过程仪表及自动化.doc

控制系统组成：
被控对象 测量变送器 执行器 控制器
框图：

过程控制术语：
被控变量（受控变量、过程变量） 被控对象需要维持在其理想值的工艺变量。
设定值（给定值） 被控变量要求达到的期望值。
操作变量（操纵变量）通常是由执行器控制的某一工艺介质流量。
扰动变量（干扰变量、扰动） 任何导致被控变量偏离其给定值的输入变量。
自动控制系统的分类：
按被控变量来分类，如温度、压力等控制系统；
按控制器具有的控制规律来分类，如比例、比例积分、比例微分、比例积分微分等控制系统；
将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量的给定值是否变化和如何变化来分类，这样可将自动控制系统分为三类，即定值控制系统、伺服控制系统和程序控制系统。
控制系统的过渡过程：
系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。
最大偏差是指在过渡过程中，被控变量偏离给定值的最大数值,A。
超调量也可以用来表征被控变量偏离给定值的程度,B。
衰减比是衰减程度的指标，它是前后相邻两个峰值的比,B:B’。习惯表示为 n:1，一般 n 取为4～10之间为宜。
当过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与给定值之间的偏差叫做余差。
从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间叫调节时间tS。一般在稳态值的上下规定一个小范围，当被控变量进入该范围并不再越出时，就认为被控变量已经达到新的稳态值，或者说过渡过程已经结束这个范围一般定为稳态值的±５％（也有的规定为±２％）。
过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间叫振荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率。
被控变量达到最大值的时间叫做峰值时间tp 。从过渡过程开始到被控变量第一次达到稳定值的时间称为上升时间tr。

例题：某换热器的温度控制系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图所示。试分别求出最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间（给定值为200℃）。

过程特性是指当被控过程的输入变量发生变化时，其输出变量随时间的变化规律。
响应曲线的类型：
1.自衡的非振荡过程
2.无自衡的非振荡过程
3.自衡振荡过程
4.具有反向特性的过程
描述对象特性的参数：
1.放大系数Κ
2.时间常数Τ
3.滞后时间τ
绝对误差 xi：仪表指示值, xt：被测量的真值

x：被校表的读数值，x0 ：标准表的读数值

相对误差

相对百分误差δ

允许误差

仪表的δ允越大，表示它的精确度越低；反之，仪表的δ允越小，表示仪表的精确度越高。将仪表的允许相对百分误差去掉“±”号及“％”号，便可以用来确定仪表的精确度等级。 目前常用的精确度等级有0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。
例1　某台测温仪表的测温范围为200~700℃，校验该表时得到的最大绝对误差为＋4℃，试确定该仪表的精度等级。
解：该仪表的相对百分误差为

如果将该仪表的δ去掉“＋”号与“％”号，其数值为0.8。由于国家规定的精度等级中没有0.8级仪表，同时，该仪表的误差超过了0.5级仪表所允许的最大误差，所以，这台测温仪表的精度等级为1.0级。
例2　某台测温仪表的测温范围为0～1000℃。根据工艺要求，温度指示值的误差不允许超过±７℃，试问应如何选择仪表的精度等级才能满足以上要求？

解： 根据工艺上的要求，仪表的允许误差为

如果将仪表的允许误差去掉“±”号与“％”号，其数值介于0.5～1.0之间，如果选择精度等级为1.0级的仪表，其允许的误差为±1.0％，超过了工艺上允许的数值，故应选择0.5级仪表才能满足工艺要求。

变差：是指在外界条件不变的情况下，用同一仪表对被测量在仪表全部测量范围内进行正反行程（即被测参数逐渐由小到大和逐渐由大到小）测量时，被测量值正行和反行所得到的两条特性曲线之间的最大偏差。

仪表的灵敏度是指仪表指针的线位移或角位移，与引起这个位移的被测参数变化量的比值。即

式中，S为仪表的灵敏度；Δα为指针的线位移或角位移；Δx为引起Δα所需的被测参数变化量。
仪表的灵敏限是指能引起仪表指针发生动作的被测参数的最小变化量。通常仪表灵敏限的数值应不大于仪表允许绝对误差的一半。
对于数字式仪表，分辨力是指数字显示器的最末位数字间隔所代表的被测参数变化量。
线性度：是表征线性刻度仪表的输出量与输入量的实际校准曲线与理论直线的吻合程度。通常总是希望测量仪表的输出与输入之间呈线性关系。

反应时间就是用来衡量仪表能不能尽快反映出参数变化的品质指标。 （95%）
1. 按仪表使用的能源分类：气动仪表、电动仪表、液动仪表
2. 按信息的获得、传递、反映和处理的过程分类：
检测仪表 作用是获取信息，并进行适当的转换。
显示仪表 作用是将由检测仪表获得的信息显示出来。
集中控制装置 包括各种巡回检测仪、巡回控制仪等。
控制仪表 可以根据需要对输入信号进行各种运算。
执行器 可以接受控制仪表的输出信号或直接来自操作员的指令，对生产过程进行操作或控制。

3. 按仪表的组成形式分类 基地式仪表特点是将测量、显示、控制等各部分集中组装在一个表壳里，形成一个整体。这种仪表比较适于在现场做就地检测和控制，但不能实现多种参数的集中显示与控制。这在一定程度上限制了基地式仪表的应用范围。
单元组合仪表是将对参数的测量及其变送、显示、控制等各部分，分别制成能独立工作的单元仪表（简称单元，例如变送单元、显示单元、控制单元等）。这些单元之间以统一的标准信号互相联系，可以根据不同要求，方便地将各单元任意组合成各种控制系统，适用性和灵活性都很好。
压力是指均匀垂直地作用在单位面积上的力。

1.液柱式压力计:它根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量。
优点:这类压力计结构简单、使用方便
缺点:其精度受工作液的毛细管作用、密度及视差等因素的影响，测量范围较窄，一般用来测量较低压力、真空度或压力差。
2.弹性式压力计:它是将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量的。
3.电气式压力计:它是通过机械和电气元件将被测压力转换成电量（如电压、电流、频率等）来进行测量的仪表。
4.活塞式压力计：它是根据水压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的质量来进行测量的。
测量精度很高，允许误差可小到0.05%～0.02%。 结构较复杂，价格较贵。
弹性式压力计 弹性式压力计是利用各种形式的弹性元件，在被测介质压力的作用下，使弹性元件受压后产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。
具有结构简单、使用可靠、读数清晰、牢固可靠、价格低廉、测量范围宽以及有足够的精度等优点 可用来测量几百帕到数千兆帕范围内的压力。
弹性元件 弹性元件是一种简易可靠的测压敏感元件。当测压范围不同时，所用的弹性元件也不一样
电气式压力计 是一种能将压力转换成电信号进行传输及显示的仪表
1. 该仪表的测量范围较广，分别可测7×10-5Pa至5×102MPa的压力，允许误差可至0.2％；2. 由于可以远距离传送信号，所以在工业生产过程中可以实现压力自动控制和报警，并可与工业控制机联用。

霍尔片式压力传感器是根据霍尔效应制成的，即利用霍尔元件将由压力所引起的弹性元件的位移转换成霍尔电势，从而实现压力的测量。
应变片式压力传感器利用电阻应变原理构成。电阻应变片有金属和半导体应变片两类，被测压力使应变片产生应变。当应变片产生压缩（拉伸）应变时，其阻值减小（增加），再通过桥式电路获得相应的毫伏级电势输出，并用毫伏计或其他记录仪表显示出被测压力，从而组成应变片式压力计
压阻式压力传感器利用单晶硅的压阻效应而构成。采用单晶硅片为弹性元件，在单晶硅膜片上利用集成电路的工艺，在单晶硅的特定方向扩散一组等值电阻，并将电阻接成桥路，单晶硅片置于传感器腔内。 当压力发生变化时，单晶硅产生应变，使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成比例的变化，再由桥式电路获得相应的电压输出信号。
精度高、工作可靠、频率响应高、迟滞小、尺寸小、重量轻、结构简单；便于实现显示数字化；可以测量压力，稍加改变，还可以测量差压、高度、速度、加速度等参数。
电容式压力变送器 先将压力的变化转换为电容量的变化，然后进行测量。
是一种开环检测仪表，具有结构简单、过载能力强、可靠性好、测量精度高等优点，其输出信号是标准的4～20mA（DC）电流信号。
压力计的安装 1）测压点的选择　应能反映被测压力的真实大小。2）导压管铺设3）压力计的安装
差压式流量计 差压式（也称节流式）流量计是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的。
国内外把最常用的节流装置、孔板、喷嘴、文丘里管等标准化，并称为“标准节流装置”。标准化的具体内容包括节流装置的结构、尺寸、加工要求、取压方法、使用条件等
转子流量计 以压降不变，利用节流面积的变化来测量流量的大小，即转子流量计采用的是恒压降、变节流面积的流量测量方法。
椭圆齿轮流量计 适用于高黏度介质的流量测量。 测量精度较高，压力损失较小，安装使用也较方便。 椭圆齿轮流量计的入口端必须加装过滤器。使用温度有一定范围。结构复杂，加工成本较高。
电磁流量计 基本原理是法拉第电磁感应定律，导体在磁场中切割磁力线运动时，在其两端产生感应电动势。
涡街流量计 是利用有规则的漩涡剥离现象来测量流体流量的仪表。
常用温度检测仪表 接触式测温仪表 膨胀式 压力式 热电偶 热电阻
非接触式测温仪表 辐射式 红外线
物位检测及仪表 直读式物位仪表 静压式物位仪表 浮力式物位仪表 电气式物位仪表 声学式物位仪表 射线式物位仪表 光学式物位仪表
冷端温度的补偿 在应用热电偶测温时，只有将冷端温度保持为０℃，或者是进行一定的修正才能得出准确的测量结果。这样做，就称为热电偶的冷端温度补偿。
（1） 冰浴法（2）计算修正法（3）机械调零法（4）补偿电桥法
执行器的分类： 气动、电动和液动
显示仪表：能将生产过程中各种参数进行指示、记录或累积的仪表。
模拟式显示仪表
数字显示仪表
屏幕显示仪表