过程控制第2章检测仪表3
北邮过程控制与检测技术阶段作业
阶段作业（一）一、单项选择题（共20道小题，共100.0分）1. 前馈控制系统是（）。
A. 闭环控制系统B. 开环控制系统C. 反馈控制系统D. 以上都不是2. 反馈控制系统是根据系统被控变量与给定值的偏差进行工作的，最后达到消除和减少偏差的目的，（）是控制的依据。
A. 被控变量值B. 偏差值C. 干扰值D. 时间3. 过程控制系统包括（）。
A. 反馈控制系统B. 前馈控制系统C. 前馈―反馈控制系统D. 以上全包括4. 过程控制系统有（）特点。
A. 被控过程的多样化B. 系统由过程检测控制仪表组成C. 被控方案十分丰富D. 以上全包括5. 过程控制系统是指自动控制系统的被控量是（）、液位、成分、黏度、湿度以及pH值等这样一些过程变量的控制系统。
A. 温度B. 压力C. 流量D. 以上全包括6. 过程控制是指在生产过程中，运用合适的控制策略，采用（）来代替操作人员的部分或全部直接劳动，使生产过程在不同程度上自动进行，所以过程控制又被称为生产过程自动化。
A. 自动化仪表及系统B. 数字电路C. 模拟电路D. 工艺变量7. 自动检测是指在生产过程中，利用各种检测仪表(也叫测量仪表)对生产过程的各种（）自动、连续地进行测量和显示，以提供操作者观察或直接自动地进行监督和控制生产。
A. 控制仪表B. 数字电路C. 模拟电路D. 工艺变量8. 热电阻温度计是利用导体或半导体的电容值随温度变化的性质来测量温度的。
（）A. 正确B. 错误9. 实际应用中，热电偶冷端所处环境温度总有波动，从而使测量得不到正确结果，必须采取补偿措施。
（）A. 正确B. 错误10. 电磁流量计是基于（）来测量流量的仪表，它能测量具有一定电导率的液体的体积流量。
A. 热电效应B. 电压C. 电磁感应原理D. 电流11. 热电偶温度计利用不同导体或半导体的（）来测温的。
A. 热电效应B. 电磁场C. 密度D. 电流12. 变送器在控制系统中起着至关重要的作用，它将工艺变量，如温度、压力、流量、液位、成份等，和电、气信号，如电流、电压、频率、气压信号等转换成（）标准信号。
化工自动化及仪表电子教案过程参数的检测与仪表
第二章过程参数的检测与仪表教学要求：掌握检测仪表的基本性能指标（精度等级、变差、灵敏度等）掌握压力的检测方法（液柱测压法、弹性变形法、电测压法）学会正确选用压力计掌握应用静压原理测量液位和差压变送器测量液位时的零点迁移差压式流量计测量原理，常用节流元件，转子流量计结构、测量原理掌握容积式流量计（腰轮流量计）结构、工作原理、使用场合掌握应用热电效应测温原理掌握补偿导线的选用掌握冷端温度补偿的四种方法；了解热电偶结构，分类重点：弹性变形法、电测压法压力计选用应用差压变送器测量液位的零点迁移问题补偿导线的选用和冷端温度补偿难点：确定精度等级，压电式测量原理应用差压变送器测量液位的零点迁移问题第三导体定理电桥补偿法§2.1 概述一、检测过程及误差1．检测过程检测过程的实质在于被测参数都要经过能量形式的一次或多次转换，最后得到便于测量的信号形式，然后与相应的测量单位进行比较，由指针位移或数字形式显示出来。
检测误差误差-------测量值和真实值之间的差值误差产生的原因：选用的仪表精确度有限，实验手段不够完善、环境中存在各种干扰因素，以及检测技术水平的限制等原因，根据误差的性质及产生的原因，误差分为三类。
（1）系统误差------------在同一测量条件下，对同一被测参数进行多次重复测量时，误差的大小和符号保持不变或按一定规律变化特点：有一定规律的，一般可通过实验或分析的方法找出其规律和影响因素，引入相应的校正补偿措施，便可以消除或大大减小。
误差产生的原因：系统误差主要是由于检测仪表本身的不完善、检测中使用仪表的方法不正确以及测量者固有的不良习惯等引起的。
（2）疏忽误差------------明显地歪曲测量结果的误差，又称粗差，特点：无任何规律可循。
误差产生的原因：引起的原因主要是由于操作者的粗心（如读错、算错数据等）、不正确操作、实验条件的突变或实验状况尚未达到预想的要求而匆忙测试等原因所造成的。
过程控制2——王再英
I0/mA
20 b a c 4 -10 0 10
解：（1）H=0时，
∆ P=－10 MPa， 需负迁移。 H=0时，
正迁移
负迁移
无迁移
∆ P=10 MPa， 需正迁移。
40
50
∆P/MPa
过程控制系统与仪表 第2章
本章小结：
了解：
1.常用参数检测仪表
2.差压流量计测流量原理 掌握：
过程控制系统与仪表 第2章
第2章 检测仪表
检测仪表--检测生产过程中的有关参数，例如温度、压力、流量、液位的工具。 其中包括测量指示仪表及将被测参数转换成标准信号输出的测量变送器。
（了解）模拟仪表的信号标准是：
变送器: DDZ-Ⅱ 型：0~10mA、0～10V
(理解）变送器的任务就是将测 DDZ-III型：4～20mA、1～5V 量仪表输出的不标准的检测信 气动仪表：0.02—0.1Mpa 能源0.14Mpa 号转换成标准信号输出。 数字仪表的信号标准有： FF协议、 HART协议等
自动控制系统方框图
干扰f
+
给定值
e
－
控制器
执行器
被控对象
被控变量
实测值
检测变送器
过程控制系统与仪表 第2章
2.1检测仪表的基本技术指标（掌握）
1. 绝对误差 绝对误差Δ－－ 检测仪表的指示值X与被测量真值X t之间存在的差 值。表示为： Δ= X－X t 标准值X0代替真值X t，表示为：
Δ= X－X 0
例2 某台测压仪表的测压范围为 0～8MPa。根据工艺要求，测压示值的 误差不允许超过±0.05 MPa，问应如何选择仪表的精度等级才能满足以 上要求？
《自动化仪表及过程控制》课程教学大纲
《自动化仪表及过程控制》课程教学大纲英文名称：Automatic Instruments and Process Control 课程编号：适用专业：自动化学时： 54 学分： 3课程类别：专业方向课课程性质：限选课一、课程的性质和目的《自动化仪表及过程控制》是自动化专业的重要专业课。
本课程在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。
二、课程教学内容概述主要内容：1、自动化仪表的概念及其发展；2、DDZ仪表及其控制系统；3、自动化仪表的基本性能指标。
第一章检测仪表基本内容和要求：1、了解温度测量的概念和工业上常用的测量方法；2、掌握热电偶的测温原理及其应用；3、掌握热电阻的测温原理及其应用；4、理解温度变送器的基本结构；5、了解工业生产中压力参数的概念和常用压力测量原理；6、理解压力式、力平衡式、位移式和固态测压元件及其变送器的工作原理；7、理解节流式、容积式流量测量的基本原理及其应用。
8、理解涡轮、电磁、漩涡等流量测量方法的应用；9、理解浮力式、静压式、电容式、超声式等常用液位测量原理；10、了解成分分析仪表的基本概念。
教学重点：1、常用温度仪表、压力仪表、液位仪表、流量仪表和成分仪表的工作原理及其应用。
2、分度表，分度号，热电偶的冷端延伸和冷端补偿，热电阻的三线制；3、差动电容压力变送器工作原理；4、差压流量计的流量公式；5、差压变送器的零点迁移原理。
第二章调节器基本内容和要求：1、重点掌握PID调节规律的原理及其应用；2、理解PID模拟电路的结构原理；了解二位式和连续调节仪表应用的基础知识；3、理解数字PID算法基本表达式及其原理；4、简单了解工业现场常用模拟和数字调节器的基本结构及其应用。
PID调节规律的原理及其应用；第三章集散控制系统和现场总线控制系统基本内容和要求：1、了解单回路可编程调节器的概念2、了解DCS系统的基本概念；3、理解DCS系统的结构特点及其组成；4、理解DCS控制站和操作站的功能；5、了解FCS系统的基本概念；第四章执行器和防爆栅基本要求1、熟炼掌握气动调节阀的基本结构、原理及其应用等基本概念；2、熟悉调节器流量特性的定义及其应用；3、理解和掌握气动执行器气开/气关的形式及其选择原则；4、了解电动执行器及电气转换器的基本原理；5、简单了解工业控制系统防爆的基本概念。
化工仪表自动化基础知识
④节流装置应正确安装。
⑤接至差压变送器的差压应该与节流装置前后差压相一致，这就需要正确安装 压信号管路。（如后面图示）
(2)靶式流量计F≈K*Q
(3)转子流量计
转子流量计示意图
靶式流量计示意图
(4)涡轮流量计
(5)电磁流量计
电磁流量计工作原理图
涡轮流量计示意图
(6)旋涡流量计q=f/k (7)超声波流量计∆t≈2Lv/c2
电容式压力传感 器示意图 压电式压力传感器结构示意图
DTC二O .流量检测及仪表
分类 1、速度式流量计（差压式流量计、转子式流量计、电磁流量计、涡轮流量计、堰 式流量计） 2、容量式流量计（椭圆齿轮流量计（罗茨）、活塞式流量计） 3、质量流量计 4、热导式流量计
（1）、速度式流量计 （1）节流装置—包括孔板、喷嘴和文丘管 Q=K*Sqr(∆P)
过程参数仪表位号的字母代号如下：
字母
A B C D E F G H I J K L M N P Q R S T U V W
第一位字母 被测变量或初始变量
分析 喷嘴火焰 电导率 密度或重度 电压（电动势） 流量 尺度（尺寸） 手动 电流 功率 时间或时间程序 物位 水份或湿度 浓度 压力或真空 数量或件数 放射性 速度或频率 温度 多变量 拈度 重量或力
2、常用压力检测仪表
（1）弹性式压力表
①膜片
②波纹管波纹管
③弹簧管弹簧管
平薄膜 波纹膜 波纹管 单圈弹簧管 多圈弹簧管
(2)压力传感器
①应变片式压力传感 器 ②压电式压力传感器 ③压阻式压力传感器 ④电容式压力传感器 ⑤集成式压力传感器
箔式应变片
弹簧管压力表
压阻式集成传感器 检测元件示意图
化工仪表及自动化课后习题答案
第1章自动控制系统根本概念P161. 化工自动化是化工、炼油、食品、轻工等化工类型生产过程自动化的简称。
在化工设备上，配备上一些自动化装置，代替操作人员的局部直接劳动，使生产在不同程度上自动地进行，这种用自动化装置来管理化工生产过程的方法，称为化工自动化。
实现化工生产过程自动化的意义：〔1〕加快生产速度，降低生产本钱，提高产品产量和质量。
〔2〕减轻劳动强度，改善劳动条件。
〔3〕能够保证生产平安，防止事故发生或扩大，到达延长设备使用寿命，提高设备利用能力的目的。
〔4〕能改变劳动方式，提高工人文化技术水平，为逐步地消灭体力劳动和脑力劳动之间的差异创造条件。
2、一般要包括自动检测、自动保护、自动操纵和自动控制等方面的内容。
3、闭环控制有反响环节，通过反响系统是系统的精确度提高,响应时间缩短,适合于对系统的响应时间,稳定性要求高的系统. 开环控制没有反响环节，系统的稳定性不高,响应时间相对来说很长,精确度不高,使用于对系统稳定性精确度要求不高的简单的系统。
4、自动控制系统主要由哪些环节组成？自动控制系统主要由测量元件与变送器、自动控制器、执行器和被控对象等四个环节组成。
5、p76、PI-307表示就地安装的压力指示仪表，工段号为3，仪表序号为07；TRC-303表示集中仪表盘安装的，具有指示记录功能的温度控制仪表；工段号为3，仪表序号为03；FRC-305表示集中仪表盘安装的，具有指示记录功能的流量控制仪表；工段号为3，仪表序号为05。
7、方块图是用来表示控制系统中各环节之间作用关系的一种图形，由于各个环节在图中都用一个方块表示，故称之为方块图。
8、测量变送装置的功能是测量被控变量的大小并转化为一种特定的、统一的输出信号〔如气压信号或电压、电流信号等〕送往控制器；控制器接受测量变送器送来的信号，与工艺上需要保持的被控变量的设定值相比拟得出偏差，并按某种运算规律算出结果，然后将此结果用特定信号〔气压或电流〕发送出去。
化工仪表及自动化课后习题答案第四版
第一章，自动控制系统1、化工自动化主要包括哪些内容。
自动检测，自动保护，自动操纵和自动控制等。
2、闭环控制系统与开环控制系统的区别。
闭环控制系统有负反馈，开环系统中被控变量是不反馈到输入端的。
3、自动控制系统主要有哪些环节组成。
自动化装置及被控对象。
4、什么是负反馈，负反馈在自动控制系统中的意义。
这种把系统的输出信号直接或经过一些环节重新返回到输入端的做法叫做反馈，当反馈信号取负值时叫负反馈。
5、自动控制系统分类。
定值控制系统，随动控制系统，程序控制系统6、自动控制系统衰减振荡过渡过程的品质指标有及影响因素。
最大偏差，衰减比，余差，过渡时间，振荡周期对象的性质，主要包括换热器的负荷大小，换热器的结构、尺寸、材质等，换热器内的换热情况、散热情况及结垢程度等。
7、什么是静态和动态。
当进入被控对象的量和流出对象的量相等时处于静态。
从干扰发生开始，经过控制，直到系统重新建立平衡，在这一段时间中，整个系统的各个环节和信号都处于变动状态之中，所以这种状态叫做动态。
第二章，过程特性及其数学模型1、什么是对象特征，为什么要研究它。
对象输入量与输出量之间的关系系统的控制质量与组成系统的每一个环节的特性都有密切的关系。
特别是被控对象的特性对控制质量的影响很大。
2、建立对象的数学模型有哪两类机理建模：根据对象或生产过程的内部机理，列写出各种有关的平衡方程，从而获取对象的数学模型。
实验建模：用实验的方法来研究对象的特性，对实验得到的数据或曲线再加以必要的数据处理，使之转化为描述对象特性的数学模型。
混合建模：将机理建模和实验建模结合起来的，先由机理分析的方法提供数学模型的结构形式，然后对其中某些未知的或不确定的参数利用实测的方法给予确定。
3、反映对象特性的参数有哪些。
各有什么物理意义。
它们对自动控制系统有什么影响。
放大系数K：对象重新稳定后的输出变化量与输入变化量之比。
对象的放大系数K越大，就表示对象的输入量有一定变化时对输出量的影响越大。
过程控制与自动化仪表(第3版) 第2章 思考题与习题
第2章 思考题与习题1．基本练习题（1）简述过程参数检测在过程控制中的重要意义以及传感器的基本构成。
答：1）过程控制通常是对生产过程中的温度、压力、流量、成分等工艺参数进行控制，使其保持为定值或按一定规律变化，以确保产品质量的生产安全，并使生产过程按最优化目标进行。
要想对过程参数实行有效的控制，首先要对他们进行有效的检测，而如何实现有效的检测，则是有检测仪表来完成。
检测仪表是过程控制系统的重要组成部分，系统的控制精度首先取决与检测仪表的精度。
检测仪表的基本特性和各项性能指标又是衡量检测精度的基本要素。
2）传感器的基本构成：通常是由敏感元件、转换元件、电源及信号调理/转换电路组成。
（2）真值是如何定义的？误差有哪些表现形式？各自的意义是什么？仪表的精度与哪种误差直接有关？答：1）真值指被测物理量的真实（或客观）取值。
2）误差的各表现形式和意义为：最大绝对误差：绝对误差是指仪表的实测示值x 与真值a x 的差值，记为Δ，如式（2‐1）所示：a Δx x =- （2-1）相对误差：相对误差一般用百分数给出，记为δ，如式（2‐2）所示：aΔδ100%x =⨯（2-2） 引用误差：引用误差是仪表中通用的一种误差表示方法。
它是相对仪表满量程的一种误差，一般也用百分数表示，记为γ，如式（2‐3）所示：max minΔγ100%x x =⨯- （2-3）式中，max x 仪表测量范围的上限值；min x 仪表测量范围的下限值。
基本误差：基本误差是指仪表在国家规定的标准条件下使用时所出现的误差。
附加误差 附加误差是指仪表的使用条件偏离了规定的标准条件所出现的误差。
3) 仪表的精度与最大引用误差直接有关。
（3）某台测温仪表测量的上下限为500℃~1000℃，它的最大绝对误差为±2℃，试确定该仪表的精度等级；答：根据题意可知：最大绝对误差为±2℃则精度等级%4.0%1005002±=⨯±=δ所以仪表精度等级为0.4级（4）某台测温仪表测量的上下限为100℃~1000℃，工艺要求该仪表指示值的误差不得超过±2℃，应选精度等级为多少的仪表才能满足工艺要求？答：由题可得：仪表精度等级至少为0.001级。
《过程控制与自动化仪表(第2版)》课后答案
数
G0
(s)
=
H
(s)
Q1
(s)。
R1 q1
h
R2
R3
q2
q3
解：假设容器 1 和 2 中的高度分别为 h1 、 h2 ，
根据动态平衡关系，可得如下方程组：
⎧⎪∆q1 ⎪
−
∆q2
=
C
d ∆h1 dt
(1)
⎪⎪∆q2
−
∆q3
=
C
d
∆h2 dt
(2)
⎪⎪⎨∆q2 ⎪
=
∆h R2
(3)
⎪ ⎪∆q3 ⎪
=
∆h2 R3
控制器的外形结构、面板布置、操作方式等保留了模拟调节器的特征。2、与模拟调节器相 比具有更丰富的运算控制功能。3、具有数据通信功能，便于系统扩展。4、可靠性高具有自 诊断功能，维护方便。
数字式控制器的硬件电路由主机电路，过程输入通道、过程输出通道、人/机联系部件、 通信部件等。
1-（9）执行器由哪几部分组成？它在过程控制中起什么作用？常用的电动执行器与气动执 行器有何特点？ 答：执行器由执行机构和调节机构（调节阀）两部分组成。
第一章 绪论
2-（1）简述下图所示系统的工作原理，画出控制系统的框图并写明每一框图的输入/输出变 量名称和所用仪表的名称。
LC
q1 LT
h
A
q2
解：本图为液位控制系统，由对象水箱、液位检测、反馈控制回路组成，为了达到对液位（h）
控制的目的，对液位进行检测，经过液位控制器来控制调节阀，从而调节 q1 的流量达到液
=
⎛ ⎜⎜ C ⎝
d∆h dt
−
∆q1
+
2
∆h R2
过程仪表基础知识
举例 PDT-2120 P—代表压力 D—代表差压 T—代表传送或变送器
三、仪表位号的表示方法 1、仪表位号的组成
2、被测变量和仪表功能的字母代号
第一节 热量传递的方式
本节的主要内容
一、热传导 二、对流传热 三、辐射传热
第二章、温度测量仪表
在环境工程中，很多过程涉及加热和冷却： 对水或污泥进行加热； 对管道及反应器进行保温以减少系统的热量散失； 在冷却操作中移出热量。
辐射传热
通过物质的分子、原子和电子的振动、位移和相互碰撞发生的热量传递过程。
流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程，仅发生在液体和气体中。通常认为是流体与固体壁面之间的热传递过程。
物体各部分之间无宏观运动
本节思考题
(1)什么是热传导？ (2)什么是对流传热？分别举出一个强制对流传热和自然对流传热的实例。 (3)简述辐射传热的过程及其特点。 (4)试分析在居室内人体所发生的传热过程，设室内空气处于流动状态。 (5)若冬季和夏季的室温均为18℃，人对冷暖的感觉是否相同？在哪种情况下觉得更暖和？为什么？
过程装备控制技术习题及参考答案
过程装备控制技术习题及参考答案第一章 控制系统的基本概念1.什么叫生产过程自动化？生产过程自动化主要包含了哪些内容？答：利用自动化装置来管理生产过程的方法称为生产过程自动化。
主要包含：①自动检测系统②信号联锁系统③自动操纵系统④自动控制系统。
4.在自动控制系统中，什么是干扰作用？什么是控制作用？两者有什么关系？答：干扰作用是由干扰因素施加于被控对象并引起被控变量偏离给定值的作用；控制作用是由控制器或执行器作用于被控对象，通过改变操纵变量克服干扰作用，使被控变量保持在给定值，两者的相同之处在于都是施加于被控对象的作用，不同之处在于干扰作用是使被控变量偏离给定值，而控制作用是使被控变量接近给定值。
9.试画出衰减比分别为n<1,n=1,n>1,n →∞ 时的过度过程曲线？答：如图所示：10.表示衰减振荡过程的控制指标有哪些？答：表示衰减振荡过程的控制指标有：①最大偏差A ——指过渡过程中被控变量偏离设定值的最大值，即被控变量第一个波的峰值与给定值的差。
②衰减比n ——过渡过程曲线上同方向的相邻两个波峰之比。
③回复时间（过渡时间）t s ——指被控变量从过渡状态回复到新的平衡状态的时间间隔，即整个过渡过程所经历的时间。
④差e(∞ )——指过渡过程终了时被控变量新的稳态值与设定值之差。
⑤振荡周期T ——过渡过程的第一个波峰与相邻的第二个同向波峰之间的时间间隔，其倒数称为振荡频率。
第二章 过程装备控制基础1.什么是被控对象的特性？表征被控对象特性的参数有哪些？它们的物理意义是什么？ n<1，发散振荡 n 〉1，衰减振荡 n=1，等幅振荡 n →∞，单调过程答：所谓被控对象的特性，是指当被控对象的输入变量发生变化时，其输出变量随时间的变化规律（包括变化的大小，速度），描述被控对象特性的参数有放大系数K，时间常数T和滞后时间τ。
K——被控对象重新达到平衡状态时的输出变化量与输入变化量之比。
由于放大系数K反映的是对象处于稳定状态下的输出和输入之间的关系，所以放大系数是描述对象静态特性的参数。
自动化仪表基础知识
显示仪表
生产过程
检测仪表
执行器
调节仪表
如图G： 检测仪表： 测量某些工艺参数如压力、温度、电压、频率、振动等。 显示仪表：指针式、数字式记录仪、工业电视、图象显示器 集中控制装置：包括巡回调节仪、程序控制仪、可编程序调节器、可编程序控制器 调节仪表根据需要对信号进行运算如放大、积分、微分等，也包括各种气动、电动调节器及用来代替调节器的微处理机。 执行器：接受调节系统的来的信号或直接来自操作人员的指令，对生产过程进行操作和控制。包括各种电、液、气动执行机构和调节阀、开关等。
怎样选择压力表的测量上限 压力表低于1/3量程部分，精度较低，不宜使用。 选择压力表的测量上限时，一般应大于最高使用压力的1/3，目的是为了保证压力表安全可靠地工作，维护其使用寿命。 选择使用范围时，最高不得超过刻度盘满刻度的3/4。选用标尺全量程的1/3-2/3之间为宜，因为这一使用范围，准确程度较高，又适合平稳、波动两种负荷下兼可使用。
四、温度仪表安装注意事项
1、温度一次点的安装位置应选在介质温度变化灵敏且具有代表性的地方，不宜选在阀门、焊缝等阻力部件的附近和介质流束呈死角处。 就地指示温度计要安装在便于观察的地方。 热电偶安装地点应远离磁场。 温度一次部件若安装在管道的拐弯处或倾斜安装，应逆着流向。 双金属温度计在≤DN50管道或热电阻、热电偶在≤DN70的管道上安装时，要加装扩大管。扩大管要按标准图制作。 压力式温度计的温包必须全部浸入被测介质中。
常用温度计的种类
0-3500 200-2000
光学探测 热电探测
红外线
400-2000 700-3000 900-1700
辐射式 光学式 比色式
辐射式
非接触式 测温仪表
过程控制(第二版)第二章
被控量的变化往往是不振荡的、单调的、 有滞后和大惯性的。 有自衡能力的过程为自衡过程，无自衡能 力的过程为无自衡过程
3. 建立数学模型的目的
设计过程控制系统和整定调节器参数
数 学模型是系统分析与设计的主要依据，是调节器 参数整定的基础。 指导设计生产工艺设备 对生产过程数学模型 进行分析与仿真，可确定有关因素对被控过程动 态特性的影响，有利于对生产设备的合理设计。 进行仿真试验研究 根据数学模型通过计算机进 行仿真试验，节省系统设计的时间与经费。 培训运行操作人员 建立复杂生产过程的数学模 型和模拟系统，对操作人员进行培训，方便、安 全和经济。
返回本节
（二）自动化仪表的性能指标
精度等级
绝对误差的最大值 （x x0 ) max 100% 100% 仪表量程 ab
仪表精度
过程检测控制仪表精度等级有0.005、0.02、0.05、 0.1、0.2、0.35、0.4、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0等
灵敏度：仪表指针的线位移或角位移与引起位移
本节重点
掌握过程数学模型的特点； 掌握常用机理建模方法； 掌握二阶以下的阶跃响应曲线建模方法； 详细方法请参见过程辨识与参数估计课程。
第二节 过程变量检测及变送
过程变量检测主要是指连续生产过程中的温度、 压力、流量、液位、和成分等参数的测量 过程变量的准确测量可以及时了解工艺设备的 运行工况；为操作人员提供操作依据；为自动 化装置提供测量信号。 仪表组成： 传感器—与被控介质相接触 中间环节—将传感器检测信号加以转换和传送； 显示器---将转换的物理量用仪表加以显示。
过程控制系统与仪表
一、简答题1、控制系统具有哪些特点？答：（1）控制对象复杂、控制要求多样；（2）控制方案丰富；（3）控制多属慢过程参数控制；（4）定值控制是过程控制的一种主要控制形式；（5）过程控制系统由规范化的过程检测控制仪表组成。
2、为什么常采用阶跃信号作为输入？答：对于一个稳定的控制系统（所有正常工作的反馈控制系统都是稳定系统），要求分析其稳定性、准确性和快速性，就需要对系统的过渡过程进行分析研究。
为了简化分析，在保证系统安全的条件下，只对一些典型的扰动形式引起的过渡过程进行分析，其中最常用的是阶跃输入。
阶跃输入形式简单、容易产生，便于分析、计算和进行试验。
3、什么是零点迁移？什么情况下零点迁移？答：（1）抵消固定压差实现零点对齐的措施称为“零点迁移”。
（2）零点迁移其实质是改变测量仪表的零点，同事改变了测量范围的上、下限。
如果固定压差为负则需负迁移，如果固定压差为正则需正迁移。
4、控制仪表的发展有哪些阶段？答：第一阶段为基地式控制仪表；第二阶段为单元组合式控制仪表；第三阶段为以微处理器为中心的控制仪表。
5、基本控制规律是什么？有哪些基本控制？各自有什么特点？为什么积分控制、微分控制不能单独使用？答：（1）基本控制规律是指控制器的输出信号与输入偏差信号之间的关系。
（2）比例控制（P）、比例积分控制（PI）、比例微分控制。
（3）①控制器的比例度P越小，它的放大倍数Kp越大，它将偏差放大的能力越强、控制力也越强，反之亦然；存在余差是比例控制的缺点。
②积分时间T I越小，积分作用越强，反之积分之间T I越弱；积分控制器组成控制系统可以达到无余差。
③T D为微分时间常数，T D越大，微分作用越强，T D等于零时，微分作用消失；微分的特点是能起到超前控制的作用。
（4）①积分作用输出信号的变化速度与偏差e及1/T I成正比，但其控制作用是随着时间累计才逐渐增强的，控制动作缓慢，控制不及时，因此积分作用一般不单独使用，常常把比例与积分组合使用。
过程控制及仪表实验指导书
过程控制及仪表实验指导书过程控制系统及仪表实验指导书潘岩左利长沙理工大学电气与信息工程学院20XX年4月1目录第一章系统概述第二章实验装置介绍一、THJ-3型高级过程控制对象系统实验装置二、THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台三、软件介绍四、实验要求及安全操作规程第三章实验内容实验一、单容自衡水箱液位特性测试实验实验二、双容水箱特性的测试实验实验三、单容液位定值控制系统实验2第一章系统概述THSA-1型过程综合自动化控制系统(Experiment Platform of Process Synthetic automation Control system)THJ-3型高级过程控制对象系统实验装置、THSA-1型综合自动化控制系统实验平台及上位监控PC机三部分组成。
如图1-1所示。
图1-1 THSA-1过程综合自动化控制系统实验平台该套实验装置紧密结合工业现场控制的实际情况，能够对流量、温度、液位、压力等变量实现系统参数辨识，并能够进行单回路控制、串级控制、前馈-反馈控制、滞后控制、比值控制、解耦控制等多种控制实验，是一套集成了自动化仪表技术、计算机技术、自动控制技术、通信技术及现场总线技术等的多功能实验设备。
THSA-1型过程综合自动化控制系统能够为在校学生和相关科研人员提供有力帮助。
学生通过学习，应对传感器特性及零点漂移有初步认识，同时能掌握自动化仪表、变频器、电动调节阀等仪器的规范操作，并能够整定控制系统中相关参数。
这套实验设备综合性强，所涉及的工业生产过程多，所有部件均来自工业现场，严格遵循相关国家标准，具有广泛的可扩展性和后续开发功能，有利于培养学生的独立操作、独立分析问题和解决问题的创新能力.整套实验装置的电源、控制屏均装有漏电保护装置，装置内各种仪表均有可靠的自保护功能，强电接线插头采用封闭式结构，强弱电连接采用不同结构接头，安全可靠。
3第二章实验装置介绍“THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台”是实验控制对象、实验控制台及上位监控PC机三部分组成。
过程控制技习题解
10
第二章 习题与思考题 1 ~ 22
2-1 自动检测系统由哪几部分构成？ 答：检测系统由检测对象、检测元件或环节、信号转 换与处理、显示环节组成。 2-2 自动检测系统如何进行分类？ 答：工艺参数: 压力、物位、流量、温度、成分五大 类检测系统。 显示地点：就地式；远传式。远传式中以可分为： 1/非统一信号系统。例：霍尔压力变送器。 2/统一信号远传自动检测系统。标准变送器系列。
过程控制技术
习题解答
各章习题思考题的解答 第一章~节第七章共101道习题
1
第一章
1-1 读图1-1，试回答下列问题： （1）该流量控制图中有几套控制系统？各 系统的位号是什么？控制变量是什么？ （2）图中T1-101、FR-103、Pd I-104、 LRCA-101分别是何含义？ （3）图都有哪些检测系统？哪些是现场指 示？哪些在控制室的仪表盘上指示？
11
2-3 自动控制系统如何进行分类？ 答：1.按结构分 1/ 开环系统 系统无反馈,信号不构成回路. 2/ 闭环系统 有反馈、信号组成合回路。 2.由设定值而分类 1/ 定值系统 x = x0 设定值恒定. 2/ 随动系统 x = x(z)设定值为随机的变化值. 3/ 程序系统 x = x(t)设定值为事先设定的程 序.
y y
t
t
答： a b a控制作用强、消除余差快、周期短；Ti小。 b控制作用弱；余差消除慢、周期长；Ti慢。
28
2-15 什么是简单控制系统？试画出其组成 框图。图1-1中有哪些简单控制系统？ 答：是由一个测量元件及变送器、一个控 制器、一个控制阀、一个控制对象，旨 在稳定一个被控变量的闭环系统，也称 单回路系统。 在图1-1中：釜底温度-蒸汽单回路控制 系统、塔顶压力-冷凝液控制系统、塔顶 回流量-自身两定值控制系统为简单控制 系统。 余则为复杂系统。
过程控制系统与仪表
被控变量
干扰f
控制器1
变送器1
执行器
被控对象
+
e
实测值
－
变送器2Biblioteka 控制器2+
+
前馈-反馈复合控制系统原理框图
过程控制系统的性能指标 当被控对象受到干扰、被控变量发生变化时,控制系统抵制干扰、纠正被控变量的过程,反映了控制系统的优劣.为此,要有评价控制系统的性能指标. 控制系统的性能指标是根据工艺对控制的要求来制定的,概括为稳定性、准确性和快速性.
阶跃信号的输入突然,对被控变量的影响也最大.如果一个控制系统能够有效地克服这种干扰,那么对其它比较缓和的干扰也能很好地克服. 阶跃信号的形式简单,容易实现,便于分析、实验和计算.故更多使用阶跃信号.
如图,输入信号在 t = 0时,阶跃上升幅度为 A ,其后保持.表达为
f <t> = A < t >
TC
TT
在讨论控制系统工作原理时,为清楚地表示自动控制系统各组成部分的作用及相互关系,一般用原理框图来表示控制系统. 如图2的室温控制系统是由温度变送器、控制器、电动调节阀和加热器及房间组成.
给定值
被控变量
干扰f
控制器
变送器
调节阀
加热器 及房间
+
e
实测值
送风
回风
恒温室
温度计
阀门
图1 室温人工控制示意图
眼看——用传感器或变送器将温度信号转换为控制器可接受的信号. 脑想——控制器将输入的实测温度信号和要求值进行比较〔相减求偏差> ,并按偏差值计算出控制量. 手动——人工阀门换成控制阀,按控制信号自动改变开度. 人工控制受制于人的经验和注意力,控制不精确.而自动控制按设定好的方案进行计算控制,可以做到精确的、恰当的控制.
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如图为电容式压力变送器的原理线路。
V1
V2
V2 － V1
I
A1供给振 荡器电源
通过负反馈保证R4 A2将Rl，R2两 RP1调整电流负反 两端的电压恒定 端的电压相减 馈，实现量程迁移
特点：灵敏度高，量程宽，过载能力强。没有杠杆传
动机构，因而结构紧凑，稳定性与抗振性好，测量精 度高，可达0.2级。
α
0
∆α
P
生产中，常需要把压力控制在某一范围内。要 求当压力超出给定范围时，测量仪表能发出信号， 以提醒操作人员，或启动继电器实现压力的自动控 制。这就要求压力表带有报警或控制输出。
电接点压力表
在普通弹簧管压力表的基础上稍添部件，便 可成为电接点信号压力表。 增加两个报警针，上 面分别装静触点1和4，指 示针上装动触点2。分别用 软导线引至输出接线柱。 使用时可后接两个信 号灯或继电器3、5。
电容差压变送器
法兰式电容差压变送器
2.3.3.2 应变式压力传感器 应变式压力传感器是利用电阻应变原理构成 的。电阻应变片有金属应变片（金属丝或金属箔） 和半导体应变片两类。如金属丝应变片的结构： 电阻应变原理： R=ρL/S 当应变片产生纵向拉伸 变形时，L变大、S变小，其 阻值增加；当应变片产生纵 向压缩变形时，S 变大、 L 变小，其阻值减小。
＋
Ca Ra
＋
Ua
Ua
－
Q
－
Ca 电荷源
Ra
电压源
Ca—等效电容
Ra—等效漏电阻
后接电压放大器或电荷放大器即可。
喷嘴挡板机构？
结构？
d 气源 D
挡板
恒节流孔
背压室p
喷嘴
h 输入
输出
输入？输出？ D=（4-6）d？ 工作原理？
静特性：稳定工况下，背压室压力pD与挡板开度h之 间对应的关系 p
1
a
b
间的关系：
p被测压力
p表压 = p绝对压力 - p大气压力
p真空度 = p大气压力 - p绝对压力
p差压 = p被测压力1 - p被测压力2
p被测压力
压力测量仪表品种很多，按照其转换原理的不 同，大致可分为四大类。
1、液柱式压力计 利用液体静力学原理测压，如U型管压力计，当
被测压力P大于大气压力B时，液柱会产生高度差。
它是将被 测压力转换成 弹性元件的变 形位移进行测 量的。
3．电气式压力计
是通过各种敏感元件将被测压力转换成电量 （电压、电流、频率等）进行测量的。例如力平衡 式压力变送器、电容式压力变送器等。 4．活塞式压力计
是根据液体传送压力的原理，将被测压力与活 塞上所加的砝码质量进行平衡来测量的。它的测量 精度很高。
小结
检测仪表的基本技术指标 温度测量 测量方法 非接触式 接触式 热电偶 热电阻 集成温度传感器 动圈仪表
自动平衡记录仪
温度变送器
2.3 压力检测及仪表 压力是工业生产中的重要工艺参数之一。如在 化工、炼油等生产工艺中，经常会遇到压力，包括 高压、超高压和真空度（负压）的测量。 2.3.1压力检测的方法 工程上习惯把垂直作用于作用单位面积上的 力称为 “压力”。即
P = F/S
F S
压力的单位是“帕斯卡”——1Pa =1N/m2
1MPa =106Pa 1工程大气压 = 1kg /cm2 = 9.80665×104Pa ≈ 0.1MPa 工程中压力的表示方式有：
表压、负压（真空度）、
差压、绝对压力。 工业中所用仪表的压力指 示值，大多数为表压和差压。
表压 、绝对压力、负压（真空度）、差压之
2.3.2 弹性式压力计 利用弹性元件受压产生变形可以测量压力。由于 其产生的位移或力易转化为电量，且构造简单，价格 便宜，测压范围宽，被广泛使用。 常用的弹性元件有5种：
（1）单圈弹簧管
将截面为椭圆形的金属空心管弯 成270°圆弧形，顶端封口，当通入压 力 p 后，它的自由端就会产生位移。
测压范围较宽，可高达1000MPa。
弹簧管压力表的结构原理
6 – 面板 4- 中心齿轮 1 - 弹簧管 5- 指针
2- பைடு நூலகம்杆
7 – 游丝 3- 扇形齿轮
弹簧管是一 根弯成270°圆 弧的椭圆截面的 空心金属管，管 子的自由端B封 闭，并连接拉杆 及扇形齿轮，带 动中心齿轮及指 针。
9 – 接头
8 – 调整螺钉
基本测量原理 在被测压力 p 的作用 下，弹簧管的椭圆形截面 趋于圆形，圆弧状的弹簧 管随之向外扩张变形。 自由端B的位移与输 入压力p成正比。通过拉 杆、齿轮的传递、放大， 带动指针偏转。
在硅膜片上扩散四个阻值相等的电阻，接成全桥式 输出电路，不但可以提高电桥灵敏度，还可以获得温 度补偿，抵消半导体电阻随温度变化引起的误差。
扩散硅压力变送器
2.3.3.4 压电式压力传感器 利用某些材料的压电效应原理制成。具有这种 效应的材料如压电陶瓷、压电晶体称为压电材料。 压电效应：压电材料在一定方向受外力作用产 生形变时，内部将产生极化现象，在其表面上产生 电荷。当去掉外力时，又重新返回不带电的状态。 这种机械能转变成电能的现象，称之为压电效应。 F
C1 I0 C1 C2
V1 V2 V4
C2 I2 I0 C1 C 2
令V1、V2、V4表示R1、R2、R4的压降 因为：V1=I1R1、V2=I2R2、V4=I4R4， 则： V2 V1 C2 R2 C1 R1 V4 (C1 C 2 )R4
取R1=R2=R4，得： C 2 C 1 V 2 V1 C 1 C2 V4 K ∆P
被测压力 传感元件
电量
测量线路
显示器
信号输出
2.3.3.1电容式差压（压力）变送器
当电容式差压变送器的一个被测压力是大气压 时，就成为压力变送器。 电容式压力变送器是 20 世纪 70 年代初由美国公 司研发。结构简单、过载能力强、可靠性好、精度 高、体积小。 电容式压力变送器先将压力的变化转换为电容 量的变化，然后用电路测电容。 其输出信号是标准 的4～20mA（DC）电流信号。
p
传递及放大过程 自由端B的位移 拉杆2 扇形齿轮3 中心齿轮4
同轴的指针5转动 在面板6的刻度标尺上 指示出被测压力p的数值
游丝7用来压紧扇形齿轮和中 心齿轮间的接触面。 调整螺钉8的位置，即改变了机械 传动系数，调整了仪表量程。
测压关系： 自由端的相对角位移 ∆α/ αo 与被测压力P成正比。 ∆α/ αo = KP K—常数
工作原理
图3-20
气动差压变送器的特性分析
M 测＝P F测 l1 M 反＝P 出 F反 l2 M 零＝E S0 l3
气源
M 反＝ M 测 M 零
放大倍数K2受什么因素影响？，如何调整起步压力？
气动差压变送器的结构和工作原理
结构
（1）测量 部分 — 把 被测的差压 信号转换成 挡板的微小 位移
（2）气动转换部分 — 把测量 部分输出的挡板微小位移转换 成0.02MPa～0.1MPa的气压 信号作为差压变送器的输出 （3）力矩平衡原理
P P1－ P2
（2）多圈弹簧管 为了在测低压时增加位移， 可以将弹簧管制成多圈状。 （3） 膜片 用金属或非金属材料做成的具 有弹性的圆片（有平膜片和波纹膜 片）。在压力作用下，其中心产生 变形位移。可测低压。
（4） 膜盒 将两张金属膜片沿周口对焊， 内充硅油。使膜片增加强度。
(5)
波纹管
位移最大，可测微 压（＜1MPa)。 2.3.2.2弹簧管压力表 弹簧管压力表的品种规格繁多。按 其用途不同，有普通弹簧管压力表、耐 腐蚀的氨用压力表、禁油的氧气压力表 等。但它们的外形与结构基本相同，只 是所用的弹簧管材料有所不同。
纵向
金属应变片的应用 金属应变片要紧贴在应变物上使用。如测梁的 受力。如果没有应变物，只测气体的压力，则要借 助于应变筒。 应变筒1的上端与外壳2固定 在一起，下端与膜片3紧密接触。 应变片r1沿应变筒轴向贴放；r2沿 径向贴放。当被测压力p作用于膜 片、使应变筒作轴向受压变形时， r1纵向压缩应变、阻值变小；r2纵 向拉伸应变、阻值变大。
当硅膜片上下
两侧出现压差时， 使扩散电阻的阻值 发生变化。
膜片内部产生应力，
实验表明，圆形硅膜 片在受压力变形时，其圆 心区域和边缘区域受力性 质不一样。以半径 63.2% 为界，圆心区域受拉应力， 边缘区域受压应力。受拉 时，扩散电阻阻值增大； 受压时，扩散电阻阻值减 小。四个电阻可以构成全 桥电路。
C1 C2
K2 C2 d 0 d
有： C 2
C1 d K 1 ∆P d0 C 2 C1 d0
K 3 ∆P
d0+∆d
d0 -∆d
K3=K1 / d0
由测量电路将电容变化量转换为电压。
如图是一种测电容充放电电流的原理电路。 正弦波电压E加于差动电容C1、C2上，R1～R4 的阻抗都比 C1、C2 的阻抗小得多，则流过 C1、C2 的半周期电流近似为： 1 I1 I0 1 1 C2 ( ) C1 C2
P
应变片电阻的变化可用电桥测出。 r1和r2的变 化，使桥路失去平衡，有不平衡电压ΔU输出。 r1、r2设置在相邻桥臂，既可以提高灵敏度， 又有温度补偿作用。温度升高时，r1、r2阻值都升 高，各自得到的电源压降不变。
应变片r1
应变片r2
＋ －
2.3.3.3压阻式压力传感器 利用半导体材料的压阻效应将压力转换为电信 号。
压阻效应——受压时电阻率发生变化。 如图是一种半导体测压传感部件。
在杯状单晶硅膜片 的表面上，沿一定的晶 轴方向和位置扩散着四 个长条形电阻。
半导体扩散电阻在受应力作用时，材料内部晶格 之间的距离发生变化，使禁带宽度以及载流子浓度和 其灵敏度约比金属应变电阻高100倍左右。