过程控制技术第二版课件教学课件 ppt 作者 王爱广 黎洪坤 主编Course_11.ppt

过程控制技术 第十一讲 测量元件特性的影响及克服办法 4 简单控制系统 4.3 测量元件特性的影响及克服办法 4.3.1 测量性能 检测元件及变送器的作用，是把工艺变量的值检测出来，转换成电（或气）信号，送往显示仪表，把变量的值显示或记录下来，同时又送往控制器，变送器的输出就是被控变量的测量值。目前大多数变送器的输出信号是模拟量，是电或气的标准信号，如4～20mA，1～5V，0～10mA或0.02～0.1Mpa等。图4-15是它们的原理框图。 4 简单控制系统 过程控制中经常遇到的被控变量有压力、流量、温度、液位以及物性和成分变量等，而且有各式各样的测量范围和使用环境，检测元件和变送器的类型极为纷繁。然而，从它们的输入输出关系来看，可统一表述为 z （ t ）= f [ y （ t ） , t ] 即把被控变量y （ t ）转换为测量值 z （ t ）。在可以线性化的情况下，检测元件及变送器的传递函数常可写成 4 简单控制系统 对检测元件及变送器的基本要求是能够可靠、正确和迅速地完成由y （ t ）至z （ t ）的转换，为此需要考虑的三个主要问题是（1）在工作环境条件下能否正常长期工作；（2）误差是否不超过规定的界限；（3）动态响应是否比较迅速。 4 简单控制系统 为解决第一个问题，人们已经有了不少有效办法和措施。在过程控制中，会遇到高温、低温、高压、腐蚀性介质等各种环境条件，需要在元件材质和防护措施上设法保证长期安全使用。例如，测量高温常选用铂铑—铂热电偶，当介质中有氢气存在时，氢分子会渗透穿过保护套管而使热电偶丝变脆断裂，须设法解决，所以有些地方采用吹气热电偶，保证保护套管内维持正压，阻止氢的渗入。又如，对于腐蚀性介质的液位与流量的测量，有的采用非接触测量方法，有的采用耐蚀的材质元件和隔离性介质。又如，在易燃易爆环境中，必须采用防爆型仪表。 4 简单控制系统 为解决第二个问题，即降低测量误差问题，必须先对误差的性质和根源作分析，然后针对性地采取措施。有人可能只强调仪表的精确度等级，但这种看法不全面，因为它仅是事情的一个方面。总的来说，测量误差由下列三个部分组成： 4 简单控制系统 （1）仪表本身的误差 仪表出厂时的精确度等级，反映了它在校验条件下存在的最大百分误差的上限，如0.5级就表示最大百分误差不超过0.5%。随着时间的推移，可能会逐渐变化，因此须定期校验。对仪表的精确度等级应作恰当的选择，由于其他误差的存在，仪表本身的精确度不必要求过高，否则也没有意义。工业上一般取0.5～1级，物性及成分仪表可再放宽些。 4 简单控制系统 （2）环境条件引起的误差 例如热电偶的冷端温度补偿得不理想，热电阻联接导线的电阻值有较大变动，或是孔板安装得不完全合乎规格等，有时会引起相当大的误差。流量测量不准的原因，经常遇到的是流体重度有了变化。另外，电源电压和环境温度的波动会使有些仪表产生误差。 4 简单控制系统 （3）测量中的动态误差 当y （ t ）随时间而变化时，如果仪表的动态响应比较迟缓，z （ t ）不能及时跟上，两者间的差别就表现为动态误差。 总之，正确选型，精心的进行安装维护和排除干扰是使仪表达到和保持出厂精确度级的关键。 4 简单控制系统 4.3.2 动态特性 上面提到的第三个问题是动态响应要比较迅速。原因之一是为了减少动态误差，同样重要的是为了改善广义对象特性，使广义对象的纯滞后时间与时间常数之比（τ0/T0）能够小些，也使各个时间常数值配置得更好一些。 4 简单控制系统 检测元件及变送器的传递函数常可用有时滞的一阶环节来近似，见式（4-10）。 （1） 检测元件及变送器的时滞τm。通常是一种传输滞后也称为纯滞后。是设计控制系统中最为头痛的事，因为测量变送环节中的纯滞后，将产生被控变量的变化不能及时通知控制器，使得控制器仍然依据历史的信息发出控制信号，指挥控制系统的工作,从而造成控制质量的下降。 4 简单控制系统 在化工变量的测量中，温度和成分等物性参数的测量最容易引入纯滞后。图4-16是一个酸碱度的控制系统，酸碱度的测量采用工业酸度计，它由安装在现场的pH电极和变送器共同组成。pH计的pH电极不能置于流速变化较大的主管道上，而专门设置为pH分析用的支管道，因此pH值的测量将引入两项纯滞后： 4 简单控制系统 其中支管道的距离比较长，且分析管道的管径较细，其流速较小，从而使较大，因此，测量过程中由于测量元件所引入的纯滞后为： 由测量元件安装位置所引入的纯滞后，是难以避免的，但应在设计、安装时力求缩小。对信号传送速度、，须作正确理解。当被测变量为温度、浓度、等物性参数时，、就是流体流速， 因此，检测元件离设备不能太远。管