化工自动化备课笔记

1、.PAGE ：.；PAGE 96教学目的要求：1、了解何为(过程)自动化和自动化技术、自动化仪表的简要开展过程2、掌握如何来构筑一个控制系统 教学重点：自动化技术、自动化仪表的简要开展过程教学难点：如何来构筑一个控制系统教学时数：1教学内容：第一章 绪论1.1 何为(过程)自动化：从工艺的目光来看在工艺设备上，配备一些自动化安装，用它们来替代操作人员的部分直接劳动，使消费在不同程度上按照规定的要求自动地进展，也即：用自动化安装来管理设备消费过程，使之正常运转换一种说法所谓自动化是使工艺参数坚持在需求的值或者形状上，或者使消费过程按照一定的程序或者步骤运转，保证消费过程运转在最正确形状所谓“自动

2、控制是指运用自动化仪器仪表或自动控制安装替代人自动地对仪器设备或工业消费过程进展控制，使之有目的地修正被控对象的动力学行为，以到达预期的形状或满足预期的性能要求。为什么要实现自动控制？缘由一：替代人的劳动，减轻劳动强度，提高消费效率缘由二：炼油、化工、冶金、电力、生物、制药等工业过程的消费规模越来越向大型化、复杂化方向开展，各种类型的自动控制技术曾经成了现代工业消费实现平安、高效、优质、低耗的根本条件和重要保证 1.2 如何来构筑一个控制系统？ 进料口出料口H玻璃管液位计丈量仪表设定值控制器1.3自动化技术的简要开展过程1、控制实际的简要开展过程自动控制的本质：是指运用自动化仪器仪表、自动控制

3、安装替代人，自动地对仪器设备或工业消费过程进展控制，使之有目的地修正被控对象的动力学行为，以到达预期的形状或满足预期的性能要求控制问题的本质：就是要求基于对象内在的动力学本质和规律，运用适当的数学工具求取问题的解。 “控制这一概念本身即反映了人们对降服自然与外在的盼望，作为自动控制科学的中心的控制实际与技术也自然而然地在人们降服自然与改造自然的历史中开展起来。 2、经典控制实际1868年J.C. Maxwell为理处理蒸汽机调速器的精度和稳定性之间的矛盾，首先提出了微分方程模型和稳定性分析的数学方法，从微分方程角度讨论了调理器系统能够产生的不稳定景象，他所发表的“论调理器是目前比较公认的第一篇

4、控制实际论文。 1877年E.J. Routh和1895年A. Hurwitz发明性地提出了称为Routh，它是经典控制实际中最根底的稳定性分析工具之一。 1932年Nyquist提出了“Nyquist稳定性判据。1945年Bode建立了控制系统的频域设计方法Bode图法。之后，经过Wienner、Nichols等人的出色奉献，终于构成了经典的反响控制和频域实际，并于20世纪50年代趋于成熟经典控制实际建立在传送函数根底上的，主要针对线性定常、SISO对象，基于反响控制的主导思想，完成控制系统的镇定义务。经典控制实际最辉煌的成果首推PID控制规律，对于无时间延迟的SISO系统极为有效。直到目前

5、，在工业过程控制中依然被广泛运用。 90以上3、现代控制实际由于工业消费过程也向着大型化、延续化的方向开展。 导致a控制系统渐趋复杂： 在整体构造上，表现为非线性、不确定性、无穷维、多层次等； 在被处置的信息上，表现为信号的不确定性、随机性、不完全性等。b控制要求越来越高，除了实现单纯的稳定控制以外，控制器的设计往往还要追求最正确的性能要求 经典控制实际已无法满足处理多变量、非线性、不确定性以及最正确性能要求等问题的需求，这在客观上促使现代控制实际得以建立和开展。 4、经典控制实际和现代控制实际的关系对于经典控制实际、现代控制实际以及智能控制实际而言，并非意味着相互的否认和排斥，它们之间有着共

6、同开展、相互浸透、相互结合的开展关系。需求提出的是，在当今的过程控制领域中，几乎有90以上的控制回路依然沿用经典的PID控制算法或PID控制算法的变形，并可以获取比较称心的控制效果 5、仪表的简要开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、控制器三大类 控制器：常规调理器、智能调理器、计算机系统 6、自动化安装的简要开展过程1.4 本课程的主要知识点自动控制终究是一个什么“东西？不是名词解释 需求学习自控回路系统的组成、根本任务原理、如何评价自动质量怎样样来构建一个自动控制回路？ 需求学习构建自控回路的各环节的作用，各环节的特性对自控系统的影响，最

7、常用检测仪表、控制仪表的根本任务原理，如何选择适宜的自控设备仪表如何工程实施？ 即使一个象空调器温度控制那么简单的自动控制回路的实施？需求学习自动系统的设计、控制参数的整定更复杂的控制回路如何工程实施？计算机控制是什么一回事？怎样样来设计一个计算机控制系统？教学目的要求：1、了解自控系统的组成、自控系统的分类、系统运转的根本要求自动控制、系统的过渡过程和质量目的2、掌握方块图、管道及仪表流程教学时数：2教学重点：自控系统的组成、自控系统的分类、系统运转的根本要求自动控制、系统的过渡过程和质量目的教学难点：方块图、管道及仪表流程教学内容：第2章 自控系统根本概念2.1自控系统的组成 控制系统的

8、4 个根本环节： 被控对象、检测仪表(丈量变送环节)、控制器、执行器几个常用术语 ：1被控对象：需求实现控制的设备、机械或消费过程称为被控对象，简称对象。2被控变量：对象内要求坚持一定数值或按某一规律变化的物理量称为被控变量。3控制变量支配变量：受执行器控制，用以使被控变量坚持一定数值的物料或能量称为控制变量或支配变量。 4干扰扰动 除控制变量支配变量以外，作用于对象并引起被控变量变化的一切要素称为干扰。5设给定值 工艺规定被控变量所要坚持的数值。6偏向：偏向本应是设定值与被控变量的实践值之差。但能获取的信息是被控变量的丈量值而非实践值，因此，在控制系统中通常把设定值与丈量值之差定义为偏向。2

9、.2系统运转的根本要求 自动控制系统的最根本要求是系统运转必需是稳定的反响是控制系统的输出即被控变量经过丈量变送前往到控制系统的输入端，并与设定值比较的过程。假设反响的结果是使系统的输出减小，那么称为负反响假设反响的结果是使系统的输出添加，那么称为正反响工业控制系统普通情况下都应为负反响。 闭环与开环 闭环系统的输出被反响到输入端并与设定值进展比较的系统称为闭环系统，此时系统根据设定值与丈量值的偏向进展控制，直至消除偏向开环系统的输出没有被反响回输入端，执行器仅只根据输入信号进展控制的系统称为开环系统，此时系统的输出与设定值与丈量值之间的偏向无关调理器被控对象丈量变送安装+SP执行器要实现自动

10、控制，系统必需闭环。闭环控制系统稳定运转的必要条件是负反响正作用与反作用(如何保证系统是负反响的？ 1、输出信号随输入信号的添加而添加的环节称为正作用环节2、输出信号随输入信号的添加而减小的环节称为反作用环节例如：对于调理器来说，丈量值增大，输出增大，称为正作用调理器3、能否构成负反响系统和系统中各环节的特性有关 液位调理器液体储槽+SP执行器液位变送器由于被控对象和执行器的特性是由实践的工艺现场条件决议的，所以该当经过控制器的正、反作用特性来满足系统负反响的要求。 2.3控制系统的分类 1按被控变量对操作变量的影响分 闭环控制系统如：反响控制 开环控制系统如：前馈控制2按补偿干扰的方法分反响

11、调理器执行器对象传感器、变送器+SPxzeuqyf 干扰ft被控变量调理器操作变量补偿干扰 前馈前馈补偿器执行器对象传感器、变送器pqy干扰f 干扰ft变送器补偿器操作变量补偿干扰 反响+前馈 调理器执行器对象传感器、变送器+SPxzey干扰f变送器前馈补偿器+3按设定值的特点区分 定值控制系统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坚持一致。随动控制系统设定值随时间不断发生变化 通常要求被控变量尽能够地与设定值一同变化。 教材中的程序控制现实上可以了解为随动控制 4按控制系统的复杂程度区分简单控制系统 复杂控制系统5按控制变量的称号区分 温度控制系统 压力控制系统 6按

12、调理规律区分 P、PI、PD、PID、预估控制 2.4 过渡过程和质量目的 1静态稳态和动态控制系统的作用：尽能够使被控变量与设定值坚持一致或随设定值一同变化，当被控变量受干扰影响而偏离设定值时，控制造用必需驱使被控变量回到设定值静态被控变量不随时间变化的平衡形状变化率为0，不是静止。 假设控制系统是稳定的，假设设定值和干扰都坚持不变，经过足够长的时间，控制系统中各参数必然会到达一个“相对平衡形状，这种形状就是所谓的“静态，在控制领域中更多的称之为“稳态。 静态是物料、能量、传热、传质、化学反响速度等平衡关系的最终表达。 很明显，单纯用“静态的概念来衡量控制系统的质量目的是不充分的。 动态被控

13、变量随时间变化的不平衡形状。 假设系统原来处于相对平衡形状静态，当出现干扰使被控变量发生变化，此时控制系统发生作用，调理器根据偏向及其偏向的变化情况，改动调理器输出，再经执行器改动支配变量，使被控变量重新回到设定值来，这么一个从干扰发生、系统控制、直到重新建立平衡的过程称为“动态过程。工艺设计主要围绕系统“静态特性开展任务自动控制主要是在“静态特性根底上研讨其“动态特性 当系统失去平衡以后，如何使系统重新回到平衡形状2过渡过程过渡过程：遭到干扰作用后系统失稳，在控制系统的作用下，被控变量回复到新的平衡形状的过程。在分析和设计控制系统时，往往选定阶跃信号作为输入。阶跃干扰：在某一瞬间t0干扰忽然

14、阶跃式地参与系统，并坚持在这个幅值。 阶跃干扰比较忽然、比较危险、对控制系统的影响也最大、且容易产生阶跃干扰。对于一个控制系统，假设能有效抑制阶跃干扰，一定能很好地抑制其它变化比较缓和的各种干扰。几种典型的过渡过程： 非周期衰减过程 衰减振荡过程 等幅振荡过程：普通是不允许的除开关量控制回路发散振荡过程 单调发散过程 3过渡过程的质量目的 通常要评价和讨论一个控制系统性能优劣，其规范有二大类： 以系统遭到阶跃输入作用后的呼应曲线的方式给出。主要包括： 最大偏向超调量、 衰减比 余差 过渡时间 振荡周期振荡频率 以误差性能目的的方式给出，普通指偏向对某个函数的积分。主要包括： 平方误差积分目的

15、时间乘平方误差积分目的 绝对误差积分目的 时间乘绝对误差积分目的当这些值到达最小值的系统是某种意义下的最优系统。振荡周期？影响过渡过程的主要要素?固定要素：对象特性 丈量仪表特性 执行器特性补偿要素：控制器特性这是自动控制的主要研讨内容以误差性能目的的方式给出平方误差积分目的时间乘平方误差的积分目的绝对误差积分目的时间乘绝对误差积分目的优化控制的战略：教学目的要求：1、了解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

16、指对象输入量与输出量之间的关系(数学模型)即对象遭到输入作用后，被控变量是如何变化的、变化量为多少 输入量？控制变量各种各样的干扰变量由对象的输入变量至输出变量的信号联络称为通道控制变量至被控变量的信号联络通道称控制通道干扰至被控变量的信号联络通道称干扰通道 控制通道干扰通道干扰变量控制变量被控变量被控对象对象输出为控制通道输出与各干扰通道输出之和 1. 数学模型的表示方法： 参量模型：经过数学方程式表示常用的描画方式：微分方程(组)*、传送函数*、频率特性等参量模型的微分方程的普通表达式： y(t)表示输出量，x(t)表示输入量，通常输出量的阶次不低与输入量的阶次(nm)当n=m时，称对象是

17、正那么的；当nm时，称对象是严厉正那么的；nm的对象是不可实现的。通常n=1，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：采用曲线、表格等方式表示。特点：笼统、明晰，缺乏数学方程的解析性质必要时须进展数学处置获得参量模型。 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、化学反响、传热传质等根本方程，从实际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、化学过程的机理普通不能被完全了解，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，普通很难完全掌握系统内部的准确关系式。另外，在机理建模过程中，往往还需求引入恰当的简化、假设、近

18、似、非线性的线性化处置等，而且机理建模也仅适用于部分相对简单的系统。 实验建模在所要研讨的对象上，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曲线。这些数据或曲线就可以用来表示对象特性。这种运用对象输入输出的实测数据来决议其模型的方法，通常称为系统辨识。其主要特点是把被研讨的对象视为一个黑箱子，不论其内部机理如何，完全从外部特性上来测试和描画对象的动态特性。有时，为进一步分析对象特性，可对这些数据或曲线进展处置，使其转化为描画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，称为混合建模。混合建模是一种比较适用的方法，它先由机理分

19、析的方法提出数学模型的构造方式，把被研讨的对象视为一个灰箱子，然后对其中某些未知的或不确定的参数利用实验的方法给予确定。这种在知模型构造的根底上，经过实测数据来确定数学表达式中某些参数的方法，称为参数估计3.2. 对象机理数学模型的建立 问题：处于平衡形状的对象参与干扰以后，不经控制系统能否自行到达新的平衡形状？ 上图：假设初始为平衡形状qi=qo，水箱水位坚持不变。 当发生变化时(qiqo)，此时水箱的水位开场升高根据流膂力学原理，水箱出口流量与H是存在一定的对应关系的： 因此，qi H qo，直至qi=qo可见该系统遭到干扰以后，即使不加控制，最终本身是会回到新的平衡形状，这种特性称为“自

20、衡特性。 以下图：假设水箱出口由泵打出，其不同之处在于：qi当发生变化时，qo不发生变化。假设qiqo ，水位H将不断上升，直至溢出，可见该系统是无自衡才干。绝大多数对象都有自衡才干，普通而言有自衡才干的系统比无自衡才干的系统容易控制。 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动输入流量 输出流量 由于出口流量可以近似地表示为： 所以 (i)式是针对完全量的输入输出模型，(ii)式是针对变化量的输入输出模型，二者的构造方式完全一样。由于在控制领域中，特性的分

21、析往往是针对变化量而言的，为了书写方便在以后的表达式中不写出变化量符号。 K放大系数，在阶跃输入作用下，对象输出到达新的稳定值时，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，对象输出到达最终稳态变化量的63.2所需求的时间，时间常数T是反映呼应变化快慢或呼应滞后的重要参数。用T表示的呼应滞后称阻容滞后容量滞后。 T大，反响慢，难以控制；T小，反响块。 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 槽1槽2联立方程求解：二阶线性对象总结典型的微分二阶线性

22、对象总结方程 典型的传送函数 典型的阶跃呼应函数典型的阶跃呼应曲线 qita不相关双容3.3. 对象模型的三个根本参数：K、T、 K 对过渡过程的影响 阶跃输入作用下，对象输出到达新的稳定值时，输出变化量与输入变化量之比，称为静态增益输出静态变化量与输入静态变化量之比。 u广义对象fy K其它参数不变控制通道放大系数 干扰通道放大系数 KO 越大 控制变量u对被控变量y的影响越灵敏 控制才干强Kf 越大 干扰f对被控变量y的影响越灵敏。在设计控制系统时，应合理地选择KO使之大些，抗干扰才干强，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，对象输出到达最终稳态变化量的6

23、3.2所需求的时间。T其它参数不变时间常数T是反映呼应变化快慢或呼应滞后的重要参数。用T表示的呼应滞后称阻容滞后容量滞后，T大反响慢，难以控制；T小反响块。 控制通道TO大 呼应慢、控制不及时、过渡时间tp长、超调量大控制通道TO小 呼应快、控制及时、过渡时间tp短、超调量小控制通道TO太小 呼应过快、容易引起振荡、降低系统稳定性。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。普通情况希望TO小些，但不能太小，Tf大些 对过渡过程的影响 产生纯滞后的缘由：物料保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。物料保送产生的纯滞后比较容易了解，实践对象由于多容的存在也会使呼应速度变慢，

24、尤其是初始呼应被大大延迟，在动态特性上也可近似作为纯滞后对待。现实上，广义等效的等效纯滞后就包括了以上二个部分之和。控制通道纯滞后对控制一定不利，纯滞后增大控制质量恶化、超调量大干扰通道的纯滞后对系统呼应影响不大，由于干扰本身是不确定的，可以在任何时间出现。在工艺设计时，应尽量减少或防止纯滞后时间。如：简化工艺、减少不用要的环节，以利于减少控制通道的滞后时间，在选择控制阀与检测点的安装位置时，应选取接近控制对象的有利位置。教学目的要求：1、了解霍尔片式力矩平衡式压力计的任务原理2、掌握弹簧官压力计的任务原理、差压式流量计的任务原理、压力表的选择和安装教学重点：霍尔片式力矩平衡式压力计的任务原理

25、教学难点：弹簧官压力计的任务原理、差压式流量计的任务原理、压力表的选择和安装教学时数：6教学内容：第4章 检测仪表及传感器4.1 概述4.1.1 检测过程与丈量误差 1检测过程与丈量误差检测过程 参数检测就是用专门的技术工具，依托能量的变换、实验和计算找到被丈量的值。被测变量传感器参数检测的根本过程被测对象变送器显示安装传感器又称为检测元件或敏感元件，它直接呼应被测变量，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、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，普通都需求经过变送环节的进一步处置，把传感器的输出转换成如010mA、42

26、0mA等规范一致的模拟量信号或者满足特定规范的数字量信号，这种检测仪表称为变送器。有些时候，传感器可以不经过变送环节，直接经过显示安装把被丈量显示出来。 丈量误差丈量误差仪表测得的丈量值与被测真值 之差由于真值在实际上是无法真正被获取的，因此，丈量误差就是指检测仪表精度较低和规范表精度较高在同一时辰对同一被测变量进展丈量所得到的2个读数之差。 即： x0规范表读数丈量误差的几种表示方式： 绝对误差 实践相对误差标称相对误差 相对百分误差检测仪表的主要性能目的仪表的准确度 一台丈量范围01000kPa的压力丈量仪表，其最大绝对误差10kPa(在整个量程范围内)，另一台丈量范围0400kPa的压力

27、丈量仪表，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检测仪表的主要性能目的仪表的准确度 一台丈量范围01000kPa的压力丈量仪表，其最大绝对误差10kPa(在整个量程范围内)，另一台丈量范围0400kPa的压力丈量仪表，其最大绝对误差5kPa， 请问哪一台压力检测仪表的精度更高？虽然后者的最大绝对误差较小，但这并不阐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准确度，定义仪表的精度等级。 由于仪表的绝对误差在丈量范围内的各点上是不一样的，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丈量范围的百分数表示，称为最大相对百分误差:仪表

28、的精度等级准确度等级是指仪表在规定的任务条件下允许的最大相对百分误差。 检测仪表的主要性能目的仪表的准确度等级 仪表的精度等级准确度等级是指仪表在规定的任务条件下允许的最大相对百分误差。把仪表允许的最大相对百分误差去掉“号和“号，便可以用来确定仪表的精度等级。目前，按照国家一致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，表示该仪表允许的最大相对百分误差为0.5，以此类推。精度等级普通用一定的符号方式表示在仪外表板上：1.0 仪表的精度等级是衡量仪表质量优劣的重要目的之一。精度等级数值越小，表

29、示仪表的准确度越高。精度等级数值小于等于0.05的仪表通常用来作为规范表，而工业用表的精度等级数值普通大于等于0.5。 非线性误差 在通常情况下，总是希望丈量仪表的输出量和输入量之间呈线性对应关系。丈量仪表的非线性误差就是用来表征仪表的输出量和输入量的实践对应关系与实际直线的吻合程度。 通常非线性误差用实践测得的输入输出特性曲线也称为校准曲线与实际直线的之间的最大偏向和丈量仪表量程之比的百分数来表示：被测变量仪表输出实际实践变 差在外界条件不变的情况下，运用同一仪表对被测变量在全量程范围内进展正反行程即逐渐由小到大和逐渐由大到小丈量时，对应于同一被测值的仪表输出能够不等，二者之差的绝对值即为变

30、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和丈量仪表量程之比的百分数来表示 ：被测变量仪表输出下行程上行程灵敏度和分辨力灵敏度是表征检测仪表对被丈量变化的灵敏程度，它是指仪表输出变化量和输入变化量之比，即 灵敏度y/x 分辨力又称为灵敏限，是仪表输出能呼应和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，被测变量处于变动形状下仪表示值与参数实践值之间的差别。引起该误差的缘由是由于检测元件和检测

31、系统中各种运动惯性以及能量方式转换需求时间所呵斥的。衡量各种运动惯性的大小，以及能量传送的快慢常采用时间常数T和传送滞后时间纯滞后时间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和纯滞后时间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，其中纯滞后时间的不利影响会远远超越时间常数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 平薄膜 波纹膜 波纹管 单圈弹簧管 多圈弹簧管膜 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，普通为2.5级。膜片更多

32、的是和其他转换元件合起来运用，经过膜片和转换元件把压力转换成电信号；波纹管 的位移相对较大，普通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1.0106Pa，但波纹管迟滞误差较大，精度普通只能到达1.5级；弹簧管 构造简单、运用方便、价钱低廉，它运用范围广，丈量范围宽，可以丈量负压、微压、低压、中压和高压，因此运用非常广泛。根据制造的要求，仪表精度最高可达0.15级。1弹簧管和弹簧管压力表 弹簧管是横截面呈非圆形椭圆形或扁圆形，弯成圆弧状中心角常为270的空心管子。管子的一端为封锁，另一端为开口。闭口端作为自在端，开口端作为固定端。被测压力介质从

33、开口端进入并充溢弹簧管的整个内腔，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在端产生位移，同时改动其中心角。位移量中心角改动量和所加压力有如下的函数关系： 可推得 式中0为弹簧管中心角的初始角；为受压后中心角的改动量；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、短半轴弹簧管自在端B的位移量普通很小，需求经过放大机构才干指示出来,为了加大弹簧管自在端的位移量，也可采用多圈弹簧管，其原理与单圈弹簧管类似。 单圈弹簧管压力表是工业现场运用最普遍的就地指示式压力检测仪表也有电接点输出的弹簧管压力表 弹簧管压力表构造简单、运用方便、价

34、钱低廉、丈量范围宽，可以丈量负压、微压、低压、中压和高压普通的工业用弹簧管压力表的精度等级为1.5级或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 P丈量部分Fi杠杆系统M放大器反响部分FfIo任务原理：力矩平衡 检测元件膜盒或膜片 杠杆系统那么有单杠杆、双杠杆和矢量机构 DDZ-III型差压变送器 P膜盒Fi杠杆系统M位移检测放大器电磁反响机构FfIo检测部分: P 输入力Fi 杠杆系统: 力的传送和力矩比较，生成位移信号 位移检测放大器: 位移 输出Io电磁反响安装: 输出反响力Ff3电容式差压变送器电容式差压变送器采用差动电容作为检

35、测元件 主要包括丈量部件和转换放大电路两部分差压电容膜盒电容-电流转换电路调零、零迁电路电流放大器反响电路pCIiIfIzIo丈量部分转换放大部分电容式差压变送器丈量原理 差动电容丈量原理 P=0 Ci1=Ci2=15pF P0 Ci1的电容量减小 Ci2的电容量增大 4.2.2 电气式压力检测应变片压力/差压变送器利用金属或半导体资料制成的电阻体的阻值可表示为： 当电阻体受外力作用时，电阻体的长度、截面积或电阻率会发生变化，即其阻值也会发生变化。这种因尺寸变化引起阻值变化称为应变效应。应变片多以金属资料为主，普通和弹性元件一同运用。r1r2123P(a)传感器1外壳 2弹性筒 3膜片应变筒的

36、上端与外壳固定在一同，下端与不锈钢密封膜片3严密接触，应变片r1和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。r1沿应变筒轴向贴放，作为丈量片；r2沿径向贴放，作为温度补偿片。 图中应变片r1、r2的静态性能完全一样。当膜片遭到外力作用时，弹性筒轴向受压，使应变片r1产生轴向应变，阻值变小；而应变片r2遭到轴向紧缩，引起径向拉伸，阻值变大。实践上，r2的变化量比r1的变化量要小，r2的主要作用是温度补偿。 是应变片阻值变化量的丈量电桥，图中R3和R4是两个阻值相等的精细固定电阻。不受压时 r1= r2=r0 R3=R4=r 假设应变片受压，那么：r1= r0+r1；r2= r0+

37、r2 (r1r2)UiEr1r2R3R4AB(b)丈量电桥由此可见，由压力作用时，r1和r2一减一增，使电桥由较大的输出；当环境温度发生变化时，r1、r2同时增减，不影响电桥的平衡。假设仪表能把电桥输出电压Ui进一步转换为规范信号输出，那么该仪表即可称为应变式压力变送器。 结论：应变片式压检测仪表具有较大的丈量范围，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丈量。但是，虽然丈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和时漂，因此，这种压力检测仪表较多地用于普通要求的动态压力检测，丈量精度普通在0.51.0左右。 压阻式分散硅压力/差压变送器

38、因电阻率变化引起阻值变化称为压阻效应。半导体资料的压阻效应比较明显。用作压阻式传感器的基片资料主要为硅片和锗片，由于单晶硅资料纯、功耗小、滞后和蠕变极小、机械稳定性好，而且传感器的制造工艺和硅集成电路工艺有很好的兼容性，以分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运用。 构成框图： 分散硅压阻传感器前置放大器调零电路VI转换PUSU01UZIO检测部分电磁放大部分结论：压阻式压力传感器的主要优点是体积小，构造简单，其中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。分散电阻的灵敏系数是金属应变片的几十倍，能直接丈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呼应，迟

39、滞小，可用来丈量几千赫兹乃至更高的脉动压力。因此，这是一种开展比较迅速，运用非常广泛的一类压力传感器。 这种传感器的缺陷那么是分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假设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，从而可以大大提高传感器的根本性能。4.2.3 智能型压力变送器4.2.4 压力检测仪表的选用和安装 压力检测仪表的选用 三个方面选用时应根据消费工艺对压力检测的要求、被测介质的特性、现场运用的环境等条件本着节约的原那么合理地思索仪表的量程、精度、类型材质等。 量程 仪表的量程是指该仪表可按规定的准确度对被丈量进展丈量的范围关键

40、：根据被测参数的大小来确定，同时必需思索到被测对象能够发生的异常超压情况，对仪表的量程选择必需留有足够的余地。 丈量稳定压力：最大任务压力Pimax不超越上限值Pmax的3/4 丈量脉动压力：最大任务压力Pimax不超越上限值Pmax的2/3 丈量高压压力：最大任务压力Pimax不超越上限值Pmax的3/5 最小任务压力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以及它们10n倍。 在选用仪表量程时，应采用相应规程或者规范中的数值。 仪表精度 根据消费允许的最大误差来确定，即要务虚际被测压力允许的最大绝对误差应小于仪表的根本误差。在选择时应坚

41、持节约的原那么，只需丈量精度能满足消费的要求，就不用追求用过高精度的仪表。 仪表类型正确选用仪表类型是保证仪表正常任务及平安消费的前提。主要应思索以下几个方面:1.仪表的资料 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，因此在选择仪表资料的时候要综合思索仪表的任务条件。例如：对腐蚀性较强的介质应运用像不锈钢之类的弹性元件或敏感元件； 氨用压力表那么要求仪表的资料不允许采用铜或铜合金，由于氨气对铜的腐蚀性极强； 又如 氧用压力表在构造和材质上可以与普通压力表完全一样，但要禁油，由于油进入氧气系统极易引起爆炸。 2. 输出信号类型只需察看压力变化的，可选如弹簧管压力表、液柱式

42、压力计那样的直接指示型的仪表；如需将压力信号远传到控制室或其他电动仪表，那么可选用电气式压力检测仪表或其他具有电信号输出的仪表；假设要检测快速变化的压力信号，那么可选用电气式压力检测仪表，如压阻式压力传感器；假设控制系统要求能进展数字量通讯，那么可选用智能式压力检测仪表3. 运用环境 对爆炸性较强的环境，在运用电气压力仪表时，应选择防爆型压力仪表；对于温度特别高或特别低、环境温度变化大的场所，应选择运用温度适当、温度系数小小的敏感元件以及其他变换元件。 上述选型原那么也适用于差压、流量、液位等其它检测仪表的选型压力检测仪表的安装 分三种情况引见 普通压力检测仪表的安装特殊压力检测仪表的安装高温

43、、高压、腐蚀等压力变送器的安装 普通压力丈量仪表的安装 无论选用何种压力仪表和采用何种安装方式，在安装过程中都应留意以下几点：1. 压力仪表必需经检验合格后才干安装2. 压力仪表的衔接处，应根据被测压力的高低和被测介质性质，选择适当的资料作为密封垫圈，以防走漏3. 压力仪表尽能够安装在室温，相对湿度小于80，振动小，灰尘少，没有腐蚀性物质的地方，对于电气式压力仪表应尽能够防止遭到电磁干扰4. 压力仪表应垂直安装。普通情况下，安装高度应与人的视野齐平，对于高压压力仪表，其安装高度应高于普通人的头部5. 丈量液体或蒸汽介质压力时，应防止液柱产生的误差，压力仪表应安装在与取压口同一程度的位置上，否那

44、么必需对压力仪表的示值进展修正6. 导压管的粗细适宜，普通为610mm，长度尽能够短，否那么会引起丈量缓慢7. 压力仪表与取压口之间应安装切断阀，以便维修 丈量特殊介质时的压力丈量仪表安装 1. 丈量高温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形管或盘旋管等方式的冷凝器，防止因温度变化对丈量精度和弹性元件产生的影响。2. 丈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无人经过之处，以防发生以外。 3. 丈量腐蚀性介质的压力时，除选择具有防腐才干的压力仪表之外，还应加装隔离安装，利用隔离罐中的隔离液将被测介质和弹性元件隔分开来4. 丈量动摇猛烈如

45、泵、紧缩机的出口压力的压力时，应在压力仪表之前加装针形阀和缓冲器，必要时还应加装阻尼器5. 丈量粘性大或易结晶的介质压力时，应在取压安装上安装隔离罐，使罐内和导压管内充溢隔离液，必要时可采取保温措施6. 丈量含尘介质压力时，最好在取压安装后安装一个除尘器总之，针对被测介质的不同性质，要采取相应的放热、防腐、防冻、防堵和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程度线成045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可以相互抵消4545(a)液体 4545(

46、b)气体 4545(c)蒸汽被测介质为气体时，取压口应位于管道上半部与管道垂直中心线成045角内，其目的时为了保证引压管中不积聚和滞留液体。 被测介质为蒸汽时，取压口应位于管道上半部与管道程度线成045角内。最常见的接法是从管道程度位置接出，并分别安装凝液罐，这样两根引压管内部都充溢冷凝液，而且液位高度一样。差压变送器引压管的安装引压管应按最短间隔 敷设，引压管的弯曲处应该是均匀的圆角，曲率半径普通不小于引压管外径的10倍。引压管的管路应坚持垂直，或者与程度线之间不小于1:10的倾斜度，必要时要加装气体、凝液、微粒搜集器等设备，并定期排除搜集物。 引压管内径与引压管长度被测介质1.61.64.

47、54.59水、水蒸气、干气体791013湿气体131313低中粘度油品131925脏液体252533 引压管内径 引压管 mm 长度 m在丈量液体介质时，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安装，如图(a)所示，这样，即使有少量气泡，也不会对丈量精度呵斥影响。在丈量气体介质时，假设差压变送器只能安装在取样口之下时，必需加装如图(b)所致的贮液罐和排放阀，抑制因滞留液对丈量精度产生影响。丈量蒸汽时的引压管管路那么如图(c)所示。 差压变送器本身的安装 差压变送器通常必需安装切断阀1、2和平衡阀3，构成三阀组+2131、2切断阀 3平衡阀差压变送器是用来丈量差压的，但假设正、负引

48、压管上的两个切断阀不能同时翻开或者封锁时，就会呵斥差压变送器单向受很大的静压力，有时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，必需正确运用平衡阀。在启用差压变送器时，应先开平衡阀3，使正、负压室连通，受压一样，然后再翻开切断阀1、2，最后再封锁平衡阀3，变送器即可投入运转。差压变送器需求停用检修时，应先翻开平衡阀，然后再封锁切断阀1、2。当切断阀1、2封锁，平衡阀3翻开时，即可以对仪表进展零点校验。 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为节流式流量计，它是目前工业消费过程中流量丈量最成熟、最常用的方法之一。假设在管道中安顿一个固定的阻

49、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，因此只需测出差压就可以推算出流速，进而可以计算出流体的流量。 (a) 规范孔板 (b) 喷嘴 把流体流过阻力件使流束收缩呵斥压力变化的过程称节流过程，其中的阻力件称为节流件。作为流量检测用的节流件有规范的和特殊的两种。规范节流件包括规范孔板、规范喷嘴和规范文丘里管。对于规范化的节流件，在设计计算时都有一致规范的规定、要求和计算所需的有关数据及程序，可直接按照规范制造；安装和运用时不用进展标定。特殊节

50、流件主要用于特殊介质或特殊工况条件的流量检测，它必需用实验方法单独标定。 相比而言，规范孔板制造最简单，运用也最广泛，以下只引见规范孔板， 节流原理 流动流体的能量有两种方式：静压能和动能。流体由于有压力而具有静压能，又由于有流动速度而具有动能，这两种方式的能量在一定条件下是可以相互转化的。 流量方程 根据流膂力学中的伯努利方程，可以推导得出节流式流量计的流量方程，也就是差压和流量之间的定量关系式： 为流量系数 为可膨胀性系数A0为节流件的开孔面积 为节流安装前的流体密度P节流安装前后实践测得的压差 主要与节流安装的型式、取压方式、流体的流动形状如雷诺数和管道条件等要素有关。因此，是一个影响要

51、素复杂的综合性参数，也是节流式流量计能否准确丈量流量的关键所在，雷诺数大于某一数值界限雷诺数时，值可以为是一常数。对于规范节流安装，可以从有关手册中查出；对于非规范节流安装，其值要由实验方法确定。可膨胀性系数用来校正流体的可紧缩性，它与节流件前后压力的相对变化量、流体的等熵指数等要素有关，其取值范围小于等于1。对于不可紧缩性流体，1；对于可紧缩性流体，那么1。运用时可以查阅有关手册而得123流速静压规范节流件(孔板) 节流安装包括节流件、取压安装和符合要求的前后直管段规范节流安装是指节流件、取压安装都规范化，前后直管段符合规定要求，可以直接投入运用 规范孔板，要求： d/D 应在0.20.75

52、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和0.05D之间 圆锥面的斜角应在3045之间 规范喷嘴和规范文丘里管的构造参数的规定也可以查阅相关的设计手册。 规范取压方式 国家规定规范的取压方式有角接取压、法兰取压和DD/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可以是环隙取压口和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采用单独钻孔取压时

53、，取压口的轴线应尽能够以90与管道轴线相交环隙宽度和单独钻孔取压口的直径 a 通常在410mm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，能得到较好的丈量精度，但是夹持环的加工制造和安装要求严厉。当管径D500mm时，普通采用单独钻孔取压。 环隙取压单独钻孔取压夹持环流体法兰取压和DD/2取压 DD/2取压安装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间隔 分为D和D/2D为管道的直径 l1l2法兰取压l1(D)l2(D/2)DD/2取压法兰取压安装是由一对带有取压口的法兰组成 取压口轴线间隔 孔板上、下端面均为25.4mm1英寸节流式流量计的安装 在各种规范

54、的节流安装中以规范孔板的运用最为广泛，它具有构造简单、安装运用方便的特点，适用于大流量的丈量。孔板的最大缺陷是流体流经节流件后压力损失较大，当工艺管路不允许有较大的压力损失时，普通不宜选用孔板流量计。规范喷嘴和规范文丘里管的压力损失较小，但构造比较复杂，不易加工。虽然节流式流量计的运用非常广泛，但是假设运用不当往往会出现很大的丈量误差，有时甚至高达1020。下面列举一些呵斥丈量误差的缘由，以便在安装运用过程中得到充分的留意，并予以适当的处理。 节流式流量计的运用特点和要求规范孔板运用广泛，它具有构造简单、安装方便的特点，适用于大流量的丈量。孔板丈量的压损大，当不允许有较大的管道压损时，便不宜采

55、用。在普通场所下，仍采用孔板为多。规范喷嘴和规范文丘里管的压力损失较孔板为小，但构造比较复杂，不易加工。规范节流安装仅适用于丈量管道直径大于50mm，雷诺数在104105以上的流体；流体该当清洁，充溢全部管道，不发生相变；为保证流体在节流安装前后为稳定的流动形状，在节流安装的上、下游必需配置一定长度的直管段与管径、节流件的开孔面积以及管路上的弯头数都有关系节流安装经过长时间的运用，会因物理磨损或者化学腐蚀，呵斥几何外形和尺寸的变化，从而引起丈量误差，因此需求及时检查和维修，必要时改换新的节流安装 节流式流量计误差产生的缘由实践工况与设计要求不符，如：温度、压力、湿度以及相应的流体重度、粘度、雷

56、诺数等参数数值发生变化，那么会呵斥较大的误差。为了消除这种误差，必需按新工艺重新设计计算，或加以必要的修正。节流安装安装不正确节流安装安装不正确，在安装时，特别要留意节流安装的安装方向。在运用中，要坚持节流安装的清洁。如在节流安装处防止有沉淀、结焦、堵塞等景象。节流安装的磨损，应留意日常检查、维修，必要时应换用新的孔板。导压管安装不正确，或有诸塞、渗漏景象，4.3.2 转子流量计 在工业消费中经常遇到小流量的丈量，因其流体的流速低，这就要求丈量仪表有较高的灵敏度，才干保证一定的精度。转子流量计特别适宜于丈量管径50mm以下管道的流量，丈量的流量可小到每小时几升。 h转子流量计主要由两个部分组成

57、：一是由下往上逐渐扩展的锥形管通常用透明玻璃制成二是放在锥形管内可自在运动的转子。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遭到向上的一个力，使其浮起。当这个力正好等于转子分量减去流体对转子的浮力，此时转子就停浮在一定的高度上。假设流体流量忽然由小变大时，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，转子在一个新的高度上重新平衡。这样，转子在锥形管中平衡位置的高低h与被测介质的流量大小相对应。 流量方程转子的平衡关系V为转子的体积；t和f分别

58、为转子和流体的密度；g为重力加速度；P为转子前后的压差；A为转子的最大截面积 转子和锥形管间的环隙面积相当于节流式流量计的节流孔面积，但它是变化的，并与转子高度h成近似的线性关系，因此，转子流量计的流量公式可以表示为： 流量与转子高度h成线性关系式中的其它参数为常数式中：为仪表常数；h为转子浮起的高度。 转子流量计的锥形管普通采用透明资料制成，在锥形管上刻有流量读数，用户只需根据转子高度来读取读数。转子流量计普通只适用于就地指示。对配有电远传安装的转子流量计，也可以把反响流量大小的转子高度h转换为电信号，传送到其它仪表进展显示、记录或控制。 流量修正由于转子流量计在消费的时候，是在工业基准形状

59、20，0.10133Mpa下用水或空气进展刻度的。假设任务形状不同，必需对流量指示值按照实践被测介质的密度、温度、压力等参数的详细情况进展修正。 液体流量丈量时的修正 假设某转子流量计的转子高度为h，假设介质为20的水，那么流量qv0与h的关系满足： 式中：qv0为用水标定时的流量刻度 w为水的密度 假设介质不是20的水，那么流量qvf与h的关系满足： qvf和f分别为被测介质的实践流量和密度 假设被测介质的粘度和水的粘度相差不大，可以近似以为是常数，那么有 刻度流量实践流量修正系数气体流量丈量时的修正 假设实践被测气体的密度为f，因此被测流体流量Qf与指示值Q0的关系是： 通常，气体流量需求

60、把它转化成工业基准形状T020293K，P01.0133105Pa 记被测时的压力和温度分别为：Pf、Tf，所以被测流体对应规范形状的体积流量为： 此时的密度f还是实践密度，由于丈量的困难，也需求把它转化成标态下的密度更为方便： 于是有修正公式 温度单位是绝对温标，压力为绝对压力。P0=1.0133*105Pa，T0=273K0 空气规范形状密度1.293kg/m3f0 被测介质规范形状密度Q0 显示流量 Qf0 实践流量规范形状 转子流量计的特点转子流量计主要适宜于检测中小管径、较低雷诺数的中小流量； 流量计构造简单，运用方便，任务可靠，仪表前直管段长度要求不高； 流量计的根本误差约为仪表量