化工仪表及其自动化 复习资料

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1、第 1 页第一章自动控制系统基本概念1.化工自动化的主要内容：自动控制系统（自动化生产中的核心部分）一般分为 生产过程的自动检测、自动控制、自动报警及联锁保护、自动操纵等四大类。 ： 2.自动控制系统的组成及常用术语： 自动控制系统要代替人来工作，就要有相当于人体器官功能的相应仪表。即： 眼（检测、变送器） 、大脑（控制器）手（执行器） 。控制系统常用术语控制系统常用术语 1.对象被控制的物理装置。 2.被控变量对象的某个变量。 控制系统的目的通常就是要使该变量与设定值 或给定值相符。控制系统也用该变量的名称来称呼，如温度控制系统、压力控制 系统等。 3.调节变量（操纵变量）对被控装置的被控变

2、量具有较强的直接影响且便于 调节的变量。 4.干扰对象中除了调节变量以外，能对被控变量具有影响作用的所有变量。 5.偏差设定值或给定值与测量值之差。 6.给定值，也称为设定值或期望值（被控变量的预定值）人们希望控制系统 实现的目标，即被控变量的期望值。它可以是恒定值，也可能按程序变化。控制系统方框图控制系统方框图第 2 页控制系统分类控制系统分类 （l）如果按被控变量可划分为：温度（T） 、压力(P)、液位物位(L)、流量（F） 和成分（A）等控制系统。这是一种常见的分类。 （2） 如果按被控系统中控制仪表及装置所用的动力和传递信号的介质可划分为： 气动、电动、液动、机械式（自力式）等控制系统

3、。如图 l4 所示就是一个机 械式液位控制系统； （3）如果按被控制对象可划分为：流体输送设备、传热设备、精馏塔和化学反 应器控制系统 （4）按调节器的控制规律可划分为：比例控制、积分控制、微分控制、比例积 分控制、比例微分控制、比例积分微分控制等。 （5）按系统功能与结构可划分为：单回路简单控制系统；串级、比值、选择性、 分程、前馈和均匀等常规复杂控制系统； （6）按给定值的变化情况可划分为：定值控制系统、随动控制系统和程序控制 系统。自动控制系统的自动控制系统的过渡过程及品质指标过渡过程及品质指标 1.静态是指该变量不随时间而变化的某个平衡状态， 动态 是指该变量随时间而变化的不平衡状态。

4、 2.系统受输入信号的作用从一个静态到另一个静态之间从一个静态到另一个静态之间 的变化过程的变化过程，就是过渡过程。系统在过渡过程中，被控变 量是随时间而变化。 3.采用阶跃函数作为输入信号的原因采用阶跃函数作为输入信号的原因：信号简单，便于计 算与生成 ；该信号作用强，危险程度高，控制系统如能 承受这种信号的干扰，也就不怕其他比较缓和的干扰了。过渡过程的类型过渡过程的类型 在阶跃信号的作用下， 控制系统的输出变量的过渡过程有可能出现如下几种形式 （下图：a）非振荡衰减过程 b）衰减振荡过程 c）等幅振荡过程 d）发散振荡过 程 e）非振荡发散过程）第 3 页控制系统的品质指标控制系统的品质指

5、标（快速性、稳定性、准确性）（快速性、稳定性、准确性） 最大偏差 A，超调量 B ，衰减比 n（4:110:1） ，余差 C ，过渡时间 tS（新稳态 值的 5或 3）第三章检测仪表与传感器第一节概述1.引用误差：也叫允许误差或相对百分误差，是仪表指示值的绝对误差与仪表量程之比，可表示为：%100-max测下测上2.仪表的精确度简称精度，也叫准确度，是表示测量结果与真值一致的程度。 化 工仪表的精确度常用仪表的精度等级来表示。国家规定的仪表精度等级有： 级标准表：0.005,0.02,0.05; 级标准表：0.1,0.2,0.35,0.5; 一般工业用仪表：1.0,1.5,2.5,4.0 其精

6、度等级值越小，精确度越高，所可能产生的误差越小。灵敏限的数值不应大 于仪表最大允许绝对误差的一半。 3.变差：也叫回差,用来表示测量仪表的恒定度.变差说明了仪表的正向（上升） 特性与反向 （下降） 特性的不一致程度。 变差一般不能超过仪表的最大允许误差 。 4.灵敏度：仪表的灵敏度是仪表在稳定状态下，其输出变化量（即仪表指针的线 位移或角位移）与引起这个变化的输入（即被测变量）变化量的比值。仪表灵敏 度的大小反映了仪表对被测量幅值的敏感程度。 表示仪表灵敏性能的另一指标是 灵敏限。灵敏限是指能引起仪表指示值发生变化的被测量的最小改变量，单位与 被测量单位相同。一般来说，灵敏限的数值不应大于仪表

7、最大允许绝对误差的一 半。第二节第二节压力检测及仪表仪表1.压力单位 ：帕（Pa） 、兆帕（MPa） 2.弹性元件 ：弹簧管式(a.弹簧管） 、薄膜式（b.波纹膜片、c.膜盒）和波纹管 式（d.波纹管）等。（ a） （ b） （ c） （ d） 第 4 页3.弹性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 件受压后产生形变的原理而制成的侧压仪表。压力计的选择及安装压力计的选择及安装 测压仪表的选择应根据工艺生产过程对压力测量的要求，被测介质的性质，现场 环境条件等综合考虑仪表的类型、测量范围和精度等。 1、仪表类型的选择(根据工艺生产的需要) 2、仪表测量范围的确定(根据

8、操作中被测压力的大小来确定。测量稳定压力时， 最大工作压力不应超过量程的 23；测量脉动压力时，最大工作压力不应超过 量程的 12；测量高压压力时，最大工作压力不应超过量程的 35。为了保证 测量值的准确度，仪表的量程又不能选的太大，被测压力的最小值，不应低于量 程的 13) 3、仪表精度的选取(根据工艺生产中所允许的最大测量误差来确定)流量检测及仪表流量检测及仪表 1.流量包括瞬时流量和累计流量。瞬时流量一般简称流量，它指的是单位时间内 流过管道某截面流体的数量。 而累计流量指的是在某一段时间内流过管道的流体 流量的总和，一般简称为总量。 2.常用的节流元件有孔板、喷嘴和文丘利管等。 3.常

9、用流量单位：吨每小时（th） 、千克每小时（kgh） 、千克每秒（kg/s） 、 立方米每小时（m3/h） 、升每小时（l/h） 、升每分（l/min）等。 4.转子流量计是由上大下小的锥形圆管和转子组成。转子流量计的工作原理转子流量计的工作原理： 当流体沿锥形圆管自下而上地流过转子时，在流体动力的作用下，使转子浮起，转子的外缘 与锥形管之间形成一个环形通道。流体流经环形通道时，由于流通面积突然减小，流体受到 节流作用， 使得转子前后流体的静压力产生差异， 出现压力差P=P1-P2，在P 的作用下， 转子受到向上的推动力 f1，使其上浮。随着转子在锥形管中上移，环形通道的截面积增大， 环隙的平

10、均流速减小，同一流量所产生的压力差将变小（即 f1变小） 。转子还同时受到一个 向下的力（即自身的重力与介质浮力之差）f2的作用。当 f1=f2时，转子就稳定在某一位置上。流量与转子的平衡位置相对应。 (1)液位修正;(2)气体修正：椭圆齿轮流量计椭圆齿轮流量计: 椭圆齿轮流量计的工作原理如下图所示。 它的主 要部件包括测量室(即壳体)和安装在测量室内的 两个互相啮合的椭圆齿轮 A 和 B， 两个齿轮分别 绕自己的轴相对旋转。 与外壳构成封闭的月牙形AgVhQfft )(2AgVhMfft)(20 100110 1QTT PPQ（a） （b） （c） 第 5 页空腔。 椭圆齿轮每转一周所排出的

11、被测流体的量为月牙形容积的 4 倍。故通过椭圆齿轮流量计的 体积流量 Q 为 Q4nV0 式中n椭圆齿轮的转速； V0月牙形测量室容积。第四节第四节物位检测及仪表物位检测及仪表1.物位检测包括液体容器中液位的检测及固体颗粒状物料在容器中的堆积高度 （即料位）的检测。测量液位的仪表叫液位计，测量料位的仪表叫料位计，测量 两种不同密度的液体分界面的仪表叫界面计，三者统称为物位仪表。 2.浮力式液位计 根据其测量原理，浮力式液位计可分为两种：一种是维持浮力 不变，即恒浮力式液位计；另一种是变浮力式液位计 。第五节第五节温度检测及仪表温度检测及仪表温度（分子平均动能大小）检测的基本原理 ： 1利用热膨

12、胀原理测温（物体受热时体积膨胀） 2利用热电效应原理测温 3利用热阻效应原理测温 4利用压力随温度变化的原理测温 （在封闭系统中的液体，气体或者低沸点液 体的饱和蒸汽受热后体积膨胀或压力变化） ） 5利用热辐射原理测温(物体热辐射作用)测温仪表的分类测温仪表的分类 1.按工作原理分，常分为膨胀式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计、压力式 温度计、辐射高温计和光学高温计等。 2.按感温元件和被测介质接触与否，可分为接触式与非接触式两大类。 3.按测温范围来分，常把测量 600以上温度的仪表叫高温计，而把测量 600 以下温度的仪表叫温度计。热电偶温度计热电偶温度计（由热电偶、测量仪表、导线组成）

13、（由热电偶、测量仪表、导线组成） 热电偶的工作原理：如果将热电偶中的两种不同成分的导体 A 和 B 连接成一个闭合回路，如上图所示。且两接点的温度为 tt0，由于两导体内部的自由电子密度不同，在接点 1 和 2 处就分别产生了两个大小 不等，方向相反的热电势 EAB（t）和 EAB（t0） ，称为接触电势。同时，在同一导体 A（或 B）内部，由于其两端温度不同，也会产生一个相应的 电势，称为温差电势。但由于温差电势远小于接触电势，因此可以忽略 不计。此时，闭合回路中的总热电势 EAB（t，t0）可表示为 EAB(t,t0)=EAB(t)-EAB(t0)或EAB(t,t0)=EAB(t)+EBA

14、(t0)图: 热电偶测温系统 A、B-热电偶；C-导线；D-显示仪表；t-热端；t0-冷端 第 6 页引入第三种导体引入第三种导体 C C 的情况的情况由于热电偶作为传感器，在与显示仪表相连时回路中必定要引入第三种导体 C。 根据能量守恒定律推导可知:当回路中接入第三种导体后，只要保证该导体两端 温度相同，热电偶回路中所产生的总热电势不变,即与没有接入第三种导体时所 产生的总热电势相同；所以当热电偶回路接入各种显示仪表、变送器及连接导线 时，不会影响热电偶所产生的热电势值。 第一种情况 B 线中间断开接第三种导线（如图 6-8，P103） ，3、4 两接点温度同为 t1，故总 电势为 EABC

15、（t，t0）= EAB（t）+ EBC（t1）+ ECB（t1）+ EBA（t0）= EAB（t）+ EBA（t0） 第二种情况 将冷端 A、B 接点断开，接入第三种导线（如图 c） ，使 2、3 点的温度同为 t0， 则总电势为 EABC（t，t0）= EAB（t）+ EBC（t0）+ ECA（t0） 因为回路内各接点温度相同时，总的热电势应为零 EAB（t0）+ EBC（t0）+ ECA（t0）=0 即EBC（t0）+ ECA（t0）=- EAB（t0） 代入上式得：EABC（t，t0）= EAB（t）- EAB（t0）= EAB（t，t0）热电偶的结构热电偶的结构 1.热电偶一般由热电极

16、、绝缘管、保护套管和接线盒等部分组成,但外形确可能 差别很大。 2.工业常用热电偶 ： 铂铑 10铂 （分度号 S） 、 铂铑 30铂铑 6（分度号 B ）、 镍铬镍硅（分度号 K ）热电阻温度计热电阻温度计 1.测温原理： 热电阻温度计是基于导体或半导体材料的电阻值随温度而变化的性 质，通过测量其电阻值及改变值，间接测量温度。 2.常用热电阻： a、铂电阻铂电阻（工业用铂电阻分度号有 Pt10 和 Pt100 两种，其 0时的电阻值分别 为 10和 100。Pt10 铂电阻的电阻丝较粗，主要用于 600以上的温度测量。 ） b、铜电阻铜电阻 （铜电阻一般用于-50+150范围内的温度测量。目前常用的铜电 阻有两种：Cu50（R0=50）和 Cu100（R0=100） 。 ）第 7 页显示仪表显示仪表1.显示仪