过程控制系统中的仪器仪表
过程控制仪表
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1．硬手动操作电路
2．软手动操作电路
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保持电路：当S4-1~S4-4全部处在断开位置时 (图 2—83)，下端浮空，UT＝UF＝0V(相对于UB而 言)，CM上的电压无放电回路而长时间保持不变，即 U03＝UM，调节器输出能长时间保持不变。（意义）
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五、执行器
（一）概述
执行器(调节阀)由执 行机构和调节机构(阀)两 部分组成。在一个过程控 制系统中，它接受调节器 输出的控制信号，并转换 成直线位移或角位移，来 改变阀芯与阀座间的流通 截面积以控制流入或流出 被控过程的流体介质的流 量，从而实现对过程参数 的控制。
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Uo=±N1(Ui1-1) ±N2(Ui2-1) ±N3(Ui3-1) ±N4(Ui4-1)+ Up ----(2-139) 式中 Uo ——输出信号 Ui1~ Ui4 ——输入信号 N1~N4 ——运算系数（0.005~5） Up ——偏置电压（-9v~+9v）
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(二)比例微分(PD)电路
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微分增益KD=n=10 微分时间TD=nRPDCD =KDRPDCD
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(三)比例积分(PI)电路
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电动单元组合仪表，简称DDZ仪表。经历了I型、 II型(均已停产)、III型和S型等产品系列。由于其 信号传输、放大、变换、处理比QDZ仪表方便，又 便于远传，易于与计算机联用，所以在过程控制工 程中应用很广，而QDZ现已较少使用。 以微处理器为核心的可编程调节器是于80年代问世 的一种新型数字过程控制仪表(智能仪表)，在工业 生产过程自动化中得到了广泛的应用。
过程控制仪表.详解
过程控制 3、按结构形式分类
单元组合式仪表 基地式仪表 集散型计算机控制系统
现场总线控制系统
过程控制
单元组合式仪表： 根据控制系统各组成环节的不同功能和使用要求，将仪表做 成能实现一定功能的独立仪表（称为单元），各个仪表之间 用统一的标准信号进行联系。 将各种单元进行不同组合，可以构成多种多样、适用于各种不 同场合需要的自动检测或控制系统。 有电动单元组合仪表（DDZ）和气动单元组合仪表（QDZ）两 大类。都经历了I型、II型(010mA) 、III型(420mA, 15v)的 三个发展阶段。
最简单的电动执行器称为电磁阀
其它连续动作的电动执行器都使用电动机作动力元件，将
调节阀的信号转变为阀的开度 + 伺服电动机 伺服放大器 －
减速器
位置发生器
电动执行机构的构成框图
三、调节阀的气开和气关
1、执行机构与调节机构的组合
过程控制
气开阀：在有信号压力输入时阀打开、无信号压力时阀全关 气关阀：在有信号压力时阀关闭，无信号压力时阀全开 从控制系统角度出发，气开阀为正作用，气关阀为反作用
4、数学运算
过程控制
当检测信号与被控变量之间有一定的函数关系时，需要进行数 学运算获得实际的被控变量数值。
5、信号报警
如果检测变送信号超出工艺过程的运行范围，就要进行信号 报警和连锁处理。
6、数字变换
例如快速傅里叶变换、小波变换； 在计算机控制系统中，模数转换和数模转换时经常使用的。
3.3 执行器
过程控制
温度变送器 压力变送器 将各种被测参数变换成相 应的标准统一信号传送到 接收仪表或装置，以供显 示、记录或控制
过程控制系统第3章思考题与习题
第3章思考题与习题1.基本练习题（1）在过程控制中，哪些仪表是属于过程控制仪表？在过程控制系统中，大多数调节器是电动的，而执行器多数是气动的，这是为什么？气动单元组合仪表与电动单元组合仪表各单元之间的标准统一信号又是如何规定的？答：1）在过程控制中，过程控制仪表有：调节器、电/气转换器、执行器、安全栅等。
2）调节器选电动的因为电源的问题容易解决，作用距离长，一般情况下不受限制；调节精度高，还可以实现微机化。
执行器多数是气动的,因为执行器直接与控制介质接触，常常在高温、高压、深冷、高粘度、易结晶、闪蒸、汽蚀、易爆等恶劣条件下工作，选气动的执行器就没有电压电流信号，不会产生火花，这样可以保证安全生产和避免严重事故的发生。
3）气动仪表的输入输出模拟信号统一使用0.02~0.1MPa的模拟气压信号。
电动仪表的输入输出模拟信号有直流电流、直流电压、交流电流和交流电压四种。
各国都以直流电流和直流电压作为统一标准信号。
过程控制系统的模拟直流电流信号为4~20mADC,负载250 Q ；模拟直流电压信号为1~5V DCo（2）某比例积分调节器的输入、输出范围均为4-20mADC,若设5 = 100%、7； = 2min , 稳态时其输出为6mA；若在某一时刻输入阶跃增加1mA,试求经过4min后调节器的输出。
答：由比例积分公式（3-1）所示：y = l e+lfedt• Tj 丿稳态时:yb=6mA,（3）简述DDZ-III型全刻度指示调节器的基本组成、工作状态以及开关S广丄的作用。
(3-1)依题意：p = —= 100%,Kj,即Ap =1, e=l；4min 后：=9mA答：1）调节器由控制单元和指示单元组成。
控制单元包括输入电路、PD与PI电路、输出电路、软手动与硬手动操作电路;指示单元包括输入信号指示电路和给定信号指示电路。
2）工作状态：自动、软手动、硬手动三种。
3） 6~亠为自动、软手动、硬手动联动切换开关。
第3章 过程控制仪表
过程控制系统与仪表 第3章
比例度P的物理意义： 使控制器输出变化100%时，所对应的偏差变 化相对量。如P=50%表明：
y
100%
P=50%
50%
P=100%
0
xmin
xr
xmax
x
控制器输入偏差 变化50% ，就可使控 制器输出变化100%， 若输入偏差变化超过 此量，则控制器输出 饱和，不再符合比例 关系。
a p = b e
p a e b
y KPe
如果e = 0，则活塞 无法提高，Q1 无法加 大，调节无法进行。
过程控制系统与仪表 第3章
比例控制过程 原来系统处于平衡， 进水量与出水量相等，此 时进水阀有一开度。 t=0时，出水量阶跃增 加，引起液位下降，浮球 下移带动进水阀开大。 当进水量增加到与出 水量相等时，系统重新平 衡，液位也不再变化。
y
t
T
T0
t
被控温度在T0 上下振荡，无法稳定。
过程控制系统与仪表 第3章
三位控制：
控制器有三个输出位值，可以控制两个继电器。
yma
x
y
三位控制器电路原理框图：
e1 e2 e
－ 给定1 测量信号 给定2 ∞ ＋ U01
ymin
＋
－
＋
∞
＋ U02
过程控制系统与仪表 第3章
例2：温度三位控制系统 温度低于T1时，温控器使继电器1、2都吸合， 加热器1、2都通电加热；温度高于T1低于T2时，温 控器使继电器1吸合、继电器2断开，只有加热器1通 电；温度高于T2时，继电器1、2都断开。
进水
出水 ～ 220V
过程控制系统与仪表 第3章
过程控制仪表[1]
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过程控制仪表[1]一、氧量分析仪1、氧含量分析仪是目前工业生产自动控制中应用最多的在线分析仪表，主要用来分析混合气体中的含氧量等。
2、过程氧量分析器大致可分为两大类。
一类是根据电化学法制成，如原电池法、固体电介质法和极谱法等；另一类是根据物理法制成，如热磁式、磁力机械式等。
电化学法灵敏度高，选择性好，但响应速度较慢，维护工作量大。
目前常用于微氧量分析。
物理法响应速度快，不消耗被分析气体，稳定性较好，使用维修方便。
广泛地应用于常量分析。
磁力机械式氧气分析器有不受背景气体导热率、热容的干扰。
具有良好的线性响应，精确度高等优点。
3、氧化锆分析仪利用氧化锆固体电解质在高温下具有传导氧离子的特性测量含氧浓度的。
氧化锆是固体电解质，在高温下具有传导氧离子的特性。
在氧化锆两侧涂上多孔铂电极，当两侧气体中氧浓度不同时，会发生下列反应：这样就构成了以氧化锆管为电解质的浓差电池。
如果把氧化锆元件加热到规定的温度（750度），测量气在一边流动，测量气中氧浓度和参比气中氧浓度之比的对数与电动势成正比，因而只要测得电动势就可以知道被测气体的含氧浓度。
5、磁式氧分析仪基于氧气的体积磁化率大，以及它的磁化率随温度升高而急剧降低的特性测量的。
氧的磁化率远大于其他气体磁化率这一物理现象来测量混合气中氧含量的一种物理式气体分析仪。
由于直接测量磁化率值很复杂，工业上多采用间接测量，即根据磁化率随温度升高而减小的热磁现象，通过桥式电路来进行测量。
它适用于自动连续地测定各种工业气体中的氧含量二、红外线分析器1、基于某些气体对不同波长的红外线辐射能具有选择性吸收的特征，制成的一种物理式分析仪，能连续测量，测量范围宽，精度高，灵敏度高，并且具有良好的选择性，在工业上产中得到了广泛的应用。
各种多原子气体（CO、CO2、CH4等）对红外线都有一定的吸收能力，但不是整个波段都能吸收，而只是吸收一部分波段，这些波段称之为特征吸收波段。
常见的多原子气体特征吸收波长见下表：2、由于气体不同，吸收红外线的波长也不同。
过程控制与自动化仪表介绍
过程控制与自动化仪表介绍1. 引言过程控制是指在工业生产中，通过监测和调整工艺参数，以实现对生产过程的控制和优化。
自动化仪表则是过程控制的重要工具，用于测量、传输和处理工艺参数，为控制系统提供准确的反馈信息。
本文将详细介绍过程控制与自动化仪表的基本概念、原理和应用。
2. 过程控制的基本概念过程控制是指通过监测和调整工艺参数，使生产过程达到预期目标的过程。
这里的工艺参数可以是温度、压力、流量、液位等物理量，也可以是其他关键的过程指标。
过程控制分为反馈控制和前馈控制两种方法。
反馈控制是根据测量到的实际过程参数值与预期目标值之间的差异，通过调整控制器输出信号来纠正偏差，使过程参数保持在合理范围内。
前馈控制则是根据已知的过程变化规律，提前调整控制器输出信号，以使过程参数能够在预期的变化中保持稳定。
3. 自动化仪表的基本原理自动化仪表是过程控制的关键设备，可以完成对工艺参数的测量、传输和处理。
常见的自动化仪表包括温度传感器、压力传感器、流量计、液位计等。
3.1 温度传感器温度传感器用于测量和监控物体或环境的温度。
常见的温度传感器有热电偶、热电阻和红外线传感器。
热电偶利用两种不同金属的电动势差来测量温度，热电阻则利用电阻与温度呈线性关系的特性来测量温度。
3.2 压力传感器压力传感器用于测量和监控气体或液体的压力。
常见的压力传感器有压阻式传感器和压电式传感器。
压阻式传感器通过测量电阻的变化来间接测量压力，而压电式传感器则是利用压电晶体的压电效应来直接测量压力。
3.3 流量计流量计用于测量和监控液体或气体的流量。
常见的流量计有浮子流量计、涡轮流量计和电磁流量计等。
浮子流量计通过测量浮子位置的变化来间接测量流量，涡轮流量计则是利用涡轮的旋转速度与流体的流速成正比关系来测量流量。
3.4 液位计液位计用于测量和监控液体的液位高度。
常见的液位计有浮子液位计、压力液位计和超声波液位计等。
浮子液位计通过测量浮子的位置变化来间接测量液体的液位，而超声波液位计利用超声波的传播时间来直接测量液位的高度。
过程控制与自动化仪表
过程控制与自动化仪表简介过程控制是指通过测量与调节技术来实现对工业过程的控制，以达到预定的工艺要求。
而自动化仪表则是过程控制中不可或缺的一部分，它用来测量、记录和控制各种过程变量，为过程控制提供准确的数据与反馈信息。
本文将对过程控制与自动化仪表进行详细介绍。
过程控制过程控制是指对工业过程进行监测与调节，以实现所需的工艺要求。
过程控制可以分为两种类型：开环控制和闭环控制。
开环控制开环控制是一种基本的控制方式，它仅通过设置一组固定的控制参数来实现对工业过程的控制。
开环控制没有反馈机制，因此无法对过程中的变化进行实时调节。
这种控制方式适用于对过程中变化不大的情况，例如温度或压力稳定的控制。
闭环控制闭环控制是一种更为高级的控制方式，它通过测量过程变量并与设定值进行比较，然后根据比较结果进行调整。
闭环控制能够实时监测过程中的变化，并通过反馈机制来调整控制参数，使得过程保持稳定。
这种控制方式适用于对过程变化较大的情况，例如温度、液位或流量等。
自动化仪表自动化仪表是过程控制中的核心设备，用于测量、记录和控制各种过程变量。
自动化仪表通常由传感器、执行器和控制器组成。
传感器传感器是自动化仪表中最基本的部件，用于将物理量转换为电信号。
常见的传感器包括温度传感器、压力传感器、液位传感器等。
传感器的选择需要根据需要测量的物理量和工艺要求来确定。
执行器执行器是用于控制过程变量的设备，它根据控制器的指令进行动作。
常见的执行器包括电动阀、电动调节阀、气动执行器等。
执行器的选择需要考虑控制要求、工作环境和应用场景等因素。
控制器控制器是自动化仪表的核心，用于接收传感器的信号并根据设定值进行控制。
常见的控制器有PID控制器、PLC控制器等。
控制器的选择需要根据控制要求和控制策略来确定。
过程控制与自动化仪表的应用领域过程控制与自动化仪表广泛应用于各个工业领域，包括石化、制药、电力、冶金等。
以下是一些典型的应用领域：石化工业在石化工业中，过程控制与自动化仪表用于监测与控制各个工艺单元，例如蒸馏塔、反应器、炉窑等。
工业自动化仪表及过程控制(检测仪表)
工业自动化仪表及过程控制(4)Industrial Automation Instrumentations andProcess Control第1章检测仪表物位测量(Level Measuring)●物位●液位●料位●界面液位测量应用例玻璃液位计(Tubular gage glass)玻璃液位计应用实例浮力式液位计浮标标尺平衡重物浮球液位计UFB系列磁浮球液位变送器BW25浮筒液位计根据阿基米德原理进行液位测量的液位计。
可用于测量开口和压力容器内的液位，尤其适合在高温高压条件下使用浮子杠杆液位计变浮力液位计浮子钢带液位计(Float and tape)带远传信号的浮球钢带液位计静压式液位计=PρgH差压式液位变送器1.工作原理2.零点迁移问题=-∆=PρPHgP+-差压液位计差压液位计d DL C ln 2πε=（被测介质为导电介质）d D L C ln 2πε=电容式液位计原理H 反射式vt H 21超声液位计阻尼式、遮断式类似原理液位计：核辐射式、激光式、雷达式、光电式、红外式智能雷达液位仪第1章检测仪表（13）成分测量（analyzer）•气体成分分析仪•液体成分分析仪•酸碱度分析仪表•密度计•湿度计、水分仪•粘度计•尘量计、烟量计及雾量计•石油产品的成分及特性测定仪表•金属分析仪器▪不同的气体，其导热系数λ是不同的(见表）。
▪在热传导过程中，λ不同，则热传导的速度不同。
▪混合气体的总导热系数等于各组分导热系数的平均值。
∑==n i ii c 1λλ1212212211)(12c c c c c n if λλλλλλλ-+==++==2121λλλλ--=C热导式分析仪原理1I c R q →→→→→λλ热导池（测量室）热导池常见结构：双臂分流式单臂分流式单臂扩散式热导式分析仪参比室作用参比室的作用：减少环境温度对测量的影响。
测量室内臂温度T 变化，测量室电阻丝R 1、R 3电阻值变化，参比室电阻丝R 2、R 4电阻值同样变化，测量电桥输出V 0不变。
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温度计名称 玻璃温度计
简单原理及常用测温范围 液体受热时体积膨胀
－100℃～600℃
金属受热时线性膨胀 －50℃～600℃ 温包内的气体或液体因受热而改变压 力－50℃～600℃ 导体或半导体的电阻值随温度而改变 －200℃～600℃
热 膨 胀 接 触 式 热 电 阻
双金属温度计
压力式温度计
热电阻温度计
2018年10月4日
过程控制
宋海辉
10
二、热电偶温度计
过程控制
热电偶名称 分度号
第4章过程控制系统中的仪器仪表
主要性能 测温范围/℃ 长期使用 20～1300
短期使用
铂铑10—铂
正极含铑30%
S
热电性能稳定，抗氧化性能好，适用于氧化性和中性气 氛中测量，但热电势小，成本高。 稳定性好，测量温度高，参比端在0～100℃范围内可以 不用补偿导线；适于氧化性气氛中的测温；热电势小， 价格高。 热电势大，线性好，适于在氧化性和中性气氛中测温， 且价格便宜，是工业上使用最多的一种。 热电势大，灵敏度高，价格便宜，中低温稳定性好。适 用于氧化或弱还原性气氛中测温。 测量精度高，稳定性好，低温时灵敏度高，价格最低。 适用于氧化和还原性气氛中测温。 低温时灵敏度高、稳定性好，价格便宜。适用于氧化和 还原性气氛中测温。
宋海辉
6
热电偶温度计
过程控制 第4章过程控制系统中的仪器仪表
结构：括热电偶、显示仪表、导线 热电偶--测温元件； 显示仪表--检测热电偶产生的热电势信号，可以采用动圈 式仪表，也可以用ER180系列等其他仪表； 导线 –连接热电偶和显示仪表，补偿导线
1．热电偶的测温原理（热电效应原理）
热电偶：由两种不同材料的导体A和B焊接或绞接而成。 导体A、B称为热电极，合称热电偶。 自由端
工作端 测量端 热端
2018年10月4日 过程控制 宋海辉
参比端 冷端
mV
7
过程控制
第4章过程控制系统中的仪器仪表
2018年10月4日
过程控制
宋海辉
8
二、热电偶温度计
过程控制 第4章过程控制系统中的仪器仪表
1．热电偶的测温原理（热电效应原理） 热电效应：将热电偶的工作端插入需要测量温度的生产设 备中，冷端置于生产设备的外面，当两端所处的温度不同 时（如热端为t，冷端为t0），在热电偶回路内就会产生热 电势，我们把这种物理现象称为热电效应。
需要补偿导线，安装费用 较高 只能目测，必须熟练才能 测得比较准确的数据 构造复杂，价格高，读数 麻烦 误差较大
5
光学高温计
非 接 触 式 热 辐 射
光电高温计
辐射高温计
2018年10月4日
宋海辉
液体膨胀式温度计
过程控制 第4章过程控制系统中的仪器仪表
酒精式
水银式
膨胀式温度计
2018年10月4日
过程控制
热 电 势
热电偶温度计
两种不同金属导体接点受热产生热电 势－50℃～1600℃ 加热体的亮度随温度高低而变化 700℃～3200℃ 加热体的颜色随温度高低而变化 50℃～2000℃ 加热体的辐射能量随温度高低而变化 50℃～2000℃
过程控制
测量准确，和热电阻相 比安装维护方便不易损 坏，
测温范围广，携带使用 方便．价格便宜 反应速度快．测量较准 确 反应速度快
热电偶温度计 热电阻温度计 压力式温度计 辐射高温计 光学高温计
2018年10月4日 过程控制
宋海辉
4
一、温度检测的基本概念
过程控制点 价廉、精度较高、稳定 性好 示值清楚、机械强度较 好 价廉、最易就地集中检 测 测量准确，可用于低温 或低温差测量 缺点 易破损，只能安装在易观 察的地方 精度较低 毛细管机械强度差，损坏 后不易修复 和热电偶相比，维护工作 量大．振动场合容易损坏
过程控制 宋海辉
2018年10月4日
9
二、热电偶温度计
过程控制 第4章过程控制系统中的仪器仪表
结论：
（1）保持冷端温度不变时，用表测出热电势EAB(t,t0)就 可得知测温度。 （2） 产生热电势的充要条件：A、B导体材料不同，两 接触点温度不同。 注意： 1）EAB(t,t0)≠f(t-t0),是温度函数的差，非温度差的函数 2）常用分度表在T0=0℃时列出的 3）接触电势>>差电势（一般情况下）故热电势的极性取 决于接触电势极性。
测量误差:测量值与真实值之间的差值。
2018年10月4日
过程控制
宋海辉
1
概
二、检测仪表的基础知识
（一）检测仪表的分类 1．根据敏感元件与被测介质 是否接触
过程控制
述
3．按使用场合不同
第4章过程控制系统中的仪器仪表
接触式检测仪表 非接触式检测仪表
2．按精度等级的不同
标定室仪表 实验室仪表 现场仪表
概
过程控制
述
第4章过程控制系统中的仪器仪表
一、 测量的基本知识
（一）测量过程
测量：用专用工具将被测量与基准单位进行比较的过程. 测量实质：将被测量经一次或多次信号能量形式的变换和 传递，最终获得便于和基准单位比较的信号能量形式，再通 过指针位移或数字符号等将比较结果显示出来。
（二）测量误差
4.按被测变量分类
标准仪表 范型仪表 实用仪表
2018年10月4日 过程控制 宋海辉
压力检测仪表 物位检测仪表 流量检测仪表 温度检测仪表 成分分析仪表
2
过程控制
4.1检测变送及仪表 4.1.1 温度检测
第4章过程控制系统中的仪器仪表
一、温度检测的基本概念
（一）温度的基本概念 温度——是表征物体冷热程度的物理量。它反映了物体分子作 无规则热运动平均动能的大小。 温度测量——不能直接测量，只能间接测量。
温度测量的方法
（1）冷热不同的物体之间的热交换 （2）物体的某些物理性质随冷热程度不同而变化的特性来加 以间接的测量。
2018年10月4日
过程控制
宋海辉
3
一、温度检测的基本概念 过程控制 第4章过程控制系统中的仪器仪表
（二）测温仪表的分类 1.按测温范围来分 高温计：测量600℃以上温度的仪表 温度计：测量600℃以下温度的仪表 2.按工作原理分 膨胀式温度计 3.按感温元件和被测介质接触与否 接触式温度计 非接触温度计
E AB t , t0 E AB t E AB t0
EAB(t) 指热电偶工作端温度t，冷端温度为0时的热电势 EAB(t0)指热电偶工作端温度t0，冷端温度为0时的热电势 当冷端温度t0不变、两种热电极材料一定时， EAB(t0)= C为常数, 则：
EAB（t，t0）=EAB（t）- C =f（t）