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工程设备设计基础,东北大学材料与冶金学院,主讲人：申勇峰 茹红强,简 介,本课程采用电化教学手段，以便使学生更直观地了解最新设备及最新产品的发展。课程学习之后进行课程设计，要求学生能利用已经学到的知识初步独立完成设备设计的全部过程，为将来的毕业设计和现场设备的建造使用与维护打下坚实的基础。,本课程作用和任务,本课程的设置针对材料科学与工程专业的学生，是本专业学生必须掌握的基础知识之一，属于专业基础平台课。本课程涉及本专业学生在毕业以后从事本专业研究和生产的实际工作中，常见的工程设备的建造、使用及维护的基础知识。本课程根据材料工程设备近年来的快速发展，对一些近年来出现的新型材料设备的相关基础知识进行了较详细的介绍，特别对设备的控制技术的基础知识进行了强调。此外，由于现代材料设备中越来越多地采用压力控制技术，本课程与传统的材料设备课程相比，补充了真空系统与液压系统等相关基础知识。本课程还是本专业学生进行课程设计教学环节的基础准备课程，课程设计是针对本专业学生将来的毕业设计环节及将来在工作实践岗位上涉及的所有工程设计实践，进行的全面模拟和训练，是培养学生实际处理问题和动手能力的基础教学环节。,选用教材：材料工程设备设计,先修课程：大学物理、材料科学基础、热处理工艺主要参考书：加热炉测温测压仪表材料热力学感应加热设备真空系统设计手册,IGC法的装置示意图。其原理是将材料在惰性气体气氛中蒸发，蒸发出的金属原子与惰性气体相碰撞后动能降低，通过热对流输运到液氮冷却的旋转冷底板的表面，形成疏松粉末。收集后的粉末在高真空下（10-5-10-6 Pa）冷压（压力通常为1-5 GPa）制成块体材料。,实际应用例,化学反应的标准状态（对于纯固体或纯液体）：,1 atm(101.3 kPa),298.15 K,状态方程：对于一定量的单组分均匀体系，状态函数 T、P、V 之间的联系可表示为T=f(p,V)，三个变量之间只有两个是独立的，例如：pV=nRT 就是理想气体的状态方程。相图描述体系的相关系，反映物质的相平衡规律，是体系热力学函数在满足热力学平衡条件下的几何描述，为冶金、材料、化工、地质和陶瓷等领域提供必要的信息，应用极为广泛。相律：反映热力学平衡体系中独立组员数 C、相数 P和自由度 F之间存在的关系。F=C P+2 式中：2 表示体系的温度和压力两个热力学参数。,基础知识复习,教学安排及方式,第一章 测温仪表,教学内容及基本要求:工程和科学试验中的温度测量单位，温度测量的基本原理，测温仪表的类型，温度控制技术，测温仪表和控温仪表，控温系统的基本原理，控温仪表的选择，控温系统的设计。掌握基本原理，能进行简单的温度测量系统设计和测温仪表使用维护。,第 1 节 热电偶测温原理,热电偶一般用于测量500以上的高温，如电厂生产过程中的主蒸汽温度，过热器壁管温度，高稳烟气温度等。普通热电偶的测温上限可达1300（长期用时）至1600（短期用时），特殊材料制成的热电偶可测量2000-2800的高温。热电偶是一种发电型传感器，它将温度信号转换成电势（mV）信号，配以测量毫伏信号的仪表或变送器，便可以实现温度的测量或温度信号的变换。,第一章 测温仪表 第 1 节 热电偶测温原理,将两根不同性质的金属丝或合金丝 A 或 B，焊接组成一个闭合回路称之为热电偶。A、B 叫做热偶丝，也叫热电极。放置在被测温度的介质中的接头，称为测量端，一般都是高热端，所以又称为热端。另一接头则称为参比端，在使用时，这端并不焊接，而是接入测量仪表，其温度通常是环境温度或某一恒定温度，所以通常被称为冷端。当热电偶两端温度tt1时，回路中有电流，把这电流称为热电流，产生热电流的电动势称为热电势，并把这种物理现象称为热电现象。,第一章 测温仪表 第 1 节 热电偶测温原理,热电偶,将铜丝和铁丝两头相连成闭合回路，把其中一头加热，回路中将有电流产生。实际任何两种导体或半导体材料构成的闭合回路都能见到类似现象。这种有热转变成电的现象称热电效应(thermoelectric effect)。热电偶就是根据这种热电现象制成的测温单元。,第一章 测温仪表 第 1 节 热电偶测温原理,热电效应,图例：两种导体构成的热电偶回路,热电偶被测区所加热的一端称热端（hot junction）或工作端、测量端(measuring junction)，另一端处于参照温度下，称为冷端(cold junction)或自由端、参考端(reference junction)。,第一章 测温仪表 第 1 节 热电偶测温原理,在古典电子理论中，热电势由温差电势和接触电势两部分构成。,温差电势是由均质导体的两端温度差引起的。如果某均质导体的两端温度分别为T和T0,则导体两端之间的温差电势为：,温差电势,第一章 测温仪表 第 2 节 温差电势及接触电势,第 2 节 温差电势及接触电势,接触电势,接触电势是当两种不同的导体A与B接触时，因两者的自由电子密度不同，在接触点产生电子扩散，而形成的电势。接触电势是温度t的函数。,第一章 测温仪表 第 2 节 温差电势及接触电势,测量端与参考端的电势计算,将两种导体构成如上图所示回路，而两导体相接的结点(junction)分别处于温度T、T0时，导体A与B之间的电势是温差电势和接触电势的代数和，但考虑到回路中的温差电势远小于接触电势，可以忽略不计，因此测量端与参考端的电势可用下式求出：,第一章 测温仪表 第 2 节 温差电势及接触电势,第 3 节 利用直流电位计和热电偶测温,例如：用镍铬-镍硅热电偶（K型）测量某中温炉的炉温。用直流电位差计测得热电势为33.91mV，用水银温度计测得热电偶冷端的温度为25，求热电偶热端的测量温度。解：由K(EU-2)分度表查得E(tr,0)=E(25，0)=1.00mV测得：E(t,tr)=E(t,25)=33.91mV E(t,0)=E(t,25)+E(25，0)=33.91mV+1.00mV=34.91mV从K(EU-2)分度表查得，34.91mV对应温度为840得热电偶热端所测的温度为840。,第一章 测温仪表 第 3 节 利用直流电位计和热电偶测温,第 4 节 热电阻测温原理及类型,热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。（1）热电阻测温原理及材料热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻（2）热电阻的类型1）普通型热电阻从热电阻的测温原理可知，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来测量的，因此，热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。,第一章 测温仪表 第 4 节 热电阻测温原理及类型,2）铠装热电阻 铠装热电阻是由感温元件（电阻体）、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，它的外径一般为2-8mm。与普通型热电阻相比，它有下列优点：体积小，内部无空气间隙，测量滞后小；机械性能好、耐振，抗冲击；能弯曲，便于安装；使用寿命长。3）端面热电阻 端面热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制，紧贴在温度计端面。它与一般轴向热电阻相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。4）隔爆型热电阻 隔爆型热电阻通过特殊结构的接线盒，把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内，生产现场不会引超爆炸。隔爆型热电阻可用于B1a-B3c级区内具有爆炸危险场所的温度测量。,第一章 测温仪表 第 4 节 热电阻测温原理及类型,1 红外测温仪器的种类 红外测温仪器主要有3种类型：红外热像仪、红外热电视、红外测温仪（点温仪）。60年代我国研制成功第一台红外测温仪，1990年以后又陆续生产小目标、远距离、适合电业生产特点的测温仪器近期，国产红外热像仪在昆明研制成功，实现了国产化。2 红外测温仪工作原理 红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。光学系统汇集其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件以及位置决定。红外能量聚焦在光电探测仪上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路按照仪器内部的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。除此之外，还应考虑目标和测温仪所在的环境条件，如温度、气氛、污染和干扰等因素对性能指标的影响及修正方法。,第 5 节 红外测温仪,第一章 测温仪表 第 5 节 红外测温仪,一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。,第一章 测温仪表 第 5 节 红外测温仪,红外测温的理论基础,黑体是一种理想化的辐射体，它吸收所有波长的辐射能量，没有能量的反射和透过，其表面的发射率为1。应该指出，自然界中并不存在真正的黑体，但是为了弄清和获得红外辐射分布规律，在理论研究中必须选择合适的模型，这就是普朗克提出的体腔辐射的量子化振子模型，从而导出了普朗克黑体辐射的定律，即以波长表示的黑体光谱辐射度，这是一切红外辐射理论的出发点，故称黑体辐射定律。,第一章 测温仪表 第 5 节 红外测温仪,黑体辐射定律,影响发射率的主要因素有：材料种类、表面粗糙度、理化结构和材料厚度等。当用红外辐射测温仪测量目标的温度时首先要测量出目标在其波段范围内的红外辐射量，然后由测温仪计算出被测目标的温度。单色测温仪与波段内的辐射量成比例；双色测温仪与两个波段的辐射量之比成比例。红外系统：红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件及其位置确定。红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路，并按照仪器内置的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值,红外测温影响因素,第一章 测温仪表 第 5 节 红外测温仪,红外测温仪是通过接收目标物体发射、反射和传导的能量来测量其表面温度。测温仪内的探测元件将采集的能量信息输送到微处理器中进行处理，然后转换成温度读数显示。在带激光瞄准器的型号中，激光瞄准器只做瞄准使用。为了获得精确的温度读数，测温仪与测试目标之间的距离必须在合适的范围之内，所谓“光点尺寸”（spot size）就是测温仪测量点的面积。距离目标越远，光点尺寸就越大。在激光瞄准器型测温仪上，激光点在目标中心的上方，有12mm（0.47英寸）的偏置距离。,红外测温仪性能,第一章 测温仪表 第 5 节 红外测温仪,选择红外测温仪可分为3个方面：（1）性能指标方面，如温度范围、光斑尺寸、工作波长、测量精度、窗口、显示和输出、响应时间、保护附件等；（2）环境和工作条件方面，如环境温度、窗口、显示和输出、保护附件等；（3）其他选择方面，如使用方便、维修和校准性能以及价格等，也对测温仪的选择产生一定的影响。,红外测温仪正确选择,第一章 测温仪表 第 5 节 红外测温仪,随着技术和不断发展，红外测温仪最佳设计和新进展为用户提供了各种功能和多用途的仪器，扩大了选择余地。在选择测温仪型号时应首先确定测量要求，如被测目标温度，被测目标大小，测量距离，被测目标材料，目标所处环境，响应速度，测量精度，用便携式还是在线式等等。(a)确定测温范围 测温范围是测温仪最重要的一个性能指标。如Raytek（雷泰）产品覆盖范围为-50-+3000，但这不能由一种型号的红外测温仪来完成。根据黑体辐射定律，在光谱的短波段由温度引起的辐射能量的变化将超过由发射率误差所引起的辐射能量的变化，因此，测温时应尽量选用短波较好。一般来说，测温范围越窄，监控温度的输出信号分辨率越高，精度可靠性容易解决。测温范围过宽，会降低测温精度。,第一章 测温仪表 第 5 节 红外测温仪,(b)确定目标尺寸 红外测温仪根据原理可分为单色测温仪和双色测温仪（辐射比色测温仪）。对于单色测温仪，在进行测温时，被测目标面积应充满测温仪视场。建议被测目标尺寸超过视场大小的50%为好。如果目标尺寸小于视场，背景辐射能量就会进入测温仪的视声符支干扰测温读数，造成误差。对于双色测温仪，其温度是由两个独立的波长带内辐射能量的比值来确定的。因此当被测目标很小，测量通路上存在烟雾、尘埃、阻挡对辐射能量有衰减时，都不会对测量结果产生影响。甚至在能量衰减了95%的情况下，仍能保证要求的测温精度。对于目标细小，又处于运动或振动之中的目标；有时在视场内运动，或可能部分移出视场的目标，在此条件下，使用双色测温仪是最佳选择。如果测温仪和目标之间不可能直接瞄准，测量通道弯曲、狭小、受阻等情况下，双色光纤测温仪是最佳选择。这是由于其直径小，有柔性，可以在弯曲、阻挡和折叠的通道上传输光辐射能量，因此可以测量难以接近、条件恶劣或靠近电磁场的目标。,如何进行红外测温仪测温？为了红外测温仪测温，将红外测温仪对准要测的物体，按触发器在仪器的上读出温度数据，保证安排好距离和光斑尺寸之比，和视场。用红外测温仪时有几件重要的事要记住：（）只测量表面温度，红外测温仪不能测量内部温度。（）不能透过玻璃进行测温，玻璃有很特殊的反射和透过特性，不允许精确红外温度读数。但可通过红外窗口测温。红外测温仪最好不用于光亮的或抛光的金属表面的测温（不锈钢、铝等）。（）定位热点，要发现热点，仪器瞄准目标，然后在目标上作上下扫描运动,直至确定热点。（）注意环境条件：蒸汽、尘土、烟雾等。它阻挡仪器的光学系统而影响精确测温。（）环境温度，如果红外测温仪突然暴露在环境温差为度或更高的情况下，允许仪器在分钟内调节到新的环境温度。,DCY-I 数字温度显示仪,主要是用于库房门口的温度显示。性能特征 1、精确度0.22、测温范围-40-+1003、显示清晰4、无需校验 5、无需接线、安装方便 1、定位孔 2、温度显示窗口 3、小数点 4、符号位（、）5、传感器 6、电源引线(AC220V50HZ),第一章 测温仪表 第 6 节 测温仪示例,第 6 节 测温仪示例,FLUKE 561 红外测温仪,使用红外(IR)温度计可瞬间测量高温、移动、带电和难于接触的物体的温度。检查电机、绝缘体、断路器、辐射加热装置、管道、腐蚀的接头以及导线，并且可不用使用梯子而从地面来扫描天花板中的管道。(-30C到550C),雷泰MX2红外测温仪,从-30C到900C(-25F to 1600F)的宽温度范围，高光学分辨率60:1，能从更远的距离测量，或者测量更小的物体，16点环形激光瞄准，这些优点使MX系列成为工业界最高级的便携式测温仪。环形激光瞄准提供了最完美最精确的红外光束跟踪，使关键数据测量更精确。,应用领域：设备故障诊断、电子行业、冶金行业、玻璃行业、铁路行业、暖通及食品行业,第二章 温 度 控 制 原 理,第 1 节 世界仪表技术发展回顾,动圈式仪表也称磁电式仪表,电磁感应现象被发现以来,各种动圈式仪表的开发和改进一直是主导着仪表行业的进步,直到20世纪50年代初期，出现了采用数码管的各种数字仪器。这种数字化显示技术把模拟仪器的准确度、分辨率与测量速度提高了几个数量级，同时也为后来计算机技术广泛应用于测试自动化领域奠定了基础。,第 2 节 仪器仪表发展的特点,（1）新技术的应用。国际上大的仪表制造厂商目前普遍采用了EDA(电子设计自动化)、CAM(计算机辅助制造）、CAT(计算机辅助测试)、DSP(数字信号处理)、ASIC(专用集成电路)及SMT(表面贴装技术)等。（2）产品结构变化。更加注重性能价格比。在重视高档仪器开发的同时，注重高新技术开发和用量大、适用面广的产品开发与生产。注重系统集成，不仅着眼于单机，更注重系统化、系列化产品。现在的产品进一步软件化，随着各类仪器装上了CPU，实现了数字化后，在软件方面投入日益增大。已经有人指出，今后仪器可归纳成公式：仪器=AD/DA+CPU+软件，AD芯片将模拟信号变成数字信号，再经过软件处理变换后用DA输出。,第二章 测温仪表 第 2 节 仪器仪表发展的特点,（3）新产品开发的准则发生了变化。新产品开发从技术驱动转为市场驱动，从一味追求开发高精尖产品，转为开发“恰到好处”。总之开发一项成功产品的准则应该是：用户有明确的需求；能用最短的开发时间投放市场；功能与性能要恰到好处。产品开发准则的另一变化是收缩方向，集中优势。（4）生产技术注重专业生产，摒弃盲目的大而全。生产过程采用自动测试系统。目前多以GP-IB仪器组建自动测试系统。在这样的生产线上尽是一个个大的测试柜，快速地进行自动测试、统计、分析、打印出结果。,第二章 测温仪表 第 2 节 仪器仪表发展的特点,第 3 节 DSP（数字信号处理器）介绍,随着信息技术革命的深入和计算机技术的飞速发展，数字信号处理技术已经逐渐发展成为一门关键的技术学科。DSP芯片，即数字信号处理器，是专门为快速实现各种数字信号处理算法而设计的、具有特殊结构的微处理器，其处理速度已高达2000MIPS，比最快的CPU还快10-50倍。目前，在微电子技术发展的带动下，DSP芯片的发展日新月异，DSP的功能日益强大，性能价格比不断上升，开发手段不断改进。在当今的数字化时代背景下，DSP已成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件，被誉为信息社会革命的旗手。同时DSP已成为集成电路中发展最快的电子产品，并成为电子产品更新换代的决定因素。在国外，DSP芯片已经被广泛地应用于当今技术革命的各个领域；在我国，DSP技术也正以极快的速度被应用在通信、电子系统、信号处理系统、自动控制、雷达、军事、航空航天、医疗、家用电器、电力系统等许多领域中，而且新的应用领域在不断地被发掘。因此基于DSP技术的开发应用正成为数字时代的应用技术潮流。DSP与CPU是芯片工业中的两大核心技术，DSP负责数字信号处理，CPU是负责计算功能。,第二章 测温仪表 第 3 节 DSP（数字信号处理器）介绍,热工量,是指热力工程参数，包括温度、压力、流量、物位等。材料加工、热处理过程中大量接触的往往就是这些热工量的测控，另外，例如碳势等化学成分量的测量也是热处理工作经常需要的。有些仪表名称可能不会一下子看出是热工仪表，例如真空仪表，但它们的本质却是压力仪表。,第二章 测温仪表 第 3 节 DSP（数字信号处理器）介绍,第 4 节 自动化仪表及其分类,自动化仪表也就是通常所说的过程控制仪表。是在仪表的检测记录功能基础上发展起来的具有调节控制功能的仪表。,第二章 测温仪表 第 4 节 自动化仪表及其分类,按照仪表的功能进行分类，仪表的功能包括检测、显示、记录、控制等；按照仪表使用的动力源分类，可以将仪表分为气动仪表、电动仪表和比较少见的液动仪表；按仪表的组合形式分类，可以将仪表分为基地式仪表、单元组合仪表和电子综合组装仪表；按仪表的安装形式分类，可以将仪表分为现场仪表(Field Instrument)、盘装及架装仪表（带有显示、调节等面板部分的仪表，例如带有报警器、指示计等的仪表为盘装表，否则，例如温度变送器、开方器等称为架装表）；按仪表信号的形式分类，可将仪表分为模拟（信号）仪表和数字（信号）仪表等等；随着微处理机技术的蓬勃发展，微处理机被大量引入仪表中，按照仪表有否引入微处理机（器）又可将仪表分为智能仪表与非智能仪表；按测量及控制的参数分类，仪表测量参量大致分为：热工量、电工量、机械量、物理性质与成分量以及状态量等五类，相应的也可以把仪表分成五大类。,自动化仪表分类,第二章 测温仪表 第 4 节 自动化仪表及其分类,PID模拟式调节仪,PID控制也称PID调节。P是比例控制（Proportional control），I是积分控制(Integral control)，D是微分控制(Differential control)，所以PID调节仪表示这三种作用综合在一起的调节器。,第二章 测温仪表 第 4 节 自动化仪表及其分类,PID控制器的参数整定,PID控制器的参数整定：就是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，例如经典Z-N法、Chien-Hrones-Reswick法、Cohen整定公式、极点配置法、内模法、IST2E最优整定算法和幅值相位裕量法（GPM）等。,第二章 测温仪表 第 4 节 自动化仪表及其分类,智能光柱数显PID调节器,第二章 测温仪表 第 4 节 自动化仪表及其分类,P比例控制,P比例控制是一种最简单的控制方式，控制反映快但粗糙。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。,第二章 测温仪表 第 5 节 自动化仪表控制原理,第 5 节 自动化仪表控制原理,积分控制,积分控制（I）慢，还有一定程度的振荡，但它是使误差不断减小的一个环节。在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差的削减程度取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。,第二章 测温仪表 第 5 节 自动化仪表控制原理,微分控制（D）,在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。,第二章 测温仪表 第 5 节 自动化仪表控制原理,比例控制(P),仪表的内部电路比较复杂，我们用简单的电路来说明其基本原理：一个可变电阻就可构成比例电路，滑动臂端的电压变化与其位置成比例。RC电路的电容两端的电压变化就是积分过程，电压在电容充放电过程中缓慢趋近终值。RC回路上电阻端的电压变化曲线就是个微分特征曲线，通电瞬间，电容相当短路，电阻上的压降最大，之后渐渐趋于零。,第二章 测温仪表 第 5 节 自动化仪表控制原理,比例调节原理图,假设当U0因扰动增大，负反馈回路检测出的Ui变得更负，于是UiUi值减小，导致经放大器输出的U0变小，系统恢复原来的平衡。扰动大小与负反馈量大小的比例由电位器RP调整。,第二章 测温仪表 第 5 节 自动化仪表控制原理,比例积分（PI）调节器原理,比例积分调节器原理：将上图改变一下，比例调节调节器的Rp不是直接从Uo上检测信号，而是先在Uo上并接一个RC回路，Rp再检测RC回路的R上的信号变化，当Uo端有正阶跃信号时，电容瞬间通路，信号压降全部作用在R两端，相当一个纯比例调节回路；但随着电容充电，其上的压降增大，R上的压降减小，Rp输出的负反馈也随之减小，则Uo逐渐（按积分曲线）增大。（可以考虑在阶跃信号为负时，发生什么情况？）比例积分的作用是：在测出的阶跃扰动（设为一个负阶跃），调节器的初期作用是比例的，快速向正方向动作，即迅速加大加热电流，随着电容充电，R上的压降逐渐减小，负反馈输出减小，调节器输出的加热电流增大指令呈积分曲线逼近终值。这样可以防止单纯比例控制时那样在控制点附近调整速度过快而过调。,第二章 测温仪表 第 5 节 自动化仪表控制原理,PID调节器原理,PID调节器：在比例积分调节电路的基础上，再加上一个起微分作用的RC电路，就成了PIC调节。在阶跃信号发生时，希望有个大的调整动作使其尽快恢复正常，微分电路就起这个作用。注意，微分调节对强度大的偏差有着强有力的纠正作用，但对静态误差却无能为力，所以它不能单独使用，通常是结合PI电路构成PID调节电路。,第二章 测温仪表 第 5 节 自动化仪表控制原理,PID调节器示意图,Rp1，Rp2为比例调节电阻，Ri、C i构成积分RC回路，Rd、C d构成微分RC回路。r1、r 2的比值确定扰动的初始微分电路的压降大小。,第二章 测温仪表 第 5 节 自动化仪表控制原理,PID各环节的作用,比例调节能根据偏差的大小，对应地给出调节信号；积分调节可最终消除比例调节产生的静差；微分调节能在偏差出现后立即给出一个大幅度的纠差信号，使系统尽快恢复正常。,第二章 测温仪表 第 5 节 自动化仪表控制原理,例图：位式温度调节仪表电路,第二章 测温仪表 第 5 节 自动化仪表控制原理,开关控制：实测温度比设定值小时，不断输出，加热器通电。当实测温度比设定值大时，加热器就不通电。根据加热器电源的通和断，保持一定的温度。控制简单，不会发生偏移，但是会产生过热现象，且震荡。比例动作（P）：在设定值发生的比例带中，操作输出量对偏差进行比例的动作。实测温度比比例带小时，控制输出量为100%；进入比例带时，操作量逐渐减小，当实测值和设定值一致的时候，控制输出量为50%。相对于开关动作，震荡小，比较容易控，但是，达到稳定需要较长时间，会发生偏移。,第 6 节 温 度 控 制 效果,第二章 测温仪表 第 6 节 温 度 控 制 效果,积分动作（I）：比例动作时，会发生偏移。把积分动作和比例动作组合使用，随着时间的推移，偏移会消除，从而让控制温度和设定值趋于一致。它虽然没有了偏移，但是达到稳定也需要很长时间。微分动作（D）：比例动作和积分动作，可以修正控制结果，但是，速度较慢。微分动作可以修补他们的缺点，用偏差所发生的倾斜微分系数的操作量，加以修正。反应速度很快，但是不能单独控制。,第二章 测温仪表 第 6 节 温 度 控 制 效果,PID控制：由于比例动作，积分动作，微分动作各有较大的缺点，所以，就将三者组合在一起控制，也就是PID控制，对于温度的控制具有良好的效果。这是因为比例动作不易发生震荡，积分动作可自动修复偏移量，微分动作可抗外因引起的变化。温控箱在出厂前要进行PID的参数设置，这些都是根据负载进行调试的，一定要知道负载的功率，加热到稳定状态所需时间。,第二章 测温仪表 第 6 节 温 度 控 制 效果,第 三章 材料化学热力学基础,第 1 节 热力学定律及其在材料中的应用热力学第一定律 U=Q-W（1）U-体系内能的变化 Q-体系从环境吸收的热量 W-体系对环境所作的功能量从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，而在转化及传递中，能量的总量不变。应用：反应热、生成热、熔解热、水化热、相变热等。,第三章 材料化学热力学基础 第 1 节 热力学定律及其在材料中的应用,热力学第二定律G=H-TS（2）在任何自发变化过程中，自由能总是减少的，即G 0。应用：材料反应合成的判据。G0反应限度：lnK=-G0/RT热力学第三定律在绝对零度时，任何纯物质的完整晶体的熵都等于零。S=ST-S0K（3）物质在标准状态下的绝对熵，成为标准熵。,第三章 材料化学热力学基础 第 1 节 热力学定律及其在材料中的应用,第 2 节 Go-T关系及其应用 Go-T关系图（H.J.T.Ellingham图）的组成 吉布斯-赫姆霍兹方程：Go=Ho-TSo Go=-TSo+Ho 将Go 对T作图得到直线关系，直线截距为Ho0K，斜率为-So0K特点：1）氧化物的生成线为正斜率-因为熵变So为负值。2）生成线为正斜率但有转折-由金属的同素异构转变、氧化物的熔点、沸点、升华点带 来的So引起。,第三章 材料化学热力学基础 第 2 节 Go-T关系及其应用,3）CO2的生成线几乎与温度轴平行-反应前后气体体积不变化，So变化极小。4）CO的生成斜率为负-气体分子数增大1倍，表明碳对氧的亲和力随温度升高而增加。其它说明：1）最下面和最右面的三条直线-分别为PO2、PH2/PH2O和PCO/PCO2的辅助坐标。2）左边直线上O、H和C点-分别为采用图线法求平衡状态下PO2、PH2/PH2O和PCO/PCO2 时对应的原点。,第三章 材料化学热力学基础 第 2 节 Go-T关系及其应用,第三章 材料化学热力学基础 第 2 节 Go-T关系及其应用,冶金反应的特点势高温、多相。高炉炼铁以及电炉、闪速炉熔炼铜锍为半自热熔炼，其热量来源既有物理热，又有化学热；而转炉炼钢、吹炼铜锍、镍锍则为自热熔炼，主要的热源为化学热。在氧气顶吹转炉炼钢过程中，温度偏高需要加废钢等降温剂；温度偏低则要加入硅铁等升温剂，以达到控制冶炼过程的目的。因此，计算反应焓变具有重要意义。,第三章 材料化学热力学基础 第 3 节 反应焓变及自由能计算,第 3 节 反应焓变及自由能计算,第 3 节 反应焓变及自由能计算,在恒压下加热某物质，温度由T1升高到T2，该物质所吸收的热量为：将固态1 mol 某物质在恒压下由298K加热到温度 T 时，经液态变为气态，其所需全部热量的计算式为：,第三章 材料化学热力学基础 第 3 节 反应焓变及自由能计算,第 4 节 举例：金属的氧化,纯金属如Ni：2Ni+O2=2NiO Go=RTlnPo2同时Go=-TSo+Ho1200K，氧势3.2x10-7 Pa合金的氧化Fe-20%Cr合金起初Fe、Cr同时被氧化但Cr2O3更稳定1200K，Po2（Cr）=2x10-28 PaPo2（Fe）=9x10-12 Pa形成连续Cr2O3膜，Fe不再被氧化；形成非连续的颗粒发生内氧化。,已知反应及其焓变及熵变如下：ZnO（s）+CO（g）=Zn（s/g）+CO2（g）Ho300K=65 kJ.mol-1,Ho1200K=180.9 kJ.mol-1 So300K=13.71 J.K-1.mol-1,So1200K=288.6 J.K-1.mol-1带入：Go=Ho-TSo T=300K，Go300K=60890 J.mol-1T=1200K，Go1200K=-165420 J.mol-1带入 lnK=-G0/RTK300K=2.51x10-11，K1200K=1.57x107 所以可以在1200K用还原法制备金属Zn,第 4 节 举例：纯金属的制备,第三章 材料化学热力学基础 第 4 节 范 例,Preparation of Biocompatible Magnetite Nanocrystals for In VivoMagnetic Resonance Detection of Cancer,By Fengqin Hu,Mingyuan Gao*,Key Laboratory of Colloid,Interface Science and Chemical Thermodynamics Institute of Chemistry Chinese Academy of SciencesBeijing 100080(P.R.China),第三章 材料化学热力学基础 第 4 节 范 例,第 4 节 举例：纳米粒子的制备,Fe-Ti phase diagram,第 4 节 举例：加热设备及器皿的选择,第 四 章 流体静力学基础,流体力学是以理论分析和实验研究相结合的方法来研究流体的运动规律以及流体与流体中物体之间的相互作用的科学。冶金与化工生产过程中很多都是在流体中进行的。如物料的干燥、焙烧、燃料的输送与燃烧等，均与流体流动发生密切关系。因此深入了解和掌握流体力学的基本理论和基本知识对于工程设备的设计、计算和操作等具有非常的意义。,第四章 流体静力学基础 第 1 节 简 介,第 1 节 简 介,流体力学所研究的是流体在外力作用下的宏观机械运动，工程研究与计算的对象也只是宏观力学性质（如压力和速度等）。在流体力学中一般不考虑流体的分子、原子结构而把它看作连续介质。它处理流体的压强、速度及加速度等问题，包括流体的形变。压缩及膨胀。因此流体力学也是以牛顿运动三定律为基础的，并遵循质量守恒，能量守恒和功能原理等力学规律。流体力学又分为流体静力学和流体动力学。,第四章 流体静力学基础 第 1 节 简 介,图单质的状态变化,第 2 节 流体概念单质的存在形态,第四章 流体静力学基础 第 2 节 流体定义,气体与液体总称流体，它们的共同特点是流体质点间的引力很小，以致对拉力、形状的缓慢改变都不显示阻力，因而很容易流动。气体与液体相比，气体容易膨胀或者被压缩，它没有自由表面，总是完全地充满所占容器的空间。,第四章 流体静力学基础 第 2 节 流体定义,专业基础课；从力学角度上认知流体；研究任务：研究流体在外力作用下平衡和运动的规律；研究方法：理论分析、实验研究和数值分析；2000年前的阿基米德；我国的水利工程；大禹治水（4000多年前的尧舜时代）、都江堰、郑国渠、现代的葛洲坝、三峡工程。,第四章 流体静力学基础 第 3 节 流体力学的特点及历史,第 3 节 流体力学的特点及历史,17世纪：流体力学初步形成；1653年：帕斯卡，流体静力学1738年：伯努力管流的伯努力利定理；1775年：欧拉提出无粘流体运动方程，理论基础；1823年：纳维，斯托克斯：粘性流体的运动微分方程；1810年：儒可夫斯基的保角变换法。本章主要介绍：理论分析和实验方法，工程实际问题的常用计算方法。,第四章 流体静力学基础 第 3 节 流体力学的特点及历史,都江堰,于四川成都平原西部的岷江上，建于公元三世纪，是中国战国时期秦国蜀郡太守李冰及其子率众修建的一座大型水利工程，是全世界至今为止，年代最久、唯一留存、以无坝引水为特征的宏大水利工程。多年来，至今仍发挥巨大效益，是文明世界的伟大杰作，造福人民的伟大水利工程。,科学地解决了江水自动分流、自动排沙、控制进水流量等问题，消除了水患。,飞沙堰的设计就是很好地运用了回旋流的理论,在1974年夏季，澳大利亚北部地区天空忽然乌云密布，大雨倾盆。在暴雨中，1万多条鲈鱼从天空中降落。阳光照耀使地表急剧受热，靠近地表上的空气受热形成了强烈的空气上升运动。由于空气中水汽含量较多，空气一旦升到高空，就会形成积雨云。积雨云的云顶和云底上冷下热，温差悬殊很大，冷空气不断下沉，热空气要上升，上下空气不断扰动，变成很多小旋涡，到最后变成一个小漏斗状的、快速旋转的风，便叫龙卷风，龙卷风的一端或与地面相接触，另一端与高空的积雨云相连接，直径可达到几十米至1000米长不等。龙卷风有很强的引力，可以把地面上的物体吸收到高空中随风不停地飘动，不但可以把小鱼吸起，还可以把重10多吨重的储油桶吸至空中旋转或翻滚。龙卷风还能毫不费力地把吸到空中的物体携带到30米，甚至四五千米远处，再抛向地面。因而从天上落下来的不仅有水、鱼，还有其它各种物品。如公元55年前，河南开封曾经下过一场谷子雨；1804年西班牙下过麦雨；19世纪初丹麦下过虾雨；1960年法国下过蛙雨。1940年俄罗斯还下过一场银币雨，这让当地居民欣喜若狂了好一阵呢。,第 4 节 流体的主要物理性质,（1）密度与重度 单位体积流体具有的质量称为密度，即,流体由于受地球引力作用而具有重力，重力的大小称为流体的重量，用G 表示，单位体积流体所具有的重量称为重度，用 表示，即：气体的密度和重度的关系为,第四章 流体静力学基础 第 4 节 流体的主要物理性质,（）压缩性和温度膨胀性,液体很难被压缩，例如当压力在 1500 大气压、温度为 020 度的范围内，每增加一大气压，水的体积只被压缩1/20000。温度升