《化工自动化及仪表》全套课件

化工自动化及仪表目录◆第一章◆第二章◆第三章◆第四章◆第五章◆第六章◆第七章自动控制系统概述过程特性检测变送显示仪表执行器

控制器简单控制系统的设计、投运及调节器参数的工程整定◆第八章复杂控制系统课程的重要性：控制系统在石油、化工、制药、冶金、造纸等工业领域的应用非常普遍。生产过程中，对工艺变量，有着一定的控制要求。如：精馏塔的塔顶或塔釜温度，在操作压力不变的情况下必须保持一定，才能得到合格的产品。化学反应器的反应温度必须保持平稳，才能使效率达到指标。因此，工艺技术人员必须充分了解所用的控制系统，以及控制系统的特性。这样才能设计出合理、高效的生产工艺。使用常规仪表的中央控制室DCS控制系统第一章

自动控制系统概述本章的主要内容：自动化及仪表发展概述自动控制系统控制系统过渡过程及品质指标1.1

自动化及仪表发展概述1.1.1控制理论的发展1）经典控制理论:20世纪40～50年代Nyquist(1932)频域分析方法

Bode图(1945)分析方法根轨迹(1948)分析方法特点：主要从输出与输入量的关系来分析与研究问题。适用范围：线性定常的单输入、单输出控制系统。它是以传递函数为基础，在频率域对单输入单输出控制系统进行分析与设计。PID控制规律是经典控制理论最辉煌的成果。2）现代控制理论:20世纪60年代得到迅猛发展。其主要内容为：线性系统理论，最优控制理论，最佳估计理论，系统辨识。特点：从输入-状态-输出的关系，全面地分析与研究系统。适用范围：不限于线性定常系统，也适用于线性时变，非线性及离散系统，多输入、多输出系统。3）大系统理论:20世纪70年代开始将现代控制理论与系统理论相结合形成大系统理论核心思想：系统的分解与协调适用范围：高维线性系统1.1.2控制仪表的发展基地式：20世纪50年代，适用于单回路单元组合式（按功能）：DDZ（电动）,QDZ（气动）20世纪60年代，单元之间用标准统一信号联系计算机：DDC,DCS

（20世纪70年代）自动化仪表的发展经历了如下过程：模拟仪表--数字仪表--智能仪表。1.1.3当前自动控制系统发展的主要特点•生产装置实施先进控制成为发展主流•过程优化受到普遍关注•DCS正在走向国际统一标准的开放式系统•综合自动化系统（CIPS）是发展方向自动控制系统自动控制系统蒸汽汽包省煤器给水图1-1锅炉汽包示意图手动控制的步骤：

(1)观察液位数值；把观察到的实际数值与设定值加以比较，根据偏差的大小及变化情况做出判断，并发布命令。根据命令操作给水阀，使液位回到设定值。蒸汽汽包省煤器给水锅炉汽包自动控制系统加热炉的温度自动控制系统蒸汽汽包省煤器给水锅炉汽包自动控制系统示意图术语被控过程（被控对象）：自动控制系统中，针对需要控制的工艺参数的生产过程（设备或机器特性）。被控变量：被控过程内需要控制的工艺参数。被控过程：汽包被控变量：汽包液位操纵变量：受控

制器操纵的用以克服干扰的影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量。扰动：除操纵变量外，作用于被控过程并引起被控变量变化的因素。操纵变量：水的流量扰动：水压力、蒸汽压力等蒸汽汽包省煤器给水锅炉汽包自动控制系统示意图设定值：工艺参数所要求保持的数值。偏差：被控变量设定值与实际值之差。负反馈：将被控变量送回输入端并与输入变量相减（负反馈闭环的才可以独立工作）。蒸汽汽包省煤器给水锅炉汽包自动控制系统示意图加热炉的温度控制系统被控过程：加热炉被控变量：物料出口温度操纵变量：燃料油流量扰动：被加热原料油温度、燃料油热值等1.2.2闭环控制与开环控制闭环控制：在反馈控制系统中，被控变量送回输入端，与设定值进行比较，根据偏差控制被控变量，这样，整个系统构成了一个闭环。➢闭环控制的特点（优点）：按偏差进行控制，使偏差减小或消除，达到被控变量与设定值一致的目的。➢闭环控制的缺点：控制不够及时；如果系统内部各环节配合不当，系统会引起剧烈震荡，甚至会使系统失去控制。开环控制：➢开环控制的特点（优点）：不需要对被控变量进行测量，只根据输入信号进行控制，控制及时。➢开环控制的缺点：由于不测量被控变量，也不与设定值相比较，所以系统受到扰动作用后，被控变量偏离设定值，并无法消除偏差，这是开环控制的缺点。开环控制举例fFT

LTFd1CF汽包省煤器给水开环的液位控制系统（按扰动控制，又称前馈控制）蒸汽蒸汽汽包省煤器给水锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包开环控制1.2.3自动控制系统的组成及方框图（第二次课）在研究自动控制系统时，为了更清楚的表示控制系统各环节的组成、特性和相互间的信号联系，一般都采用方框图。每个方框表示组成系统的一个环节，两个方框之间用带箭头的线段表示信号联系；进入方框的信号为环节输入，离开方框的为环节输出。闭环控制系统组成•检测元件和变送器的作用是把被控变量c(t)转化为测量值y(t)。•比较机构的作用是比较设定值r(t)与测量值y(t)并输出其差值。•控制装置的作用是根据偏差的正负、大小及变化情况，按某种预定的控制规律给出控制作用u(t)。比较机构

和控制装置通常组合在一起，称为控制器。•执行器的作用是接受控制器送来的u(t)，相应地去改变操纵变量q(t)。•系统中控制器以外的各部分组合在一起，即过程、执行器、检测元件与变送器的组合称为广义对象。闭环控制系统组成在分析控制系统的工作过程时，有几个很重要的概念：（1）信息：图中的r(t)、y(t)、f(t)等尽管是实际的物理量，但它们是作为信息来转换和作用的。图中的每一部分称为一个环节，作用于它的信息称为该环节的输入信号，它送出的信息称为输出信号。前一环节的输出就是后一环节的输入信号。每一环节的输出信号与输入信号之间的关系仅仅取决于该环节的特性。从整个系统来看，输入信号：设定值和扰动输出信号：被控变量、测量值闭环：按信息的流向来说动态：物理量是时间的函数、是不断变化的。扰动作用使被控变量偏离设定值，控制作用又使它回到设定值。闭环控制系统组成1.2.4自动控制系统的分类按设定值的不同情况，将自动控制系统分为三类:

定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。➢定值控制系统设定值保持不变（为一恒定值）的反馈控制系统称为定值控制系统。➢随动控制系统设定值不断变化，且事先是不知道的，并要求系统的输出（被控变量）随之而变化。➢程序控制系统设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即根据需要按一定时间程序变化自动控制系统的过渡过程及品质指标静态与动态控制系统的输入有设定作用和扰动作用。静态（稳态、定态、平衡状态）：当输入恒定不变时，整个系统若能建立平衡，系统中各个环节将暂不动作，它们的输出都处于相对静止状态。此时输入与输出之

间的关系称为系统的静态特性。动态：由于输入的变化，输出随时间变化，其间的关系称为系统的动态特性。从输入开始，经过控制直到再建立静态，在这段时间中，整个系统的各个环节和变量都处于变化的过程之中，这种状态称为动态。1.3.2自动控制系统的过渡过程当自动控制系统的输入发生变化后，被控变量（即输出）随时间不断变化，它随时间而变化的过程称为系统的过渡过程。也就是系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。对于一个稳定的系统（所有正常工作的反馈系统都是稳定系统）要分析其稳定性、准确性和快速性，常以阶跃作用为输入时的被控变量的过渡过程为例，因为阶跃作用很典型，实际上也经常遇到，且这类输入变化对系统的影响是最严重的。定值控制系统过渡过程的几种形式(阶跃扰动)•发散振荡•单调发散•等幅振荡•衰减振荡•单调衰减1.3.3

自动控制系统的品质指标•单项控制指标（仅适用于衰减振荡过程）稳定性、准确性和快速性•综合控制指标最大动态偏差或超调量是描述被控变量偏离设定值最大程度的物理量，是衡量过渡过程稳定性的一个动态指标。对于定值控制系统，过渡过程的最大动态偏差是

指被控变量第一个波的峰值与设定值之差。在上图中，最大偏差就是第一个波的峰值。为ACt（1）最大动态偏差（emax）或超调量（

）yBB’A0稳态特性最大偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程度。若偏差越大，偏离的时间越长，对稳定正常生产越不利。要求小。特别是对于一些有约束条件的系统，如化学反应器的化合物爆炸极限、触媒烧结温度极限等，都会对最大偏差的允许值有所限制。同时考虑到干扰会不断出现，当第一个干扰还未清除时，第二个干扰可能又出现了，偏差有可能是叠加的，所以要限制最大偏差的允许值。因此，在决定最大偏差的允许值时，要根据工艺情况慎重选择。在设定作用下的控制系统（随动控制系统）中，通常采用超调量这个指标来表示被控变量偏离设定值的程度，一般超调量以百分数给出。A超调量定义：第一个波的峰值与最终稳态值之差（即B=A-C）与稳态值C之比。yt

B

B’

C0Ct（2）衰减比nyBB’A稳态特性衰减比是衡量过渡过程稳定性的动态指标。定义：第一个波的振幅与同方向第二个波的振幅之比。衰减比n0衰减比nn>1:衰减振荡。n越大，则控制系统的稳定度也越高，当n趋于无穷大时，控制系统的过渡过程接近于非振荡过程。n=1:等幅振荡。n<1:发散振荡。n越小，意味着控制系统的振荡过程越剧烈，稳定度也越低，根据实际操作经验，为保持足够的稳定裕度，一般希望过渡过程有两个波左右，与此对应

的衰减比在4:1到10:1的范围内。衰减率：衰减比4:1——衰减率

0.75衰减比10:1——衰减率0.90CtyBB’A0稳态特性（3）余差定义：控制系统过渡过程终了时设定值与被控变量稳态值之差。余差是反映控制准确性的一个重要稳态指标，一般希望其为零，或不超过预定的范围。CtyBB’A0稳态特性上图中，在控制系统中，对余差的要求取决于生产过程的要求，并不是越小越好。例如储槽液位，余差可大一些；化学反应器的温度控制要求高，余差就要小一些。（4）回复时间（过渡时间）Ct回复时间表示控制系统过渡过程的长短。定义：控制系统在受到阶跃外作用后，被控变量从原有稳态值达到新的稳态值所需要的时间。理论上讲，控制系统要完全达到新的平衡状态需要无限长的时间。yBB’A0稳态特性yBB’5%tA0Ts实际上，被控变量接近于新稳态值的

或或 的范围内且不再越出时为止所经历的时间，可计为过渡时间。一般希望过渡时间短一些。（5）振荡频率（或振荡周期）定义：过渡过程同向两波峰之间的时间间隔称为振荡周期或工作周期。其倒数称为振荡频率。在衰减比相同条件下，周期与过渡时间成正比；振荡频率与回复时间成反比。其它一些次要指标：振荡次数：是指在过渡过程内被控变量振荡的次数。“理想过渡过程两个波”：是指过渡过程振荡两次就能稳定下来。上升时间：是指干扰开始作用起到第一个波峰所需要的时间。CtyBB’A0稳态特性总结：主要指标有：最大偏差、衰减比、余差、过渡时间。在实际的系统中如何确定这些指标，要根据实际情况来定。原则：对生产过程有决定性意义的主要品质指标应该优先保证。例题：某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰下的过渡过程曲线如下图所示。试分别求出最大偏差、衰减比、余差、过渡时间（设定值为200℃）。(℃)解：(1)最大偏差：(2)余差：(℃)℃(3)衰减比：第一个波的振幅第二个波的振幅(℃)(℃)衰减比℃(4)过渡时间：过渡时间与规定的被控变量的限制范围大小有关，假设为，就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为(℃)那么，在新稳态值（205℃）两侧以限制范围

为宽度画一区域，只要被控变量不再越出即可。因此，过渡过程为22min.℃综合控制指标综合控制指标就是通过偏差的某些函数对时间的积分值来表述。通常采用三种表达形式：(1)绝对值积分鉴定IAE(2)平方积分鉴定ISEIAE＝∫|e|dtISE＝∫e2dt(3)时间乘以绝对值的积分鉴定ITAEITAE＝∫|e|tdt在综合指标中，如直接对动态偏差e积分，则正负偏差将相互抵消，此时即使偏差很大，目标积分

值仍很小。而采用绝对值积分或偏差平方积分可以

避免正负偏差积分时相互抵消的现象。IAE与ISE相比，后者对最大偏差的数值更加敏感。而ITAE对后

期的时间加大权值，对消除偏差所需时间更为敏感，可突出快速性要求。第二章

过程特性简单控制系统方块图过程：需要实现控制的生产过程过程特性：是指被控过程的输入变量（操纵变量或扰动变量）发生变化时，其输出变量（被控变量）随时间的变化规律。本章研究内容：过程特性的类型过程的数学描述过程特性的一般分析过程特性的实验测定方法2.1

过程特性的类型通道：输入变量对输出变量的作用途径控制通道：操纵变量q(t)对被控变量c(t)的作用途径扰动通道：扰动变量f(t)对被控变量c(t)的作用途径广义对象特性主要通过响应曲线来呈现。控制通道的响应曲线：当控制作用u(t)做阶跃变化（扰动f(t)不变）时，被控变量的时间特性c(t)扰动通道的响应曲线：当扰动f(t)做阶跃变化（控制作用u(t)不变）时，被控变量的时间特性c(t)响应曲线有四种：有自衡的非振荡过程无自衡的非振荡过程有自衡的振荡过程具有反向特性的过程有自衡的非振荡过程如下图中的液位过程无自衡的非振荡过程如下图中的液位过程2.2

过程的数学描述要研究被控过程的特性，就必须知道被控过程的数学模型（参量模型），也就是对过程的数学描述。数学模型：表示具体过程的输入、输出关系的数学方程式。其形式有：微分方程式、偏微分方程式、状态方程换热器由前面的分析可得：一阶被控过程控制通道的动态方程为：一阶被控过程扰动通道的动态方程为：其中： 分别为控制通道、扰动通道的时间常数和放大系数；分别为被控变量增量、操纵变量增量和扰动变量增量。2.3

过程特性的一般分析描述有自衡非振荡过程的特性参数有放大系数K、时间常数T和时滞τ。➢放大系数K控制通道的放大系数Ko扰动通道的放大系数Kf(1) 控制通道的放大系数Ko定义：在扰动变量f(t)不变的情况下，被控变量的变化量Δc与操纵变量Δq在时间趋于无穷大时之比控制通道的放大系数Ko反映了过程以初始工作点为基准的被控变量与操纵变量在过程结束时的变化量之间的关系，是一个稳态特性参数。蒸汽加热器的稳态特性过程的放大系数受负荷和工作点的影响。•在相同的负荷下，Ko随工作点的增大而减小；•在相同的工作点下，Ko随负荷的增大而减小。在某一负荷下，蒸汽量不同，达到平衡的出口温度不同；反之，在蒸汽量相同，处理量不同的情况下，达到平衡的出口温度也不同。选择Ko的原则：希望Ko稍大。(2) 扰动通道的放大系数Kf定义：在操纵变量q(t)不变的情况下，过程受到幅度为Δf的阶跃扰动作用，过程从原

有稳定状态达到新的稳定状

态时被控变量的变化量与扰动幅度Δf之比。很明显，希望Kf小一些。但是，扰动对系统的影响还要考虑Δf的大小。➢时间常数T时间常数T是表征被控变量变化快慢的动态参数。控制过程中时间常数的概念来源于电工学中时间常数的概念。在阻容环节的充电过程中，T=RC表征了充电过程的快慢。定义1：在阶跃外作用下，一个阻容环节的输出变化量完成全部变化量的63.2%所需要的时间。定义2：在阶跃外作用下，一个阻容环节的输出变化量保持初始变化速度，达到新的稳态值所需要的时间。任何过程都具有储存物料或能量的能力，如过程的容量有热容、液容、气容。任何过程在物料或能量的传递过程中，也总是存在着一定的阻力，如热阻、液阻、气阻。因此，可以用过程容量系数C与阻力系数R的乘积来表征过程的时间常数。（1）控制通道时间常数To对控制系统的影响在相同的控制作用下，过程的时间常数To越大，被控变量的变化越缓慢。To越小，被控变量的变化越快。希望To适中（2）扰动通道时间常数Tf

对控制系统的影响过程的时间常数Tf

越大越好，相当于对扰动信号进行滤波。希望Tf大➢时滞τ定义：在输入变化后，输出不是随之立即变化，而是需要间隔一段时间才发生变化，这种现象称为时滞现象。定义中的时滞包括了两种滞后：纯滞后、容量滞后。实际工业过程中的滞后时间是指纯滞后与容量滞后时间之和具有纯滞后时间的阶跃响应曲线纯滞后τo是由于信息的传输需要时间而引起的。物料传输它可能起因于被控变量c(t)至测量值y(t)的检测通道，也可能起因于控制信号u(t)至操纵变量q(t)的一侧。容量滞后是多容量过程的固有特性，是由于物料或能量的传递需要通过一定的阻力而引起的。容量滞后（1）时滞对控制通道的影响希望τo小。时滞τ对系统控制过程的影响，是以其与时间常数的比值τ/T来衡量的。的过程较易控制；τ/T较大时，需要在一定程度上降低控制系统的指标；τ/T>(0.5~0.6)时，需用特殊控制规律。（2）时滞对扰动通道的影响对τo无要求。一般地，在不同变量的过程中，液位和压力过程的τ较小，流量过程的τ和T都较小，温度过程的

τc较大，成分过程的τo和τc都较大。希望τc大。2.4

过程特性的实验测定方法过程特性参数可以由过程的数学模型通过求解得到，但是在生产过程中，很多过程的数学模型是很难得到的。工程上一般用实验方法来测定过程特性参数。最简便的方法就是直接在原设备或机器中施加一定的扰动，通过该过程的输出变量进行测量和记录，然后通过分析整理得到过程特性参数。•阶跃扰动法（反应曲线法）当过程处于稳定状态时，在过程的输入端施加一个幅度已知的阶跃扰动，测量和记录过程输出变量的数值，画出输出变量随时间变化的反应曲线，根据响应曲线求得过程特性参数。放大系数

K=B/A时间常数

T时滞τ一阶系统放大系数K:K=[c(t)-c(0)]/A时间常数T:T=2、3之间的距离纯滞后τ:τ=1、2之间的距离二阶系统阶跃扰动法直观、简便易行、所以得到了广泛的应用。但是许多过程较复杂、扰动因素较多，会影响测试精度；另外，由于工艺条件的限制，阶跃扰动幅度不能太大，所以在实施扰动法时应该在系统相对稳定的情况下进行。第三章

检测变送本章主要内容：概述温度检测流量检测压力检测物位检测变送器3.1

概述检测变送的重要性测量误差仪表性能指标在过程生产的自动控制中要通过检测元件获取生产工艺参数（被控变量），通常是温度、压力、流量、物位（四大参数）。检测元件又称为敏感元件、传感器。它直接响应工艺变量，并将其转变成一个与之成对应关系的输出信号。这些输出信号包括位移、电压、电流、电阻、频率、气压等。3.1.0

检测变送的重要性由于检测元件的输出信号种类繁多，且信号较弱不易察觉，因此，需要采用变送器将检测元件的输出信号转换成标准的电、气信号（4～20mA直流电流信号,20～100KPa气压信号），送往控制器对被控变量进行控制。我们将检测元件、变送器及显示装置统称为检测仪表。检测——实施正确控制的第一步变送——将检测元件输出的各种信号、微弱信号转化成统一(标准)的电、气信号。过程控制对检测仪表要求：静态：正确——y(t)正确反映c(t)的值可靠——长期工作动态：迅速——y(t)要迅速反映c(t)的变化3.1.1

测量误差测量误差：检测仪表获得的测量值与实际被测变量真实值之间的差距。

绝对误差：仪表的测量值与被真实值之差。理论上：实际上：

相对误差（仪表引用误差）绝对误差与仪表的量程之比。(3)允许误差（相对误差的最大值）3.1.2

仪表性能指标(1)精确度（精度）——表示仪表测量结果的可靠程度。仪表的精度等级是按国家统一规定的允许误差大小来划分成若干等级的。仪表精度等级数值越小，说明仪表测量准确度越高。精度等级：允许误差去掉“±”号及“%”后，按国家规定的系列圆整后的数值。仪表的精度等级以一定的符号形式表示在仪表标尺板上，如1.0外加一个圆圈或三角形。精度等级1.0，说明该仪表允许误差为1.0%。国家规定的仪表精度系列等级有：0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0级。1.01.0[例1]

某台测温仪表的量程是600--1100℃，其最大绝对误差为±4

℃，试确定该仪表的精度等级。解

仪表的最大允许误差为由于国家规定的精度等级中没有0.8级仪表，而该仪表的最大引用误差超过了0.5级仪表的允许误差，所以这台仪表的精度等级应定为1.0级。国家规定的仪表精度系列等级有：0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0级。[例2]

某台测温仪表的量程是600--1100℃，工艺要求该仪表指示值的误差不得超过±4

℃，应选精度等级为多少的仪表才能满足工艺要求。解

根据工艺要求，仪表的最大允许误差为±0.8%介于允许误差±0.5%与±1.0%之间，如果选择允许误差为±1.0%,则其精度等级应为1.0级。量程为600～1100℃，精确度为1.0级的仪表，可能产生的最大绝对

误差为±5℃，超过了工艺的要求。所以只能选择一台

允许误差为±0.5%，精度等级为0.5级的仪表。结论：校表：计算得到的最大允许误差值向上园整确定仪表的精度等级。选表：计算得到的最大允许误差值向下靠近选定仪表的精度等级。仪表精度与量程有关，量程是根据所要测量的工艺变量确定的。在仪表精度等级一定的前提下适当缩小量程，可以减小测量误差，提高测量准确性。量程的上限：一般确定为被测变量正常值的4/3~3/2倍；量程的下限：一般确定为被测变量正常值向下的1/3处。(2)变差——在外界条件不变的情况下，使用同一台仪表对某一变量进行正、反行程测量时对应于同一测量值所得的仪表读数之间的差异。(3)线性度——衡量仪表实际特性偏离线性程度的指标。线性度差，则降低了仪表精度。图3.1线性度(4)

灵敏度和分辨率灵敏度：仪表的输出变化量与引起此变化的输入变化量的比值。即：灵敏度=△Y/△X它体现了单位输入所引起的输出变化量。灵敏度反映了仪表对被测变量变化的灵敏程度。分辨率：仪表输出能分辨和响应的最小输入变化量。即：分辨率=△X

/△Y它体现了引起单位输出所需要的输入变化量。分辨率也是仪表灵敏程度的一种体现。(5)动态误差由于仪表动作的惯性延迟和测量传递滞后，当被测量突然变化后要经过一段时间才能准确显示出来，这样造成的误差。注：在工业生产中被测量变化较快，所以不能忽略动态误差。3.2

温度检测温度检测方法热电偶热电阻热电偶、热电阻的选用3.2.1

温度检测方法按测温元件是否与被测对象接触分为：接触式

非接触式接触式：测温元件与被测对象接触，依靠传热和对流进行热交换。优点：结构简单、可靠，测温精度较高。缺点：由于测温元件与被测对象必须经过充分的热交换且达到平衡后才能测量，这样容易破坏被测对象的温度场，同时带来测温过程的延迟现象，不适于测量热容量小的对象、超高温的对象、处于运动中的对象。不适于直接对腐蚀性介质测量。非接触式：测温元件不与被测对象接触，而是通过热辐射进行热交换，或测温元件接收被测对象的部分热辐射能，由热辐射能大小推出被测对象的温度。优点：从原理上讲测量范围从超低温到超高温，不破坏被测对象温度场。非接触式测温响应快，对被测对象干扰小，可用于测量运动的被测对象和有强电磁干扰、强腐蚀的场合。缺点：容易受到外界因素的干扰，测量误差较大，且结构复杂，价格比较昂贵。3.2.2

热电偶（称为工作端、热端、自由端）图3.2热电偶的热电效应(1)测温原理——热电效应将两种不同材料的导体或半导体A和B连在一起组成一个闭合回路，而且两个接点的温度θ≠θo,则回路内将有电流产生，电流大小正比于接点温度θ和θo的函数之差，而其极性则取决于A和B的材料。（称为参比端、冷端、固定端）根据热电偶的“中间导体定律”可知：热电偶回路中接入第三种导体后，只要该导体两端温度相同，热电偶回路中所产生的总热电势与没有接入第三种导体时热电偶所产生的总热电势相同；如果回路中接入更多种导体，只要同一导体两端温度相同，也不影响热电偶所产生的热电势值。因此热电偶回路可以接入各种显示仪表、变送器、连接导线等。热电偶的“中间导体定律”与温度θ对分度表：当θ0=0℃时，

应的数值表。（非线性）分度号：与分度表所对应的热电偶的代号。常用工业热电偶比较常用热电偶类型：普通型热电偶：热电极、绝缘管、接线盒等铠装热电偶常用热电偶类型普通型热电偶

由热电极、绝缘管、接线盒等构成。铠装热电偶热电极、绝缘管、保护套管内部固化成一体。·热响应时间少，减小动态误差；·可弯曲安装使用；·测量范围大；·机械强度高，耐压性能好。扁接插式铠装热电偶补偿导线式铠装热电偶防喷式铠装热电偶防水式铠装热电偶手柄式铠装热电偶圆接插式铠装热电偶图3.3多点热电偶适用于生产现场存在温度梯度不显著，须同时测量多个位置或位置的多处测量。广泛应用于大化肥合成塔、存储罐等装置中。图3.4多点热电偶防爆型热电偶防爆热电偶是利用间隙隔爆原理，设计具有足够强度的接线盒等部件，将所有会产生火花，电弧和危险温度的零部件都密封在接线盒腔内，当腔内发生爆炸时，能通过接合面间隙熄火，使爆炸后的火焰和温度传不到腔外，从而隔爆。·防爆性能好；·压簧式感温元件，抗振性能好；·测温范围大；·机械强度高，耐压性能好；无固定装置固定法兰式固定螺纹式活络管接头式直型管接头式图3.5防爆型热电偶一览图(2)补偿导线解决参比端温度的恒定问题。补偿导线要求：价格便宜，0~100℃范围内的热电性质与要补偿的热电偶的热电性质几乎完全一样图3.6补偿导线连接图(3)热电偶参比端温度补偿（测量的准确性）补偿原理：工作端温度θ，参比端θ0，热电势为参比端温度补偿方法：①计算法②冰浴法③机械调零法（动圈表调零法），等级1.0以上④补偿电桥法：利用参比端温度补偿器例如：用镍铬-镍硅（K）热电偶测温，热电偶参比端温度θo

=20℃，测得的热电势E（θ，θo）为32.479mV。求实际温度。解：由K分度表中查得E（20，0）为0.798mV,则：E（θ，0）=

E（θ，20）+

E（20，0）=32.479

+

0.798=33.277

mV再反查K分度表，得实际温度是800℃。计算法举例：3.2.3

热电阻⑴金属热电阻——测温原理是基于导体的电阻值随温度的变化而变化的特性。常用热电阻：铜电阻和铂电阻热电阻的结构形式：普通型、铠装型、专用型热电阻通常和显示仪表、记录仪表、电子计算机等配套使用。测量生产过程中的-200°C～+500°C范围内液体、蒸汽和气体介质以及固体表面温度。无固定装置热电阻固定螺纹式热电阻活动法兰式热电阻固定螺纹锥式热电阻固定螺纹管接头式热电阻活络管接头式热电阻装配式热电阻防喷式铠装热电阻扁接插式铠装热电阻防水式铠装热电阻圆接插式铠装热电阻补偿导线式铠装热电阻端面热电阻——适合于测量电厂汽轮机及电机轴瓦或其它机体表面温度。端面热电阻防腐热电阻——采用新型防腐材料（聚四氟乙烯F46），适合于石油化工各种腐蚀性介质中测温。是氯碱行业的专用测温仪表。防腐热电阻微型热电偶/热电阻适用于狭小场所的温度测量与控制。是纺织、绦纶等行业不可缺少的测温元件。炉壁热电偶/热电阻适合于电厂锅炉炉壁，管壁及其它圆柱体表面测量。微型热电偶/热电阻特殊热电偶/热电阻炉壁热电偶/热电阻⑵半导体热敏电阻——测温原理是基于某些半导体材料的电阻值随温度的变化而变化的特性。NTC型：负温度系数；

PTC型：正温度系数。特点：结构简单、灵敏度高、体积小、热惯性小。缺点：非线性严重、互换性差、测温范围窄3.2.4热电偶、热电阻的选用选用原则：较高温度——热电偶中低温区——热电阻一般以500℃为分界。原因有两点：在中低温区，热电偶输出的热电势很小，对测量仪表放大器和抗干扰要求很高。由于参比端温度变化不易得到完全补偿，在较低温度区内引起的相对误差就很突出。(2)安装选择有代表性的测温点位置，测温元件有足够的插入深度热电偶或热电阻的接线盒的出线孔应朝下，以免积水及灰尘等造成接触不良，防止引入干扰信号。检测元件应避开热辐射强烈影响处。要密封安装孔，避免被测介质溢出或冷空气吸入而引入误差。热电阻的三线直接法：热电阻温度变送器输入回路是一个不平衡电桥，热电阻为桥路的一个桥臂。由于连接热电阻的导线存在电阻，其阻值随环境温度的变化而变化，造成测量误差。所谓三线制接法，就是从热电阻两端引出三根相同的连接导线。如图所示，由于流过两桥臂的电流相等，因此当环境温度变化时，两根连接导线因阻值变化而引起的压降变化相互抵消，不影响测量桥路输出。3.3

流量检测主要研究内容：基本概念速度式流量计（差压式流量传感器）容积式流量计质量流量计流量仪表的选用3.3.1

基本概念流量（瞬时流量）：单位时间内流过管道某一截面的流体的数量。累积流量（总流量）：某一时段内流过的流体的总和。瞬时流量在某一时段的累积量。流量的表示方法：质量流量(qm)：单位时间内流过某截面的流体的质量。单位：(kg/s)体积流量(qv)：单位时间内流过某截面的流体的体积。(工作状态下)

qm=qvρ单位:m3/s体积流量(qvn)：折算到标准的压力和温度下的体积流量。（标准状态下:温度为20℃，压力为101.325

Pa

）qvn=qm/ρnqvn=qvρ/ρn

单位:

Nm3/s流体的密度受流体的工作状态（如温度、压力）影响。对于液体，压力变化对密度的影响非常小，一般可以忽略不计。温度对密度的影响要大一些，一般温度每变化10℃时，液体密度的变化约在1%以内，所以当温度变化不是很大，测量准确度要求不是很高的情况下，往往也可以忽略不计。对于气体，密度受温度、压力变化影响较大，如在常温常压附近，温度每变化10℃，密度变化约为3%；压力每变化10kPa，密度约变化3%。因此在测量气体流量时，必须同时测量流体的温度和压力。3.3.2 速度式流量计（差压式流量传感器）差压式流量传感器又称节流式流量传感器，它是利用管路内的节流装置，将管道中流体的瞬时流量转换成节流装置前后的压力差的原理来实现的。图3-22标准节流元件(a)孔板；(b)喷嘴；(c)文丘里管(1)节流装置节流装置是差压式流量传感器的流量敏感检测元件，是安装在流体流动的管道中的阻力元件。常用的节流元件有孔板、喷嘴、文丘里管。(2)

测量原理测量原理在管道中流动的流体具有动压能和静压能，在一定条件下这两种形式的能量可以相互转换，但参加转换的能量总和不变。用节流元件测量流量时，流体流过节流装置前后产生压力差Δp(Δp

=p1-p2)，且流过的流量越大，节流装置前后的压差也越大，流量与压差之间存在一定关系，这就是差压式流量传感器测量原理。图3-23节流件前后流速和压力分布情况流量方程式为对于可压缩流体，例如各种气体及蒸气通过节流元件时，由于压力变化必然会引起密度ρ的改变，即ρ1≠ρ2，这时在公式中应引入体积膨胀系数ε，

可压缩性流体体积膨胀系数ε小于1，如果是不可压缩性流体，则ε=1。(3)差压式流量检测系统图3-24差压式流量检测系统结构示意图应用注意事项：1）节流装置是将被测流体的流量值变换成差压信号Δp，节流装置输出的差压信号由压力信号管路输送到差压变送器（或差压计）。被测流量与差压Δp成平方根关系，如果直接用来显示流量，流量标尺是非线性的。如选用带有开方运算的差压变送器，则变送器的输出与流量成线性关系。2）为了使仪表的指示值与通过管道的实际流量相符，必须做到：因为差压变送器的压差和显示仪表的流量标尺有若干种规格，选择时应与节流装置孔径匹配。在测量蒸汽和气体流量时，常遇到工作条件的密度ρ与设计时的密度ρc不相同，这时必须对示数进行修正。差压变送器的安装：介质为液体时：差压变送器应装在节流装置下面，取压点应在工艺管道的中心线以下引出（下倾45°左右），导压管最好垂直安装。当差压变送器放在节流装置之上时，要装置贮气罐。介质为气体时：差压变送器应装在节流装置的上面,防止导压管内积聚液滴，取压点应在工艺管道的上半部引出。介质为蒸汽时：应使导压管内充满冷凝液，因此在取压点的出口处要装设凝液罐。介质具有腐蚀性时：可在节流装置和差压变送器之间装设隔离罐，内放不与介质有互溶的隔离液来传递压力，或采用喷吹法。其它常用流量计靶式流量计在流体通过的管道中，垂直于流动方向插上一块圆盘形的靶。流体通过时对靶片产生推力，经杠杆系统产生力矩。力矩与流量的平方近似成正比。靶式流量计适用于测量粘稠性及含少量悬浮固体的液体。旋涡流量计其测量方法基于流体力学中的卡门涡街原理。把一个旋涡发生体（如圆柱体、三角柱体等非流线型对称物体）垂直插在管道中，当流体绕过旋涡发生体时会在其左右两侧后方交替产生旋涡，形成涡列，且左右两侧旋涡的旋转方向相反。这种涡列称为卡门涡街。在一定的雷诺数Re范围内，体积流量qv与旋涡的频率f成线性关系。只要测出旋涡的频率f就能求得流过流量计管道流体的体积流量qv。另外，还有转子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、超声波流量计等等。3.3.3容积式流量计该流量计系直读累积式流体流量计，是由装有一对椭圆齿轮转子的计量室、密封联轴器（小口径流量计采用灵敏度高的磁性联轴器）和计数机构组成。测得旋转频率就可求得体积流量。图3.30椭圆齿轮流量测量示意图3.3.4质量流量计直接式质量流量传感器——科里奥利质量流量传感器科里奥利质量流量传感器是利用流体在直线运动的同时，处于一个旋转系中，产生与质量流量成正比的科里奥利力而制成的一种直接式质量流量传感器。3.4

压力检测主要研究内容：压力单位及压力检测方法常用压力检测仪表压力表的选用3.4.1

压力单位及压力检测方法(1)压力单位工程技术上所称的“压力”实质上就是物理学里的“压强”，定义为均匀而垂直作用于单位面积上的力。其表达式为式中:P——压力；

F——作用力；

A——作用面积。国际单位制（SI）中定义：1牛顿力垂直均匀地作用在1平方米面积上形成的压力为1“帕斯卡”。帕斯卡简称“帕”，单位符号为Pa。其他的压力单位“工程大气压”（即

kgf/cm2）、“毫米汞柱”（即mmHg）、“毫米水柱”（即mmH2O）等还在应用。(2)

压力的表示方法绝对压力指作用于物体表面积上的全部压力，其零点以绝对真空为基准，又称总压力或全压力，一般用大写符号P表示。大气压力是指地球表面上的空气柱重量所产生的压力，以P0表示。(1)弹性式压力表弹性式压力表是以弹性元件受压后所产生的弹性变形作为测量基础的。它结构简单，价格低廉，现场使用和维修都很方便，又有较宽的压力测量范围，因此在工程中获得了非常广泛的应用。3.4.2

常用压力检测仪表弹性元件采用不同材料、不同形状的弹性元件作为感压元件，可以适用于不同场合、不同范围的压力测量。目前广泛使用的弹性元件有弹簧管、波纹管和膜片等。图3-34弹性元件示意图图3-34给出了一些常用弹性元件的示意图。其中波纹膜片和波纹管多用于微压和低压测量；单圈和多圈弹簧管可用于高、中、低压和真空度的测量。图3-35单圈弹簧管结构图3-36弹簧管压力表(2)压力传感器•应变片式压力传感器应变效应•压电式压力传感器当某些材料受到某一方向的压力作用而发生变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上就产生符号相反的电荷；当压力去掉后，又重新恢复不带电状态。这种现象称为压电效应。具有压电效应的材料称为压电材料。压电材料种类较多，有石英晶体、人工制造的压电陶瓷，还有高分子压电薄膜等。1-绝缘体3-壳体2-压电元件4-膜片•压阻式压力传感器压阻元件是指在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻。它是基于压阻效应工作的，即当它受压时，其电阻值随电阻率的改变而变化。常用的压阻元件有单晶硅膜片以及在N型单晶硅膜片上扩散P型杂质的扩散硅等。•电容式压力传感器其测量原理是将弹性元件的位移转换为电容量的变化。将测压膜片作为电容器的可动极板，它与固定极板组成可变电容器。当被测压力变化时，由于测压膜片的弹性变形产生位移改变了两块极板之间的距离，造成电容量发生变化。压力表的选用主要包括仪表型式、量程范围、精度和灵敏度、外形尺寸以及是否还需要远传和其他功能，如指示、记录、报警、控制等。选用的依据如下：必须满足工艺生产过程的要求，包括量程和精度；考虑被测介质的性质，如温度、压力、粘度、腐蚀性、易燃易爆程度等；注意仪表安装使用时所处的现场环境条件，如环境温度、电磁场、振动等。3.4.3

压力表的选用3.5

物位检测研究内容：基本概念物位检测的主要方法和分类常用物位检测仪表——差压式液位计物位检测仪表的选用3.5.0

基本概念在容器中液体介质的界面高低叫液位，容器中固体或颗粒状物质的堆积高度叫料位。测量液位的仪表叫液位计，测量料位的仪表叫料位计，测量两种密度不同的液体介质分界面的高低（界位）的仪表叫界面计。上述三种仪表统称为物位计。3.5.1

物位检测的主要方法和分类按工作原理主要有以下几种类型：直读式：根据流体的连通性原理来测量液位。静压式：压力式和差压式。根据液柱或物料堆积高度变化对某点上产生的静（差）压力的变化的原理测量物位。浮力式：它根据浮子高度随液位高低而改变或液体对浸沉在液体中的浮筒（或称沉筒）的浮力随液位高度变化而变化的原理来测量液位。前者称为恒浮力式，后者称为变浮力式。电气式：根据把物位变化转换成各种电量变化的原理来测量物位。辐射式：根据同位素射线的核辐射透过物料时，其强度随物质层的厚度变化而变化的原理来测量液位。另外还有：声学式、光学式、射线式、微波式、激光式、射流式、光纤维式等等3.5.2

常用物位检测仪表——差压式液位计图3-41差压传感器测量液位原理图(1)取压点与液位零面在同一水平面设被测介质的密度为ρ，容器顶部为气相介质，气相压力为pA，根据静力学原理可得因此，差压变送器正负压室的压力差为这样，液位测量问题就转化为差压测量问题了。但是，当液位零面与检测仪表的取压口不在同一水平高度时，就需要进行量程调整和零点迁移。图3.42液位测量的正迁移为了使液位的满量程和起始值仍能与差压变送器的输出上限和下限相对应，就必须克服固定差压ρgh0的影响，需要进行零点迁移。(2)取压口低于容器底部如图所示，当差压变送器的取压口低于容器底部的时候，差压变送器上测得的差压为因为：所以：采用这种安装方法时ΔP多出一项h0ρg。当h=0时，ΔP=h0ρg，因此P0＞20KPa。为了迁移掉h0ρg，即在h=0时仍然使P0=20KPa，可以调整仪表的零点迁移弹簧张力。由于h0ρg作用在正压室上，称之为正迁移量。迁移弹簧张力抵消了h0ρg在正压室内产生的力，达到正迁移的目的。由于ρgh0〉0，所以称为正迁移。量程迁移后，差压式液位计的测量范围调整为h0ρg～（h0ρg+hmaxρg）。(3)介质有腐蚀性时当被测介质有腐蚀性时，差压变送器的正、负压室之间就需要装隔离罐，隔离液的密度为ρ1

(ρ1

>ρ)，则因为：所以：图3.43液位测量的负迁移对比无迁移情况，ΔP多了一项压力-（h1-h0）ρ1g，它作用在负压室上，称之为负迁移量。当h=0时，ΔP=-

(h1-h0)ρ1g

，因此P0<20KPa

。为了迁移掉-(h1-h0)ρ1g的影响，可以调整负迁移弹簧的张力来进行负迁移以抵消掉-(h1-h0)ρ1g在负压室内产生的力，以达到负迁移的目的。将上式变为：迁移调整后，差压式液位计的测量范围调整为-(h1-

h0)ρ1g～[hmaxρg-(h1-

h0)ρ1g]由于

所以称为负迁移。3.5.3

物位检测仪表的选用必须考虑测量范围、测量精度、被测介质的物理化学性质、环境操作条件、容器结构形状等因素。在液位检测中最为常用的就是静压式和浮力式测量方法，但必须在容器上开孔安装引压管或在介质中插入浮筒，因此在介质为高粘度或者易燃易爆场合不能使用这些方法。在料位检测中可以采用电容式、超声波式、射线式等测量方法。3.8

变送器概述变送器的量程、零点迁移温度变送器差压变送器智能变送器3.8

变送器3.8.1

概述作用：将检测元件的输出信号转换成标准统一信号送往显示仪表或控制仪表进行显示、记录或控制。变送器包括：温度变送器差压变送器流量变送器液位变送器➢工作原理：负反馈原理包括测量、放大和反馈三个部分图3.44变送器的原理框图3.8.2变送器的量程、零点迁移量程迁移：目的是使变送器输出信号的上限值与测量范围的上限值相对应。图3.46变送器量程调整前后的输入输出特性零点迁移：目的是使变送器输出信号的下限值与测量范围的下限值相对应。零点迁移：

xmin

=0

无迁移xmin

≠0xmin

>0

正迁移xmin

<0

负迁移图3.47

变送器零点迁移前后的输入输出特性将仪表的量程迁移和零点迁移相结合可以提高仪表的测量精度和灵敏度，扩大仪表的适用范围，增加其通用性和灵活性。例：利用差压法测量液位，理想：0~500mm，实际：250±50mm调整方法：先量程迁移，再零点迁移图3.48第四章 显示仪表本章内容：模拟式显示仪表数字式显示仪表新型显示仪表4.1电子电位差计——配热电偶功能：与温度、流量、压力、差压、成分等变送器配接，可以测量和显示能转换成毫伏及直流电压信号的工艺变量。原理：电压补偿原理型号：用XW系列来命名，X表示显示仪表，W表示直流电位差计。XW-类型：小型长图显示、大型长图显示、圆图显示等。4.1

模拟式显示仪表电压补偿原理用已知电压来补偿未知电压，使测量线路的电流等于零。用这种方法测量电压比较精确，因为没有电流通过测量线路，也就不存在线路电阻影响问题。测量桥路原理图4.1.2电子自动平衡电桥——配热电阻功能：对能转换成电阻值的各种变量进行测量、显示、记录。原理：电桥平衡原理型号：根据输出电压可分为：

XD系列——交流平衡电桥

XQ系列——直流平衡电桥电桥平衡原理在量程起点：温度升高后：两式相减整理得：平衡桥路原理图r1与ΔRt成正比关系，即滑动触点B的位置反映了电阻的变化，也即反映了温度的变化。特点：1、数显仪表用数码管显示测量值或偏差值，清晰直观，读数方便，不会产生视差。2、数显仪表采用中、大规模集成电路，线路简单，可靠性好，耐振性强。3、数显仪表品种繁多，配接灵活，可输入多种类型测量信号，输出统一标准的电流信号（4-20mA直流电流）和报警信号。4、数显仪表具有非线性校正及开方运算电路，配接热电偶测温时具有冷端温度补偿功能，配接热电阻时考虑了外线电阻的补偿，配接差压变送器测流量时可直接显示流量值。4.2

数字式显示仪表当前的显示仪表是涉及微处理技术、新型显示技术、记录技术、数据存储技术和控制技术，把信号检测处理、显示、记录、数据储存、通讯、控制、复杂数学运算等多个或全部功能集合于一体的新型仪表。它使用方便，观察直观，功能丰富，可靠性高4.3

新型显示仪表无纸记录仪特点：以CPU为核心，控制数据的采集、显示、打印、存储、报警等，采用液晶显示装置，不含有传统记录仪的机械传动、纸张和笔。精度高，价格并不高。虚拟显示仪表特点：利用计算机来完成显示仪表所有的工作。在计算机屏幕上完全模仿实际使用中的各种仪表，如仪表面盘、操作盘、接线端子等。用户通过计算机键盘、鼠标或触摸屏进行操作。第五章执行器本章重点介绍薄膜式气动执行器

(气动薄膜调节阀)的特性、选型。执行器的作用：接受控制器的控制信号，调整操纵变量。在生产现场，执行器直接控制工艺介质，若

选型或使用不当，会给生产过程的自动控制带来困难。执行器按其能源形式可分为气动、电动和液动三大类。液动执行器推力最大，但较笨重，很少使用。

电动执行器的执行机构和调节机构是分开的两部分，其执行机构有角行程和直行程两种，都是以两相交流电机为动力的位置伺服机构，作用是将输入的直

流电流信号线性地转换为位移量。电动执行器安全防

爆性能较差，在行程受阻或阀杆被卡住时电机易受损。气动执行器的执行机构和调节机构是统一的整体，其执行机构有薄膜式和活塞式两类。活塞式行程长，适用于要求有较大推力的场合；而薄膜式行程较小，直接带动阀杆。由于气动执行器有结构简单，输出推力大，动

作平稳可靠，本质安全防爆等优点，因此它在化工、炼油生产中获得了广泛的应用。4.如1

图气所动示薄：膜当调来节自阀控的制结器构的、气类压型信及号材增质大时，作用在橡胶膜片上的4.向1.下1

推气力动就薄增膜大调，节通阀过的托结板构压缩弹簧，使推杆下移，直至与弹簧反作气用动力薄相膜平调衡节时阀为的止外。型推如杆图(4亦-l即所阀示杆，)其下内移部的简距单离结与构信如号图压4力-2成比所例示。当它信由号两压部力分增组大成时，，上阀部杆为下执移行使机调构节(也阀称关膜小头，)反，之用则来开产大生。当推信力号；压下力部在为2调0-节l0机0k构Pa(范也围称内阀变体化)，时用，来阀控杆制作介全质行的程流动量作。，阀门从全开到全关。P上盖薄膜托板阀杆阀座阀体下盖

平行弹簧推杆阀芯5.1.1.1执行机构执行机构有正作用和反作用两种形式。当信号压力增加时推杆向下移动的叫正作用式；信号压力增加时推杆向上移动的叫反作用式。较大口径的调节阀都采用正作用的执行机构。信号压力通过波纹膜片的上方或下方进入气室后，在波纹膜片上产生一个作用力，使推杆移动并压缩或拉伸弹簧，当弹簧的反作用力与薄膜上的作用力相平衡时，推杆稳定在一个新的位置(a)

正作用

(b)

反作用图4-3执行机构的正反作用5.1.1.2

调节机构调节机构是一个局部阻力可以改变的节流元件。由于阀芯在阀体内移动，改变了阀芯与阀座间的流通面积，操纵变量(调节介质)的流量也相应改变。图示为最常用的直通双座调节阀，阀杆上端通过螺母与执行机构推杆相连接，推杆带动阀杆及阀杆下端的阀芯上下移动，流体从左侧进入调节阀，然后经阀芯与阀座之间间隙从右侧流出阀芯与阀杆间用销钉连接，这种连接形式使阀芯根据需要可以正装（正作用）也可以倒装（反作用）。双座阀的调节机构调节机构的正反作用执行机构和调节机构组合起来可以实现气开式和气关式两种调节阀。有四种组合方式。气开式是输入气压越大时开度越大，而在失气时则全关，称FC型；气关式是输入气压越大时开度越小，而在失气时则全开，称FO型。调节阀的气开、气关型式5.1.2气动薄膜调节阀的类型A

直通单座调节阀阀体内有一个阀芯和一个阀座。流体从左侧进入经阀芯从右侧流出。由于只有一个阀芯和一个阀座，容易关闭，因此泄漏量小，但在高压差、大口径时，阀芯所受到流体作用的不平衡推力较大。直通单座调节阀适用于压差较小、要求泄漏量较小的场合。直通单座调节阀B

直通双座调节阀阀体内有两个阀芯和阀座，流体从左侧进入，经过上下阀芯汇合在一起从右侧流出。它与同口径的单座阀相比，流通能力增大20％左右，不平衡推力小，但泄漏量大。直通双座调节阀适用于阀两端压差较大、对泄漏量要求不高的场合，但由于流路复杂而不适用于高粘度和带有固体颗粒的液体。直通双座调节阀C

其他类型的调节阀

(1)角形调节阀阀体为直角，如图所示。角形阀流向一般都是底进侧出，此时它的稳定性较好；在高压差场合，为了延长阀芯使用寿命而改用侧进底出的流向，但容易发生振荡。角形调节阀流路简单，阻力小，不易堵塞，适用于高压差、高粘度、含有悬浮物和颗粒物质流体的调节。角形阀(2)隔膜调节阀用耐腐蚀衬里的阀体和耐腐蚀隔膜代替阀芯、阀座组件，由隔膜位移起调节作用。隔膜调节阀耐腐蚀性强，适用于对强酸、强碱等强腐蚀性介质流量的调节。结构简单，流路阻力小，无泄漏量。但由于隔膜和衬里的限制，一般只能在压力低于1MPa，温度低于150℃的情况下使用。隔膜调节阀(3)三通调节阀阀芯移动时，总流量不变，两路流量比得到了调节。分为合流阀和分流阀两种。（在采用合流阀时，如果两路流体温度相差过大，会造成较大的热应力，因此温差通常不能超过150℃）合流阀：两路流体混合为一路三通阀应用示例分流阀：一路流体分为两路（４）套筒形调节阀结构特点是在单座阀体内装有一个套筒，阀塞能在套筒内移动。当阀塞上下移动时，改变了套筒开孔的流通面积，从而控制调节介质流量。由于阀塞上有均压平衡孔，不平衡推力小，稳定性很高且噪音小。因此适用于高压差、低噪音等场合，但不宜用于高温、高粘度、含颗粒和结晶的介质控制。套筒形调节阀5.1.3

气动薄膜调节阀的材质一般情况下，阀体材料采用铸铁、铸钢或不锈钢。特殊情况下（如腐蚀性介质），常采用各种合金钢及高分子材料等。调节机构中，介质与外界的密封一般用填料函来实现，但在遇到剧毒、易挥发等介质时，用波纹管密封。5．2 调节阀的静态特性（流量特性）调节阀的静态特性（流量特性）是指流过阀门的调节介质的相对流量与阀杆相对行程(即阀门的相对开度)之间的关系。其数学表达式为：q

/

qmax

=f(

l

/

lmax

)

或写成

Q

=

f

(

L

)Q=q/qmax表示调节阀某一开度的流量与全开时的流量之比，称为相对流量；L=

l/lmax表示调节阀某一开度下阀杆行程与全开时阀杆全行程之比，称为相对开度。流量特性通常用两种形式来表示：理想特性即在阀的前后压差固定的条件下，流量与阀杆位移之间的关系，它完全取决于阀的结构参数。工作特性是指在工作条件下，阀门两端压差变化时，流量与阀杆位移之间的关系。工作特性不仅取决于阀本身的结构数也与配管情况有关。5.2.1

调节阀的理想流量特性调节阀的前后压差保持不变时得到的流量特性。阀门制造厂提供的就是这种特性。理想流量特性有线性对数(等百分比)及快开三种。它们完全取决于阀芯的曲面形状。阀芯曲面形状5.2.1.1

线性流量特性线性流量特性是指调节阀的相对流量与相对开度成直线关系。即阀杆单位行程变化所引起的流量变化是常数。数学表达式为

d(q/qmax)/d(l/lmax)=k积分得q/qmax

=k

l/lmax+C式中，C为积分常数。线性调节阀的放大系数K是一个常数，不论阀杆在什么位置，只要阀杆作相同的变化，流量的数值也作相同的变化。可见线性调节阀在开度较小时灵敏度显得过高，调节作用过强，容易产生振荡，对控制不利；在开度较大时灵敏度又显得太小，调节缓慢，削弱了调节作用。因此，当线性调节阀在小开度或大开度的情况下工作时，控制性能都较差，不宜用于负荷变化大的场合。5.2.1.2

对数流量特性(等百分比特性)对数流量特性是指单位行程所引起的相对流量变化，与此点的相对流量成正比关系。即调节阀的放大系数K是变化的，它随相对流量的增加而增加。数学表达式：d(q/qmax)/d(l/lmax)=k

q/qmax积分得：ln(q/qmax)=k(l/lmax)+C在直角坐标上得到的一条对数曲线。因为阀杆位移增加1％，流量在原来基础上约增加3.4％所以也称为等百分比流量特性。由于对数阀的放大系数K随相对开度增加而增加，因此，对数阀有利于自动控制系统。在小开度时调节阀的放大系数小，控制平稳缓和；在大开度时放大系数大，控制灵敏有效。5.2.1.3快开流量特性这种流量特性在开度较小时就有较大流量，随着开度的增大，流量很快就达到最大，随后再增加开度时流量的变化很小，故称为快开特性。5.2.2

调节阀的工作流量特性在实际生产中，调节阀前后压差总是变化的。调节阀前后压差随管路系统阻力损失变化而发生变化。如图所示，系统的总压差p等于管路系统的压差pf与调节阀压差

pv

之和。当系统的总压差

p一定时随着通过管道的流量的增大，串联管道的阻力损失也增大，阻力损失与流速的平方成正比。这样，使调节阀上的压差减小，引起流量特性的变化。max节阀上，工作流量特性和理想流量特性一致。随着S的减v小，即管道阻力的增加，带来两个不v利后果：一m是ax系统的小即，全管开道时阻的力流损量失也失就为减零小)，调调节节阀阀的的全可开调范流围量R，变，得可越以S＝在用1实时S际表管道使示阻用调力中节损，阀失S全为选开零得，时过系，大统调或的节过总阀压小上差上都全压不部差妥降Δ。在pS调与选系得统过总大压，差在Δ流p量之相比同，情即况S=下Δ，p

/管Δ路p。阻以力q损耗表不变，示但理是想阀流上量压特降性很性情大情，况消下耗(阀能上量压过差多为；系S选统得总过压小差，总，压则差对不调变节，不管利道阻。力一增般加希，望意S味值着最调小节不阀低全开于时0.压3

差。减来当得越S≥小到0；串.6二联时是管，调道可节时阀时以的认以流为q量工特作性特为发性参生很与比大理值畸想的变特工，性作理相流想流差线量性无特几特性。渐性渐，趋如近图快所开示特示性。，理想对数特性渐渐趋近线性特性。现场使用时调节阀一般都装有旁路阀，即调节阀与旁路阀并联安装。安装旁路阀一是当控制系统失灵时手动控制使用。另外，有时因生产量提高或阀门选得过小，使调节阀流量不能满足工艺要求时，只好打开旁路阀以增加管道流量。调节阀的动态特性及变差调节阀的动态特性调节阀的动态特性是指信号压力与阀杆位移的关系。调节阀膜头可以看作是一个气容，从控制器到膜头间的引压管线有气容和气阻，是一个由气阻和气容组成的一阶滞后环节。当信号管线太长或太粗，膜头气室太大时，气容、气阻很大，调节阀的时间常数就大。这样在调节阀接受调节器的控制信号时，由膜头充气到阀杆走完全行程的过程很长，增加了系统广义过程容量滞后，对控制不利。减小时间常数的措施：尽量缩短引压管线的长度。电/气转换器应装在调节阀附近。选用合适口径的气动管线。通常采用Φ8×l紫铜管线。加装传输滞后补偿器。如引压管线很长，或膜头很大，可在阀门附近装设继动器，或采用阀门定位器。5.3.2调节阀的变差调节阀的阀杆是一个移动部件，它与填料之间总有一定摩擦。当阀门的填料函压得过紧或长期末润滑时，干摩擦力很大，膜头上较小的气压变化推不动阀杆。这时会产生正、反行程的变差，即在阀杆上升和下降时对应于同样阀杆位置的气压不一样。5.4

调节阀的选择选择调节阀时需从三个方面来考虑：1、调节阀结构形式的选择；2、气开、气关的选择；3、调节阀流量特性的选择。5.4.1

调节阀结构形式的选择主要考虑调节介质的工艺条件和介质特性：温度、压力、流量等；粘度、腐蚀性、毒性，是否含悬浮颗粒，液态还是气态等。当阀前后压差较小，要求泄漏量也小的场合选直通单座阀；当阀前后压差较大，允许有较大泄漏量的场合选直通双座阀；当介质为高粘度，含有悬浮颗粒物时，应选用角形调节阀；当介质为强酸、强碱、强腐蚀性的流体，或为高粘度及悬浮颗粒物时，选隔膜调节阀；当介质为高压时，应选用高压调节阀；当介质为低温时，应选用低温调节阀。设备和伤害操作人员。如阀门处于全开位置时，危害性较小，则5又.4如.，2

控调制节进阀入的锅气炉开给、水气量关的选调择节阀，应选用气关式，一旦气例如，控制进入加热炉内的燃料油流量，应选用气开式。当调源中断时调，节阀处有于气全开、状气态关，两给种水类继型续。流气入开锅、炉气，关以的保选证择锅炉主不要致是

节因器烧从发干生生而产故引安障起全或爆角仪炸度表，考供然虑而气，中，当断在调时用节，来阀作应上为立信透即号平停压止蒸力燃汽中料源断油的时加锅，入炉应炉时避内，免，蒸损以损汽坏大量带水的危险更大，故宜用气开阀。避免应炉选子用温气度关继式续调上节升阀而；烧反坏之炉则管选。用气开式调节阀。蒸汽LTLC给水