造价技术与计量安装精讲班42造价安装精讲班第42讲第六章电气和自动化控制工程2.docx

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造价技术与计量安装精讲班42造价安装精讲班第42讲第六章电气和自动化控制工程2

第二节自动控制系统

主要内容

自动控制系统原理

自动控制系统设备

常用控制系统

检测仪表

自动控制系统的安装

自动化控制系统工程计量

考纲要求

掌握仪表设备的种类、规格、性能、适用范围，自动化控制系统的分类、控制方式和安装、调试及工程计量；

一、自动控制系统原理

（一）自动控制系统的组成

（1）被控对象。

是控制系统所控制和操纵的对象，它接受控制量并输出被控量。

（2）控制器。

接收变换和放大后的偏差信号，转换为被控对象进行操作的控制信号。

（3）放大变换环节。

将偏差信号变换为适合控制器执行的信号。

它根据控制的形式、幅值及功率来放大变换。

（4）校正装置。

为改善系统动态和静态特性而附加的装置。

如果校正装置串联在系统的前向通道中，称为串联校正装置；如果校正装置接成反馈形式，称为并联校正装置，又称局部反馈校正。

（5）反馈环节。

用来测量被控量的实际值，并经过信号处理，转换为与被控量有一定函数关系，且与输入信号同一物理量的信号。

反馈环节一般也称为测量变送环节。

（6）给定环节。

产生输入控制信号的装置。

（二）自动控制系统的常用术语

（1）输入信号。

泛指对系统的输出量有直接影响的外界输入信号，既包括控制信号又包括扰动信号，其中控制信号又称控制量、参考输入或给定值。

（2）输出信号（输出量）。

是指反馈控制系统中被控制的物理量，它与输入信号之间有一定的函数关系。

（3）反馈信号。

将系统（环节）的输出信号经过变换、处理送到系统（环节）的输入端的信号称为反馈信号。

若此信号是从系统输出端取出送入系统输入端，这种反馈信号称主反馈信号，而其他称为局部反馈信号。

（4）偏差信号。

控制输入信号与主反馈信号之差。

（5）误差信号。

是指系统输出量的实际值与希望值之差。

系统希望值是理想化系统的输出，实际上并不存在，它只能用与控制输入信号具有一定比例关系的信号来表示。

在单位反馈情况下，希望值就是系统的输入信号，误差信号等于偏差信号。

（6）扰动信号。

除控制信号之外，对系统的输出有影响的信号。

（三）自动控制系统的类型

二、自动控制系统主要设备

（一）传感器

1.温度传感器

（1）热电阻特性传感器

利用导体电阻随温度变化而变化的特性制成的传感器，称为热电阻性传感器。

在测量低于150℃温度时，常用金属导体的电阻随温度变化的特性进行测温。

用金属电阻作为感温材料，要求金属电阻温度系数大，电阻与温度成线性关系，只要确定电阻的变化就能得知温度的高低。

感温材料中首选铜、铂和镍。

铂金属精度高，稳定性好，性能可靠，但铂属于贵金属，价格高。

铜金属制成热电阻，缺点是电阻率低，所以做成一样的热电阻，铜电阻要更细更长，机械强度差，体积也大些。

另外铜易氧化，只能在低温及没有浸蚀性介质中工作。

用镍制成的热电阻，正好能弥补铜电阻缺陷，价格又比铂低。

所以在高精度、高稳定性的测量回路中通常用铂热电阻材料的传感器。

要求一般、具有较稳定性能的测量回路可用镍电阻传感器。

档次低，只有一般要求时，可选用铜电阻传感器。

利用半导体的体电阻随温度变化的属性制成温度传感器，是常采用的又一种方法。

半导体的体电阻对温度的感受灵敏度特别高，在一些精度要求不高的测量和控制电路中得到充分应用。

所以其灵敏度要比其它金属电阻高一个数量级，这样将它作为热敏电阻时，其测量和放大线路非常简单。

目前半导体热敏电阻的使用温度为-50℃～300℃。

（2）热电势传感器

1）以热电偶为材料的热电势传感器

铂及其合金属于贵金属，其组成的热电偶价格最贵，优点是热电势非常稳定。

铜、康铜价格最便宜，居中为镍铬-考铜，且它的灵敏度又最高。

由于热电偶的热电势大小不仅与测量温度有关，还决定于自由端（冷端）温度，即电势的大小取决于测量端与自由端的温差。

由于自由端距热源较近，因而其温度波动较大，给测量带来误差，为克服这缺点，通常需采用补偿导线和热电偶连接，补偿导线的作用就是将热电偶的自由端延长到距热源较远、温度比较稳定的地方。

2）以半导体PN结为材料的热电势传感器

利用温度变化造成半导体PN结结电压变化的传感器，称为热电势传感器。

常用的集成温度传感器，就是这种热电势传感器。

该传感器使用方便，工作可靠，价格便宜。

且具有高精度的放大电路。

在-50℃～150℃之间，按1μA/K的恒定比值，输出一个与温度正比的电流，通过对电流的测量，即可测得所要的温度值。

集成温度传感器，输出阻抗高，适用于远距离传输。

3）AD509双端温度传感器

2.压力传感器

（1）利用金属弹性制成的压力传感器

1）电阻式压差传感器

2）电容式压差传感器

3）霍尔压力传感器

（2）压电传感器

1）压电陶瓷传感器

2）有机压电材料传感器

3.流量传感器

（1）节流式

在被测管道上安装一节流器件，如孔板、喷嘴、靶、转子等，使流体流过这些阻挡体时，根据流体对节流元件的推力和节流元件前后的压力差，来测定流量的大小。

1）压差式流量计。

压差流量计精度稍差，但结构简单，制造方便，是一种常用的流量测量仪器。

2）靶式流量计。

靶式流量计则经常用于高粘度的流体，如重油、沥青等流量的测量，也适用于有浮黑物，沉淀物的流体。

3）转子流量计。

（2）速度式

光纤涡轮传感器具有重现性和稳定性能好，不受环境、电磁、温度等因素的干扰的优点，显示迅速，测量范围大的优点，缺点是只能用来测量透明的气体和液体。

（3）容积式

通常有椭圆齿轮流量计，经常作为精密测量用，该流量计经常用于高粘度的流体测量。

（4）电磁式

电磁式传感器的优点是在管道中不设任何节流元件，因此可以测量各种粘度的导电液体，特别适合测量含有各种纤维和固体污物的腐体，此外对腐蚀性液体也适用。

除了测量管中一对电极与流体接触，没有其它零件接触，工作可靠，精度高，线性好，测量范围大，反应速度又快。

4.液位检测传感器

（1）电阻式液位传感器

这种检测仪表，结构简单，价格便宜，但只能用于无腐蚀液体中，否则液体的腐蚀会使弹簧的弹性系数发生变化，给测量带来误差。

该仪表适用于200cm以内密度为0.1～0.5g／cm3液体界面的连续测量。

（2）电容式液位传感器

（二）调节装置

（三）终端设备

3、常用的控制系统

四、检测仪表

1.温度检测仪表

（1）压力式温度计

压力式温度计适用于工业场合测量各种对铜无腐蚀作用的介质温度，若介质有腐蚀作用应选用防腐型。

压力式温度计广泛应用于机械、轻纺、化工、制药、食品行业对生产过程中的温度测量和控制。

防腐型压力式温度计采用全不锈钢材料，适用于中性腐蚀的液体和气体介质的温度测量。

（2）双金属温度计

工业双金属温度计按结构形式分为指示型或指示带电接点型。

此外，双金属温度计探杆长度可以根据客户需要来定制，该温度计从设计原理及结构上具有防水、防腐蚀、隔爆、耐震动、直观、易读数、无汞害、坚固耐用等特点，可取代其它形式的测量仪表，广泛应用于石油、化工、机械、船舶、发电、纺织、印染等工业和科研部门。

（3）玻璃液位温度计

（4）热电偶温度计

热电偶温度计用于测量各种温度物体，测量范围极大，远远大于酒精、水银温度计。

它适用于炼钢炉、炼焦炉等高温地区，也可测量液态氢、液态氮等低温物体。

（5）热电阻温度计

热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。

它的主要特点是测量精度高，性能稳定。

其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。

（6）辐射温度计

辐射温度计的测量不干扰被测温场，不影响温场分布，从而具有较高的测量准确度。

辐射测温的另一个特点是在理论上无测量上限，所以它可以测到相当高的温度。

此外，其探测器的响应时间短，易于快速与动态测量。

在一些特定的条件下，例如核子辐射场，辐射测温场可以进行准确而可靠的测量。

2.压力检测仪表

（1）压力表

一般压力表适用于测量无爆炸危险、不结晶、不凝固及对钢及铜合金不起腐蚀作用的液体、蒸汽和气体等介质的压力。

压力表按其作用原理分为液柱式、弹性式、电气式及活塞式四大类。

1）液柱式压力计。

液柱式压力计结构简单，使用、维修方便，但信号不能远传。

2）活塞式压力计。

活塞式压力计测量精度很高，可达0.05%~0.02%，用来检测低一级的活塞式压力计或检验精密压力表是一种主要的压力标准计量仪器。

3）弹性式压力计。

这种仪表构造简单、牢固可靠、测压范围广、使用方便、造价低廉、有足够的精度，可与电测信号配套制成遥测遥控的自动记录仪表与控制仪表。

4）电气式压力计。

多用于压力信号的运传、发信或集中控制，和显示、调节、记录仪表联用，则可组成自动控制系统，广泛用于工业自动化和化工过程中。

（2）远传压力表

远传压力表适用于测量对钢及铜合金不起腐蚀作用的液体、蒸汽和气体等介质的压力。

因为在电阻远传压力表内部设置一滑线电阻式发送器,故可把被测值以电量传至远离测量的二次仪表上,以实现集中检测和远距离控制。

此外，远传压力表还能就地指示压力，以便于现场工作检查。

（3）电接点压力表

（4）隔膜／膜片式压力表

隔膜式压力表由膜片隔离器、连接管口和通用型压力仪表三部分组成，并根据被测介质的要求在其内腔内填充适当的工作液。

当被测介质的压力作用在隔离膜片上，使之发生变形，压缩内部充填的工作液，使工作液中形成一个与之相当的压力，通过工作液的传导，使压力表中弹性元件的自由端产生相应的弹性变形一位移，再按与之相配的压力仪表工作原理显示出被测压力值。

隔膜式压力表专门供石油、化工、食品等生产过程中测量具有腐蚀性、高粘度、易结晶、含有固体状颗粒、温度较高的液体介质的压力。

3.流量仪表

常用的流量仪表有：

电磁流量计、气远传转子流量计、涡轮流量计、椭圆齿轮流量计和电动转子流量计。

几种常见的流量计特征表如表6.2.1所示。

表6.2.1各类流量计特征

名称

测量范围

精度

适用场合

相对价格

特点

玻璃管转子流量计

16~l000000L/h（气）

1.0~40000L/h（液）

2.5

空气、氮气、水及与水相似的其他安全流体小流量测量

较便宜

1．结构简单、维修方便；

2．精度低

3．不适用于有毒性介质及不透明介质

4．属面积式流量计

涡轮流量计

0.045~2800m3/h

2

适用于黏度较小的洁净流在宽测量范围的高精度测量

较贵

1．精度较高适于计量

2．耐温耐压范围较广

3．变送器体积小，维护容易

4．轴承易磨损，连续使用周期短。

电磁流量计

2～5000m3／h

1

适用于电导率>10-4s／cm的导电液体的流量测量

贵

1．只能测导电液体

2．测量精度不受介质粘度、密度、温度、导电率变化的影响

3．几乎没有压损，属流量式流量计

4．不适合测量电磁性物质

椭圆齿轮流量计

0.05～120m3/h

0.2～0.5

适用于高黏

度介质流量的测量

较贵

1．精度较高

2．计量稳定

3．不适用于含有固体颗粒的液体

4．属容积式流量计

节流装置（差压式）流量计

（60～2500mmH2O）

1

非强腐蚀的单向流体流量测量，允许一定的压力损失

较便宜

1．使用广泛

2．结构简单

3．对标准节流装置不必个别标定即可使用

4．属差压计（流量计）

均速管流量计

大口径大流

量的各种体、液体流量测量

较便宜

1．结构简单

2．安装、拆卸、维修方便

3．压损小、能耗少

4．属差压计（流量计）

5．输出差压较低

（1）电磁流量计

一种测量导电性流体流量的仪表。

它是一种无阻流元件，阻力损失极小，流场影响小，精确度高，直管段要求低，而且可以测量含有固体颗粒或纤维的液体，腐蚀性及非腐蚀性液体，这些都是电磁流量计比其他流量仪表所优越的。

因此，电磁流量计发展很快。

电磁流量计广泛应用