熱工儀表典型調節方式的分析

周建軍

(天津市計量監督檢測科學研究院 天津300192)

熱工儀表典型調節方式的分析

周建軍

(天津市計量監督檢測科學研究院 天津300192)

為了保證測量過程穩定，自動化儀表的調節和控制方法十分重要。對熱工儀表兩種典型調節方法的實現和應用實例進行了分析，對自動調節閉環系統中熱工計量調節參數的選擇方法提供了依據和借鑒。

熱工儀表 調節方式 測量

0 引 言

熱工儀表是一種常用的計量儀表，它主要對溫度、壓力、流量、液位等參數進行檢測。為了保證試驗、加工、處理等設備中上述參數的穩定，通常由檢測、控制、調節環節組成閉環系統。一個典型的自動控制系統主要由被控對象、測量變送裝置、調節控制器和執行機構組成。圖 1表明各組成部分在系統中所起的作用及信號傳遞關系。

圖1 自動控制系統框圖Fig.1 Block diagram of automatic control system

1 雙位控制

實現雙位控制的調節機構僅有開和關 2個極限位置，而被控參數始終不能穩定在給定值，而是在一段區間內波動(就是給定值附近)，從而形成了2個極限位置的控制形式。

1.1 二位控制工作原理

圖2是一個雙位液位控制的典型示意圖，它由電源、電磁閥、傳感器、儲罐等構成。

圖2 雙位液位控制示意圖Fig.2 Schematic diagram of double liquid level control

圖2說明，當液位低于給定值 Ho時，液面與傳感器脫離，此時電路不通，電磁閥全部打開，液體通過電磁閥進入儲罐，液位上升；當液位上升到 Ho高度時，傳感器發出信號，電路接通，電磁閥關閉，管道內液體停止進入儲罐。隨著罐內液體的不斷流出，導致液位再度下降，當液位降低至 Ho以下時，傳感器再次發出信號，電路又被切斷，電磁閥又一次全部打開。如此反復循環，液位就可以維持在 Ho附近的一個范圍內。

1.2 雙位控制過程特點

從雙位控制的工作過程如圖 3所示，可以看出，當被測控參數(液位)升高并且高于 Ho某一數值(達到 H上)時，調節器才開始動作，電磁閥關閉。如果該參數降低并且低于 Ho某一數值(達到 H下)時，調節器停止動作，電磁閥處于開位狀態。在(H上～H下)這段區域內，是雙位調節器的不靈敏區，電磁閥可能處于開位，也可能處于關位的狀態，這要看在初始條件和參數變動方向的調節規律，不靈敏區窄，變化頻率高，反之變化頻率就低。

圖3 雙位控制過程Fig.3 Double control process

1.3 雙位控制的特性

通過對雙位控制的分析，可以看出它具有結構簡單、安裝方便、容易實現等特性，但是在這種調節規律下被控參數總是在 Ho附近振蕩。因此在品質指標要求不高的工況下，是非常易于采用的。

2 時間比例控制

在雙位控制調節方式中，由于調節機構僅有2個極限位置，被控參數始終在 Ho附近振蕩，系統無法處于平衡狀態。如果能夠使閥門開啟、關閉的時間與被控參數對給定值的偏差成時間比例的函數關系，控制結果就有可能使輸出量等于輸入量，從而使被控參數趨于穩定，并使之達到平衡狀態。

2.1 時間比例調節的基本原理

時間比例調節是在雙位調節的基礎上發展起來的，其調節作用仍是借助于控制電路的通斷信號來實現。在一個周期時間內，開關接通和斷開時間隨輸入偏差的大小而變化，其接通時間 TN與整個通斷周期的比，實際上反映了調節機構的平均輸出ρ，如：

式中：TN、TF分別為一個周期中開關通斷時間(s)；時間比例控制作用就是指ρ與輸入偏差成比例。

圖4 時間比例開關動作示意圖Fig.4 Schematic diagram of the on-off action of time scale switch

圖4是一控溫系統時間比例開關動作示意圖，其中：溫度設定值為 t0，當實際溫度 t＝t0(偏差為零)時，一個周期內 TN、TF是相等的(理想狀態)，ρ＝0.5，相應地控制控溫系統加熱功率 P為 50%，當 t＜t0(偏差為負)時，一個周期內 TN＞TF，平均輸出ρ＞0.5，相應控溫系統加熱功率 P＞50%，且負偏差越大，ρ也越大，加熱功率就越大。當相反時t＞t0(偏差為正)時，TN＜TF，平均輸出ρ＜0.5，加熱功率相應被控制，P＜50%。

由以上所述得知：平均輸出ρ與輸入偏差△t＝t0成比例，從而控制加熱功率 P與△t成比例，實現了對控溫系統的斷續比例控制作用。

2.2 時間比例控制調節特性分析

時間比例方式是一種斷續作用的比例控制規律的調節方式，當被控量有偏差時，控制作用能立刻產生與偏差成比例的控制量并予以糾正，因此這種調節規律具有很強的穩定作用。需要著重指出：時間比例調節作用只有在比例帶(比例范圍)之內才具有時間比例控制作用。在圖 4中使ρ做全范圍變化時，所需的輸入偏差量為：

式中：tmax為儀表量程范圍。

我們在這里將δ定義為時間比例調節作用的比例帶，△t只有在給定值附近的δ內，調節機構才能實現上述調節作用，在δ以外時，如t＞t2時，ρ為0，加熱系統完全停止加熱；t＜t1時，ρ為 1，加熱系統的加熱功率 P恒為 100%，因此這兩種情況就不存在比例作用。

同二位式調節機構相比，這種調節方式具有比較好的穩定效果，當偏差變化時，以偏差的大小成比例地輸出控制調節量，同時盡量減小范圍的量值，加速系統穩定過程。通過分析我們可以得出這種調節方式比較適用于控制準確度較高的自動調節控制系統。

［1］ 施仁，劉文江，鄭輯光. 自動化儀表與過程控制[M].北京：電子工業出版社，2009.

［2］ 張子惠. 熱工測量與自動控制[M]. 北京：中國建筑工業出版社，2007.

［3］ 謝碧蓉. 熱工過程自動控制技術[M]. 北京：中國電力出版社，2007.

［4］ 國家技術監督局. 數字溫度指示調節儀[S]. JJG617-1996. 北京：中國計量出版社，2007.

Analysis on Typical Regulating Methods for Thermal Instruments

ZHOU Jianjun
(Tianjin Institute of Metrological Supervision and Testing，Tianjin 300192，China)

Regulation and controlling of automation instruments play an important role in safeguarding the stability of measurement process. The paper discussed the realization of two typical regulating methods used in thermal instruments and analyzed the application examples，aiming to provide the basis and reference for the selection of thermal measurement parameters in an automatic regulated closed-loop system.

thermal instruments；regulating methods；measurement

TH811

A

1006-8945(2014)07-0060-02

2014-06-07