1、PAGE1OF144化工自动化及仪表化工自动化及仪表内容辅导内容辅导（一）（一）PAGE2OF144本辅导主要内容第一章：自动控制系统概述第二章：过程特性第三章：过程检测仪表第四章：成分分析仪表第五章：显示仪表PAGE3OF144Ch1 自动控制系统概述PAGE4OF1441 1、控制理论的发展、控制理论的发展（1 1）经典控制论）经典控制论（2 2）现代控制论）现代控制论（3 3）大系统理论）大系统理论（4 4）智能控制）智能控制一、自动化及仪表技术发展概况PAGE5OF1442 2、控制系统结构（实现方式）、控制系统结构（实现方式）控制系统结构经历了四个阶段：基地式控制器的控制系统（195
2、0）单元组合仪表的控制系统（1960）计算机控制系统（1970）集散控制系统（1980）目前：现场总线控制系统 综合自动化系统PAGE6OF144二、自动控制系统 图1-1 加热炉温度自动控制系统 1、自动控制系统、自动控制系统PAGE7OF144目标目标：控制加热炉火的出口温度实现方式（过程）实现方式（过程）：（1）测量该温度（2）将该温度与期望值（设定值）比较（3）根据偏差调节燃料流量，目的是使得偏 差为0 特点特点：负反馈系统（设定值与测量值相减）根据偏差调节 闭环控制PAGE8OF1442、闭环控制与开环控制闭环控制闭环控制：不能什么原因导致被控变量有偏差就会产生控制作用，以图减小偏差
3、。但控制不及时开环控制开环控制：不需要测量被控变量，根据输入信号调节，控制及时，但无法消除偏差。根据需要选择控制方式根据需要选择控制方式:前馈反馈控制系统就结合了这两种控制方式的优点。PAGE9OF144 图1-2 开环液位控制系统PAGE10OF1443、自动控制系统组成及方框图 研究控制系统时，为了更清楚地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，两个方框间用带箭头的线段表示信号联系，进入方框表示信号为输入，离开表示信号为输出，输入引起输出变化，而输出不会引起输入变化，即环节具有单向特性。PAGE11OF144方框图采用符号说明：方
4、框图采用符号说明：r(t)设定值y(t)测量值e(t)偏差，e(t)=r(t)-y(t)u(t)控制作用（控制器输出）c(t)被控变量q(t)操纵变量f(t)扰动PAGE12OF144 图1-3 控制系统方框图PAGE13OF1444、分析控制系统时重要概念信息概念信息概念 图13中的各个符号变量都是实际的物理量，然而他们是作为信息来转换和使用的。每个环节都有信息流入和流出。信息的流入和流出与实际对象中物料的流入和流出不同。从整个系统看，设定值和扰动是系统输入，而被控变量和其他测量值是输出。PAGE14OF144 图1-4 两个液位控制系统PAGE15OF144闭环的概念闭环的概念：在方框图中
5、，任何一个信息沿箭头方向前进，最后又回到原来的起点，这种系统称为闭环系统。闭环控制系统的闭合回路是通过检测和变送器实现的。闭环系统一定要有反馈。PAGE16OF144动态的概念动态的概念：r(t)、y(t)、e(t)、u(t)、q(t)和f(t)等都是时间的函数，即它们随时间而变化。在定值控制系统中，扰动使得被控变量偏离设定值，控制作用又使它恢复到设定值，扰动与控制构成一对矛盾，被控变量处于不断的运动中。等效的概念等效的概念：PAGE17OF1445、控制系统牵涉内容信息流动与控制设备对应关系：信息流动信息流动：信号采集信号变换信号处理执行控制设备（硬件）控制设备（硬件）：检测仪表变送器 控制
6、器 执行机构PAGE18OF144涉及课程内容涉及课程内容：检测、变送技术检测、变送技术；显示技术；电动与气动执行机构控制系统设计控制系统设计；控制原理；控制工程；各 种控制算法；过程建模实现方式实现方式：计算机控制系统（控制仪表与装置；集散控制系统，PLC，工业控制计算机，现场总线控制系统，SCADA系统）PAGE19OF1446、自动控制系统分类按照设定值的不同，分成三类按照设定值的不同，分成三类：定值控制系统定值控制系统随动控制系统随动控制系统程序控制系统程序控制系统 PAGE20OF144三、自动控制系统过渡过程和品质指标PAGE21OF1441、自动控制系统的过渡过程 当自控系统的输
7、入发生变化后，被控变量随时间不断变化，该过程称为系统的过渡过程。定值控制系统的过渡过程通常有以下几种形式：发散振荡单调发散等幅振荡衰减振荡PAGE22OF144 图1-8 定值控制系统过渡过程几种形式 PAGE23OF144 图1-9 稳定的随动系统过渡过程 PAGE24OF1442、自动控制系统的品质指标 控制系统受到外作用时，要求被控变量要平稳、迅速和准确地趋近或恢复到设定值。因此在稳定性、快速性和准确性三个方面提出单项和综合指标，这些指标仅适用于衰减振荡过程。PAGE25OF144 图1-10 过渡过程控制指标示意图（扰动作用）PAGE26OF144 图1-11 过渡过程控制指标示意图（
8、设定作用）PAGE27OF144（1）单项控制指标衰减比衰减比n：衡量过程过程稳定性的动态指标，其定义是第一波的振幅和同方向第二个波的振幅之比。n越小，控制系统振荡剧烈，稳定度低n越大，控制系统的稳定性越高。当n趋向于无穷大时，过渡过程接近非振荡过程。n通常整定在4:1到10:1PAGE28OF144最大动态偏差最大动态偏差 （或超调量（或超调量 ）。该指标反映被控变量偏离设定值的最大程度。是衡量过渡过程稳定性的动态指标。对定值控制，指被控变量的第一个波峰与设定值的偏差。对随动系统，通常采用超调量，定义为第一个波的峰值与最终稳定值的差。某些工艺要求高的场合，要限制最大动态偏差maxePAGE2
9、9OF144余差余差 指控制系统过渡过程终了时设定值与被控变量稳态值之差，即余差是反映控制准确性的重要指标，一般 希望它为0。并非所有的控制系统对余差都有很高的要 求。)()(yre)(ePAGE30OF144回复时间和振荡频率回复时间和振荡频率 回复时间表示控制系统过渡过程时间长短。回复时间短，表示控制系统过渡过程快。回复时间长，表示系统过程过渡过程慢。在衰减比相同条件下，振荡频率与回复时间成反比，振荡频率越高，回复时间越短；因此振荡频率也可以作为衡量控制快速性的指标。PAGE31OF1442、综合指标 由于过渡过程动态偏差越大，或是回复时间越长，则控制品种越差，所以综合控制指标采用积分鉴定
10、的形式。其中：J为积分鉴定值，e为偏差，t为回复时间。通常采用三种表达形式)12(),(0dttefJPAGE32OF144（1）平方积分鉴定平方积分鉴定ISEISE（2）绝对积分鉴定绝对积分鉴定IAEIAE（3）时间乘以绝对值的积分鉴定时间乘以绝对值的积分鉴定ITAEITAE)22(,),(022dteJetef)32(,),(0dteJetef)42(,),(0tdteJtetefPAGE33OF144 自动控制系统控制质量的好坏，取决于组成控制系统的各个环节，特别是过程的特性。自动控制装置应该按照过程的特性加以适当的选择和调整，才能达到预期的控制质量。如果过程特性和控制装置两者配合不当，
11、或者过程特性、控制装置特性在运行过程中发生变化，都会影响到控制系统的控制品质，在设计控制系统时要考虑这些问题。PAGE34OF144一些基本概念题1、简述被控对象、被控变量、操纵变量、扰动（干扰）量、设定（给定）值、偏差的含义。被控对象：自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器。被控变量：被控对象内要求保持设定数值的工艺参数。操纵变量：受控制器操纵的，用于克服干扰的影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量。扰动量：除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控量变化的因素。PAGE35OF144设定值：被控变量的预定值偏差：被控变量的设定值与实际值之差。2、什么是自动控制系统的过渡过程？
12、答：系统受到扰动作用后，其平衡状态被破坏，被控变量发生波动，在自动控制作用下，经过一段时间，使被控变量回复到新的稳定状态，把系统从一个平衡状态进入另一个平衡状态之间的过程称为系统的过渡过程。PAGE36OF1443、衰减振荡过程的品质指标有哪些？答：衰减振荡过程的品质指标主要有：最大偏差、衰减比、余差、过渡时间、振荡周期（或频率）等。PAGE37OF1444、什么是反馈、什么是正反馈、负反馈？答：把系统（或环节）的输出信号直接或经过一些环节重新引回到输入端的作法称为反馈。反馈信号的作用方向与设定信号相反，即偏差信号为两者之差，这种反馈称为负反馈。反之称为正反馈。PAGE38OF1445、什么是
13、自动控制系统的方框图？答：自动控制系统的方框图是由传递方块、信号线（带有箭头的线段）、综合点、分支点构成的表示控制系统组成和作用的图形。其中每个方框代表系统的一个组成部分，方框内填入表示其自身特性的数学表达式；方框间用带有箭头的线段表示相互间的关系及信号流向。采用方框图可以直观地表达系统各组成部分及它们之间的相互影响和信号的联系，以便对系统特性进行分析和研究。PAGE39OF144Ch2 自动控制系统过程特性PAGE40OF144工业生产过程设备众多 换热器、反应器、精馏塔、泵、锅炉、压 缩机等每个过程都有其自身特性，该特性影响控 制系统的运行了解和熟悉过程特性，有利于过程操作了解过程特性，才
14、能设计好控制系统一、基本概念PAGE41OF144过程特性过程特性：指当被控过程的输入变量（操纵变量或扰动）发生变化时，其输出变量（被控变量）随时间变化规律。控制通道控制通道：操纵变量q(t)对被控变量c(t)的作用途径，干扰通道干扰通道：扰动f(t)对被控变量得作用途径研究过程特性时，两个通道都要考虑PAGE42OF144 图2-3 4种过程特性响应曲线PAGE43OF144 描述过程特性的最好方法就是建立过程的数学模型，即将过程得输入和输出特性用数学方程表达出来，数学方程包括：微分方程偏微分方程差分方程状态方程等 二、过程数学描述PAGE44OF144建模依据（机理模型）：建模依据（机理模
15、型）：物料平衡能量平衡动量平衡相平衡化学反应定律电路基本定理等 建模方法：建模方法：机理建模实验建模PAGE45OF144三、过程特性一般分析1、放大系数、放大系数控制通道放大系数K0 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干扰通道放大系数KfPAGE46OF1442、时间常数 时间T是常数反映被控变量变化快慢的动态参数。3、各种滞后PAGE47OF144四、过程建模方法常用过程建模方法：机理建模机理建模u对简单过程可以u工业过程特性十分复杂，因此难于机 理建模实验建模实验建模u阶跃扰动法u矩形脉冲扰动法u周期扰动法u统计相关法PAG
16、E48OF144一些基本概念题1、什么是被控对象特性？什么是被控对象数学模型？研究被控对象特性有何意义？答：过程特性是指当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。定量地表达对象输入输出关系的数学表达式称为对象的数学模型。在充分研究过程特性及其规律的基础上，可以确定合适的被控变量和操纵变量，进而选用合适的检测和控制仪表，选择合理的控制器参数，设计合乎工艺要求的控制系统。PAGE49OF1442、什么是控制通道和扰动通道？答：对于一个被控对象来说，输入量是扰动量或操纵变量，而输出是被控变量。由对象的输入变量至输出变量的信号联系称为通道。操纵变量至
17、被控变量的信号联系称为控制通道；扰动量至被控变量的信号联系称为扰动通道。一般来说，对于不同的通道，对象的特性参数（K、T和 ）对控制作用的影响是不同的。PAGE50OF144Ch3 过程检测仪表PAGE51OF144检测仪表是控制系统信息的源头，是信号变换、加工、处理、存储的基础，在控制系统中处于十分重要的地位。检测仪表把各种非电量，如温度、压力、流量、物位等转换为电量信号。变送器将检测仪表的输出转换为标准输出信号，对电动二型仪表，信号为010mA，对电三型仪表，标准信号为420mA。有时会将检测元件（如热电偶）、变送器和显示仪表统称为检测仪表。PAGE52OF144检测仪表性能 静态指标：精
18、度、变差、灵敏度、灵敏 限、线性度、重复性 动态指标：测量误差的基本知识一、基本概念PAGE53OF144二、温度测量根据敏感元件和被测介质是否接触，分为接触式和非接触式两大类。1、接触式方法、接触式方法：（1）基于物体受热体积膨胀性质的膨胀式温度检测（2）基于导体或半导体电阻随温度变化的热电阻温度检测（3）基于热电效应的热电偶温度检测2、非接触式方法、非接触式方法：（1）利用物体的热辐射特性与温度之间的对应关系对温度检测PAGE54OF1441、热电偶温度检测（1）热电效应）热电效应 热电势由两个部分组成：接触电动势和温差电动势。图33 热电效应PAGE55OF144（2）热电偶基本定律热电
19、偶基本定律 由材料成份相同的热电极组成的回路，只受到材料两端温度的作用，无论导体的直径和长度如何及各处的温度分布如何，均不产生热电动势。此定律说明热点偶必须由两种不同性质的材料制成。同时也可据此检验热电极的均匀性。均质回路定律（均质导体定律）均质回路定律（均质导体定律）PAGE56OF144中间金属材料定律中间金属材料定律 在热电偶回路中接入第三种金属，只要这种金属材料两端温度相同，则热电偶所产生的热电动是保持不变，即不受第三种金属材料接入的影响。中间温度定律中间温度定律热电偶组成定律热电偶组成定律PAGE57OF144（3）热电偶冷端温度补偿热电偶冷端温度补偿 EAB(t,t0)=f(t)-
20、f(t0),热电偶的热电势是测量端温度t和参比端温度t0的函数的差。热电偶分度表中的热电动势都是在参比端温度为0时给出的。如冷端温度不是0，就会产生温差。计算法计算法 E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)（34）PAGE58OF144机械零点调整法机械零点调整法 显示仪表标尺通常以热电偶冷端温度为0时刻度的，因此无信号时指示为0。方法：测量冷端温度，再将显示表调零螺母调在所测得的冷端温度处。特点：比较简单，较长使用。对热电势与温度线性关系较好的热电偶(K,E)误差小，非线性大误差大。PAGE59OF144补偿导线法补偿导线法 问题问题：（1）把温度信号（现场）送控制室 （2）显示表不能
21、装在现场 （3）少数热电偶（铂铑30 铂铑6）可用普通铜导线，大多数不行，而对贵重金属显然不可能。PAGE60OF144零摄氏度恒温器（冰浴法）零摄氏度恒温器（冰浴法）原理原理：根据中间温度定律，用补偿导线后，试管中温度为新的冷端温度（00C）。根据中间金属定律，铜导线两端温度相同（00C），不影响热电偶回路总电动势。PAGE61OF144 图37(b)热电偶冷端温度补偿电桥补偿电桥补偿电桥补偿电桥PAGE62OF144型号标志材 料测温范围/S铂铑10铂(注)-501768R铂铑13铂-501768B铂铑30铂铑601820K镍铬镍硅-2701372N镍铬硅镍硅-2701300E镍铬铜镍（康
22、铜）-2701000J铁铜镍（康铜）-2701200T铜康铜-270400注：铂铑10表示铂90，铑10，以此类推。（4 4）标准化热电偶）标准化热电偶PAGE63OF144（5）热电偶的结构型式）热电偶的结构型式普通型热电偶普通型热电偶 通常由热电偶、绝缘材料、保护套管和接线盒等主要部分组成。按安装形式可分为固定螺纹连接、固定法兰连接、活动法兰连接等。PAGE64OF144铠装热电偶铠装热电偶 由热电偶丝、绝缘材料和金属套管等三者经拉伸加工而成的坚实组合体，可以做的很细、很长，在使用中可以随测量需要任意弯曲。主要特点是测量端热容量小，动态响应快，机械强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上。
23、PAGE65OF1442、热电阻温度检测热电阻温度检测（1）热电阻及测温原理）热电阻及测温原理 热电阻的热效应：电阻体的阻值随温度的升高而增加或减少。大部分导体或半导体都具有这种性质，但作为测温元件，应满足以下要求：PAGE66OF144（2 2）常用热电阻）常用热电阻 我国规定工业用铂电阻温度计有 =10和 =100两种，它们的分度号分别是Pt10和Pt100铜电阻温度计也有两种 =50和 =100，其分度号分别为Cu50和Cu100。0R0R0R0RPAGE67OF144 流量是指流经管道（或设备）某一截面的流体数量，随着工艺要求不同，它的测量又可分为瞬时流量和累积流量的测量。流量的表示方
24、式还有：（1）体积流量（2）质量流量 采用速度法（间接法）进行体积流量测量方法有：三、流量检测三、流量检测AvvdAqsm/3AmvdAqs/KgPAGE68OF144 节流式检测方法节流式检测方法 利用节流件前后的差压与流速之间的关系，通过差压值获得流体的流速；电磁式检测方法电磁式检测方法 导电流体在磁场中运动产生感应电势，感应电势的大小正比于流体的平均速度；变面积式检测方法变面积式检测方法 它是基于力平衡原理，通过在锥形管内的转子把流体的流速转换成转子的位移，相应的流量检测仪表为转子流量计；旋涡式检测方法旋涡式检测方法 流体在流动中遇到一定形状的物体会在其周围产生有规律的旋涡，旋涡释放的频
25、率正比于流速；PAGE69OF144 涡轮式检测方法涡轮式检测方法 流体对置于管内涡轮的作用力，使涡轮转动，其转动速度在一定流速范围内与管内流体的流速成正比；声学式检测方法声学式检测方法 根据声波在流体中传播速度的变化可获得流体的流速；热学式检测方法热学式检测方法 利用加热体被流体的冷却程度与流速的关系来检测流速，基于此方法的流量检测仪表主要有热线风速仪等。PAGE70OF1441、节流式流量检测节流式流量检测 如果在管道中安置一个固定的阻力件，它的中间是一个比管道截面小的孔，当流体通过该阻力件的小孔时，由于流体流束的收缩而使流速加快、静压力降低，其结果是在阻力件前后产生一个较大的压力差。它与
26、流量（流速）的大小有关，流量愈大，差压也愈大，因此只要测出差压就可以推算出流量。把流体通过阻力件时流束的收缩造成压力变化的过程称节流过程。其中的阻力件称为节流件。PAGE71OF144图314 流体流经节流装置时压力和流速变化 PAGE72OF144222122mCC令流量系数 pAaqm20pAqV20则流体的质量流量可写为：则体积流量为：（316）（317a）（317b）流体体积膨胀的校正系数PAGE73OF144 流量系数主要与节流件的形式和开孔直径（主要对应于m和 ）、取压方式（即取压点的位置，对应于 ）、流体的流动状态（包括雷诺数、管道直径等，对应于 和 ）和管道条件（如管道内壁的粗
27、糙度，对应于 ）等因素有关。因此，它是一个影响因素复杂，变化范围较大的重要系数，也是节流式流量计能否准确测量流量的关键所在。1C2CPAGE74OF1442、电磁式流量检测电磁式流量检测 电磁式流量检测方法是根据法拉第电磁感应定律进行流量检测，它能检测具有一定电导率的酸、碱、盐溶液，腐蚀性液体以及含有固体颗粒（泥浆、矿将等）的液体流量。但不能检测气体、蒸汽和非导电液体的流量。PAGE75OF144图318 电磁式流量检测原理PAGE76OF144 由上式可知，在管道直径D已确定并维持磁感应强度B不变时，这时体积流量与感应电势具有线性关系，而感应电势与流体的温度、而感应电势与流体的温度、压力、密
28、度和粘度等无关。压力、密度和粘度等无关。xvEBDq4BDvEx（318）（319）PAGE77OF1443 3、变面积式流量计变面积式流量计 利用在下窄上宽的锥形管中的浮子所受的力平衡原理工作。由于流量的不同，浮子的高度不同，即环形的流通面积要随流量变化。流量系统fffVAgVAvAq)(2001（320）PAGE78OF144图319 转子流量计原理、结构 PAGE79OF1444 4、超声波流量检测超声波流量检测 在物位检测中，利用了超声波在界面的反射和在静止介质中的传播速度等特性。用超声波进行流量检测的原理有多种，主要有传播速度差法传播速度差法u时间差法u相位差法u频率差法多普勒法多普
29、勒法PAGE80OF144 四、压力检测四、压力检测压力的概念常用压力单位之间换算关系：1MPa=1103KPa=1106 Pa1mmH2O=9.807 Pa1mmHg=133.32 Pa1工程大气压（）9.81104 Pa1巴（bar）105 Pa我国目前生产的各种压力仪表都用统一的KPa或MPa为基本单位。2cm/kgfPAGE81OF144压力的表示方法（1）绝对压力:表示物体所承受的实际压力比绝对压力零压高出的压力。（2）表压:比大气压高出部分的压力，为绝对压力与大气压之差。（3）真空度（负压）：表示实际压力比大气压低 出部分的压力，数值上为大气压力与绝对压力之差。PAGE82OF14
30、4321 绝对压力、表压和真空度等关系PAGE83OF144压力测量仪表类型压力测量仪表类型压力测量仪表按其作用、转换原理和结构分成：（1 1）柱式压力仪表柱式压力仪表 把被测量压力表式成液柱高度测压力，如U型管压力计、单管压力计。在工业生产过程中有一定使用。特点：读数直观、数据可靠、准确度高，不仅能测表压、差压、还能测负压。但只能测较低的压力或差压。只能进行现场指示。PAGE84OF144 把被测压力转换成弹性元件受压变形所产生的位移大小来测量。如单圈弹簧管压力计、多圈弹簧管压力计、波纹管压力计和簧片式压立计等。在工业过程中较常用。（2 2）弹性式压力仪表）弹性式压力仪表PAGE85OF14
31、4 图3-22 弹性元件示意图PAGE86OF144图3-24 弹簧管压力表结构PAGE87OF144（3 3）电气式压力仪表）电气式压力仪表 根据各种非电量测量技术，把被测压力转换成各种电量变化来测量的。如：应变片式，电阻式，电容式，电感式，霍尔片式，振频式等，广泛用于现代工业压力测量与自控系统中。PAGE88OF144 弹性式压力计的弹性元件附加一些变换装置，使弹性元件自由端的位移量转换为相应的电信号，从而构成各种基于弹性元件的电阻式，电感式和霍尔片式电气压力计。非弹簧管组成的快速测压元件，如应变片式，压阻式，压电式，电容式等。PAGE89OF144 把被测仪表转换成活塞上所加平衡砝码的重
32、量大小来测量。常见的有单活塞和双活塞标准压力表。是种高精度标准压力计，常用于检验其他类型压力计。（4 4）活塞式压力标准仪表）活塞式压力标准仪表PAGE90OF144 五、物位检测五、物位检测 物位是指各种容器中液体介质界面的高低，两种不溶液体介质的分界面高低和固体粉末状颗粒物料的堆积高度等的总称。PAGE91OF1441、静电容液位指示计2、超声波液位指示计3、静电容液位开关4、电缆浮球液位开关5、浮球连续式液位指示计 6、连杆浮球液位开关7、侧装式浮球液位开关8、流动开关9、压力式液位指示计 10、小型浮球液位开关11、磁性浮子式液面计12、光电液位开关 图3-27 各种液位测量方法PAG
33、E92OF1441 1、物位检测仪表按工作原理可分为、物位检测仪表按工作原理可分为：（1 1）直读式物位仪表）直读式物位仪表 根据流体力学的连通性原理测量液位（2 2）浮子式物位仪表）浮子式物位仪表 根据浮子高度随液位高低变化而改变(恒浮力)，或液体对浸沉在液体中的浮子（或浮筒）的浮力随液位高度变化的原理测量液位（变浮力）。PAGE93OF144（3 3）差压式物位仪表）差压式物位仪表 根据液位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。（4 4）电学式物位仪表）电学式物位仪表 把物位变化转换成各种电量变化而测量物位。PAGE94OF144 （5 5）声学式物位仪表）声学
34、式物位仪表 根据物位变化引起声阻变化、声波的遮断和反射距离不同而测量物位。（6 6）核辐射式物位仪表核辐射式物位仪表 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。PAGE95OF1442 2、差压式液位检测与零点迁移、差压式液位检测与零点迁移图3-33 差压式液位计测量原理图 判断差压式液位检测中差压计的量程、零点迁移等的关键是列出差压计正、负压室的差压表达式。PAGE96OF144图3-36 不同零点迁移情况下的特性曲线PAGE97OF1443、声学式物位检测、声学式物位检测(1)声波在介质中传播时会被吸收而衰减，气体吸收最强而衰减最大，液体次之,固体吸收最小而衰
35、减最小。声波在介质中传播时衰减的程度还与声波的频率有关。(2)当声波从一种介质向另一种介质传播时，因为两种介质的密度不同和声波在其中传播的速度不同，在分界面上会产生反射和折射。当声波从液体或固体传播到气体，或相反的情况下，由于两种介质的声阻抗相差悬殊，声波几乎全部被反射。PAGE98OF144 图3-38 超声波物位计示意图 PAGE99OF144超声波的发射与接收超声波的发射与接收 超声波的发射与接收根据压电效应，通过换能器实现，换能器的核心是压电晶体。图3-39 声波发射PAGE100OF144 图3-40 声波接收 PAGE101OF144测量方法测量方法 根据测量介质不同，超声波物位测
36、量可分为：气体、液体和固体三种类型。换能器：用两个探头，发射一个、接收一个；或公用一个。影响测量精度的因素：t：可以通过电路准确测量 v：与介质密度有关，而密度是温度和压力的函数。因而必须进行补偿。方法有：PAGE102OF144温度补偿温度补偿 如果声波在被测介质中的传播速度主要随温度而变，声速与温度的关系为已知，而且假设声波所穿越的介质的温度处处相等，则可以在超声换能器附近安装一个温度传感器，根据已知的声速与温度之间的函数关系，自动进行声速的补偿。PAGE103OF144设置校正具设置校正具 在被测介质中安装两组换能器探头，一组用作测量探头，另一组用作构成速效校正用的探头。A、固定校具：校
37、正的方法是将校正用的探头固定在校正具的一端，校正具的另一端是一块反射板（图3-41）。由于校正探头到反射板的距离 为已知的固定长度，测出声脉冲从校正探头到反射板的往返时间 ，则可得声波在介质中的传播速度为：0L0TPAGE104OF144 因为校正探头和测量探头是在同一个介质中，如果两者的传播速度相等，即 =v，则代入（3-26）式可得 0vttLH00 由上式可知，只要测出时间T和 ，就能获得料位的高度H，从而消除了声速变化引起的测量误差。0T适用于容器中介质的声速个处相同适用于容器中介质的声速个处相同。ootLv20PAGE105OF144图3-41 应用固定校正具检测液位原理图PAGE1
38、06OF144B、活动校具主要用于声速沿高度方向变化的介质。图3-42 应用活动校正具检测液位原理图PAGE107OF1444 4、射线式物位检测、射线式物位检测检测原理检测原理 当射线射入一定厚度的介质时，部分能量被介质所吸收，所穿透的射线强度随着所通过的介质厚度增加而减弱，它的变化规律为：HeII0（327）PAGE108OF144式中 ，I为射入介质前和通过介质后的射线强度；为介质对射线的吸收系数；H为射线所通过的介质厚度。介质不同，吸收射线的能力也不同。一般是固体吸收能力最强，液体其次，气体最弱。当射线源和被测介质一定时，和 都为常数。测处通过介质后的射线强度I，便可求出被测介质的厚度
39、H。0I0IPAGE109OF144六、变送器六、变送器变送器是单元组合仪表中不可缺少的单元，其作用是将检测元件的输出信号转换成统一标准信号，送到显示仪表或控制装置进行显示、记录或控制由于变量种类多，因此，变送器的类型也较多u温度变送器u压力变送器u液位变送器u流量变送器PAGE110OF144变送器是基于反馈原理工作的组成：测量（输入转换）放大反馈如图345所示输入输出关系：)zCx(KFKy01PAGE111OF144 图345 变送器原理图和输入、输出特性 PAGE112OF144当 时，变送器的输出和输入之间的关系为：即变送器的输出和输入特性只取决于测量部分和反馈部分，而与放大器特性几
40、乎无关，如果C和F是常数，则变送器的 输出和输入特性将保持好的线性特性。1KF)(10zCxFyPAGE113OF144变送器的量程迁移和零点迁移变送器的量程迁移和零点迁移 实际使用中，由于测量要求或测量条件发生变化，需要根据输入信号的下限值和上限值调整变送器的零点和量程。（1）量程迁移 量程迁移的目的是使变送器的输出信号的上限值与测量范围的上限值相对应。PAGE114OF144 量程迁移后，变送器输出和输入特性曲线的斜率要发生变化。量程迁移是靠调整反馈系数F或转换系统C来实现的。通常是改变反馈系数F实现量程调整，F大，量程就大；F小，量程就小。量程迁移相当于改变图346变送器输入和输出特性曲
41、线的斜率。PAGE115OF144 图346 变送器量程迁移 PAGE116OF144（2）零点迁移）零点迁移 图347 变送器零点迁移 PAGE117OF144 零点迁移的目的是使变送器的输出信号的下限值（即标准统一信号下限值）与测量范围的下限值相对应。称为零调整 称为零点迁移 零点迁移时，变送器的输出和输入特性曲线作平行移动，其斜率不变，即量程不变。0minx0minxPAGE118OF144两线制与四线制仪表两线制与四线制仪表 两线制是指变送器与控制室之间仅用两根导线传输。这两根导线既是电源线又是信号线，节省了大量电缆费用，又有利于安全防爆。PAGE119OF144 图348 四线制与两
42、线制传输示意图 PAGE120OF144七、检测仪表选型七、检测仪表选型（1）根据生产工艺对变量检测的要求（2）被测介质的特性，现场使用环境。（3）本着节约的原则，合理的考虑仪表的类型、量程、精度。PAGE121OF144 成分是指混合气体或液体中的各个组分，成分检测的目的是要确定某一或全部组分在混合气体或液体中所占地百分含量。例:在锅炉燃烧系统中，为了确定炉子燃烧状况，计算燃烧效率，要求知道烟道气中 CO、等气体的含量。Ch4 成分参数检测成分参数检测2O2COPAGE122OF144一、热导式气体分析仪一、热导式气体分析仪 热导式检测技术是根据待测组分的导热率与气体组分的导热系数有明显的差
43、异这一特性工作的。当被测气体的待测组分含量变化时，将引起导热系数变化，通过导热池，转换成电热丝电阻值的变化，从而间接地得到待测组分的含量。利用这一原理制成的仪表称为热导式气体分析仪。PAGE123OF144图43 不平衡电桥测量线路图44 带参比气室测量桥路PAGE124OF144二、热磁式氧含量分析仪二、热磁式氧含量分析仪 热磁式检测技术是利用被测气体混合物中待测组分比其它气体有高得多的磁化率以及磁化率随温度升高而降低等热磁效应来检测待测气体组分的的含量，测量范围为0100，具有反应快，稳定性好等特点。PAGE125OF144图45 内对流式发射器原理图 PAGE126OF144 在中间通道
44、的外面，均匀的绕以热电阻丝（铂丝），它既加热中间通道，又起温度的敏感元件的作用，电阻丝的中间有一抽头，把电阻丝分成两个阻值相等的电阻 、，与另外两个电阻 、构成测量电桥。在中间通道的左侧装有一对磁极，以磁化被测气体。热磁对流现象的形成。磁风大小仅随气样中氧含量的变化而变化。1R2R3R4RPAGE127OF144 发射器的信号转换过程为：被测气体中的氧含量的变化被测量气体的磁化率的变化发射器中间通道磁风的变化 、热量散发变化 、温度变化 、阻值变化测量电桥输出信号变化。1R2R1R2R1R2RPAGE128OF144三、红外式气体成分分析仪三、红外式气体成分分析仪 红外式成分检测是根据气体对红
45、外线的吸收特性来检测混合气体中某一组分的含量，由此构成的检测仪器称为红外线气体分析仪，这是一种光学分析仪器。它具有选择性高、灵敏度高、测量范围宽、精度高及通用性好等特点。PAGE129OF144二氧化碳红外分析仪工作原理二氧化碳红外分析仪工作原理 参比气室的作用是在待测组分为零时使经两个气室后照射到红外探测器上的红外线强度相等，减小光源波动及环境变化的影响。参比气室一般充有不吸收红外线的气体，如氮气。随着被测气体中二氧化碳浓度的增加，测量气室中对入射的红外线的吸收程度也相应增加，从而使红外探头2与1输出信号之间的差异变大。因此可以根据该差值的大小获得被测二氧化碳气体的含量。PAGE130OF1
46、44图46 红外线气体分析仪原理图 PAGE131OF144Ch5 显示仪表显示仪表 显示仪表是直接接受检测元件或变送器或传感器（或经过处理）送来的信号，然后经过测量线路和显示装置，最后对被测变量进行指示或记录或以字、符、数、图像显示，后两部分构成了显示仪表。显示仪表主要有模拟式、数字式和屏幕显示仪表三类。PAGE132OF144一、模拟式显示仪表一、模拟式显示仪表 常用的模拟式显示仪表有自动平衡式电子电位差计和电子自动平衡式电桥。通过自动调节电位差或电阻的方法，使电位差计或电桥达到平衡，从标尺指针读取读数。它们能自动测量、显示、记录各种电信号（直流电压、电流或电阻），配用热电偶、热电阻或其它
47、能将被测信号转换成直流电压、电流或电阻的传感器、变送器、可以指示和记录生产过程中的温度、压力、流量、物位以及成分等各种参数，并可附加控制器、报警器和积算器等，实现多种功能。PAGE133OF144图53 自动平衡电子电位差计原理线路(2)电子电位差计原理及测量桥路分析PAGE134OF144当a、b点的电势相同时，可逆电机停止运动，指针停留在某固定数值。但被测电势从最小变到最大时，滑动触点从最左边滑动到最右边。平衡条件：冷端温度变化时，也变化。增加，（）增加，减小，实现冷端温度补偿。)(),(122PGoRRIRIttE2R0t2RCuR),(ottE(5-3)PAGE135OF1442 2、
48、自动平衡式电子电桥、自动平衡式电子电桥图54 自动平衡电桥原理线路2r1rPAGE136OF144 工作原理工作原理电阻 变化时，电桥不平衡，电桥a、b输出端产生电位差。该电位差经过放大后，驱动可逆电机运行，带动滑动触点移动，直到电桥平衡。平衡条件当被测温度升高，增加，滑动触点向左移动，使所在的桥臂电阻减小，直到a、b输出端电位差为0；当被测温度降低，减小，滑动触点向右移动，使所在的桥臂电阻增加，直到a、b输出端电位差为0；tRtRtR)()(21413261RRRrRrRRRt(5-4)PAGE137OF144三线制接法三线制接法 热电阻要安装在被测温度现场，这样，连接热电阻的连接导线有长有
49、短，且连接导线的电阻会随环境温度而变化。若把热电阻的连接导线都接在同一个桥臂内，则当环境温度发生变化时，连接导线的电阻变化值将与热电阻的变化值相叠加，这样会给仪表测量带来较大的误差。如图55（a）所示PAGE138OF144 为了能正确地显示被测温度的大小，工业上常采用三线制接法，如图55（b）所示。由热电阻引出三根导线，与热电阻两端相连的两根导线分别接入桥路的两个相邻桥臂上，而第三根导线与稳压电源的负极相连。这样由于环境温度变化而引起的连接导线电阻的变化可以互相抵消，减少对测量的影响。PAGE139OF144图55 热电阻三线制接法与二线制接法(a)(b)PAGE140OF144传统模拟显示
50、仪表的局限性：测量速度不够快 精度低 读数存在误差 容易受环境干扰 难以对数据记录、分析和存储和转换等 因此，难以适应现代工业生产过程信息化的要求。二、数字式显示仪表二、数字式显示仪表PAGE141OF144 模数转换器（A/D）非线性补偿 标度变换。其中核心是模数转换器 有些仪表在模拟电路部分实现非线性补偿和标度变换，后进行A/D转换。通常精度较低有些仪表先进行A/D转换，而后再进行数字化的非线性补偿和标度变换，这类结构适用面广，精度高。组成PAGE142OF144图56 数字式显示仪表的构成 PAGE143OF144三、无纸记录仪表三、无纸记录仪表 屏幕显示仪表又被称作无纸记录仪，就本质而
