化工自動化及儀表全冊配套完整課件化工自動化及儀表課程的重要性：

控制系統(tǒng)在石油、化工、制藥、冶金、造紙等工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用非常普遍。生產(chǎn)過程中，對工藝變量，有著一定的控制要求。如：1）精餾塔的塔頂或塔釜溫度，在操作壓力不變的情況下必須保持一定，才能得到合格的產(chǎn)品。2）化學(xué)反應(yīng)器的反應(yīng)溫度必須保持平穩(wěn)，才能使效率達(dá)到指標(biāo)。因此，工藝技術(shù)人員必須充分了解所用的控制系統(tǒng)，以及控制系統(tǒng)的特性。這樣才能設(shè)計(jì)出合理、高效的生產(chǎn)工藝。使用常規(guī)儀表的中央控制室DCS控制系統(tǒng)1自動控制系統(tǒng)概述本章的主要內(nèi)容：1.1自動化及儀表發(fā)展概述1.2自動控制系統(tǒng)1.3控制系統(tǒng)過渡過程及品質(zhì)指標(biāo)1.1自動化及儀表發(fā)展概述1.1.1控制理論的發(fā)展1）經(jīng)典控制理論:20世紀(jì)40～50年代Nyquist(1932)頻域分析方法Bode圖(1945)分析方法根軌跡(1948)分析方法特點(diǎn)：主要從輸出與輸入量的關(guān)系來分析與研究問題。適用范圍：線性定常的單輸入、單輸出控制系統(tǒng)。它是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，在頻率域?qū)屋斎雴屋敵隹刂葡到y(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。PID控制規(guī)律是經(jīng)典控制理論最輝煌的成果。2）現(xiàn)代控制理論:20世紀(jì)60年代得到迅猛發(fā)展。其主要內(nèi)容為：線性系統(tǒng)理論，最優(yōu)控制理論，最佳估計(jì)理論，系統(tǒng)辨識。特點(diǎn)：從輸入-狀態(tài)-輸出的關(guān)系，全面地分析與研究系統(tǒng)。適用范圍：不限于線性定常系統(tǒng)，也適用于線性時變，非線性及離散系統(tǒng)，多輸入、多輸出系統(tǒng)。3）大系統(tǒng)理論:20世紀(jì)70年代開始將現(xiàn)代控制理論與系統(tǒng)理論相結(jié)合形成大系統(tǒng)理論核心思想：

系統(tǒng)的分解與協(xié)調(diào)適用范圍：

高維線性系統(tǒng)1.1.2控制儀表的發(fā)展1）基地式：20世紀(jì)50年代，適用于單回路2）單元組合式（按功能）：DDZ,QDZ20世紀(jì)60年代，單元之間用標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號聯(lián)系3）計(jì)算機(jī)：DDC,DCS（20世紀(jì)70年代）自動化儀表的發(fā)展經(jīng)歷了如下過程：模擬儀表--數(shù)字儀表--智能儀表。1.1.3當(dāng)前自動控制系統(tǒng)發(fā)展的主要特點(diǎn)生產(chǎn)裝置實(shí)施先進(jìn)控制成為發(fā)展主流過程優(yōu)化受到普遍關(guān)注DCS正在走向國際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的開放式系統(tǒng)綜合自動化系統(tǒng)（CIPS）是發(fā)展方向1.2自動控制系統(tǒng)

1.2.1自動控制系統(tǒng)

蒸汽汽包省煤器給水圖1-1鍋爐汽包示意圖手動控制的步驟：(1)觀察液位數(shù)值；(2)把觀察到的實(shí)際數(shù)值與設(shè)定值加以比較，根據(jù)偏差的大小及變化情況做出判斷，并發(fā)布命令。(3)根據(jù)命令操作給水閥，使液位回到設(shè)定值。蒸汽汽包省煤器給水

鍋爐汽包自動控制系統(tǒng)加熱爐的溫度自動控制系統(tǒng)蒸汽汽包省煤器給水

鍋爐汽包自動控制系統(tǒng)示意圖術(shù)語被控過程（被控對象）：自動控制系統(tǒng)中，針對需要控制的工藝參數(shù)的生產(chǎn)過程（設(shè)備或機(jī)器特性）。被控變量：被控過程內(nèi)需要控制的工藝參數(shù)。被控過程：汽包被控變量：

汽包液位操縱變量：受控制器操縱的用以克服干擾的影響，使被控變量保持設(shè)定值的物料量或能量。擾動：除操縱變量外，作用于被控過程并引起被控變量變化的因素。操縱變量：水的流量擾動：水壓力、蒸汽壓力等蒸汽汽包省煤器給水

鍋爐汽包自動控制系統(tǒng)示意圖設(shè)定值：工藝參數(shù)所要求保持的數(shù)值。偏差：被控變量設(shè)定值與實(shí)際值之差。負(fù)反饋：將被控變量送回輸入端并與輸入變量相減。蒸汽汽包省煤器給水

鍋爐汽包自動控制系統(tǒng)示意圖加熱爐的溫度控制系統(tǒng)被控過程：加熱爐被控變量：物料出口溫度操縱變量：燃料油流量擾動：被加熱原料油溫度、燃料油熱值等1.2.2閉環(huán)控制與開環(huán)控制

閉環(huán)控制：

在反饋控制系統(tǒng)中，被控變量送回輸入端，與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)偏差控制被控變量，這樣，整個系統(tǒng)構(gòu)成了一個閉環(huán)。閉環(huán)控制的特點(diǎn)（優(yōu)點(diǎn)）：按偏差進(jìn)行控制，使偏差減小或消除，達(dá)到被控變量與設(shè)定值一致的目的。

閉環(huán)控制的缺點(diǎn)：控制不夠及時；如果系統(tǒng)內(nèi)部各環(huán)節(jié)配合不當(dāng)，系統(tǒng)會引起劇烈震蕩，甚至?xí)瓜到y(tǒng)失去控制。開環(huán)控制：

開環(huán)控制的特點(diǎn)（優(yōu)點(diǎn)）：不需要對被控變量進(jìn)行測量，只根據(jù)輸入信號進(jìn)行控制，控制及時。開環(huán)控制的缺點(diǎn)：由于不測量被控變量，也不與設(shè)定值相比較，所以系統(tǒng)受到擾動作用后，被控變量偏離設(shè)定值，并無法消除偏差，這是開環(huán)控制的缺點(diǎn)。

開環(huán)的液位控制系統(tǒng)（按擾動控制，又稱前饋控制）開環(huán)控制舉例1Ff

FT

LT

FdC

蒸汽汽包省煤器給水蒸汽汽包省煤器給水

鍋爐汽包自動控制系統(tǒng)示意圖鍋爐汽包開環(huán)控制1.2.3自動控制系統(tǒng)的組成及方框圖（第二次課）

在研究自動控制系統(tǒng)時，為了更清楚的表示控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的組成、特性和相互間的信號聯(lián)系，一般都采用方框圖。每個方框表示組成系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)，兩個方框之間用帶箭頭的線段表示信號聯(lián)系；進(jìn)入方框的信號為環(huán)節(jié)輸入，離開方框的為環(huán)節(jié)輸出。閉環(huán)控制系統(tǒng)組成檢測元件和變送器的作用是把被控變量c(t)轉(zhuǎn)化為測量值y(t)。比較機(jī)構(gòu)的作用是比較設(shè)定值r(t)與測量值y(t)并輸出其差值?？刂蒲b置的作用是根據(jù)偏差的正負(fù)、大小及變化情況，按某種預(yù)定的控制規(guī)律給出控制作用u(t)。比較機(jī)構(gòu)和控制裝置通常組合在一起，稱為控制器。執(zhí)行器的作用是接受控制器送來的u(t)，相應(yīng)地去改變操縱變量q(t)。

系統(tǒng)中控制器以外的各部分組合在一起，即過程、執(zhí)行器、檢測元件與變送器的組合稱為廣義對象。閉環(huán)控制系統(tǒng)組成在分析控制系統(tǒng)的工作過程時，有幾個很重要的概念：（1）信息：圖中的r(t)、y(t)、f(t)等盡管是實(shí)際的物理量，但它們是作為信息來轉(zhuǎn)換和作用的。圖中的每一部分稱為一個環(huán)節(jié)，作用于它的信息稱為該環(huán)節(jié)的輸入信號，它送出的信息稱為輸出信號。前一環(huán)節(jié)的輸出就是后一環(huán)節(jié)的輸入信號。每一環(huán)節(jié)的輸出信號與輸入信號之間的關(guān)系僅僅取決于該環(huán)節(jié)的特性。從整個系統(tǒng)來看，輸入信號：設(shè)定值和擾動輸出信號：被控變量、測量值（2）閉環(huán)：按信息的流向來說（3）動態(tài)：物理量是時間的函數(shù)、是不斷變化的。擾動作用使被控變量偏離設(shè)定值，控制作用又使它回到設(shè)定值。閉環(huán)控制系統(tǒng)組成1.2.4自動控制系統(tǒng)的分類按設(shè)定值的不同情況，將自動控制系統(tǒng)分為三類:

定值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)。定值控制系統(tǒng)

設(shè)定值保持不變（為一恒定值）的反饋控制系統(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng)。

隨動控制系統(tǒng)

設(shè)定值不斷變化，且事先是不知道的，并要求系統(tǒng)的輸出（被控變量）隨之而變化。

程序控制系統(tǒng)

設(shè)定值也是變化的，但它是一個已知的時間函數(shù)，即根據(jù)需要按一定時間程序變化1.3自動控制系統(tǒng)的過渡過程及品質(zhì)指標(biāo)1.3.1靜態(tài)與動態(tài)

控制系統(tǒng)的輸入有設(shè)定作用和擾動作用。靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)、定態(tài)、平衡狀態(tài)）：當(dāng)輸入恒定不變時，整個系統(tǒng)若能建立平衡，系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)將暫不動作，它們的輸出都處于相對靜止?fàn)顟B(tài)。此時輸入與輸出之間的關(guān)系稱為系統(tǒng)的靜態(tài)特性。動態(tài)：由于輸入的變化，輸出隨時間變化，其間的關(guān)系稱為系統(tǒng)的動態(tài)特性。從輸入開始，經(jīng)過控制直到再建立靜態(tài)，在這段時間中，整個系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)和變量都處于變化的過程之中，這種狀態(tài)稱為動態(tài)。1.3.2自動控制系統(tǒng)的過渡過程

當(dāng)自動控制系統(tǒng)的輸入發(fā)生變化后，被控變量（即輸出）隨時間不斷變化，它隨時間而變化的過程稱為系統(tǒng)的過渡過程。也就是系統(tǒng)從一個平衡狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(tài)的過程。

對于一個穩(wěn)定的系統(tǒng)（所有正常工作的反饋系統(tǒng)都是穩(wěn)定系統(tǒng)）要分析其穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性，常以階躍作用為輸入時的被控變量的過渡過程為例，因?yàn)殡A躍作用很典型，實(shí)際上也經(jīng)常遇到，且這類輸入變化對系統(tǒng)的影響是最嚴(yán)重的。

定值控制系統(tǒng)過渡過程的幾種形式(階躍擾動)

發(fā)散振蕩單調(diào)發(fā)散等幅振蕩衰減振蕩單調(diào)衰減單項(xiàng)控制指標(biāo)（僅適用于衰減振蕩過程）穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性1.3.3自動控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)綜合控制指標(biāo)最大動態(tài)偏差或超調(diào)量是描述被控變量偏離設(shè)定值最大程度的物理量，是衡量過渡過程穩(wěn)定性的一個動態(tài)指標(biāo)。

對于定值控制系統(tǒng)，過渡過程的最大動態(tài)偏差是指被控變量第一個波的峰值與設(shè)定值之差。在上圖中，最大偏差就是第一個波的峰值。為A

（1）最大動態(tài)偏差（emax）或超調(diào)量（）CtyBB’A0穩(wěn)態(tài)特性最大偏差表示系統(tǒng)瞬間偏離給定值的最大程度。若偏差越大，偏離的時間越長，對穩(wěn)定正常生產(chǎn)越不利。要求小。特別是對于一些有約束條件的系統(tǒng)，如化學(xué)反應(yīng)器的化合物爆炸極限、觸媒燒結(jié)溫度極限等，都會對最大偏差的允許值有所限制。

同時考慮到干擾會不斷出現(xiàn)，當(dāng)?shù)谝粋€干擾還未清除時，第二個干擾可能又出現(xiàn)了，偏差有可能是疊加的，所以要限制最大偏差的允許值。因此，在決定最大偏差的允許值時，要根據(jù)工藝情況慎重選擇。在設(shè)定作用下的控制系統(tǒng)（隨動控制系統(tǒng)）中，通常采用超調(diào)量這個指標(biāo)來表示被控變量偏離設(shè)定值的程度，一般超調(diào)量以百分?jǐn)?shù)給出。A超調(diào)量定義：第一個波的峰值與最終穩(wěn)態(tài)值之差（即B=A-C）與穩(wěn)態(tài)值C之比。ytBB’C0衰減比是衡量過渡過程穩(wěn)定性的動態(tài)指標(biāo)。定義：第一個波的振幅與同方向第二個波的振幅之比。

（2）衰減比n衰減比nCtyBB’A0穩(wěn)態(tài)特性衰減比n

n>1:衰減振蕩。n越大，則控制系統(tǒng)的穩(wěn)定度也越高，當(dāng)n趨于無窮大時，控制系統(tǒng)的過渡過程接近于非振蕩過程。

n=1:等幅振蕩。

n<1:發(fā)散振蕩。n越小，意味著控制系統(tǒng)的振蕩過程越劇烈，穩(wěn)定度也越低，根據(jù)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，為保持足夠的穩(wěn)定裕度，一般希望過渡過程有兩個波左右，與此對應(yīng)的衰減比在4:1到10:1的范圍內(nèi)。衰減率：衰減比4:1——衰減率0.75衰減比10:1——衰減率0.90CtyBB’A0穩(wěn)態(tài)特性（3）余差定義：控制系統(tǒng)過渡過程終了時設(shè)定值與被控變量穩(wěn)態(tài)值之差。

余差是反映控制準(zhǔn)確性的一個重要穩(wěn)態(tài)指標(biāo)，一般希望其為零，或不超過預(yù)定的范圍。上圖中，

在控制系統(tǒng)中，對余差的要求取決于生產(chǎn)過程的要求，并不是越小越好。例如儲槽液位，余差可大一些；化學(xué)反應(yīng)器的溫度控制要求高，余差就要小一些。CtyBB’A0穩(wěn)態(tài)特性（4）回復(fù)時間（過渡時間）回復(fù)時間表示控制系統(tǒng)過渡過程的長短。定義：控制系統(tǒng)在受到階躍外作用后，被控變量從原有穩(wěn)態(tài)值達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值所需要的時間。理論上講，控制系統(tǒng)要完全達(dá)到新的平衡狀態(tài)需要無限長的時間。CtyBB’A0穩(wěn)態(tài)特性實(shí)際上，被控變量接近于新穩(wěn)態(tài)值的或或的范圍內(nèi)且不再越出時為止所經(jīng)歷的時間，可計(jì)為過渡時間。一般希望過渡時間短一些。ytBB’5%A0Ts（5）振蕩頻率（或振蕩周期）在衰減比相同條件下，周期與過渡時間成正比；振蕩頻率與回復(fù)時間成反比。定義：過渡過程同向兩波峰之間的時間間隔稱為振蕩周期或工作周期。其倒數(shù)稱為振蕩頻率。其它一些次要指標(biāo)：振蕩次數(shù)：是指在過渡過程內(nèi)被控變量振蕩的次數(shù)?！袄硐脒^渡過程兩個波”：是指過渡過程振蕩兩次就能穩(wěn)定下來。上升時間：是指干擾開始作用起到第一個波峰所需要的時間。CtyBB’A0穩(wěn)態(tài)特性總結(jié)：主要指標(biāo)有：最大偏差、衰減比、余差、過渡時間。在實(shí)際的系統(tǒng)中如何確定這些指標(biāo)，要根據(jù)實(shí)際情況來定。原則：對生產(chǎn)過程有決定性意義的主要品質(zhì)指標(biāo)應(yīng)該優(yōu)先保證。例題：某換熱器的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)在單位階躍干擾下的過渡過程曲線如下圖所示。試分別求出最大偏差、衰減比、余差、過渡時間（設(shè)定值為200℃）。(℃)解：(1)最大偏差：(2)余差：(℃)℃(3)衰減比：第一個波的振幅第二個波的振幅(℃)(℃)衰減比℃(4)過渡時間：過渡時間與規(guī)定的被控變量的限制范圍大小有關(guān)，假設(shè)為，就可以認(rèn)為過渡過程已經(jīng)結(jié)束，那么限制范圍為(℃)那么，在新穩(wěn)態(tài)值（205℃）兩側(cè)以限制范圍為寬度畫一區(qū)域，只要被控變量不再越出即可。因此，過渡過程為22min.℃綜合控制指標(biāo)

綜合控制指標(biāo)就是通過偏差的某些函數(shù)對時間的積分值來表述。通常采用三種表達(dá)形式：

(1)絕對值積分鑒定IAEIAE＝∫|e|dt

(2)平方積分鑒定ISEISE＝∫e2dt

(3)時間乘以絕對值的積分鑒定ITAE

ITAE＝∫|e|tdt

在綜合指標(biāo)中，如直接對動態(tài)偏差e積分，則正負(fù)偏差將相互抵消，此時即使偏差很大，目標(biāo)積分值仍很小。而采用絕對值積分或偏差平方積分可以避免正負(fù)偏差積分時相互抵消的現(xiàn)象。IAE與ISE相比，后者對最大偏差的數(shù)值更加敏感。而ITAE對后期的時間加大權(quán)值，對消除偏差所需時間更為敏感，可突出快速性要求。

第二章過程特性華東理工大學(xué)信息學(xué)院自動化系過程：需要實(shí)現(xiàn)控制的生產(chǎn)過程過程特性：是指被控過程的輸入變量（操縱變量或擾動變量）發(fā)生變化時，其輸出變量（被控變量）隨時間的變化規(guī)律。簡單控制系統(tǒng)方塊圖本章研究內(nèi)容：

2.1過程特性的類型2.2過程的數(shù)學(xué)描述2.3過程特性的一般分析2.4過程特性的實(shí)驗(yàn)測定方法2.1過程特性的類型通道：輸入變量對輸出變量的作用途徑控制通道：操縱變量q(t)對被控變量c(t)的作用途徑擾動通道：擾動變量f(t)對被控變量c(t)的作用途徑廣義對象特性主要通過響應(yīng)曲線來呈現(xiàn)?？刂仆ǖ赖捻憫?yīng)曲線：當(dāng)控制作用u(t)做階躍變化（擾動f(t)不變）時，被控變量的時間特性c(t)擾動通道的響應(yīng)曲線：當(dāng)擾動f(t)做階躍變化（控制作用u(t)不變）時，被控變量的時間特性c(t)響應(yīng)曲線有四種：有自衡的非振蕩過程無自衡的非振蕩過程有自衡的振蕩過程具有反向特性的過程有自衡的非振蕩過程如下圖中的液位過程無自衡的非振蕩過程如下圖中的液位過程2.2過程的數(shù)學(xué)描述

要研究被控過程的特性，就必須知道被控過程的數(shù)學(xué)模型（參量模型），也就是對過程的數(shù)學(xué)描述。數(shù)學(xué)模型：表示具體過程的輸入、輸出關(guān)系的數(shù)學(xué)方程式。其形式有：微分方程式、偏微分方程式、狀態(tài)方程換熱器由前面的分析可得：一階被控過程控制通道的動態(tài)方程為：一階被控過程擾動通道的動態(tài)方程為：其中：分別為控制通道、擾動通道的時間常數(shù)和放大系數(shù)；

分別為被控變量增量、操縱變量增量和擾動變量增量。2.3過程特性的一般分析

描述有自衡非振蕩過程的特性參數(shù)有放大系數(shù)K、時間常數(shù)T和時滯τ。放大系數(shù)K(1)控制通道的放大系數(shù)Ko(2)擾動通道的放大系數(shù)Kf(1)控制通道的放大系數(shù)Ko定義：在擾動變量f(t)不變的情況下，被控變量的變化量Δc與操縱變量Δq在時間趨于無窮大時之比控制通道的放大系數(shù)Ko反映了過程以初始工作點(diǎn)為基準(zhǔn)的被控變量與操縱變量在過程結(jié)束時的變化量之間的關(guān)系，是一個穩(wěn)態(tài)特性參數(shù)。過程的放大系數(shù)受負(fù)荷和工作點(diǎn)的影響。在相同的負(fù)荷下，Ko隨工作點(diǎn)的增大而減?。辉谙嗤墓ぷ鼽c(diǎn)下，Ko隨負(fù)荷的增大而減小。蒸汽加熱器的穩(wěn)態(tài)特性在某一負(fù)荷下，蒸汽量不同，達(dá)到平衡的出口溫度不同；反之，在蒸汽量相同，處理量不同的情況下，達(dá)到平衡的出口溫度也不同。選擇Ko的原則：希望Ko稍大。(2)

擾動通道的放大系數(shù)Kf定義：在操縱變量q(t)不變的情況下，過程受到幅度為Δf的階躍擾動作用，過程從原有穩(wěn)定狀態(tài)達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)時被控變量的變化量與擾動幅度Δf之比。很明顯，希望Kf小一些。但是，擾動對系統(tǒng)的影響還要考慮Δf的大小。時間常數(shù)T

時間常數(shù)T是表征被控變量變化快慢的動態(tài)參數(shù)?？刂七^程中時間常數(shù)的概念來源于電工學(xué)中時間常數(shù)的概念。在阻容環(huán)節(jié)的充電過程中，T=RC表征了充電過程的快慢。定義1：在階躍外作用下，一個阻容環(huán)節(jié)的輸出變化量完成全部變化量的63.2%所需要的時間。定義2：在階躍外作用下，一個阻容環(huán)節(jié)的輸出變化量保持初始變化速度，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值所需要的時間。任何過程都具有儲存物料或能量的能力，如過程的容量有熱容、液容、氣容。任何過程在物料或能量的傳遞過程中，也總是存在著一定的阻力，如熱阻、液阻、氣阻。因此，可以用過程容量系數(shù)C與阻力系數(shù)R的乘積來表征過程的時間常數(shù)。（1）控制通道時間常數(shù)To對控制系統(tǒng)的影響在相同的控制作用下，過程的時間常數(shù)To越大，被控變量的變化越緩慢。To越小，被控變量的變化越快。希望To適中

（2）擾動通道時間常數(shù)Tf對控制系統(tǒng)的影響過程的時間常數(shù)Tf越大越好，相當(dāng)于對擾動信號進(jìn)行濾波。希望Tf大時滯τ定義：在輸入變化后，輸出不是隨之立即變化，而是需要間隔一段時間才發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為時滯現(xiàn)象。具有純滯后時間的階躍響應(yīng)曲線

定義中的時滯包括了兩種滯后：純滯后、容量滯后。

實(shí)際工業(yè)過程中的滯后時間是指純滯后與容量滯后時間之和純滯后τo是由于信息的傳輸需要時間而引起的。它可能起因于被控變量c(t)至測量值y(t)的檢測通道，也可能起因于控制信號u(t)至操縱變量q(t)的一側(cè)。物料傳輸容量滯后是多容量過程的固有特性，是由于物料或能量的傳遞需要通過一定的阻力而引起的。容量滯后（1）時滯對控制通道的影響

希望τo小。時滯τ對系統(tǒng)控制過程的影響，是以其與時間常數(shù)的比值τ/T來衡量的。

的過程較易控制；τ/T較大時，需要在一定程度上降低控制系統(tǒng)的指標(biāo)；τ/T>(0.5~0.6)時，需用特殊控制規(guī)律。（2）時滯對擾動通道的影響

一般地，在不同變量的過程中，液位和壓力過程的τ較小，流量過程的τ和T都較小，溫度過程的τc較大，成分過程的τo和τc都較大。

對τo無要求。

希望τc大。2.4過程特性的實(shí)驗(yàn)測定方法

過程特性參數(shù)可以由過程的數(shù)學(xué)模型通過求解得到，但是在生產(chǎn)過程中，很多過程的數(shù)學(xué)模型是很難得到的。

工程上一般用實(shí)驗(yàn)方法來測定過程特性參數(shù)。最簡便的方法就是直接在原設(shè)備或機(jī)器中施加一定的擾動，通過該過程的輸出變量進(jìn)行測量和記錄，然后通過分析整理得到過程特性參數(shù)。

階躍擾動法（反應(yīng)曲線法）

當(dāng)過程處于穩(wěn)定狀態(tài)時，在過程的輸入端施加一個幅度已知的階躍擾動，測量和記錄過程輸出變量的數(shù)值，畫出輸出變量隨時間變化的反應(yīng)曲線，根據(jù)響應(yīng)曲線求得過程特性參數(shù)。放大系數(shù)

K=B/A

時間常數(shù)

T時滯

τ一階系統(tǒng)放大系數(shù)K:

K=[c(t)-c(0)]/A

時間常數(shù)T:

T=2、3之間的距離純滯后τ:

τ=1、2之間的距離二階系統(tǒng)階躍擾動法直觀、簡便易行、所以得到了廣泛的應(yīng)用。但是許多過程較復(fù)雜、擾動因素較多，會影響測試精度；另外，由于工藝條件的限制，階躍擾動幅度不能太大，所以在實(shí)施擾動法時應(yīng)該在系統(tǒng)相對穩(wěn)定的情況下進(jìn)行。第三章檢測變送華東理工大學(xué)信息學(xué)院自動化系

本章主要內(nèi)容：3.1概述3.2溫度檢測3.3流量檢測3.4壓力檢測3.5物位檢測3.6變送器3.1概述3.1.0檢測變送的重要性3.1.1測量誤差3.1.2儀表性能指標(biāo)

在過程自動化中要通過檢測元件獲取生產(chǎn)工藝變量，最常見的變量是溫度、壓力、流量、物位（四大參數(shù)）。檢測元件又稱為敏感元件、傳感器，它直接響應(yīng)工藝變量，并轉(zhuǎn)化成一個與之成對應(yīng)關(guān)系的輸出信號。這些輸出信號包括位移、電壓、電流、電阻、頻率、氣壓等。3.1.0檢測變送的重要性

由于檢測元件的輸出信號種類繁多，且信號較弱不易察覺，一般都需要將其經(jīng)過變送器處理。由變送器將檢測元件的輸出信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電、氣信號（4～20mA直流電流信號,20～100KPa氣壓信號）送往顯示儀表，指示或記錄工藝變量，或同時送往控制器對被控變量進(jìn)行控制。

一般將檢測元件、變送器及顯示裝置統(tǒng)稱為檢測儀表。檢測——實(shí)施正確控制的第一步變送——將檢測元件輸出的各種信號、微弱信號轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一(標(biāo)準(zhǔn))的電、氣信號。靜態(tài)：正確——y(t)正確反映c(t)的值可靠——長期工作動態(tài)：迅速——y(t)要迅速反映c(t)的變化過程控制對檢測儀表要求：3.1.1

測量誤差(1)絕對誤差：儀表的指示值與被測量的真實(shí)值之間的差值。(2)

相對誤差（儀表引用誤差）測量誤差：檢測儀表獲得的測量值與實(shí)際被測變量真實(shí)值之間的差距。理論上：實(shí)際上：絕對誤差與儀表的量程之比。(3)允許誤差（相對誤差的最大值）3.1.2

儀表性能指標(biāo)精確度（精度）——表示儀表測量結(jié)果的可靠程度。

儀表的精度等級是按國家統(tǒng)一規(guī)定的允許誤差大小來劃分成若干等級的。

儀表精度等級數(shù)值越小，說明儀表測量準(zhǔn)確度越高。

精度等級：允許誤差去掉“±”號及“%”后，按國家規(guī)定的系列圓整后的數(shù)值。

儀表的精度等級以一定的符號形式表示在儀表標(biāo)尺板上，如1.0外加一個圓圈或三角形。精度等級1.0，說明該儀表允許誤差為1.0%。國家規(guī)定的儀表精度系列等級有：0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0級。1.01.0[例1]某臺測溫儀表的量程是600--1100℃，其最大絕對誤差為±4℃，試確定該儀表的精度等級。

由于國家規(guī)定的精度等級中沒有0.8級儀表，而該儀表的最大引用誤差超過了0.5級儀表的允許誤差，所以這臺儀表的精度等級應(yīng)定為1.0級。解儀表的最大允許誤差為國家規(guī)定的儀表精度系列等級有：0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0級。[例2]某臺測溫儀表的量程是600--1100℃，工藝要求該儀表指示值的誤差不得超過±4℃，應(yīng)選精度等級為多少的儀表才能滿足工藝要求?！?.8%介于允許誤差±0.5%與±1.0%之間，如果選擇允許誤差為±1.0%,則其精度等級應(yīng)為1.0級。量程為600～1100℃，精確度為1.0級的儀表，可能產(chǎn)生的最大絕對誤差為±5℃，超過了工藝的要求。所以只能選擇一臺允許誤差為±0.5%，即精度等級為0.5級的儀表，才能滿足工藝要求。解根據(jù)工藝要求，儀表的最大允許誤差為結(jié)論：校表：計(jì)算得到的最大允許誤差值向上園整確定儀表的精度等級。選表：計(jì)算得到的最大允許誤差值向下靠近選定儀表的精度等級。儀表精度與量程有關(guān)，量程是根據(jù)所要測量的工藝變量確定的。在儀表精度等級一定的前提下適當(dāng)縮小量程，可以減小測量誤差，提高測量準(zhǔn)確性。儀表量程的上限Ymax：一般確定為被測變量正常值的4/3~3/2倍，波動較大時可以達(dá)到3/2~2倍；儀表量程的下限Ymin：一般確定為被測變量正常值向下的1/3處。

(2)變差

——在外界條件不變的情況下，使用同一臺儀表對某一變量進(jìn)行正、反行程測量時對應(yīng)于同一測量值所得的儀表讀數(shù)之間的差異。注意：儀表的變差不能超出儀表的允許誤差。(3)線性度

——衡量儀表實(shí)際特性偏離線性程度的指標(biāo)。線性度差，則降低了儀表精度。圖3.1線性度(4)靈敏度和分辨率靈敏度：儀表的輸出變化量與引起此變化的輸入變化量的比值。即：靈敏度=△Y/△X它體現(xiàn)了單位輸入所引起的輸出變化量。靈敏度反映了儀表對被測變量變化的靈敏程度。分辨率：儀表輸出能分辨和響應(yīng)的最小輸入變化量。即：分辨率=△X/△Y它體現(xiàn)了引起單位輸出所需要的輸入變化量。分辨率也是儀表靈敏程度的一種體現(xiàn)。(5)動態(tài)誤差

由于儀表動作的慣性延遲和測量傳遞滯后，當(dāng)被測量突然變化后要經(jīng)過一段時間才能準(zhǔn)確顯示出來，這樣造成的誤差。注：在工業(yè)生產(chǎn)中被測量變化較快，所以不能忽略動態(tài)誤差。第10~13周《化工自動化及儀表》實(shí)驗(yàn)安排要求大家盡快發(fā)郵件到j(luò)iliu@郵件主題中寫：學(xué)號-姓名-所選實(shí)驗(yàn)時間窗口。每個窗口最多容納32人，先報(bào)先占，占滿為止，請大家發(fā)郵件前先到163.com郵箱（用戶名：autoinstru,密碼：ecustji）查看當(dāng)前各窗口空余名額，據(jù)此進(jìn)行選報(bào)。可選時間窗口如下：星期一：7-8節(jié)星期二：7-8節(jié)星期三：7-8節(jié)星期四：5-6節(jié)；7-8節(jié)星期五：5-6節(jié)；7-8節(jié)

實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師：劉濟(jì)聯(lián)系電話：642533963.2溫度檢測3.2.1溫度檢測方法3.2.2熱電偶3.2.3熱電阻3.2.4熱電偶、熱電阻的選用3.2.1溫度檢測方法按測溫元件是否與被測對象接觸分為：

接觸式非接觸式接觸式：測溫元件與被測對象接觸，依靠傳熱和對流進(jìn)行熱交換。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、可靠，測溫精度較高。缺點(diǎn)：由于測溫元件與被測對象必須經(jīng)過充分的熱交換且達(dá)到平衡后才能測量，這樣容易破壞被測對象的溫度場，同時帶來測溫過程的延遲現(xiàn)象，不適于測量熱容量小的對象、超高溫的對象、處于運(yùn)動中的對象。不適于直接對腐蝕性介質(zhì)測量。非接觸式：測溫元件不與被測對象接觸，而是通過熱輻射進(jìn)行熱交換，或測溫元件接收被測對象的部分熱輻射能，由熱輻射能大小推出被測對象的溫度。優(yōu)點(diǎn)：從原理上講測量范圍從超低溫到超高溫，不破壞被測對象溫度場。非接觸式測溫響應(yīng)快，對被測對象干擾小，可用于測量運(yùn)動的被測對象和有強(qiáng)電磁干擾、強(qiáng)腐蝕的場合。缺點(diǎn)：容易受到外界因素的干擾，測量誤差較大，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格比較昂貴。

3.2.2熱電偶(1)

測溫原理——熱電效應(yīng)圖3.2熱電偶的熱電效應(yīng)（參比端、冷端、固定端）（工作端、熱端、自由端）將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B連在一起組成一個閉合回路，而且兩個接點(diǎn)的溫度θ≠θo,則回路內(nèi)將有電流產(chǎn)生，電流大小正比于接點(diǎn)溫度θ和θo的函數(shù)之差，而其極性則取決于A和B的材料。根據(jù)熱電偶的“中間導(dǎo)體定律”可知：熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體后，只要該導(dǎo)體兩端溫度相同，熱電偶回路中所產(chǎn)生的總熱電勢與沒有接入第三種導(dǎo)體時熱電偶所產(chǎn)生的總熱電勢相同；同理，如果回路中接入更多種導(dǎo)體時，只要同一導(dǎo)體兩端溫度相同，也不影響熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢值。因此熱電偶回路可以接入各種顯示儀表、變送器、連接導(dǎo)線等。熱電偶的“中間導(dǎo)體定律”分度表：當(dāng)θ0=0℃時，

與溫度θ對應(yīng)的數(shù)值表。（非線性）分度號：與分度表所對應(yīng)的熱電偶的代號。常用工業(yè)熱電偶比較常用熱電偶類型：普通型熱電偶：熱電極、絕緣管、接線盒等鎧裝熱電偶多點(diǎn)式熱電偶防爆型熱電偶鎧裝熱電偶的特點(diǎn)·熱響應(yīng)時間少，減小動態(tài)誤差；·可彎曲安裝使用；·測量范圍大；·機(jī)械強(qiáng)度高，耐壓性能好；扁接插式鎧裝熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線式鎧裝熱電偶防噴式鎧裝熱電偶防水式鎧裝熱電偶手柄式鎧裝熱電偶圓接插式鎧裝熱電偶圖3.3多點(diǎn)熱電偶

適用于生產(chǎn)現(xiàn)場存在溫度梯度不顯著，須同時測量多個位置或位置的多處測量。廣泛應(yīng)用于大化肥合成塔、存儲罐等裝置中。圖3.4多點(diǎn)熱電偶

防爆型熱電偶

防爆熱電偶是利用間隙隔爆原理，設(shè)計(jì)具有足夠強(qiáng)度的接線盒等部件，將所有會產(chǎn)生火花，電弧和危險溫度的零部件都密封在接線盒腔內(nèi)，當(dāng)腔內(nèi)發(fā)生爆炸時，能通過接合面間隙熄火和冷卻，使爆炸后的火焰和溫度傳不到腔外，從而隔爆。

特點(diǎn)

·多種防爆形式，防爆性能好；

·壓簧式感溫元件，抗振性能好；

·測溫范圍大；

·機(jī)械強(qiáng)度高，耐壓性能好；

無固定裝置固定法蘭式固定螺紋式活絡(luò)管接頭式直型管接頭式圖3.5防爆型熱電偶一覽圖(2)補(bǔ)償導(dǎo)線解決參比端溫度的恒定問題。補(bǔ)償導(dǎo)線要求：價格便宜，0~100℃范圍內(nèi)的熱電性質(zhì)與要補(bǔ)償?shù)臒犭娕嫉臒犭娦再|(zhì)幾乎完全一樣圖3.6補(bǔ)償導(dǎo)線連接圖(3)熱電偶參比端溫度補(bǔ)償（測量的準(zhǔn)確性）補(bǔ)償原理：工作端溫度θ，參比端θ0，熱電勢為因此參比端溫度補(bǔ)償方法：

①計(jì)算法②冰浴法③機(jī)械調(diào)零法（動圈表調(diào)零法），等級1.0以上④補(bǔ)償電橋法：利用參比端溫度補(bǔ)償器例如：用鎳鉻-鎳硅（K）熱電偶測溫，熱電偶參比端溫度θo=20℃，測得的熱電勢E（θ，θo）=32.479mV。由K分度表中查得E（20，0）=0.798mV,則E（θ，0）=E（θ，20）+E（20，0）

=32.479+0.798=33.277mV再反查K分度表，得實(shí)際溫度是800℃。計(jì)算法舉例：3.2.3熱電阻⑴金屬熱電阻——測溫原理是基于導(dǎo)體的電阻會隨溫度的變化而變化的特性。

熱電阻是利用物質(zhì)在溫度變化時，其電阻也隨著發(fā)生變化的特征來測量溫度的。當(dāng)阻值變化時，工作儀表便顯示出阻值所對應(yīng)的溫度值。

常用熱電阻：銅電阻和鉑電阻熱電阻的結(jié)構(gòu)形式：普通型、鎧裝型、專用型熱電阻通常和顯示儀表、記錄儀表、電子計(jì)算機(jī)等配套使用。直接測量各種生產(chǎn)過程中的-200°C～500°C范圍內(nèi)液體、蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體表面溫度。

無固定裝置熱電阻

固定螺紋式熱電阻

活動法蘭式熱電阻

固定螺紋錐式熱電阻

固定螺紋管接頭式熱電阻

活絡(luò)管接頭式熱電阻

裝配式熱電阻防噴式鎧裝熱電阻扁接插式鎧裝熱電阻防水式鎧裝熱電阻圓接插式鎧裝熱電阻補(bǔ)償導(dǎo)線式鎧裝熱電阻端面熱電阻——適合于測量電廠汽輪機(jī)及電機(jī)軸瓦或其它機(jī)體表面溫度。防腐熱電阻——采用新型防腐材料（聚四氟乙烯F46），適合于石油化工各種腐蝕性介質(zhì)中測溫。是氯堿行業(yè)的專用測溫儀表。

端面熱電阻

防腐熱電阻微型熱電偶/熱電阻

——適用于狹小場所的溫度測量與控制。是紡織、絳綸等行業(yè)不可缺少的溫度測量裝置。爐壁熱電偶/熱電阻

適合于電廠鍋爐爐壁，管壁及其它圓柱體表面測量。微型熱電偶/熱電阻

特殊熱電偶/熱電阻

爐壁熱電偶/熱電阻

⑵半導(dǎo)體熱敏電阻——測溫原理是基于某些半導(dǎo)體材料的電阻值隨溫度的變化而變化的特性。NTC型：負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，多數(shù)是此類

PTC型：正溫度系數(shù)熱敏電阻，用于位式溫度檢測

特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、體積小、熱慣性小。缺點(diǎn)：非線性嚴(yán)重、互換性差、測溫范圍窄3.2.4熱電偶、熱電阻的選用(1)選用原則：較高溫度——熱電偶中低溫區(qū)——熱電阻一般以500℃為分界。原因有兩點(diǎn)：(1)在中低溫區(qū)，熱電偶輸出的熱電勢很小，對測量儀表放大器和抗干擾要求很高。(2)由于參比端溫度變化不易得到完全補(bǔ)償，在較低溫度區(qū)內(nèi)引起的相對誤差就很突出。另外，要注意工作環(huán)境，如環(huán)境溫度、介質(zhì)性質(zhì)（氧化性、還原性、腐蝕性）等，選擇適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)套管、連接導(dǎo)線等。(2)安裝(1)選擇有代表性的測溫點(diǎn)位置，測溫元件有足夠的插入深度(2)熱電偶或熱電阻的接線盒的出線孔應(yīng)朝下，以免積水及灰塵等造成接觸不良，防止引入干擾信號。(3)檢測元件應(yīng)避開熱輻射強(qiáng)烈影響處。要密封安裝孔，避免被測介質(zhì)溢出或冷空氣吸入而引入誤差。熱電阻的三線直接法熱電阻溫度變送器輸入熱電阻信號時，其輸入回路是一個不平衡電橋，熱電阻為橋路的一個橋臂。由于連接熱電阻的導(dǎo)線存在電阻，且導(dǎo)線電阻值隨環(huán)境溫度的變化而變化，會造成測量誤差，因此實(shí)際測量時采用三線制接法。所謂三線制接法，就是從現(xiàn)場的金屬熱電阻兩端引出三根材質(zhì)、長短、粗細(xì)均相同的連接導(dǎo)線，其中兩根導(dǎo)線被接入相鄰的兩對抗橋臂中，另一根與測量橋路電源負(fù)極相連。由于流過兩橋臂的電流相等，因此當(dāng)環(huán)境溫度變化時，兩根連接導(dǎo)線因阻值變化而引起的壓降變化相互抵消，不影響測量橋路輸出電壓的大小。3.3流量檢測主要研究內(nèi)容：3.3.1基本概念3.3.2速度式流量計(jì)（差壓式流量傳感器）3.3.3容積式流量計(jì)3.3.4質(zhì)量流量計(jì)3.3.5流量儀表的選用3.3.1基本概念流量（瞬時流量）：單位時間內(nèi)流過管道某一截面的流體的數(shù)量。累積流量（總流量）：某一時段內(nèi)流過的流體的總和。瞬時流量在某一時段的累積量。流量的表示方法：質(zhì)量流量(qm)：單位時間內(nèi)流過某截面的流體的質(zhì)量。單位：(kg/s)體積流量(qv)：單位時間內(nèi)流過某截面的流體的體積。(工作狀態(tài)下)qm=qvρ單位:(m3/s)體積流量(qvn)：折算到標(biāo)準(zhǔn)的壓力和溫度下的體積流量。（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下:溫度為20℃，壓力為101.325Pa

）qvn=qm/ρn

qvn=qvρ/ρn單位:Nm3/s流體的密度受流體的工作狀態(tài)（如溫度、壓力）影響。

對于液體，壓力變化對密度的影響非常小，一般可以忽略不計(jì)。溫度對密度的影響要大一些，一般溫度每變化10℃時，液體密度的變化約在1%以內(nèi)，所以當(dāng)溫度變化不是很大，測量準(zhǔn)確度要求不是很高的情況下，往往也可以忽略不計(jì)。

對于氣體，密度受溫度、壓力變化影響較大，如在常溫常壓附近，溫度每變化10℃，密度變化約為3%；壓力每變化10kPa，密度約變化3%。

因此在測量氣體流量時，必須同時測量流體的溫度和壓力。

3.3.2速度式流量計(jì)（差壓式流量傳感器）

差壓式流量傳感器又稱節(jié)流式流量傳感器，它是利用管路內(nèi)的節(jié)流裝置，將管道中流體的瞬時流量轉(zhuǎn)換成節(jié)流裝置前后的壓力差的原理來實(shí)現(xiàn)的。圖3-22標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流元件(a)孔板；(b)噴嘴；(c)文丘里管

(1)節(jié)流裝置

節(jié)流裝置是差壓式流量傳感器的流量敏感檢測元件，是安裝在流體流動的管道中的阻力元件。常用的節(jié)流元件有孔板、噴嘴、文丘里管。

(2)測量原理測量原理

在管道中流動的流體具有動壓能和靜壓能，在一定條件下這兩種形式的能量可以相互轉(zhuǎn)換，但參加轉(zhuǎn)換的能量總和不變。用節(jié)流元件測量流量時，流體流過節(jié)流裝置前后產(chǎn)生壓力差Δp(Δp=p1-p2)，且流過的流量越大，節(jié)流裝置前后的壓差也越大，流量與壓差之間存在一定關(guān)系，這就是差壓式流量傳感器測量原理。圖3-23節(jié)流件前后流速和壓力分布情況流量方程式為

對于可壓縮流體，例如各種氣體及蒸氣通過節(jié)流元件時，由于壓力變化必然會引起密度ρ的改變，即ρ1≠ρ2，這時在公式中應(yīng)引入體積膨脹系數(shù)ε，可壓縮性流體體積膨脹系數(shù)ε小于1，如果是不可壓縮性流體，則ε=1。(3)差壓式流量檢測系統(tǒng)

圖3-24差壓式流量檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

節(jié)流裝置是將被測流體的流量值變換成差壓信號Δp，節(jié)流裝置輸出的差壓信號由壓力信號管路輸送到差壓變送器（或差壓計(jì)）。由流量基本方程式可以看出，被測流量與差壓Δp成平方根關(guān)系，對于直接配用差壓計(jì)顯示流量時，流量標(biāo)尺是非線性的，為了得到線性刻度，可加開方運(yùn)算電路或加開方器。如差壓流量變送器帶有開方運(yùn)算，變送器的輸出電流就與流量成線性關(guān)系。顯示儀表則顯示流量的大小。

要使儀表的指示值與通過管道的實(shí)際流量相符，必須做到以下幾點(diǎn)：

（1）因?yàn)椴顗鹤兯推鞯膲翰詈惋@示儀表的流量標(biāo)尺有若干種規(guī)格，選擇時應(yīng)與節(jié)流裝置孔徑匹配。

（2）在測量蒸汽和氣體流量時，常遇到工作條件的密度ρ與設(shè)計(jì)時的密度ρc不相同，這時必須對示數(shù)進(jìn)行修正。（3）顯示儀表刻度通常是線性的，測量值（差壓信號）要經(jīng)過開方運(yùn)算進(jìn)行線性化處理后再送顯示儀表。（4）節(jié)流裝置應(yīng)正確安裝(正、反面)。（5）接至差壓變送器的壓差應(yīng)該與節(jié)流裝置前后壓差相一致，這就需要正確安裝差壓信號管路。介質(zhì)為液體時：

差壓變送器應(yīng)裝在節(jié)流裝置下面，取壓點(diǎn)應(yīng)在工藝管道的中心線以下引出（下傾45°左右），導(dǎo)壓管最好垂直安裝。當(dāng)差壓變送器放在節(jié)流裝置之上時，要裝置貯氣罐。

圖3.25介質(zhì)為氣體時：差壓變送器應(yīng)裝在節(jié)流裝置的上面,防止導(dǎo)壓管內(nèi)積聚液滴，取壓點(diǎn)應(yīng)在工藝管道的上半部引出。圖3.26介質(zhì)為蒸汽時：

應(yīng)使導(dǎo)壓管內(nèi)充滿冷凝液，因此在取壓點(diǎn)的出口處要裝設(shè)凝液罐。圖3.27介質(zhì)具有腐蝕性時：

可在節(jié)流裝置和差壓變送器之間裝設(shè)隔離罐，內(nèi)放不與介質(zhì)有互溶的隔離液來傳遞壓力，或采用噴吹法。圖3.28（2）靶式流量計(jì)

在流體通過的管道中，垂直于流動方向插上一塊圓盤形的靶。流體通過時對靶片產(chǎn)生推力，經(jīng)杠桿系統(tǒng)產(chǎn)生力矩。力矩與流量的平方近似成正比。靶式流量計(jì)適用于測量粘稠性及含少量懸浮固體的液體。

圖3.29（3）旋渦流量計(jì)

旋渦流量計(jì)又稱渦街流量計(jì)，其測量方法基于流體力學(xué)中的卡門渦街原理。把一個旋渦發(fā)生體（如圓柱體、三角柱體等非流線型對稱物體）垂直插在管道中，當(dāng)流體繞過旋渦發(fā)生體時會在其左右兩側(cè)后方交替產(chǎn)生旋渦，形成渦列，且左右兩側(cè)旋渦的旋轉(zhuǎn)方向相反。這種渦列就稱為卡門渦街。

在一定的雷諾數(shù)Re范圍內(nèi)，體積流量qv與旋渦的頻率f成線性關(guān)系。只要測出旋渦的頻率f就能求得流過流量計(jì)管道流體的體積流量qv。

另外，還有轉(zhuǎn)子流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)3.3.3容積式流量計(jì)該流量計(jì)系直讀累積式流體流量計(jì)，是由裝有一對橢圓齒輪轉(zhuǎn)子的計(jì)量室、密封聯(lián)軸器（小口徑流量計(jì)采用靈敏度高的磁性聯(lián)軸器）和計(jì)數(shù)機(jī)構(gòu)組成。測得旋轉(zhuǎn)頻率就可求得體積流量。圖3.30橢圓齒輪流量測量示意圖3.3.4質(zhì)量流量計(jì)直接式質(zhì)量流量傳感器——科里奧利質(zhì)量流量傳感器科里奧利質(zhì)量流量傳感器是利用流體在直線運(yùn)動的同時，處于一個旋轉(zhuǎn)系中，產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力而制成的一種直接式質(zhì)量流量傳感器。3.3.5流量儀表的選用選擇流量儀表要考慮的主要因素：流體特性（物性參數(shù)和流動參數(shù)）、化學(xué)性質(zhì)、臟污結(jié)垢影響最大的是：密度和粘度使用環(huán)境：是否會腐蝕3.4壓力檢測3.4.1壓力單位及壓力檢測方法主要研究內(nèi)容：3.4.2常用壓力檢測儀表3.4.3壓力表的選用3.4.1壓力單位及壓力檢測方法(1)壓力單位工程技術(shù)上所稱的“壓力”實(shí)質(zhì)上就是物理學(xué)里的“壓強(qiáng)”，定義為均勻而垂直作用于單位面積上的力。其表達(dá)式為

式中:P——壓力；F——作用力；A——作用面積。

國際單位制（SI）中定義：1牛頓力垂直均勻地作用在1平方米面積上形成的壓力為1“帕斯卡”。帕斯卡簡稱“帕”，單位符號為Pa。

其他的壓力單位“工程大氣壓”（即kgf/cm2）、“毫米汞柱”（即mmHg）、“毫米水柱”（即mmH2O）等現(xiàn)在應(yīng)用的很少。(2)壓力的表示方法絕對壓力

指作用于物體表面積上的全部壓力，其零點(diǎn)以絕對真空為基準(zhǔn)，又稱總壓力或全壓力，用大寫符號P表示。大氣壓力

是指地球表面上的空氣柱重量所產(chǎn)生的壓力，以P0表示。(1)彈性式壓力表

彈性式壓力表是以彈性元件受壓后所產(chǎn)生的彈性變形作為測量基礎(chǔ)的。它結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，現(xiàn)場使用和維修都很方便，又有較寬的壓力測量范圍，因此在工程中獲得了非常廣泛的應(yīng)用。3.4.2常用壓力檢測儀表彈性元件采用不同材料、不同形狀的彈性元件作為感壓元件，可以適用于不同場合、不同范圍的壓力測量。目前廣泛使用的彈性元件有彈簧管、波紋管和膜片等。圖3-34彈性元件示意圖

圖3-34給出了一些常用彈性元件的示意圖。其中波紋膜片和波紋管多用于微壓和低壓測量；單圈和多圈彈簧管可用于高、中、低壓和真空度的測量。

圖3-35單圈彈簧管結(jié)構(gòu)圖3-36彈簧管壓力表

應(yīng)變片式壓力傳感器

應(yīng)變效應(yīng)(2)壓力傳感器當(dāng)某些材料受到某一方向的壓力作用而發(fā)生變形時，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上就產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)壓力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料。壓電材料種類較多，有石英晶體、人工制造的壓電陶瓷，還有高分子壓電薄膜等。

壓電式壓力傳感器

1-絕緣體2-壓電元件3-殼體4-膜片

壓阻元件是指在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路工藝制成的擴(kuò)散電阻。它是基于壓阻效應(yīng)工作的，即當(dāng)它受壓時，其電阻值隨電阻率的改變而變化。常用的壓阻元件有單晶硅膜片以及在N型單晶硅膜片上擴(kuò)散P型雜質(zhì)的擴(kuò)散硅等。壓阻式壓力傳感器其測量原理是將彈性元件的位移轉(zhuǎn)換為電容量的變化。將測壓膜片作為電容器的可動極板，它與固定極板組成可變電容器。當(dāng)被測壓力變化時，由于測壓膜片的彈性變形產(chǎn)生位移改變了兩塊極板之間的距離，造成電容量發(fā)生變化。

電容式壓力傳感器壓力表的選用主要包括儀表型式、量程范圍、精度和靈敏度、外形尺寸以及是否還需要遠(yuǎn)傳和其他功能，如指示、記錄、報(bào)警、控制等。選用的依據(jù)如下：(1)必須滿足工藝生產(chǎn)過程的要求，包括量程和精度；(2)考慮被測介質(zhì)的性質(zhì)，如溫度、壓力、粘度、腐蝕性、易燃易爆程度等；(3)注意儀表安裝使用時所處的現(xiàn)場環(huán)境條件，如環(huán)境溫度、電磁場、振動等。

3.4.3壓力表的選用3.5物位檢測3.5.0基本概念研究內(nèi)容：3.5.1物位檢測的主要方法和分類3.5.2常用物位檢測儀表——差壓式液位計(jì)3.5.3物位檢測儀表的選用3.5.0基本概念

在容器中液體介質(zhì)的界面高低叫液位，容器中固體或顆粒狀物質(zhì)的堆積高度叫料位。測量液位的儀表叫液位計(jì)，測量料位的儀表叫料位計(jì)，測量兩種密度不同的液體介質(zhì)分界面的高低（界位）的儀表叫界面計(jì)。上述三種儀表統(tǒng)稱為物位計(jì)。3.5.1物位檢測的主要方法和分類按工作原理主要有以下幾種類型：直讀式：根據(jù)流體的連通性原理來測量液位。

靜壓式：壓力式和差壓式。根據(jù)液柱或物料堆積高度變化對某點(diǎn)上產(chǎn)生的靜（差）壓力的變化的原理測量物位。

浮力式：它根據(jù)浮子高度隨液位高低而改變或液體對浸沉在液體中的浮筒（或稱沉筒）的浮力隨液位高度變化而變化的原理來測量液位。前者稱為恒浮力式，后者稱為變浮力式。電氣式：根據(jù)把物位變化轉(zhuǎn)換成各種電量變化的原理來測量物位。輻射式：根據(jù)同位素射線的核輻射透過物料時，其強(qiáng)度隨物質(zhì)層的厚度變化而變化的原理來測量液位。另外還有：聲學(xué)式、光學(xué)式、射線式、微波式、激光式、射流式、光纖維式等等3.5.2常用物位檢測儀表——差壓式液位計(jì)圖3-41差壓傳感器測量液位原理圖

設(shè)被測介質(zhì)的密度為ρ，容器頂部為氣相介質(zhì)，氣相壓力為pA，根據(jù)靜力學(xué)原理可得因此，差壓變送器正負(fù)壓室的壓力差為這樣，液位測量問題就轉(zhuǎn)化為差壓測量問題了。但是，當(dāng)液位零面與檢測儀表的取壓口不在同一水平高度時，就需要進(jìn)行量程調(diào)整和零點(diǎn)遷移。(1)取壓點(diǎn)與液位零面在同一水平面圖3.42液位測量的正遷移如圖所示，當(dāng)差壓變送器的取壓口低于容器底部的時候，差壓變送器上測得的差壓為為了使液位的滿量程和起始值仍能與差壓變送器的輸出上限和下限相對應(yīng)，就必須克服固定差壓ρgh0的影響，需要進(jìn)行零點(diǎn)遷移。(2)取壓口低于容器底部因?yàn)椋核裕翰捎眠@種安裝方法時ΔP多出一項(xiàng)h0ρg。當(dāng)h=0時，ΔP=h0ρg，因此P0＞20KPa。為了遷移掉h0ρg，即在h=0時仍然使P0=20KPa，可以調(diào)整儀表的零點(diǎn)遷移彈簧張力。由于h0ρg作用在正壓室上，稱之為正遷移量。遷移彈簧張力抵消了h0ρg在正壓室內(nèi)產(chǎn)生的力，達(dá)到正遷移的目的。

由于ρgh0〉0，所以稱為正遷移。

量程遷移后，差壓式液位計(jì)的測量范圍調(diào)整為h0ρg～（h0ρg+hmaxρg）。

圖3.43液位測量的負(fù)遷移當(dāng)被測介質(zhì)有腐蝕性時，差壓變送器的正、負(fù)壓室之間就需要裝隔離罐，隔離液的密度為ρ1(ρ1

>ρ)，則(3)介質(zhì)有腐蝕性時因?yàn)椋核裕簩Ρ葻o遷移情況，ΔP多了一項(xiàng)壓力-（h1-h0）ρ1g，它作用在負(fù)壓室上，稱之為負(fù)遷移量。當(dāng)h=0時，ΔP=-(h1-h0)ρ1g，因此P0<20KPa。為了遷移掉-(h1-h0)ρ1g的影響，可以調(diào)整負(fù)遷移彈簧的張力來進(jìn)行負(fù)遷移以抵消掉-(h1-h0)ρ1g在負(fù)壓室內(nèi)產(chǎn)生的力，以達(dá)到負(fù)遷移的目的。

遷移調(diào)整后，差壓式液位計(jì)的測量范圍調(diào)整為

-(h1-h0)ρ1g～[hmaxρg-(h1-h0)ρ1g]

將上式變?yōu)椋河捎谒苑Q為負(fù)遷移。3.5.3物位檢測儀表的選用必須考慮測量范圍、測量精度、被測介質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)、環(huán)境操作條件、容器結(jié)構(gòu)形狀等因素。在液位檢測中最為常用的就是靜壓式和浮力式測量方法，但必須在容器上開孔安裝引壓管或在介質(zhì)中插入浮筒，因此在介質(zhì)為高粘度或者易燃易爆場合不能使用這些方法。在料位檢測中可以采用電容式、超聲波式、射線式等測量方法。3.8變送器3.8.0概述3.8.1變送器的量程、零點(diǎn)遷移3.8.2溫度變送器3.8.3差壓變送器3.8.4智能變送器3.8變送器作用：將檢測元件的輸出信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號送往顯示儀表或控制儀表進(jìn)行顯示、記錄或控制。變送器包括：

溫度變送器差壓變送器流量變送器液位變送器3.8.1概述工作原理：負(fù)反饋原理包括測量、放大和反饋三個部分圖3.44變送器的原理框圖3.8.2變送器的量程、零點(diǎn)遷移量程遷移：目的是使變送器輸出信號的上限值與測量范圍的上限值相對應(yīng)。圖3.46變送器量程調(diào)整前后的輸入輸出特性零點(diǎn)遷移：目的是使變送器輸出信號的下限值與測量范圍的下限值相對應(yīng)。零點(diǎn)遷移：

xmin=0無遷移

xmin≠0

xmin>0正遷移

xmin<0負(fù)遷移圖3.47變送器零點(diǎn)遷移前后的輸入輸出特性將儀表的量程遷移和零點(diǎn)遷移相結(jié)合可以提高儀表的測量精度和靈敏度，擴(kuò)大儀表的適用范圍，增加其通用性和靈活性。例：利用差壓法測量液位，理想：0~500mm，實(shí)際：250±50mm調(diào)整方法：先量程遷移，再零點(diǎn)遷移圖3.48TheEnd4顯示儀表本章內(nèi)容：4.1模擬式顯示儀表4.2數(shù)字式顯示儀表4.3新型顯示儀表4.1電子電位差計(jì)——配熱電偶功能：與溫度、流量、壓力、差壓、成分等變送器配接，可以測量和顯示能轉(zhuǎn)換成毫伏及直流電壓信號的工藝變量。原理：電壓補(bǔ)償原理型號：用XW系列來命名，X表示顯示儀表，W表示直流電位差計(jì)。XW-類型：小型長圖顯示、大型長圖顯示、圓圖顯示等。4.1

模擬式顯示儀表電壓補(bǔ)償原理測量橋路(不平衡電橋)原理圖

用已知電壓來補(bǔ)償未知電壓，使測量線路的電流等于零。用這種方法測量電壓比較精確，因?yàn)闆]有電流通過測量線路，也就不存在線路電阻影響問題。（被測電壓）（滑動電阻）(穩(wěn)壓電源)G為檢流計(jì)，移動觸點(diǎn)C，使檢流計(jì)為零，此時，已知電壓UCD=Ux（電壓補(bǔ)償原理）E用電子放大器代替檢流計(jì)，由放大器驅(qū)動可逆電機(jī)，并通過機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)帶動滑動觸點(diǎn)C，同時帶動指針和記錄筆，則測量過程自動完成。當(dāng)Ux增加時，觸點(diǎn)C向右移動；當(dāng)Ux減小時，觸點(diǎn)C向左移動。RG為起始電阻，對應(yīng)測量電壓下限值；R3和R4為限流電阻，分別保證上支路電流為4mA、下支路電流為2mA;R2是定值（配熱電偶時，起到參比端補(bǔ)償作用）。4.1.2電子自動平衡電橋——配熱電阻功能：對能轉(zhuǎn)換成電阻值的各種變量進(jìn)行測量、顯示、記錄。原理：電橋平衡原理型號：根據(jù)輸出電壓可分為：XD系列——交流平衡電橋XQ系列——直流平衡電橋電橋平衡原理平衡橋路原理圖在量程起點(diǎn)：溫度升高后：兩式相減整理得：r1與ΔRt成正比關(guān)系，即滑動觸點(diǎn)B的位置反映了電阻的變化，也即反映了溫度（工程變量）的變化。特點(diǎn)：1、數(shù)顯儀表用數(shù)碼管顯示測量值或偏差值，清晰直觀，讀數(shù)方便，不會產(chǎn)生視差。

2、數(shù)顯儀表采用中、大規(guī)模集成電路，線路簡單，可靠性好，耐振性強(qiáng)。

3、數(shù)顯儀表品種繁多，配接靈活，可輸入多種類型測量信號，輸出統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的電流信號（4-20mA直流電流）和報(bào)警信號。

4、數(shù)顯儀表具有非線性校正及開方運(yùn)算電路，配接熱電偶測溫時具有冷端溫度補(bǔ)償功能，配接熱電阻時考慮了外線電阻的補(bǔ)償，配接差壓變送器測流量時可直接顯示流量值。4.2數(shù)字式顯示儀表

目前廣泛使用的的顯示儀表是涉及微處理技術(shù)、顯示技術(shù)、記錄技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲技術(shù)和控制技術(shù)的新型顯示儀表，把信號檢測處理、顯示、記錄、數(shù)據(jù)儲存、通訊、控制、復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算等多個或全部功能集合于一體的新型儀表。它使用方便，觀察直觀，功能豐富，可靠性高4.3新型顯示儀表4.3.1無紙記錄儀特點(diǎn)：以CPU為核心，控制數(shù)據(jù)的采集、顯示、打印、存儲、報(bào)警等，采用液晶顯示裝置，不含有傳統(tǒng)記錄儀的機(jī)械傳動、紙張和筆。精度高，價格并不高。4.3.2虛擬顯示儀表特點(diǎn)：利用計(jì)算機(jī)來完成顯示儀表所有的工作。在計(jì)算機(jī)屏幕上完全模仿實(shí)際使用中的各種儀表，如儀表面盤、操作盤、接線端子等。用戶通過計(jì)算機(jī)鍵盤、鼠標(biāo)或觸摸屏進(jìn)行操作。第五章執(zhí)行器

本章重點(diǎn)介紹薄膜式氣動執(zhí)行器(氣動薄膜調(diào)節(jié)閥)的特性、選型。

執(zhí)行器的作用：接受控制器的控制信號，調(diào)整操縱變量。在生產(chǎn)現(xiàn)場，執(zhí)行器直接控制工藝介質(zhì)，若選型或使用不當(dāng)，會給生產(chǎn)過程的自動控制帶來困難。

執(zhí)行器按其能源形式可分為氣動、電動和液動三大類。

液動執(zhí)行器推力最大，但較笨重，很少使用。

電動執(zhí)行器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是分開的兩部分，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)有角行程和直行程兩種，都是以兩相交流電機(jī)為動力的位置伺服機(jī)構(gòu)，作用是將輸入的直流電流信號線性地轉(zhuǎn)換為位移量。電動執(zhí)行器安全防爆性能較差，在行程受阻或閥桿被卡住時電機(jī)易受損。

氣動執(zhí)行器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是統(tǒng)一的整體，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)有薄膜式和活塞式兩類。活塞式行程長，適用于要求有較大推力的場合；而薄膜式行程較小，直接帶動閥桿。由于氣動執(zhí)行器有結(jié)構(gòu)簡單，輸出推力大，動作平穩(wěn)可靠，本質(zhì)安全防爆等優(yōu)點(diǎn)，因此它在化工、煉油生產(chǎn)中獲得了廣泛的應(yīng)用。

4.1氣動薄膜調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)、類型及材質(zhì)

4.1.1氣動薄膜調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)

氣動薄膜調(diào)節(jié)閥的外型如圖4-l所示，其內(nèi)部簡單結(jié)構(gòu)如圖4-2所示。它由兩部分組成，上部為執(zhí)行機(jī)構(gòu)(也稱膜頭)，用來產(chǎn)生推力；下部為調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(也稱閥體)，用來控制介質(zhì)的流量。

如圖所示：當(dāng)來自控制器的氣壓信號增大時，作用在橡膠膜片上的向下推力就增大，通過托板壓縮彈簧，使推桿下移，直至與彈簧反作用力相平衡時為止。推桿(亦即閥桿)下移的距離與信號壓力成比例。當(dāng)信號壓力增大時，閥桿下移使調(diào)節(jié)閥關(guān)小，反之則開大。當(dāng)信號壓力在20-l00kPa范圍內(nèi)變化時，閥桿作全行程動作，閥門從全開到全關(guān)。P上蓋薄膜托板閥桿閥座閥體閥芯推桿平行彈簧下蓋

執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)分正作用和反作用兩種形式，如圖所示。當(dāng)信號壓力增加時推桿向下移動的叫正作用式；信號壓力增加時推桿向上移動的叫反作用式。較大口徑的調(diào)節(jié)閥都采用正作用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。信號壓力通過波紋膜片的上方或下方進(jìn)入氣室后，在波紋膜片上產(chǎn)生一個作用力，使推桿移動并壓縮或拉伸彈簧，當(dāng)彈簧的反作用力與薄膜上的作用力相平衡時，推桿穩(wěn)定在一個新的位置。信號壓力越大，推桿的位移量越大。正作用(b)反作用圖4-3執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正反作用

調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是一個局部阻力可以改變的節(jié)流元件。由于閥芯在閥體內(nèi)移動，改變了閥芯與閥座間的流通面積，即改變了閥的阻力系數(shù)，操縱變量(調(diào)節(jié)介質(zhì))的流量也相應(yīng)改變，從而達(dá)到調(diào)節(jié)工藝變量的目的。

圖示為最常用的直通雙座調(diào)節(jié)閥，閥桿上端通過螺母與執(zhí)行機(jī)構(gòu)推桿相連接，推桿帶動閥桿及閥桿下端的閥芯上下移動，流體從左側(cè)進(jìn)入調(diào)節(jié)閥，然后經(jīng)閥芯與閥座之間間隙從右側(cè)流出。

閥芯與閥桿間用銷釘連接，這種連接形式使閥芯根據(jù)需要可以正裝（正作用）也可以倒裝（反作用。

調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的正反作用

執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組合起來可以實(shí)現(xiàn)氣開式和氣關(guān)式兩種調(diào)節(jié)閥。有四種組合方式。

氣開式是輸入氣壓越大時開度越大，而在失氣是則全關(guān)，稱FC型；氣關(guān)式是輸入氣壓越大時開度越小，而在失氣時則全開，稱FO型。

調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)型式

5.1.2氣動薄膜調(diào)節(jié)閥的類型

A直通單座調(diào)節(jié)閥

閥體內(nèi)有一個閥芯和一個閥座。流體從左側(cè)進(jìn)入經(jīng)閥芯從右側(cè)流出。由于只有一個閥芯和一個閥座，容易關(guān)閉，因此泄漏量小，但在高壓差、大口徑時，閥芯所受到流體作用的不平衡推力較大。直通單座調(diào)節(jié)閥適用于壓差較小、要求泄漏量較小的場合。

直通單座調(diào)節(jié)閥

B直通雙座調(diào)節(jié)閥

閥體內(nèi)有兩個閥芯和閥座，流體從左側(cè)進(jìn)入，經(jīng)過上下閥芯匯合在一起從右側(cè)流出。它與同口徑的單座閥相比，流通能力增大20％左右，但泄漏量大，不平衡推力小。直通雙座調(diào)節(jié)閥適用于閥兩端壓差較大、對泄漏量要求不高的場合，但由于流路復(fù)雜而不適用于高粘度和帶有固體顆粒的液體。直通雙座調(diào)節(jié)閥

C其他類型的調(diào)節(jié)閥

(1)角形調(diào)節(jié)閥

閥體為直角，如圖所示。角形閥流向一般都是底進(jìn)側(cè)出，此時它的穩(wěn)定性較好；在高壓差場合，為了延長閥芯使用壽命而改用側(cè)進(jìn)底出的流向，但容易發(fā)生振蕩。角形調(diào)節(jié)閥流路簡單，阻力小，不易堵塞，適用于高壓差、高粘度、含有懸浮物和顆粒物質(zhì)流體的調(diào)節(jié)。

角形閥

(2)隔膜調(diào)節(jié)閥

用耐腐蝕襯里的閥體和耐腐蝕隔膜代替閥芯、閥座組件，由隔膜位移起調(diào)節(jié)作用。隔膜調(diào)節(jié)閥耐腐蝕性強(qiáng)，適用于對強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)流量的調(diào)節(jié)。結(jié)構(gòu)簡單，流路阻力小，流通能力較同口徑的其他閥大，無泄漏量。但由于隔膜和襯里的限制，一般只能在壓力低于1MPa，溫度低于150℃的情況下使用。

隔膜調(diào)節(jié)閥

(3)三通調(diào)節(jié)閥

有合流閥和分流閥兩種，前者是兩路流體混合為一路，后者是一路流體分為兩路。在閥芯移動時，總的流量不變，兩路流量的比例得到了調(diào)節(jié)。

在采用合流閥時，如果兩路流體溫度相差過大，會造成較大的熱應(yīng)力，因此溫差通常不能超過150℃。

三通調(diào)節(jié)閥示意圖三通閥應(yīng)用示例

（４）套筒形調(diào)節(jié)閥

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在單座閥體內(nèi)裝有一個套筒，閥塞能在套筒內(nèi)移動。當(dāng)閥塞上下移動時，改變了套筒開孔的流通面積，從而控制調(diào)節(jié)介質(zhì)流量。

由于閥塞上有均壓平衡孔，不平衡推力小，穩(wěn)定性很高且噪音小。因此適用于高壓差、低噪音等場合，但不宜用于高溫、高粘度、含顆粒和結(jié)晶的介質(zhì)控制。

套筒形調(diào)節(jié)閥

5.1.3氣動薄膜調(diào)節(jié)閥的材質(zhì)

一般情況下，閥體材料采用鑄鐵、鑄鋼或不銹鋼。特殊情況下（如腐蝕性介質(zhì)），各種合金鋼及高分子材料等也獲得廣泛的應(yīng)用。

調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中，介質(zhì)與外界的密封一般用填料函來實(shí)現(xiàn)，但在遇到劇毒、易揮發(fā)等介質(zhì)時，可以用波紋管密封。

5．2調(diào)節(jié)閥的靜態(tài)特性--流量特性

調(diào)節(jié)閥的靜態(tài)特性（流量特性）是指流過閥門的調(diào)節(jié)介質(zhì)的相對流量與閥桿相對行程(即閥門的相對開度)之間的關(guān)系。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

q/qmax=f(l/lmax)

或?qū)懗蒕=f(L)

Q=q/qmax表示調(diào)節(jié)閥某一開度的流量與全開時的流量之比，稱為相對流量；

L=l/lmax表示調(diào)節(jié)閥某一開度下閥桿行程與全開時閥桿全行程之比，稱為相對開度。

流量特性通常用兩種形式來表示：

(1)理想特性即在閥的前后壓差固定的條件下，流量與閥桿位移之間的關(guān)系，它完全取決于閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

(2)工作特性是指在工作條件下，閥門兩端壓差變化時，流量與閥桿位移之間的關(guān)系。

工作特性不僅取決于閥本身的結(jié)構(gòu)數(shù)也與配管情況有關(guān)。

5.2.1調(diào)節(jié)閥的理想流量特性

調(diào)節(jié)閥的前后壓差保持不變時得到的流量特性。閥門制造廠提供的就是這種特性。理想流量特性有線性、對數(shù)(等百分比)及快開三種。它們完全取決于閥芯的曲面形狀。閥芯曲面形狀

線性流量特性

線性流量特性是指調(diào)節(jié)閥的相對流量與相對開度成直線關(guān)系。即閥桿單位行程變化所引起的流量變化是常數(shù)。數(shù)學(xué)表達(dá)式為d(q/qmax)/d(l/lmax)=k

積分得q/qmax=k

l/lmax+C

式中，C為積分常數(shù)。

線性調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)K是一個常數(shù)，不論閥桿在什么位置，只要閥桿作相同的變化，流量的數(shù)值也作相同的變化?？梢娋€性調(diào)節(jié)閥在開度較小時靈敏度顯得過高，調(diào)節(jié)作用過強(qiáng)，容易產(chǎn)生振蕩，對控制不利；在開度較大時靈敏度又顯得太小，調(diào)節(jié)緩慢，削弱了調(diào)節(jié)作用。因此，當(dāng)線性調(diào)節(jié)閥在小開度或大開度的情況下工作時，控制性能都較差，不宜用于負(fù)荷變化大的場合。

對數(shù)流量特性(等百分比流量特性)

對數(shù)流量特性是指單位行程所引起的相對流量變化，與此點(diǎn)的相對流量成正比關(guān)系。即調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)K是變化的，它隨相對流量的增加而增加。數(shù)學(xué)表達(dá)式：d(q/qmax)/d(l/lmax)=kq/qmax

積分得：ln(q/qmax)=k(l/lmax)+C

上式表明相對行程與相對流量成對數(shù)關(guān)系，在直角坐標(biāo)上得到的一條對數(shù)曲線。又因?yàn)殚y桿位移增加1％，流量在原來基礎(chǔ)上約增加3.4％，所以也稱為等百分比流量特性。

由于對數(shù)閥的放大系數(shù)K隨相對開度增加而增加，因此，對數(shù)閥有利于自動控制系統(tǒng)。在小開度時調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)小，控制平穩(wěn)緩和；在大開度時放大系數(shù)大，控制靈敏有效。

快開流量特性

這種流量特性在開度較小時就有較大流量，隨著開度的增大，流量很快就達(dá)到最大，隨后再增加開度時流量的變化很小，故稱為快開特性。

5.2.2調(diào)節(jié)閥的工作流量特性

在實(shí)際生產(chǎn)中，調(diào)節(jié)閥前后壓差總是變化的。調(diào)節(jié)閥前后壓差隨管路系統(tǒng)阻力損失變化而發(fā)生變化。在圖示的串聯(lián)系統(tǒng)中，系統(tǒng)的總壓差p等于管路系統(tǒng)