过程参数检测及仪表
第八章_发酵过程参数的检测及控制
主要参数检测原理及仪器
•液体和气体流量测定
主要参数检测原理及仪器
• 搅拌转速
常用检测方法：磁感应式、光感应式和测速发电机等。
感应片切割磁 场或光速。
输出电压与转 速成正比。
主要参数检测原理及仪器
• pH的检测
常用pH检定仪为复合pH电极，具有
结构紧凑，可蒸汽加热灭菌的优点。
思考：pH电极如何标定？
③自适应控制：
提取有关输入、输出信息，对模型和
参数不断进行辩识，使模型逐渐完善；同
时自动修改控制器的动作，适应实际过 程。——自适应控制系统。
2、发酵自动控制系统的硬件组成
传感器 变送器 执行机构
电磁阀、气动控制阀、电动调节阀、变速电机、 正位移泵、蠕动泵。
转换器 过程接口 监控计算机
（一）温度的控制
生长阶段
生成阶段
自溶阶段
2、引起pH下降的因素
碳源过量 消泡油添加过量 生理酸性物质的存在
3、引起pH上升的因素
氮源过多
生理碱性物质的存在 中间补料，碱性物质添加过多
4、 pH的控制
调节基础培养基的配方
调节碳氮比（C/N）
添加缓冲剂 补料控制 – 直接加酸加碱 – 补加碳源或氮源
1、基本的自动控制系统
②反馈控制 反馈控制是自动控制的主要方式
控制器
被控对象
传感器
1、基本的自动控制系统
②反馈控制
开关控制：控制阀门的全开全关；
PID控制：采用比例、积分、微分控制算法；
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ串联反馈控制：
两个以上控制器对一变量实施联合控制；
前馈/反馈控制：
前馈控制与反馈控制相结合。
过程参数检测及仪表第2章 误差分析及处理
按误差出现的规律，将下列误差进行分类
1、用一只电流表测量某电流，在相同条件下每隔一定时间重复 测量n次，测量数值间有一定的偏差。 2、用万用表测量电阻时，由于零点没有调整，测得的阻值始终 偏大。 3、由于仪表放置的位置问题，使观测人员只能从一个非正常角 度对指针式仪表读数，由此产生的读数误差。 4、由于仪表刻度（数值）不清楚，使用人员读错数据造成的误 差。 5、用热电偶测量温度，由于导线电阻引起的测量误差。 6、要求垂直安装的仪表，没有按照规定安装造成的测量误差。
b a c e d
t
曲线a是恒定系统误差 曲线b是线性变化系统误差 曲线c是非线性变化系统误差 曲线d是周期性变化系统误差 曲线e是复杂规律变化系统误差
再现性 --- 偏差（Deviation） 理论分析/实验验证 --- 原因和规律 --- 减少/消除
系统误差是有规律性的，因此可以 通过实验的方法或引入修正值的方 法计算修正，也可以重新调整测量 仪表的有关部件予以消除。
改变测量条件（如方向）--- 两次测量结果的误差符号相反 --- 平均值消除带有间隙特性的定值系统误差 例：千分尺 --- 空行程（刻度变化，量杆不动）--- 系统误差 正反两个方向对准标志线——不含系统误差－a， 空程引起误差－ε 顺时针 ---
d = a+ε
逆时针 --- d ' = a − ε 正确值 --- a = ( d + d ' ) / 2
第二章 测量误差的分析与处理
第一节 测量误差的概念
实验结果 --- 实验数据 --- 与其理论期望值不完全相同
1、测量误差的产生原因 （1）检测系统误差 （2）环境误差 （3）方法误差 （4）人员误差
2、测量误差的分类
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。
自动检测技术及仪表 第1章 检测技术及仪表概述
五、检测技术及仪表的研究内容
（1）研究传感原理方法及相应器件设备。 （2）研究信息处理（如信号放大、滤波等）与变换的方法。
【克服干扰；从间接信号中恢复目标信息。】 （3）研究检测问题中信息传输、接收、存储、显示的方法与技术。 （4）研究抗干扰技术和故障检测、诊断的功能。 （5）研究检测方法、检测仪表及检测系统的理论分析方法、参数及结 构的最优化设计技术。 （6）研究智能仪表的设计与集成方法。
2023年8月14日
EXIT
第1章第7页
二、检测技术及仪表的应用
工业生产 医疗卫生 日常生活 军工武器 ……
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第1章第8页
三、检测技术及仪表的地位和作用
人类正在走出机械化的过程，进入以物质手段扩展人的感官神经系统
及脑力智力的时代，而这种物质手段的首要方面正是检测技术及仪器仪表。
测。
2023年8月14日
EXIT
第1章第17页
二、直接检测、间接检测与联立检测
联立测量（也称组合测量）
其中： x1, x2, …, xm：被测量 y1，y2，…， yn：直接测得值
20第18页
二、直接检测、间接检测与联立检测
检测刻线0、1、2、3间的距离，要求每个刻线间隔测 量3次：
自动检测技术：能够自动地完成整
个检测过程的技术，以信息的获取、 转换、显示和处理的自动化为主要研 究内容。
研究新的检测方法
仪表技术 利用新的检测技术
开发现代化的检测系统
自动检测技术 检测技术
检测仪表技术
获取分辨率、准 确度、稳定性和 可靠性都很高的 对象信息
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第1章第12页
过程控制及自动化仪表总结
练习题
一台具有比例积分控制规律的DDZ-III型控制器， 其比例度δ为200%时，稳态输出为5mA。在某瞬 间，输入突然变化了0.5 mA，经过30s后，输出由 5mA变为6mA，试问该控制器的积分时间TI为多 少？
比例积分控制器，列写出PI控制算式。KP =1， TI=2分钟，当输入是幅值为A的阶跃信号时，2分 钟后输出的变化量是多少？
练习题
什么是仪表的测量范围及上、下限和量程？彼此 有什么关系？
练习题
什么是仪表的测量范围及上、下限和量程？彼此 有什么关系？ 用于测量的仪表都有测量范围，测量范围的最 大值和最小值分别称为测量上限和测量下限， 量程是测量上限值和测量下限值的差，用于表 示测量范围的大小。 已知上、下限可以确定量程，但只给出量程则 无法确定仪表的上、下限以及测量范围。
4、简单控制系统
n 了解简单控制系统的结构、组成及作用 n 掌握简单控制系统中被控变量、操纵变量选择的一般 原则 n 了解各种基本控制规律的特点及应用场合 n 掌握控制器正、反作用确定的方法 n 掌握控制器参数工程整定的方法
主要内容
★分析给定的系统 ★制定控制方案 被控对象、被控变量、操纵变量、执行器、控制器 ★画出控制系统的方框图 ★选择执行器的气开、气关 ★选择控制器的控制规律
差压式液位计的工作原理是什么？当测量密闭 有压容器的液位时，差压计的负压室为什么一定 要与气相相连接？
练习题
差压计三阀组的安装示意图如图所示， 它包括两个切断阀和一个平衡阀。 安装三阀组的主 要目的是为了在开 停表时，防止差压计单向受到很大的 静压力，使仪表产生附加误差，甚至 损坏。为此，必须正确地使用三阀组。 具体步骤是：
★选择控制器的正作用、反作用
第3章工艺参数检测和调节仪表PPT
n
主调节弹簧力的大小，决定了 温度控制器的下限动作值，转动 (zhuàn dòng)主调螺杆8就可以改 变主调弹簧的预紧力，也就是改变 了控制器下限温度值。调节时指针 随主调节弹簧上下移动，在标尺上 可以直接指示出下限温度值。
第三十七页，共150页。
当被测温度升高，传动杆顶动杠杆逆时针转动一 段距离后，便顶住了幅差弹簧，这时触点还没有变位， 而杠杆要继续转动，在继续克服主调弹簧拉力矩的同 时，还必须克服幅差弹簧的顶力矩，才能使触点变位。 可见，转动幅差旋钮3，调节幅差弹簧20的弹力，可 改变上限(shàngxiàn)动作温度值（即改变幅差）。 温度调节器上限(shàngxiàn)＝下限值+幅差。值得注 意的是幅差调节旋钮上分0～10格的刻度，每格并不 代表一度，而是幅差分档的相对数，以0为最小幅差， 10为最大幅差。一般幅差可调范围为3～5℃。
第三十五页，共150页。
若被测温度下降，传动杆的顶力矩也下 降，杆杠绕支点顺时针方向转动(zhuàn dòng)，刚转动(zhuàn dòng)一点，不 足以使跳簧片动作，只有被测温度降到 控制器调定值的下限时，跳簧片动作， 带动动触点右移，使之与静触点9断开 与静触点11闭合，发温度下限信号。
第三十六页，共150页。
（1）灵敏度。灵敏度表示测量仪表对
被测参数变化(biànhuà)的敏感程度。
灵敏度
仪表指针的位移 引起位移的被测参数变化值
第十一页，共150页。
仪表灵敏度越高，越能感觉被测参数 的微小变化。
（2）灵敏限。仪表的灵敏限是指当仪 表的输入量相当缓慢地从零开始逐渐
(zhújiàn)增加 到仪表的指示值发生可察觉的极微小的变 化时，所需输入量的最小变化值。仪表的 灵敏限是衡量测量仪表在量程的零点不灵 敏程度的指标，亦称为死区。当输入量比 它更小时，就观察不到示值的变化。
过程控制与仪表课程设计
过程控制与仪表课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生理解过程控制的基本概念，掌握仪表的种类、工作原理及其在工业中的应用。
2. 使学生掌握过程控制系统的数学模型，了解被控对象、控制器、执行器等组成部分的特性。
3. 让学生了解过程参数的检测与变送原理，掌握各类传感器的使用方法和调试技巧。
技能目标：1. 培养学生运用所学知识分析、解决实际过程控制问题的能力，能设计简单的过程控制系统。
2. 培养学生动手操作仪表，进行系统调试、故障排除的能力。
3. 提高学生的团队协作能力和沟通能力，能在小组合作中发挥各自优势，共同完成过程控制系统的设计与优化。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对过程控制与仪表领域的兴趣，激发学生主动学习的积极性。
2. 培养学生严谨的科学态度，注重实践与理论相结合，提高学生的工程素养。
3. 引导学生关注过程控制技术在实际生产中的应用，认识到学习本课程的实际意义，增强学生的社会责任感。
课程性质：本课程为专业技术课程，旨在使学生掌握过程控制与仪表的基本理论、方法和技术，培养学生的实际操作能力和工程素养。
学生特点：高二年级学生，已具备一定的物理、数学基础，对工程技术有一定了解，具备初步的分析问题和动手能力。
教学要求：结合学生特点和课程性质，注重理论与实践相结合，强化学生的实际操作能力，提高学生解决实际问题的能力。
将课程目标分解为具体的学习成果，以便于教学设计和评估。
二、教学内容1. 过程控制基本概念：控制系统的分类、性能指标、稳定性与可控性。
2. 仪表及传感器：仪表的分类及工作原理，常见传感器（如温度、压力、流量传感器）的原理与应用。
3. 过程控制系统的数学模型：被控对象、控制器、执行器的数学描述，传递函数与方框图。
4. 控制器设计：PID控制算法，参数整定方法，串、并联控制系统的设计与分析。
5. 过程参数检测与变送：检测原理，变送器的种类及特性，信号处理与传输。
6. 过程控制系统的实现：控制系统硬件、软件组成，系统调试与优化。
化工仪表自动化 【第三章】概述及压力检测及仪表
3.1 概述
测量工具不够准确
测量者的主观性
周围环境的影响等
3.1 概述
1.测量误差的定义 由仪表读得的被测值与被测量真值之间的差距。 2.测量误差的表示方法
绝对误差
相对误差
xi：仪表指示值, xt：被测量的真值 由于真值无法得到 x：被校表的读数值， x x0 x0 ：标准表的读数值
导体也有霍尔效应，不过它们的霍尔电势远比半导 体的霍尔电势小得多。
3.2 压力检测及仪表
将霍尔元件与弹簧管配合，就组成了霍尔片式弹 簧管压力传感器，如图3-10所示。 当被测压力引入后，在 被测压力作用下，弹簧管自由 端产生位移，因而改变了霍尔 片在非均匀磁场中的位置，使 所产生的霍尔电势与被测压力 成比例。 利用这一电势即可实 图3-10 霍尔片式压力传感器 现远距离显示和自动控制。
将检测的参数转换为一定的便 于传送的信号的仪表
变送器
传感器的输出为单元组合仪表 中规定的标准信号
3.1 概述
测量过程的实质： 将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程。 测量仪表： 将被测参数经过一次或多次的信号能量变换，最终获得 一种便于测量的信号能量形式，并由指针位移或数字形式 显示。
第三章 检测仪表及传感器 3.2 压力检测及仪表
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ1.压力的单位
压力是指均匀垂直地作用在单位面积上的力。
F S 式中，p表示压力；F表示垂直作用力；S表示受力面积。 p
压力的单位为帕斯卡，简称帕（Pa）
1Pa 1 N m2
1MPa 1106 Pa
3.2 压力检测及仪表
工程上除了（帕）外使用的压力单位还有：工 程大气压、物理大气压、汞柱、水柱等。 帕与汞柱和物理大气压的换算关系为：
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序号
设计（实验）内容
完成时间
备注
1
选定所设计的节流式流量计的设计题目，查阅
相关技术资料
2014年1月11日
2
分析计算，确疋设计方案
2014年1月12日
3
绘制节流件的机械设计图纸
2014年1月13日
4
撰写设计说明书
2014年1月14日
5
提交设计图纸和设计说明书，并答辩
2014年1月15日
四、设计（实验）成果要求
对于角接取压标准孔板，有
令ReD=处，将P=0.50383带入上式得流出系数的初始值C。。
C
Re
将ReDi的值带入公式(1)中，得
G =0.60253
同理可得
迭代计算结束，所以得
q^-^D/^C
0.354
316675
=
0.354
=44768.57608(Kg
33
流体为过热蒸汽；最大流量qmmax=240*10 kg/h;常用流量qmch=230*10 kg/h;最小流量qmmin=100*103kg/h;D20=221mm材
序号
项目
符号
单位
数值
1
被测介质名称
过热蒸汽
2
流量测量范围：正常
qmch
kg/h
230000
最大
qmmax
kg/h
240000
最小
qmmin
kg/h
100000
3
介质温度
t
°C
550
4
介质绝对压力
p
MPa
13.2
5
管道内径实测值
D20
mm
221
6
管道材料
X20CrMoV121新无缝管
7
节流件取压形式
标准喷嘴（角接取压）
8
管道阻力件
上游第一阻力件为90°平面
弯头，第二阻力件为全开闸阀
9
正常流量下允许的压力损失△3y
△ 3Y
Pa
3
60*103
10
管道简图:
解:
1、准备计算:
根据介质工作状态下的压力P1=13.2MPa和温度t=550°C,查得介质密度p
1=37.928kg/m3,介质动力粘度n=31.222*10上Pa•s，过热蒸汽的等熵指数k=1.3。
=11.71877*106
4qm min
Re D min=
DE兀
=5.091*106
可见，在最小流量下的雷诺数ReDmin已超过各种形式标准节流件雷诺数使用范围的下限。
2、确定节流件形式
D2o=100mm，材料为20号钢旧无缝钢管；节流件为角接取压标准孔板，材料为
1Cr18Ni9Ti；d?。=50.38mm；差压ip=5"04Pa，求给定差压值下的水流量qm?
解:
1.1设计任务书
序号
项目
符号
单位
数值
1
被测介质名称
水
2
流量状态参数：工作压力
P
MPa
0.58（绝对压力）
3
工作温度
t
C
30
根据管道材料X20CrMoV121和工作温度550°C，查得管道材料线膨胀系数入
d=12.30*10*1/°C。计算Dt:
Dt= D20[1+入D(t-20)]=221*[1+12.30*10■6*(550-20)]=222.44(mm)
计算正常流量和最小流量下雷诺数:
口4qmch
Re Dch=
RDt叫
4
管道直径（20C下实测值）
D20
mm
100
5
管道材料
20号钢旧无缝钢管
6
节流件的形式
角接取压标准孔板
7
节流件的材料
1Cr18Ni9Ti
8
节流件孔径（20C下实测值）
d20
mm
50.38
9
差压值
3
Pa
50000
1.2辅助计算
（1）查表可得水的密度耳=995.511kg/m3，水的动力粘度=828.005咒10-6Pa-s,
提交设计图纸及设计说明书
五、考核方式
答辩
学生姓名：蔡攀 指导教师：田沛
、课程设计目的与要求
本课程设计为检测技术与仪器、自动化专业《过程参数检测及仪表》专业课的综合实践
环节。通过本课程设计，使学生加深过程参数检测基本概念的理解，掌握仪表的基本设计方 法和设计步骤。
二、课程设计正文
1.第一类命题
（第一题）已知条件：流体为水，工作压力P=0.58MPa，工作温度t=30C；管道
《过程参数检测及仪表》课程设计
任务书
目的与要求
本课程设计为检测技术与仪器、自动化专业《过程参数检测及仪表》 专业课的综合实践
环节。通过本课程设计，使学生加深过程参数检测基本概念的理解,
法和设计步骤。
主要内容
通过本门课程设计， 使学生了解流量测量的基本原理，流量仪表的基本结构， 掌握节流
式流量计的设计方法和一般设计步骤。
料X20CrMoV121新无缝管；允许压力损失△oy<60kPa；上游第一阻力件为90°平面弯 头，上游第二阻力件为全开闸阀。求： (1)确定节流件形式；(2)选定差压计；(3)计算
B、C£ >d20； (4)确定最小直管段长度I0,1「12； (5)计算压力损失并进行核算(6)
计算基本误差。
此题设计任务书为:
管道线膨胀系数兀=11.16咒10°/C，节流件线膨胀系数S=16.60咒10°化。
由已知的管道直径D20和节流件开孔直径d20计算工作状态下的管道内径Dt及节流件开孔
直径dt，即:
D
(2)计算直径比
竺鰹
D
(4)迭代计算中的不变量A:
A=
1.3根据题意可知，直管段长度和粗糙度符合要求。
1.4迭代计算流量qm