰減比

余差

過渡時間

振蕩周期（振蕩頻率）……

以誤差性能指標的形式給出，一般指偏差對某個函數的積分。主要包括:

平方誤差積分指標

時間乘平方誤差積分指標

絕對誤差積分指標

時間乘絕對誤差積分指標

當這些值達到最小值的系統是某種意義下的最優系統。

影響過渡過程的主要因素？

固定因素：對象特性

測量儀表特性

執行器特性

補償因素：控制器特性——這是自動控制的主要研究內容

以誤差性能指標的形式給出

2

/]=fe(t)dt

?平方誤差積分指標J0

2

?時間乘平方誤差的積分指標J2=\^te(t)dt

J0

/?oc

?絕對誤差積分指標J.=|e(t)|dt

Jo

?時間乘絕對誤差積分指標roo

11e。)|dt

J0

優呢耨隔髭略：J->min

［教學目的要求］:

1、了解對象的數學模型的建立

2、掌握對象的三個特性參數及其意義

［教學重點］:對象的數學模型的建立

［教學難點］:對象的三個特性參數及其意義

［教學時數］:3

I教學內容］:

第三章被控對象的數學模型

3.1被控對象特性及其對過渡過程的影響

對象特性——是指對象輸入量與輸出量之間的關系（數學模型）

即對象受到輸入作用后，被控變量是如何變化的、變化量為多少

輸入量？？控制變量+各種各樣的干擾變量

由對象的輸入變量至輸出變量的信號聯系稱為通道

控制變量至被控變量的信號聯系通道稱控制通道

干擾至被控變量的信號聯系通道稱干擾通道

對象輸出為控制通道輸出與各干擾通道輸出之和

1.數學模型的表示方法：

參量模型：通過數學方程式表示

常用的描述形式：微分方程(組)*、傳遞函數*、頻率特性等

參量模型的微分方程的一般表達式：

(m)

/)⑺+(。+…+qy'⑺+⑺=bmx(/)+...+4％'(。+

y(t)表示輸出量，x(t)表示輸入量，通常輸出量的階次不低與輸入量的階次(nNm)

當n=m時，稱對象是正則的；當n>m時，稱對象是嚴格正則的；n<m的對象是不

可實現的。通常n=l,稱該對象為一階對象模型；n=2,稱二階對象模型。

非參量模型：采用曲線、表格等形式表示。

特點：形象、清晰，缺乏數學方程的解析性質(必要時須進行數學處理獲得參量模型)。

建模的方法：機理建模、實驗建模、混合建模

機理建?！鶕锪?、能量平衡、化學反應、傳熱傳質等基本方程，從理論上來

推導建立數學模型。

由于工業對象往往都非常復雜，物理、化學過程的機理一般不能被完全了解，而且

線性的并不多，再加上分布元件參數(即參數是時間與位置的函數)較多，一般很難完

全掌握系統內部的精確關系式。另外，在機理建模過程中，往往還需要引入恰當的簡化、

假設、近似、非線性的線性化處理等，而且機理建模也僅適用于部分相對簡單的系統。

實驗建?！谒芯康膶ο笊希藶榈氖┘右粋€輸入作用，然后用儀表記錄表

征對象特性的物理量隨時間變化的規律，得到一系列實驗數據或曲線。這些數據或曲線

就可以用來表示對象特性。

這種應用對象輸入輸出的實測數據來決定其模型的方法，通常稱為系統辨識。其主

要特點是把被研究的對象視為一個黑箱子，不管其內部機理如何，完全從外部特性上來

測試和描述對象的動態特性。有時，為進一步分析對象特性，可對這些數據或曲線進行

處理，使其轉化為描述對象特性的解析表達式。

混合建?！獙C理建模與實驗建模結合起來，稱為混合建模。

混合建模是一種比較實用的方法，它先由機理分析的方法提出數學模型的結構形

式，把被研究的對象視為一個灰箱子，然后對其中某些未知的或不確定的參數利用實驗

的方法給予確定。這種在已知模型結構的基礎上，通過實測數據來確定數學表達式中某

些參數的方法，稱為參數估計

3.2.對象機理數學模型的建立

問題：處于平衡狀態的對象加入干擾以后，不經控制系統能否自行達到新的平衡狀態？

上圖：假設初始為平衡狀態qi=q。，水箱水位保持不變。

當發生變化時(qi>qo)，此時水箱的水位開始升高

根據流體力學原理，水箱出口流量與H是存在一定的對應關系的：q°=H/R

因此，qlnHTnqoT,直至qi=qo可見該系統受到干擾以后，即使不加控制，最

終自身是會回到新的平衡狀態，這種特性稱為“自衡特性

下圖：如果水箱出口由泵打出，其不同之處在于：qi當發生變化時，q。不發生變化。如

果qi>qo，水位H將不斷上升，直至溢出，可見該系統是無自衡能力。

絕大多數對象都有自衡能力，一般而言有自衡能力的系統比無自衡能力的系統容易

控制。

?一階線性對象

問題：求右圖所示的對象模型(輸入輸出模型)

解：該對象的輸入量為qi被控變量為液位h

根據物料平衡方程：該對象的輸入量為qi被控變量為液位h

單位時間內水槽體積的改變=輸入流量一輸出流量

"=q「qVUA也

dt%〃產Adt=q[q°

由于出口流量可以近似地表示為：a=—所以A-=q.--

4。Rdt1R

dh/、

=T一+h=Kq(T=AR,K=R)(i)

記/=%+△〃(除%。為平衡狀態的值)由于有%=K-％o也=0

l0=0o+Mdt

n卜△/?=K?(ii)

dt

⑴式是針對完全量的輸入輸出模型，（ii）式是針對變化量的輸入輸出模型，二者的結

構形式完全相同。由于在控制領域中，特性的分析往往是針對變化量而言的，為了書寫

方便在以后的表達式中不寫出變化量符號。

rj-f?！骶虐薐TyTAZ\

=T——FA/z=K?\qi(n)

K——放大系數，在階躍輸入作用下，對象輸出達

到新的穩定值時，輸出變化量與輸入變化量

之比，也稱靜態增益。K越大，表示輸入量

對輸出量的影響越大。

T——時間常數，在階躍輸入作用下，對象輸出達

到最終穩態變化量的63.2%所需要的時間，

時間常數T是反映響應變化快慢或響應滯后

?二階線性對象

問題：求右圖所示的對象模型（輸入輸出模型）。

解該對象的輸入量為qi被控變量為液位h2（同樣利用物料平衡方程）

槽1人叫

4了=…

槽2,dh,

A~r二%一％

at

聯立方程求解：

dk

A%犍2~r+(痂A+R2A2)工+4=&?夕,

5術+4F)丸+3K?伸(1=4用n=&&K=&)

二階線性對象（總結）

典型的微分二階線性對象（總結）方程

典型的傳遞函數_______________________________________________________

“2（s）_KK

2（s）一刀7>。+（7；+7；）5+1-（7；5+1）（7>+1）

典型的階躍響應函數

%?）=Ka[l+滔——J瓦]

-T2-TyT「T\

典型的階躍響應曲線

3.3.對象模型的三個基本參數：K、T、T

K對過渡過程的影響

階躍輸入作用下，對象輸出達到新的穩定值時，輸出變化量與輸入變化量之比，稱

為靜態增益（輸出靜態變化量與輸入靜態變化量之比）。

Af

Au△y

，廣義對象

控制通道放大系數K=包

°

Ko越大=控制變量Au對被控變量Ay的影響越靈敏=控制能力強

冷越大=干擾Af對被控變量Ay的影響越靈敏。

在設計控制系統時，應合理地選擇KO使之大些，抗干擾能力強，太大會引起系

統振蕩。

T對過渡過程的影響

時間常數：在階躍輸入作用下，對象輸出達到最終穩態變化量的63.2%所需要的時

時間常數T是反映響應變化快慢或響應滯后的重要參數。用T表示的響應

滯后稱阻容滯后（容量滯后），T大反應慢，難以控制；T小反應塊。

控制通道To大n響應慢、控制不及時、過渡時間tp長、超調量G大

控制通道To小=響應快、控制及時、過渡時間tp短、超調量。小

控制通道To太小n響應過快、容易引起振蕩、降低系統穩定性。

干擾通道的時間常數對被控變量輸出的影響也是相類似的。

一般情況希望To小些，但不能太小，Tf大些

T對過渡過程的影響

產生純滯后的原因：物料輸送等中間過程產生時間常數對象所表現出來的等效純滯

后。

物料輸送產生的純滯后比較容易理解，實際對象由于多容的存在也會使響應速度變

慢，尤其是初始響應被大大延遲，在動態特性上也可近似作為純滯后看待。事實上，廣

義等效的等效純滯后就包括了以上二個部分之和。

控制通道純滯后t對控制肯定不利，純滯后增大n控制質量惡化、超調量o大

干擾通道的純滯后對系統響應影響不大，因為干擾本身是不確定的，可以在任何時

間出現。

在工藝設計時，應盡量減少或避免純滯后時間。如：簡化工藝、減少不必要的環節,

以利于減少控制通道的滯后時間，在選擇控制閥與檢測點的安裝位置時，應選取靠近控

制對象的有利位置。

［教學目的要求］:

1、了解霍爾片式力矩平衡式壓力計的工作原理

2、掌握彈簧官壓力計的工作原理、差壓式流量計的工作原理、壓力表的選擇和安裝

［教學重點］:霍爾片式力矩平衡式壓力計的工作原理

［教學難點］:彈簧官壓力計的工作原理、差壓式流量計的工作原理、壓力表的選擇和安

裝

［教學時數］:6

［教學內容］:

第4章檢測儀表及傳感器

4.1概述

4.1.1檢測過程與測量誤差

（1）檢測過程與測量誤差

檢測過程參數檢測就是用專門的技術工具，依靠能量的變換、實驗和計算找到被測

量的值。

參數檢測的基本過程

傳感器又稱為檢測元件或敏感元件，它直接響應被測變量，經能量轉換并轉化成一

個與被測變量成對應關系的便于傳送的輸出信號，如mV、V、mA、Q、Hz、位移、力

:、于O

由于傳感器的輸出信號種類很多，而且信號往往很微弱，一般都需要經過變送環節

的進一步處理，把傳感器的輸出轉換成如。?10mA、4?20mA等標準統一的模擬量信

號或者滿足特定標準的數字量信號，這種檢測儀表稱為變送器。

有些時候，傳感器可以不經過變送環節，直接通過顯示裝置把被測量顯示出來。

測量誤差--------------

測量誤差——儀表測得的測量值與被測真值之差△=Xi-Xt

由于真值在理論上是無法真正被獲取的，因此，測量誤差就是指檢測儀表（精度較

低）和標準表（精度較高）在同一時刻對同一被測變量進行測量所得到的2個讀數之差.

即：

A=x.-X。

zx0~~標準表讀數

測量誤差的幾種表示形式：

絕對誤差

實際相對誤差

標稱相對誤差

相對百分誤差

檢測儀表的主要性能指標

儀表的精確度一臺測量范圍0?lOOOkPa的壓力測量儀表，其最大絕對誤差

lOkPa（在整個量程范圍內），另一臺測量范圍0?400kPa的壓力測量儀表，其最大絕對誤

差5kPa,請問哪一臺壓力檢測儀表的精度更高？

（2）檢測儀表的主要性能指標

儀表的精確度一臺測量范圍0?lOOOkPa的壓力測量儀表，其最大絕對誤差

lOkPa（在整個量程范圍內），另一臺測量范圍0?400kPa的壓力測量儀表，其最大絕對誤

差5kPa,請問哪一臺壓力檢測儀表的精度更高？

雖然后者的最大絕對誤差較小，但這并不說明后者較前者精度高。

在自動化儀表中，通常是以最大相對百分誤差來衡量儀表的精確度，定義儀表的精

度等級。

由于儀表的絕對誤差在測量范圍內的各點上是不相同的，因此在工業上通常將絕對

誤差中的最大值，即把最大絕對誤差折合成測量范圍的百分數表示，稱為最大相對百分

、口辛

1天差：

§二取大g?乏差=_^max_*100%

里程/ax—%min

儀表的精度等級（精確度等級）是指儀表在規定的工作條件下允許的最大相對百分

誤差。

檢測儀表的主要性能指標

儀表的精確度等級

儀表的精度等級（精確度等級）是指儀表在規定的工作條件下允許的最大相對百分

誤差。

把儀表允許的最大相對百分誤差去掉“土”號和“％”號,便可以用來確定儀表的精度等級。

目前，按照國家統一規定所劃分的儀表精度等級有：

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

所謂的0.5級儀表，表示該儀表允許的最大相對百分誤差為±0.5%,以此類推。

精度等級一般用一定的符號形式表示在儀表面板上：

儀表的精度等級是衡量儀表質量優劣的重要指標之一。

精度等級數值越小，表示儀表的精確度越高。

精度等級數值小于等于0.05的儀表通常用來作為標準表，而工業用表的精度等級數

值一般大于等于0.5,

非線性誤差在通常情況下，總是希望測量儀表的輸出量和輸入量之間呈線性對應關

系。測量儀表的非線性誤差就是用來表征儀表的輸出量和輸入量的實際對

應關系與理論直線的吻合程度。

通常非線性誤差用實際測得的輸入一輸出特性曲線（也稱為校準曲線）

與理論直線的之間的最大偏差和測量儀表量程之比的百分數來表示：

再-------------迺-----------x100%

測量范圍上限一測量范圍下限

X*?

彝

壬

N

被測變量

變差

在外界條件不變的情況下，使用同一儀表對被測變量在全量程范圍內進行正反行程

即逐漸由小到大和逐漸由大到小）測量時，對應于同一被測值的儀表輸出可能不等，二

者之差的絕對值即為變差。變差的大小，根據在同一被測值下正反特性間儀表輸出的最

大絕對誤差和測量儀表量程之比的百分數來表示：

儀

表

輸

出

靈敏度和分辨力

靈敏度是表征檢測儀表對被測量變化的靈敏程度，它是指儀表輸出變化量和輸入變

化量之比，即靈敏度=Ay/Ax

分辨力又稱為靈敏限，是儀表輸出能響應和分辨的最小輸入變化量，它也是靈敏度

的一種反映。對數字式儀表來說，分辨力就是數字顯示儀表變化一個LSB（二進制最低

有效位）時輸入的最小變化量

動態誤差相對百分誤差、非線性誤差、變差都是穩態（靜態）誤差。

動態誤差是指檢測系統受外擾動作用后，被測變量處于變動狀態下儀表示

值與參數實際值之間的差異。

引起該誤差的原因是由于檢測元件和檢測系統中各種運動慣性以及能量形

式轉換需要時間所造成的。

衡量各種運動慣性的大小，以及能量傳遞的快慢常采用時間常數T和傳遞滯

后時間（純滯后時間）T兩個參數表示（這兩個參數的含義與上一章中對象數學模

型中的時間常數T和純滯后時間T的數學含義是一致的）

它們的存在會降低檢測過程的動態性能，其中純滯后時間T的不利影響會遠

遠超過時間常數T的影響。

4.2壓力檢測及變送器

4.2.1彈性式壓力檢測

彈性式壓力檢測是用彈性元件把壓力轉換成彈性元件位移的一種檢測方法

波紋膜波紋管

膜片受壓力作用產生位移，可直接帶動傳動機構指示。但是膜片的位移較小，

靈敏度低，指示精度不高，一般為2.5級。膜片更多的是和其他轉換元件合

起來使用，通過膜片和轉換元件把壓力轉換成電信號；

波紋管的位移相對較大，一般可在其頂端安裝傳動機構，帶動指針直接讀數。其

特點是靈敏高（特別是在低壓區），常用于檢測較低的壓力（1.0~106Pa）,

但波紋管遲滯誤差較大，精度一般只能達到1.5級；

彈簧管結構簡單、使用方便、價格低廉，它使用范圍廣，測量范圍寬，可以測量

負壓、微壓、低壓、中壓和高壓，因此應用十分廣泛。根據制造的要求，儀

表精度最高可達0.15級。

（1）彈簧管和彈簧管壓力表

彈簧管是橫截面呈非圓形（橢圓形或扁圓形），彎成圓弧狀（中心角常為270°）的

空心管子。管子的一端為封閉，另一端為開口。閉口端作為自由端，開口端作為固定端。

被測壓力介質從開口端進入并充滿彈簧管的整個內腔，由于彈簧管的非圓橫截面，

使它有變成圓形并伴有伸直的趨勢而產生力矩，其結果使彈簧管的自由端產生位移，同

時改變其中心角。位移量(中心角改變量)和所加壓力有如下的函數關系：

△eDI-//2R"b2aw桃徨v

----=Px———x——(1k)----------r口J推伶---OCp\

%Ebha2p+K2|%|

式中00為彈簧管中心角的初始角；△0為受壓后中心角的改變量；R為彈簧管彎曲

圓弧的外半徑；h為管壁厚度；a、b為彈簧管橢圓形截面的長、短半軸

彈簧管自由端B的位移量一般很小，需要通過放大機構才能指示出來，為了加大彈

簧管自由端的位移量，也可采用多圈彈簧管，其原理與單圈彈簧管相似。

單圈彈簧管壓力表是工業現場使用最普遍的就地指示式壓力檢測儀表xa皿接方

輸出的彈簧管壓力表)

彈簧管壓力表結構簡單-、使用方便、價格低廉、測量范圍寬，可以測量負壓、微壓、

低壓、中壓和高壓

一般的工業用彈簧管壓力表的精度等級為1.5級或2.5級，但根據制造的要求，其

精度等級最高可達0.15級。

(2)膜盒式差壓變送器

膜盒式差壓變送器構成

工作原理：力矩平衡

檢測元件——膜盒或膜片

杠桿系統則有單杠桿、雙杠桿和矢量機構

DDZ-IH型差壓變送器

檢測部分：輸入力R

杠桿系統：力的傳遞和力矩比較，生成位移信號

位移檢測放大器：位移一輸出lo

電磁反饋裝置：輸出一反饋力Ff

(3)電容式差壓變送器

電容式差壓變送器采用差動電容作為檢測元件主要包括測量部件和轉換放大電路

兩部分

電容式差壓變送器測量原理

——差動電容測量原理

△P=0

Cii=Ci2=15pF

AP>0

AC=C-C,=M(-----------—)

Ci的電容量減小，；2"5S()+3

Ci2的電容量增大

Q二=KM

G2+C“So

4.2.2電氣式壓力檢測——應變片壓力/差壓變送器1_

利用金屬或半導體材料制成的電阻體的阻值可表示為：R=P飛

當電阻體受外力作用時，電阻體的長度、截面積或電阻率會發生變化，即其阻值也

會發生變化。這種因尺寸變化引起阻值變化稱為應變效應。

應變片多以金屬材料為主，一般和彈性元件一起使用。

應變筒的上端與外殼固定在一起，下端與不銹鋼密封膜片3緊密接觸，應變片rl

和r2用膠合劑貼緊在應變筒的外壁，與筒體之間不發生相對滑動.

rl沿應變筒軸向貼放，作為測量片：r2沿徑向貼放，作為溫度補償片。

圖中應變片〃、-2的靜態性能完全相同。當膜片受到外力作用時:彈性筒軸向受壓，使

應變片力產生軸向應變，阻值變小；而應變片/'2受到軸向壓縮，引起徑向拉伸，阻值

變大。實際上，-2的變化量比rl的變化量要小，/2的主要作用是溫度補償。

是應變片阻值變化量的測量電橋，圖中R3和R4是兩個阻值相等的精密固定電阻。

不受壓時n=r2=roR3=R4=r

U=(——&一+」一)E,不受壓時U=0

R3+64+弓

若應變片受壓，則：rl=rO+Arl；r2=rO+Ar2(Ari#△⑵

2嚏+例%二―p

U=」+-_)￡=V?—E0c

24+△/;+4+4q+2Aq+2A44/Q

(b)測量電橋

由此可見，由壓力作用時，”和，2一減一增，使電橋由較大的輸出；當環境溫度發

生變化時，”、，2同時增減，不影響電橋的平衡。如果儀表能把電橋輸出電壓Ui進一

步轉換為標準信號輸出，則該儀表即可稱為應變式壓力變送器。

結論：應變片式壓檢測儀表具有較大的測量范圍，被測壓力可達幾百MPa,并具有

良好的動態性能，適用于快速變化的壓力測量。但是，盡管測量電橋具有一定的溫度補

償的作用，應變片式壓力檢測儀表仍有比較明顯的溫漂和時漂，因此，這種壓力檢測儀

表較多地用于一般要求的動態壓力檢測，測量精度一般在0.5?1.0%左右。

——壓阻式（擴散硅）壓力/差壓變送器

因電阻率變化引起阻值變化稱為壓阻效應。半導體材料的壓阻效應比較明顯。

用作壓阻式傳感器的基片材料主要為硅片和錯片，由于單晶硅材料純、功耗小、滯后和

蠕變極小、機械穩定性好，而且傳感器的制造工藝和硅集成電路工藝有很好的兼容性，

以擴散硅壓阻傳感器作為檢測元件的壓力檢測儀表得到了廣泛的使用。

構成框圖：

調零電路

——-frb-

△P擴散硅壓前置

------?V—I轉換

阻傳感器放大器

檢測部分電磁放大部分

結論：

壓阻式壓力傳感器的主要優點是體積小，結構簡單，其核心部分就是一個既是彈性

元件又是壓敏元件的單晶硅膜片。擴散電阻的靈敏系數是金屬應變片的幾十倍，能直接

測量出微小的壓力變化。此外，壓阻式壓力傳感器還具有良好的動態響應，遲滯小，可

用來測量幾千赫茲乃至更高的脈動壓力。因此，這是一種發展比較迅速，應用十分廣泛

的一類壓力傳感器。

這種傳感器的缺點則是擴散電阻存在溫度效應，容易受環境溫度的影響，有些廠家

在傳感器組件中提供了若干校正用的溫度補償電路，甚至把放大轉換等電路集成在同一

塊單晶硅膜片上，從而可以大大提高傳感器的基本性能。

4.2.3智能型壓力變送器

4.2.4壓力檢測儀表的選用和安裝

——壓力檢測儀表的選用

三個方面——選用時應根據生產工藝對壓力檢測的要求、被測介質的特性、現場使用的

環境等條件本著節約的原則合理地考慮儀表的量程、精度、類型（材質）等。

⑴量程

儀表的量程是指該儀表可按規定的精確度對被測量進行測量的范圍

關鍵：根據被測參數的大小來確定，同時必須考慮到被測對象可能發生的異常超壓情況,

對儀表的量程選擇必須留有足夠的余地。

測量穩定壓力：最大工作壓力Pimax不超過上限值Pmax的3/4

測量脈動壓力：最大工作壓力Pimax不超過上限值Pmax的2/3

測量高壓壓力：最大工作壓力Pimax不超過上限值Pmax的3/5

最小工作壓力Pimin不低于上限值Pmax的1/3

儀表的量程等級：1、1.6、2.5、4.0>6.0kPa以及它們10n倍。

在選用儀表量程時，應采用相應規程或者標準中的數值。

⑵儀表精度

—根據生產允許的最大誤差來確定，即要求實際被測壓力允許的最大絕對誤差應

小于儀表的基本誤差。

—在選擇時應堅持節約的原則，只要測量精度能滿足生產的要求，就不必追求用

過高精度的儀表。

⑶儀表類型

正確選用儀表類型是保證儀表正常工作及安全生產的前提。主要應考慮以下幾個方面：

1.儀表的材料

壓力檢測（檢測儀表）的特點是壓力敏感元件往往要與被測介質直接接觸，因此在選擇

儀表材料的時候要綜合考慮儀表的工作條件。

例如：對腐蝕性較強的介質應使用像不銹鋼之類的彈性元件或敏感元件；

氨用壓力表則要求儀表的材料不允許采用銅或銅合金，因為氨氣對銅的腐蝕

性極強；

又如氧用壓力表在結構和材質上可以與普通壓力表完全相同，但要禁油，因為油

進入氧氣系統極易引起爆炸。

2.輸出信號類型

只需觀察壓力變化的,可選如彈簧管壓力表、液柱式壓力計那樣的直接指示型的儀

表；

如需將壓力信號遠傳到控制室或其他電動儀表,則可選用電氣式壓力檢測儀表或其他具

有電信號輸出的儀表；

如果要檢測快速變化的壓力信號,則可選用電氣式壓力檢測儀表，如壓阻式壓力傳感器;

如果控制系統要求能進行數字量通信,則可選用智能式壓力檢測儀表

3.使用環境

對爆炸性較強的環境，在使用電氣壓力儀表時，應選擇防爆型壓力儀表；對于溫度

特別高或特別低、環境溫度變化大的場合，應選擇使用溫度適當、溫度系數小小的敏感

元件以及其他變換元件。

上述選型原則也適用于差壓、流量、液位等其它檢測儀表的選型

——壓力檢測儀表的安裝

分三種情況介紹

一般壓力檢測儀表的安裝

特殊壓力檢測儀表的安裝（高溫、高壓、腐蝕等）

壓力變送器的安裝

一般壓力測量儀表的安裝

無論選用何種壓力儀表和采用何種安裝方式，在安裝過程中都應注意以下幾點：

1.壓力儀表必須經檢驗合格后才能安裝

2,壓力儀表的連接處，應根據被測壓力的高低和被測介質性質，選擇適當的材料作

為密封墊圈，以防泄漏

3.壓力儀表盡可能安裝在室溫，相對濕度小于80%,振動小，灰塵少，沒有腐蝕性

物質的地方，對于電氣式壓力儀表應盡可能避免受到電磁干擾

4.壓力儀表應垂直安裝。一般情況下，安裝高度應與人的視線齊平，對于高壓壓力

儀表，其安裝高度應高于一般人的頭部

5.測量液體或蒸汽介質壓力時，應避免液柱產生的誤差，壓力儀表應安裝在與取壓

口同一水平的位置上，否則必須對壓力儀表的示值進行修正

6.導壓管的粗細合適，一般為6?10mm,長度盡可能短，否則會引起測量遲緩

7.壓力儀表與取壓口之間應安裝切斷閥，以便維修

測量特殊介質時的壓力測量儀表安裝

1.測量高溫（60℃以上）流體介質的壓力時，為防止熱介質與彈性元件直接接觸，

壓力儀表之前應加裝U形管或盤旋管等形式的冷凝器，避免因溫度變化對測量精度和彈

性元件產生的影響。

2.測量高壓流體介質的壓力時，安裝時壓力儀表表殼應朝向墻壁或者無人通過之

處，以防發生以外。

3.測量腐蝕性介質的壓力時，除選擇具有防腐能力的壓力儀表之外，還應加裝隔離

裝置，利用隔離罐中的隔離液將被測介質和彈性元件隔離開來

4.測量波動劇烈（如泵、壓縮機的出口壓力）的壓力時，應在壓力儀表之前加裝針

形閥和緩沖器，必要時還應加裝阻尼器

5.測量粘性大或易結晶的介質壓力時，應在取壓裝置上安裝隔離罐，使罐內和導壓

管內充滿隔離液，必要時可采取保溫措施

6.測量含塵介質壓力時，最好在取壓裝置后安裝一個除塵器

總之，針對被測介質的不同性質，要采取相應的放熱、防腐、防凍、防堵和防塵等

措施

差壓變送器的安裝

三個方面的內容：取壓口的選擇引壓管的安裝變送器本身的安裝

差壓變送器取壓口的選擇

被測介質為液體時，取壓口應位于管道下半部與管道水平線成0~45°角內，目的是

保證引壓管內沒有氣泡，兩根引壓管內液柱產生的附加壓力可以相互抵消

被測介質為氣體時，取壓口應位于管道上半部與管道垂直中心線成。?45°角內，

其目的時為了保證引壓管中不積聚和滯留液體。

被測介質為蒸汽時，取壓口應位于管道上半部與管道水平線成0?45°角內。最常

見的接法是從管道水平位置接出，并分別安裝凝液罐，這樣兩根引壓管內部都充滿冷凝

液，而且液位高度相同。

差壓變送器引壓管的安裝

引壓管應按最短距離敷設，引壓管的彎曲處應該是均勻的圓角，曲率半徑一般不小

于引壓管外徑的10倍。引壓管的管路應保持垂直，或者與水平線之間不小于1:10的傾

斜度，必要時要加裝氣體、凝液、微粒收集器等設備，并定期排除收集物。

引壓管內徑與引壓管長度

引壓管內城、7!壓管<1.61.6~4.54.5~9

7-91013

水、水蒸氣、干氣體

濕氣體131313

低中粘度油品131925

臟液體252533

在測量液體介質時，變送器只能安裝在取樣口之上時，在引壓管的管路中應有排氣

裝置，如圖(a)所示，這樣，即使有少量氣泡，也不會對測量精度造成影響。

在測量氣體介質時，如果差壓變送器只能安裝在取樣口之下時，必須加裝如圖(b)所致的

貯液罐和排放閥，克服因滯留液對測量精度產生影響。

測量蒸汽時的引壓管管路則如圖⑹所示.

差壓變送器本身的安裝差壓變送器通常必須安裝切斷閥1、2和平衡閥3,構成三閥

組

X2

■一上■

1、2一切斷閥3—平衡閥

差壓變送器是用來測量差壓的，但如果正、負引壓管上的兩個切斷閥不能同時打開

或者關閉時，就會造成差壓變送器單向受很大的靜壓力，有時會使儀表產生附加誤差，

嚴重時會使儀表損壞。

為了防止差壓計單向受很大的靜壓力，必須正確使用平衡閥。

在啟用差壓變送器時，應先開平衡閥3,使正、負壓室連通，受壓相同，然后再打開切

斷閥1、2,最后再關閉平衡閥3,變送器即可投入運行。

差壓變送器需要停用檢修時，應先打開平衡閥，然后再關閉切斷閥1、2,

當切斷閥1、2關閉，平衡閥3打開時，即可以對儀表進行零點校驗。

4.3流量檢測及變送器

4.3.1差壓式流量計

差壓式流量計也稱為節流式流量計，它是目前工業生產過程中流量測量最成熟、最常

用的方法之一。

如果在管道中安置一個固定的阻力件，它的中間開一個比管道截面小的孔，當流體

流過該阻力件時，由于流體流束的收縮而使流速加快、靜壓力降低，其結果是在阻力件

前后產生一個較大的壓差。

壓差的大小與流體流速的大小有關，流速愈大，差壓也愈大，因此只要測出差壓就

可以推算出流速，進而可以計算出流體的流量。

(a)標準孔板(b)噴嘴

把流體流過阻力件使流束收縮造成壓力變化的過程稱節流過程，其中的阻力件稱為

節流件。

作為流量檢測用的節流件有標準的和特殊的兩種。

標準節流件包括標準孔板、標準噴嘴和標準文丘里管。

對于標準化的節流件，在設計計算時都有統一標準的規定、要求和計算所需的有關

數據及程序，可直接按照標準制造；安裝和使用時不必進行標定。

特殊節流件主要用于特殊介質或特殊工況條件的流量檢測，它必須用實驗方法單獨標

定。

相比而言，標準孔板制作最簡單，使用也最廣泛，以下只介紹標準孔板，

——節流原理

流動流體的能量有兩種形式：靜壓能和動能。流體由于有壓力而具有靜壓能，又由

于有流動速度而具有動能，這兩種形式的能量在一定條件下是可以相互轉化的。

——流量方程

根據流體力學中的伯努利方程，可以推導得出節流式流量計的流量方程，也就是差

壓和流量之間的定量關系式：

/二彘A）

qm=a￡^lp\p

a為流量系數e為可膨脹性系數

A0為節流件的開孔面積P為節流裝置前的流體密度

△P節流裝置前后實際測得的壓差

a主要與節流裝置的型式、取壓方式、流體的流動狀態（如雷諾數）和管道條件等

因素有關。因此，是一個影響因素復雜的綜合性參數，也是節流式流量計能否準確測量

流量的關鍵所在，雷諾數大于某一數值（界限雷諾數）時，a值可認為是一常數。對于

標準節流裝置，可以從有關手冊中查出；對于非標準節流裝置，其值要由實驗方法確定。

，可膨脹性系數用來校正流體的可壓縮性，它與節流件前后壓力的相對變化量、流

體的等燧指數等因素有關，其取值范圍小于等于1。對于不可壓縮性流體，￡=1;對于

可壓縮性流體，則應用時可以查閱有關手冊而得

9

)〃max

\沙—r

Pl〃3

—標準節流件（孔板）

節流裝置包括節流件、取壓裝置和符合要求的前后直管段

標準節流裝置是指節流件、取壓裝置都標準化，前后直管段符合規定要求，可以直接投

入使用

標準孔板，要求：

d/D應在0.2?0.75之間

d不小于12.5mm

直孔厚度h應在0.005D到0.02D之間

孔板的總厚度H應在h和0.05D之間

圓錐面的斜角a應在30?45°之間

標準噴嘴和標準文丘里管的結構參數的規定也可以查閱相關的設計手冊。

—標準取壓方式

國家規定標準的取壓方式有角接取壓、法蘭取壓和D—D/2取壓。

角接取壓