化工装置仪表自动控制理论知识

其次部分

第六章化工仪表自动化

6.1概述

在化工等连续性生产设备上，配备一些自动扮装置，代替操作人员的部分

干脆劳动，使生产在不同程度上自动地进行，称为化工自动化。

实现化工自动化的目的是：加快生产速度，降低生产成本，提高产品数量

和质量;降低劳动强度，改善劳动成木;确保生产平安。

6.2自动调整系统基本溉念

6.2.1化工自动化的主要内容：

自动检测；自动爱护及报警；自动操纵及启停；自动调整。

6.2.2自动调整系统的组成

四部分：测量仪表、显示记录仪表、调整器、执行机构。

6.2.3自动调整系统的表示方法

干扰作用

限制流程图符号意义

安装位图形符安装位图形符

序号备注序号备注

置号置号

集中仪

就地安表盘后

1O4

装仪表安装仪O

嵌在管

表

道中

就

集中

地仪

仪

盘

盘后

面

表

表㊀

装

装仪

仪

安

2安5O

表

表

3

号

3会O

表

限制流程图字母意义

字母后继字字母后继字

第一位字母第一位字母

母母

被测变被测变

修饰词功能修饰词功能

量量

A分析报警P压力

C电导率限制Q数量积分累积

D密度差R放射性记录

E电压S速度平安开关

F流量比T温度传送

I电流指示V粘度阀

K时间W力

L物位Y

执行机

M水分Z位置

构

6.2.4自动调整系统的分类

1）按被调参数分类：流量调整、温度调整、压力调整、物位调整等。

2）按调整规律分类：比例调整、比例微分调整、比例积分调整、比例微分

积分调整。

3）按被调参数的变更规律分类：

（1）定值调整系统：给定值为常数；

（2）随动调整系统：给定值为变数，要求跟随变更；

（3）程序限制调整系统：按预定时间依次限制参数。

4）按信号种类分类：气动调整系统，电动调整系统。

6.2.5自动调整的过度过程和系统品质指标

1）限制系统的过渡过程：

在扰动或给定值变更的状况下，被控量偏离给定值和在限制调整作用下,

接近给定值或跟随给定值变更的过程。

2）限制系统的动态特性

被控参数向给定值变更过程的特性。

3）限制系统的静态特性

经过调整作用后，被控参数处于稳定范围时的特性。

4）飞升曲线：

在单位阶跃输入（因扰动或设定值变更，使被控参数和设定值之间出现阶

跃性变更）下，过度参数的变更曲线。

输

入

量

0tot时间

飞升曲线的四种形式

•1.发散振荡过程

5）限制系统的品质指标

最大偏差A；

衰减比（A-C）/（B-C）；4:1-10:1

余差C；

过渡时间t;

振荡周期To

6.3调整对象的特性

6.3.1化工对象的特点及其描述方法

调整效果取决于调整对象（内因）和调整系统（外因）两个方面。外因只

有通过内因起作用，内因是最终效果的确定因素。

设计调整系统的前提是：正确驾驭工艺系统调整作用（输入）及调整结果

（输出）之间的关系——对象的特性。

6.3.1.1对象特性的分类及探讨方法

所谓探讨对象的特性，就是用数学的方法来描述出对象输入量及输出量之

间的关系。

对象的数学模型可以分为静态数学模型和动态数学模型。

静态数学模型描述的是对象在稳定时（静态）的输入及输出关系；

动态数学模型描述的是在饰入量变更以后愉出量跟随变更的规律；

动态数学模型是更精确的模型，静态数学模型是动态数学模型在对象达到

平衡时的特例。

6.3.1.2系统的动态特性

对象受到干扰作月或调整作用后，被调参数跟随变更规律。

探讨系统动态特性的核心是：找寻系统输入及输出之间的（函数）规律。

系统输入量：干扰作用、调整作用。

系统输出量：系统的主要被调参数、副作用。

数学模型的表示方法：

非参量模型：用曲线、图表表示的系统输入及输出量之间的美系。

参量模型：用数学方程式表示的系统输入及输出量之间的关系。

6.3.1.3对象动态特性的探讨方法

1）理论分析:依据系统工艺实际过程的数质量关系，分析计算输入量及输

出量之间的关系。

2）试验探讨:有些系统的输入及输出之间的关系是比较难以通过计算来获

得的。须要在实际系统或试验系统中，通过一组输入来考察输出的跟随变更规律

——反映输入及输出关系的阅历曲线和阅历函数关系。

6.3.2对象理论数学模型的建立

一阶对象：系统输入、输出关系（动态特性）可以用一阶微分方程来表示

的限制对象。

积分对象:系统动态特性可以用一阶积分方程来表示的限制对象。

二阶对象：系统动态特性可以用二阶微分方程来表示的限制对象。

示例一：一阶对象

由体积守恒可得：

（Qi-Q2）dt=Adh

其中：Q2«h/Rs

Rs——局部阻力项

由此可得：

RsQi=h+ARs（dh/dt）

或.

KQi=h+T（dh/dt）

示例二：积分对象

由体积守恒可得：

(Ql-Q2)dt=Adh

其中：Q2=C

C——常数

由此可得：

Q1=Q2+A(dh/dt)

nV•

h=(l/A)f(QI-C)出

示例三：二阶对象

由体积守恒可得：

(Qi-Qi2)dt=Aidhi

(Qi2-Q2)dt=A2dh2

由此可得：

RzQi=h2+(AiRi+A2R2)(dh2/dt)+Ai

R2A2R2dh2/出2)

或：

KQi=h2+(Ti+T2)(dh2/dt)

22

+TiT2(dh2/dt)

6.3.3描述对象特性的参数

1)放大倍数K

在系统稳定条件下，输入量及输出量之间的对应关系——系统的静态特性。

如：h=KQ+C或Ah=KAQ

K值越大，系统灵敏度越高。

在实际工艺系统中，通常采纳比较K值的方法来选择主要限制参数。当然，由

于工艺条件和生产成本的制约，事实上并不肯定都选择K值最大的因素作为主

控参数。

2)时间常数T

在肯定的输入作月下，被调参数完成其变更所需时间的参数。

当对象受到阶跃输入作用后，被调参数假如保持初始速度变更，达到新的

稳定值所须的时间。

由于调整量越大，被调参数的变更越大。随着调整作用的进行，相对调整

量变小，被调参数的变更减小。所以，在阶跃输入后，被调参数的实际变更速度

是越来越小的。因此，被调参数变更到新的稳定值(及新输入量相对应的输出量)

所需的时间事实上应当是无限长。

3)滞后时间t

在输入参数变更后，有的输出参数不能马上发生变更，而须要等待一段时

间才起先产生明显变更，这个时间间隔称为滞后时间。

滞后时间按其产生缘由可以分为：

传递滞后：滞后期内无变更一新参数的作用结果还没有传递到输出点；

容积滞后：滞后期内逐步产生微弱变更——新参数的作用结果受到容积量

的缓冲。

示例四：一阶对象的放大倍数和时间常数

（Qi-Q2）dt=Adh其中Q*h/Rs

对于随意Qi输入，最终总能形成肯定的h,

使得：

Qi=Q2khzRs

一个Qi对应一个确定的h。

参数区事实上确定了稳定液位高度及给料量

之间的对应关系——比例系数或放大倍数。

当某一瞬间Qi从a增加/削减到b时，h须要

经过一段时间才能从XV应的hi增加/削减到h2。时间常数T即用于描述此过程的

快慢。

示例五：二阶对象传递滞后及容积滞后

当Qi发生变更后，须要经过时间ti,其新

流量才能进入被控系统——传递滞后。

Qi变更后的流量进入被控系统后，首先使

%逐步发生变更；经过时间t2后，X有了较大变

更，才引起Ql2发生明显变更，并进而导致h2起

先发生显著变更一容积滞后。

634对象特性的试验探讨

“科学，，和，，技术，，具有不同的范畴，很多困难

的过程不能通过理论分析得出显性表达式；理论推导通常忽视一些影响因素，而

这些因素对实际结果具有相当的影响;通过试验获得阅历方程有时比理论推算更

便利。

对象特性探讨的目的在于获得以下参数：

输入及输出的对应关系——对象的静态特性；

调整作用的时间营数及滞后时间一对象的动态特性。

6.3.5对象特性的试验探讨方法

1）多点拟合法：在调整量的全部变更范围内，按肯定规律依次取值试验，

分别记录被调参数变更规律，并进而分析各种静态特性和动态特性参数。优点:

结果比较精确。缺点：时间长，代价大。

2）阶跃反应曲线法：通过调整量的一个阶跃变更找寻对象的动态特性，优

点：简洁易行。缺点：精度低。

3）周期脉冲法：通过调整量的周期变更（矩形波或正弦变更），获得对象

的动、静态特性。优点：能反应条件波动时的结果。缺点：小能用于大滞后系统。

636对象特性试验留意事项

试验应在其它条件相对相对稳定时进行；条件变更及结果记录应同时进行,

以便分析滞后时间；试验结果的记录应持续到输廿量达到稳定态为止；尽可能增

加试验点数，必要时可进行重复试验，以提高精度；对试验数据中的奇异点，要

仔细分析，尽量解除。

留意试验中的异样变更，必要时做好预防措施，以策平安。

6.4测量元件及变换器

6.4.1概述

6.4.1.1参数的测量

1）参数检测：将被测参数经过一次或多次能量的交换，获得一种便于显示

和传递的信号的过程。

仪

表

显

示

值

被测变量

依据信号的不同，参数检测仪表可以分为气动检测仪表和电动检测仪表两

类。

、2）非电量的电测法：将非电量工艺参数，如压力、温度、流量、物位等，

转换为电流、电压等电路参数（信号）的检测方法。

6.4.1.2检测仪表的性能

1）精确度及误差

（1）精确度：测量值及被测量真值的接近程度；

（2）肯定误差：测量值及被测量真值之差；

（3）相对误差：肯定误差及被测量真值之比；

（4）实际相对误差：肯定误差及被测量真值之比；

（5）示值相对误差：肯定误差及仪表指示值之比；

（6）引用相对误差：肯定误差及仪表满刻度值之比。

（7）允许误差：最大引用相对误差。

2）指示变差及精密度

（1）指示变差：同一仪表对相同的被测参数进行正、反行程测量时，其显

示值的差异。

（2）精密度（简称精度）：仪表检测微小参数变更的实力。

（3）仪表精度等级：用允许误差的肯定值表示：

常用仪表等级有：0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,

4.0,5.0等。

（4）精确度：仪表精密而精确的程度。

3）灵敏度、灵敏限及辨别率

（1）灵敏度：仪表的指示位移变更量及被测参数变更量之比。

（2）灵敏限：能引起仪表指针发生位移变更的被测参数的最小变更量。

（3）辨别率：测试仪表数字显示器的最末位数字间隔所代表的被测参数变

里里。

4）线性度及反应时间

（1）线性度：测量仪表在全量程范围内实际校准值及理论对应值的吻合程

度。

（2）反应时间：显示值变更相对于实际值变更的滞后时间。

6.4.1.3检测系统的构成

显示

被

敏信信

测信

号

参感号

变号

数元传

换测记录

件输量

限制

PLC

6.4.2压力的测量及变送

6.4.2.1压力的表示及单位

肯定压力：单位面积所受到的力

相对压力（表压）：肯定压力及大气压之差

真空度：大气压及肯定压力之差

表压标准大气压

真空度

肯定压力

压力（压强）的单位：压强（俗称压力）：单位面积所受到的垂直作用力。

工程上的“压力”及力学中的“压力”小表示同一个概念。

帕PaN/m2亳米汞柱mm

兆帕MPa106N/m2水柱m

工程大气压10mH2O巴dyn/cm2

物理大气压20℃海平面psilb/in2

6.4.2.2压力计的分类及工作原理

工业压力计通常按敏感元件的类型进行分类：液柱式压力计、活塞式压力

计、弹性式压力计、电气式压力计

1）液柱式压力计

测量原理：P=hy所以h=P/Y

单管压力计U型管压力计斜管压力计

2）活塞式压力计

测量原理：P=G/S

所以G=P-S

精确度高，常用作标准仪表，检验其它压力计。

3）弹性式压力计及常用压力表

工作原理.：采纳弹性元件将压强大小转换为位移量，再通过机械传动和放

大，推动指针偏移。

依据敏感元件形式的不同可以分为以下3类：弹簧管式压力计；薄膜式压

力计；水纹管式压力计

4）电气式压力计及信号转换

电气式压力计，事实上是将弹性元件、液柱式压力计所产生的微小位移或

活塞式压力计所产生的力转换为电信号输出的一类压力计。

电气式压力计通营两部分组成：

（1）一次仪表（压力探头）：将压力转换为微弱电参数；

（2）二次仪表：将微弱电参数转换为标准电信号。

（3）电气式压力计一次探头

常用电参数有：电阻、电感、电容、电压等。

常见压力变换器（压力探头）有.：应变式压力变换器；压电电阻式压力变

换器；电感式压力变换器；电容式压力变换器；霍尔片式压力变换器。

①电阻应变式压刀计一次探头。

电线的电阻为：R=pL/S,当电线受到拉（应）力作用时，L变大，S变小,

R变大。

当粘一组串联平行细导线（电阻应变片）的金属（弹性元件）因压力变更

而发生微小变形（应变）时，细导线的电阻随之发生变更。从而，将压力参数转

化为电阻参数。

②电感式压力计一次探头：

磁路的磁阻及铁芯的间隙相关。所以，当衔铁或铁芯的位置发生变更时,

其电感也随之发生变更。从而，可以将位移量转叱为电感量。

③电容式压力计一次探头：

电容器的电容量：C=£S/do当S或d发生变更时，电容量发生变更。

④霍尔式压力计一次探头：

霍尔半导体在垂直电流和磁场的作用下，会产生侧向电压：UH=RHBI

（4）电气压力计前置放大器：

传感元件的参量变更通常是特别微弱的，不能进行远距离传送，须要进行

初步放大。

电阻和电容传感器一般采纳电桥放大，以电压方式输出；

电感式传感器一般采纳振荡电路放大，以频率方式输出：

电压传感器一般灭纳直流放大器，以电压或电流方式输出。

供桥J输出

电压

11输仁+电压

电压

输出输出

电压频率

（5）电气压力计二次仪表作用：将传感器信号转换为标准通讯信号。

DDZIH型仪表标准通讯信号为：4~2（）mA。

智能型压力传感器在二次仪表中另外附加一些功能，如I：模/数转换及数据

通讯，工程单位转换，信号（变更）阻尼，故障诊断等。

6.4.23压力计的选型

选型内容：

1）类型选择

（1）功能：显示、报警、记录、传送（数字、模拟）；

（2）介质条件：温度、腐蚀性、粘度、脏污程度等；

如：氨气表防腐，氧气表禁油。

（3）环境条件：温度、振动、电磁场等。

2）量程及盘面大小；

①工作压力不小于1/3量程，不大于2/3（1/2）量程。

②盘面大小应便利安装和视察。

3）精度等级：依据工艺须要确定。

4）常见压力传感器外形

6・424压力计的安装

1）取压位置：由工艺条件确定；尽量避开涡流影响；避开流速影响；避开

导压管产生压差。

2）隔离

①温度隔离：采纳铜管散热；

②腐蚀性隔离：夹纳隔离箱（凝液管）；

③脏污隔离：采纳空气包。

6.4.3流量的测量及变送

6.4.3.1按测量途径分类：

①速度式流量计：通过测量过流速度，用过流面积换算成流量。

②容积式流量计：采纳固定溶剂空间逐次衡量过流容积。

③质量流量计：计量可压缩流体的质量通过量。

6.43.2速度式流量计

依据测速方法可以分为以下几类：压差流量计；转子流量计；电磁流量计;

超声波流量计；涡轮番量计；堰式流量计；

1）压差流量计

由流体力学学问可知，流体通过孔板节流装置后，会产生肯定的压降。依

据流速和压降的关系兀以推导出下列方程：

通过测量孔板前后压差即可计算出流速和流量。

2）转子流量计

垂直流道中的金属转子在压差力和重力的共同作用下平衡。

压差及流速有关；流速取决于转子的位置。由转子高度可干脆读取通过的

流量；测量转子位置正进一步获得相应的电气信号。

3）电磁流量计

当流道两侧有磁场作用时，导电流体在流淌过程中切割磁力线，产生感应

电动势：

Ex=BDvxlO12

所以有：Q=KEx

电磁流量计由两部分组成：

（1）电磁流量变换器：由带激磁线圈的绝缘测量管产生电势信号。

（2）二次仪表：供应激磁电源，将变换器输出的微弱电势信号进行放大，

并输出相应的电流信号。包括前置放大、主放大、相敏检波、功率放大、霍尔反

馈（克服电源波动）、电源等。

4）超声波流量计

多普勒效应：当一束波射向移动的物质并产生散射时，其散射波的频率会

产生变更（频移），且频率变更量及物质的运动速度成正比.

/=|4一/入卜］（cos/.sin?.%

超声波流量计的特点：非接触式测量；流体中须要有散射粒子（微泡或颗

粒）。

6.4.33容积式流量计

容积式流量计主要包括两类：

1）齿轮式流量计：

一对紧密啮合的齿轮及壳体之间形成固定的间隙空间，齿轮每旋转一周，

有固定流体通过间隙输送通过。流体通过量及齿轮转数成正比。

2）活塞式流量计：利用活塞的每一次往复运动输送定量的流体。

3）计量泵：用外力推动容积式流量计即可定量输送流体。

容积式流量计的最大特点是对被测流体的粘度不敏感，常用于测量重油等

粘稠流体。

6.4.3.4质量流量计

1）间接式质量流量计：分别测量体积流量和密度再用乘法计算出质量流量。

2）干脆式质量流量计：利用科氏力的作用使弯曲的弹性管道两侧产生振动

相位差。

644物位的测量及变送

6.4.4.1物位相关概念：

1）液位：容器中液体表面的凹凸；

2）料位：容器中固体的积累高度；

3）界面：两相物质的交界面。

6.4.4.2物位计的分类

直读式物位计；浮力式物位计；压差式物位计；电磁式物位计；核辐射式

物位计；超声波物位计；光电式物位计。

6.4.43直读式物位计

用带有刻度的透亮物质（如玻璃、有机玻璃）作为容器壁的一部分或连通

管，可以干脆显示容器内液位的凹凸。

6.4.4.4浮力式物位计

利用浮子高度随液面或液体界面变更而变更的原理工作。

液体密闭容器液体敞开容器固体称重仓

6.4.4.6电容式物位计

圆柱形电容器的电容量的表达式为:

电极间充入高度为H的介质前后电容量的变更值为：

_2在"2您o（L-D）2%L_

C—--R-DH-K，H

In—In——In—In

ddd

由此可见，电容量的变更量及充料高度成正比。测量电容量变更即可知料

位的变更。

电容式液位计：主要用于测量不导电流体。

II

电容式液位计电容（绳）式料位计

6.4.4.7电极式物位计

利用物料的导电性能测量凹凸液位。也可以用于导电性较弱的液体和潮湿

6・4.4・8核辐射式物位计

放射线通过介质时，其强度衰减及物质的汲取系数和介质层厚度有关:

目前,工业上运月的放射线物位计有连续式和间断式两种。

6.4.4.9超声波物位计

利用声波在空气中传播速度不变的原理.，通过检测声波放射和反射全过程

的时间间隔可以计算出物料界面到探头的距离，从而得到物位的凹凸。

留意事项：确保反射波能回到探头；防止物料对声波的汲取(如表面泡沫

漂移)。

6.4.5温度的测量及变送

6.4.5.1相关介绍

温度是化工过程中最普遍而重要的操作参数；

全部的过程都是在肯定的温度条件下进行的；

温度确定一些反应能否进行和反应方向；

温度确定一些反应的进程程度；

温度显示反应的能量变更。

温度不能干脆测量。温度的测量都是通过温度传递到敏感元件后，其物理

性质随温度变更而进行的。

6.452常用温度计的种类及适用温度

玻璃液体:-50~600°C

双金属:-80~6()(i°C

液体:-30~600℃

压力式气体：-20〜6(X尸C

接触式蒸汽:0~250。。

柏德-伯：0~1601尸C

热电保银馅一银硅:一50~1()00℃

温度计

银格-考铜：-50~600℃

热电阻钳:一20()〜600℃、铜:-50~150℃

热辐射:400~2000℃

辐射或光辐射:700~32(XFC

非接触式比色:900~170>C

光电式:0~35(XTC

红外线

热电式:2(X)~2000°C

6.4.5.3膨胀式温度计

玻璃液体温度计：利用液体受热膨胀并沿玻璃毛细管延长而干脆显示温度。

.金属温度计：不同金属受热膨胀不同，双金属片在受热状况下发生弯曲

而显示温度。

6・4・5・4压力式温度计

利用液体的蒸发或气体的膨胀而引起的压力变更进行测量。

温包：传热、容纳膨胀介质；

毛细管：传递压刀；

弹簧管：显示压刀（温度）。

6.4.5.5辐射式温度计

通过特定波长光波的强度或热辐射强度来确定光源温度。

辐射式温度计：测定热辐射强度；

光学温度计：采纳光学分频法，测定不同频率光波的强度比值；

比色法：干脆通过可见光颜色的对比，确定光源温度。

辐射式温度计，通常用于测量高温条件，特殊是光学温度计和比色温度计

须要利用物体在高温下放射的可见光进行检测。

6・4.5.6热电偶温度计

1）热电偶工作原理

不同金属具有不同的电子密度；两种金属接触面因为电子的扩散作用而产

生电场一热电现象；电子在扩散作用和电场力作月下最终达到平衡；电子的3'.散

及温度相关，温度越高，扩散作用越强。

扩散作用

金属A金属B

电场作用

2）热电偶的材质及选择

热电偶的材质要求：单位温度变更的热电势大，且尽量接近线性关系；热

电性质稳定；化学稳定性好：高温下抗氧化，抗腐蚀；具有较好的延展性，易于

加工；复现性好，便于批量生产和互换。不同材质的热电偶有不同的特性，应依

据实际须要选择测量范围、放大系数（以分度值表示）、测量精度、抗腐蚀实力、

价格等。

3）热电偶的结构厂丁

热电极（，一二

工作部分।1

绝缘子

防止电极及电极、套管短路二百二一

爱护套管

爱护―-」「.

接线盒

4）热电偶回路一「厂-

不同金属连接在一起都构成热电偶作用；

热电偶回路电动势为各接点热电势的总和；

对于有外接导线的热电偶回路，其总电动势为热端及冷寸吩

端热电动势之差。冰

热电偶测量的关键是如何保证冷端的温度。发

©八8（‘）+e8c（‘o）+ea（'o）

5）热电偶的补偿

（1）热电偶的导线补偿：用廉价材料将冷端延长到温度相对稳定的限制室

内：

（2）冷端温度补偿：将冷端浸泡在恒温的冰水中；采纳电路差减法消退冷

端热电势。

补偿导线补偿导线应及热电

+偶的电极材料协作

热运用；补偿导线的

电测量电路材质不同，接线时

偶应特殊留意不能接

错

6.4.5.7热电阻温度计

1）测量原理

利用金属电阻随温度变更的规律进行测量；测量金属在不同温度下电阻值

的变更。

2）工业热电阻温度计主要有两种材质:

一电阻;0-650℃,PtlO,Pt100

铜电阻：-50~+150。（2,Cu50,Cui00

3）结构：一般型，铠装型,薄膜型

6.4.5.8电动温度计的二次仪表

1）功能：

对信号进行放大和转换；

信号的线性化。

2）组成部分：

输入电桥；

放人器；

反馈电路；

电源电路。

6.4.5.9测温元件的安装留意事项

确保测温元件及被测材料有充分的接触；保持接线盒清洁干燥；防止热量

散失；运用规定的补偿导线，并确保正确接线；一次仪表及二次仪表间的信号线

尽量小要有接头；信号线尽量单独穿管敷设。

6.5显示仪表

6.5.1概述

用于参数的指示、记录、累积的仪表。

显示仪表的分类：

数字量显示：数字显示仪

气动显示仪表

动圈式显示仪表

显示仪表模拟量显示电动显示自动电子电位计

O0Z记录仪

机械显示

图象显示

6.5.2动圈式显示仪表

6.5.2.1概述

动圈式显示仪表的实质就是指针式电流/电压表。其核心部件是一个磁电式

毫安计。

动圈式显示仪表通过肯定的内置电路可以干脆用来作为热电偶、热电阻，

以及电流或电压的显示。

部分显示表还附昔有模拟量输出，以实现简洁的限制功能。

6.5.2.2动圈显不基本原理

磁场中，一个用弹性张丝悬挂的线圈，当线圈有电流通过时，线圈在电磁

力的作用下发生偏转；在电磁力矩及张丝的弹性刀矩平衡时，线圈达到最大偏转

角并稳定下来。指针及线圈相连，指示电流大小。部分动圈仪表采纳螺旋弹簧（游

丝）代替张丝作为弹性体。

动圈的内部结构——温补及调整

温度补偿：采纳热敏电阻抵消线圈。热效应。

调零：调整张丝或游丝的固定点。

校准：调整内部电阻。

阻尼：采纳并联电阻短路感应电动势。

6.5.2.3动圈式显示计一热电偶温度显示、电压电压及电流显示

校准后的动圈就是一个包含内阻I•的电流表（毫安计）。

毫安计串联一个可调小电阻，使回路总电阻肯定时，即可用于测量小电压

——热电偶的输出。

亳安计串联一个大电阻，使回路其它电阻忽视不计时，即可用于测量大电

压---一般电压表。

毫安计并联一个个电阻，使毫安计内阻r忽视不计时，即可用于测量大电

流——一般电流表。

/="/（%+/+厂）

/=/(JR/(R+r)]

6.5.2.4电桥及电阻测定——热电阻温度计的显示

电桥的输出电压可以表示为：

(&+△《+&+△&)(&+△&+%+△&)°

对于等臂电桥，并忽视高阶小项后可以表示为:

△R、—△/?)-bR、+A/?4

U=

4R

电桥具有“邻减对加”的特性。

对于热电阻温度变换器，考虑到导线电阻随温

度的变更，其输出电压可以表示为：

△R、—bR[T

A/?3=0

△%=0

U(AR7+A3)-(A3)-()+()U=%AR

4R°4Rr

6.5.2.5动圈式显示仪表测温留意事项

型号意义：

XCZ：显示、磁电、指示

XCT：显示、磁电、限制

留意配套运用；适当调整外接电阻；运输时，短路爱护。

6.5.3自动电子电位差计

当电路中有两个电位相反的电源时，总电势为两个电源电势之差。假如两

个电源的电动势相等，则回路电流为冬。

电桥输出为零的条件为：

E=fu。斗

从电流表并联出信号并放大驱动可逆电机即可实现自动平衡。

6.5.3.1热电偶——自动电位差计测温系统构造

热

放

测

可

电

大

昼

逆

偶

器

电

电

桥

机

稳压电源

653.2热电阻——自动电位差计测温系统

放

可

热

大

逆

电

器

电

阻

机

稳压电源

6.5.33两个系统比较

项目热电偶系统热电阻系统

输入信号电动势电阻

电桥输出E0

冷端温度补偿无

接线方式双补偿线，桥中三线，桥臂

电源直流直流或沟通

6.5.4DDZIU光柱显示报警器

信号：直流，电压：1~5V,电流：4~20mA

电源：直流：24V,沟通：220V

6.5.5A/D转换及数字显示仪

模拟量信号：以连续变更的物理量的大小模拟实际参数的大小。

数字量信号：以脉冲数表达的实际参数的大小。

数字显示仪的主要功能：将模拟量信号转换为数字量信号，并用数字符号

显示出来。

数字显示仪有单独的标准化（DDZ山系列）仪表。有些测试仪表的二次仪

表也附带内置的数字显示仪。

6.5.5.1数字式显示仪表的分类

电

压显示仪

型

数

字显示报警仪

显

示

仪

表显示输出仪

频

率显示记录仪

型

显示报警输出记录仪

655.2数字式显示仪表结构原理

检

测

变

送

1）A/D转换

功能：将电压信号转换为数字脉冲信号；输入及输出电位隔离。

构成：低精度时干脆用集成芯片转换；高精度时分段采纳集成芯片转换。

对以电流方式输入的信号，先转换成电压信号。

2）电子计数器

功能：将A/D转换输出或测试仪表的数字输出按10进制进行分段；

构造及工作原理：一般由多个双稳态触发器串联组成；通过依次触发，实

现进位。

3）寄存.器

功能：短暂储存电子计数器输出结果；隔断计数器非信号输出；依据后续

恳求定时输出数字信号。

结构：一般干脆采纳RAM芯片构成。

4）译码器

功能：将数字信号翻译为十个数字状态；将每个数字翻译为对应管脚信号。

构造：通常由及显示器配套的专用芯片实现。

5）显示器

功能：显示数字

分类：辉光数码管；发光二极管；液晶显示器

6.5.6无笔无纸记录仪

无纸、无笔显示记录仪事实上是一台简化的计算机系统。

6.5.6.1主要配置：

CPU：工业专用微处理器；

主板：专用。包括：ROM,RAM,时钟电路

接口电路：

1）键盘限制器：接而板膜式键盘；

2）显示限制器：接液晶显示器；

3）打印限制器：接微型打印机；

4）通讯限制器：外接计算机（PC）；

5）A/D转换器：接测试仪表（模拟量）。

6.562主要功能

1）显示：

柱状图显示、数学显示、实时变更趋势曲线

设定极限、报警；

时间、单位

2）简易编程——组态

3）具有格式化的简易编程功能

4）历史记录

5）通讯

6.6自动限制仪表

6.6.1概述

1）限制系统按被调参数的变更规律分类：

（1）定值调整系统：给定值为常数；

（2）随动调整系统：给定值为变数，要求跟随变更；

（3）程序限制调整系统：按预定时间依次限制参数。

2）限制目的的实现：

通过人为设定或计算机程序干脆给出肯定的输出——简洁；

将设定值及实测值进行比较，以其差值大小限制调整器动作，直至差值达

到允许的误差范围。

3）限制仪表的分类：

（1）基地式限制仪表

检测、限制、显示组合在一起的一类仪表。

（2）单元组合式限制仪表

在系统规定的统一的通讯方式下，按要求给出相应的限制信号。

（3）计算机限制系统

以计算机为中心限制单元，以测试仪表、执行机构等单元为外围设备的系

统。

6.6.2基本限制规律

限制规律：限制系统输入及输出之间的关系。

按限制目标分类：

1）限位限制：在输出超出设定的上下限时限制器变更输出状态；

2）连续限制：依据测量值及设定值的差异1差值）连续调整输出（限制参

数）。

6.6.2.1限位限制

1）限制规律：

AB断开，低位，开启阀门；

AC导通，高位，关闭阀门。

限制结果：将液位限制在BC之间

控

2）限位限制的过渡曲线

□

3）限位限制器电路举例

AB断开——阀门开启；AC接通——阀门关闭

662.2连婕限制——而"限制

依据输入量及设定值差异的大小连续调整输出量的大小。

分类：

P限制—比例限制

PI限制—比例积分限制

PD限制一比例微分限制

PID限制—比例微分积分限制

1）P调整

输出量及被控量的差值成正比。P=KPe

放大倍数KP：输出量及被控量的差值的比例系数。

比例度3：限制器输入变更相对值及相应的输出变更相对值之比的百分数。

放大倍数KP及比例度6成反比

KP（8）值的影响:

KP值过人（6值过小）：系统反应过于灵敏，简洁造成过度调整，产生人幅

振荡。

KP值过小（3值过大）：系统反应过于迟钝，调整时间长，余差大。

KP值（5值）适中：经过少数几个减幅振荡后，渐渐趋于稳定，有肯定的

余差。

2）PI调整

加入积分调整的目的：缩短大偏差的调整时间，消退余差。

积分调整方法：输出量及输入偏差对时间的积分成正比。

对于较大的偏差，简洁导致调整时间过长，调整量过大而出现超调。因而

通常及比例调整共同运用。

积分时间Ti的影响：

Ti值过小：系统反应过于灵敏，简洁造成过度调整，产生大幅振荡。

Ti值过大：积分作用不明显，调整时间长，余差大。

Ti值适中：经过少数几个减幅振荡后，渐渐趋于稳定，无余差。

3）PD调整

加入微分调整的目的：防止出现超调现象。

积分调整方法：输出量及输入偏差对时间的微分成正比。——依据被控参

数变更的快慢进行调整，属超前限制。

对于固定的偏差，没有输出。因而不能消退余差，通常及比例调整共同运

用。

微分时间TD的影响：

TD值过大：系统反应过于灵敏，调整时间长，余差大，有时甚至会出现大

幅振荡。

TD值过小：积分作用不明显，超调量大。

TD值适中：经过少数几个明显减幅振荡后，渐渐趋于稳定。特殊是对有较

大滞后的系统作用尤为明显。

4)PID调整

同时采纳比例、积分、微分调整方法。

通过适当调整比例常数、积分时间、微分时间等三个参数的大小，确定各

种调整作用的强弱。

采纳比例积分微分(PID)调整，既能快速进行限制，又能消退余差，对反

应较慢的系统也能进行有效的限制，因而具有较好的限制性能。

PID限制方法是目前参数连续限制系统中普遍采纳的限制方法。

几种调整方法的比较

P调整“

m=Kp£

PI调整r

m=Kp.+K/J.力

PD调整

PID调整l加

m=ni+in,+m=+—f£•dt+T—)

pDT.JDdt

X

I调节

p调节

PD调节-一

HD调节PI调节

6.6.3模拟量PID限制器

6.6.3.1基本构成

比较环节：将测量值及设定值进行比较（电流、电压、气压相减），产生偏

差信号。

口放大器：将偏差信号、反馈信号、载波信号叠加后进行放大。

反馈环节：将输出信号通过肯定的运算关系反馈到放大器的输入端，以实

现比例、积分、微分等限制规律。

6.6.3.2DDZ—III电动限制器

1）仪表的特点

采纳国际电工委员会（IEC）举荐的统一标准信号：4〜20mADC或1〜5VDC,

信号电流及电压的转换电阻为2500。

高度集成化，牢靠性高，修理量少。

全系统统一采纳24VDC电源供电，单元仪表无须单独设置电源。

功能齐全，结构合理。

具有本安（本质立安）性能。

2）基本功能

（1）限制功能

自动限制：针对偏差，按PID规律自动调整输出。

手动限制：由人二干脆设定输出值一遥控执行器。

软手动：输出随时间按肯定的速度增加或减小。

硬手动：瞬间干脆变更输出值。

（2）显不功能

输入显示、设定值显示、手动给定显示、输出显示、（输出）限位报警。

（3）调整功能

给定输入调整

限制参数整定

3）无干扰切换：在不同的限制方式相互切换过程中，输出参数和系统状态

不发生突变。

无干扰切换的实现：在切换前，调整手动输出参数或设定值，使输出值及

自动输出值保持一样。

3）结构原理

4）外形结构

仪表整体为长方体，伸入限制箱（盘）内部

PID参数设定位于仪表内部，拉开整个仪表，可用螺丝刀调整变阻器。

6.6.4数字量限制器

通过A/D,D/A转换，可以实现模拟量及数字量之间的相互转化。

1）数字量限制器的基本结构原理为：

模拟量信匕「=

---------A/D

模拟量信号,

DIO

4w-

2）数字量限制器的分类

单回路数字限制器:为适应DDZ系列单元模式（功能、外形）而设计的简

易计算机限制系统。

PLC限制器:具有大量I/O接口的专用计算机系统，通常运用特地的编程语

言。

商用计算机:基于高性能商用CPU的计算机系统，可运用多种高级语言，具

有一般家用计算机的全部功能。

6.7执行器

6.7.1相关学问

执行器得作用：将限制器的输出转化为对被操作对象的实际操作（动作）。

依据动作能源的大同，执行器可以分为以下三类：

气动执行器：以气压为动力，推动机构动作。

电动执行器：以电动机作为动力源，推动机构动作。

液动执行器：以液压站供应的流体（液压油）高压为动力源，推动机构动

作。

6.7.2气动执行器

执行机构

执行器的推动装置。

薄膜执行机构：气压推动薄膜并带动连杆运动。

活塞执行机构：气压推动活塞并带动连杆运动。

限制机构：干脆作用于对象，并使对象的运动发生变更的装置。

6.7.2.1气动执行机构

输入信号：空气压力：0.02~0.1MPa

输出按连杆最大位移——行程确定规格：10,16,25,40,60,100mm

气动弹簧执行机构：在薄膜或活塞上增加弹簧，使其行程及气压成正比一

常用于连续变更量的调整。无薄膜气动执行机构，常用于开关方式调整。

6・7.2.2限制机构

1）作用及分类

作用：干脆作用于对象，并使对象的运动（如流量）发生变更。

由于被控对象千差万别，限制机构的形式也各不相同，如调整阀、调压变

压器、变速器、振动给料机等等。

化工系统中最常月的限制机构为各种形式的限制阀。

2）各种形式的限制阀：插板阀、浆液阀；单座、双座限制阀；隔膜限制阀;

蝶阀；球阀；旋转阀；套筒阀。

3）限制阀的理论流量特性

被控介质流过阀门的相对流量及阀门相对开度（相对位移）间的关系。

Q/Qmax=f（1/L）

（1）直线特性：Q/Qmax=K（l/L）+C

（2）对数特性：Q/Qmax=R（1/L-11

（3）抛物线特性：—卜力调

（4）快开特性：

4）限制阀的实际流量特性

限制阀在调整过程中，同时将引起管道工况点的变更，进而使阀门两端压

差发生变更。

阀门两端压差的变更又反过来影响通过阀门流体的流量。

因此，除非是简洁的两端恒压（如水池放水阀），阀门的实际流量特性通常

是特别困难的。

例：水泵出口阀门的调整特性

5）限制阀的选择

结构选择：依据工艺条件（温度、压力等）和介质的物理、化学性质（腐

蚀性、黏度等）进行选择。

流量特性选择：依据工艺须要并结合整个管路系统的工况点（管路流量特

性）选择。

气开式及气关式的选择：依据气源断开的平安性结合执行机构形式选择。

阀门口径的选择：依据实际流量调整范围选择。

6.7.23气动执行机构的安装及修理保养

位置选择应留意便利安装修理；

环境温度：+60℃-40℃;

尽量直立安装在水平管道上，其它安装方式应加设支撑架；

限制阀前后一般应安装手动截止阀，以便修理；

安装前应进行清洗；

定期维护检修。留意视察密封及磨损状况。

6.7.2.4电一气转换

在电控系统中，运用气动执行机构必需进行电一气转换。

将限制器输出的直流电信号转换为气压信号；

将执行器的位置信号（气压）转换为电信号，反馈给限制器，以便限制器

能精确的进行限制。

6.7.3电动执行器

以电动机为核心动力源，将限制器输出的宜流电信号干脆转换成相应的用

位移或直线行程的机构。

1）电动执行机构的分类：

（1）角行程电动执行机构：使输出轴产生0〜90。角位移；

（2）直线行程电动执行机构；

（3）多转式电动执行机构；

2）电动执行器的结构原理：

电动执行器的选择

电动执行器及气动执行器的差异主要执行机构，其限制机构基本相同。

电动执行器的选择：依据限制机构选择执行机构；依据扭矩选择角行程执

行器；依据轴位移选择直线行程执行器：依据阀门型号选择多转式执行器。

输

6.7.4电一液执行器反

入

电一液执行器的结构原理：以直流电信号为限制信号，馈

信

以液压为动力的执行器。信

号

号

主要用途：及大功率、大位移限制机构配套，用于大

型设备的限制。如：大型高压阀门的限制。电控系统

通常，防爆性能较差，不能用于易燃、易爆及高温场

位置

所。