1、化工仪表及自动化,合成氨的工艺流程 (1)原料气制备 将煤或天然气等原料制成含氢和氮的粗原料气。 (2)净化 对粗原料气进行净化处理，除去氢气和氮气以外的杂质。, 一氧化碳变换过程 除去合成气中的CO。变换反应如下： CO+H2OCO2+H2+热量 第一步是高温变换，使大部分CO转变为CO2和H2； 第二步是低温变换，将CO含量降至0.3%左右。, 脱硫脱碳过程 各种原料制取的粗原料气，都含有一些硫和碳的氧化物，为了防止合成氨生产过程催化剂的中毒，必须在氨合成工序前加以脱除。 第一道工序是脱硫。 第二道工序脱除CO2。,绪论, 气体精制过程 经CO变换和CO2脱除后的原料气中尚含有少量残余的C
2、O和CO2。原料气在进入合成工序前，必须进行原料气的最终净化，即精制过程。,(3)氨合成 将纯净的氢、氮混合气压缩到高压，在催化剂的作用下合成氨。氨合成反应式如下： N2+3H22NH3,过程控制认识,工业生产过程:把原材料转变成产品并具有一定生产规模的过程。,化工过程中需要控制的被控变量主要有温度、压力、流量、物位和成分等变量。,“过程”事物发展所经过的程序；阶段。,“过程”也是将输入转化为输出的系统。,被控变量：被控过程内要求保持设定数值的工艺参数。,被控对象：在自动控制系统中，工艺变量需要控制的生产设备或机器。,被控对象的特性：当被控对象的输入发生变化时，其输出变量随时间的变化规律。,过
3、程控制发展概况,手动,早期计算机控制,直接数字控制,50年代,60年代,仪表控制,70年代初期,监督型计算机控制系统,智能仪表,70年代中期,计算机分级控制系统,70年末代,集散控制系统（分布式控制系统DCS）,第一章 自动控制系统的基本概念,第一节 化工自动化的主要内容,生产过程自动化所包含的内容：自动检测系统信号联锁系统自动操纵系统自动控制系统,1.自动检测系统,利用各种仪表对主要工艺参数进行测量、指示或记录的系统，称为自动检测系统。,2.信号联锁系统,3.自动操纵系统,4.自动控制系统,信号联锁系统是一种安全装置。,是一种根据预先规定的程序，自动地对生产设备进行某种周期性操作。,是指在没
4、有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。,第二节 自动控制系统的基本组成及表现形式,一、自动控制系统的基本组成,液位控制器,液位检测变送器,执行阀,二、自动控制系统的表现形式,1.方框图（结构图）,基本单元,信号线,引出点（测量点）,比较点,方框（环节）,二、流程图（原理图）,1、图形符号,测量点（取样点）, 连接线, 仪表（包括检测、显示、控制）图形符号,第三节 自动控制系统分类,按给定值信号特点划分1.定值控制系统在运行时，系统被控参数(如温度、压力、流量、物位、成分等)的给定值是固定不变的，有时只允许在规定的小范围内
5、变化。定值控制系统是工业生产过程中应用最多的一种过程控制系统。2. 随动控制系统随动控制系统是指被控参数的给定值随时间任意变化的控制系统。3. 程序控制系统程序控制系统的给定值也是一个不断变化的信号，但这种变化是一个已知的时间函数，即给定值按一定的时间程序变化。,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质,一、 控制系统的静态与动态,控制系统性能的评价指标概括如下：1)系统必须是稳定的。2)系统应能提供尽可能好的稳态调节(静态指标)。3)系统应能提供尽可能好的过渡过程(动态指标)。稳定是系统性能中最重要、最根本的指标，只有在系统是稳定的前提下，才能讨论静态和动态指标。控制系统性能指标应根据生产工艺过
6、程的实际需要来确定，特别需要注意的是，不能不切实际地提出过高的控制性能指标。,过程控制系统通常采用系统阶跃响应性能指标和偏差积分性能指标。后者在采用计算机仿真或分析时采用。,二、过程控制系统的性能指标,过渡过程：从一个稳态到达另一个稳态的历程。在阶跃扰动作用下，控制系统过渡过程曲线有以下几种典型形式：发散振荡过程、非振荡发散过程、等幅振荡过程、衰减振荡过程和非振荡衰减过程。,阶跃扰动作用下控制系统过渡过程曲线：,(a)发散振荡过程,(b)非振荡发散过程,(c)等幅振荡过程,d)衰减振荡过程,(e)非振荡衰减过程,(1)稳态误差（余差）ess稳态误差是指系统过渡过程终了时给定值与被控参数稳态值之
7、差，它是反映控制精度的一个稳态指标。一般要求稳态误差不超过预定值，最理想是等于零。,1阶跃响应性能指标,(2)衰减比衰减比是衡量系统过渡过程稳定性的一个动态性能指标。 可定义为:,为了保持系统足够的稳定程度，一般取衰减比为4：110：1。其中4：1衰减比常作为评价过渡过程动态性能的一个理想指标。,衰减率,衰减率一般取0.750.9,对于定值系统来说，最大偏差是指被控参数第一个波峰值与给定值之差。对随动系统通常采用超调量指标：,(3)最大偏差（超调量）,(4)过渡过程时间（回复时间）ts。过渡过程时间是指系统从受扰动作用时起，直到被控参数进入新的稳定值士5(或2)范围内所经历的时间。它是反映系统
8、快速性能的指标，通常要求以愈短愈好。,例: 阶跃响应性能指标。某发酵过程工艺规定操作温度为402。现设计一定值控制系统，在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线如下图所示。试确定该系统的稳态误差、衰减比、超调量、振荡周期和过渡过程时间。,第二章 过程建模,第二节 基本概念,被控过程是指正在运行中的多种多样的被控制的生产工艺设备。,被控过程的数学模型是指过程在各输人量（包括控制量与拢动量）作用下，其相应输出量（被控变量）变化函数关系的数学表达式。,过程的数学模型有两种： 一是非参数模型用曲线或表格来表示。 二是参数模型用数学方程式或函数来表示。,被控过程有多输入、单输出和多输入、多输出两种。,通常选一个可
9、控性好的输入量u（t）作为控制作用，其余的输人量则称为扰动作用。,被控对象输人量与输出量之间的信号联系称为过程通道。 控制作用与被控变量之间的信号联系称为控制通道。 扰动作用与被控变量之间的信号联系称为扰动通道。,机理建模是根据过程的内部机理（运动规律），运用一些已知的定律、原理，如生物学定律、化学动力学原理、物料平衡方程、能量平衡方程、传热传质原理等，建立过程的数学模型。,一、机理分析法建模（理论建模）,（一）有自衡过程的数学模型,有自衡的定义：对象受到干扰作用后，平衡状态被破坏 ，无须外加任何控制作用，依靠对象本身自动平衡的倾向，逐渐地达到新的平衡状态的性质称为平衡能力。,1. 单容过程的
10、数学模型,单容过程的定义：只有一个储蓄容量的过程。,第二节 对象数学模型的建立,物料平衡关系：,(1)静态平衡时,讨论：,(2)非静态平衡时,当q1发生微小的变化时:,其中Rs为阀门2的阻力，也称为阀阻力系数,h不变,将,代入,得：,整理：,令：,得：,上式进行拉氏变换得：,传递函数为：,传递函数定义：零初始条件下，系统输出量的拉氏变换与输入量的 拉氏变换之比。,传递函数作用：表征系统的动态性能，而且可以用来研究系统的结构 或参数的变化对系统性能的影响。,传递函数应用：控制理论中的频率法和根轨迹法。,2.有自衡双容过程的数学模型（无相互影响）,得：,将：,将：,（1）,（2）,（3）,代入（2
11、）式,求微分：,和,整理得：,代入（3）式,上式代人进行拉氏变换得:,3.有自衡双容过程的数学模型（有相互影响）,（二）无自衡过程的数学模型,1.无自衡单容过程的数学模型,传递函数：,2.无自衡双容过程的数学模型,传递函数：,二、实验建模,1、阶跃响应曲线法,2、矩阵脉冲法,第三节 被控对象的特性参数,一、放大系数K,被控对象的特性参数：放大系数K、时间常数T、滞后时间,被控对象的特性：当被控对象的输入变量发生变化时，其输出变量随时间的变化规律（包括变化的大小和速度）。,2.是静态参数；,1.是指被控对象重新达到平衡状态时的输出变化量与输入变化量之比。,或,二、时间常数T,解上式得：,2.是动
12、态特性参数；,1.表示被控对象受到输入作用后，输出变量达到新稳态值的快慢；,把t=T代入上式得：,二、滞后时间,滞后现象：当输入发生变化后，其被控变量并不立即发生变化，而是过一段时间才发生变化。,根据滞后的性质不同分为：传递滞后和容量滞后,1.传递滞后,对于一阶对象,1.容量滞后,容量滞后主要特征：当输入阶跃作用后，被控对象的输出变量开始变化很慢，然后逐渐加快，接着又变慢，直至逐渐接近稳定值。,第三章 检测仪表与传感器,一、检测仪表组成过程检测仪表主要用于确定被控变量的当前值。包括传感器和变送器两部分。,1传感器传感器是检测仪表中的重要部件，它直接与被控对象发生关联，感受被控参数的变化，并传送
13、出与之相适应的电量或非电量信号。工程上通常也把这个过程称为一次测量，所用仪表称为一次仪表。,第一节 概述,2变送器将传感器送来的检测信号进行转换、放大、整形、滤波等处理后，调制成相应的标准信号，并输出给控制器采样或进行模拟、数字显示，这部分电路称之为变送电路。标准信号是物理量的形式和数值范围都符合国际标准的信号，如直流电流420mA，空气压力20100kPa都是当前通用的标准信号。其中直流电流420mA可用于远距离35km的传输。如果仅用于电气控制柜内短距离传输，也可 采用直流15V(DC)形式。工程上习惯将传感器后面的计量显示仪表称为二次仪表，有时也将传感器和变送电路统称为变送器。,二、测量
14、误差及处理测量的最终目的是为了求得被测变量的真实值。测量值与真实值之间总是存在着一定的差别，这个差别就是测量误差。 一、测量误差的基本概念1真值被测变量本身所具有的真实值，称为真值，它是一个理想的概念，一般是无法得到的。所以在计算误差时，一般用约定真值来代替。约定真值是一个接近真值的值，它与真值之差可忽略不计。实际测量中以在没有系统误差的情况下，足够多次的测量值的平均值作为约定真值。,绝对误差是指仪表输出信号所代表的被测值与被测参数真值之差。显然，绝对误差只能是被测值与约定真值之差。式中为绝对误差；xi为仪表指示值；xt为约定真值。仪表绝对误差的求法是用精确度高的标准仪表和实用测量仪表，在相同
15、的条件下，对同一参数进行测量，然后进行数据比较，这项工作就叫做仪表的校验。工业用仪表要定期进行校验，校验合格后才能投入使用。,2. 绝对误差和相对误差,3. 引用误差(相对百分误差)绝对误差与仪表量程的百分比，称为仪表的引用误差，即式中以为仪表引用误差；为仪表的绝对误差；X为仪表的量程，即仪表测量范围的上限值与下限值之差。,解：仪表的绝对误差=50-49.5=+0.5kPa仪表的相对误差仪表的引用误差,例 误差的计算。某压力表刻度O100kPa，在50kPa处计量检定值为495kPa，求在50kPa处仪表的绝对误差和引用误差。,4精度等级仪表的精度等级是衡量仪表准确程度的一个品质指标。常用引用
16、误差作为判断精度等级的尺度。精度等级又称准确度级，是按国家统一规定的允许误差大小划分成的等级。我国生产的仪表，其精度等级有：O.001、O.005、O.02、O.05、O.1、O.2、O.4、O.5、1.O、1.5、2.5、4.O等。级数越小，精度(准确度)就越高。通常，科学实验用的仪表精度等级在O.05级以上；工业检测用仪表多在O.14.0级，其中校验用的标准仪表多为0.1或O.2级，现场使用多为O.54.O级。,5变差、灵敏度、分辨率、反应时间,三、工业仪表的分类,1、按仪表使用的能源分类,气动仪表、电动仪表、液动仪表，,2、按信息获得、传递、反应和处理分类,检测仪表 显示仪表 集中控制装
17、置 控制仪表 执行器,3、按仪表的组成形式分类,基地式仪表、单元组合仪表,三、测量变送中的几个问题1.纯滞后问题由于测量元件安装位置不当及测量仪表本身特性等容易引入纯滞后，为了消除纯滞后的影响，只有合理选择测量元件及其安装位置，尽量减小纯滞后。2.测量滞后问题测量滞后主要是由测量元件本身的惯性特性造成的。在系统设计中可选用快速测量元件，一般选其时间常数为控制通道时间常数110以下为宜。要注意正确选择测量元件的安装位置，将其安装在被控参数变化较灵敏的位置，也可在测量变送器的输出端加入微分环节。,四、测量信号的处理这包括对测量信号进行线性化处理和滤波处理等。例如，对差压流量信号进行开平方处理，对热
18、电偶信号进行折线化处理等实现测量信号的线性化。而关于测量信号的滤波，可以采用模拟电路，如由运算放大器构成的低通、高通、带通或带阻滤波电路，也可以采用计算机构成的软件滤波算法来消除噪声(干扰)。数字滤波是一种程序滤波，即利用计算机自身能够进行运算与判断的特点，通过计算机软件滤去干扰信号，以提高信号的真实性。采用数字滤波可以消除低频干扰。一般常用的数字滤波方法有4种：算术平均值滤波、程序判断滤波、中位值法滤波。,(1)算术平均值滤波算术平均值滤波又称为递推平均滤波，它对周期性等幅振荡的干扰有较明显的滤波效果。其公式为式中 为n次采样的平均值，即滤波器的输出；Xi为第i次的采样值，即滤波器的输入；n
19、为采样次数。 (2)程序判断滤波当 时，则Xi为输入计算机的采样值；当 时，则将Xi-1采样值作为第i次采样值输入计算机。式中Xi-1为上次采样值；Xi为本次采样值；B为阈值，B值的选择主要决定于对象被测参数的变化速度。程序判断滤波可以有效滤除现场的随机干扰。,(3)中值法滤波连续采样三次以上的值，从中选择大小居中的那个值作为有效的测量信号，对某些变化速度不是太快的参数，为了去掉干扰脉冲，经常采用这种滤波方法。,第三节 温度检测 一、热电偶,热电偶：利用两种不同的金属连接在一起，当节点处温度变化时，应用其两端产生电势变化的原理而制成的传感器。热电极测量端参考端,二、热电偶测温的工作原理1、热电
20、效应：将两种不同的金属组成闭合回路，且使两接触点温度不同，回路中会产生电流，表明回路中有电势产生，这种物理现象称为热电效应或塞贝克效应。 回路中的总电势包括： 接触电势珀尔贴(Peltier)电势 温差电势汤姆逊(Thomson)电势,珀尔贴电势接触电势自由电子密度不同的两种金属接触，在接触点处由于电子的扩散现象形成接触（珀尔贴Peltier ）电势，此现象称为珀尔贴效应。接触电势为：,总接触电势：,其中e为电子的电量,K为波尔兹曼常数,nAT、nBT为T端A、B金属的自由电子的密度。,汤姆逊电势温差电势均质导体两端温度不相等时，由于导体内自由电子从高温端向低温端的扩散，在其两端形成的电势称为
21、温差（汤姆逊Thomson）电势，此现象称为汤姆逊效应。,导体A中的汤姆逊电势：,式中，A为导体A中的汤姆逊系数。,导体A、B中的汤姆逊电势：,总电势：,接触电势(珀尔贴电势)：,当TT0时，总的热电势为：,1.均质导体定律两种均质金属组成的热电偶，其热电势大小与热电极直径、长度及热电极长度上的温度分布无关，只与热电极材料和两端温度有关。如果材质不均匀，则当热电极上各处温度不同时，将产生附加热电势，造成无法估计的测量误差，,三、 热电偶的基本定律,2中间温度定律热电偶的接点温度为T、T0时， 其热电势等于该热电偶在接点温度 为T、Tn。和Tn、T0时相应的热电势 的代数和,即,这个定律可用于热
22、电偶的串联， 测量总温或平均温度。,3中间导体定律在热电偶的参考端接人第三种均质金属,若被插入金属两端温度相同，则回路总热电势为三个接触电势与温差电势的代数和，表示为,由此可见引入第三个导体C后，只要保持C两端温度相等，不会影响回路中热电势的大小，即中间导体定律。同样可知若再插入第四种、第五种均质导体，只要所插入的导体两端温度都与参考点相同，都不会影响原来热电势的大小。因此我们可以用铜线将毫伏表接入热电偶回路。使铜线两接点温度一致，就可对热电势进行测量。,4. 标准（参考）电极定律如果两种导体（A，B）分别与第三种C组合成热电偶的热电势已知，则由这两种导体（A，B）组成热电偶的热电势也就已知。
23、即,上式说明:两种金属组成热电偶的热电势可以用它们分别与第三种金属组成热电偶的热电势之差来表示，这一定律即为标准电极定律。工程上常以铂、铜等作为标准电极，若已知多种金属对标准电极的热电势，即可求出各种金属间任意组成热电偶的热电势。,当两热电极固定以后（即nA、nB、 A、B为常数）。,热电偶测温原理,当T0保持不变时,四、热电偶的种类和结构,1热电极材料的基本要求热电极是感温元件，基本要求： 热电势足够大，测温范围宽、线性好； 热电特性稳定； 性能稳定，不易氧化、变形和腐蚀； 电阻温度系数 、电阻率小； 易加工、复制性好； 价廉2 热电偶的分类热电偶的分类及其性能，见下表。,3. 热电偶的绝缘
24、方法,热电偶电极的绝缘方法 （a）裸线热电偶；（b）珠形绝缘热电偶； （c）双孔绝缘子热电偶；（d）石棉绝缘管热电偶,普通型热电偶 普通型热电偶结构见图,普通型热电偶结构,.热电偶结构,5.热电偶分度表,五、热电偶的冷端补偿及处理,热偶标准分度表是以T00为参考温度条件下测试制定的，若T00，则应进行冷端补偿，其补偿方法：,1. 补偿导线利用补偿导线代替热电极，引到温度较稳定的T0端测 试。要求：在一定的温度范围内，补偿导线与配对的热电偶具有相同或相近的热电特性。2.冰浴法将热电偶冷端置于冰水混合物的0恒温器内，使其工作与分度状态达到一致。,下图是延长导线法和冰浴法的一个实例。,图5-9冷端处
25、理的延长导线法和冰浴法,3.冷端温度校正法,例如：铂铑铂热电偶测温，参考冷端温度为室21，测得,查表,，则,由此查分度表 T92若直接用0.465mV查表，则T75。,4.补偿电桥法原理：电桥输出电压U(T0 ,0 )= EAB(T0 ,0)，自动补偿。补偿电路：如图5-10所示。图中R1、R2、R3、RW为锰铜电阻，阻值 几乎不随温度变化，RCu为铜电阻，电阻值随温度升高而增大。T0=0 时，R1=R2=R3=RCu，电桥输出Uab=0，对热电偶电势无影响。T00 时，Uab0，Uab =EAB(T0 ,0)，热电偶的热电势得到自动补偿。,图5-10 冷端温度补偿线路图,六、热电偶误差分析
26、1测量基本误差： （1）分度误差：工业用热电偶与标准热电偶分度之间误差； （2）仪表误差：测量仪表引入测量误差； （3）冷端处理误差；（4）接线误差：接线电阻影响，应选高内阻测量仪表；（5）漏电误差，必须保证良好绝缘。2传热误差热电偶测温存在热交换平衡问题，存在热电偶测量端温 度低于被测介质温度现象，称为传热误差，应尽量减少热电 偶的热量损失。,二、热电阻传感器,定义：利用电阻随温度变化的特性制成的传感器。 主要检测参数：温度、与温度有关的参量。 分类：1）金属热电阻（热电阻）2）半导体热电阻（热敏电阻）,金属热电阻（热电阻）材料：要求有较大的、稳定的温度系数，电阻率大，线性好，性能稳定，便于
27、生产（铜、铂、镍）。 特点：测温精度较高，范围广（-200600），稳定性、重复性好。但热惯性大，灵敏度低。 结构：热电阻是由电阻体、绝缘套管和接线盒等主要部件组成的，电阻丝是热电阻的最主要部分。,阻值与温度的函数关系为:,其中：A, B, C 为常数,（一）铂电阻,材料：0.020.07mm Pt丝绕在云母等绝缘骨架上，装入保护套管，接出引线，,图66 铂热电阻的结构,特点：精度高、稳定性好、性能可靠。 结构：用很细的铂丝绕在云母片制成的支架上，铂丝绕组的出线端与银丝引出线相焊，并穿上瓷套管加以绝缘和保护。,（二）铜电阻适用范围：-501500C ,精度要求不高的场合 优点：铜的电阻与温度呈
28、线性关系电阻温度系数高易提纯，价格便宜 缺点：机械强度不高、易氧化等, 温度范围小。,阻值与温度的函数关系为:.25.2810-3 /0C,其它金属热电阻：铟电阻，锰电阻，碳电阻,三、 温度变送器(一)概述温度变送器可与各种分度号的热电偶或热电阻配合使用，将被测温度转换成统一的标准电流(或电压)信号，作为显示仪表或调节器的输入，以实现对被测温度的显示、记录或自动控制。热电偶温度变送器、热电阻温度变送器温度变送器要求：低漂移、高增益的线性集成电路作为主放大器。因而放大部分线路简单、可靠、稳定性强。在热电偶及热电阻温度变送器中采用线性化电路，从而使变送器的输出与被测温度间呈线性关系。在易燃易爆场合
29、必须采取防爆措施。,热电偶温度变送器,西门子温度变送器（热电阻）,一体化热电阻温度变送器,一体化热电偶温度变送器,（四）温度仪表的工程应用与选型原则在过程参数检测中，温度仪表使用是最多的。在选用测温仪表时，应注意以下几点：仪表的精度等级应根据生产工艺对参数允许偏差值的大小确定。仪表选型应力求操作方便、运行可靠、经济、合理等。在同一工程中，应尽量减少仪表的品种和规格。温度仪表的测量上限应选得比实际使用的最高温度略高一些，一般取实测最高温度为仪表上限值的90，而30以下的刻度原则上最好不用。热电偶测温反应速度快、适于远距离传送、便于与计算机联用、价廉，故只在测温范围低于150时才选用热电阻。热电偶、补偿导线及显示仪表的分度号要一致。保护套管的耐压等级应不低于所在管线或设备的耐压等级，材料应根据最高使用温度及被测介质的特性来选择。,
