【文章內容簡介】 一般的被控過程都存在著一定的非線性。這會導致當負載變化時整個系統(tǒng)的特性發(fā)生變化，影響控制系統(tǒng)的動態(tài)特性。單回路系統(tǒng)往往不能滿足生產工藝的要求，由于串級控制系統(tǒng)的副回路是隨動控制系統(tǒng)，具有一定的自適應性，在一定程度上可以補償非線性對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響 [2]。 北方民族大學學士學位論文 基于 MATLAB 的液位與流量串級控制設計與仿真 11 第 3 章 液位和流量的檢測轉換元件 流量檢測轉換元件 在工程 上，流量是指單位時間內通過管道某一截面的物料數(shù)量，其常用的計量單位有以下三種： 1）體積流量 Q 單位時間內通過某一截面的物料體積，用立方米每小時（ m3/h） ,升每小時（ l/h） 等單位表示。 2）重量流量 G 單位時間內通過某一截面的物料的重量，一般用公斤力每小時（ Kgf/h） 表示。 3）質量流量 M 單位時間內通過某一截面的物料的質量，可用公斤每小時（ Kg/h） 表示。 上述三種流量之間的關系為 M=? Q ??????????????? () G Q gQ gM??? ? ?????????? () 式中， ? 是流體密度； ? 是流體重度； g是重力加速度。 流量計的種類繁多，各適合于不同的工作場合。 . 容積式流量計 容積式流量計是直接根據(jù)排出體積進行流量累計的儀表，它利用運動元件的往復次數(shù)或轉速與流體的連續(xù)排出量成比例對被測流體進行連續(xù)的檢測。容積式流量計可以計量各種液體和氣體的累積流量，由于這種 流量計可以精密測量體積量，所以其類型包括從小型的家用煤氣表到大容積的石油和天然氣計量儀表，廣泛地用作管理和貿易的手段。 容積式流量計由測量室、運動部件、傳動和顯示部件組成。它的測量主體為具有固定標準容積的測量室，測量室由流量計內部的運動部件與殼體構成。在流體進、出口壓力差的作用下，運動部件不斷地將充滿在測量室中的流體從人口排向出口。假定測量室的固定容積為 V，某一時間間隔內經過流量計排出流體的固定容積數(shù)為 ，則被測流體的體積總量 Q 可知。容積流量計的流量方程式可以表北方民族大學學士學位論文 基于 MATLAB 的液位與流量串級控制設計與仿真 12 示為： Q=nV。 計數(shù)器通過傳動機構測出運動部 件的轉數(shù)， n 即可知，從而給出通過流量計的流體總量。在測量較小流量時，要考慮泄漏量的影響，通常儀表有最小流量的測量限度。 容積式流量計的運動部件有往復運動和旋轉運動兩種形式。往復運動式有家用煤氣表、活塞式油量表等。旋轉運動式有旋轉活塞式流量計、橢圓齒輪流量計、腰輪流量計等。各種流量計型式適用于不同的場合和條件。 下面主要介紹齒輪流量計： 橢圓齒輪流量計的測量本體由一對相互嚙合的橢圓齒輪和儀表殼體構成，其工作原理如下圖所示。兩個橢圓齒輪 A、 B 在進出口流體壓力差的作用下，交替地相互驅動，并各自繞軸作非勻角速度的轉動 。在轉動過程中連續(xù)不斷地將充滿在齒輪與殼體之間的固定容積內的流體一份份地排出。齒輪的轉數(shù)可以通過機械的或其他的方式測出，從而可以得知流體總流量。 兩個齒輪每轉動一圈，流量計將排出 4個半月形容積的流體。通過橢圓齒輪流量計的流體總量可表示為： Q=4nV0。式中 n 為橢圓齒輪的轉數(shù)； Vo 為半月形容積，兩個半月形容積相等且恒定。 齒輪的轉數(shù)通過變速機構直接驅動機械計數(shù)器來顯示總流量。也可以通過電磁轉換裝置轉換成相應的脈動信號，由對脈動信號的計數(shù)就可以反映出總流量的大小。 橢圓齒輪流量計適用于高粘度液體的測量。流 量計基本誤差為177。 ％～177。％；范圍度為 10： 1；工作溫度要低于 120℃，以防止齒輪卡死。在使用時要注意防止齒輪的磨損與腐蝕，以延長儀表壽命。當被測液體的粘度≤ 30 103Pa s時，其壓力損失≤ 。 北方民族大學學士學位論文 基于 MATLAB 的液位與流量串級控制設計與仿真 13 優(yōu)點 :(1)計量精度高 ； (2)安裝管道條件對計量精度沒有影響 ； (3)可用于高粘度液體的測量 ； (4)范圍度寬 ； (5)直讀式儀表無需外部能源可直接獲得累計總量 ,清晰明了 ,操作簡便。 缺點 :(1)結構 復雜 ,體積龐大 ； (2)被測介質種類、口徑、介質工作狀態(tài)局限性較大 ； (3)不適用于高、低溫場合 ； (4)大部分儀表只適用于潔凈單相流體 ； (5)產生噪聲及振動。 (節(jié)流式流量計 ) 差壓式流量計基于在流通管道上設置流動阻力件，流體通過阻力件時將產生壓力差，此壓力差與流體流量之間有確定的數(shù)值關系，通過測量差壓值可以求得流體流量。最常用的差壓式流量計是由產生差壓的裝置和差壓計組合而成。流體流過差壓產生裝置形成靜壓差，由差壓計測得差壓值，并轉換為流量信號輸出。產生差壓的裝置有多種型式，包括節(jié)流裝置：如孔板、噴嘴、文丘利管等，以及動壓管、均速管、彎管等。其他型式的差壓式流量計還有靶式流量計、浮子 流量計等。 節(jié)流式流量計可用于測量液體、氣體或蒸汽的流量。這種流量計是應用 歷史最長和最成熟的差壓式流量計，至今在生產過程所用的流量儀表中仍占有重要地位。 節(jié)流式流量計中產生差壓的裝置稱節(jié)流裝置，其主體是一個局部收縮阻力件，稱為節(jié)流元件。通過節(jié)流元件改變流體流通截面，從而在節(jié)流元件前后形成壓力差。節(jié)流裝置分為標準節(jié)流裝置和非標準節(jié)流裝置兩大類，標準節(jié)流裝置的研究最充分，實驗數(shù)據(jù)最完善，其型式已經標準化和通用化，只要根據(jù)有關標準進行設計計算，嚴格遵照加工要求和安裝要求，這樣的節(jié)流裝置不需進行單獨標定就可以使 用。非標準節(jié)流裝置用以解決臟污和高粘度流體的流量測量問題，尚缺乏足夠的實驗數(shù)據(jù)，故沒有標準化。 節(jié)流式流量計的特點是結構簡單，無可動部件；可靠性較高；復現(xiàn)性能好；適應性較廣，它適用于各種工況下的單相流體，適用的管道直徑范圍寬，可以配用通用差壓計；裝置又標準化。其主要缺點是安裝要求嚴格；流量計前后要求較長直管段；測量范圍窄，一般范圍度為 3： 1；壓力損失較大；對于較小直徑的管道測量比較困難 (D50mm)；精確度不夠高 (177。 1％～177。 2％ )等。 北方民族大學學士學位論文 基于 MATLAB 的液位與流量串級控制設計與仿真 14 節(jié)流式流量計測量原理及流量方程式 節(jié)流式流量計的測量原理以能量守恒定律 和流動連續(xù)性定律為基礎，在節(jié)流元件前后流體的靜壓和流速分布情況如下圖所示。圖中的節(jié)流元件為孔板。穩(wěn)定流動的流體沿水平管道流經孔板，在其前后產生壓力和速度的變化。流束在孔板前截面 1 處開始收縮，位于邊緣處的流體向中心加速，流束中央的壓力開始下降。在截面 2 處流束達最小收縮截面，此處流速最快，靜壓最低。之后流束開始擴張，流速逐漸減慢，靜壓逐漸恢復。但由于流體流經節(jié)流元件時會有壓力損失，所以靜壓不能恢復到收縮前的最大壓力值。 常見的三中標準節(jié)流元件如下圖所示。 優(yōu)點 :(1)應用最多的孔板式流量計結構牢固 ,性能 穩(wěn)定可靠 ,使用壽命長 ； (2)應用范圍廣泛 ,至今尚無任何一類流量計可與之相比擬 ； 缺點 :(1)測量精度普遍偏低 ； (2)范圍度窄 ,一般僅 3:1～ 4:1； (3)現(xiàn)場安裝條件要求高 ； (4)壓損大 (指孔板、噴嘴等 )。 渦輪流量計 , 渦輪流量計是以動量矩守恒原理為基礎設計的流量測量儀表 ， 是速度式流量計中的主要種類 ,它采用多葉片的轉子 (渦輪 )感受流體平均流北方民族大學學士學位論文 基于 MATLAB 的液位與流量串級控制設計與仿真 15 速 ,從而推導出流量或總量。 渦輪流量計由渦輪流量變送器和顯示儀表組成。渦輪流量變送器包括渦輪、導流器、磁電感應轉換器、外殼及前置放大器 等部分 。 圖 渦輪流量計 渦輪是用高導磁系數(shù)的不銹鋼材料制成，葉輪芯上裝有螺旋形葉片，流體作用于葉片上使之旋轉。導流器用以穩(wěn)定流體的流向和支撐葉輪。磁電感應轉換器由線圈和磁鐵組成，用以將葉輪的轉速轉換成相應的電信號。渦輪流量計的外殼由非導磁不銹鋼制成，用以固定和保護內部零件，并與流體管道連接。前置放大器用以放大磁電感應轉換器輸出的微弱電信號，進行遠距離傳送。 渦輪流 量計的工作原理：當流體通過安裝有渦輪的管路時，流體的動能沖擊渦輪發(fā)生旋轉，流體的流速愈高，動能越大，渦輪轉速也就愈高。在一定的流量范圍和流體粘度下，渦輪的轉速和流速成正比。當渦輪轉動時，渦輪葉片切割置于該變送器殼體上的檢測線圈所產生的磁力線，使檢測線圈磁電路上的磁阻周期性變化，線圈中的磁通量也跟著發(fā)生周期性變化，檢測線圈產生脈沖信號，即脈沖數(shù)。其值與渦輪的轉速成正比，也即與流量成正比。這個電訊號經前置放大器放大后，即送入電子頻率儀或渦輪流量積算指示儀，以累積和指示流量。 渦輪流量計的實用流量方程為 V fQ K???????????????? （ ） mV?? ????????????? ?? （ ） 式中 VQ 、 mQ — 分別為體積流量， m3/s，質量流量， kg/s； f— 流量計輸出信號的頻率 Hz； K— 流量計的儀表系數(shù)， P/m3。 優(yōu)點 :(1) 測量精度高 ,其精度可以達到 級以上，在狹小范圍內甚至可達%，故可作為校驗 ～ 級普通流量計的標準計量儀表 ； (2) 對被測信號北方民族大學學士學位論文 基于 MATLAB 的液位與流量串級控制設計與仿真 16 變化的反應快，若被測介質為水，渦輪流量計的時間常數(shù)一般只有幾毫秒到幾十毫秒，因此特別適用于對脈動流量的測量 ； (3)重復性好 ； (4)無 零點漂移 ,抗干擾能力好 ； (5)范圍度寬 ； (6)結構緊湊。 缺點 :(1)不能長期保持校準特性 ； (2)流體物性對流量特性有較大影響 [3]。 液位檢測轉換元件 物位包括液位和料位兩類。液位又包括液位信號器和連續(xù)液位測量兩種。液位信號器是對幾個固定位置的液位進行測量，用于液位的上、下限報警等。連續(xù)液位測量是對液位連續(xù)地進行測 量，它廣泛地應用于石油、化工、食品加工等諸多領域，具有非常重要的意義。 浮力式液位計 浮力液位計是根據(jù)阿基米德原理工作的，即液體對一個物體浮力的大小，等于物體所排開液體的重量。 浮力式液位計可分為兩種：一種為恒浮力式液位計，在整個測量過程中其浮力維持不變（如浮標式、浮球式等液位計），在工作時浮標隨液位高低而變化；另一種為變浮力式液位計（如沉筒式液位計），它根據(jù)浮筒在液體內浸沒的深度不同而所受浮力不同來測量液位。 圖 浮力液位計 原理圖 如圖所示為浮標式液位計，浮標置于被測介質中，為了平 衡浮標的重量，設有平衡錘、浮標，指針與平衡錘用鋼絲繩連接。當液位變化時，浮標隨著浮動，通過指針便可直接指示出液位高度。 北方民族大學學士學位論文 基于 MATLAB 的液位與流量串級控制設計與仿真 17 如果把浮標的位移轉換為電量的變化，則可以進行液位的遠距離指示或記錄。 靜壓式液位計 對于不可壓縮的液體，液位高度與液體的靜壓力成正比，所以測出液體的靜壓力，即可知道液體的高度。 圖 靜壓式液位計 原理圖 如 圖所示為用靜壓式液位計進行開口容器的液位測量。壓力計與容器的底相連，根據(jù)壓力計指示的壓力大小，即可知道液位的高度，其關系為 pH???????????? ??? ? （ ） 式中， H 是液位的高度； ? 是液體重度； p 是容器內取壓平面上的靜壓力。 電容式液位計 在平行板電容之間充以不同的介質時，其電容量的大小是不同的。所以，可以用測量電容量的變化來檢測液位或兩種不同介質的液位分界面。 可利用插入容器中的一根導線與容器壁作為兩個電極來測量液位，其總電容量為 ? ? ? ?1 1 1 2 1 1 1 2C Kh K h h Kh Kh? ? ? ? ?? ? ? ? ? ????? （ ） 式中， K 是常數(shù)，與電極的尺寸、形狀有關； 1? 是被測液體的介電系數(shù)； 2?是氣體的介電系數(shù)； h 是電極總高度。 在實際應用中，電極的尺寸、形狀已定，介電系數(shù)是基本不變的。所以，測量電容量的變化就可知道液位的高低。當電極幾何形狀及尺寸一定時， 1? 、 2? 相差愈大，則儀表靈敏度愈高；如果介電常數(shù) 1? 、 2? 發(fā)生變化，則會使測量結果產生誤差。 北方民族大學學士學位論文 基于 MATLAB 的液位與流量串級控制設計與仿真 18 圖 交流電橋法測量電容量原理 圖 交流電橋法測量電容量原理如圖所示，交流電橋由 AB、 BC、 CD、 DA 四個橋臂組成，高頻電源 E 經電感 L L4 耦合到 L L3，與 C C2 組成的電橋。 AB為可調橋臂， R1C1 可用來調整儀表的零點，使橋