给排水工程仪表与控制讲稿

贵州大学讲稿课程名称：给排水工程仪表与控制教材名称：给水排水工程仪表与控制（“十五”国家级规划教材）适用专业：给水排水工程授课教师：陆天友第一章：自动控制基础知识一、自动控制系统的概念与构成1、自动控制系统的概念所谓自动控制，就是利用机械的、电气的、力学的等装置代替人工控制器官的作用，在不用人工直接参与的情况下，可以自动地实现预定的控制过程。2、自动控制系统的构成从上面简单的实例中，可以总结出一般自动控制系统是由控制对象、测量变达器、控制器、执行装置几部分组成的。3、自动控制系统的分类1）、反馈控制系统反馈控制系统是根据系统被控量与给定值的偏差进行工作的，最后达到消除或减小偏差的目的，偏差值是控制的依据，因为该系统由被控量的反馈构成一个闭合回路，所以又称为闭环控制系统，这是过程控制系统中最基本的一种。另外，反馈信号也可能有多个，从而可以构成一个以上的闭合回路，称为多回路反馈控制系统。2）、前馈控制系统前馈控制是直接根据扰动进行工作的，扰动是控制的依据，由于它没有被控且的反馈，所以不构成闭合回路，故也称为开环控制系统。3）、复合控制系统(前馈—反馈控制系统)前馈开环控制的主要优点是能针对主要的扰动迅速及时地改变控制量，克服扰动对初控员的影响。所以，在反馈控制系统中加入对于主要扰动的前馈控制，构成复合控制系统可以提高控制质量。4、计算机控制系统以计算机为核心构成的数字式控制系统，是控制技术的最新成就，已在生产实践中广泛应用。其基本构成如下图。广义来讲，以微处理器为核心的各种智能化控制装置都可以归结到这一类控制系统中来，包括由工业计算机组成的系统、由单板机或单片机组成的系统、由可编程序控制器组成的系统、由智能化专用调节器组成的系统以及由上述各类装置混合组成的系统等。虽然这些装置的配置、功能不同，但其基本的组成部分是相似的，都是通过数字运算完成各种功能的。第二章：给排水自动化仪表与设备第一节、典型水质检测仪表给水排水工程自动化常用仪表与设备，可以分为以下几大类：1、过程参数检测仪表。它包括各种水质(或特性)参数在线检测仪表，如浊油度、PH值、电导率、溶解氧等的在线测量装置，以及流动电流检测仪、透光率脉动检测仪等给水排水系统工作参数的在线检测仪表，如压力、液位、流量等仪表。2、过程控制仪表。以微电脑为核心的各种控制器，如微机控制系统、可编积序控制器、微电脑专用调节器等；常规的调节控制仪表，如各种电动、气动单元组合仪表等。3、调节控制的执行设备。包括各种水泵、电磁阀、调节阀以及变频调速器等。4、其它机电设备。如交流接触器、继电器、记录仪等。1、浊度测定原理目前各种类型的浊度仪，全都是利用光电光度法原理制成的。悬浊液体是光学不均匀性很显著的分散物质。当光线通过这种液体时，会在光学分界面上产生反射、折射、漫反射、漫折射等非常复杂的现象。由于这些光学现象，当射入试样水的光束强度固定时，透过水样后的光束强度或散射光的强度将与悬浊物的成分、浓度等形成函数关系。根据比尔---朗白定律和雷莱方程式可提出如下的函数式：以上两个方程式清楚地表示了透射光和散射光强度与浊度的关系。通过光电效应又可将光束强度转换为电流的大小，用以反映浊度。这就是当前各类浊度仪的基本工作原理。2、PH测定原理pH的测量常用电极电位法，该方法是基于两个电极上所发生的电化学反应。用电极电位法测量溶液pH值，可以获得较准确的结果。电极电位法的原理是用两个电极插在被测量溶液中，其中1个电极为指示电极(如玻璃电极)，它的输出电位随被测溶液中的氢离子活度变化而变化；另一个电极为参比电极〔如氯化银电极)，其电位是固定不变的,上述两个电极在溶液中构成了一个原电池。该电池所产生的电动势E的大小与溶液的PH值有关。3、溶解氧检测仪表原理溶解氧是一项重要的水质参数。在活性污泥法污水处理工艺中，溶解氧测定还是保证处理工艺正常进行的主要过程控制参数。溶解氧的在线测量可以采用电极测量法。电极可分为两种类型，即电位型电极和电流型电极。电位型电极是利用一种特定离子的活性产生电位。这些电极的实例是玻璃PH电极及大多数离子选择电极。测旦的是指示电极与一个惰性参考电极之间的电位差，而参考电极的电位必须是恒定的。所有电位型电极都服从Nernst定律，因此电极与测量仪器在大多数情况下是通用的电位测量的必要条件实际上是电极电压的无电流测定。在测量中，基本上不发生化学反应。溶解氧测量仪表包括氧电极和溶氧放大器两部分。氧电极输出电流信号放迭至溶氧放大器(或溶氧交迭器)，由后者把电极电流信号转换为一定的溶氧单位显示出来。除显示功能外．溶氧放大器还应具有以下功能：a、零点(残余电流)补偿；b、灵敏度(斜率)校正；c、温度补偿；4、余氯在线检测仪表原理余氯是保证水质卫生指标的重要参数，也是加飘消毒工艺的基本控制参数。余氯在线分析是进行投氯控制的前提。余氯一般也是采用电极法进行测量。在两个电极之间施加电压，利用电极之间电解产生的氧化还原反应测量氯的浓度。余氯分析仪的规格基本上是按测量范围划分，一般有0---5ppm、0---10ppm、0---20ppm等。微量余氯分析仪具有的三电极测量传感器和微处理器分析机构，可以使监控余氯精度达十亿分之一(1/10×108)。微量余氯分析仪可以连续测定自由余氯、总余氯，在连续余氯反馈控制中精度达10ppm，为工作人员提供了可靠的分析依据，从而提高水处理加氯系统的监测控制水平。5、电导检测仪表原理由于电解质在水溶液中以带电离子的形式存在，因此溶液具有导电的性质，其导电能力的强弱称为电导度，简称为电导。测定水和溶液的电导，可以了解水被杂质污染的程度和溶液中所合盐分或其它离子的量。电导串是水质监侧的常规项目之一。溶液中电解质的电导为电阻的倒数，即：S=1/R第二节、在线检测仪表及执行设备1、液位检测仪表原理液位检测仪表有浮力式、静压式、电容式、超声波式等多种。超声波液位计是基于晶体的压电效应，用压电晶体作探头(即换能器)发射出声波，声波遇到两相界面被反射回来，又被探头所接收，根据声波往返所需要的时间而测出液位的高度；作为换能器的探头又可分为发射型、接收型和发射---接收型3种。激光式液位计是一种很有发展前途的液位计，因为激光光能集中，强度高，而且不易受外来光线干扰．甚至在1500度左右的高温下也能正常上作。另外，激光光束扩散很小，在定点控制液位时，具有较高的精度。液位检测仪表的选用：1）、检测精度：对用于计量相经济核算的，应选用精度等级较高的液位检测仪表，如超声波液位计误差为±2mm，对于一般检测精度，可以选用其它液位计。2）、工作条件：对于测量高温、高压、低温、高粘度、腐蚀性、泥浆等特殊介质，或在用其它方法难以检测的各种恶劣条件下的特殊场合．可以选用电容式液位计等。对于一般情况。可选用其它液位计。2、压力仪表测定原理在工业上检测压力的常用方法有：以流体静力学理论为基础的浓柱测压法：根据弹性元件受力变形原理的弹性交形测压法；将被测压力转换成各种电量的电侧法，将被测压力转换成活塞上所加平衡码的重量的活塞法等。应变片式压力计：把压力转换为电阻、电容、电感或电势等电量，从而实现压力的间接测量的压力计叫做电气式压力计。这种压力计反应较快，测量范围较广，在生产过程中可以实现压力自动检测、自动控制和报警，适用于测量压力变化快、脉动压力、高真空和超高压的场合。应变片式压力计是利用电阻应变片将铰测压力转换为电阻值的变化，再通过桥式电路获得毫伏级的电量输出，然后由二次仪表显示或记录。(1)仪表量程的选用对于测量稳定压力，仪表量程上限选大于或等于1．5倍常用压力；对于测量交变压力，仪表量程上限选大于或等于2倍常用压力；对于测量稳定压力，仪表常用压力选1／3---1／2量程上限；对于测量交变压力，仪表常用压力选不大于1／2量程上限。(2)仪表精度的选用对于工业用仪表，其精度选1.5级或2.5级。对于实验室或校验用仪表，其精度选0.4级及0.25级以上。(3)根据测量介质性质及使用条件选用对于测量腐蚀性介质，可选用防腐型压力计或加防腐隔离装置。3、流量测定原理3.1电磁流量计电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制成的，是一种用来测量管道中导电性液体体积流量的仪表，可测各种腐蚀性的酸、碱、盐溶液，可测含各种悬浮固体微粒的液体，在给水排水系统中有广泛的应用。电磁流量计由变送器和转换器两部分组成。变送器被安装在被测介质的管道中．将被测介质的流星变换成瞬时的电信号；而转换器将瞬时电信号转换成0-10mA或4-20mA的统一标准直流信号，供仪表指示、记录或调节用。3.2超声波流量计测量原理主要的有传播速度差法和多普勒法。超声波流量计的主要优点是在管道外测流量，实现无妨碍测量，只要能传播超声波的流体皆可用此法来测量。而且不管被测对象多大，也可用此法进行测量，特别是超声波法可以从厚的金属管道外测量管内流动的液体的流量．具有不用对原有管道进行任何加工就实施流量测量的特征，这是其它法所不具备的。3.3差压流量计是目前工业上使用历史最久和应用最广泛的一种流量计。从流体力学可知，流体在管道中流动时，具有动能和位能、并在一定条件下可以相互转换。差压式流量计是以伯努利方程和连续性方程为理论根据、通过测量流体流动过程中产生的差压来测量流量的。差压流量计主要由节流装置(如孔板)和差压计等两部分组成，流体通过节流装置(孔板)时，在节流装置的上、下游之间产生压差，从而由差压计测出差压，流量愈大，差压也愈大，流量和差压之间存在一定关系，这就是差压流量计的工作原理。3.4节流流量计节流流量计是利用节流装置前后的压差与平均流速或流量的关系，根据压差测量恒计算出流量的。节流流量计的理论依据是流体流动的连续性方程和伯努利方程。节流装置的种类很多，其中使用最多的是同心孔板、流量喷嘴和文丘里管等。节流流量计是使用非常广泛的流量计。第三章：水泵及管道系统的控制调节第一节：水泵的调速控制1.1概述合理地调节水泵、管道系统工况，保证用户的用水要求，并最大限度地节约能耗、降低费用，是十分重要而有意义的工作。给水排水工程中的水泵与管道系统主要包括：(1)城市供水系统---包括输配水管网及二泵站、加压泵站；(2)城市雨水、污水排水系统---包括排水管网及雨水泵站、污水泵站；(3)小区、建筑的给水系统---包括小区、建筑给水管网及加压设施；(4)小区、建筑的排水系统——包括排水管网及小区排水泵站、建筑室内污水提升泵等。由于水泵(或水泵站)都是同管道系统联系在一起的，因此事实上，对这些系统的调节控制都可归结为对水泵工况的调节上。可以将控制系统分为如下两大类。(1)对水泵的开停双位控制：按照液位(或压力值)、流量等参数的要求，改变每台水泵的开、停状态或改变水泵的运行台数。(2)对水泵工作点的调节控制：按照液位(或压力)、流量等参数的要求，改变水泵的工作点，这种改变可以通过调节管路系统中阀门的开启度实现或通过改变水泵转速的方式实现。1.2水泵的调速控制给水排水工程中应用的水泵多为离心泵。在前面内容中已提及离心泵的调节方法有两类：一类是通过调节水泵出口管路上的阀门来改变管路特性，实现水泵工况点的调节；另一类是改变水泵的转速，从而改变水泵的特性曲线，实现水泵工况点的调节。前者节能效益较低，部分多余能量消耗在了阀门上；后者是一种高效节能的调节方式。因此调节水泵转速是改变水泵工况的较好方法。1）水泵调节的类型视用途目的不同，水泵调速的控制参数也有所不同。主要有如下3种典型情况：恒压调速、恒流调速、其他调节方法；2）水泵的调速方法水泵的调速方法有多种，主要分为两类：第一类是电机转速不变，通过附加装置改变水泵的转速，如液力辐合器调速、电磁耦合器调速、变速箱调速等，都属于这种类型；第二类是直接改变电机的转速，如可控硅串级调速、变频调速等。后者是在水泵站应用较多的调速形式。3）串级调速：通常把转子感应电势通过三相桥式整流变为直流电，用直流电动机实现反电势的方法，称为机组串级调速。根据电能反馈的方式，串级调速又可分为下列3种形式；1)机械反馈机组串级调速：2)电气反馈机组串级调速：3)可控硅串级