1、自动化仪表及控制工程全册自动化仪表及控制工程全册 配套最完整精品课件配套最完整精品课件1 自动化仪表及控制工程自动化仪表及控制工程 自学指导书自学指导书 教材：教材： 过程控制与自动化仪表（第二版）过程控制与自动化仪表（第二版） 潘永湘等潘永湘等 编著编著 机械工业出版社机械工业出版社 3 课程的性质和目的：课程的性质和目的： 系统简明地阐述常用过程量测控仪系统简明地阐述常用过程量测控仪 表和计算机控制系统基本原理和基本表和计算机控制系统基本原理和基本 知识的基础上，同时介绍自动调节系知识的基础上，同时介绍自动调节系 统设计和整定的基础知识。通过本课统设计和整定的基础知识。通过本课 程的学习，
2、使学生掌握生产过程控制程的学习，使学生掌握生产过程控制 的基础知识和基本应用技术。的基础知识和基本应用技术。 4 第一章第一章 绪论绪论 1 1）掌握过程控制的定义、要求和任务，）掌握过程控制的定义、要求和任务， 了解过程控制的发展状况；了解过程控制的发展状况； 2 2）掌握过程控制系统的组成、特点、类型）掌握过程控制系统的组成、特点、类型 及其性能指标；及其性能指标； 3 3）了解过程控制系统设计步骤和仪表的类）了解过程控制系统设计步骤和仪表的类 型与发展。型与发展。 2、重点与难点、重点与难点 重点：重点： 掌握过程控制的定义、要求和任务，掌握过程控制的定义、要求和任务， ； 掌握过程控制
3、系统的组成、特点、类型及掌握过程控制系统的组成、特点、类型及 其性能指标。其性能指标。 难点：难点： 过程控制系统设计步骤。过程控制系统设计步骤。 3.3.自学程序指导自学程序指导 本章对应教材的第一章被控过程的数学本章对应教材的第一章被控过程的数学 模型。先看教材第一章的内容，然后看本章模型。先看教材第一章的内容，然后看本章 自学指导的自学指导的PPTPPT教材，可参照教材中的相关内教材，可参照教材中的相关内 容一起看。容一起看。 学习时按以下顺序学习时按以下顺序( (以教材章节）：以教材章节）： 第一章第一章 第一节第一节第二节第二节 第三节第三节 4.4.学习指导与作业学习指导与作业 本
4、章自学指导的本章自学指导的PPTPPT教材中的例题要熟练教材中的例题要熟练 掌握。作业是教材第一章课后习题：掌握。作业是教材第一章课后习题：1-3,1-51-3,1-5。 （一）基于仪表的局部自动化阶段（一）基于仪表的局部自动化阶段 （5050年代，基地、单元组合、气动式，单输入年代，基地、单元组合、气动式，单输入/ /单输出、单输出、 4 4大参数稳定、经典控制理论）大参数稳定、经典控制理论） （二）基于仪表（二）基于仪表/ /计算机的综合自动化阶段计算机的综合自动化阶段 （6060年代，单元组合、组装式，高性能、特殊要求控制，年代，单元组合、组装式，高性能、特殊要求控制， 计算机控制，多输
5、入计算机控制，多输入/ /多输出，现代控制理论）多输出，现代控制理论） （三）基于网络的全盘自动化阶段（三）基于网络的全盘自动化阶段 （7070年代，智能仪表、成分在线、安全防爆、集散控制、年代，智能仪表、成分在线、安全防爆、集散控制、 现场总线控制、现场总线控制、CIPSCIPS） 一、什么是过程控制？它有何作用？适用的生产过程一、什么是过程控制？它有何作用？适用的生产过程? ? 二、过程控制的特点、任务及功能要求二、过程控制的特点、任务及功能要求 （一）（一） 过程控制的特点过程控制的特点 1.1.组成（过程，系列化仪表）；组成（过程，系列化仪表）； 2.2.设计难（过程的复杂性，模型的不
6、精确性）；设计难（过程的复杂性，模型的不精确性）； 3.3.要求高（控制方案丰富）；要求高（控制方案丰富）； 4.4.慢过程、参量控制；慢过程、参量控制； 5.5.定值控制定值控制 （二）（二） 过程控制的要求、任务及功能过程控制的要求、任务及功能 1.1.要求与任务（安全性、稳定性、经济性），（了解工艺、获要求与任务（安全性、稳定性、经济性），（了解工艺、获 取模型、分析设计、物理实现）；取模型、分析设计、物理实现）； 2.2.功能功能 （1 1）测量变送与执行；测量变送与执行； （2 2）操作安全与环保；操作安全与环保； （3 3）常规与高级控制；常规与高级控制； （4 4）实时优化；实时
7、优化； （5 5）决策与计划决策与计划 第三节第三节 （1 1）被控参数（亦称系统输出）被控参数（亦称系统输出）y(t)y(t)：被控过程内要求保持稳定的工被控过程内要求保持稳定的工 艺参数；艺参数； （2 2）控制参数（亦称操作变量控制介质）控制参数（亦称操作变量控制介质）q(t)q(t)：使被控参数保持期望使被控参数保持期望 值的物料量或能量；值的物料量或能量； （3 3）干扰量干扰量f(t)f(t)：除被控参数外，作用于被控过程并引起被控参数变除被控参数外，作用于被控过程并引起被控参数变 化的各种因数；化的各种因数； （4 4）设定值设定值r(t)r(t)：与被控参数相对应的设定值；与被
8、控参数相对应的设定值； （5 5）反馈值反馈值z(t)z(t)：被控参数经测量变送后的实际测量值；被控参数经测量变送后的实际测量值； （6 6）偏差偏差e(t)e(t)：设定值与反馈值之差；设定值与反馈值之差； （7 7）控制作用控制作用u(t)u(t)：控制器的输出值。控制器的输出值。 过程控制系统的分类过程控制系统的分类 1.1.分类方法分类方法（被控量名称、多少、特定工艺、（被控量名称、多少、特定工艺、 工具）；工具）； 2.2.按结构分类：按结构分类： 1）反馈控制；反馈控制； 2）前馈控制；前馈控制； 3）复合控制。复合控制。 3.3.按设定值分类：按设定值分类： 1）定值控制；定值
9、控制； 2）伺服控制；伺服控制； 3）顺序控制。顺序控制。 (1)(1)衰减比衰减比n n（衰减率（衰减率） （2 2）最大动态偏差和超调量）最大动态偏差和超调量: : (3)(3)残余偏差（稳态误差、静差）残余偏差（稳态误差、静差）: : (4)(4)调节时间、上升时间、振荡频率调节时间、上升时间、振荡频率 本章结束，谢谢！本章结束，谢谢！ 第二章第二章 被控过程的数学模型被控过程的数学模型 1 1）掌握被控过程机理建模的方法与步骤；掌握被控过程机理建模的方法与步骤； 2 2）熟悉被控过程的自衡和非自衡特性；熟悉被控过程的自衡和非自衡特性； 3 3）熟悉单容过程和多容过程的阶跃响应曲线及解析
10、表熟悉单容过程和多容过程的阶跃响应曲线及解析表 达式；达式； 4 4）重点掌握被控过程基于阶跃响应的建模步骤、作图重点掌握被控过程基于阶跃响应的建模步骤、作图 方法和数据处理；方法和数据处理； 5 5）熟悉被控过程的一次完成最小二乘建模方法；熟悉被控过程的一次完成最小二乘建模方法； 6 6）熟悉被控过程的递推最小二乘建模方法。熟悉被控过程的递推最小二乘建模方法。 2、重点与难点、重点与难点 重点：重点： 掌握被控过程基于阶跃响应的建模步掌握被控过程基于阶跃响应的建模步 骤、作图方法和数据处理；骤、作图方法和数据处理； 难点：难点： 被控过程机理建模的方法与步骤。被控过程机理建模的方法与步骤。
11、3.3.自学程序指导自学程序指导 本章对应教材的第二章被控过程的数学本章对应教材的第二章被控过程的数学 模型。先看教材第二章的内容，然后看本章模型。先看教材第二章的内容，然后看本章 自学指导的自学指导的PPTPPT教材，可参照教材中的相关内教材，可参照教材中的相关内 容一起看。容一起看。 学习时按以下顺序学习时按以下顺序( (以教材章节）：以教材章节）： 第二章第二章 第一节第一节第二节第二节 第三节（第四节、第三节（第四节、 第五节、第六节不作要求。第五节、第六节不作要求。) ) 4.4.学习指导与作业学习指导与作业 本章自学指导的本章自学指导的PPTPPT教材中的例题要熟练教材中的例题要熟
12、练 掌握。作业是教材第三章课后习题：掌握。作业是教材第三章课后习题：2-2,2-42-2,2-4。 第一节第一节 过程建模的基本概念过程建模的基本概念 被控过程的数学模型是指过程的输入变量与输出变 量之间定量关系的描述 其中： 过程的输入变量至输出变量的信号联系称为通道。 控制作用至输出变量的信号联系称为控制通道。 干扰作用至输出变量的信号联系称为干扰通道。 过程的输出为控制通道与干扰通道的输出之和。 被控过程的数学模型在过程控制中的重要性被控过程的数学模型在过程控制中的重要性 1)1) 全面、深入地掌握被控过程的数学模型是控制系统设全面、深入地掌握被控过程的数学模型是控制系统设 计的基础。计
13、的基础。 2)2) 良好数学模型的建立是控制器参数确定的重要依据。良好数学模型的建立是控制器参数确定的重要依据。 3)3) 数学建模是仿真或研究、开发新型控制策略的必要条数学建模是仿真或研究、开发新型控制策略的必要条 件件 。 4)4) 通过对生产工艺过程及相关设备数学模型的分析或仿通过对生产工艺过程及相关设备数学模型的分析或仿 真，可以为生产工艺及设备的设计与操作提供指导。真，可以为生产工艺及设备的设计与操作提供指导。 5)5) 利用数学模型可以及时发现工业过程中控制系统的故利用数学模型可以及时发现工业过程中控制系统的故 障及其原因，并提供正确的解决途径。障及其原因，并提供正确的解决途径。
14、被控过程的特性被控过程的特性 依据过程特性的不同分为自衡特性与无自衡特性、 单容特性与多容特性、振荡与非振荡特性等 1有自衡特性和无自衡特性 当原来处于平衡状态的过程出现干扰时，其输出 量在无人或无控制装置的干预下，能够自动恢复 到原来或新的平衡状态，则称该过程具有自衡特 性，否则，该过程则被认为无自衡特性。 工业生产过程一般都具有储存物料或能量的能力， 其储存能力的大小称为容量。所谓单容过程是指 只有一个储存容积的过程。当被控过程由多个容 积组成时，则称为多容过程。 无自衡过程及其阶跃响应曲线 自平衡特性其传递函数的典型形式有： ( ) (1) K G s Ts 一阶惯性环节 二阶惯性环节
15、12 ( ) (1)(1) K Gs TsTs ( ) (1) s Ke G s Ts 12 ( ) (1)(1) s Ke G s TsTs 二阶惯性+ 纯滞后环节 一阶惯性+ 纯滞后环节 具有自衡特性的过程及其响应曲线 无平衡特性其传递函数的典型形式有： 1 ()Gs T s 12 1 ( ) (1) G s Ts T s 1 ( ) s G se Ts 12 1 ( ) (1) s G se Ts Ts 一阶环节 二阶环节 二阶+纯滞后环节 一阶+纯滞后环节 2 3振荡与非振荡过程的特性 在阶跃输入作用下，输出会 出现多种形式。图中，a)、 b)和c)为振荡过程，d)和e) 为非振荡过程
16、。 衰减振荡的传递函数为 2 2 ( ) (21) s Ke G s T sTs (01 ) 4具有反向特性的过程 对过程施加一阶跃输入信号， 若在开始一段时间内，过程 的输出先降后升或先升后降， 即出现相反的变化方向，则 称其为具有反向特性的被控 过程。 过程建模方法 1机理演绎法 根据被控过程的内部机理，运用已知的静态或动态平 衡关系，用数学解析的方法求取被控过程的数学模型。 2试验辨识法 先给被控过程人为地施加一个输入作用，然后记录 过程的输出变化量，得到一系列试验数据或曲线， 最后再根据输入输出试验数据确定其模型的结构 （包括模型形式、阶次与纯滞后时间等）与模型的 参数。 主要思路是：
17、 3. 混合法 机理演绎法与试验辩识法的相互交替使用的一种方法 第二节 解析法建立过程数学模型 解析法建模的一般步骤 1） 明确过程的输出变量、输入变量和其他中间变量； 2） 依据过程的内在机理和有关定理、定律以及公式列写静态方程或 动态方程； 3） 消去中间变量，求取输入、输出变量的关系方程； 4） 将其简化成控制要求的某种形式，如高阶微分（差分）方程或传 递函数（脉冲传递函数）等； 单容过程的解析法建模 例1：某单容液位过程，如右图。贮 罐中液位高度h为被控参数,流入贮罐 的体积流量为q1过程的输入量并可通 过阀门1的开度来改变；流出贮罐的 体积流量q2为过程的干扰，其大小可 以通过阀门2
18、的开度来改变。试确定q1 与h之间的数学关系? 解 根据动态物料平衡关系，即在单位时间内贮罐的液体流入量与单位 时间内贮罐的液体流出量之差应等于贮罐中液体贮存量的变化率 12 dh qqA dt 则有： 写为增量形式为 12 d h qqA dt 1 q 2 q 其中h 分别为偏离某平衡状态的增量。A为贮罐的截面积 2 R假定近似成正比而与阀门2的液阻成反比 2 q与 h 则有 2 2 h q R 带入增量式中可得单容液位过程的微分方程增量式 进行拉普拉斯变换， 并写成传递函数形式 221 d h R AhR q dt 2 12 ( ) ( ) ( )11 H sRK Gs Q sRCsTs
19、其中： CRT 2 为被控过程的时间常数 2 RK 为被控过程的放大系数 为被控过程的容量系数，或称 AC C 过程容量，这里 在工业过程中，被控过程一般都有一定的贮存物料和能量的能力，贮存能力 的大小通常用容量或容量系数表示，其含义为引起单位被控量变化时被控过 程贮存量变化的大小。 在有些被控过程中，还经常存在纯滞后问题，如物料的皮带输送过程， 管道输送过程等 0 q 0 q l 0 q 为过程的输入量，那么，当阀1的开度产生 需流经长度为的管道后才能进入贮罐而使液位发生变化。 需经一段延时才能被控制 在上例中，如果以体积流量 变化后， 即 可以得到纯滞后的单容过程的 微分方程和传递函数 0
20、 00 0 () ( ) ( ) ( )1 s dh ThKqt dt HsK G se QsTs 单容过程的阶跃响应曲线： 比较有延迟与无延迟的区别 多容过程的解析法建模 以自衡特性的双容过程 为例，如图设为q1过程 输入量，第二个液位槽 的液位h2为过程输出量 ，若不计第一个与第二 个液位槽之间液体输送 管道所形成的时间延迟 ，试求q1与h2之间的数 学关系。 解 根据动态平衡关系， 列出以下增量方程 1 112 d h Cqq dt 1 2 2 h q R 2 223 d h Cqq dt 2 3 3 h q R 进行拉普拉斯变换，整理 得到传递函数、数学模型 223 1212 ( )(
21、 )1 ( ) ( )( )11 Q sH sR Gs Q sQ sTsTs 12 TR C 232 TRC 为槽1的时间常数 为槽2的时间常数 其中 与单容的自平衡阶跃响应过程相比较 第三节第三节 响应曲线法辨识过程的数学模型响应曲线法辨识过程的数学模型 试验辨识法可分为经典辨识法与现代辨识法两大类。 在经典辨识法中，最常用的有基于响应曲线的辨识方法； 在现代辨识法中，又以最小二乘辨识法最为常用。 响应曲线法 响应曲线法是指通过操作调节阀，使被控过程的控制输入产生一阶跃 变化或方波变化，得到被控量随时间变化的响应曲线或输出数据，再 根据输入输出数据，求取过程的输入输出之间的数学关系。响应 曲
22、线法又分为阶跃响应曲线法和方波响应曲线法 阶跃响应曲线法 1）试验测试前，被控过程应处于相对稳定的工作状态 一。注意事项 2）在相同条件下应重复多做几次试验 ，减少随机干扰的影响 3）对正、反方向的阶跃输入信号进行试验，以衡量过程的非线性程度 4）一次试验后，应将被控过程恢复到原来的工况并稳定一段时间 再做第二次试验 5）输入的阶跃幅度不能过大，以免对生产的正常进行产生不利影响。 但也不能过小，以防其它干扰影响的比重相对较大而影响试验结果。 二。模型结构的确定 在完成阶跃响应试验后，应根据试验所得的响应曲线确定模型的结构 对于大多数过程，数学模型和传递函数分别为 - s 0 0 ( )e 1
23、K G s T s 0 12 ( ) (1)(1) K G s T sT s - s 0 12 ( )e (1)(1) K G s TsTs 0 0 ( ) 1 K G s T s 一阶惯性 一阶惯性+纯滞后 二阶惯性+纯滞后 二阶惯性 对于某些无自衡特性过程， 其对应的传递函数为： 0 1 ( )G s T s - s 0 1 ( )eG s T s 12 1 ( ) (1) G s Ts T s - s 12 1 ( )e (1) G s Ts T s 注意： 对于更高阶或其它较复杂的系统，应在保证辨识精度的前提下， 数学模型结构应尽可能简单 三。模型参数的确定 （1）确定一阶环节的参数
24、该响应曲线可近似为无时延的一阶环节 则其输入与输出的关系为： )e1 ()( 0 / 00 Tt xKty 0 K 0 T为过程的放大系数，为时间常数。 其中 上式中，当 00 )(| )(xKyty t 时 0 0 )( x y K 0000 /| d d TxK t y t t T xK 0 00 0 Tt 0 00 00 0 |() tT K x tK xy T 以上式为斜率在t=0处作切线，切线方程为 当 则有： 和 时 由以上分析可知 ，图解法为： ( )y 0 K 0 T 先由上图中的阶跃响应曲线定出，根据 数值，再在阶跃响应曲线的起点t=0处作切线，该切线与 的交点所对应的时间（
25、上图中阶跃响应曲线上的OB段）即为 ( )y 00 )(| )(xKyty t 先确定 0 T的确定还可以使用计算法： )e1 ()( 0 / 00 Tt xKty 00 )(| )(xKyty t )e1)()( 0 /Tt yty 0 2 T 0 T 0 2T )(39%/2)( 0 yTy )(%36)( 0 yTy )(%5 . 68)(2 0 yTy 令t分别为时，则有 以及 0 2 T 0 T 0 2T )(39%/2)( 0 yTy )(%36)( 0 yTy )(%5 . 68)(2 0 yTy 令t分别为时，则有 以及在阶跃响应曲线上求得 三个状态下的时间t1、t2、t3，计
26、算出 0 T （2）确定一阶时延环节的参数 如果曲线呈现S形状如右图所示，则 该过程可用一阶惯性+时延环节近似 - s 0 0 ( )e 1 K G s T s 一阶惯性+时延环节的传递函数 有三个参数需要确定 0 T 0 K时延时间 0 K的确定方法不变，( )y t 0( ) y t转化为标么值 0 T和的确定步骤是：先将阶跃响应 即： )()/()( 0 ytyty 相应的阶跃响应表达式为 t t ty T t 0 e1 0 )( 0 选取两个不同时刻t1， t2，代入 0 2 0 1 e1)( e1)( 20 10 T t T t ty ty 两边取自然对数， 求解化简可得： )(1l
27、n)(1ln )(1ln)(1ln )(1ln)(1ln 2010 201102 2010 12 0 tyty tyttyt tyty tt T 这样便求出 0 T 和 （3）确定二阶环节的参数 0 12 ( ) (1)(1) K G s TsT s 二阶无时延环节阶跃响应曲线如右图： 传递函数为： 三个需要确定的参数 0 T 0 K 1 T 的确定与一阶环节确定方法相同 0 K 0 T 1 T的确定采用两点法。设二阶无时延环节的输入、输出关系为 )ee1 ()( 21 21 2 21 1 00 T t T t TT T TT T xKty 其中 0 x为阶跃输入的幅值 取阶跃响应曲线上任意两
28、个时刻的坐标，（这里为t=0.4,t=0.8）代入方程 2 . 0ee 6 . 0ee 2 2 1 2 2 1 1 1 21 2 21 1 21 2 21 1 T t T t T t T t TT T TT T TT T TT T 求解可得 )55. 074. 1 ( )( )( 16. 2 1 2 1 2 21 21 2121 t t TT TT ttTT 注意：用这种方法确定T1和T2时，应满足 1 2 0.320.46 t t 的条件 因为，当 1 2 0.32 t t 时，应为一阶环节 0 0 (1) K T s 其中 12 0 2.12 tt T 当 1 2 0.46 t t 时，应
29、为二阶环节 2 0 0 )1(sT K 其中 12 0 22.18 tt T 时，应为二阶以上环节。 当 1 2 0.46 t t 对于n阶环节传递函数 n sT K sG ) 1( )( 0 0 n tt T 16.2 21 0 0 T 可以按近似计算 大小由下表确定 1 2 t t 其中n可以根据的 n12345678101214 t1/t20.320.460.530.580.620.650.670.6850.710.7350.75 高阶过程的n与 1 2 t t 的关系 （4）确定二阶时延环节的参数 二阶时延环节阶跃响应曲线如右图： 1)1)( e )( 21 0 sTsT K sG s
30、 传递函数为： 需确定参数4个 1 T 2 T 0 K 在阶跃响应曲线上，通过拐点F作切线 得纯滞后时间 OA 0 ，容量滞后时间 AB C 以及 BDTAEDTC 、 的确定与前面所讲的相同，而总的纯滞后时间 0 K C 0 可以证明： 2 1 T T 与 A C T T 的关系为 x x A C xx T T 1 )1 (其中 2 1 T T x 12C TTT 在 C TTT 21 的约束条件下，可以解得 1 T 2 T和 这个方程为超越方程，求解比较复杂，通常采用图解法 自学图解法 本章结束，谢谢！本章结束，谢谢！ 第三章第三章 过程参数检测与变送过程参数检测与变送 1 1）了解参数检
31、测的意义、检测仪表的基本构成及仪表的统一）了解参数检测的意义、检测仪表的基本构成及仪表的统一 信号标准；信号标准； 2 2）了解检测误差的概念、熟悉仪表的性能以及零点迁移与量）了解检测误差的概念、熟悉仪表的性能以及零点迁移与量 程调整的确定与计算；程调整的确定与计算； 3 3）熟悉变送器的构成原理、信号传输与接线方式；）熟悉变送器的构成原理、信号传输与接线方式； 4 4）了解温度检测方法、熟悉温度变速器的工作原理、掌握其）了解温度检测方法、熟悉温度变速器的工作原理、掌握其 使用方法；使用方法； 5 5）掌握压力、流量、物位等检测仪表的工作原理与使用方法掌握压力、流量、物位等检测仪表的工作原理与
32、使用方法 ，熟悉压力变送器的工作原理及使用特点；，熟悉压力变送器的工作原理及使用特点； 6 6）熟悉智能式变送器的特点及硬件构成；）熟悉智能式变送器的特点及硬件构成； 7 7）了解成分检测仪表的工作原理及适用范围）了解成分检测仪表的工作原理及适用范围。 2、重点与难点、重点与难点 重点：温度、压力、流量、物位等检测仪表重点：温度、压力、流量、物位等检测仪表 的工作原理与使用方法。的工作原理与使用方法。 难点：热电偶测温原理及冷端补偿。难点：热电偶测温原理及冷端补偿。 3.3.自学程序指导自学程序指导 本章对应教材的第三章。先看教材第三本章对应教材的第三章。先看教材第三 章的内容，然后看本章自学
33、指导的章的内容，然后看本章自学指导的PPTPPT教材，教材， 可参照教材中的相关内容一起看。可参照教材中的相关内容一起看。 学习时按以下顺序学习时按以下顺序( (以教材章节）：以教材章节）： 第三章第三章 第一节第一节第二节第二节 第三节第三节第四节第四节 第五节第五节第六节第六节 4.4.学习指导与作业学习指导与作业 本章自学指导的本章自学指导的PPTPPT教材中的例题要熟练教材中的例题要熟练 掌握。作业是教材第三章课后习题：掌握。作业是教材第三章课后习题：3-5,3-143-5,3-14 。 第一节第一节 过程参数检测过程参数检测 转换元件敏感元件信号调理与转换电路 电 源 被测量 输入量
34、 测量电路 电量 输出量 检测仪表 1.传感器：能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信 号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。 2.变送器 将输出信号变成统一标准信号的传感器。 统一标准信号即各仪表之间的通信协议：010mA、02V、 20100kPa; 420mA、15V数字信号。 组成框图 %100 minmax xx %)100%(100 xxa （2）绝对误差 仪表的实测值与“真值”之差 第二节 温度检测与变送 1、热电阻及其测温原理基于热阻效应 测温元件测温原理测温范围/主要特点 热电偶热电效应01600 测温范围广，测量精度高，便于远距离、多点、集中检 测
35、和自动控制，应用广泛；需进行冷端温度补偿， 低温测量精度低。 铂电阻 热阻效应 200600测温范围广，测量精度高，便于远距离、多点、集中检 测和自动控制，应用广泛；不能测高温。 铜电阻50150 半导体热敏电阻50150灵敏度高，体积小，结构简单，使用方便；互换性较差， 测量范围有一定限制。 )(1)( 00 ttRtR 热电阻名称分度号0时阻值()测温范围（）特点 铜电阻 Cu50500.05 50150 线性好，价格低，适 用于无腐蚀性介质 Cu1001000.1 铂电阻 Pt50500.003 -200500 精度高，价格贵，适 用于中性和氧化性介 质，但线性度差 Pt1001000.
36、006 常用测温元件 1) 金属热电阻的测温,计算：常用热电阻 一、接触式测温 2) 半导体热敏电阻的测温 温度系数：温度变化1时电阻值的相对变化量。 负温度系数：NTC型；正温度系数：PTC型；临界：CRT型 2.热电偶及其测温原理（500） （1）热电偶的测温原理：热电效应 接触电势的形成。，温差电势。 )()(),( ),(),()()(),( 00 0000 tEtEttE ttEttEtEtEttE ABABAB ABABABAB tconst AB ttEt tan 0 1 0 ),( 三点结论：1）电极材料相同，总电势为零； 2）冷、热端温度相同，总电势为零；3）电极 材料不同，
37、温度相同，热电势不同。 （2）热电势的检测与第三导体定律(图216） )()()(),( 000 tEtEtEttE CABCABABC 当 0 tt ， 0)()()(),( 00000 tEtEtEttE CABCABABC ),()()(),( 000 ttEtEtEttE ABABABABC 有 第三导体定律：只要第三导体两接点温度相同， 回路中热电势不变 （3）冷端延伸与等值替换原理 为什么要延伸？补偿导线的作用？ 等值替换原理 ),(),( 00 ttEttE CCDCAB A c t t B C D 毫 伏 计 0 t 热 电 偶 冷端的延伸 生产现场恒温环境 补 偿 导 线 等
38、值替换的条件： ),(),( 00 ttEttE CCDCAB 100 C t 热电回路的总热电势： )()()()(),( 00CCADCCBDABABCD tEtEtEtEttE C ttt 00)()()()( CCACDCCBDCAB tEtEtEtE 因而有 ),(), ()()()()(), ( 000 ttEt tEtEtEtEtEt tE CCDCABCDCDCCABABABCD 依据则有 ), ()()()()(),(), (), ( 0000 t tEtEtEtEtEttEt tEt tE ABABCABCABABCCDCABABCD 结论：将满足 的补偿导线代替热电偶使冷
39、端延 伸，不会改变热电偶的热电势 ),(),( 00 ttEttE CCDCAB 补偿导线的连接示意图 二、非接触式测温（辐射式测温） 1.非接触式测温及其特点 原理：载热体热能辐射能受体温度。 特点：无媒介，无上限，测速快，对热场无干扰，用于运动物体、腐蚀 性介质的测温； 缺点：测量误差大、标定难结构复杂、价格贵 2.常用元件及共性 高温辐射计、低温辐射计、光电温度计；：热辐射 透镜（反射 镜）热 电堆（热敏电阻、硅光电池） 电信号。 （1）.高温辐射计：光学玻璃透镜（光波长0.71.1m）与硅光电池 (700200020mV)组成； 误差：1500，0.7%; 1500， 1%； 响应时间
40、1毫秒 （2）. 低温辐射计：锗透镜与半导体热敏电阻组成；接收215m红外 波；范围：0200；误差： 1%；响应时间2毫秒，信号需放大。 （3）光电温度计：光透镜（光波长0.62.7m ）流化铅光敏电阻；范 围：400 800；误差： 1%；响应时间1.5毫秒,信号需放大。 DDZ-型温度变送器 DDZ-型温度变送器的构成及特点 说明:1)输入回路可实现热电偶冷端补偿、热电阻三线制引入、零 点调整与迁移、量程调整；2）反馈回路可实现非线性校正； 特点：1）集成运放：可使仪表的精确性、可靠性、稳定性及技术指标符 合国标；2）通用模块与专用模块相结合，使用灵活。方便；3）反馈线 性化保证输入/输
41、出关系的线性化；4）统一集中供电，二线制接线方式； 5）采用安全火花防爆措施 智能式变送器 （1）通用性强。 （2）使用灵活。（3）多种补偿校正功能。 （4）具有控制功能。 （5）具有通信功能。 （6）具有自诊断功能 1.特点 2.结构 （1）硬件：微处理器、输入/输出电路、人/机界面 （2）软件：系统程序和用户程序 压力的检测与变送 一.压力的概念：垂直作用于单位面积上的力（1Pa=1N/mm） 1.差压(P)； 2.绝对压力/大气压；3.表压； 4.负压； 二.弹性式测压元件及原理 1.弹簧管（波登管）、多圈弹管， 角位移电信号； 2.波纹管、波/簧组合 提高线性度； 3.膜片与膜盒(说明
42、) DDZ-型力矩平衡式差压变送器 电容式差压变送器：将输入差压线性地转换成两电容之差与两电容之和的比值。 智能式差压变送器（1151） 1. 1151的特点 1）精度高（5）、稳定、可靠；2）具有补偿功能 3）具有数字、模拟输出方式；4）具有多种其他功能。 2.硬件构成及其功能 1) 传感器部分： 将差压02.5V;供电电压：5V,工作电流：0.8mA. 2) A/D转换：带有前置放大，16位，具有自校准功能。 5) AD421:数/模转换芯片；电压调整：将24V5V. 6) 监控电路：保护CPU状态，即工作不正常时：中断数据保护恢复。 3. 软件构成：监控程序和通信程序 A/D采样、非线性
43、补偿、量程转换、线性或开方输出、阻尼及D/A输出 3）CPU:AT89S8252与MCS51兼容; 8KB F ROM、2KB EPROM、256B RAM、 32 I/O口线、2个DPTR、三个16位定时/计数器、一个全双工串行口及可 编程看门狗、振荡器与时钟电路等 4）HART通信部分：二进制数字信号与FSK信号之间的转换 第四节 流量检测仪表 1. 流量的基本概念：瞬时流量（单位时间内流过工艺管道某截面的流体 数量）与累积流量（某段时间内流过工艺管道某截面的流体总量）；体 积、重量与质量流量。 2. 流量的检测方法 （1）体积流量检测方法：容积法（单位时间内排出流体的固定体积数） 和速度
44、法（管道内的平均流速乘以管道面积）； （2）质量流量检测法：间接法（体积流量乘以密度）和直接法（仪表直接 测得）。 1. 容积式流量计：标准“计 量空间”、进出口压差 2. 速度式流量计 （1）节流式（差压式）流量计： 孔板、挡板、文丘里管孔板 （2）涡街流量计 3.直接式质量流量计（科氏流量计） 实验图示说明：a) 水静止、管摆动； b) 、c) 水流动、管摆动，出水侧 的摆动先于入水侧；出水侧摆动的 相位超前入水侧；相位差质量流 量 双弯管型：水按箭头流入、流出； A、B、C三处各按一组压电换能器： A处加交变电压，B、C检测振动幅 度相位差420mA 质量流量 第五节 液位检测仪表（液位
45、、料位、界位） 物位检测的主要方法 1. 静压式测量法 压力式：敞口容器； 差压式：闭口容器 2. 电气式测量法 物位变化电气参数：电阻、电容、磁场等变化与电容式差压变送 器配合标准信号。 3.声学式测量法 4. 射线式测量法 典型物位检测仪表 1.差压式液位计 取压口与底部同一水平线 取压口低于容器底部 取压口装有隔离罐 2. 电容式液位计 原理：介电常数不同电容变化物位 图的说明：AB为可调桥臂， DA为测量桥臂；开关S检 查工作状况； 3. 超声波液位计 换能器原理（压电效应）：交变 电场作用下，压电晶体将电能转 换成振动称逆压电效应；将振动 声波转换成交变电场称正压电效 应； 发射器和
46、接收器 电子装置：产生交变 电信号、处理电信号 4.辐射式物位计 原理：射线强度随介质厚度的增加而衰减 第六节 成分分析仪表 意义：了解原料、产品成分及性质；直接质量控制对提高质量、降低能耗、 防止污染的需要；对易燃、易爆、有毒、腐蚀性气体的检测以确保安全尤 为重要。 检测方法检测方法仪表名称仪表名称 热学方法热学方法热导式分析仪，热化学式分析仪，差热式分析仪等热导式分析仪，热化学式分析仪，差热式分析仪等 磁力方法磁力方法热磁式分析仪，热力机械式分析仪等热磁式分析仪，热力机械式分析仪等 光学方法光学方法光电比色分析仪，红外吸收分析仪，紫外吸收分析仪，光干涉分析仪，光电比色分析仪，红外吸收分析仪
47、，紫外吸收分析仪，光干涉分析仪， 光散射式分析仪，分光光度分析仪，激光分析仪等光散射式分析仪，分光光度分析仪，激光分析仪等 射线方法射线方法X X射线分析仪，电子光学式分析仪，核辐射式分析仪，微波式分析仪等射线分析仪，电子光学式分析仪，核辐射式分析仪，微波式分析仪等 电化学方法电化学方法电导式分析仪，电量式分析仪，电位式分析仪，电解式分析仪，氧化锆电导式分析仪，电量式分析仪，电位式分析仪，电解式分析仪，氧化锆 氧量分析仪，溶解氧检测仪等氧量分析仪，溶解氧检测仪等 色谱分离方法色谱分离方法气相色谱仪，液相色谱仪等气相色谱仪，液相色谱仪等 质谱分析方法质谱分析方法静态质谱仪，动态质谱仪等静态质谱仪
48、，动态质谱仪等 波谱分析方法波谱分析方法核子共振波谱仪、电子顺磁波谱仪核子共振波谱仪、电子顺磁波谱仪 、共振波谱仪等共振波谱仪等 其它方法其它方法晶体振荡分析仪，气敏式分析仪，化学变色分析仪等晶体振荡分析仪，气敏式分析仪，化学变色分析仪等 检测方法及仪表 本章结束，谢谢！本章结束，谢谢！ 第四章第四章 过程控制仪表过程控制仪表 1 1）熟悉）熟悉 DDZ-DDZ-型调节器的基本构成、电路原理及其应用特型调节器的基本构成、电路原理及其应用特 点；点； 2 2）了解智能调节器的硬件和软件构成；）了解智能调节器的硬件和软件构成； 3 3）掌握）掌握SLPCSLPC可编程控制器的硬件构成及工作原理；可
49、编程控制器的硬件构成及工作原理； 4 4）熟悉）熟悉SLPCSLPC可编程控制器的模块指令及编程方法；可编程控制器的模块指令及编程方法； 5 5）了解各类执行器的组成原理和使用特点，熟悉气动执行器）了解各类执行器的组成原理和使用特点，熟悉气动执行器 的应用特点；的应用特点； 6 6）熟悉智能式电动执行器的功能特点。）熟悉智能式电动执行器的功能特点。 2、重点与难点、重点与难点 重点：重点：掌握掌握SLPCSLPC可编程控制器的硬件构成及可编程控制器的硬件构成及 工作原理工作原理。 难点：难点： SLPC SLPC可编程控制器的模块指令及编可编程控制器的模块指令及编 程方法程方法。 3.3.自学
50、程序指导自学程序指导 本章对应教材的第四章。先看教材第四本章对应教材的第四章。先看教材第四 章的内容，然后看本章自学指导的章的内容，然后看本章自学指导的PPTPPT教材，教材， 可参照教材中的相关内容一起看。可参照教材中的相关内容一起看。 学习时按以下顺序学习时按以下顺序( (以教材章节）：以教材章节）： 第四章第四章 第一节第一节第三节第三节 第二节第二节 4.4.学习指导与作业学习指导与作业 本章自学指导的本章自学指导的PPTPPT要熟练掌握。作业是要熟练掌握。作业是 教材第四章课后习题：教材第四章课后习题：4-2,4-64-2,4-6。 第一节第一节 DDZ-型调节器型调节器 模拟式控制
