《過程控制系統(tǒng)及儀表（第四版）》第1篇

過程控制基礎知識

第1章

緒

論第2章

被控對象的特性第2篇

過程自動化裝置第3章

過程測量儀表第4章

過程控制儀表第5章

過程執(zhí)行儀表第3篇

過程控制系統(tǒng)第6章

簡單控制系統(tǒng)第7章

復雜控制系統(tǒng)

第8章

先進過程控制系統(tǒng)介紹第4篇

計算機控制系統(tǒng)第9章

計算機控制系統(tǒng)基礎

第10章

常用計算機控制系統(tǒng)介紹

全套可編輯PPT課件

本課件是可編輯的正常PPT課件第1章控制系統(tǒng)的基本概念第2章被控對象的特性第1篇過程控制基礎知識第1章控制系統(tǒng)的基本概念§1-1生產(chǎn)過程自動化概述

生產(chǎn)過程自動化，是指石油、化工、電力、冶金、輕工等工業(yè)部門以連續(xù)性物流為主要特征的生產(chǎn)過程的自動控制，主要解決各種生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量、液位（或物位）、以及成分（或物性）等參數(shù)的自動監(jiān)測和控制問題。用自動化裝置來管理連續(xù)或間歇生產(chǎn)過程的綜合性技術就稱為生產(chǎn)過程自動化，簡稱為過程控制（ProcessControl）。本課件是可編輯的正常PPT課件一、生產(chǎn)過程及其特點連續(xù)生產(chǎn)過程主要有以下幾種形式：1．傳熱過程

通過冷熱物流之間的熱量傳遞，達到控制介質溫度、改變介質相態(tài)或回收熱量的目的。典型設備：換熱器2．燃燒過程

通過燃料與空氣混合后燃燒為生產(chǎn)過程提供動力和熱源。典型設備：加熱爐本課件是可編輯的正常PPT課件3．化學過程

由兩種或幾種物料化合成一種或多種更有價值的產(chǎn)品的反應過程。典型設備：反應器4．精餾過程

精餾是一種分離過程。典型設備：精餾塔5．傳質過程不同組分的分離和結合，如液體和氣體之間的解吸、汽提、去濕或潤濕，不同非溶液體的萃取、液體與固體之間的結晶、蒸氣或干燥等都是傳質過程。其目的是獲得純的出口物料。一、生產(chǎn)過程及其特點本課件是可編輯的正常PPT課件二、生產(chǎn)過程對控制的要求

生產(chǎn)過程對控制最主要的要求可以歸結為三個方面，即：安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。(1)安全性是指在整個生產(chǎn)運行過程中，能夠及時預測、監(jiān)控和防止任何事故的發(fā)生，以確保生產(chǎn)設備和操作人員的安全，這是最重要也是最基本的要求。(2)穩(wěn)定性是指當工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境發(fā)生變化或受到隨機因素的干擾和影響時，生產(chǎn)過程仍能不間斷地平穩(wěn)運行，并保持穩(wěn)定的產(chǎn)品質量。本課件是可編輯的正常PPT課件(3)經(jīng)濟性是指在保證生產(chǎn)安全和產(chǎn)品質量的前提下，以最小的投資、最少的能耗和最低的成本，使生產(chǎn)裝置在高效率運行中獲取最大的經(jīng)濟收益。過程控制的任務:就是在了解、掌握工藝流程和生產(chǎn)過程的各種特性的基礎上，根據(jù)工藝生產(chǎn)提出的要求，應用控制理論對控制系統(tǒng)進行分析、設計和綜合，并采用相應的自動化裝置和適宜的控制手段加以實現(xiàn)，最終達到優(yōu)質、高產(chǎn)、低耗的控制目標。二、生產(chǎn)過程對控制的要求本課件是可編輯的正常PPT課件

作為工藝技術人員，學習和掌握生產(chǎn)過程自動化方面的知識，對于研究和開發(fā)新的生產(chǎn)工藝，解決生產(chǎn)操作中的關鍵技術問題，合理確定控制方案，保證生產(chǎn)優(yōu)質、高產(chǎn)、低耗的順利運行，促進生產(chǎn)企業(yè)的現(xiàn)代化管理等都具有十分重要的作用。生產(chǎn)過程自動化是自動控制理論、計算機科學、儀器儀表技術和生產(chǎn)工藝知識相結合而構成的一門綜合性的技術科學。在現(xiàn)代過程工業(yè)中，自動化裝置與生產(chǎn)工藝及設備已結合成為有機的整體。三、生產(chǎn)過程自動化的發(fā)展歷程本課件是可編輯的正常PPT課件§1-2過程控制系統(tǒng)的組成及分類一、過程控制系統(tǒng)的組成以液體貯槽的液位控制為例說明過程控制系統(tǒng)的基本構成。貯槽液位原理圖，如圖所示。本課件是可編輯的正常PPT課件人工控制方式：眼

—觀察玻璃管液位計（測量元件）指示高度；大腦

—將液位高度與期望高度進行比較，經(jīng)過思考估算出需要改變的流出量，然后發(fā)出動作命令；手

—根據(jù)命令改變出口閥門開度，相應地增減流出量，使液位保持在合理的范圍內。一、過程控制系統(tǒng)的組成本課件是可編輯的正常PPT課件

自動控制方式：一、過程控制系統(tǒng)的組成本課件是可編輯的正常PPT課件自動控制方式：

液位變送器—檢測并變換成統(tǒng)一標準信號送到控制器；

自動控制器—接收變送器信號與液位期望值進行比較，根據(jù)偏差按某種規(guī)律運算，運算結果送給執(zhí)行器（調節(jié)閥）；

執(zhí)行器—將控制器指令信號轉換成相應的位移信號，驅動閥門動作，改變液體流出量，實現(xiàn)液位的自動控制。一、過程控制系統(tǒng)的組成本課件是可編輯的正常PPT課件由液體貯槽的液位控制可知，過程控制系統(tǒng)是由被控對象，測量與變送裝置、控制器、執(zhí)行器組成。如果把測量與變送裝置、控制器、以及執(zhí)行器統(tǒng)稱為自動化裝置，則過程控制系統(tǒng)是由被控對象和自動化裝置兩部分組成的。

過程控制系統(tǒng)的任務：就是當被控對象受到干擾使被控變量（溫度、壓力、流量、液位、成分等）產(chǎn)生偏差時，能夠及時檢測，并通過合理地調節(jié)操縱變量使被控變量回到給定值。

一、過程控制系統(tǒng)的組成本課件是可編輯的正常PPT課件自控常用術語：(1)被控對象：需要實現(xiàn)控制的設備、機器或生產(chǎn)過程稱為被控對象，簡稱對象。如本例中的液體貯槽。(2)被控變量：對象中需要進行控制（保持數(shù)值在某一范圍內或按預定規(guī)律變化）的物理量稱為被控變量。如本例中的貯槽液位。(3)操縱變量：受到控制裝置的操縱，用以使被控變量保持在設定數(shù)值的物料或能量變量稱為操縱變量。如本例中的液體流出量。一、過程控制系統(tǒng)的組成本課件是可編輯的正常PPT課件(4)干擾（擾動）：除操縱變量外，作用于對象并使被控變量發(fā)生變化的因素稱為干擾（擾動）。如本例中的液體流入量。(5)設定值：按照生產(chǎn)工藝的要求為被控變量規(guī)定的所要達到或保持的數(shù)值稱為給定值（設定值）。如例中，為了防止槽內液體溢出或抽空，規(guī)定貯槽液位保持在貯槽50％的高度比較合理。(6)偏差：在過程控制系統(tǒng)中通常把測量值減給定值稱為偏差。一、過程控制系統(tǒng)的組成本課件是可編輯的正常PPT課件一、過程控制系統(tǒng)的組成指出圖中被控對象，被控變量，操縱變量，干擾，設定值，偏差分別是什么？本課件是可編輯的正常PPT課件一、過程控制系統(tǒng)的組成反應器反應溫度控制系統(tǒng)示意圖，由哪幾部分構成？請指出被控對象，被控變量，操縱變量，干擾各是什么？本課件是可編輯的正常PPT課件過程控制系統(tǒng)的分類方法有很多，每一種分類只反映出過程控制系統(tǒng)某一方面的特點。按被控變量的名稱分類溫度控制系統(tǒng)，壓力控制系統(tǒng)，流量控制系統(tǒng)等按被控變量的數(shù)量分類單變量控制系統(tǒng)，多變量控制系統(tǒng)按控制系統(tǒng)的結構分類開環(huán)控制系統(tǒng)，閉環(huán)控制系統(tǒng)按控制系統(tǒng)完成的功能分類反饋控制系統(tǒng)，串級控制系統(tǒng)，比值控制系統(tǒng)等二、過程控制系統(tǒng)的分類本課件是可編輯的正常PPT課件按照被控變量的給定值分類，可分成以下三類：1．定值控制系統(tǒng)定值控制系統(tǒng)是一種被控變量的給定值始終固定不變的控制系統(tǒng)。如：液位控制系統(tǒng)。二、過程控制系統(tǒng)的分類本課件是可編輯的正常PPT課件2．隨動控制系統(tǒng)隨動控制系統(tǒng)是一種被控變量的給定值隨時間不斷變化的控制系統(tǒng)。例如：鍋爐的燃燒控制系統(tǒng)為使燃料充分燃燒，空燃比保持一定比例，采用比值控制系統(tǒng)，要求空氣和燃料保持一定比例。由于燃料量隨負荷變化，空氣量隨燃料量變化，即空氣量的給定值也是隨機變化的，所以是一個隨動控制系統(tǒng)。二、過程控制系統(tǒng)的分類本課件是可編輯的正常PPT課件一、方塊圖

方塊圖是從信號流（信息）的角度出發(fā)，依據(jù)信號的流向將組成控制系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)相互連接起來的一種圖解表達方式。由于在方塊圖中不僅明確表明了每個環(huán)節(jié)在系統(tǒng)中的作用，而且能夠清楚地看出自動控制系統(tǒng)中各組成環(huán)節(jié)之間的相互關系以及信號在系統(tǒng)中的流動情況。對過程控制系統(tǒng)進行分析研究時，經(jīng)常用方塊圖來表示一個過程控制系統(tǒng)的組成。

§1-3方塊圖與流程圖本課件是可編輯的正常PPT課件圖中的方塊表示控制系統(tǒng)的一個組成部分，稱為“環(huán)節(jié)”。箭頭指向方塊的信號x表示該環(huán)節(jié)的輸入，稱為輸入變量。箭頭離開方塊的信號y表示該環(huán)節(jié)的輸出，稱為輸出變量。箭頭所指的方向就是信號的流向，它表明信號的作用方向。許多物理性質不同，但特性相同的系統(tǒng)，可以用同一種形式的方塊圖來表達。

環(huán)節(jié)圖1-2方塊圖單元xy圖1-2表示的是一個簡單的方塊圖單元。§1-3方塊圖與流程圖本課件是可編輯的正常PPT課件相加點：如圖1-3所示，表示兩個以上具有相同單位的變量(信號）之間的加和運算。§1-3方塊圖與流程圖（a）表示e=r-z;（b）表示x=x1+x2。本課件是可編輯的正常PPT課件分支點：如圖1-4所示，當一個變量（或信號）要同時作用于幾個不同的環(huán)節(jié)時，可使用分支點。

由分支點引出的各路信號都相等。

§1-3方塊圖與流程圖本課件是可編輯的正常PPT課件有了方塊圖，就可以根據(jù)變量間的相互作用，按照信號的流向方便地將系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)連接起來，構成一個完整的過程控制系統(tǒng)。圖1-1

液位控制系統(tǒng)，畫控制系統(tǒng)的方塊圖。§1-3方塊圖與流程圖本課件是可編輯的正常PPT課件例：本課件是可編輯的正常PPT課件為了便于分析，有時將控制器以外的各個環(huán)節(jié)（包括執(zhí)行器、被控對象、測量變送）組合在一起作為一個對象看待，稱之為廣義對象。§1-3方塊圖與流程圖本課件是可編輯的正常PPT課件爐溫控制系統(tǒng)方塊圖特點§1-3方塊圖與流程圖本課件是可編輯的正常PPT課件畫出如下反應器反應溫度控制系統(tǒng)的方塊圖。§1-3方塊圖與流程圖本課件是可編輯的正常PPT課件閉環(huán)控制系統(tǒng)：環(huán)節(jié)的任何一個信號，只要沿箭頭方向流動，最終總會回到它的起始點，把這樣的系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。不具備這種特性的系統(tǒng)則稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。§1-3方塊圖與流程圖本課件是可編輯的正常PPT課件反饋：閉環(huán)控制系統(tǒng)中，輸出變量（或信號）沿著回路中的信號流動方向總會返回到系統(tǒng)的輸入端，與給定值進行比較。這種把系統(tǒng)（或方塊）的輸出信號引回到系統(tǒng)輸入端的做法叫做反饋。若反饋信號（被控變量測量值z）與給定值信號的方向相反，即反饋信號z取負值，則叫做負反饋。測量信號與給定值信號方向相同，則叫做正反饋。閉環(huán)控制系統(tǒng)是靠負反饋來達到控制的目的。

例：儲槽液位控制系統(tǒng)；爐溫控制系統(tǒng)§1-3方塊圖與流程圖本課件是可編輯的正常PPT課件§1-3方塊圖與流程圖負反饋：儲槽液位控制系統(tǒng)本課件是可編輯的正常PPT課件閉環(huán)控制系統(tǒng)實質上是利用負反饋原理，根據(jù)偏差進行工作的。正因為如此，閉環(huán)控制系統(tǒng)又被稱為反饋控制系統(tǒng)。§1-3方塊圖與流程圖本課件是可編輯的正常PPT課件二、工藝控制流程圖在進行過程控制系統(tǒng)的工程設計時，自控專業(yè)人員必須與工藝專業(yè)人員協(xié)作，按工藝流程的順序和要求，將所確定的控制方案標注到工藝流程圖中。

將控制點和控制系統(tǒng)與工藝流程圖相結合的圖形文檔就稱為工藝控制流程圖，或稱為帶有控制點的工藝流程圖。§1-3方塊圖與流程圖本課件是可編輯的正常PPT課件圖1-7液體貯槽的工藝控制流程圖圖中所示，工藝控制流程圖主要是由工藝設備、管道、元件以及構成控制系統(tǒng)的儀表符號及信號線等圖形符號組成。§1-3方塊圖與流程圖本課件是可編輯的正常PPT課件

儀表圖形符號：儀表圖形符號可用來表達工業(yè)自動化儀表所處理的被測變量和功能，還可以表示儀表或元件的名稱。儀表圖形符號是直徑為12mm的細實圓圈，并在其中標有儀表位號。§1-3方塊圖與流程圖儀表位號由字母代號和數(shù)字編號組成，如下例所示：本課件是可編輯的正常PPT課件儀表位號按被測變量不同進行分類。同一個裝置（或工段）的同類被測變量的儀表位號中順序號是連續(xù)的。在工藝控制流程圖上，標注儀表位號的方法是：字母代號填寫在圓圈上半圓中，數(shù)字編號填寫在下半圓中。如圖1-8所示：§1-3方塊圖與流程圖本課件是可編輯的正常PPT課件表1-1列出了在儀表位號中用到的被測變量和儀表功能的字母代號。表1-2則給出了常見的字母組合。§1-3方塊圖與流程圖本課件是可編輯的正常PPT課件§1-3方塊圖與流程圖本課件是可編輯的正常PPT課件§1-3方塊圖與流程圖本課件是可編輯的正常PPT課件

圖1-7中采用了一臺液位變送器（LT)，一臺液位控制器（LC）和一個用于控制液位的執(zhí)行器（LV）。教材中所畫的工藝控制流程圖中，由于回路數(shù)較少，故將數(shù)字編號省略了。§1-3方塊圖與流程圖本課件是可編輯的正常PPT課件一、過渡過程過程控制系統(tǒng)在運行中有兩種狀態(tài)。靜態(tài)：系統(tǒng)的被控變量不隨時間而變化的平衡狀態(tài)，稱為靜態(tài)（或穩(wěn)態(tài)）；動態(tài)：系統(tǒng)的被控變量隨時間而變化的不平衡狀態(tài)，稱為動態(tài)。§1-4過渡過程和性能指標過渡過程：生產(chǎn)過程從一個平衡狀態(tài)（穩(wěn)態(tài)）到達另一個平衡狀態(tài)（穩(wěn)態(tài)）的動態(tài)歷程稱為過渡過程，它反映了被控變量隨時間的變換規(guī)律。本課件是可編輯的正常PPT課件為了便于了解控制系統(tǒng)的動態(tài)特性，通常是在系統(tǒng)的輸入端施加一些特殊的試驗輸入信號，然后研究系統(tǒng)對該輸入信號的響應。最常采用的試驗信號是階躍輸入信號，其作用方式如圖1-9所示。

§1-4過渡過程和性能指標本課件是可編輯的正常PPT課件過渡過程幾種典型形式：非衰減振蕩過程：

圖1-10(a)所示，其特點是被控變量在給定值的某一側作緩慢變化，沒有來回波動，最后穩(wěn)定在某一數(shù)值上。衰減振蕩過程：

圖1-10（b）所示，其特點是被控變量在給定值附近上下波動，但幅度逐漸減小，經(jīng)過幾個振蕩周期后，逐漸收斂在某一數(shù)值上。§1-4過渡過程和性能指標本課件是可編輯的正常PPT課件等幅振蕩過程：圖1-10（c）所示，其特點是被控變量在給定值附近來回波動，且波動幅度保持不變。發(fā)散振蕩過程：圖1-10(d）所示，其特點是當干擾進人系統(tǒng)后，使被控變量開始產(chǎn)生振蕩，控制作用不僅無法將被控變量穩(wěn)定到給定值上，反而使振蕩的幅度越來越大。§1-4過渡過程和性能指標本課件是可編輯的正常PPT課件二、性能指標

以衰減振蕩過程的形式討論：假設性能指標的出發(fā)點是以控制系統(tǒng)原先所處的平衡狀態(tài)時刻的被控變量y(0)作為基準值，且被控變量等于給定值。從t=O的時刻開始，系統(tǒng)受到階躍輸入作用，于是被控變量開始變化。經(jīng)過一段時間的衰減振蕩后，最終達到新的平衡狀態(tài)，使被控變量穩(wěn)定在y(∞)。

在干擾或給定值作階躍變化時，被控變量的響應曲線分別如圖1-11(a)和圖1-11(b）所示。§1-4過渡過程和性能指標本課件是可編輯的正常PPT課件本課件是可編輯的正常PPT課件控制系統(tǒng)的主要性能指標：1、最大偏差emax（或超調量σ）最大偏差（或超調量）是描述被控變量偏離給定值程度的物理量。

干擾作用下的定值控制系統(tǒng)，最大偏差是指在過渡過程中，被控變量的第一個波峰值與給定值的差。干擾作用下系統(tǒng)過渡過程如圖1-11(a)所示。§1-4過渡過程和性能指標本課件是可編輯的正常PPT課件emax=B+C最大偏差:§1-4過渡過程和性能指標本課件是可編輯的正常PPT課件給定值變化的隨動系統(tǒng)，通常采用超調量這一性能指標來表示被控變量偏離給定值的程度。超調量的定義為（１-１）tp-波峰時間給定值變化的過渡過程曲線如下圖所示：§1-4過渡過程和性能指標本課件是可編輯的正常PPT課件在圖1-11(b)中，超調量

§1-4過渡過程和性能指標本課件是可編輯的正常PPT課件2．余差e(∞)

余差又稱殘余偏差，是指在過渡過程終了時，系統(tǒng)的給定值與被控變量新穩(wěn)態(tài)值之間的差值。余差是衡量控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)準確性的重要指標。§1-4過渡過程和性能指標本課件是可編輯的正常PPT課件在圖1-11(a)中，余差e(∞)=

C；在圖1-11(b)中，余差e(∞)=r-y(∞）。本課件是可編輯的正常PPT課件3．衰減比n衰減比是衡量控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的一個動態(tài)指標，它反映了一個振蕩過程的衰減程度，它等于兩個相鄰的同向波峰值之比。（注意：以y（∞）為橫坐標）習慣上表示為n:1。一般希望衰減比在4:1到10:1的范圍內。§1-4過渡過程和性能指標本課件是可編輯的正常PPT課件衰減比n=B/B’本課件是可編輯的正常PPT課件4．過渡時間tS

過渡時間又叫控制時間或回復時間，它是控制系統(tǒng)在受到外界作用后，被控變量從原來的穩(wěn)態(tài)值達到新的穩(wěn)態(tài)值所需的時間。理論上講，被控變量達到新的平衡狀態(tài)需要無限長的時間。所以一般認為當被控變量已進人其新穩(wěn)態(tài)值的±5%（或±2%）的范圍內，并不再越出時，就認為控制系統(tǒng)已經(jīng)重新回復到穩(wěn)定狀態(tài)。在圖1-11中，過渡時間以tS表示。§1-4過渡過程和性能指標本課件是可編輯的正常PPT課件過渡時間以tS表示本課件是可編輯的正常PPT課件5.偏差積分性能指標IAEISEIATEISTE面積積分，按其整定參數(shù)偏差的平均值較小。隨時間推移，控制越來越趨于嚴格。過渡過程可能出現(xiàn)大的偏差，但是恢復時間較短。對偏差值敏感，按其整定參數(shù)過渡過程不會呈現(xiàn)大偏差。隨時間推移，控制越來越趨于嚴格。恢復時間較短。§1-4過渡過程和性能指標課程小結掌握過程控制系統(tǒng)的基本組成掌握由系統(tǒng)工作原理圖繪制方塊圖了解過程控制系統(tǒng)的過渡過程及品質指標本課件是可編輯的正常PPT課件第2章被控對象的特性§2-1概述

一、基本概念

常見的被控對象有各種類型的換熱器、反應器、精餾塔、加熱爐、液體儲槽及流體輸送設備等等。盡管這些對象的幾何形狀和尺寸各異，內部所進行的物理、化學過程也各不相同，但是從控制的觀點來看，它們在本質上卻有許多共性，這便是研究對象特性的基礎。§2-1概述 被控對象的特性：對象的輸入變量與輸出變量之間的相互關系。擾動變量操縱變量被控對象的輸出變量通常就是控制系統(tǒng)的被控變量。所有對被控變量有影響的變量都可看成是被控對象的輸入變量。多輸入-單輸出對象：具有多個輸入變量，一般只選一個變量做為操縱變量（u）對被控變量起控制作用，而其余輸入變量都作為擾動變量（fi）。§2-1概述 多輸入-多輸出對象:有些被控對象可能有多個被控變量，這種被控對象成為多輸入多輸出對象。§2-1概述 通道：對象的輸入變量至輸出變量的信號關系稱之為通道。調節(jié)通道：操縱變量至被控變量的通道干擾通道：干擾變量至被控變量的通道§2-1概述 干擾通道調節(jié)通道§2-1概述用數(shù)學表達式來精確描述過程對象的特性，即建立被控對象的數(shù)學模型，主要有兩種方法：機理建模實測建模質量、能量平衡原理建模對象的輸入、輸出數(shù)據(jù)，采用系統(tǒng)辨識建模一、一階對象的機理建模及特性分析1．一階對象的數(shù)學模型

當對象的動態(tài)特性可以用一階線性微分方程式來描述時，該對象一般稱為一階對象或單容對象。

以單容水槽為例，推導一階對象的數(shù)學模型。

§2-2被控對象特性的機理建模水槽操縱變量被控變量對象的輸出變量（被控變量）：液位h對象的輸入變量（操縱變量）：流量Qi下面推導h與Qi之間的數(shù)學關系。工藝已確定出水閥門開度§2-2被控對象特性的機理建模根據(jù)物料平衡關系有：§2-2被控對象特性的機理建模式中，M為槽中的儲液量。若貯槽的橫截面A不變，則有M=Ah。

由工藝設備的特性可知，QO與h的關系是非線性的。考慮到h和QO的變化量相對較小，可以近似認為QO與h成正比，與出水閥的阻力系數(shù)R成反比，其具體關系式如下：經(jīng)過整理可得到:

§2-2被控對象特性的機理建模令T=AR，K=R，則可得到

（2-5）

如果上式各變量都以自己的穩(wěn)態(tài)值為起算點，即h0=Qs=0

，則可去掉式中的增量符號，直接寫成

(2-6)

式（2-6）就是描述簡單水槽對象特性的數(shù)學模型。它是一個一階常系數(shù)微分方程式。其中：T為時間常數(shù)；K為放大系數(shù)。§2-2被控對象特性的機理建模2一階對象的特性分析為了求單容水槽對象輸出h在輸入Qi作用下的變化規(guī)律，可以對一階微分方程式進行求解。假定輸入變量Qi為階躍作用，即：

則式（2-5）的通解為

△h（t）=K△Q+Ce-t/T

（2-8）

將初始條件△h(0）=0代入上式，得到

△h（t）=K△Q（1-e-t/T

）（2-9）§2-2被控對象特性的機理建模§2-2被控對象特性的機理建模(1）對象輸出的變化特點對式（2-9）求導，可得h在t時刻變化速度，即當t=0時，得h的初始變化速度當t=∞時，得h的最終變化速度

§2-2被控對象特性的機理建模§2-2被控對象特性的機理建模一階對象在階躍輸入作用下，輸出變量在輸入變量變化瞬間變化速度最大，隨著時間增加，變化速度逐漸變緩，當時間趨于無窮大時，變化速度趨近于零，這時輸出參數(shù)達到新的穩(wěn)態(tài)值。(2）放大系數(shù)K

由△h（t）=K△Q（1-Ce-t/T

）可以看出，在階躍輸入△Qi的作用下，隨著時間t→∞，液位將達到新的穩(wěn)態(tài)值，其最終的變化量為△h（∞）=K△Q，這就是說，一階水槽的輸出變化量與輸入變化量之比是一個常數(shù)。（2-12）

放大系數(shù)K的物理意義可以理解為：

如果有一定的輸入變化量，通過對象環(huán)節(jié)就被放大了K倍輸出。K是反映對象靜態(tài)特性的參數(shù)。§2-2被控對象特性的機理建模時間常數(shù)T的物理意義理解為：當對象受到階躍輸入作用后，對象的輸出變量始終保持初始速度變化而達到新的穩(wěn)態(tài)值所需要的時間。§2-2被控對象特性的機理建模(3)時間常數(shù)T該曲線在起始點處切線的斜率，就是△h(∞)/T，這條切線與新的穩(wěn)態(tài)值的交點所對應的時間正好等于T。理論上說，需要無限長的時間，即只有當t→∞時，才有△h（∞）=K△Q。當分別把時間T,2T,3T和4T代入式△h（t）=K△Q（1-Ce-t/T）時，就會發(fā)現(xiàn)：△h(T)=K△Q(1-e-1）≈0.632K△Q=0.632△h（∞）△h(2T)=K△Q(1-e-2）≈0.865K△Q=0.865△h(∞)△h(3T）=K△Q(1-e-3）≈0.95K△Q=0.95△h(∞)△h(4T)=K△Q(1-e-4）≈0.982K△Q=0.982△h(∞)

§2-2被控對象特性的機理建模經(jīng)過3T時間，液位變化了全部變化范圍的95％。經(jīng)過4T時間，液位變化了全部變化范圍的98％。時間常數(shù)T是反映對象響應速度快慢的一個重要的動態(tài)特性參數(shù)。T越小，對象輸出變量的變化就越快，T越大，對象輸出變量的變化就越慢。時間常數(shù)T=AR，即T與水槽的橫截面A以及出口閥門的阻力系數(shù)R有關。從工藝常識定性知道，在進口流量發(fā)生同樣變化的情況下，閥門開度一定，水槽的橫截面積越大，儲水能力就越強，慣性也就越大，液位需經(jīng)較長時間才能達到穩(wěn)態(tài)值。反之，水槽的橫截面積越小，儲水能力就越差，只需較短的時間就趨向于穩(wěn)態(tài)值。

§2-2被控對象特性的機理建模§2-3被控對象特性的實測建模一種具有實用意義的建模方法就是直接從實驗數(shù)據(jù)來建立模型，即經(jīng)驗模型。經(jīng)驗模型有時稱之為黑箱（盒）模型（blackboxmodel）。階躍響應曲線的獲取：只要使閥門的開度做一階躍變化，然后通過記錄儀就能得到響應曲線。由曲線數(shù)據(jù)計算被控對象模型。【例題】某一直接蒸汽加熱器具有一階對象特性。物料當前溫度為70℃，在蒸汽量階躍變化10％后，經(jīng)過1分鐘，出口溫度已經(jīng)達到78.65℃。最終物料的出口溫度穩(wěn)定時為80℃時，試寫出該對象相應的微分方程式，并畫出該對象的輸出階躍響應曲線。

§2-3被控對象特性的實測建模§2-3被控對象特性的實測建模解：該對象的輸出為出口溫度y（℃），輸入為蒸汽量x(%)。=10/10=1(℃/%)

已知輸入的階躍幅值△x=10%，輸出的最終變化量△y=80℃-70℃=10℃，則有：

△y（t）=Kx（1-Ce-t/T），當t=60s時，輸出變化量△y=78.65℃-70℃=8.65℃則有：

8.65=1*10(1-e-60/T）由上式可以解得：T≈30(s)由此可寫出描述該對象的微分方程式為:該對象的輸出階躍響應曲線如圖所示:

§2-3被控對象特性的實測建模在連續(xù)化生產(chǎn)中，有的被控對象或過程，在輸入變量發(fā)生變化后，輸出變量并不立刻隨之變化，而是要隔上一段時間后才產(chǎn)生響應。我們把具有這種特性的對象稱為純滯后對象。輸出變量落后于輸入變量變化的那段時間則稱為純滯后的時間，常用τ表示。純滯后對象典型特例:溶解槽對象§2-4純滯后對象的數(shù)學模型及特性§2-4純滯后對象的數(shù)學模型及特性操縱變量：送料量被控變量：溶解槽中的溶液濃度若料斗處加大送料量，溶解槽中的溶液濃度并不會馬上改變，只有當增加的固體溶質被輸送到加料口，并落入槽中后，溶液濃度才開始變化，也就是說溶液濃度變化落后溶質變化一個輸送時間。

假設皮帶輸送機的傳送速度是v，傳送距離為l，則輸送時間為l/v，該時間就是純滯后時間τ。純滯后對象的動態(tài)特性與一階對象的特性是類似的，數(shù)學模型的形式也基本相同，只不過輸出的響應相對輸入來說向后平移了τ的時間。§2-4純滯后對象的數(shù)學模型及特性如果一階對象的數(shù)學模型為：

則一階純滯后對象的數(shù)學模型為：

§2-4純滯后對象的數(shù)學模型及特性一階純滯后對象的階躍響應曲線一階純滯后對象的實測建模大多數(shù)過程的特性是很復雜的，其描述模型體現(xiàn)高階滯后系統(tǒng)的特性。在工程上，往往忽略其高階的動態(tài)特性，用簡單的一階純滯后對象近似描述，即：

§2-4純滯后對象的數(shù)學模型及特性§2-4純滯后對象的數(shù)學模型及特性方法1（當拐點易確定時）：對于這種模型參數(shù)的確定，其圖解法求解步驟為：1.求過程的增益K，即計算階躍響應后y的穩(wěn)態(tài)值與階躍響應變化值之比:2.在階躍響應曲線的拐點作切線，該切線與時間軸的交點就是純遲后時間。3.該切線與穩(wěn)態(tài)值相交點對應的時間為，所以時間常數(shù)§2-4純滯后對象的數(shù)學模型及特性方法2（當拐點不易確定時）：§2-4純滯后對象的數(shù)學模型及特性1.求過程的增益K，即計算階躍響應后y的穩(wěn)態(tài)值與階躍響應變化值之比。2.時間常數(shù)T和純滯后時間采用兩點法計算：規(guī)律：找到階躍響應曲線達到穩(wěn)態(tài)幅值28%和63%所對應的時間t1和t2，聯(lián)立求解以下方程組：§2-4純滯后對象的數(shù)學模型及特性1．有自衡能力對象的動態(tài)特性

有自衡能力的對象具有這樣的性質：當受到階躍干擾作用使平衡狀態(tài)遭到破壞后，在不需要任何外力作用（即不進行控制）下，依靠對象自身的能力，對象的輸出（被控變量）便可自發(fā)地恢復到新的平衡狀態(tài)。

§2-5自衡與非自衡能力對象特性例1：儲槽對象例1：儲槽液位入水閥門開度增大，液位上升，靜壓增大，出料增加，液位上升到一定高度，出入流量相等，達到新平衡§2-5自衡與非自衡能力對象特性例2：加熱器溫度閥門開度增大，蒸汽增加，物流溫度升高，隨著冷物流的不斷流入，出口溫度達到新平衡。§2-5自衡與非自衡能力對象特性以上兩個有自衡能力的對象在階躍輸入下的響應曲線分別如圖所示。§2-5自衡與非自衡能力對象特性2．無自衡能力對象的動態(tài)特性無自衡能力的對象具有這樣的性質：如果一個被控對象（或過程）在受到階躍輸入干擾作用使平衡狀態(tài)遭到破壞后，在沒有其它外力的作用下，依靠自身的能力無法再達到新的平衡狀態(tài)，則該對象就是無自衡能力的對象。

例：儲槽（加入定量泵）§2-5自衡與非自衡能力對象特性例：儲槽（加入定量泵）入水閥門開度增大，液位上升，靜壓增大，但出料不變液位一直上升，達不到新平衡§2-5自衡與非自衡能力對象特性液體儲槽（加入定量泵）的階躍響應曲線如圖2-7(a）所示。還有些無自衡能力對象的階躍響應特性呈非線性變化，如圖2-7(b）所示。

§2-5自衡與非自衡能力對象特性課程小結掌握對象特性的定義；了解一階對象數(shù)學模型的建立方法；掌握實測建模計算方法；掌握一階對象特性的三個參數(shù)K，T，的概念及物理意義。

第2篇過程自動化裝置第3章過程測量儀表第4章過程控制儀表第5章過程執(zhí)行儀表第2篇概述過程自動化裝置：是用于對生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量、液位及成份等工藝參數(shù)進行自動測量、控制和執(zhí)行的裝置，也是企業(yè)實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化必不可少的技術工具。按功能分類：測量儀表、控制儀表、執(zhí)行儀表按信號類型分：模擬儀表、數(shù)字儀表按使用能源分類：有氣動儀表和電動儀表。氣動單元組合儀表：簡稱QDZ儀表

能源：0.14MPa壓縮空氣。信號：

各單元之間以統(tǒng)一的0.02MPa–0.1MPa氣壓標準信號聯(lián)系。特點：

優(yōu)點：QDZ儀表具有結構簡單、價格便宜、性能穩(wěn)定和本質安全等優(yōu)點。

缺點：由于該類儀表體積龐大，信號傳輸慢，不利于遠傳。

按使用能源分類：有氣動儀表和電動儀表。電動單元組合儀表：簡稱DDZ儀表能源：

Ⅱ型表采用220V交流電源；

Ⅲ型表以24VDC為電源。

信號：

Ⅱ型各單元間以0-10mADC為統(tǒng)一聯(lián)絡信號，采用電流傳輸、電流接收，四線制接法，現(xiàn)場儀表具有隔爆性能。

Ⅲ型表以4-20mADC為現(xiàn)場傳輸信號，以1-5VDC為控制室聯(lián)絡信號，采用電流傳輸、電壓接收，兩線制接法。特點：

優(yōu)點：DDZⅢ型儀表具有傳輸距離長，速度快的特點，集成化程度高、易于斷電識別、與計算機的互聯(lián)性好、無擾切換方便和現(xiàn)場儀表具有防爆性能可以構成本質安全系統(tǒng)等優(yōu)點，在生產(chǎn)過程中大量采用。§3-1測量儀表中的基本概念一、測量過程及測量儀表測量就是人們借助于專門工具，通過試驗和對試驗數(shù)據(jù)的分析、計算求得被測量的值的過程。或者說：測量就是為了取得任一未知參數(shù)值而進行的全部工作。測量過程中常用的測量設備有檢測元件、傳感器和變送器。第3章過程測量儀表檢測元件是能夠靈敏地感受被測變量并作出響應的元件。傳感器不但對被測變量敏感，而且具有把對被測變量的響應傳送出去的能力。即，傳感器不只是一般的敏感元件，它的輸出響應還必須是易于傳送的物理量，如電壓、電流等。變送器是從傳感器發(fā)展起來的，凡是能輸出標準信號的傳感器就稱為變送器。標準信號是指在物理量的形式和數(shù)值范圍等方面都符合國際標準的信號。例如：4mA-20mA，1-5V的直流電；

20kPa-100kPa的空氣壓力。二、檢測系統(tǒng)的性能指標檢測系統(tǒng)的性能指標很多，工程上常用以下幾個指標衡量儀表或系統(tǒng)的品質。（1）靈敏度S

靈敏度S表征了檢測儀表對被測量變化的靈敏程度。常用儀表的輸出變化量與輸入變化量之比來表示。即：可以看出靈敏度高的儀表在相同輸入信號時會產(chǎn)生較大的輸出。靈敏度實質上是一個放大倍數(shù)，它具有可傳遞性；對于多個儀表串聯(lián)構成的檢測系統(tǒng)，其總的靈敏度是各個儀表靈敏度之積。

（3.1）

靈敏限

也稱為分辨率，是反映檢測儀表靈敏程度的另一指標。它是指引起儀表輸出發(fā)生可見變化的最小輸入量，相當于一個分度值。說明了檢測儀表響應與分辨輸入量微小變化的能力。（2）變差（回差）在外界條件不變的情況下，檢測儀表在全量程范圍內，對應同一被測量的正行程和反行程輸出值間的最大差值稱為變差。

數(shù)值可用同一被測量對應的輸出值間的最大差值與檢測儀表的滿度值之比的百分數(shù)表示。

（3.2）

變差的產(chǎn)生原因主要是由于運動部件的摩擦、彈性元件的彈性滯后、制造工藝上的缺陷所帶來的間隙、元件松動等。（3）線性度(非線性誤差)

線性度就是衡量檢測儀表輸出與輸入之間偏離線性程度的一種指標。用非線性誤差來表示，是實際值與理論值之間的絕對誤差的最大值與系統(tǒng)滿度值之比。

（3.3）

為了便于信號間的轉換與現(xiàn)實，有利于提高系統(tǒng)準確度，希望系統(tǒng)具有良好的線性特性。

（4）準確度

準確度也稱為精度，儀表的準確度通常用誤差的大小來表示。①絕對誤差絕對誤差為檢測儀表的輸出值x與被測參數(shù)的真值x0之間的代數(shù)差值，即（3.4）

由于真值不能得到，實際上是用約定真值來代替，通常為標準儀表(準確度等級更高的儀表)的測量結果作為約定真值。②示值相對誤差(簡稱相對誤差)

儀表的絕對誤差與約定真值比的百分數(shù)，即

相對誤差只能說明不同測量結果的準確程度，不能用來衡量檢測儀表本身的質量。當測量誤差很小時，示值相對誤差近似：③引用誤差儀表的絕對誤差與儀表的量程L比的百分數(shù)。即：（3.7）

式中：

④最大引用誤差（滿量程相對誤差）儀表的絕對誤差的最大值與儀表的量程L比的百分數(shù)．即（3.8）

式中：

⑤儀表基本誤差標準條件下，儀表在全量程范圍內輸出值誤差中絕對值最大者稱為儀表的基本誤差。儀表基本誤差是表征儀表準確度的一個重要指標，并且儀表的其他誤差定義也以此為基礎。最大引用誤差也是儀表基本誤差的主要形式。⑥允許誤差

這是儀表制造廠為保證儀表不超過基本誤差而設的限值。把這個限值與儀表的量程L比的百分數(shù)稱為儀表的允許誤差。即（3.9）

按照國家標準規(guī)定，儀表的準確度可劃分為若干等級，稱準確度等級G。根據(jù)儀表的允許誤差，去掉“±

”號及“%”后的數(shù)值就是儀表的準確度等級。國家統(tǒng)一規(guī)定所劃分的等級有…0.05，0.1，0.25，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0…等。顯然，準確度等級的數(shù)字越小．儀表的準確度就越高，或者說儀表的測量誤差越小。

例某臺測溫儀表，其測量范圍為100℃~600℃，經(jīng)檢驗發(fā)現(xiàn)儀表的基本誤差為±6℃，試確定該儀表的精度等級？如果將該儀表的最大引用誤差去掉“±”和“%”號后，其數(shù)值為1.2，由于國家規(guī)定的精度等級中沒有1.2級的儀表，該儀表的最大引用誤差大于1.0級儀表的允許誤差，所以該儀表的精確度等級為1.5級。

解：該儀表的最大引用誤差為:練習題一臺精度等級為0.5級，量程范圍為500℃~1200℃的電位差計，它的基本誤差是多少？解：它的基本誤差是：3.5℃（5）測量范圍(量程)儀表的量程通常指檢測裝置能正常工作的被測量范圍。此范圍的最小值和最大值分別稱為測量下限和測量上限。§3-3壓力測量儀表壓力檢測方法2壓力儀表的選用33概述313.3.1概述

工程技術中所稱的“壓力”，實質上就是物理學中的“壓強”，是指介質垂直均勻作用于單位面積上的力。壓力常用字母p表示，其表達式為

p=F/S式中F,S―分別為作用力和作用面積。單位：壓力的國際單位為“帕斯卡”，簡稱“帕”（Pa）。工程界長期使用許多不同的壓力計量單位。如“工程大氣壓”、“標準大氣壓”、“毫米汞柱”等。壓力單位轉換對照表工業(yè)生產(chǎn)過程中壓力測量的三種情況：

1.絕對壓力pab

是指物體實際所承受的全部壓力。

2.表壓力pe

表壓力是一個相對壓力，它以環(huán)境大氣壓力為參照點。實質上是絕對壓力與環(huán)境大氣壓力的差壓。它們之間的關系為

p表壓=p絕對-p大氣在工程實際中，所說的壓力通常是指表壓，即壓力表上的讀數(shù).3.負壓（或真空度）pv

在工程中，我們習慣于把絕對壓力低于環(huán)境大氣壓力的差壓稱為負壓力。是指真空表上的讀數(shù)。

p真空=p大氣-p絕對pe表示表壓，用pv

表示負壓（或真空度），pab

表示絕對壓力、用Patm

表示環(huán)境大氣壓力，用△p表示任意兩個壓力之差。測量壓力的儀表種類很多，按轉換原理可大致分為以下四種：1．液柱式壓力表原理：液柱式壓力表是根據(jù)靜力學原理，將被測壓力轉換成液柱高度來測量壓力的。這類儀表包括U型管壓力計、單管壓力計、斜管壓力計等。2．彈性式壓力表原理：彈性式壓力表是根據(jù)彈性元件受力變形的原理，將被測壓力轉換成元件的位移來測量壓力的。常見的有彈簧管壓力表、波紋管壓力表、膜片（或膜盒）式壓力表。3.活塞式壓力計原理：活塞式壓力計是利用流體靜力學中的液壓傳遞原理，將被測壓力轉換成活塞上所加砝碼的重量進行壓力測量的。這類測壓儀表的測量精度很高，允許誤差可小到0.05％-0.02%，所以普遍用作標準壓力儀器對其他壓力表或壓力傳感器進行校驗和標定。4．壓力傳感器和壓力變送器原理：壓力傳感器和壓力變送器是利用物體某些物理特性，通過不同的轉換元件將被測壓力轉換成各種電量信號，并根據(jù)這些信號的變化來間接測量壓力。根據(jù)轉換元件的不同，壓力傳感器和壓力變送器可分為電阻式、電容式、應變式、電感式、壓電式、霍爾片式等多種形式。一、彈性式壓力表測壓原理：是利用彈性元件在被測壓力作用下產(chǎn)生彈性變形的原理來度量被測壓力的。當彈性元件受壓力作用時會產(chǎn)生變形，于是輸出位移或力；再把位移或力通過一定的元件轉換成電量信號。彈性元件的特點：構造簡單，價格便宜，測壓范圍寬，被測壓力低至幾帕，高達數(shù)百兆帕都可使用，測量精度也較高，在目前的測壓儀表中占有統(tǒng)治地位。3.3.2壓力檢測方法3.3.2壓力檢測方法

一、彈性式壓力表單圈彈簧管原理：其截面一般為扁圓形或橢圓形，管子自由端封閉，作為位移輸出端，彈簧管的另一端固定，作為被測壓力的輸入端，當被測壓力從輸入端通入后，由于橢圓形截面在壓力p的作用下將趨于圓形，因而彎成弧形的彈簧管隨之產(chǎn)生向外挺直的擴張變形。其自由端就從B移到B’。從而將壓力變化轉換成位移量，壓力越大，位移量越大。波紋管原理：在波紋管中引入壓力時，其自由端產(chǎn)生伸縮變形，可以得到較大的線位移，但壓力—位移特性的線性不如彈簧管。3.3.2壓力檢測方法一、彈性式壓力表膜片：單膜片測壓元件主要用于低壓的測量，一般使用金屬膜片，也有橡膠膜片。膜片式壓力計的優(yōu)點是：可測微壓和粘滯性介質壓力。膜片3.3.2壓力檢測方法一、彈性式壓力表二、電容式壓力變送器1、差動平板電容器的工作原理差動平板電容器共有三個極板，其中中間一個電極板為活動電極板，兩端為固定電極板。電容器在初始狀態(tài)下，活動極板正好位于兩固定電極板的中間。3.3.2壓力檢測方法每個電容的容量為:當受到外界作用，使中間的活動電極板產(chǎn)生一個微小的位移后：其兩個電容的差值為規(guī)律：電容變化量和活動極板的位移成正比。2、電容式差壓變送器由電容差壓傳感器和轉換單元兩大部分組成2、3-不銹鋼基座1、4-紋波隔離膜片5、-玻璃層6、-金屬薄膜（固定）7、-測量膜片（活動）三、擴散硅壓力變送器擴散硅壓力變送器屬應變式壓力變送器。電阻應變原理：當電阻體在外力作用下，產(chǎn)生機械變形時，其電阻值也將隨之發(fā)生變化。這種現(xiàn)象稱之為電阻應變效應。通過對電阻變化量的檢測，即可得知其受力情況。擴散硅壓力變送器檢測部件的原理結構如圖所示。3.3.2壓力檢測方法圖3-20擴散硅壓力變送器測壓原理圖硅杯膜片上按特定方向排列4個等值電阻。電阻布置如圖（b）所示。硅杯內腔承受被測壓力p，硅杯的外側為大氣壓力。硅杯設計時，取R1=R2=R3=R4=R，當壓力為零時，橋路輸出為：當外界有壓力時，由于四個電阻的位置經(jīng)過精確選擇，使得電阻變化量相等，即△R1=△R2=△R3=△R4=△R，這時橋路失去平衡輸出電壓信號為：所以此時橋路平衡，U=0。上式表明橋路的輸出電壓與應變電阻的變化量成正比。四、智能壓力變送器3.3.2壓力檢測方法智能壓力變送器3.3.3、壓力測量儀表的選擇和使用1．壓力表的選擇原則符合工藝過程的技術要求，同時做到“厲行節(jié)約，降低投資”的原則。主要考慮：（1）介質物理化學性質，如溫度高低、粘度大小、臟污程度、腐蝕性，是否易燃易爆、易結晶等。（2）對壓力測量的要求，如被測壓力范圍、精度以及是否需要遠傳、記錄或上下限報警等。（3）現(xiàn)場環(huán)境條件，如高溫、腐蝕、潮溫、振動、電磁場等。＊彈性式壓力表選量程原則：

被測壓力波動:

最大壓力值不超過儀表滿量程的2/3。壓力最小值應不低于全量程的1/3。例題例1若選用彈簧管壓力表來測量某設備內的壓力，已知被測壓力為（0.7~1）x106Pa，要求測量的絕對誤差不得超過0.02X106Pa，試確定該壓力表的測量范圍及精度等級。可供選用的測量范圍有:0~0.6x106Pa,0~1x106Pa,0~1.6x106Pa,0~2.5x106Pa選擇量程為0~1.6x106Pa的儀表，當壓力變化時，正處于量程的1/3~2/3。要求儀表的允許誤差為

所以應選1.0級精度的壓力表解：由題意知壓力波動較大練習題1.采用彈簧管壓力表測量某容器的壓力，工藝要求其壓力為1.2±0.05Mpa，試選擇合適的壓力表。可供選用的測量范圍有:0~0.6x106Pa,0~1x106Pa,0~1.6x106Pa,0~2.5x106Pa選擇量程為0~2.5x106Pa的儀表，當壓力變化時，正處于量程的1/3~2/3。解：由壓力量程選擇原則可知：壓力上限=（1.25*3/2)Mpa=1.875Mpa課程小結壓力測量：了解各類壓力測量的基本工作原理，變送器的構成和傳送方式；重點掌握壓力表的量程和精度的選擇使用。了解測量過程，掌握儀表的性能指標。§3-2溫度測量儀表溫度檢測方法2溫度儀表的選用33概述313.2.1、概述測溫原理溫度是國際單位制(SI)基本物理量之一。溫度反映物體的冷熱程度，是物體分子運動平均動能大小的標志。溫度的定量測量以熱平衡現(xiàn)象為基礎，兩個受熱程度不同的物體相接觸后，經(jīng)過一段時間的熱交換，達到共同的平衡態(tài)后具有相同的溫度。溫度測量原理就是選擇合適的物體作為溫度敏感元件，其某一物理性質隨溫度而變化的特性為已知，通過溫度敏感元件與被測對象的熱交換，測量相關的物理量，即可確定被測對象的溫度。測溫儀表的分類:從測量元件與被測介質是否接觸的角度來看，分為：接觸式和非接觸式兩大類。

接觸式測溫測溫原理：在兩種不同溫度的物體相互接觸過程中，由于有溫差存在，熱量就會從高溫物體向低溫物體傳遞。在足夠長的時間內兩者達到熱平衡。特點：

接觸式測量儀表簡單、可靠、測量精度高。但由于感溫元件在熱交換過程中，達到熱平衡的時間較長，因而有測量滯后現(xiàn)象，而且可能產(chǎn)生化學反應，不適宜于直接對腐蝕性介質測溫。另外，受耐高溫材料限制，不能用于極高溫測量。非接觸式測溫測溫原理：利用物體的熱輻射（或其它特性），通過對輻射能量的檢測實現(xiàn)溫度測量的。特點：可從超低溫到極高溫，測溫速度快，但易受粉塵、水氣等因素的影響測量誤差大。P38常見溫度儀表一、熱電偶溫度計熱電偶溫度計是工業(yè)生產(chǎn)過程中應用最廣泛的測溫儀表。熱電偶溫度計是以熱電效應為基礎的測溫儀表，它以熱電偶作為測溫元件，再配以連接導線和顯示儀表或測量儀表構成。1.熱電偶構成熱電偶是由具有不同導電特性的兩種材料焊接而成。如圖3-4所示。3.2.2溫度檢測方法組成熱電偶的兩根導體稱為熱電極。一、熱電偶溫度計冷端熱端熱電效應：如果將兩種不同材料的金屬導線A和B連成如圖3-5所示的閉合回路，并將接點一端放入溫度為t的熱源中，使其溫度高于另一接點處的溫度t0，則在該閉合回路中就有電流通過，即有熱電勢產(chǎn)生，我們把這種現(xiàn)象稱為熱電效應或塞貝克效應。等效原理圖我們把在溫度t下的接觸電勢差記作eAB(t)，注腳A表示正極金屬，B表示負極金屬。同理：把t0溫度下的接觸電勢差記作eAB(t0).整個閉合回路中總的熱電勢EAB（t,t0）應為熱電偶兩接點處熱電勢的代數(shù)和，即：定值幾點結論：（1）熱電偶回路總的熱電勢只與組成熱電偶的兩種電極材料及兩端溫度有關，而與熱電極的幾何形狀和尺寸無關；（2）只有當熱電偶兩端溫度不同時，才能產(chǎn)生熱電勢，而當兩端溫度相等時，回路熱電勢等于零；（3）只有用兩種不同材料的導體才能構成電偶，當兩個熱電極材料相同時，熱電偶回路的電勢始終等于零。一、熱電偶溫度計在實際應用中，為了測量熱電偶回路中的熱電勢，總要在熱電偶與測量儀表之間增加連接導線，如圖3-5所示：加入第三種導體后，熱電勢是否會受影響？分析：在圖3-5中共有3個接點，其接觸電勢分別表示為eAB(t),eBC(t0),eCA(t0),則回路中總電勢為：（3-11）由熱電偶測溫原理知，只要回路中溫度相同，則總的熱電勢為0，則：（3-12）將（3-12）代入（3-11），得：結論：中間導體定則：當在熱電偶回路中接入第三種金屬導體時，只要保證引入線兩端溫度相同，則熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢保持不變。同理，對于串入多種導線，只要引入兩端的溫度相同，熱電偶的熱電勢將保持不變。2.常用熱電偶的種類

8種標準熱電偶如下表3-2.根據(jù)國際電工委員會的推薦，目前我國已經(jīng)為8種熱電偶制定了標準，這8種熱電偶稱為標準熱電偶。分度表在T0=0℃條件下，用實驗的方法測出各種不同熱電極組合的熱電偶在不同熱端溫度下所產(chǎn)生的熱電勢值，可以列出對應的分度表。標準熱電偶的熱電勢與溫度的對應關系可以從熱電偶分度表中查到。附錄2（p246）給出了幾種常見的熱電偶分度表。4．熱電偶補償導線及冷端溫度補償

（1）補償導線補償導線是用比兩根熱電極材料便宜得多的廉價金屬材料制作，其在0℃-100℃范圍內的熱電性質與熱電偶的熱電性質幾乎完全相同。使用補償導線猶如將熱電偶延長，從而把熱電偶的冷端延伸到離熱源較遠且溫度較恒定的地方。書P43頁常用補償導線。注意：為了保證熱電特性一致，補償導線要與熱電偶配套使用，極性不能接反，熱電偶和補償導線連接處兩接點溫度必須保持相同，以免引起測量誤差。（2）冷端溫度補償標準熱電偶的分度表及與熱電偶配套使用的顯示儀表都是按熱電偶的冷端溫度為O℃刻度的。盡管利用補償導線將熱電偶的冷端從溫度較高和不穩(wěn)定的地方延伸至溫度較低且較恒定的地方，但冷端溫度并不為0℃

。這樣必然引入測量和指示誤差。因此，在實際使用中，還必須采取一些冷端溫度補償措施。

a．冰點恒溫法（如下圖）中間溫度定則：熱電偶AB在接點溫度為T、T0時的熱電勢EAB(T,T0)等于熱電偶AB在接點溫度為T、TC和TC

、T0時的熱電勢EAB(T,TC)、EAB(TC,T0)的代數(shù)和。b．計算校正法EAB(T,T0)=EAB(T,TC)+EAB(TC,T0)式中：

EAB（t,0）表示熱電偶測量端溫度為t℃，冷端溫度為0℃時的熱電勢；

EAB（t,t0）表示熱電偶測量端溫度為t℃，冷端溫度為t0℃時的熱電勢，即實際測得的熱電勢；

EAB（t0,0）表示將冷端當作工作端，0℃作為冷端時的熱電勢，該值可以直接查分度表求得。其中冷端溫度t0可以用另一支溫度計（比如水銀溫度計）測出。根據(jù)這一定則，只需列出熱電偶在參比端溫度為0℃的分度表，就可以求出參比端在其它溫度時的熱電勢值。例題：利用鉑銠10-鉑熱電偶測量某一爐溫，已知冷端溫度t0=20℃，測得的熱電勢E(t,t0)=9.819mV，求被測爐溫的實際值。解：查熱電偶的分度表知：E(20,0)=0.113mVE(t,0)=E(t,20)+E(20,0)=9.819+0.113=9.932mV查表知：t=1030℃練習題1用鉑銠10-鉑(分度號S)的熱電偶測溫，已知參比端溫度為20℃，測得熱電勢E(t,20)=11.30mV，試求被測溫度t？解：查熱電偶的分度表知：E(20,0)=0.113mVE(t,0)=E(t,20)+E(20,0)=11.30+0.113=11.413mV查表知：t=1155℃練習題2用鎳鎘-鎳硅(分度號K)的熱電偶測溫，已知參比端溫度為25℃，檢測端溫度為506℃，求產(chǎn)生的熱電勢是多少？解：查熱電偶的分度表知：E(506,0)=20.896mVE(25,0)=1.000mVE(506,25)=E(506,0)-E(25,0)=20.896-1.000=19.896mV

c．補償電橋法補償電橋法是利用補償電橋產(chǎn)生的不平衡電壓來抵消熱電偶回路冷端不為零帶來的影響。二、熱電阻溫度計

原理：熱電阻溫度計是基于導體或半導體的電阻值隨溫度而變化的特性來測量溫度的。熱電阻溫度計以熱電阻為感溫元件，并配以相應的顯示儀表和連接導線所組成。值得注意的是：為了防止連接導線過長，導線的阻值將隨環(huán)境溫度變化給測量帶來附加誤差，熱電阻連接導線采用三線制接法。3.2.2溫度檢測方法1．常用熱電阻工業(yè)中常用的熱電阻以金屬熱電阻為主。常見的有鉑電阻、銅電阻和半導體電阻等。（1）鉑電阻鉑電阻的使用范圍是-200℃-850℃，鉑電阻的電阻值與溫度之間的關系可采用下列公式描述：（2）銅電阻銅電阻的電阻溫度系數(shù)大，容易提純和加工，價格便宜。銅電阻的使用溫度范圍為-500C+1500c

，其電阻值與溫度之間的關系可用下式描述：可用下面的近似線性關系式表示：

Rt=R0(1+at)(3-15)

式中a―電阻溫度系數(shù)，a=4.25x10-3

／℃。（3）鎳電阻鎳電阻的電阻率及溫度系數(shù)比鉑和銅大得多，因而具有較高的靈敏度，且體積可以做的較小。一般測溫范圍：-50~180℃.（4）半導體熱敏電阻簡稱熱敏電阻特點：電阻值與溫度之間呈嚴重的非線性關系，而且具有負的溫度系數(shù)。廣泛用作溫度補償元件。熱電偶熱電阻

mvR溫度變送器DDZ-Ⅲ4-20mA三、溫度變送器溫度變送器與熱電偶和熱電阻配套使用的儀表，主要作用是將溫度檢測元件的電信號（mv或R)轉換成統(tǒng)一的標準信號4-20mA電流信號，作為顯示或調節(jié)儀表的輸入信號。3.2.2溫度檢測方法四、智能化溫度變送器核心部件：微處理器特點：

1、與任一種測溫元件都可配套

2、功能廣泛：零點遷移、量程調整、溫度補償、線性化補償?shù)取?/p>

隨著工廠自動化水平的提高，智能溫度變送器的應用會越來越多。3.2.2溫度檢測方法3.2.3溫度測量儀表的選用正確選型由現(xiàn)場工作條件確定選擇接觸式還是非接觸式溫度計。接觸式：根據(jù)溫度測量范圍和精度要求合理的選擇感溫元件。高溫:熱電偶，低溫：熱電阻。課程小結了解溫度的主要測量方法及常用儀表的基本工作原理、特點、使用場合、選用原則和要求等。重點掌握熱電偶及熱電阻的測溫原理、熱電偶的冷端溫度補償問題。§3-4流量測量儀表流量檢測方法2概述312.1、差壓式流量計2.2、容積式流量計2.3、浮子式流量計2.4、電磁流量計2.5、渦街流量計一、概述體積流量qv

：指單位時間內流過管道某一截面流體的體積數(shù)。其常用單位為m3/h。質量流量qm：指單位時間內流過管道某一截面流體的質量數(shù)。其常用單位為kg/h。體積流量與質量流量之間的關系為：在工程應用中，流量通常指單位時間內通過管道某一截面的流體數(shù)量，稱為瞬時流量。用體積流量和質量流量來表示。除了瞬時流量外，有時候還要求知道在一定的時間內通過管道某一截面的流體數(shù)量，稱為累計總量。累積總量與瞬時流量的關系是：一、概述二、流量檢測方法（1）2.1、差壓式流量計在流量測量中，差壓式流量計是應用最廣泛的一種流量儀表。差壓式流量計通常由節(jié)流裝置、引壓管和差壓計（或差壓變送器）及顯示儀表組成。

2.1、差壓式流量計

（1）節(jié)流裝置節(jié)流裝置指安裝在管道中的一個局部節(jié)流元件以及相配套的取壓裝置。測量原理流體流經(jīng)節(jié)流裝置時，由于節(jié)流作用而產(chǎn)生流束收縮，發(fā)生能量的轉換，在節(jié)流裝置的前后產(chǎn)生靜壓力差。這個壓差與流體的流量有關，而且流量越大，壓差也越大。

以孔板節(jié)流裝置為例說明：孔板前后流體的速度與壓力的分布情況根據(jù)能量守恒定律，對于不可壓縮的理想流體，在管道任一截面處的流體的動能和靜壓能之和是恒定的。并且在一定條件下互相轉化。當表征流體動能的速度在節(jié)流裝置的前后發(fā)生變化時，表征流體靜壓能的靜壓力也將隨之發(fā)生變化。這樣在節(jié)流裝置前后就會產(chǎn)生靜壓差。測量原理:流量越大，節(jié)流裝置前后產(chǎn)生的靜壓差越大。（2）流量公式根據(jù)伯努利方程式和流體的連續(xù)性方程可以推導出節(jié)流裝置前后靜壓差與流量的定量關系式為（3）標準節(jié)流裝置標準節(jié)流裝置由節(jié)流元件、取壓裝置以及直管段等所組成。標準節(jié)流裝置對流體種類，流動條件，管道條件、安裝條件、流動參數(shù)等均有規(guī)定要求，若設計制造、安裝使用符合規(guī)定標準，則可不必通過實驗標定。節(jié)流元件的形式很多，有孔板、噴嘴、文丘里管、偏心孔板、圓缺孔板、道爾管、環(huán)形管等。目前，國際上規(guī)定的標準節(jié)流裝置有標準孔板、噴嘴和文丘里管。（5）差壓式流量計的安裝取壓孔位于管道的下半部，導壓管垂直向下，以便氣泡向上排出。取壓孔位于管道的上半部，加裝了冷凝器。取壓孔位于管道的上半部，導壓管方向朝上。（6）差壓式流量計的投運差壓式流量計在現(xiàn)場安裝完畢并經(jīng)核查和校驗合格后，方可投入運行。開表前，首先必須使導壓管內充滿相應的介質，將積存在導壓管中的空氣排除干凈。然后，按照具體步驟操作三閥組，將差壓計投入運行。＊三閥組：安裝三閥組的目的是為了在開停表時，防止差壓計單向受壓，使儀表產(chǎn)生附加誤差，甚至損壞。開表操作步驟：

1，先開平衡閥，使正負壓室連通

2，依次打開切斷閥1和閥2，使差壓計的正負壓室承受同樣的壓力

3，最后再漸漸地關閉平衡閥。

停表操作步驟：當差壓計需要停用時，應先打開平衡閥，然后再關閉切斷閥1和2。平衡閥切斷閥2.2、容積式流量計

容積式流量計，又稱定排量流量計。

1、橢圓齒輪式流量計工作原理二、流量檢測方法（2）

Q=N·4V式中

Q―某段時間內流過流體的體積流量；

N―某段時間內齒輪轉數(shù)；

V―由齒輪及殼壁所構成的新月形容積。橢圓齒輪的轉動通過磁性密封聯(lián)軸器及傳動減速機構傳遞給計數(shù)器直接指示被測流體總量。附加發(fā)送裝置，配以電顯示儀表可實現(xiàn)遠傳指示瞬時流量或總量。原理：利用機械部件使被測流體連續(xù)充滿具有一定容積的空間，然后再不斷將其從出口排放，根據(jù)排放次數(shù)及容積來測量流體體積總量的流量計。2．橢圓齒輪流量計特點適于測量液體介質，尤其適于測量高粘度液體。容積式流量計測量精度較高。避免被測介質含有臟污物或顆粒狀，以防止早期磨損或損壞儀表，或加裝過濾器，以保證測量的準確性。1．工作原理浮子流量計是由一根自下向上擴大的垂直錐管和一個可以上下自由浮動的浮子所組成。如圖3-30所示。工作原理:

浮子的位移量與流量有著對應關系。2.3、浮子(轉子)流量計二、流量檢測方法（3）2．使用特點浮子流量計結構簡單，工作可靠，壓力損失小。可連續(xù)測量氣體、液體的體積流量，尤其適用于小流量的測量場合。測量精度為1.5%-2.5%。浮子流量計須垂直安裝，使流體自下而上流動。需要指出的是：浮子流量計出廠時其刻度是按標準狀態(tài)下的水或空氣標定的，若實際使用中的測量介質或條件不符合出廠標準條件，需考慮測量介質密度、溫度變化產(chǎn)生的影響，對儀表刻度指示值重新標定。2.4、電磁流量計1．工作原理電磁流量計是基于電磁感應定律原理工作的流量測量儀表。當具有一定導電率的液體在垂直于磁場的測量管內流動時，液體中會產(chǎn)生電動勢。二、流量檢測方法（4）電磁流量計由測量管，左右相對安裝的電極，上下安裝的磁極N和S所組成，三者互相垂直。感應電勢由兩電極引出，其電勢的數(shù)值與流量大小，磁場強度，管徑等有關。感應電勢公式：

E=KBDv式中

E―感應電動勢，V;K―系數(shù)；

B―磁感應強度，T;D―測量管內徑，m;v―平均流速，m/s。體積流量qv與流速v的關系為:當B恒定，管內徑D恒定，K由校驗確定后，被測流量完全與電勢成正比。2.5、渦街流量計1．檢測原理渦街流量計是利用流體振蕩的原理進行流量測量。當流體流過非流線型阻擋體時會產(chǎn)生穩(wěn)定的旋渦列，旋渦的產(chǎn)生頻率與流體流速有著確定的對應關系，測量出頻率的變化，就可以得知流體的流量。二、流量檢測方法（5）圖3-29卡門渦街形成原理在流體中垂直于流動方向放置一個非流線型的物體，在它的下游兩側就會交替出現(xiàn)旋渦，兩側旋渦的旋轉方向相反，并輪流地從柱體上分離出來。這兩排平行但不對稱的旋渦列稱為卡門渦列或渦街。2．渦街流量計的特點渦街流量計適用于氣體、液體和蒸汽介質的流量測量。渦街流量計在儀表內部無可動部件，使用壽命長；輸出為頻率信號，測量精度也比較高，大約為±0.5%－1.0%；它是一種正在得到廣泛應用的流量儀表。渦街流量計可水平安裝，也可垂宜安裝。在垂直安裝時