大学课件-过程控制

过程控制系统ProcessControlSystem中国地质大学自动化学院2025年3月4日课程介绍课程名称

过程控制系统

ProcessControlSystem老师介绍

姓名：曹卫华联系方式：weihuacao@

电话：先修课程微机原理及接口技术，自动控制原理，检测技术等教材郭一楠，常俊林，赵峻等编著，过程控制系统，机械工业出版社，2013年主要参考书 李国勇，过程控制系统，电子工业出版社，2009

邵欲森，过程控制及仪表，上海交通大学出版社，2007

方康玲.过程控制系统，武汉理工大学出版社(第2版)，2007学时安排

3学分,48个学时，理论教学40学时，实验8学时。评分标准平时成绩，占总评成绩60%

其中：出勤40%，实验30%，作业30%

闭卷考试，占总评成绩40%

缺勤3次，将不能参加考试课程内容第1章绪论第2章被控过程特性及其数学模型第3章过程参数检测与变送仪表第4章执行器第5章仪表本安防爆技术第6章PID控制器设计及参数整定第7章复杂过程控制系统第8章先进过程控制系统第9章计算机过程控制系统第10章过程控制系统设计及应用实例过程控制系统在工业生产过程中，为保证生产安全，达到优质高产，提高经济效益和劳动生产率，节约能源，发送劳动条件和保护环境，必须对生产过程的各种参数，如温度、压力、流量、物位、粘度、湿度、酸碱度及各种物料的成分等进行自动控制。过程控制系统的主要任务：保持生产过程中各种参数处于期望的运行工况，安全经济运行，满意环境和质量的要求。应用领域：石油、化工、冶金、机械、电力、纺织、建材、材料、轻工及航空航天等工业部门。第1章绪论1.1典型过程控制问题1.2过程控制性能要求1.3过程控制系统组成1.4过程控制系统发展概况1.5过程控制系统的分类1.6本章小结1.1典型过程控制问题过程控制是指工业生产过程中连续的或按一定周期程序运行的生产过程自动化。过程是采用化学和物理方法将原料加工成产品的过程，涉及过程操作和设备运行两个方面。根据过程特性，可划分为连续、间歇两种形式。返回1.1典型过程控制问题1.1.1连续过程1.1.2间歇过程返回1.1.1连续过程连续过程：稳态条件下连续完成生产任务的生产过程。热交换器反应釜过程变量可划分为三类：被控量（ControlledVariable）：被控制的过程变量，如液位，温度等。被控量的期望值称为设定值。操作量（ManipulatedVariable）：用来保持被控量等于或接近设定值的过程变量。如液体输入流量，蒸汽量等。干扰量（DisturbanceVariable）：能够影响被控量的过程变量，往往与过程操作环境的变化有关，如环境温度，物料入口温度等。返回1.1.2间歇过程返回间歇与半间歇过程：存在一系列操作工序，无论发生在一个设备还是多个设备，都需要按照预定的顺序来执行，从而生产出指定数量的产品，适于产品频繁改变或产量较少情况。P2图1-2间歇过程（E1-E3为生产设备）说明：间歇过程在产品频繁改变用生产的数量很少时，能满足多产品生产所需的灵活性。间歇过程的核心在于如何保证在合格生产多个产品的同时使设备利用率最大。间歇过程用于微电子，制药，特殊化学和发酵工业等工业领域。P2表1-1连续过程与间歇过程之间的差别类型连续过程间歇过程生产过程按预定顺序进行连续生产设备的使用能生产多种产品任意组合生产给定的一种产品输出产品批量连续工艺条件可变化稳态、一般不变化返回过程控制系统的特点：生产过程的连续性：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，在密闭的设备中被控变量不断的受到各种扰动的影响。被控过程的复杂性：过程控制涉及范围广，被控对象较复杂控制方案的多样性：过程控制系统的控制方案非常丰富多为定值控制系统系统由过程检测控制仪表组成1.2过程控制性能要求过程控制要求在设定值发生变化或受到外界扰动作用时，被控量应能平稳、迅速和准确地趋近或回复到设定值。稳定性：首要指标。快速性：当控制系统受到干扰影响时，控制系统能尽快地做出响应，改变控制量，使被控量与设定值之间有偏差的时间尽可能短。准确性：控制系统的被控量与设定值之间的偏差，即静态偏差尽可能小。偏离度：被控量偏离设定值的离散程度。返回1.2过程控制性能要求1.2.1时域控制性能指标1.2.2积分控制性能指标返回1.2.1时域控制性能指标时域性能指标：阶跃输入信号作用下，控制系统输出响应曲线表示的控制系统性能指标。tOtsP3图1-3控制系统的时域控制性能指标n=1:1表明等幅振荡，临界稳定n>1:1表明衰减振荡，稳定n<1:1表明发散振荡，不稳定衰减比：控制系统的稳定性指标，衡量振荡过程的衰减程度，越大系统越稳定。衰减率：每经过一个周期后，波动幅度衰减的百分数，即为保证系统有足够的稳定度，通常取ψ=0.75或0.9（两周期后趋于稳定），随动系统n=10:1，定值系统n=4:1。超调量：表征过渡过程中被控量偏离设定值的超调程度，反映控制系统的稳定性。余差：过渡过程结束后被控量值与设定值间的最终稳态偏差。调节时间：ts，从被控量从过渡过程开始到进入稳态值±5%或±2%范围内的时间，衡量控制系统的快速性。偏离度：被控量的统计特性，通常遵循正态分布。若采用被控量的均值a作为设定值，则偏离度采用其标准差度量。均值=0；标准差=0.5均值=0；标准差=1P5图1-4控制系统的偏离度说明：上述各项性能指标相互联系又相互制约。同时满足系统各项性能指标要求是很困难的。应根据生产工艺的具体要求，分清主次，统筹兼顾，保证优先满足主要的性能指标。返回1.2.2积分控制性能指标偏差的积分性能指标也可衡量控制系统的性能，是系统的综合性能指标，常用于分析系统的动态响应性能，主要包含以下几种：误差积分(IE)误差绝对值积分(IAE)适用于衰减或无静差系统误差平方积分(ISE)会产生振荡响应，侧重于抑制系统的较大偏差，系统的衰减比可能较大。误差绝对值与时间乘积的积分(ITAE)该指标最小的系统具有较好的响应性能，但其解析解不易获得。侧重于抑制过长的调节时间，但系统的振荡可能较大。一个过程控制系统正常运行的重要准则：负反馈准则：控制系统成为负反馈的条件是该控制系统各开环增益之积为正。稳定运行准则：在干扰量作用下或设定值变化时，控制系统静态稳定运行条件是控制系统各环节增益之积基本不变；控制系统动态稳定运行条件是控制系统总开环传递函数的模基本不变。返回1.3过程控制系统组成给定测量值控制信号被控量控制量扰动偏差P6图1-5过程控制系统框图

过程控制由检测变送单元，控制器，执行器和被控过程（对象组成）。检测变送单元：用于检测被控量，并将检测到的信号转换为标准电信号输出。执行器：用于操作控制量变化。被控过程：需要控制的设备，装置或流程。控制器：根据检测变送单元的输出信号与设定值信号间的偏差，按一定控制规律计算得到相应的控制信号，并经变化和放大后推动执行器。形式可采用模拟仪表，也可采用微处理器或工业控制计算机实现数字控制。调节阀差压变送器液位控制器h被控量控制量返回P7图1-6液位控制系统1.4过程控制系统发展概况1.4.1过程控制系统体系结构的发展1.4.2过程控制检测仪表和执行机构的发展1.4.3过程控制策略的发展返回1.4.1过程控制系统体系结构的发展过程控制体系结构大致经历三个发展阶段：仪表化与局部自动化阶段：20世纪50~60年代特点：采用的过程检测和控制仪表主要为基地式仪表和部分单元组合仪表，多为气动仪表；实现单输入－单输出的单回路定值控制；被控量主要是温度，压力，流量和液位等生产过程中的热工参数；系统设计和分析的理论基础是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论。控制目的：保持上述工艺参数的稳定和生产安全。基地式仪表(压力控制器）基地式仪表(温度控制器）流量传感器流量控制器执行器单元组合仪表(2)综合自动化阶段：20世纪60~70年代大量采用单元组合仪表和组装式仪表；计算机开始应用于过程控制领域，实现直接数字控制和设定值控制；过程控制系统的结构出现了如串级控制，前馈－反馈控制及比值，均匀，控制等复杂控制系统；过程控制系统分析和设计的理论基础发展到现代控制理论，以满足更复杂的控制需求。(3)全盘自动化阶段：20世纪70年代至今微型计算机广泛应用于过程控制领域，实现整个工艺流程、全工厂乃至整个企业的操作管理和控制。过程控制系统结构从单变量单回路的仪表控制系统发展到多变量多回路的微机控制系统，经历了直接数字控制，集中控制，分散控制和集散控制几个发展阶段，进入计算机集成过程控制系统阶段。20世纪90年代，随着计算机技术，网络技术和通信技术的发展，出现了现场总线控制系统。返回1.4.2过程控制检测仪表

和执行机构的发展

过程控制检测仪表和执行机构的发展与其体系结构的发展相适应。基地式仪表：是把检测、显示和控制等环节放在一个表壳里，通常就地安装。以指示，记录仪表为主体，附加控制机构而组成。功能较完全，可以减少管线连接所导致的滞后；常用于中小企业里数量不多或分散的就地控制系统和单机的局部控制系统。(2)单元组合式仪表：根据控制系统中各组成环节的不同功能和使用需求，将仪表做成能实现某种功能的独立单元。包括：变送单元、转换单元、控制单元、运算单元、显示单元、执行单元、给定单元和辅助单元。各单元间采用统一的标准信号彼此联系；可以灵活组合，通用性强；适用于中、小型企业的自动化系统。(3)智能仪表：以微处理器为核心，采用先进传感器和电子技术的智能变送器和智能阀门定位器，是新型现场变送类和执行类仪表。精度、稳定性与可靠性均比模拟式仪表优越。可输出全数字信号或模拟数字混合信号。可通过现场总线通信网络与计算机相连接，能满足集散系统和现场总线控制系统的应用要求。返回1.4.3过程控制策略的发展（1）经典控制策略：20世纪50年代以前基础：微分方程和传递函数方法：时域分析方法、S域分析方法和频域分析方法。

PID控制策略构成的简单控制模式。（2）现代控制策略：20世纪60年代以后基础：状态空间方法：最小二乘法为基础的系统辨识、以极小值原理和动态规划为基础的最优控制、以卡尔曼滤波理论为核心的最优估计等。（3）复杂控制策略：20世纪70年代以后核心思想：系统分解与协调、多级递阶优化与控制。重心：有限维-无穷维，确定性-不确定性和随机性，线性-非线性方法：非线性控制、自适应控制、随机控制、分布参数系统。专家系统、模糊控制、人工神经网络、学习控制等智能控制。返回1.5过程控制系统的分类按被控参数特性分类：温度，压力，流量，液位，成分等控制系统按控制量和被控制量数目分类：单变量和多变量控制系统按系统完成的特定工艺要求分类：比值，均匀，分程和选择性控制系统按结构特点分类：反馈控制系统，前馈控制系统，复合控制系统按设定信号特点分类：定值，随动和顺序控制系统1、按过程控制系统的结构特点分类(1)反馈控制系统：根据偏差进行控制，以减小或消除偏差为目的。在扰动未引起被控量变化前，无控制作用，使控制不及时。由被控量的反馈构成闭环回路，又称为闭环控制系统。反馈信号可能有多个，称多回路反馈控制系统。(2)前馈控制系统：根据干扰量的大小实施控制，即在被控量偏离设定值之前就采取校正措施。理想情况下，校正措施可抵消干扰对被控量的影响。扰动是控制的依据。测量的是干扰量而不是被控量，本质上是开环控制系统。不能单独应用。(3)前馈-反馈复合控制系统：在反馈控制系统中引入前馈控制。利用前馈控制迅速及时克服主要扰动对被控量的影响。利用反馈控制克服其他扰动，使被控量迅速准确地稳定在设定值上，提高控制系统的控制质量。P10图1-8前馈－反馈复合控制系统2、按设定信号的特点分类(1)定值控制系统设定值固定不变，在生产工艺条件允许的情况下可小范围变化。主要目的是克服干扰对被控量的影响，使被控量稳定在设定值。(2)随动控制系统设定值随时间任意变化。控制作用的核心是使被控量能及时准确地跟踪设定值的变化。(3)顺序控制系统设定值按预定的时间程序变化。控制的目的是使被控量按规定的程序自动变化。返回1.6本章小结介绍过程控制系统所涉及的基本概念；阐述描述系统响应特性的性能指标；举例说明过程控制系统的组成；过程控制系统的发展；过程控制系统的分类。返回第1章结束过程控制系统ProcessControlSystem中国地质大学自动化学院2025年3月4日第2章被控过程特性及其数学模型

被控过程的特性分析及数学模型的建立，是分析和设计过程控制系统的基本依据，对实现生产过程的高质量，优化控制具有重要意义。2.1被控过程的特性2.2被控过程的数学模型2.3解析法建立过程的数学模型2.4实验辨识法建立过程的数学模型2.5本章小结第2章被控过程特性及其数学模型2.1

被控过程的特性

被控过程一般可划分为自衡特性与无自衡特性，单容特性与多容特性，振荡与非振荡特性等。以被控过程的阶跃响应将典型的工业过程动态特性分为4类：自衡的非振荡过程无自衡的非振荡过程自衡的振荡过程具有反向特性的过程1、自衡的非振荡过程自衡：在原平衡状态出现干扰时，无需外加任何控制作用，被控过程能够自发地趋于新的平衡状态。自衡非振荡：阶跃输入信号作用下，输出响应曲线能没有振荡地从一个稳态趋向于另一个稳态.P12图2-1具有自衡特性的液位过程P12图2-2自衡非振荡过程的响应曲线具有纯滞后的一阶惯性环节具有纯滞后的二阶非振荡环节具有纯滞后的高阶非振荡环节2、无自衡的非振荡过程无自衡：在原平衡状态出现干扰时，当没有外加任何控制作用时，被控过程不能重新到达新的平衡状态。无自衡非振荡：阶跃输入信号作用下，输出响应曲线会没有振荡地从一个稳态一直上升或下降，不能达到新的稳态P13图2-3具有无自衡特性的液位过程P13图2-4无自衡非振荡过程的响应曲线具有纯滞后的一阶积分环节具有纯滞后的二阶非振荡环节具有纯滞后的高阶非振荡环节3、自衡的振荡过程自衡振荡：阶跃输入信号作用下，输出响应曲线呈现衰减振荡特性，最终被控过程趋于新的稳态值。P13图2-5有自衡的振荡过程阶跃输入信号作用下，被控过程的输出先降后升或先升后降，即过程响应曲线在开始的一段时间内变化方向与以后的变化方向相反，则称该过程具有反向特性。4、具有反向特性的过程正向积分特性反向惯性特性冷水量对水位的直接影响冷水量影响水中气泡量，使水位发生变化反向特性P14图2-6具有反向特性的过程返回2.2被控过程的数学模型建立被控过程的数学模型的目的：设计过程控制系统，整定控制器参数；指导生产工艺及设备的设计；被控过程及新型控制策略的仿真分析和研究；工业过程的故障检测与诊断系统设计等。被控过程的数学模型：描述过程的输入变量与输出变量之间的定量关系。输入变量包括作用于过程的控制作用和干扰作用。输出变量为过程的被控变量。输入变量到输出变量的信号联系称为通道：控制作用到输出变量的信号联系为控制通道；干扰作用到输出变量的信号联系为干扰通道。2.2被控过程的数学模型返回2.2.1被控过程数学模型的类型2.2.2过程建模的基本方法2.2.1被控过程数学模型的类型过程动态数学模型分类：按时间特性：连续和离散按模型描述：传递函数、状态空间、微分方程和差分方程等按过程类型：集中参数、分布参数和多级过程模型按建模的输入信号：非周期函数、周期函数、非周期性随机函数和周期性随机函数建立的模型等被控过程的数学模型可分为静态（稳态）数学模型和动态数学模型：静态数学模型：描述过程在稳态时的输入变量和输出变量之间的数学关系，用于工艺设计和系统最优化等。动态数学模型：描述输出变量与输入变量之间随时间而变化的动态关系，用于控制系统的设计和分析，确定工艺设计和操作条件等。一般可以采用两种形式表示被控过程的数学模型：1、用参量形式表示模型微分方程差分方程传递函数脉冲传递函数2、用非参量形式表示模型：如曲线、数据表格等返回2.2.2过程建模的基本方法白箱方法：解析法（机理演绎法）黑箱方法：实验辨识法（系统辨识与参数估计方法）灰箱方法：解析法与实验辨识相结合的混合方法1、解析法根据被控过程的内在机理，运用已知的静态和动态平衡关系，如物料平衡关系、能量平衡关系、动量平衡关系、相平衡关系、物理化学定律等，用数学推理的方法建立数学模型。特点：在系统设计前完成数学模型推导，模型不但给出系统输入、输出变量之间的关系，也给出系统状态和输入输出间的关系，有利于系统方案的分析与设计。不足：首要条件是对被控过程的特性和机理有较深入的理解，能准确加以数学描述，对内在机理复杂，难以完全了解内部变化情况的被控过程的数学模型建立存在困难。2、实验辨识法根据被控过程输入、输出的实验测试数据，通过过程辨识和参数估计建立过程的数学模型，确定模型结构和参数。特点：完全由系统外部的输入－输出特性来构建数学模型。对于内在机理复杂的被控过程，比机理建模相对容易。缺点：受数据所对应工况的限制，模型往往难以对外推广。3、混合法将机理演绎法和实验辨识法相结合来建立过程的数学模型。通常采用两种形式：对被控过程中机理比较清楚的部分采用机理演绎法推导其数学模型，对机理不清楚或不确定的部分采用实验辨识法获得其数学模型。适用于多级被控过程。先通过机理分析确定模型的结构形式，再通过实验数据来确定模型中的参数。特点：比实验辨识法具有更好的推广能力，比机理模型简单。返回2.3解析法建立过程的数学模型2.3.1解析法建模的一般步骤2.3.2单容过程的建模2.3.3多容过程的建模返回2.3.1解析法建模的一般步骤解析法建模的一般步骤为：1、明确过程的输入变量、输出变量和中间变量2、根据建模对象和模型使用目的做出合理假设3、根据过程的内在机理，建立静态放动态平衡关系方程4、消去中间变量，求取过程的数学模型5、模型简化根据建模对象和建模使用目的作合理假设根据过程的内在机理，建立静态和动态平衡关系方程模型简化（模型降阶处理；线性化）明确过程的输入变量、输出变量和中间变量消去中间变量，求取过程的数学模型返回模型简化的常用方法有三种：开始推导时就引入简化假设，使推导出的方程在反映被控过程主要特性的基础上尽可能简单；在得到较复杂的原始模型后，用低阶的微分或差分方程来近似该模型，即模型的降阶处理；求解原始方程或用计算机仿真，得到一系列响应曲线（阶跃响应或频率特性），依据这些特性，用低阶的传递函数去近似模型。2.3.2单容过程的建模单容过程：只有一个贮蓄容量的过程。例2-1单容液位过程：某水箱系统如图所示。输入液体体积流量Q1通过阀门1的开度来改变。输入液体体积流量Q2通过阀门2的开度来改变。液位高度h为被控量。要求：试列写h与Q1之间的数学表达式。P17图2-7单容液位过程解：根据动态物料平衡关系:表示为增量形式有:—偏离某平衡状态的增量水箱截面积静态时：单位时间内水箱内液体流入量与流出量之差水箱内液体容量变化率假定q2与h

近似成线性正比关系，与阀门2处的液阻R2

成反比关系，则根据压力关系:阀门阻力，即流量增加1m2/s时的液位升高量拉氏变换，得到传递函数形式经整理得到单容液位过程的微分方程增量表示综合上述两类关系：令：过程的时间常数T=R2A=R2C

过程的放大系数K=R2

过程的容量系数C=A则：结论：单容自衡过程可以采用一阶惯性环节加以描述。容量：贮存能力大小，即引起单位被控量变化时，被控过程贮存量变化程度。单容过程传递函数的结构方框图水箱的输入量/输出量之间的动态平衡关系阀2的静压力关系Q2(s)Q1(s)H(s)假设流经长度为l的管道所需时间为τ0，得出具有纯时延的单容过程的微分方程和传递函数分别为推广1：考虑输入液体体积流量为Q0当进水阀1的开度产生变化后，需流经长度为l的管道才能进入水箱，使液位发生变化。T0=R2A

K0=R2C=Aτ0与l有关无时延自衡有纯时延自衡0tt1QOt0QOOthOthP18图2-8单容过程的响应曲线推广2：考虑输出液体体积流量为Q2通过泵来调节液位高度变化时，出口处静压力不会对泵产生影响，Q2不变。解：根据动态物料平衡关系定量泵导致:整理后得到其增量化方程为：结论：单容非自衡过程可以采用积分环节加以描述。得到其传递函数为：无时延非自衡有纯时延非自衡0tt1QOt0QOOthOth意义：进水量增加，出水量不变，液位会升高，直到溢出。返回2.3.3多容过程的建模多容过程：由多个贮蓄容积组成的被控过程。下面以具有自衡能力的双容过程为例，说明多容过程的建模方法。例2-3图所示为一分离式双容液位槽。过程输入量为Q1

过程输出量第二个液位槽的液位h2

假设：不计第一个与第二个液位槽之间液体输送管道所造成的时间延迟，试求h2与Q1之间的数学关系。P22图2-11a双容液位过程解：根据动态平衡关系，有水槽1水槽2阀2阀3令：水槽1的过程时间常数T1=R2A1=R2C1

水槽2的过程时间常数T2=R3A2=R3C2

过程的放大系数

K=R3获得双容液位过程的传递函数为结论：双容自衡过程可以采用二阶环节加以描述。P24图2-13a分离式双容液位过程数学模型的结构方框图水槽1的输入量/输出量之间的动态平衡关系阀3的静压力关系水槽2的输入量/输出量之间的动态平衡关系阀2的静压力关系Q3(s)Q1(s)H1(s)Q2(s)H2(s)分析：

1）两个具有负实根的惯性环节串联，即

=1过阻尼，响应不振荡。

2）双容过程在两个槽之间存在液体流通阻力，延缓了h2的变化，导致响应过程一开始较慢，较单容过程时延大。

3）随着相连接容器的增加，过程时间延迟越长。

4）模型简化：采用单容过程近似。拐点P22图2-11b双容过程的阶跃响应曲线推广1：考虑n个水槽（容器）依次分离式连接类推出多容过程（n个）的传递函数若各个容器的容量系数相同，各阀门的液阻也相同，则注：多容过程模型简化过程与双容过程简化为单容过程方法类似。过程的总放大系数各单容过程的时间常数假设流经管道所需时间为τ1，则具有纯时延多容过程传递函数为推广2：考虑两水槽之间的管道长度当阀2的开度变化后，需流经长度为l的管道才能进入贮罐2，使液位h2发生变化。T0

τ0+

τ1Oth2h2(∞)推广3：考虑输出液体体积流量为Q3通过泵来调节

----水槽1的液位高度变化，会对Q2产生影响。

----水槽2的液位高度变化，不会对Q3产生影响。解：根据多容过程类推关系:得到其传递函数为：注：只要多容过程中存在一个无自衡环节则为无自衡多容过程。例2-4串接并联式双容液位槽。要求：试求h2与Q1之间的数学描述。R2同时受到h1和h2的影响。P23图2-12并联式双容液位过程解根据动态平衡关系，有水槽1水槽2阀2阀3令：水槽1的过程时间常数T1=R2A1=R2C1

水槽2的过程时间常数T2=R3A2=R3C2

过程的放大系数K=R3获得串联双容液位过程的传递函数为水槽1与水槽2之间的关联时间常数R3C1本过程的阶跃响应仍是单调上升的，传递函数可等效为等效时间常数为P24图2-13b并联双容液位过程数学模型的结构方框图Q3(s)Q1(s)两水槽间的关联关系H1(s)Q2(s)H2(s)返回2.4实验辨识法建立过程的数学模型返回2.4.1实验辨识法建模的基本步骤与方法2.4.2响应曲线法辨识过程的模型2.4.3最小二乘法辨识过程的模型2.4.1实验辨识法建模的基本步骤与方法实验辨识法建模的一般步骤为：1、目的：指数学模型的应用目的和相应要求。2、验前知识：来自对过程内在机理的了解和已有运行数据的分析结论。3、实验设计：指确定输入信号的幅值和频谱，采样周期，总的测试时间及信号产生和数据存储方法；选择计算工具；确定离线或在线辨识方法，信号滤波方法等。目的及要求先验知识实验设计最终模型信号发生存储数据测量辨识方法模型验证过程模型模型结构假定模型结构确定内在规律P25图2-14实验辨识法建模的一般步骤返回4、辨识方法：采用阶跃响应法，频率响应法，相关分析法等经典辨识法，还是最小二乘法，梯度校正法，极大似然法等现代辨识法来建立过程的数学模型。5、过程模型：采用参量形式，还是非参量形式描述。6、模型验证：自身验证或交叉验证。7、重复修正：若得到的模型不满足精度要求，则重新修正实验设计或模型结构，直到满足要求为止。2.4.2响应曲线法辨识过程的模型响应曲线法：通过测取过程的阶跃响应或脉冲响应曲线辨识数学模型的方法。1、阶跃响应曲线法通过操作过程的调节阀，使过程的控制输入产生一个阶跃变化，将被控量随时间变化的响应曲线用记录仪或其它方法测试记录下来，再根据测试记录的响应曲线来求取过程输出与输入之间的数学关系。为能够得到可靠的测试结果，做实验时需要注意：试验测试前，被控过程应处于某一相对稳定的工作状态；在相同条件下重复多次试验，以便能从多次试验结果中选取较接近的两个响应曲线作为分析依据，减少随机干扰的影响；合理选择阶跃输入信号的幅度；考虑到被控过程的非线性，分别对正、反方向的阶跃输入信号进行试验，并比较试验结果，以衡量过程的非线性程度。对大多数过程而言，数学模型通常可近似为以下几种：自衡特性过程：无自衡特性过程：注意：被控过程的数学模型还可采用更高阶或复杂的结构形式，在保证满足模型精度要求的前提下，数学模型的结构应尽可能简单。（1）根据阶跃响应确定一阶环节参数需要确定的参数有两个：过程的放大系数K0和过程的时间常数T0

确定方法：直角坐标图解法；半对数坐标图解法设阶跃输入变化量为x0，一阶无时延环节的阶跃响应为以K0x0/T0为斜率作切线，在t=T0处与y(∞)相交。①直角坐标图解法分析过程如下：趋于新的稳态：t=0时斜率：t=T0时响应值：总结：①由阶跃响应曲线确定y(∞)，再由K0=y(∞)/x0确定K0②由t=0处作切线，其与y(∞)的交点所对应的时间为T0（OB段）tOABT0tOP26图2-15一阶惯性环节阶跃响应曲线tO扩展：由于t=0处，阶跃响应的数值小，切线不易确定采用三个典型点取值的平均来确定T0三个典型点②半对数坐标图解法趋于新的稳态：取自然对数：优点：可以判断模型结构1）直线：一阶无时延环节2）非直线：若t

越大越趋于直线，t

越小偏离程度越大则为二阶及以上环节或有时延环节3）无规则：测试存在干扰P28图2-16半对数坐标图解法（2）根据阶跃响应确定具有纯滞后的一阶环节参数①确定T0和τ0的图解法ABCDtOT0拐点在t=0时斜率几乎为零，之后斜率逐渐增大，达到某点（称为拐点）后斜率又逐渐减小，曲线呈现S形状。P28图2-17具有纯滞后的一阶惯性环节阶跃响应曲线1转换y(t)为相对值：tO1选取两个不同的时间点：②

计算法确定T0和τ0P29图2-18具有纯滞后的一阶惯性环节阶跃响应曲线2联立求解取自然对数K0的确定方法与一阶环节相同时间常数的确定一般采用两点法。（3）根据阶跃响应确定二阶环节参数tO选取两点：两点法P29图2-19二阶环节阶跃响应曲线近似解为K0的确定方法与一阶环节相同。（4）根据阶跃响应确定具有纯滞后的二阶环节参数纯滞后时间为ABCDtOTC拐点EFTA

计算时间常数为P30图2-20二阶纯滞后环节的阶跃响应曲线根据A和B点计算时间常数。根据C点验证切线是否过拐点。ABCP31图2-21二阶环节中时间常数的图解法（5）根据阶跃响应确定一阶无自衡环节参数tOT0αP31图2-22无自衡特性的阶跃响应曲线（6）根据阶跃响应确定二阶无自衡环节参数微分方程为：传递函数转换为：采用两点法计算时间常数：2、脉冲响应曲线法条件：生产实际不允许有较长时间和较大幅度的输入变化，为防被控量变化超过允许范围。脉冲响应法是指在正常工作基础上，给过程施加一个矩形脉冲输入，测取响应的被控量变化曲线，据此估计过程参数。Ot0tttOOt0t0P32图2-23矩形脉冲响应曲线确定阶跃响应返回2.4.3最小二乘法辨识过程的模型参数估计：如果被控过程的数学模型的阶次和纯滞后时间已知，根据输入－输出数据来确定模型参数的过程。常用的参数估计方法：最小二乘法广义最小二乘法辅助变量法1、被控过程的离散化模型（1）采用差分方程表示的离散时域模型（2）采用脉冲传递函数表示的离散频域模型2、参数的最小二乘法估计利用输入－输出测试数据来确定离散频域模型中的参数，使基于这些参数得到的模型对输入－输出数据的拟合误差最小。两种求解方法：一次完成算法：适合理论研究递推算法：适合计算机在线辨识返回2.5本章小结返回主要阐述被控过程建模的基本理论，包括数学模型的分类及构建方法。详细分析工业生产中被控过程所具有的特性。说明数学模型建立的三种基本方法。结合实例，详细阐述单容和多容过程的机理建模步骤。系统阐述响应曲线法和最小二乘法两类典型实验辨识法的基本原理和实现方法。第2章结束过程控制系统ProcessControlSystem中国地质大学自动化学院2025年3月4日第3章过程参数检测与变送仪表在工业生产中，为了正确指导生产，确保生产过程安全稳定，使生产过程的工况最优化，必须及时准确地掌握描述生产过程特性的各种参数。对生产过程的关键参数进行实时可靠的自动检测，是实现对生产过程有效自动控制的首要条件。检测仪表用于完成过程参数的有效检测。3.1概述

3.2检测仪表的工作特性3.3测量误差

3.4温度检测与变送3.5压力检测与变送3.6流量检测与变送3.7物位检测与变送3.8智能检测仪表3.9煤矿常用检测仪表3.10本章小结第3章过程参数检测与变送仪表检测仪表是过程控制系统的重要组成部分，实现对温度、压力、流量、物位、成分等过程参数的实时可靠检测。检测仪表的检测精度直接影响系统的控制精度。过程参数检测仪表构成：敏感元件和变送单元敏感元件：直接感受被测参数变化，将其转换为相应的物理量提供给变送单元。变送单元：将敏感元件检测的物理量转换为标准信号输出。3.1

概述传感器变送器显示器A/D被测参数参数显示电信号标准电信号控制1、敏感元件也称为传感器，利用物理或化学敏感的部件或材料，直接与被测过程发生联系，感受被测参数的变化，并按一定规律将其转换为可用输出信号，一般为电信号，即电压、电流、电阻、电感、电容等。P39图3-1过程参数检测仪表结构国标《GB7665-87》规定：“能感受规定的被测量,并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。组成框图如图所示：基本特性：独立：被测物理量不受传感器的影响；敏感：被测参数的微小变化就可引起传感器输出信号的明显变化；稳定：传感器的输出信号与被测参数间是稳定的单值比例关系。2、变送单元也称为变送器，将传感器的输出信号放大并转换成便于应用和传送的统一标准信号。包括：标准电动信号：DDZ-Ⅱ型电动组合仪表采用的DC0~10mA和DC0~20V标准；DDZ-Ⅲ型电动纵使仪表采用的DC4~20mA和DC1~5V标准标准气动信号：QDZ型气动组合仪表采用的0.02~0.1MPa标准等返回3.2检测仪表的工作特性检测仪表的工作特性：指能满足被测参数测量和系统运行需要而应具有的仪表输入/输出特性，主要通过量程与零点的调整与迁移来实现。1、量程指与检测仪表的规定输出范围相对应的被测参数（仪表输入）范围，即被测参数的上限值xmax与下限值xmin之差，记作：2、零点指被测参数的下限值xmin，即与仪表输出下限值ymin相对应的被测参数最大值，记作xq。3、仪表工作特性检测仪表的输入是被测参数，输出是变送器的标准化误，仪表工作特性反映该输出与输入间的关系，即被测参数经传感器进入变送器，经变送器输出标准信号。两者为单值关系且呈一定比例关系。被测量量程被测量上、下限偏差值变送单元传递特性to标准信号输出上、下限偏差4、量程调整与零点迁移目的：改变检测仪表测量范围。量程调整：在零点不变的情况下，将检测仪表的输出信号上限值与被测参数的上限值相对应，如P41图3-2所示。只改变被测参数的量程和检测仪表的工作特性斜率，不改变零点。xyxminxmaxyminymax量程调整相当于改变变送器的输入输出特性的斜率，也就是改变变送器输出信号y与输入信号x之间的比例系数。P41图3-2量程调整量程调整的方法：改变反馈部分的反馈系数Kf

改变测量部分转换系数KiKf↑→量程↑Ki↑→量程↓零点迁移：指将ymin所对应的测量参数下限值由0迁移到某一数值（正或负），如P41图3-3所示。不改变量程和仪表工作特性斜率。返回xminxyxmaxyminymax0xmaxxminxmaxP41图3-3零点迁移3.3测量误差测量误差：仪表测量值与真实值间一定的差值。3.3.1测量误差的基本概念3.3.2检测仪表的性能指标返回3.3.1测量误差的基本概念测量误差分类：按表达方式不同分类：绝对误差和相对误差按性质不同分类：系统误差，随机误差和粗大误差按误差时间关系：动态误差和静态误差按仪表使用条件：基本误差和附加误差按误差出现原因：工具误差和方法误差1、绝对误差指测量值与被测参数真值之间的差值，即产生原因：被测参数到仪表之间经过转换时造成；使用条件不同处理方法：“校验”，即用精确度高的标准仪表和实测仪表，在相同条件下，对同一参数测量，再做比较。测量值被测参数的真值绝对误差仪表的最大绝对误差：2、相对误差指绝对误差与真值的百分比。根据所引用的约定真值不同，相对误差有三种表示方法：实际相对误差示值相对误差引用相对误差1、系统误差指检测仪表本身或其原因引起的有规律的误差。反映了测量值偏离真值的程度。来源：仪表的示值不准（如刻度分度差错），零值误差（如零点漂移），仪表的结构误差（如电子元器件老化），由仪表引入的系统误差;由实验者造成的服从一定规律的误差;由于实验条件不能满足理论公式或测量方法产生的误差。消除方法：系统误差可通过实验的方法或引入修正值的方法予以修正重新调整检测仪表来消除系统误差通过求多次测量的平均值来消除2、随机误差在相同条件下对同一被测参数进行多次重复测量，各测量值之间存在差异，其绝对值及符号是不确定的，称为随机误差。消除方法：可以通过增加测量次数，利用概率论和统计学方法，对测量结果进行统计处理，从而减小其对测量结果的影响。3、粗大误差粗大误差是由于仪表产生故障，操作者疏忽或较大外界干扰所引起的显著偏离实际值的误差。粗大误差对测量结果影响较大，因此一般作为异常值被剔除。返回3.3.2检测仪表的性能指标检测仪表的性能指标包括：允许误差，仪表精度，灵敏等。1、允许误差指在国家规定的标准使用条件下，仪表应满足的相对误差。一般采用在标准使用条件下的最大相对误差来表示，即仪表允许的最大绝对误差2、仪表精度描述测量结果的可靠程度，是将国家统一规定的允许误差划分成若干个等级，根据仪表的允许误差，确定仪表的精度等级。精度等级常以一定符号内的数字标明，在仪表面上。我国仪表精度等级为：0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等级数越小，精度越高。校验用标准表多为0.1，0.2级；工业现场多为0.4~0.5级。3、灵敏度反映检测仪表对被测参数变化的灵敏程度，表示为检测仪表的输出变化△α与相应的被测参数变化量的△x比值，即说明：增加放大系统的放大倍数可以提高检测仪表遥灵敏度。提高灵敏度≠提高精确度，放大标尺范围或减小分格值不能提高灵敏度，仪表精度。例：①圆形表用角位移：②直线形表用角位移量程0~200满量程指针超过270℃满量程移动距离40mm4、动态误差概念：当被测参数随时间迅速变化时，由于检测元件中的各种运动惯性和能量转换，使检测仪表的测量值不能及时跟随被测参数的变化而产生的误差。动态误差会直接影响整个系统的控制品质。若检测仪表的惯性比被控对象的惯性还大，就不能及时记录被控变量的变化，从而可能对生产过程造成严重的损失。5、可靠性反映检测仪表在规定条件下，在规定时间内是否耐用的一种综合质量指标。常用的可靠性指标有：平均无故障工作时间：两次故障间时间差的平均值平均修复时间：排除故障所花费时间的平均值有效度：平均无故障时间与平均无故障时间及平均修改时间之和的比值。例：有一支温度计，其量程范围为0~1000℃,精度为0.5级，其标尺上、下限偏转角为270o。求：①△，△m

；②基本误差；③η10009008007006005004003002001000测量值1000895800705604502398304202990标准值0+50-5-4-2+2-4-2+10绝对误差△解：①②精度为0.5③④对于202℃这一点，读数相对误差对于895℃这一点，读数相对误差返回3.4温度检测与变送返回3.4.1温度检测方法3.4.2热电偶3.4.3热电阻3.4.4温度变送器3.4.5温度检测仪表的选型3.4.1温度检测方法温度：表征物体冷热程度的物理量。名称符号单位绝对零点冰融点水沸点人体体温华氏F℉-459.6732212100摄氏C℃-273.15010037.5开氏TK0273.15373.15F=1.8℃+32K=℃+373.15温度检测方法按测温元件是否与被测介质接触，分为接触式测温和非接触式测温两类。1）接触式测温测温元件直接与被测介质接触，通过热交换达到热平衡，此时通过测温元件的某一物理量与被测介质温度相对应。要求：测温元件对被测物理量的灵敏度高，线性关系好，重复性好，范围宽，且不与被测介质发生反应，元件本身因受热而发生变化微小。优点：简单，可靠，测温精度高。缺点：测温元件会影响被测温度场的分布，热交换过程使测温存在延迟。不适合温度太高的场合，及运动物体和腐蚀性介质的温度测量。2）非接触式测温测温元件不直接与被测介质接触，通过热辐射实现热交换。特点：具有较高的测温上限，且热惯性小，适用于运动物体和快速变化的温度检测。缺点：受信号传输距离，发射功率，烟尘和水汽环境等外界因素的影响较大，存在较大测量误差。类型型式原理测温范围(℃)准确度(℃)特点常用种类接触式膨胀式膨胀-200~6500.1~5结构简单，响应速度慢，适于就地测量汞温度计双金属式温度计压力式压力-20~6000.5~5具有防爆能力，响应速度慢，测量精度低，适于远距离传送液体压力温度计蒸汽压力温度计热电阻热阻效应-200~8500.01~5响应速度较快，测量精度高，适于低、中温度测量，输出信号能远距离传送铂电阻温度计铜电阻温度计热敏电阻温度计热电偶热电效应-200~18002~10响应速度快，测量精度高，线性度差，适于中、高温度测量，输出信号能远距离传送N型、K型、E型、J型、T型、B型等非接触式辐射式热辐射100~30001~20响应速度快，线性度差，适于中、高温度测量，测量精度易受环境影响辐射温度计光电高温计红外测温计P45表3-1常用温度检测仪表分类及其特点1、膨胀式温度计基于物体受热时产生体积膨胀的原理构成。包括液体膨胀式和固体膨胀式两类。双金属式温度计：用两种膨胀系数不同的金属片叠焊在一起制成螺旋形。温度越高，产生的膨胀长度差越大，引起的弯曲角度越大。P45图3-4双金属式温度计2、压力式温度计根据处于封闭系统中的液体或气体受热后，体积或压力会产生变化这一原理制成。特点：简单可靠，抗震性好，具有良好的防爆性。缺点：动态性能差，测量滞后较大，不宜测量迅速变化的温度。组成：温包，毛细管，弹簧管。3、辐射式温度计利用热辐射原理，无需直接接触就可实现物体之间的热能传递。优点：测温上限原则上不受限制，测温速度快且不会对被测温度场产生大的影响，可测量运动物体，腐蚀性介质等的温度。缺点：容易受外界因素的影响而导致较大的测量误差，结构复杂，价格昂贵。组成：光学系统，检测元件，转换电路和信号处理电路等。原理：物体的辐射能通过光学系统中的透镜聚焦到检测元件，再通过热敏元件或光敏元件将其转换成电信号，经过信号处理电路，输出与被测温度相对应的响应信号，从而实现对不同温度范围的测量。类型：高温辐射温度计，低温辐射温度计，光电温度计，红外测温仪等。（1）高温辐射温度计原理：由光学玻璃透镜聚集能量，经硅光电池实现信号转换。参数：测温范围为700~2000℃；基本误差在1500℃以下时为±0.7%，在1500℃以上时为1%；稳态响应时间小于1ms。应用：高温测量。（2）低温辐射温度计组成：由锗滤光片或锗透镜和半导体热敏电阻构成。参数：接受波长为2~15μm的辐射能，测温范围为0~200℃。其基本误差为±1%，响应时间为1s。（3）光电温度计组成：光学玻璃与硫化铅光敏电阻。参数：光学透镜的光通带波长为0.6~2.7μm，测温范围为400~800℃。其基本误差为±1%，响应时间为1.5s。（4）红外测温仪原理：温度在绝对零度以上的物体，会因自身分子运动而辐射出红外线，且温度越高，分子运动越剧烈，辐射的热红外能量越大。红外测温仪利用红外线这种电磁波辐射，通过红外探测器将物体辐射的功率信号转换成电信号。返回3.4.2热电偶测温范围：-200~1300℃优点：结构简单，准确度高，测温范围广适用：远距离测量和自动控制1、工作原理基于热效应，实现温度检测。如图3-5所示。P47图3-5热电偶的热电效应冷端热端AB触点1触点2两种不同材质的导体或半导体A和B的两端可靠接触，构成闭合回路；当回路两端温度不同时，回路中产生热电动势。相关术语：热端：触点1，一般置于被测介质中；冷端：触点2，温度通常恒定；热电效应：把热能转换成电能的现象；热电偶：由两个导体组成并将温度转换为热电动势的传感器。说明：热电偶回路中的热电动势包含两种导体的接触电动势和单一导体的温差电动势两部分。接触电动势记为EAB(t)，大小取决于两种导体的材料和接触点的温度。温差电动势指同一导体由于两端温度不同而导致电子具有不同的能量所产生的电动势差，记为EA(t,t0)。热电偶总热电动势为接触电动势和温差电动势之和，即当热电偶材质确定且冷端温度恒定时，热端温度与热电动势之间呈单值函数关系，称为热电偶的热电特性。该特性可通过实验方法获得。结论：在实际使用中，只要保持冷端温度为t0，根据仪表测得的热电动势EAB(t,t0)，就可计算出被测温度t或者通过分度表查出所对应的被测温度t。2、中间导体定律为检测热电动势，必须在热电偶回路的冷端接入中间导体（第三导线）C和测量仪表。此时，其总热电动势为中间导体定律：只要第三的两个接点温度相同，则接入第三导体对热电偶回路中的总热电动势没有影响。3、冷端温度补偿分析：热电偶只有在冷端温度保持不变时，才能保证热电动势与被测温度之间呈单值函数关系。热电偶的分度表一般是在冷端温度t0=0℃情况下测定。结论：热电偶的冷端必须保持恒定（0℃），以避免测量误差。冷端处理方法1：冷端恒温法即将热电偶的冷端置于能保持恒温的冰水混合物中，或将冷端补偿导线引至电加热的恒温器内，以保证冷端温度稳定在0℃或某一恒定温度。P48图3-7热电偶冷端恒温法测量的热电动势查分度表求得冷端处理方法2：电桥补偿法原理：采用不平衡电桥，利用电桥中某桥臂电阻随温度变化而产生的附加电压，补偿热电偶冷端温度变化而引起的热电动势变化。说明：用R0设计和Rp配合实现补偿。热敏铜质电阻电位器P48图3-8热电偶冷端补偿电桥冷端处理方法3：补偿导线法补偿导线：用热电性质与热电偶相近的材料制成的导线。原理：根据中间导体定律，用补偿导线将热电偶的冷端延长至控制室等需要的地方，可使热电偶的冷端远离热源，从而保证冷端稳定，不会对热电偶回路引入超出允许的附加测量误差。4、常用工业热电偶类型类型：标准热电偶和非标准热电偶标准热电偶：指国家标准规定了其热电动势与温度的关系，允许误差有统一的标准分度表的热电偶，有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶：在使用范围或数量级上不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准热电偶有8种。热电偶名称分度号测温范围（℃）特点适用场合铂铑10-铂S0~1700热电性能稳定，抗氧化性强，测温范围广，测量精度高，线性差，价格高精密测量；有氧化性、惰性气体环境铂铑30-铂铑6B0~1700测温上限高，稳定性好，抗氧化性强，线性较差，价格高高温测量；不适用于还原性气体环境镍铬-镍硅K-200~+1300测温范围宽、线性好、热电动势大，价格低，但稳定性较B型或S型热电偶差中高温测量镍铬-康铜E-200~+1000热电动势较大，耐磨蚀，价格低，中低温测量稳定性好中低温测量；有氧化性、惰性气体环境铁-康铜J-200~+1300价格便宜，热电动势较大化工过程温度测量铜-康铜T-200~+400精度高，价格低，但铜易氧化低温测量镍铬硅-镍硅N-200~+1300在相同条件下，尤其在1100~1300℃的高温条件下，高温稳定性及使用寿命较K型热电偶好，性能与S型热电偶近似，但价格较小在测温范围内，有全面代替廉价金属热电偶和部分S型热电偶的趋势铂铑13-铂R0~1700与S型热电偶性能相似，热电动势较大S型热电偶相似环境P49表3-2标准热电偶说明：廉价导体热电偶不适用于腐蚀性和氧化环境中；贵重导体热电偶不适用于还原性环境中。5、热电偶结构根据热电偶用途和安装位置不同，可分为：普通型，铠装型，薄膜型，表面型和浸入型热电偶等。组成：热电极，绝缘管，保护套管和接线盒。目的：实现密封和隔离，保证在恶劣的工业现场中，热电偶的可靠性。普通封装：用不锈钢管套增强机械强度，用陶瓷管绝缘。铠装结构：将热电极和陶瓷绝缘材料一起紧压在金属保护套管中，组合加工成可弯曲的坚实组合体。其响应速度快，能弯曲，耐高温，适用于狭窄或复杂的测量场合。P50图3-9普通型热电偶结构6、热电偶选型了解被测对象特性，根据热测温范围和适用环境选取热电偶，并确定热电极的直径和长度。P50表3-3热电偶基本选型方法返回3.4.3热电阻适用场合：小于500℃的中低温度测量。特点：测量精度高，性能稳定，灵敏度高，不需要进行冷端补偿；输出为电信号，可实现远距离传送和自动控制。1、工作原理及其特点利用金属导体或半导体的电阻值随温度变化而改变的性质来实现温度测量。电阻温度系数：表示热电阻阻值随温度的变化的大小，即分析：α描述温度每变化1℃时热电阻阻值的相对变化量。对于金属热电阻，α>=0，即电阻值随着温度的升高而增加.

对于半导体热电阻，其温度系数α可正可负，且线性度差。工业上常用的热电阻有铜电阻和铂电阻。不适用于测量体积小和温度瞬变对象的温度。热电阻热电偶较大空间的平均温度点温度冷端温度补偿与桥式电路配接中、低温区稳定性好、准确度高测温上限高热电阻与热电偶的比较2、常用金属热电阻金属热电阻特性：①电阻温度系数较大且稳定，测温灵敏度高；②电阻率大，在相同灵敏度下减小元件的尺寸；③电阻值与温度之间呈单值关系；④具有化学稳定性和耐热性。（1）常用金属热电阻类型铂电阻，铜电阻，镍电阻等。铜电阻：价格便宜，线性程度好，但温度高易于氧化。适用于测量精度要求不高，温度较低，无水分及无腐蚀性的环境。铂电阻：精度高、稳定性好、性能可靠、耐氧化能力强、测温范围宽。但电阻温度系数比较小，电阻值与温度之间呈非线性关系，且价格较贵。设计测温电路时要进行线性补偿。（2）热电阻结构组成：感温元件，绝缘体，保护套管和接线盒。热电阻的感温元件，引线方式与热电偶不同，热电阻丝按照中间对折双绕方式缠绕在由陶瓷或琉璃构成的绝缘骨架上。热电阻中的引线用于连接热电阻丝和外部测量电路，常用的引线方式有：二线制，三线制和四线制。电阻丝在支架上绕制，由玻璃或陶瓷作外保护层，防止有害气体腐蚀和氧化。绕制中采用中间对折双绕方式，避免感应电动势。P52图3-10工业热电阻结构理想值误差实际值分析：r的影响不容忽视①

二线制热电阻感温元件的两端各连接一根导线的引线方式。简单，费用低，但引线电阻及其变化会带来附加误差。适用于引线不长，测温精度要求较低的场合。P52图3-11二线制②

三线制在热电阻感温元件的一端连接两根导线，另一端连接一根导线的引线方式。分析：引线电阻不会对电桥产生影响，可较好地消除引线电阻所导致的附加误差，测量精度较高，应用广泛。电桥平衡时：P53图3-13三线制3、半导体热敏电阻由多种金属氧化物按比例烧结成的半导体构成。特点：电阻温度系数大，灵敏度高，体积小，反应快速。缺点：互换性、稳定性不好，非线性较严重。适用场合：家电和汽车等领域的温度检测。根据材质和工艺不同分类：正温度系数（PTC），负温度系数（NTC）和临界温度系数（CTR）三种。P53图3-14半导体热敏电阻特性10710610510410310210104080120160180PTCPTC正温度系数:在某区段灵敏度高，适于位式温度传感器NTC负温度系数:线性度好，用于连续变化温度场合返回3.4.4温度变送器作用：与热电偶，热电阻等敏感元件配接，将敏感元件的输出信号转换成统一标准信号。作为显示仪表，调节器或计算机模拟输入采集的输入，以实现被测温度的显示、记录或控制。输出信号采用DC4~20mA的DDZ-Ⅲ型温度变送器的特点：采用低漂移，高增益的线性集成运算放大器，提高了仪表的可靠性，稳定性和其他性能指标。采用通用模块与专用模块相结合的单元体系结构，使用灵活方便。在热电偶和热电阻的接入模式中，设置了线性化电路，可使变送器的输出信号和被测温度间成线性关系，方便了变送器与系统的配接。采用统一的DC24V集中供电，变送器内无电源，实现二线制接线方式。采用安全火花防爆措施，适用于具有爆炸危险场所的温度或直流毫伏信号的检测。1、DDZ-Ⅲ型温度变送器结构原理构成：量程单元，放大单元。P54图3-15DDZ-Ⅲ型温度变送器结构框图工作原理：毫伏输入信号ui来自传感器，反映温度大小的输入信号，它与桥路部分的输出信号uZ及反馈信号uf相叠加，送入集成运算放大器进行电压放大，再由功率放大器和隔离输出电路转换成统一的DC4~20mA电流输出和DC1~5V电压输出。量程单元：热电偶，热电阻和毫伏输入三种形式。包括输入回路和反馈回路。输入回路实现热电偶的冷端补偿，热电阻的三线制接入，零点迁移及量程调整等功能；反馈回路实现热电偶和热电阻的非线性校正等。放大单元：由集成运放，功率放大和隔离输出等电路构成，具有通用性。2、量程单元结构与工作原理包括直流毫伏量程单元，热电偶量程单元和热电阻量程单元三种。（1）直流毫伏量程单元由信号输入电路、零点迁移（调整）电路，反馈电路组成。输入电路零点迁移电路反馈电路放大单元滤波限流用于零点调整量程调整P54图3-16直流毫伏量程单元（2）热电偶量程单元实现热电偶的冷端补偿、零点迁移、量程调整和线性化技术，实现输出电流（电压）与温度成比例关系。线性化（分段线性化）：通过负反馈回路，控制VD3-VD5调整反馈强度和降压系数来改变各段斜率。量程调整冷端补偿零点调节P56图3-17热电偶量程单元负反馈在反馈电路中制作一个与热电偶非线性相等或相近的电路实现非线性补偿，使u与t成比例。P56图3-18热电偶量程单元线性化实现框图（3）热电阻量程单元三线制接法，并在必要情况下线性化。由零点调整迁移电路，反馈电路组成。VD1~VD4限压，以确保安全防爆要求。对于铂电阻，存在非线性，因此，产生凹函数以便补偿。对于铜电阻，本身呈近似线性，则不需要线性化措施。正反馈P57图3-20热电阻量程单元3、放大单元结构与工作原理组成：集成运放电路，功率放大电路，输出电路，反馈电路，直流-交流-直流变换电路5部分组成。作用：将量程单元送来的毫伏信号进行电压放大和功率放大，输出统一的电流信号DC4~20mA和电压信号DC1~5V。同时将转换后的反馈电压uf送至量程单元。P58图3-21放大单元原理图返回3.4.5温度检测仪表的选型选取温度检测仪表时，要注意以下几方面：仪表精度等级应符合工艺参数的误差要求；选用的仪表应操作方便，运行可靠，经济，合理，在同一工程中应尽可能减少仪表的品种和规格；仪表的测温范围应大于工艺要求的实际测温范围；热电偶是温度检测仪表的首选。低温时多选用热电阻；测温元件的保护套管耐压等级应不低于所在管线或设备的耐压等级。返回P59图3-22工业测温仪表的选用原则3.5压力检测与变送返回3.5.1压力的概念及其检测3.5.2弹性式压力检测仪表3.5.3电气式压力检测仪表3.5.4压力变送器3.5.5压力检测仪表的选用3.5.1压力的概念及其检测1、压力的概念压力指均匀垂直作用于单位面积上的力。工程上常将被测压力表示为：绝对压力：相对于绝对真空所测得的压力；表压：高于大气压力的绝对压力与大气压力；真空度：当测点绝对压力低于大气压力时，大气压力与绝对压力之差；差压：任意两个测点间的绝对压力差值。绝对压力P:物体所承受的实际压力绝对真空Po=0环境大气压力Patm真空度：大气压力与低于大气压时的绝对压力之差。Pv-Patm<0表压力：高于大气压力时绝对压力与大气压之差。Pg-Patm>0高压侧--“正压”侧低压侧--“负压”侧P61图3-23各类压力之间关系图帕斯卡：

----1N力垂直作用在1m2面积上所形成的压力。工程大气压：2、压力检测的主要方法液柱式压力检测弹性式压力检测电气式压力检测活塞式压力检测（1）液柱式压力检测根据流体静力学原理，把被测压力转换成液柱高度，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。适用场合：实验室的低压、负压或压力差的检测。优点：结构简单，使用方便。缺点：量程受液柱长度的限制，且只能就地显示，不能远传。（2）弹性式压力检测根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成位移来实现测量。常用器件：弹簧管，膜片和波纹管等。（3）电气式压力检测利用敏感元件将被测压力转换成各种电量，如电阻，电感，电容等。特点：动态响应较快，测量量程范围大，线性度好，便于信号远传。（4）活塞式压力检测基于静力平衡原理，通过液压传递进行压力测量。特点：结构简单，准确度高。适用场合：作为标准仪器对弹簧管压力表进行校验和标定。返回3.5.2弹性式压力检测仪表特点：结构简单，价格低廉，准确度高，测量范围广，在工业生产中应用广泛。常用类型：弹性膜片（膜盒），波纹管，弹簧管等。弹性膜片波纹管弹簧管多圈弹簧管P61图3-24弹性元件示意图1、弹性膜片膜片：一种沿外缘固定在壳体上的片状圆形薄板或薄膜。当膜片受到压力作用时，产生微位移输出。特点：灵敏度较低，位移较小。适用场合：微压或低压的测量。2、波纹管波纹管是一种轴对称的波纹状薄壁金属筒体。波纹管受到轴向压力作用时，能使自由端沿轴向产生较大的伸长或收缩位移。特点：灵敏度高，用于较低压力的检测。3、弹簧管弹簧管是由一根弯成圆弧形的空心金属管构成，其横截面呈扁圆形或椭圆形。其固定端开口，并与被测介质连通；自由端封闭。形式：单圈，多圈。被测压力为负压时，截面变扁，a变大，b变小；不锈钢、磷青铜的弹簧管刚性大，用来测高温；黄铜的弹簧管刚性小，可用以测低压；测量范围：0~0.006Mpa，0~1000MpaA端与被测压力介质导通，B封闭为自由端。弹簧管内空，呈椭圆形。

被测压力为正压时，弹簧管截面椭圆变为圆形，a减小，b增大，自由端产生位移，位移与压力呈正比。原始越大，b越短，同样压力下的角位移越大，仪表灵敏度越高。P61图3-25弹簧管测量原理图返回3.5.3电气式压力检测仪表电气式压力检测仪表：利用压力敏感元件，将被测压力转换成各种电信号，如电阻，频率，电压等。特点：动态性能好，线性度好，检测范围宽，输出信号适合远传，适用于压力动态变化的超高压的测量。1、压电式压力检测仪表原理：利用晶体的压电效应。晶体在压力作用下产生机械变形，引起垂直于变形方向两个表面上的电荷分离，形成电压输出。特点：结构简单，工作可靠，线性度好，频率响应快，量程范围大，适用于脉冲压力的测量。2、电阻式压力检测仪表原理：通过电阻应变片，将被测压力转换为电阻的变化量，再通过测量电路将电阻的变化量转化为便于输出测量的电流或电压信号，实现压力的检测。核心：电阻应变片，分金属电阻应变片和半导体应变片两类。金属电阻应变片：工作性能稳定，精度高，应用广泛。灵敏度较低。半导体应变片：灵敏度相对较高，动态性能较好，在动态压力检测中优势显著。返回3.5.4压力