自动检测和过程控制PDF电子书下载

上篇 自动检测 1

1 自动检测技术基础 1

1.1 自动检测的基本概念 1

1.1.1 检测 1

1.1.2　检测的基本方法 1

1.1.3　检测仪表的组成 2

1.1.4　检测仪表的分类 3

1.1.5　检测仪表的主要性能指标 3

1.2　测量误差及处理方法 5

1.2.1 测量误差 5

1.2.2　误差的分析与处理 6

1.3　测量不确定度 10

1.3.1 测量不确定度的基本概念 10

1.3.2 测量不确定度的分类与表达 10

1.3.3 标准不确定度的评定 11

1.4　检测技术及仪表的发展 14

复习思考题 14

2　温度检测与仪表 15

2.1　温标及测温方法 15

2.1.1 温标 15

2.1.2　测温方法及其分类 16

2.2　热电偶温度计 16

2.2.1 热电偶测温原理 17

2.2.2 热电偶的基本定律 19

2.2.3 热电偶的结构 21

2.2.4 热电偶的分类 21

2.2.5 热电偶的冷端补偿 24

2.2.6 测温线路 26

2.3　电阻温度计 28

2.3.1 热电阻测温原理 28

2.3.2 热电阻的结构 29

2.3.3　特殊热电阻 30

2.3.4 热电阻测温线路 31

2.4　辐射温度计 32

2.4.1 辐射测温原理 33

2.4.2　亮度高温计 33

2.4.3 比色温度计 36

2.4.4　辐射高温计 37

2.4.5 红外测温 38

2.5　测温仪表的选择及安装 40

2.5.1 温度计的选择原则 40

2.5.2　接触式测温元件的选型 40

2.5.3 非接触式测温元件的选型 41

2.5.4　感温元件的安装 41

2.5.5 布线要求 41

2.6　新型温度传感器 42

2.6.1 热流计 42

2.6.2　光纤光栅温度传感器 42

2.6.3 集成电路温度传感器 44

2.7　工业特殊测温技术 45

2.7.1 高温金属熔体的温度测量 45

2.7.2 高温烟气温度测量 46

2.7.3 真空炉温度测量 46

复习思考题 47

3　压力检测与仪表 48

3.1　概述 48

3.1.1 压力的概念及单位 48

3.1.2　压力表示方法 48

3.1.3　压力检测的基本方法 49

3.2　弹性式压力计 49

3.2.1 弹性元件 49

3.2.2　弹簧管压力计 50

3.3　压力（差压）传感器 51

3.3.1 霍尔压力传感器 51

3.3.2 电容式压力传感器 52

3.3.3 压电式压力传感器 53

3.3.4 应变式压力传感器 54

3.3.5 压阻式压力传感器 55

3.4　真空计 56

3.4.1 压缩式真空计 56

3.4.2 热电偶式真空计 57

3.4.3 电离式真空计 57

3.5　压力检测仪表选用 58

3.5.1 压力检测仪表的选择 58

3.5.2　压力计的安装 59

3.5.3 压力计的校验 60

复习思考题 61

4　流量检测与仪表 62

4.1　节流式流量计 62

4.1.1 节流装置测量原理 62

4.1.2　标准节流装置 64

4.1.3　标准节流装置的使用条件 69

4.1.4 节流装置的安装 70

4.1.5 节流流量计的不确定度 72

4.1.6　非标准节流装置 73

4.1.7 节流式流量计的选用 80

4.1.8　标准节流装置计算 82

4.2　均速管流量计 84

4.2.1 阿牛巴流量计 85

4.2.2　热线均速管流量计 85

4.2.3　威尔巴流量计 87

4.3　电磁流量计 88

4.3.1 工作原理 88

4.3.2 电磁流量传感器 89

4.3.3 电磁流量转换器 91

4.3.4 电磁流量计的选用 91

4.4　容积式流量计 92

4.4.1 椭圆齿轮流量计 92

4.4.2　腰轮流量计 93

4.4.3 容积式流量计的选用 93

4.5　质量流量计 93

4.5.1 科里奥利质量流量计 94

4.5.2　热式质量流量计 96

4.5.3　推导式质量流量计 96

4.6　其他流量计 97

4.6.1 转子流量计 97

4.6.2　涡轮流量计 98

4.6.3 涡街流量计 100

4.6.4　弯管流量计 101

4.6.5　超声波流量计 102

4.6.6　冲板式流量计 104

4.6.7 明渠流量计 105

复习思考题 108

5　物位检测仪表 109

5.1　浮力式液位计 109

5.1.1 浮子式液位计 109

5.1.2　磁翻转浮标液位计 110

5.1.3 浮筒式液位计 111

5.2　差压式液位计 111

5.2.1 敞口容器的液位检测 111

5.2.2 密闭容器的液位检测 112

5.3　电容式物位计 113

5.3.1 电容物位计工作原理 114

5.3.2 电容物位传感器 114

5.3.3 射频导纳电容物位计 116

5.4　电导物位传感器 116

5.4.1 电接点液位传感器 116

5.4.2　超导液位计 117

5.4.3 电感式液位传感器 117

5.4.4 阻力式料位传感器 118

5.5　音叉物位计 118

5.6　微波物位计 119

5.6.1 脉冲微波物位计 119

5.6.2　调频微波物位计 121

5.6.3 导波式微波物位计 123

5.7　光纤液位计 123

5.7.1 单光纤液位传感器 123

5.7.2　传光型光纤液位计 124

5.7.3 吸收型光纤液位计 124

5.8　核辐射物位检测 126

5.8.1 检测原理 126

5.8.2　物位检测方法 127

5.9　磁致伸缩液位计 128

5.10　超声波液位计 129

5.10.1 超声液位计工作原理 130

5.10.2　透射式超声液位开关 130

5.10.3 气介式超声液位计（反射式） 131

5.10.4　液介式超声液位计（反射式） 131

复习思考题 132

6　机械量检测与仪表 134

6.1　转速、转矩与功率测量 134

6.1.1 转速测量 134

6.1.2 转矩测量 138

6.1.3 功率测量 139

6.2　位移与厚度测量 141

6.2.1 位移测量仪表 141

6.2.2 厚度测量 145

6.3　振动与加速度检测 146

6.3.1 振动测量仪表 146

6.3.2　加速度测量仪表 147

6.4　力与电子称量仪表 148

6.4.1 皮带电子秤 149

6.4.2 吊车秤 150

6.4.3 料斗秤 150

复习思考题 151

7　成分分析仪表 152

7.1　红外线气体分析仪 152

7.1.1 工作原理 152

7.1.2　基本组成 153

7.1.3 应用举例 154

7.2　氧量分析仪 155

7.2.1 热磁式氧量分析仪 155

7.2.2　氧化锆氧量分析仪 156

7.2.3 应用举例 158

7.3　其他气体分析仪 159

7.3.1 气相色谱仪 159

7.3.2 激光在线气体分析仪 160

7.4　溶液浓度计 161

7.4.1 电导式浓度仪 161

7.4.2 电磁式浓度计 163

7.4.3 密度式浓度计 163

7.5　工业酸度计 164

7.5.1 参比电极 164

7.5.2　测量电极 165

7.6　湿度检测仪表 165

7.6.1 自动干湿球湿度计 165

7.6.2 金属氧化物陶瓷湿度传感器 166

7.6.3 氯化锂电阻湿度传感器 167

复习思考题 167

8　显示仪表 168

8.1　显示仪表概述 168

8.2　模拟式显示仪表 169

8.2.1 电位差计式显示仪表 169

8.2.2 自动平衡电桥式显示仪表 172

8.3　数字式显示仪表 174

8.3.1 数字式显示仪表概述 174

8.3.2 数字式显示仪表的构成 175

8.3.3　模－数转换 175

8.3.4　非线性补偿 176

8.3.5 信号标准化及标度变换 178

8.4　常用显示仪表简介 180

复习思考题 181

9　新型检测技术与仪表 182

9.1　虚拟仪器技术 182

9.1.1 虚拟仪器技术概述 182

9.1.2　虚拟仪器的构成 183

9.2　图像检测技术 187

9.2.1 图像检测系统的构成 187

9.2.2 图像的描述 190

9.2.3 图像处理技术 192

9.3　软测量技术 193

9.3.1 软测量技术概述 193

9.3.2　软仪表的设计方法 194

9.3.3 软测量的建模方法 196

复习思考题 198

下篇　过程控制 199

10　过程控制系统的基本概念 199

10.1　过程控制系统的组成与分类 199

10.1.1 过程控制系统 199

10.1.2 控制系统的组成 200

10.1.3 控制系统方框图 200

10.1.4　过程控制系统的分类 202

10.1.5 过程控制系统的发展概况 202

10.2　过程控制系统的过渡过程和品质指标 203

10.2.1 自动控制系统的静态与动态 203

10.2.2 自动控制系统的过渡过程 204

10.2.3 控制系统的品质指标 204

10.3　被控对象特性 206

10.3.1 对象特性的类型 206

10.3.2　对象特性的参数 208

10.4　被控过程的数学模型 212

10.4.1 机理建模 213

10.4.2 实验建模 216

复习思考题 218

11　过程控制仪表与装置 221

11.1　概述 221

11.2　基本控制规律与控制器 221

11.2.1 双位控制 222

11.2.2 比例（P）控制规律 222

11.2.3 比例积分（PI）控制规律 224

11.2.4 比例微分（PD）控制规律 225

11.2.5 比例积分微分（PID）控制规律 227

11.2.6　PID控制算式 228

11.2.7　模拟控制器 230

11.2.8　数字控制器 232

11.3　变送器 236

11.3.1 变送器概述 236

11.3.2　温度变送器 243

11.3.3　差压变送器 245

11.3.4　智能变送器 248

11.4　执行器 251

11.4.1 执行器概述 251

11.4.2　执行机构 252

11.4.3 控制阀 259

复习思考题 270

12　单回路控制系统 272

12.1　被控量和操纵量的选择 272

12.1.1 被控量的选择 273

12.1.2　操纵量的选择 273

12.2　检测及变送环节的考虑 275

12.3　控制阀的选择 276

12.3.1 控制阀流量特性的选择 276

12.3.2　控制阀结构形式的选择 280

12.3.3 控制阀开闭形式的选择 281

12.3.4 控制阀口径的选择 281

12.4　控制器控制规律及作用方向的选择 282

12.4.1 位式控制器 283

12.4.2 比例控制器 283

12.4.3 比例积分控制器 283

12.4.4 比例积分微分控制器 283

12.4.5 控制器作用方向的确定 284

12.5　控制器参数的工程整定 284

12.5.1　经验凑试法 284

12.5.2 临界比例带法 285

12.5.3 衰减曲线法 286

12.5.4 响应曲线法 287

12.5.5 工程整定方法比较 288

12.6 自动控制系统的投运 288

12.6.1　投运的步骤 288

12.6.2 系统运行中的故障判别 289

12.7　单回路控制系统设计实例 290

12.7.1 贮液槽工艺简介 290

12.7.2 系统控制方案设计 290

复习思考题 292

13　复杂控制系统 294

13.1　串级控制系统 294

13.1.1 串级控制系统组成 294

13.1.2 串级控制系统的工作过程 295

13.1.3 串级控制系统的特点及应用 296

13.1.4 串级控制系统设计 297

13.2　前馈控制系统 299

13.2.1 前馈控制基本概念 299

13.2.2 前馈控制系统的主要形式 300

13.2.3 前馈控制的特点和应用 302

13.3　其他复杂控制系统 302

13.3.1 比值控制系统 302

13.3.2　选择性控制系统 307

13.3.3　分程控制系统 308

13.3.4　均匀控制系统 310

13.4　先进控制系统 311

13.4.1 预测控制 311

13.4.2 推断控制 313

13.4.3 自适应控制系统 314

13.5　智能控制 315

13.5.1 概述 315

13.5.2 模糊控制 316

13.5.3　专家控制 323

13.5.4　神经网络控制 324

复习思考题 331

14　计算机控制系统 333

14.1　概述 333

14.1.1 计算机控制系统的一般概念 333

14.1.2 计算机控制系统的组成 333

14.1.3 计算机控制系统的典型类型 335

14.1.4　计算机控制系统的发展 336

14.2　可编程控制器 338

14.2.1 概述 338

14.2.2 可编程序控制器的基本组成 340

14.2.3 PLC工作原理 343

14.2.4　PLC的编程语言与程序结构 345

14.2.5　PLC典型指令编程应用 347

14.3　集散控制系统 354

14.3.1 集散控制系统体系结构与功能特点 355

14.3.2 集散控制系统产品举例 358

14.3.3 集散控制系统的应用 359

14.4　现场总线控制系统 362

14.4.1 现场总线技术及其通信模型 362

14.4.2 现场总线控制系统及其结构 364

14.4.3 现场总线控制系统的特点 366

14.4.4 现场总线控制系统的应用 366

14.5　工业自动化（组态）软件 369

14.5.1 自动化软件概述 369

14.5.2　组态软件的定义及发展 370

14.5.3 组态（自动化）软件特点 371

14.5.4 组态软件应用 371

14.6　计算机集成制造系统 374

复习思考题 375

15　典型工业过程控制系统 377

15.1　锅炉设备的控制 377

15.1.1 锅炉汽包水位控制系统 378

15.1.2　锅炉燃烧系统的控制 381

15.1.3 蒸汽过热系统的控制 384

15.2　传热设备的控制 385

15.2.1 传热设备的控制概述 385

15.2.2　换热器的控制 387

15.3　加热炉燃烧过程控制 389

15.3.1 加热炉燃烧过程控制概述 389

15.3.2 比值串级控制 390

15.3.3 交叉限幅串级控制 391

15.4　流体输送设备的控制 394

15.4.1 泵的控制 394

15.4.2　压缩机的控制 396

15.4.3 防喘振控制系统 397

复习思考题 398

附录 400

附录1　常用热电偶分度表 400

附录2　过程检测和控制流程图用图形符号和文字代号摘录 402

参考文献 404