ç¬¬ä¸€ç« - 機械工程系

液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
G30AB/EV
卓 傑 企 業 有 限 公 司
台 北 縣 三 重 市 重 新 路 三 段 107 號 10F 之 1
TEL: (02)2981-2187
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E-Mail:webmaster@chochieh.com.tw

目
錄
第 一 章 基 本 原 理 ................................................... 1-1
1.1 感 測 器 之 一 般 概 念 .............................................................. 1-1
1.2 感 測 器 之 線 性 特 性 .............................................................. 1-3
1.3 信 號 處 理 電 路 ...................................................................... 1-4
第 二 章 基 本 原 理 與 相 關 電 路 ................................ 2-1
2.1 類 比 輸 出 型 液 位 與 壓 力 量 測 ................................................ 2-1
2.2 ON/OFF 型 液 位 量 測 ............................................................ 2-4
2.3 數 位 式 液 位 量 測 (BCD 數 字 顯 示 ) ......................................... 2-9
2.4 數 位 式 液 位 量 測 (8bit 數 位 輸 出 ) .......................................... 2-12
2.5 流 量 率 量 測 ( 十 進 位 數 字 顯 示 ) ............................................. 2-14
2.6 流 量 率 類 比 量 測 .................................................................. 2-17
2.7 容 量 量 測 ............................................................................. 2-19
2.8 液 位 和 流 量 控 制 器 .............................................................. 2-20
2.9 電 路 校 正 ............................................................................. 2-26
第 三 章 程 序 控 制 ................................................... 3-1
3.1 概 述 .................................................................................... 3-1
3.2 控 制 系 統 設 計 ...................................................................... 3-9
3.3 控 制 器 設 定 調 整 .................................................................. 3-14
3.4 比 例 控 制 器 ......................................................................... 3-16
3.5 PI 與 PID 控 制 器 ................................................................. 3-17

第 四 章 特 性 實 驗 ................................................... 4-1
4.1 液 位 感 測 器 信 號 處 理 電 路 特 性 實 驗 ..................................... 4-1
4.2 閾 值 檢 測 器 之 特 性 量 測 ....................................................... 4-6
4.3 以 示 波 器 檢 測 閾 值 檢 測 器 之 特 性 ......................................... 4-8
4.4 檢 測 閾 值 檢 測 器 具 磁 滯 時 之 特 性 曲 線 .................................. 4-10
4.5 以 單 閾 值 檢 測 液 位 .............................................................. 4-12
4.6 以 磁 滯 檢 測 液 位 .................................................................. 4-14
4.7 繪 出 電 壓 / 頻 率 轉 換 器 之 特 性 ............................................... 4-16
4.8 以 七 節 顯 示 器 為 輸 出 之 液 位 轉 換 器 特 性 實 驗 ....................... 4-19
4.9 類 比 / 數 位 轉 換 器 之 分 析 ...................................................... 4-22
4.10 以 8bit 數 位 輸 出 測 量 液 位 ................................................... 4-25
4.11 流 量 率 之 量 測 ...................................................................... 4-28
4.12 時 基 週 期 之 量 測 .................................................................. 4-31
4.13 頻 率 / 電 壓 轉 換 器 動 作 之 檢 查 ............................................... 4-33
4.14 以 類 比 輸 出 分 析 流 量 率 感 測 器 ............................................ 4-36
4.15 容 積 感 測 器 之 特 性 曲 線 實 驗 ................................................ 4-39
4.16 流 量 與 容 積 之 關 係 .............................................................. 4-42
4.17 比 例 控 制 輸 出 電 壓 波 形 及 比 例 常 數 之 量 測 .......................... 4-45
4.18 積 分 器 控 制 器 輸 出 電 壓 波 形 及 時 間 常 數 .............................. 4-47
4.19 微 分 控 制 器 輸 出 電 壓 波 形 及 時 間 常 數 之 量 測 ....................... 4-49
4.20 比 例 - 積 分 器 控 制 器 輸 出 電 壓 波 形 之 量 測 .......................... 4-20
4.21 PID 控 制 器 輸 出 電 壓 波 形 之 量 測 ......................................... 4-53
4.22 閉 迴 路 液 位 自 動 控 制 實 驗 .................................................... 4-55
4.23 閉 迴 路 流 量 率 自 動 控 制 實 驗 ................................................ 4-58

第 一 章 基 本 原 理 1-1
第 一 章
基 本 原 理
1.1 感 測 器 之 一 般 概 念
把 一 種 型 式 的 物 理 量 轉 換 成 另 一 種 不 同 型 式 的 物 理 量 之 裝 置 通 稱 為 感 測 器 ,
關 於 感 測 器 一 般 的 方 塊 圖 則 表 示 於 圖 1.1 中 , 在 一 個 基 本 的 量 測 系 統 中 , 感 測 器 能
夠 對 某 些 如 像 熱 之 類 的 物 理 量 產 生 響 應 , 將 此 響 應 信 號 再 連 接 至 適 當 的 感 測 器 ,
然 後 將 感 測 器 察 覺 的 物 理 信 號 轉 變 為 電 的 信 號 。
物 理 量
感 測 器
電 子 量
圖 1.1
感 測 器 輸 出 之 電 子 量 可 能 是 : 電 壓 、 電 流 、 電 阻 等 。
在 一 般 情 況 中 , 感 測 器 轉 換 的 過 程 會 吸 收 某 些 能 量 , 因 此 對 所 分 析 的 程 序
(process) 會 產 生 干 擾 的 現 象 。
每 一 型 式 的 感 測 器 , 有 其 一 系 列 的 特 性 , 其 中 某 些 是 那 種 型 式 轉 換 器 所 持 有
的 , 有 些 則 是 各 種 型 式 所 共 有 的 , 這 些 包 括 了 :
(1) 範 圍 (range)
這 是 感 測 器 能 測 量 到 最 小 和 最 大 物 理 量 之 間 隔 。
(2) 比 例 常 數 (proportionality constant)
比 例 常 數 是 輸 入 量 與 輸 出 量 之 間 的 關 係 。

1-2 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
(3) 線 性 誤 差 (linearity error)
線 性 誤 差 是 輸 入 與 輸 出 量 比 例 常 數 之 漂 移 , 以 最 大 輸 出 值 的 百 分 比 來 表 示 。
(4) 準 確 度 (accuracy)
感 測 器 之 準 確 度 指 出 了 測 量 值 和 實 際 值 間 之 差 異 , 準 確 度 是 以 滿 刻 度 值 的 百 分
比 來 表 示 。
(5) 響 應 速 度 (speed of response)
這 是 輸 出 量 隨 著 輸 入 量 變 化 的 速 度 。
(6) 穩 定 度 (stability)
穩 定 度 指 出 了 在 所 有 操 作 狀 況 下 , 輸 入 與 輸 出 之 關 係 保 持 恒 定 程 度 。
(7) 重 覆 度 (repeatability)
這 是 有 關 於 一 個 已 知 測 量 值 的 公 差 ( 以 準 確 度 的 小 數 表 示 )
一 般 而 言 , 在 同 一 溫 度 、 壓 力 或 流 量 下 , 如 果 能 經 多 次 測 試 都 得 到 同 一 數 值 ( 表
示 重 覆 能 力 佳 ), 則 適 合 作 為 一 般 工 業 用 途 。 感 測 器 依 輸 出 之 物 理 量 , 分 為 類 比 或
數 位 式 , 當 一 個 連 續 的 物 理 量 輸 入 至 一 個 類 比 式 感 測 器 時 , 其 輸 出 是 與 輸 入 成 正
比 的 連 續 物 理 量 ; 而 數 位 式 感 測 器 則 輸 出 一 連 串 的 數 位 信 號 。

第 一 章 基 本 原 理 1-3
1.2 感 測 器 之 線 性 特 性
大 多 數 的 感 測 器 是 線 性 的 , 根 據 實 驗 而 決 定 的 最 重 要 特 性 之 一 就 是 線 性 度 。
決 定 線 性 度 所 需 的 程 序 , 所 有 型 式 之 感 測 器 都 是 相 同 的 , 總 之 ; 這 裏 所 說 的 程 序
在 所 有 接 下 來 的 實 驗 中 將 被 提 及 。
為 了 繪 出 轉 換 器 的 輸 入 / 輸 出 特 性 曲 線 , 需 要 測 量 感 測 器 對 一 連 串 輸 入 物 理 量
反 應 的 輸 出 。 當 這 些 值 標 示 在 圖 表 上 時 , 就 能 繪 出 一 條 平 均 測 量 的 最 佳 直 線 , 這
是 感 測 器 的 最 合 適 直 線 。 現 在 繪 出 兩 條 與 最 合 適 直 線 等 距 離 且 平 行 的 直 線 , 這 些
線 必 須 包 含 所 有 標 示 於 圖 上 的 值 。 其 次 , 畫 一 條 平 行 於 Y 軸 的 垂 直 線 , 它 和 外 面
的 平 行 線 之 交 點 稱 為 V2 和 V1 ( 見 圖 1.2), 關 於 感 測 器 滿 刻 度 值 的 線 性 度 百 分 比 ,
可 由 下 式 獲 得 :
線 性 度 (%)= ± 1/2 ×(V2- V1)/ Vf.s.×100
輸 出 值
最 佳 直 線
V2
V1
物 理 量
圖 1.2
轉 換 器 線 性 度 之 關 係

1-4 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
1.3 信 號 處 理 電 路
感 測 器 的 輸 出 通 常 無 法 直 接 驅 動 電 力 輸 出 。 舉 例 而 言 , 輸 出 電 壓 的 範 圍 可 能
不 適 合 或 太 弱 , 或 許 其 電 子 量 並 非 此 系 統 所 需 的 等 等 。 因 此 , 感 測 器 之 安 裝 永 遠
不 能 缺 少 一 種 叫 做 信 號 處 理 電 路 之 元 件 。
信 號 處 理 電 路 是 一 種 普 通 的 電 子 裝 置 , 設 計 來 把 一 種 物 理 量 轉 換 成 另 一 種 更
適 合 特 殊 應 用 之 物 理 量 。 在 大 部 份 的 情 形 , 信 號 處 理 電 路 之 輸 出 為 電 壓 。
有 關 於 信 號 理 電 路 之 方 塊 圖 則 表 示 於 圖 1.3 中 。 在 大 部 份 情 形 下 , 轉 換 器 是 直
接 建 立 於 其 本 身 的 程 序 上 , 以 致 於 被 測 量 的 物 理 量 是 封 閉 式 傳 送 , 因 此 , 通 常 表
示 程 序 、 感 測 器 和 信 號 處 理 電 路 之 方 塊 是 以 圖 1.4 來 表 示 的 。
電 氣 信 號
信 號 處 理 電 路
電 氣 信 號
圖 1.3
信 號 處 理 電 路 方 塊 圖
電 氣 信 號
程
序
物 理 量
感 測 器
信 號 處 理 電 路
電 子 量
圖 1.4 完 整 的 感 測 器 及 信 號 處 理 電 路 方 塊 圖

第 二 章 基 本 原 理 相 關 電 路 2-1
第 二 章
基 本 原 理 與 相 關 電 路
2.1 類 比 輸 出 型 液 位 與 壓 力 量 測
2.1.1 類 比 變 數 之 定 義
液 位 類 比 量 測 方 式 是 依 據 TY30A 之 液 位 產 生 一 直 流 電 壓 , 這 意 味 著 某 一 電 壓
對 應 某 一 液 位 , 因 此 液 位 的 高 低 乃 以 類 比 變 數 表 示 之 。
2.1.2 壓 力 感 測 器
在 穩 態 的 情 形 下 , 水 塔 中 底 層 某 一 點 的 壓 力 與 液 位 成 正 比 例 關 係 。 如 果 以 L
表 示 液 位 的 高 度 , 則 塔 底 之 壓 力 P 為 :
P = L × G × Ms
其 中
P = 壓 力 (Pa = Pascal = N/m 2 = 10 -5 bar)
L = 液 位 (m)
G = 重 力 加 速 度 (g = 9.81 m/s 2 )
Ms = 液 體 的 質 量 (Kg/m 2 )
因 此 量 測 壓 力 值 的 大 小 即 可 得 知 液 位 之 高 低 。 在 各 種 不 同 型 式 的 壓 力 感 測 器
中 , 應 變 規 (strain gauge) 是 最 常 用 於 量 測 液 位 的 感 測 器 。 這 類 感 測 器 是 採 用 壓 電 阻
的 原 理 , 有 四 組 電 阻 連 接 成 橋 式 電 路 固 定 於 矽 薄 膜 上 如 圖 2.1.1 所 示 。

2-2 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
1
V3
2
V 0
4
3
圖 2.1.1
橋 式 電 路 的 對 角 線 端 外 加 一 組 定 電 壓 電 源 當 薄 膜 受 壓 力 變 動 , 則 使 橋 式 電 路
另 一 對 角 線 端 產 生 電 位 差 。 本 設 備 所 用 的 液 位 感 測 器 型 號 為 176PC28HG2, 外 型 如
圖 2.1.2 所 示 。
液 體 壓 力
圖 2.1.2
在 本 系 統 中 水 位 的 高 度 使 應 變 規 變 形 , 應 變 規 中 的 電 阻 依 變 形 程 度 變 化 電 阻
值 。 是 以 橋 式 電 路 之 輸 出 電 壓 V0 與 壓 力 成 正 比 例 關 係 , 本 設 備 採 用 之 感 測 器 壓 力
變 動 範 圍 從 0 至 0.07Bar, 外 加 定 電 壓 電 源 為 10V 時 , 滿 刻 度 輸 出 電 壓 為 42mV。
採 絕 對 壓 力 量 測 方 式 安 裝 。

第 二 章 基 本 原 理 相 關 電 路 2-3
2.1.3 液 位 與 壓 力 感 測 器 信 號 處 理 電 路
參 考 圖 2.1.3 之 電 路 圖 , 液 位 感 測 器 經 電 纜 線 連 接 到 信 號 處 理 電 路 之 測 試 端
1、 2、 3、 4, 輸 出 端 為 測 試 端 6。
• 由 Z1、R1~R3、RV5、C2 組 成 的 定 電 壓 電 源 提 供 參 考 電 壓 給 壓 力 感 測
器 ,Z1 之 參 考 電 壓 REF 輸 出 為 2.5V。
• 由 IC1、 R4~R7 組 成 之 差 動 放 大 器 , 將 感 測 器 之 輸 出 信 號 初 步 放 大 20
倍 。
• 由 IC2、R8~R12、RV2~RV4、C1 所 組 成 之 後 級 放 大 器 , 提 供 漂 移 (offset)
電 壓 調 整 , 使 液 位 為 零 時 測 試 端 6 之 輸 出 電 壓 為 零 , 並 可 調 整 液 位 或
壓 力 感 測 器 電 路 之 比 例 因 素 。 換 句 話 說 就 是 測 試 端 6 輸 出 電 壓 為 8V
時 , 表 示 液 位 為 500mm。 開 關 I1 為 一 連 動 機 構 , 用 以 切 換 電 路 運 用 於
液 位 感 測 器 或 壓 力 感 測 器 。
1
C2
10µ
2
3
4
K
R4 10Ω
R4
10K
R5
10K
R6
200K
Z1
TL430C
2
3
1
RV1
10K
+12V
R2
2K2
A REF R3
1K
R7 200Ω
+12V -12V
7
IC1
OP07
4
RV5
1K
6
8
R1 220Ω
5
RV2
10K
+12V
R9
100K
R8
10K
R10
100K
+12V
R11
150K
2
3
R12
5K6
C1
10n
I1
+12V
IC2
µA741
7
4
-12V
RV4
22K
RV3
22K
6
OUTPUT
0->8V
圖 2.1.3

2-4 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
2.2 ON/OFF 型 液 位 量 測
2.2.1 邏 輯 量 之 定 義
邏 輯 變 數 可 以 下 列 方 式 表 示 :
• "1" 或 "0"
• " 真 " 或 " 假 "
• " 高 " 或 " 低 "
邏 輯 變 數 與 類 比 變 數 之 比 較 是 很 有 趣 的 。 如 圖 2.2.1 所 示 的 情 形 。 發 光 二 極 體
TH 的 明 滅 狀 態 , 依 液 位 高 低 而 定 。 此 轉 換 特 性 表 示 TH 的 邏 輯 狀 態 為 非 連 續 之 特
性 , 與 類 比 變 數 以 連 續 變 化 表 示 的 方 式 不 同 。 所 以 TH 的 狀 態 僅 可 表 示 L>LD 或
L

第 二 章 基 本 原 理 相 關 電 路 2-5
在 這 個 電 路 中 IC1 為 緩 衝 器 , 而 IC2 為 比 較 器 比 較 經 緩 衝 器 之 輸 入 電 壓 與 由
電 位 計 P1 設 定 之 閾 值 電 壓 。 當 輸 入 電 壓 大 於 閾 值 電 壓 時 , 使 T1 飽 和 發 光 二 極 體
TH 亮 , 反 之 則 TH 滅 。LED TH 明 滅 的 狀 態 可 以 下 列 方 程 式 定 義 :
TH = f (V10, V11)
其 中 TH = LED TH 的 狀 態
V10: 輸 入 電 壓
V11: 閾 值 電 壓
此 方 程 式 的 特 性 可 以 圖 2.2.2 表 示 。
TH
1
V11
圖 2.2.2
V10

2-6 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
閾 值 電 壓 V11 由 電 位 計 P1 調 整 , 其 調 整 範 圍 為 0~8V。 如 果 輸 入 電 壓 含 有 雜
訊 成 份 , 將 造 成 TH 錯 誤 指 示 如 圖 2.2.3 所 示 。 在 設 備 G30A 中 , 測 試 端 10 之 電 壓
值 隨 液 位 變 化 而 變 化 。 當 液 位 超 過 設 定 之 閥 值 液 位 時 使 LED TH 亮 反 之 則 滅 。 但
是 如 果 注 入 水 塔 之 水 流 速 太 快 , 造 成 液 面 波 動 或 水 流 沖 擊 液 面 會 使 壓 力 感 測 器 之
輸 出 信 號 產 生 雜 訊 , 如 圖 2.2.3 所 示 的 錯 誤 指 示 。 使 用 磁 滯 電 路 將 可 改 善 此 現 象 。
V10
V11
t
TH
V10
1
0
t
圖 2.2.3

第 二 章 基 本 原 理 相 關 電 路 2-7
圖 2.2.4 表 示 一 具 磁 滯 功 能 之 閾 值 檢 測 器 , 將 G30A 中 閾 值 檢 測 器 方 塊 圖 中
之 開 關 I2 ON 即 可 。
10
INPUT
0V-+8V
R6
1K
D2
1N914
D3
1N914
+12V +12V +12V
RV1
R3
470K
220K
1
2
R7
470K
IC1
µA741
12
RV2
1K
P1
2K2
THRESHOLD
R2
470Ω
R1
10K
11
I2 HYSTERSIS
6 R4
10K
IC2 10
7
µA741
12
D1
1N914
TH.
R5
1K
T1
BC182
圖 2.2.4
電 路 中 可 變 電 阻 RV1 可 調 整 週 期 VH-VL 之 電 壓 最 大 約 1V。 如 下 式 表 示 :
VH
R1+
R3 + RV1
Vref ×
+ V
R3 + RV1
=
− OUT
R1
×
R3 + RV1
VL
R1+
R3 + RV1
Vref ×
+ V
R3 + RV1
=
+ OUT
R1
×
R3 + R1

2-8 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
其 中 :
V-out: 比 較 器 負 輸 出 電 壓
V+out: 比 較 器 正 輸 出 電 壓
Vref: IC2 反 相 輸 入 電 壓
具 磁 滯 比 較 器 之 特 性 如 圖 2.2.5 所 示 。
TH
1
V10
VL
V11
圖 2.2.5
VH
最 後 LED TH 動 作 情 形 為 V10>VH 時 ,TH 由 "0" 變 "1"。 當 V10

第 二 章 基 本 原 理 相 關 電 路 2-9
2.3 數 位 式 液 位 量 測 (BCD 數 字 顯 示 )
2.3.1 方 塊 圖
數 位 式 液 位 量 測 方 塊 圖 如 圖 2.3.1 所 示 。
LEVEL-PRESSURE
SIGNAL CONDITIONER
V/F CONVERTER
6 7 8 14
BCD COUNTER &
DECODER DRIVER
圖 2.3.1
2.3.2 電 壓 / 頻 率 轉 換 器
此 種 量 測 方 法 , 電 壓 / 頻 率 轉 換 器 圖 2.3.1 的 " 類 比 輸 出 型 液 位 與 壓 力 量 測 ", 其
輸 出 為 直 流 電 壓 準 位 ( 範 圍 :0~8V), 應 用 電 壓 / 頻 率 轉 換 器 達 成 數 位 轉 換 目 標 。
因 此
V6 = S × L
其 中
S = 16V / m ( 液 位 量 測 輸 出 電 壓 V6 之 比 例 因 數 )

2-10 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
G30A 以 七 節 顯 示 器 BCD 數 位 方 式 指 示 液 位 值 , 此 電 路 以 計 算 測 試 端 14 之 脈
衝 數 , 再 經 解 碼 電 路 驅 動 顯 示 器 。"BCD 計 數 器 與 編 碼 驅 轉 器 " 之 操 作 方 法 如 下 所
述 。 其 時 基 產 生 器 之 週 期 決 定 計 算 脈 衝 數 的 時 間 , 計 數 完 成 時 記 憶 計 數 值 於 暫 存
器 中 並 重 置 計 數 電 路 , 另 將 暫 存 器 之 計 數 資 料 解 碼 為 BCD 碼 驅 動 七 節 顯 示 器 。 為
了 顯 示 不 同 液 位 比 例 變 數 , 時 基 產 生 器 必 需 提 供 適 當 的 計 數 週 期 控 制 計 數 電 路 。
由 V/F 轉 換 器 輸 出 端 8, 輸 出 依 液 位 變 化 頻 率 的 方 波 信 號 定 義 為 f 8。 在 理 想 的 情
況 下 , 方 波 頻 率 f 8 由 V/F 轉 換 器 輸 入 電 壓 V7 決 定 。
f8 = K v/f × V7
其 中
f8: 單 位 為 Hz
V7: 單 位 為 V
K: 單 位 為 1/V × sec
2.3.3 V/F 轉 換 器 靈 敏 度 之 選 擇
液 位 感 測 器 與 信 號 處 理 電 路 關 係 式 如 下
V6 = KL × L
其 中
KL = 16 × 10 -3 , V × mm -1
L = 液 位 ,mm
V6 = 端 點 6 輸 出 電 壓 ,V
頻 率 表 關 係 式 為
INDDIS = tm × f 14 (2)
其 中
INDDIS = 十 進 位 顯 示 值
tm = 時 基 週 期 = 1.7 sec
f14 = BCD 計 數 器 與 解 碼 驅 動 器 輸 入 頻 率 ,Hz
V/F 轉 換 器 關 係 式 為
f8 = K v/f × V7 (3)

第 二 章 基 本 原 理 相 關 電 路 2-11
由 於 此 量 測 方 法 連 接 測 試 端 6、 7 與 測 試 端 8、 14, 所 以
V6 = V7 (4)
f8 = f14 (5)
我 們 對 INDDIS = f(L) 之 比 例 較 有 興 趣 , 整 理 公 式 (1) 至 (5), 得 下 列 結 果
INDDIS = tm × Kv/f × KL × L
期 望 的 目 標 是 七 節 顯 示 器 的 顯 示 值 為 液 位 值 (INDDIS = L) 的 型 式 。 所 以 "tm ×
Kv/f × KL" 需 等 於 1,
Kv/f = 1/(tm × KL) = 1/(1.7 × 16 × 10 -3 )mm/(S × V)
= 36.76 Hz × mm/V

2-12 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
2.4 數 位 式 液 位 量 測 (8bit 數 位 輸 出 )
本 節 主 要 說 明 以 8bit 數 位 輸 出 處 理 液 位 量 測 之 方 法 。 這 種 輸 出 型 態 要 比 類 比
指 示 的 方 法 要 複 雜 , 但 很 容 易 瞭 解 ; 顯 示 方 式 也 很 清 楚 。 此 外 , 此 資 料 格 式 送 至
個 人 電 腦 , 可 即 刻 分 析 顯 示 或 處 理 控 制 變 數 。
2.4.1 類 比 / 數 位 轉 換 器
類 比 / 數 位 轉 換 器 得 到 一 8bit 二 進 位 數 值 型 的 資 料 NB,
NB = B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0
可 以 下 列 公 式 將 二 進 位 數 值 NB 換 算 為 十 進 位 數 值 ND,
ND = B7 × 2 7 + B6.2 6 + .... + B1 ×2 1 + B0 × 2 0
B7、 B6...B1、 B0 為 二 進 位 狀 態 (0 或 1), 2 7 、 2 6 …2 1 、 2 0 為 二 進 位 位 元 的 權 重
7、 6...1、 0。
B0 = LSB: 最 低 位 元
B7 = MSB: 最 高 位 元
例 :NB = 10010110
ND = 150
2.4.2 電 路 圖
8 bit A/D 轉 換 器 電 路 圖 如 圖 2.4.1 所 示 。
圖 2.4.1

第 二 章 基 本 原 理 相 關 電 路 2-13
二 極 體 D1、D2 與 電 阻 R1 用 於 保 護 A/D 轉 換 器 , 免 得 錯 誤 輸 入 造 成 損 壞 。 電
阻 R4 與 R5 使 滿 刻 度 電 壓 8V 轉 換 到 5V。 電 阻 R6 與 電 容 C2 決 定 A/D 轉 換 器 的 時
脈 。R2、R3 與 RV1 提 供 一 電 壓 到 轉 換 器 Vref/2 輸 入 端 , 此 電 壓 為 滿 刻 度 電 壓 的 一
半 。 另 轉 換 器 的 INTR 輸 出 接 到 輸 入 WR 使 轉 換 器 執 行 新 的 轉 換 週 期 , 電 晶 體 T1
與 電 阻 R7、 R8、 R9 與 C4 用 以 產 生 第 一 次 轉 換 所 需 的 信 號 。8 組 輸 出 信 號 分 別 驅
動 LED 與 個 人 電 腦 界 面 埠 。
2.4.3 類 比 / 數 位 轉 換 器 的 特 性
類 比 / 數 位 轉 換 器 的 特 性 首 先 是 轉 換 器 的 二 進 位 輸 出 格 式 , 現 在 有 8、 10、 12
與 13bit 等 格 式 。 而 解 析 度 的 特 性 與 格 式 及 輸 入 電 壓 之 滿 刻 度 值 有 關 。 本 模 組 之 最
大 輸 入 電 壓 V9 = 8V, 則 解 析 度 R = V9max/2 8 -1 = 8/255。 另 外 值 得 注 意 的 是 A/D
轉 換 器 的 轉 換 時 間 。

2-14 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
2.5 流 量 率 量 測 ( 十 進 位 數 字 顯 示 )
2.5.1 流 量 率 感 測 器
這 種 感 測 器 較 適 當 的 名 稱 應 是 " 渦 輪 式 流 量 計 ", 本 章 將 說 明 應 用 此 型 感 測 器 量
測 流 量 相 關 的 資 訊 。 此 感 測 器 包 括 一 組 渦 輪 , 渦 輪 葉 片 上 固 定 有 磁 性 材 料 , 如 圖
2.5.1 所 示 。 當 水 流 經 感 測 器 使 渦 輪 旋 轉 , 再 以 磁 埸 量 測 感 測 器 檢 測 霍 爾 元 件 渦 輪
葉 片 之 磁 性 材 料 位 置 變 動 情 形 。 另 使 磁 埸 變 動 轉 換 為 電 壓 變 動 , 經 濾 波 電 路 與 整
形 電 路 即 可 獲 得 方 波 信 號 表 示 葉 片 經 過 霍 爾 元 件 的 情 形 。
磁 性 材 料
渦 輪 葉 片
圖 2.5.1
由 於 渦 輪 旋 轉 角 度 正 比 例 於 流 經 葉 片 的 容 量 , 因 此 感 測 器 產 生 一 表 示 容 量 的
數 據 , 而 流 量 率 則 是 某 段 時 間 流 經 渦 輪 的 液 體 容 量 。 由 此 種 感 測 器 所 產 生 的 信 號
是 數 位 ( 脈 波 ) 型 式 的 信 號 , 為 了 應 用 它 我 們 必 需 在 某 段 時 間 中 去 計 算 脈 波 數 。 基 本
的 計 數 電 路 與 數 字 顯 示 電 路 是 必 備 的 。

第 二 章 基 本 原 理 相 關 電 路 2-15
2.5.2 方 塊 圖
本 節 在 於 說 明 使 用 十 進 位 數 字 顯 示 流 量 值 。 在 這 目 標 下 , 本 模 組 使 用 三 只 七
節 顯 示 器 。 圖 2.5.2 說 明 完 成 此 功 能 的 電 路 圖 。
+5V
+5V
16
R1
100K
IC1A
CD4070
1 2 17
C2
0.1µ
D1 R3
1N914 100K 3
R2
100K
IC1B
C2
0.1µ
4
1
2
18
IC2
CD4070
=1
3
R6
100K
R4
15K
R5
15K R7
120K
R8
100K
2
3
IC2
µA741
6
R10
10K
D3
1N914
T2
BC182
R11
470Ω
.
FLOWRATE
+12V
圖 2.5.2
測 試 端 16 信 號 來 至 感 測 器 產 生 之 方 波 信 號 , 由 R1 與 C1 組 成 之 濾 波 器 用 以 濾
掉 G30A 與 TY30A 連 線 間 可 能 發 生 的 干 擾 信 號 。IC1A 組 成 的 史 密 特 電 路 使 濾 波
器 輸 出 信 號 反 相 , 而 這 信 號 直 接 送 到 互 斥 或 閘 輸 入 端 , 另 經 R2、C2 延 遲 時 間 送 到
互 斥 或 閘 之 另 一 輸 入 端 。 此 互 斥 或 閘 輸 出 信 號 為 二 倍 於 測 試 端 16 之 輸 入 信 號 頻
率 。 以 f 16 與 f 19 分 別 表 示 測 試 端 16 與 19 之 信 號 頻 率 , 則
f19 = 2 × f16
液 位 容 量 V, 亦 可 由 計 算 流 量 計 之 脈 衝 數 目 獲 得 , 如 以 Nimp 表 示 測 試 端 19
之 脈 衝 數 , 則
V = Nimp/(2 × K) 公 升
而 流 量 率 為 量 測 時 間 tm 之 脈 衝 數 , 因 為 平 均 流 量 率 為
D = V/tm
D = Nimp/(2 × K × tm)

2-16 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
ND 為 十 進 位 計 數 器 之 指 示 值 ,Nimp/tm 時 間 單 位 tm 所 計 算 脈 衝 數 , 相 等 於 頻
率 值 , 在 本 模 組 量 測 頻 率 值 即 可 顯 示 流 量 率 。
2.5.3 量 測 週 期 之 選 擇
"BCD 計 數 器 與 驅 動 電 路 " 的 目 標 是 以 數 字 顯 示 流 量 率 , 模 組 TY30A 之 最 大 流
量 率 約 4~5 公 升 / 分 , 以 二 位 數 表 示 , 所 以 流 量 率 單 位 為 公 合 / 分 (dl/min)
其 中
D = Nimp/(2 × K × tm)
D = l/sec
K = 每 公 升 脈 衝 數
tm = 秒
以 dl/min 表 示 上 式
D΄ = 10 × 60 × D
= 600 × Nimp/(2 × K × tm)
最 後 , 顯 示 值 為 ND, 則
600/(2 × K × tm) = 1
tm = 600/(2 × K)
其 中
所 以
K = 180
tm = 300/180 = 1.66 sec
這 計 算 指 出 信 號 處 理 電 路 的 重 要 性 , 二 倍 頻 電 路 允 許 量 測 週 期 時 間 tm 減 半 應
用 , 需 衡 量 顯 示 器 更 新 週 期 與 顯 示 位 數 以 決 定 量 測 週 期 。 在 本 模 組 中 流 量 率 以 三
有 效 位 數 表 示 , 則 tm 為 16.6 秒 。

第 二 章 基 本 原 理 相 關 電 路 2-17
2.6 流 量 率 類 比 量 測
2.6.1 操 作 原 理
2.5 節 曾 提 及 流 量 感 測 器 產 生 之 脈 衝 數 與 液 體 容 量 成 正 比 例 關 係 。
Vol = Nimp / (2 × K)
K 為 每 公 升 脈 衝 數 ( 流 量 計 常 數 )
當 脈 衝 信 號 為 一 完 整 週 期 時 , 容 量 為
V = 1 / (2 ×K)
流 量 率 為
D = V / T19
= 1 / (2 × K × T19)
= 1 / T19 × 1 / (2 × K)
= f19 / (2 × K)
因 此 流 量 率 正 比 例 於 測 試 端 19 的 信 號 頻 率 值 (f19)。 如 果 需 以 類 比 值 表 示 流 量
率 , 則 需 增 加 一 組 頻 率 / 電 壓 轉 換 器 , 其 輸 出 電 壓 V22 正 比 例 於 頻 率 f20 = f19。
2.6.2 V/F 轉 換 器 電 路
V/F 轉 換 器 電 路 如 圖 2.6.1 所 示 , 其 包 括 四 個 重 要 部 份
- V/F 轉 換 器 (IC1)
- 取 樣 與 保 持 電 路 (IC2)
- 計 時 器 (IC3)
- 輸 出 放 大 器 (IC4)

2-18 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
圖 2.6.1

第 二 章 基 本 原 理 相 關 電 路 2-19
2.7 容 量 量 測
2.7.1 容 量 感 測 器
容 量 感 測 器 使 用 與 2.5 所 提 流 量 率 感 測 器 相 同 。 在 2.5 節 中 , 我 們 看 到 流 量 率
感 測 器 信 號 處 理 方 式 , 而 液 體 容 量 的 檢 測 , 同 樣 的 計 算 脈 衝 數 目 即 可 得 知 。
2.7.2 方 塊 圖
這 種 量 測 型 式 之 方 塊 圖 如 圖 2.7.1 所 示 。 流 量 率 信 號 處 理 電 路 之 二 倍 頻 電 路 在
容 量 量 測 中 並 未 使 用 。 容 量 顯 示 僅 計 算 脈 衝 數 , 而 BCD 計 數 器 與 顯 示 驅 動 器 僅 用
成 簡 單 的 ; 無 需 重 置 計 數 器 。
FLOWRATE
SIGNAL CONDITIONER
8 14
BCD COUNTER &
DECODER DRIVER
圖 2.7.1

2-20 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
2.8 液 位 和 流 量 控 制 器
液 位 和 流 量 控 制 器 (G30B), 包 含 下 列 方 塊 :
1. 設 定 點 和 誤 差 放 大 器 。
2. PID 控 制 器 。
3. 功 率 放 大 器 。
其 功 能 如 下 :
1. 設 定 點 : 設 定 所 欲 達 到 之 輸 出 狀 態 。
2. 誤 差 放 大 器 : 比 較 設 定 點 與 回 授 信 號 之 差 值 。
3. PID 控 制 器 : 處 理 誤 差 信 號 , 使 輸 出 達 到 所 要 之 動 作 。
4. 功 率 放 大 器 : 用 以 驅 動 抽 水 泵 浦 。
2.8.1 設 定 點 和 誤 差 放 大 器
設 定 點 電 路 提 供 整 個 模 組 所 需 之 輸 入 信 號 。 在 面 板 上 之 方 塊 圖 是 由 圖 2.8.1 所
示 之 電 路 所 構 成 。
+12V
R1
220Ω
1
LEVEL
I1
RV1
1K
R2
2K2
FLOW.
R3
1K
REF
RV2
1K
K
A
Z1
TL430C
C1
10µ
P1
2K2
圖 2.8.1

第 二 章 基 本 原 理 相 關 電 路 2-21
元 件 Z1 是 一 個 可 變 的 參 考 電 壓 , 實 際 上 是 改 變 陰 極 ( 測 試 端 1) 的 電 壓 , 直 到
端 點 REF 電 壓 不 等 於 控 制 器 內 部 之 參 考 電 壓 。 此 參 考 電 壓 約 為 2.7V,REF 參 考 電
壓 是 由 R2、R3、RV1、RV2 所 組 成 之 分 壓 器 而 定 。 調 整 可 變 電 阻 RV1 或 RV2 可 改
變 分 壓 器 之 值 , 使 陰 極 達 到 所 需 之 電 壓 。
電 阻 器 R1 使 電 源 電 壓 在 此 產 生 一 壓 降 , 由 於 在 模 組 G30A 中 之 流 量 及 液 位 信
號 處 理 器 有 兩 種 不 同 範 圍 之 輸 出 電 壓 , 因 此 可 藉 由 可 調 電 阻 器 RV1 及 RV2 來 調
整 。 當 開 關 I1 開 啟 ( 液 位 ) 時 , 陰 極 電 壓 為 8Vdc, 若 I1 閉 合 ( 流 量 ) 電 壓 則 為 6Vdc,
這 是 由 RV1 與 RV2 兩 個 電 阻 並 聯 , 改 變 電 阻 值 而 使 陰 極 電 壓 改 變 。 使 用 電 位 計 P1
可 從 Z1 所 產 生 之 電 壓 中 取 出 部 份 電 壓 做 為 模 組 之 輸 入 信 號 。
R7 100K
+12V
2
3
3
FEEDBACK
2
SET POINT
IC1
741
4
7
6
R4
100K
R5
100K
R6
100K
2
3
+12V
IC1
OP07
7
8
4
1
-12V
6
RV3
10K
4
+12V
圖 2.8.2
圖 2.8.2 所 示 為 誤 差 放 大 器 電 路 圖 。 它 是 由 一 個 差 動 運 算 放 大 器 所 組 成 , 其 輸
出 為 兩 個 輸 入 信 號 之 差 與 R7/R4 比 值 之 乘 積 。RV3 是 用 來 調 整 運 算 放 大 器 之 補 償
電 壓 。
回 授 輸 入 端 接 有 一 個 緩 衝 器 (IC1) 將 輸 入 信 號 隔 離 不 會 直 接 輸 入 運 算 放 大 器 。

2-22 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
2.8.2 PID 控 制 器
PID 控 制 器 可 將 誤 差 的 行 為 整 形 以 獲 得 所 需 之 輸 出 物 理 量 , 圖 2.8.3 所 示 為 PID
控 制 器 之 方 塊 圖 。
PROPORTIONAL
ACTION
6 7
R1
R4
5
INTEGRATIVE
ACTION
DERIVATIVE
ACTION
8 9
10 11
R2
R3
IC1
12
圖 2.8.3
一 、 比 例 控 制 器
圖 2.8.4 所 示 為 比 例 控 制 器 之 電 路 圖 。
Z1 9V1
Z2 9V1
R7 10K
R5 10K
13
12
IC1
P2 1M
14
6
圖 2.8.4

第 二 章 基 本 原 理 相 關 電 路 2-23
它 是 由 一 個 反 向 運 算 放 大 器 所 組 成 , 其 增 益 是 由 R5 和 P2 與 R7 之 比 值 所 決 定 。
比 例 控 制 器 之 輸 出 與 輸 入 之 相 位 相 差 180 o 而 此 相 位 差 再 經 由 PID 控 制 器 之 放 大 器
反 相 回 來 成 為 0 o 。Z1 和 Z2 兩 個 齊 納 二 極 體 則 是 限 制 運 算 放 大 器 之 飽 和 輸 出 電 壓 ,
當 電 壓 超 過 齊 納 二 極 體 之 電 壓 時 , 它 的 阻 抗 下 降 以 限 制 放 大 器 之 增 益 。
二 、 積 分 器 電 路
圖 2.8.5 所 示 為 積 分 器 電 路 圖 。 它 是 用 一 個 運 算 放 大 器 接 成 積 分 器 , 其 時 間 常
數 是 由 R6 和 P1 與 C2 乘 積 所 決 定 。 改 變 P1 的 電 阻 值 , 則 積 分 作 用 之 時 間 常 數 會
隨 著 改 變 。 輸 出 與 輸 入 相 位 之 關 係 與 比 例 控 制 器 相 同 。
D1 1N914
C2 100µ
P1 100K
R6 4K7
2
3
IC3C
1
8
圖 2.8.5
三 、 微 分 器 電 路
如 圖 2.8.6 為 微 分 器 電 路 圖 。 它 是 由 一 個 運 算 放 大 器 所 組 成 , 其 時 間 常 數 是 由
R8 和 P4 與 C1 乘 積 所 決 定 。 改 變 P1 電 阻 值 , 則 微 分 作 用 之 時 間 常 數 會 隨 之 改 變 。
電 容 器 C3 則 可 減 少 高 頻 雜 訊 干 擾 。 而 輸 出 與 輸 入 相 位 之 關 係 與 比 例 控 制 器 相 同 。

2-24 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
C3 1n
R8 1K
9
10
+12V
IC3A
LF347
1
4
8
C1 1µ
6
5
P4 220K
IC3D 7
10
-12V
圖 2.8.6
2.8.3 功 率 放 大 器
功 率 放 大 器 將 PID 控 制 器 輸 出 信 號 放 大 用 以 驅 動 致 動 器 。 因 此 其 放 大 之 功 率
可 直 接 使 用 於 致 動 器 , 圖 2.8.7 所 示 為 G30B 模 組 之 功 率 放 大 器 。
+12V
R4
22K
R1
22K
R2
10K
RADJ
220Ω
2w
R5
220Ω
2w
T2
TIP30A
15
+12V
13
2
3
IC5
741
4
-12V
7
6
14
R3
2K2
D1
1N914
T1
BC337
C1
100µ
圖 2.8.7

第 二 章 基 本 原 理 相 關 電 路 2-25
PID 控 制 器 輸 出 電 壓 範 圍 為 0~8Vdc, 使 得 致 動 器 之 輸 出 範 圍 為 0~12Vdc。 因
此 , 功 率 放 大 器 之 增 益 為 1.5。 運 算 放 大 器 IC5 連 接 成 反 向 組 態 , 其 電 壓 增 益
G = 1 + Rf / Ri
Rf 為 回 授 電 阻 ,Ri 為 放 大 器 反 向 端 之 輸 入 電 阻 。 故 此 放 大 器 之 增 益
G = 1 + R2 / R1 = 1 + 10k / 22k = 1.45
當 測 試 端 15 之 電 壓 和 輸 入 增 益 之 乘 積 不 相 等 時 , 運 算 放 大 器 會 改 變 其 輸 出 電
壓 直 至 上 述 二 者 電 壓 相 等 為 止 。 測 試 端 14 之 電 壓 增 加 時 ,T1 基 極 電 流 亦 隨 之 增
加 , 使 集 極 電 流 亦 成 比 例 增 加 。 因 此 使 得 T2 集 極 電 流 增 加 , 決 定 測 試 端 15 電 壓
值 。
電 容 器 C1 是 避 免 系 統 振 盪 使 電 壓 輸 出 能 穩 定 。 電 阻 器 R4 和 R5 用 於 電 晶 體
T2 偏 壓 電 路 , 二 極 體 D1 用 以 限 制 負 電 壓 加 到 電 晶 體 T1 基 極 。

2-26 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
2.9 電 路 校 正
參 考 圖 2.9.1 所 示 校 正 用 相 關 可 變 電 阻 位 置 圖 。 校 正 時 需 由 2.9.1 節 所 述 逐 步
完 成 , 再 做 後 續 之 校 正 工 作 。
RV12
RV11
RV10
RV9
RV2
RV7
RV5
RV4
RV1
RV8
RV6
RV3
圖 2.9.1
2.9.1 液 位 - 壓 力 信 號 處 理 電 路 校 正
1. 連 接 必 要 的 電 源 , 但 TY30A 與 G30A 不 必 連 接 。
2. 調 整 RV8 使 測 試 端 1 之 電 壓 為 10V。
3. 短 路 測 試 端 3 與 4, 調 整 RV7, 使 測 試 端 5 之 電 壓 為 0V。
4. 設 定 開 關 I 1 為 "LEVEL", 連 接 G30A 與 TY30A, 並 使 液 位 為 0。
5. 調 整 RV6, 使 測 試 端 6 為 0V。
6. 使 液 位 為 500mm, 調 整 RV5 使 測 試 端 6 為 8V。
7. 切 開 開 關 I1 為 "PRESSURE"。
8. 調 整 RV4 使 測 試 端 6 電 壓 為 4.9V。

第 二 章 基 本 原 理 相 關 電 路 2-27
2.9.2 閾 值 檢 測 器 校 正
1. 調 整 電 位 計 P1, 使 測 試 端 11 之 電 壓 值 為 最 大 值 。
2. 調 整 RV9 使 測 試 端 11 電 壓 為 8V。
2.9.3 時 基 電 路 校 正
1. 準 備 一 只 精 密 的 計 時 器 或 電 子 表 。
2. 設 定 開 關 I3 為 "FREQUENCY"。
3. 連 接 測 試 端 19 至 測 試 端 14, 設 定 開 關 I4 為 "ON"。
4. 當 液 位 為 0mm 時 , 啟 動 計 時 器 。
5. 當 液 位 為 500mm 時 , 停 止 計 時 , 計 時 器 指 示 時 間 為 T(sec)。
6. 以 下 列 公 式 計 算 流 量 率 。
流 量 率 = 5 x 60
T
7. 調 整 RV2 使 顯 示 器 顯 示 值 為 上 式 之 計 算 值 。
2.9.4 V/F 轉 換 器 校 正
1. 連 接 測 試 端 6 至 7 與 測 試 端 8 至 14。
2. 設 定 開 關 I1 為 LEVEL。
3. 使 液 位 保 持 在 500mm。
4. 調 整 RV3 使 顯 示 值 為 500。

2-28 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
2.9.5 F/V 轉 換 器 校 正
1. 連 接 端 點 19 至 端 點 14 與 20。
2. 設 定 開 關 I 4 為 "ON", 並 調 整 控 制 閥 使 流 量 率 顯 示 為 3l/min。
3. 調 整 RV12 使 測 試 端 22 電 壓 為 4.8V。
2.9.6 A/D 轉 換 器 校 正
1. 連 接 8V 電 源 至 測 試 端 9。
2. 調 整 RV1 使 所 有 的 LED 全 亮 。
2.9.7 G30B 液 位 與 流 量 控 制 器 之 校 正
依 下 列 之 步 驟 完 成 校 正 。
1. I1 切 至 "LEVEL" 位 置 。
2. 調 整 RV2 直 至 測 試 端 2 之 電 壓 為 8V。
3. I1 切 至 "FLOW RATE" 位 置 。
4. 調 整 RV1 直 至 測 試 端 2 之 電 壓 為 6.4V。
5. 短 路 測 試 端 2 和 3 調 整 RV3 直 至 測 試 端 4 之 電 壓 為 0V。

第 三 章 程 序 控 制 3-1
第 三 章
程 序 控 制
3.1 概 述
在 處 理 液 位 與 流 量 率 控 制 之 前 , 讓 我 們 先 複 習 自 動 控 制 的 主 要 概 念 。 所 謂 " 物
理 程 序 "(physical process) 簡 稱 程 序 , 乃 一 組 物 理 量 的 轉 換 或 傳 輸 裝 置 , 如 工 業 上 的
煉 油 系 統 、 蒸 氣 生 產 系 統 等 等 。 這 些 複 雜 的 程 序 均 包 括 許 多 基 本 的 程 序 控 制 , 這
就 是 本 書 的 重 點 。" 控 制 " 意 味 著 可 完 成 程 序 目 標 之 一 組 控 制 行 為 。 而 " 自 動 控 制 "
表 示 無 需 人 為 操 作 即 可 達 成 控 制 目 標 。
3.1.1 方 塊 圖
學 習 控 制 系 統 時 , 以 圖 形 描 述 不 同 元 件 間 物 理 量 轉 換 與 傳 輸 的 關 係 是 非 常 有
用 的 , 我 們 可 很 清 楚 每 一 程 序 變 數 送 到 另 一 程 序 之 動 作 行 為 。 這 種 圖 形 表 示 法 稱
為 " 功 能 方 塊 圖 ", 一 個 典 型 具 輸 入 與 輸 出 的 功 能 方 塊 圖 如 圖 3.1.1 所 示 。
輸
入
輸
出
E
U
圖 3.1.1

3-2 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
一 組 方 塊 圖 可 定 義 輸 出 為 輸 入 的 函 數 , 說 明 其 特 性 。 大 部 份 完 成 此 定 義 均 使
用 " 轉 移 函 數 "(transfer function), 一 般 表 示 如 下 :
U ( s)
F =
E(
s)
其 中 ,E 為 輸 入 信 號 ( 變 數 s, 請 參 考 有 關 於 Laplace 轉 換 之 書 籍 ),U 為 輸 出 信
號 。"+" 與 "-" 表 示 信 號 加 入 系 統 的 極 性 , 如 圖 3.1.2 所 示 。 如 果 輸 入 變 數 要 同 時 送
到 多 個 方 塊 。 可 採 圖 3.1.3 所 示 分 支 點 的 方 式 處 理 。 當 然 也 可 將 多 個 方 塊 圖 化 簡 為
單 一 的 方 塊 圖 , 較 容 易 分 析 處 理 。
X 3
X 1
y=X 1 -X 2 y=X 1 -X 2 -X 3
X 2
X 1
X 2
圖 3.1.2
X 1
X 1
X 1
X 1
圖 3.1.3

第 三 章 程 序 控 制 3-3
3.1.2 控 制 系 統 之 分 類
控 制 系 統 一 般 分 類 :
● 開 迴 路 系 統
● 閉 迴 路 或 回 授 系 統
開 迴 路 系 統 之 控 制 行 為 與 輸 出 無 關 , 而 閉 迴 路 系 統 之 控 制 行 為 與 輸 出 有 相 依
關 係 , 以 被 控 體 與 參 考 設 定 值 間 的 差 值 產 生 控 制 行 為 以 消 除 此 差 值 。 完 整 的 負 回
授 控 制 系 統 方 塊 圖 如 圖 3.1.4 所 示 。
干 擾
誤 差
參 考 信 號 控 制 器 放 大 器 程 序
r e = r - h
控 制 變 數 輸 出
c
h
信 號 處 理 電 路
感 測 器
圖 3.1.4
方 塊 圖 與 各 符 號 所 表 示 的 意 義 分 述 如 下 :
● 控 制 器 :
一 組 產 生 特 別 控 制 信 號 以 驅 動 伺 服 放 大 器 裝 置 。
● 感 測 器 與 信 號 處 理 電 路 :
轉 換 程 序 輸 出 變 數 之 信 號 , 做 為 閉 迴 路 回 授 信 號 。

3-4 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
● 誤 差 信 號 :
由 設 定 點 信 號 與 來 自 信 號 處 理 電 路 之 回 授 信 號 之 差 值 。
● 干 擾 :
不 期 望 發 生 之 雜 訊 , 此 信 號 將 影 響 輸 出 值 。
閉 迴 路 控 制 系 統 的 主 要 優 點 是 :
● 參 數 變 動 靈 敏 度 較 低 。
● 干 擾 影 響 較 低 。
號 。
上 述 二 項 對 控 制 系 統 是 很 重 要 的 , 因 為 參 數 變 動 與 干 擾 均 是 不 希 望 產 生 的 信
3.1.3 回 授 系 統 標 準 型 式
讓 我 們 檢 視 如 圖 3.1.5 所 示 之 回 授 系 統 方 塊 圖 。 此 即 是 大 家 熟 悉 之 回 授 系 統 標
準 型 式 , 任 何 複 雜 的 回 授 系 統 均 可 化 簡 為 3.1.5 之 型 式 。
r
e
G
c
h
H
圖 3.1.5

第 三 章 程 序 控 制 3-5
3.1.4 線 性 系 統 - 微 分 方 程
一 個 系 統 如 具 有 下 述 特 性 , 可 定 義 為 線 性 ( 可 以 線 性 微 分 方 程 描 述 )。
假 設 : 輸 入 X1(t) 產 生 輸 出 Y1(t)
輸 入 X2(t) 產 生 輸 出 Y2(t)
則 輸 入 C1 × X1(t) + C2 × X2(t)
輸 出 C1 × Y1(t) + C2 × Y2(t)
其 中 C1, C2 為 常 數 。
線 性 化 的 觀 念 可 以 重 疊 定 理 表 示 。 事 實 上 , 沒 有 一 個 物 理 系 統 可 以 常 係 數 線
性 微 分 方 程 描 述 。 但 在 某 些 限 制 條 件 下 , 許 多 系 統 仍 可 以 此 方 程 式 描 述 , 線 性 微
分 方 程 的 解 是 描 述 其 系 統 響 應 , 可 分 為 二 種 :
● 自 然 響 應
● 強 制 響 應
自 然 響 應 為 微 分 方 程 所 有 輸 入 變 數 恒 為 零 之 解 , 而 強 制 響 應 為 微 分 方 程 所 有
初 始 狀 態 恒 為 零 之 解 。 此 二 種 響 應 之 和 為 系 統 之 全 解 。 全 部 響 應 亦 可 描 述 為 下 列
二 種 特 殊 解 之 和 :
● 暫 態 響 應
● 穩 態 響 應
3.1.5 拉 氏 轉 換 (The Laplace Transform)
一 些 解 決 工 程 問 題 的 技 術 , 常 以 頻 域 函 數 取 代 時 域 函 數 。 拉 氏 轉 換 是 將 時 域
函 數 轉 換 為 頻 域 函 數 之 技 術 。 此 技 術 對 解 線 性 微 分 方 程 特 別 有 用 。 而 求 解 完 成 時
再 以 反 拉 氏 轉 換 將 頻 域 函 數 轉 換 為 時 域 函 數 。

3-6 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
3.1.6 典 型 測 試 函 數
在 控 制 系 統 研 究 領 域 中 , 下 述 單 一 函 數 經 常 使 用 。
● 單 位 脈 衝 函 數
● 單 位 步 級 函 數
● 單 位 斜 坡 函 數
每 一 種 函 數 均 是 將 另 一 種 函 數 微 分 或 積 分 所 得 。 這 些 函 數 相 當 重 要 , 因 為 以
這 些 函 數 輸 入 程 序 中 , 用 以 獲 得 系 統 響 應 , 瞭 解 如 下 列 所 述 系 統 特 性 :
● 靈 敏 度
● 準 確 度
● 響 應 速 度
● 穩 定 度
3.1.7 控 制 系 統 靈 敏 度
差 。
靈 敏 度 可 定 義 為 使 輸 出 產 生 變 動 之 最 小 輸 入 量 , 或 產 生 一 控 制 行 為 之 最 小 誤
3.1.8 控 制 系 統 準 確 度
準 確 度 為 被 控 變 數 保 持 於 設 定 值 之 近 似 值 。 其 差 值 定 義 為 誤 差 , 準 確 度 與 誤
差 可 從 穩 態 或 暫 態 情 形 中 量 測 , 前 者 為 穩 態 誤 差 而 後 者 為 動 態 誤 差 。
3.1.9 響 應 速 度 - 響 應 時 間
響 應 速 度 為 系 統 輸 出 變 數 達 新 平 衡 點 之 速 度 。 時 間 長 短 依 系 統 時 間 常 數 與 系
統 元 件 延 遲 時 間 有 關 。 響 應 時 間 可 由 圖 3.1.6 兩 種 不 同 的 方 式 測 得 , 本 書 採 用 第 一
種 方 式 。

第 三 章 程 序 控 制 3-7
VC
VC
VCf
0.9 VCf
VCf
0.5 VCf
0.1 VCf
0 tr t
0 tr t
圖 3.1.6
3.1.10 系 統 穩 定 度
穩 定 度 為 系 統 於 週 期 變 動 或 阻 尼 振 盪 操 作 下 , 達 到 平 衡 穩 定 之 能 力 。 當 系 統
之 振 盪 增 大 時 , 此 系 統 定 義 為 不 穩 定 系 統 。 當 系 統 元 件 之 延 遲 現 象 明 顯 時 , 將 發
生 不 穩 定 現 象 。 致 使 系 統 產 生 過 調 整 行 為 產 生 振 盪 現 象 。 圖 3.1.7 表 示 三 種 不 同 的
暫 態 情 形 :
Vc
Vc
Vc
Vr
Vr
Vr
t
0
t
0
t
圖 3.1.7

3-8 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
圖 3.1.8 所 示 控 制 變 數 於 暫 態 最 大 值 (Vcm) 與 暫 態 終 值 (Vc∞ ) 之 比 例 值 相 當 重
要 , 定 義 如 下 :
Vcm − Vc
Se =
∞
Vc
∞
V c
V r
V cm
Vc
∞
圖 3.1.8
t
3.1.11 控 制 系 統 分 析
自 動 控 制 系 統 分 析 之 目 的 在 於 決 定 下 列 特 性 :
• 暫 態 響 應
• 穩 態 響 應
• 穩 定 程 度

第 三 章 程 序 控 制 3-9
一 系 統 是 否 穩 定 , 還 需 有 相 對 穩 定 度 決 定 。 因 為 時 域 分 析 對 超 過 二 階 的 系 統
不 易 處 理 , 是 以 有 下 列 圖 解 方 法 可 應 用 。
• 根 軌 跡 圖 (Root locus plot)
• 波 德 圖 (Bode diagram)
• 奈 氏 圖 (Nyquist diagram)
• 尼 可 圖 (Nichols chart)
3.2 控 制 系 統 設 計
設 計 的 目 的 在 於 獲 得 速 度 響 應 , 準 確 度 與 穩 定 度 等 行 為 規 格 。
• 頻 域 規 格
• 時 域 規 格
頻 域 規 格 通 常 以 下 列 名 詞 表 示 :
• 增 益 邊 限
• 相 位 邊 限
• 頻 寬
• 諧 振 波 幅 峰 值
• 諧 振 頻 率
時 域 規 格 通 常 定 義 為 單 位 步 階 響 應 之 穩 態 成 份 與 暫 態 成 份 , 穩 態 功 能 指 示 系
統 之 準 確 度 , 而 暫 態 功 能 則 指 示 響 應 速 度 與 相 對 穩 定 度 。 典 型 的 波 幅 規 格 如 下 :
• 最 大 超 越 量
• 延 遲 時 間
• 上 升 時 間
• 安 定 時 間
控 制 可 能 是 主 動 式 ( 放 大 器 , 積 分 器 與 微 分 器 ) 或 被 動 ( 落 後 補 償 與 領 先 補 償 )。
工 業 用 標 準 的 控 制 器 通 常 是 主 動 式 , 包 括 比 例 、 積 分 、 微 分 功 能 。

3-10 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
3.2.1 比 例 控 制 (P)
此 控 制 行 為 如 同 放 大 器 或 衰 減 器 一 般 , 輸 出 依 放 大 或 衰 減 比 例 變 化 。 如 圖
3.2.1 所 示 。
V i
V 0 =K p
.V i
K p
圖 3.2.1
3.2.2 積 分 控 制 (I)
此 控 制 行 為 相 當 一 個 純 積 分 器 功 能 , 如 圖 3.2.2 所 示 , 其 產 生 的 積 分 行 為 :
W ( s)
=
Ki
s
1
=
τI
× s
其 中 τI 是 積 分 行 為 時 間 常 數 , 對 應 於 步 階 輸 入 之 輸 出 值 , 表 示 線 性 延 遲 功
能 , 如 圖 3.2.3 所 示 。

第 三 章 程 序 控 制 3-11
V i
K I
s
V
0
=
K
s
I
• V
i
圖 3.2.2
V
輸 出
輸 入
τ I
t
圖 3.2.3
V i
K D
⋅ S
V
0
= K
S ⋅
D
V i
圖 3.2.4
V
輸 出
輸 入
τ D
t
圖 3.2.5

3-12 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
3.2.3 微 分 控 制 (D)
此 控 制 行 為 可 由 圖 3.2.4 所 示 之 純 微 分 器 說 明 , 轉 移 函 數 如 下 述 :
W(s) = s × K D = s × τD
如 中 τD 微 分 行 為 時 間 常 數 , 如 圖 3.2.5 所 示 。 其 輸 出 值 等 於 時 間 τD 之 輸 入
值 , 一 直 保 持 到 輸 入 斜 率 改 變 。
3.2.4 PID 控 制
讓 我 們 考 慮 PID 控 制 行 為 的 效 應 , 如 圖 3.2.6、 3.2.7 所 示 。
K P
E
K I
s
M
K D
⋅ S
圖 3.2.6
其 轉 移 函 數 為
K
I
W ( s)
= K
P
+ + K
D
× s
s

第 三 章 程 序 控 制 3-13
G
KP
P
f
20dB/decade
I
f
D
20dB/decade
f
PI
K P +K I
f
PD
K P +K D
f
ID
K I +K D
f
PID
K P +K D +K I
f
圖 3.2.7

3-14 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
3.3 控 制 器 設 定 調 整
使 用 標 準 的 PID 控 制 器 於 程 序 控 制 中 , 隨 即 發 生 如 何 使 程 序 變 數 達 成 準 確 控
制 之 K P 、 K I 、 K D 等 參 數 調 整 問 題 。 為 了 克 服 此 問 題 , 通 常 先 調 整 K P , 然 後 再 調 整
K I , 最 後 調 整 K D 。
標 準 的 調 整 程 序 依 據 下 述 要 求 分 成 兩 組 。
1. 全 部 回 授 控 制 系 統 穩 定 度 極 限 值 之 行 為 。
2. 程 序 對 步 階 輸 入 之 時 間 響 應 。
第 一 組 假 設 控 制 器 之 參 數 調 整 將 影 響 控 制 系 統 之 穩 定 度 。 當 穩 定 度 有 限 制
時 , 很 明 顯 的 控 制 變 數 振 盪 量 必 不 可 損 害 整 個 程 序 控 制 。 最 適 當 的 調 整 步 驟 是 紫
雅 格 - 尼 可 士 法 (Ziegler-Nichols method)。
如 下 述 操 作 步 驟 :
1. 不 執 行 積 分 控 制 。
2. 不 執 行 微 分 控 制 。
3. 慢 慢 的 增 加 K P , 直 到 迴 閉 路 系 統 達 到 允 許 的 穩 定 度 極 限 值 , 此 增 益 為
K pc 。
4. 量 測 使 系 統 於 穩 定 極 限 值 時 , 引 起 持 續 振 盪 之 週 期 Tc。
當 獲 得 K P 與 To 等 參 數 時 , 紫 雅 格 - 尼 可 士 建 議 在 不 同 控 制 模 式 下 設 定 各 參
數 值 , 如 下 表 所 示 。
控 制 器 K P K P /K I K D /K P
P 0.50×K pc
PI 0.45×K pc 0.85×Tc
PID 0.60×K pc 0.50×Tc 0.12×Tc
另 τ= 1/KI
t = KD

第 三 章 程 序 控 制 3-15
屬 於 第 二 組 調 整 步 驟 包 括 開 迴 路 系 統 響 應 的 量 測 。
紫 雅 格 - 尼 可 士 亦 發 展 一 公 式 , 如 下 摘 要 所 述 ( 參 考 圖 3.3.1)。
1. 使 閉 迴 路 系 統 開 路 。
2. 設 定 K P 為 單 位 值 。
3. 不 執 行 積 分 與 微 分 行 為 。
4. 設 定 一 單 位 步 階 信 號 至 輸 入 端 , 分 析 信 號 處 理 電 路 輸 出 端 之 響 應 , 求 出 如
圖 3.3.1 之 參 數 值 。
• K = 增 益 值
• Tm = 死 帶 時 間
• T = 時 間 常 數
•
設 定 點
ε
控 制 器 放 大 器 程 序
信 號 處 理 電 路
感 測 器
V
Vmax
響 應
0.9Vmax
0.1Vmax
Tm
T
t
圖 3.3.1

3-16 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
參 數 值 。
以 這 種 方 法 紫 雅 格 與 尼 可 士 發 展 如 下 表 所 示 之 公 式 , 獲 得 K P 、τ I 與 τ D 之 基 本
控 制 器 K P K P /K I K D /K P
P
PI
PID
T
KTm
0.9T
KTm
1.2T
KTm
3.3Tm
2Tm
0.5Tm
3.4 比 例 控 制 器
此 型 控 制 器 之 輸 出 信 號 大 小 正 比 例 於 輸 入 信 號 。 而 實 際 的 比 例 控 制 器 可 能 因
輸 入 信 號 太 大 或 比 例 因 素 太 大 , 使 控 制 器 飽 和 產 生 非 線 性 情 形 , 如 圖 3.4.1 所 示 。
輸 入 值 ( 比 例 帶 Bp) 僅 在 某 一 範 圍 , 輸 出 才 是 線 性 的 現 象 相 當 明 顯 。
T( o C)
Tr
t(s)
P(W)
t(s)
圖 3.4.1

第 三 章 程 序 控 制 3-17
由 誤 差 放 大 器 的 誤 差 信 號 經 比 例 控 制 器 以 K P 比 例 放 大 。 在 比 例 帶 之 外 , 控 制
器 之 輸 出 類 似 ON/OFF 狀 況 , 這 意 味 著 全 部 的 功 率 經 由 致 動 器 輸 出 。 在 穩 態 的 情
形 , 送 到 致 動 器 的 功 率 則 依 負 載 消 耗 與 致 動 器 效 率 而 定 。
當 控 制 器 工 作 在 比 例 帶 的 中 心 區 域 時 , 雖 然 是 穩 態 情 形 , 其 輸 出 誤 差 還 是 存
在 。 而 速 度 的 變 化 則 為 時 間 的 函 數 Bp 有 關 , 圖 3.4.2 所 示 不 同 響 應 速 度 之 差 異 ;
a. Bp 太 大
b. Bp 正 確
c. Bp 太 小
T( o C)
c
Tr
b
a
0
t(s)
圖 3.4.2
3.5 PI 與 PID 控 制 器
我 們 可 看 出 比 例 控 制 器 的 主 要 缺 點 是 具 有 穩 態 誤 差 。 而 積 分 控 制 器 可 使 穩 態
誤 差 降 為 零 , 對 被 控 變 數 突 然 變 動 的 情 形 特 別 有 用 。 但 積 分 控 制 器 在 系 統 慣 量 很
大 時 , 產 生 的 相 移 問 題 , 可 能 產 生 振 盪 輸 出 使 系 統 不 穩 定 , 另 其 輸 入 為 常 數 時 則
輸 出 為 零 , 一 般 都 與 比 例 控 制 器 一 起 使 用 。 如 果 振 盪 輸 出 維 持 一 定 , 加 入 微 分 控
制 器 建 立 完 整 的 PID 控 制 器 , 將 會 有 最 佳 的 控 制 效 應 。 微 分 控 制 器 乃 將 輸 入 信 號
微 分 , 對 快 速 變 動 的 干 擾 信 號 抑 制 特 別 有 用 。 因 其 輸 入 為 常 數 時 , 輸 出 為 零 , 一
般 很 少 單 獨 使 用 。

3-18 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統

第 四 章 特 性 實 驗 4-1
第 四 章
特 性 實 驗
4.1 液 位 感 測 器 信 號 處 理 電 路 特 性 實 驗
4.1.1 目 的
1. 繪 製 液 位 感 測 器 信 號 處 理 電 路 之 特 性 曲 線 。
2. 決 定 液 位 感 測 器 信 號 處 理 電 路 之 線 性 度 。
3. 計 算 感 測 器 之 磁 滯 。
4.1.2 儀 器 設 備 需 求
1. 液 位 與 流 量 感 測 器 及 控 制 模 組 (G30A + TY30) × 1
2. 電 源 供 應 器 (±12V, +5V) × 1
3. 三 用 電 表 × 1
4.1.3 接 線 圖
LEVEL-PRESSURE
SIGNAL CONDITIONER
V/F CONVERTER
6 7 8 14
BCD COUNTER &
DECODER DRIVER
圖 4.1.1

4-2 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
4.1.4 實 驗 步 驟
1. 依 圖 4.1.1 所 示 完 成 接 線 。
2. 接 好 所 需 之 ±12V 及 +5V 電 源 。
3. 將 開 關 I1 置 於 " 液 位 ", I3 置 於 " 頻 率 " 之 位 置 。
4. 開 啟 電 源 。
5. 檢 查 受 測 量 信 號 所 對 應 之 LED 是 否 為 "ON "。
6. 關 閉 排 水 閥 (1 號 閥 ), 而 打 開 流 量 之 節 流 閥 (2 號 閥 )。
7. 將 I4"ON " 起 動 泵 浦 把 液 體 注 入 容 器 內 使 液 位 超 過 500mm, 然 後 將 I4 "OFF"
並 關 閉 2 號 閥 。
8. 將 排 水 閥 (1 號 閥 ) 打 開 一 半 使 液 體 慢 慢 流 下 , 至 500mm 時 關 閉 排 水 閥 , 並
記 錄 其 對 應 之 值 。
9. 然 後 當 容 器 內 之 液 位 高 度 每 變 動 50mm 時 即 記 錄 測 試 端 6 的 電 壓 值 V(6),
並 填 入 表 4.1.1 中 。
液 位 高 度
值 V(6)
500mm
450mm
400mm
350mm
300mm
250mm
200mm
150mm
100mm
50mm
0mm
表 4.1.1

第 四 章 特 性 實 驗 4-3
10. 繪 出 液 位 感 測 器 與 信 號 處 理 電 路 之 特 性 曲 線
8
7
6
5
4
3
2
1
0
50 100
150
200
250 300
350 400 450 500 mm
圖 4.1.2
11. 容 器 內 之 液 體 流 空 時 , 再 重 新 注 入 液 體 液 位 從 0mm 開 始 每 增 加 50mm 再
記 錄 入 錄 測 試 端 電 壓 值 填 入 表 4.1.2 中 。 為 了 容 易 測 量 起 見 , 可 將 2 號 閥
關 小 , 使 幫 浦 之 流 量 減 少 。
液 位 高 度
值 V(6)
0mm
50mm
100mm
150mm
200mm
250mm
300mm
350mm
400mm
450mm
500mm
表 4.1.2

4-4 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
12. 重 新 再 繪 出 特 性 曲 線
8
7
6
5
4
3
2
1
0
50 100
150
200
250 300
350 400 450 500 mm
圖 4.1.3
13. 於 獲 得 的 特 性 曲 線 , 將 第 一 點 和 最 後 一 點 連 接 起 來 , 畫 出 一 條 直 線 。
14. 在 此 直 線 之 上 、 下 兩 邊 各 畫 出 一 條 與 其 有 最 小 距 離 且 能 包 含 所 有 測 量 點 之
平 行 直 線 , 以 決 定 其 線 性 度 。

第 四 章 特 性 實 驗 4-5
15. 磁 滯 之 計 算 。 從 液 位 上 升 與 下 降 實 驗 所 獲 得 的 數 據 , 繪 出 一 條 上 升 特 性 曲
線 與 一 條 下 降 特 性 曲 線 。
8
7
6
5
4
3
2
1
0
50 100
150
200
250 300
350 400 450 500 mm
圖 4.1.4
16. 計 算 此 兩 條 曲 線 之 最 大 距 離 Dmax。 因 此 將 磁 滯 定 義 為 : 磁 滯 = Dmax。
4.1.5 問 題 與 討 論

4-6 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
4.2 閾 值 檢 測 器 之 特 性 量 測
4.2.1 目 的
瞭 解 閾 值 檢 測 器 之 特 性
4.2.2 儀 器 設 備 需 求
1. 液 位 與 流 量 感 測 器 及 控 制 模 組 × 1
2. 電 源 供 應 器 (±12V、+5V) × 1
3. 三 用 電 表 × 1
4.2.3 接 線 圖
LEVEL PRESSURE
SIGNAL CONDITIONER
6
10
THRESHOLD DETECTOR
圖 4.2.1

第 四 章 特 性 實 驗 4-7
4.2.4 實 驗 步 驟
1. 依 圖 4.2.1 所 示 完 成 接 線 。
2. 接 好 所 需 之 ±12V 及 +5V 電 源 線 。
3. 開 關 I2 設 為 OFF, 去 除 磁 滯 作 用 。
4. 開 啟 電 源 。
5. 調 整 電 位 計 P1, 將 測 試 端 11 之 電 壓 調 為 4V。
6. 將 I2"ON" 起 動 泵 浦 , 將 液 體 注 入 容 器 內 使 液 位 慢 慢 上 升 。
7. 當 LED TH 亮 時 , 測 量 此 時 測 試 端 10 之 電 壓 , 填 入 表 4.2.1 中 。
8. 將 液 位 增 至 500mm。
9. 逐 漸 降 低 液 位 直 至 LED TH 熄 滅 , 然 後 測 量 此 時 測 試 端 10 之 電 壓 , 填 入 表
4.2.1 中 。
10. 比 較 LED TH 亮 和 滅 時 之 電 壓 。
LED 亮 時
之 電 壓 (V)
LED 熄 滅 時
之 電 壓 (V)
表 4.2.1
4.2.5 問 題 與 討 論
1. LED 亮 和 滅 時 之 電 壓 是 否 相 同 ?
2. 若 改 變 測 試 端 11 之 電 壓 , 則 測 試 端 10 之 電 壓 有 何 變 化 , 其 意 義 為 何 ?

4-8 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
4.3 以 示 波 器 檢 測 閾 值 檢 測 器 之 特 性
4.3.1 目 的
以 示 波 器 觀 察 閾 值 檢 測 器 之 特 性 。
4.3.2 儀 器 設 備 需 求
1. 液 位 與 流 量 感 測 器 及 控 制 模 組 (G30A+TY30) × 1
2. 電 源 供 應 器 (±12V, +5V) × 1
3. 示 波 器 × 1
4. 三 用 電 表 × 1
5. 信 號 產 生 器
4.3.3 接 線 圖
弦 波 信 號
產 生 器
10
THRESHOLD DETECTOR
圖 4.3.1

第 四 章 特 性 實 驗 4-9
4.3.4 實 驗 步 驟
1. 依 圖 4.3.1 完 成 接 線 。
2. 接 好 所 需 之 ±12 及 +5V 電 源 線 。
3. 開 關 I2 設 為 OFF, 去 除 磁 滯 作 用 。
4. 開 啟 電 源 。
5. 調 整 電 位 計 P1, 將 測 試 端 11 之 電 壓 調 為 4V。
6. 調 整 信 號 產 生 器 之 輸 出 振 幅 0~8V, 頻 率 10Hz 之 正 弦 波 , 然 後 接 到 測 試 端
10。
7. 將 示 波 器 設 定 在 XY 之 操 作 模 式 。
8. 將 channel X 之 探 棒 連 接 至 正 弦 波 形 信 號 上 ( 測 試 端 10)。
9. 將 channel Y 之 探 棒 連 接 至 比 較 器 之 輸 出 ( 測 試 端 12)。
10. 當 輸 入 信 號 變 化 時 , 觀 察 閾 值 檢 測 器 之 特 性 。
※ 若 在 示 波 器 上 觀 察 到 輕 微 之 磁 滯 現 象 , 這 是 由 於 比 較 器 之 寄 生 元 件 及 不 當
的 操 作 所 引 起 的 。
4.3.5 問 題 與 討 論
1. 改 變 測 試 端 11 之 電 壓 , 其 波 形 有 何 變 化 ?
2. 若 輸 入 信 號 改 為 方 波 , 其 情 形 為 何 ?

4-10 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
4.4 檢 測 閾 值 檢 測 器 具 磁 滯 時 之 特 性 曲 線
4.4.1 目 的
瞭 解 閾 值 檢 測 器 具 磁 滯 時 之 特 性 。
4.4.2 儀 器 設 備 需 求
1. 液 位 與 流 量 轉 換 器 及 控 制 模 組 (G30A+TY30) × 1
2. 電 源 供 應 器 (±12V, +5V) × 1
3. 示 波 器 × 1
4. 三 用 電 表 × 1
5. 訊 號 產 生 器 × 1
4.4.3 接 線 圖
弦 波 信 號 產 生 器
6
10
THRESHOLD DETECTOR
圖 4.4.1

第 四 章 特 性 實 驗 4-11
4.4.4 實 驗 步 驟
1. 依 圖 4.4.1 完 成 接 線 。
2. 接 好 所 需 之 ±12V 及 +5V 之 電 源 。
3. 開 關 I2 設 為 ON, 使 磁 滯 作 用 。
4. 開 啟 電 源 。
5. 調 整 電 位 計 P1, 將 測 試 端 11 之 電 壓 調 為 4V。
6. 調 整 信 號 產 生 器 之 輸 出 為 振 幅 0~8V, 頻 率 10Hz 之 正 弦 波 , 然 後 輸 入 至 測
試 端 10。
7. 將 示 波 器 設 定 在 XY 操 作 模 式 。
8. 將 channel X 探 棒 連 接 至 正 弦 波 信 號 上 。
9. 將 channel Y 之 探 棒 連 接 至 比 較 器 之 輸 出 測 試 端 12 上 。
10. 調 整 可 調 電 阻 器 RV1, 以 改 變 磁 滯 之 振 幅 。
11. 當 磁 滯 振 幅 不 同 時 , 觀 察 具 有 磁 滯 時 之 閾 值 檢 測 器 之 特 性 。
4.4.5 問 題 與 討 論
1. 磁 滯 振 幅 不 同 時 , 其 特 性 有 何 不 同 ?

4-12 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
4.5 以 單 閾 值 檢 測 液 位
4.5.1 目 的
瞭 解 如 何 利 用 單 閾 值 檢 測 器 來 測 量 液 位 高 度 。
4.5.2 儀 器 設 備 需 求
1. 液 位 與 流 量 轉 換 器 及 控 制 模 組 (G30A+TY30) × 1
2. 電 源 供 應 器 (±12V, +5V) × 1
4.5.3 接 線 圖
LEVEL-PRESSURE
SIGNAL CONDITIONER
6
10
THRESHOLD DETECTOR
圖 4.5.1

第 四 章 特 性 實 驗 4-13
4.5.4 實 驗 步 驟
1. 依 圖 4.5.1 完 成 接 線
2. 接 好 所 需 之 ±12V 及 +5V 電 源
3. 開 啟 電 源 , 調 整 電 位 計 P1 使 測 試 端 11 之 電 壓 至 某 一 電 壓 值 。
4. 將 I1 切 至 " 液 位 ", I2 設 為 OFF, I4 設 為 ON, 且 關 閉 容 器 之 排 水 閥 。 從 最
低 之 液 位 開 始 , 逐 漸 增 加 液 位 高 度 。
5. 將 節 流 閥 關 小 , 以 獲 得 更 精 確 之 量 測 。
6. 當 LED TH"ON" 時 , 測 量 此 時 液 位 高 度 。
7. 當 液 位 達 到 500mm 時 , 將 開 關 I4 設 為 OFF。
8. 稍 微 打 開 容 器 之 排 水 閥 , 使 液 位 緩 慢 下 降 。
9. 當 LED TH"OFF" 時 , 測 量 液 位 高 度 。
10. 將 液 位 上 升 和 下 降 LED 狀 態 改 變 時 之 液 位 互 相 對 照 。
LED 狀 態
液 位 (mm)
亮
熄
表 4.5.1
4.5.5 問 題 與 討 論
1. 節 流 閥 開 口 之 大 小 對 測 量 液 位 之 影 響 為 何 ?
2. 液 位 上 升 與 下 降 時 ,LED 亮 和 滅 之 液 位 是 否 相 同 ?

4-14 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
4.6 以 磁 滯 檢 測 液 位
4.6.1 目 的
瞭 解 如 何 利 用 磁 滯 檢 測 液 位 。
4.6.2 儀 器 設 備 需 求
1. 液 位 與 流 量 轉 換 器 及 控 制 模 組 (G30A+TY30) × 1
2. 電 源 供 應 器 (±12V, +5V) × 1
4.6.3 接 線 圖
LEVEL-PRESSURE
SIGNAL CONDITIONER
6
10
THRESHOLD DETECTOR
圖 4.6.1
4.6.4 實 驗 步 驟
1. 依 圖 4.6.1 完 成 接 線 。
2. 接 好 所 需 之 ±12V 及 +5V 電 源 。
3. 將 可 調 電 阻 器 RV1 順 時 針 方 向 轉 至 底 , 以 獲 得 磁 滯 之 最 大 振 幅 。
4. 開 啟 電 源 。

第 四 章 特 性 實 驗 4-15
5. 將 I1 切 至 " 液 位 "、 I2 設 為 ON、 I4 設 為 ON, 且 關 閉 容 器 之 排 水 閥 從 最 低
之 液 位 開 始 逐 漸 增 加 液 位 高 度 。
6. 將 節 流 閥 關 小 , 以 獲 得 更 精 確 之 量 測 。
7. 當 LED TH"ON" 時 量 測 此 時 液 位 高 度 , 填 入 表 4.6.1 中 。
8. 當 液 位 達 到 500mm 時 將 開 關 I4 設 為 OFF。
9. 稍 微 打 開 容 器 之 排 水 閥 , 使 液 位 緩 慢 下 降 。
10. 當 LED TH"OFF" 時 , 測 量 此 時 液 位 之 高 度 。
11. 將 液 位 上 升 和 下 降 LED 狀 態 改 變 時 之 液 位 互 相 對 照 。
12. 檢 查 這 兩 個 液 位 是 否 相 似 , 並 且 和 前 一 個 實 驗 ( 實 驗 4、 5) 所 獲 得 之 液 位 是
否 相 似 。
13. 將 可 調 電 阻 器 RV1 反 時 針 方 向 轉 至 底 , 以 獲 得 磁 滯 之 最 小 振 幅 。 重 複 上 述
之 實 驗
磁 滯 振 幅
LED 狀 態
液 位
(mm)
端 點 6 之 電
壓 (v)
MAX
亮
MAX
熄
MIN
亮
MIN
熄
表 4.6.1
4.6.5 問 題 與 討 論
1. 磁 滯 振 幅 大 小 對 測 量 液 位 之 影 響 為 何 ?

4-16 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
4.7 繪 出 電 壓 / 頻 率 轉 換 器 之 特 性
4.7.1 目 的
瞭 解 電 壓 / 頻 率 轉 換 器 之 特 性
4.7.2 儀 器 設 備 需 求
1. 液 位 與 流 量 轉 換 器 及 控 制 模 組 (G30A+G30B+TY30) × 1
2. 電 源 供 應 器 (±12V, +5V) × 1
3. 直 流 電 壓 表 × 1
4. 頻 率 計 × 1
4.7.3 接 線 圖
+12V
P1
G30B
2
7
V/F CONVERTER
OUT
8
圖 4.7.1

第 四 章 特 性 實 驗 4-17
4.7.4 實 驗 步 驟
1. 依 圖 4.7.1 完 成 接 線
2. 接 好 所 需 之 電 源 ,±12V 及 +5V。
3. 將 直 流 電 壓 表 連 接 至 測 試 端 2 和 地 之 間 。
4. 將 頻 率 計 連 接 至 端 點 8 和 地 之 間 。
5. 調 整 電 位 計 P1, 使 測 試 端 2 之 電 壓 為 0.5V。
6. 觀 察 頻 率 計 所 顯 示 之 V/F 轉 換 器 之 頻 率 值 並 將 其 填 入 表 4.7.1 中 。
7. 依 表 4.7.1 中 之 電 壓 值 , 逐 一 輸 入 至 端 點 7, 然 後 測 量 每 一 電 壓 所 對 應 之 頻
率 , 然 後 將 其 值 填 入 表 4.7.1 中 。
輸 入 電 壓 (V)
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
7.5
8
輸 出 頻 率 (Hz)
表 4.7.1

4-18 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
8. 實 驗 完 成 後 , 將 所 獲 得 之 值 標 示 於 圖 4.7.2 之 座 標 圖 上 。
9. 在 座 標 圖 上 繪 出 一 條 較 接 近 這 些 點 之 直 線 , 此 直 線 即 是 轉 換 器 之 最 佳 直 線 。
10. 在 此 直 線 之 兩 邊 各 繪 一 條 與 其 平 行 且 能 包 含 所 有 點 之 直 線 。
11. 計 算 感 測 器 之 線 性 度 。
12. 計 算 V/F 轉 換 器 之 比 例 因 數 。
F
Hz
500
400
300
200
100
20
0.5
1 2
3
4
5 6
7 8 9 10 V
圖 4.7.2
4.7.5 問 題 與 討 論

第 四 章 特 性 實 驗 4-19
4.8 以 七 節 顯 示 器 為 輸 出 之 液 位 轉 換 器 特 性 實 驗
4.8.1 目 的
4.8.2 儀 器 設 備 需 求
1. 液 位 與 流 量 轉 換 器 及 控 制 模 組 (G30A+TY30) × 1
2. 電 源 供 應 器 (±12V, +5V) × 1
3. 頻 率 計 × 1
4. 直 流 電 壓 表 × 1
4.8.3 接 線 圖
LEVEL-PRESSURE
SIGNAL CONDITIONER
V/F CONVERTER
6 7 8 14
BCD COUNTER &
DECODER DRIVER
圖 4.8.1

4-20 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
4.8.4 實 驗 步 驟
1. 依 圖 4.8.1 完 成 接 線
2. 將 開 關 I1 切 至 " 液 位 ",I2 切 至 " 頻 率 " 之 位 置 , 關 閉 容 器 之 排 水 閥 , 打 開 節
流 閥 。
3. 開 啟 電 源 。
4. 將 開 關 I4"ON", 直 到 容 器 內 之 液 位 超 過 500mm 為 止 。
5. 關 閉 節 流 閥 。
6. 稍 微 打 開 排 水 閥 , 使 容 器 內 之 液 位 剛 好 為 500mm。
7. 將 顯 示 器 所 顯 示 之 值 填 入 表 4.8.1 中 。
8. 將 容 器 內 之 液 位 逐 一 降 至 表 4.8.1 中 所 示 之 值 , 並 觀 察 每 一 液 位 所 顯 示 之 值
填 入 表 中 及 端 點 8 所 對 應 之 顯 示 值 。
液 位 (mm)
顯 示 值
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
表 4.8.1

第 四 章 特 性 實 驗 4-21
9. 將 所 測 量 之 值 標 示 於 圖 4.8.2 之 座 標 圖 上 , 然 後 畫 出 其 特 性 曲 線 。
500
400
300
200
100
50 100
150
200
250 300
350 400 450 500 mm
圖 4.8.2
4.8.5 問 題 與 討 論

4-22 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
4.9 類 比 / 數 位 轉 換 器 之 分 析
4.9.1 目 的
瞭 解 類 比 / 數 位 轉 換 器 之 特 性
4.9.2 儀 器 設 備 需 求
1. 液 位 與 流 量 感 測 器 及 控 制 模 組 (G30A+G30B+TY30) × 1
2. 電 源 供 應 器 (±12V, +5V) × 1
3. 三 用 電 表 × 1
4.9.3 接 線 圖
128 64 32 16
8 4 2 1
+12V
P1
G30B
2
9
V/F CONVERTER
OUT
8
圖 4.9.1

第 四 章 特 性 實 驗 4-23
4.9.4 實 驗 步 驟
1. 依 圖 4.9.1 完 成 接 線
2. 調 整 電 位 計 P1, 供 應 一 0.5V 之 電 壓 至 A/D 轉 換 器 之 輸 入 端 ( 端 點 9)。
3. 從 轉 換 器 之 輸 出 的 LED 所 顯 示 之 狀 態 , 換 算 成 十 進 制 之 值 , 然 後 填 入 表
4.9.1 中 。
4. 依 表 4.9.1 中 所 示 之 電 壓 值 逐 一 輸 入 A/D 轉 換 器 , 重 覆 步 驟 3 之 實 驗 。
輸 入 電 壓 (V)
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
7.5
8
數 位 輸 出
表 4.9.1

4-24 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
5. 將 表 4.9.1 中 所 獲 得 之 值 標 示 於 圖 4.9.2 之 座 標 圖 上 , 並 將 所 有 的 點 連 接 起
來 。
DIGITAL
OUTPUT
256
128
64
32
16
0.5
1 2
3
4
5 6
7
8
V
INPUT OUTPUT
圖 4.9.2
6. 觀 察 欲 使 下 一 個 LED"ON" 時 , 所 加 之 電 壓 是 否 為 前 一 個 LED"ON" 時 電 壓
之 二 倍 。
4.9.5 問 題 與 討 論

第 四 章 特 性 實 驗 4-25
4.10 以 8bit 數 位 輸 出 測 量 液 位
4.10.1 目 的
利 用 A/D 轉 換 器 測 量 液 位
4.10.2 儀 器 設 備 需 求
1. 液 位 與 流 量 感 測 器 與 控 制 模 組 (G30A+TY30) × 1
2. 電 源 供 應 器 (±12V, +5V) × 1
4.10.3 接 線 圖
128 64 32 16
8 4 2 1
LEVEL-PRESSURE
SIGNAL CONDITIONER
6
9
8 BIT A/D CONVERTER
圖 4.10.1

4-26 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
4.10.4 實 驗 步 驟
1. 依 圖 4.9.1 完 成 接 線 。
2. 開 關 I1 切 至 " 液 位 " 之 位 置 , 關 閉 排 水 閥 , 打 開 節 流 閥 。
3. 將 開 關 I4 ON, 使 液 位 上 升 直 至 超 過 500mm。
4. 關 閉 節 流 閥 。
5. 稍 微 打 開 排 水 閥 , 使 液 位 剛 好 達 到 500mm。
6. 從 A/D 轉 換 器 之 數 位 輸 出 換 算 出 液 位 高 度 。
7. 將 所 得 之 測 量 值 填 入 表 4.10.1 中 。
8. 依 表 4.10.1 之 液 位 高 調 整 液 位 , 並 觀 察 其 相 對 應 之 數 位 輸 出 , 將 其 值 填 入
表 4.10.1 中 。
9. 將 表 中 所 得 之 測 量 值 標 示 於 如 圖 4.10.2 之 座 標 圖 上 。
10. 把 4.10.2 座 標 圖 上 點 連 起 來 畫 出 曲 線 。
液 位 (mm)
數 位 輸 出
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
表 4.10.1

第 四 章 特 性 實 驗 4-27
DIGITAL
VALUE
256
128
64
32
16
50 100
150
200
250 300
350 400 450 500 mm
LEVEL
圖 4.10.2
11. 計 算 A/D 轉 換 器 之 比 例 常 數
4.10.5 問 題 與 討 論

4-28 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
4.11 流 量 率 之 量 測
4.11.1 目 的
利 用 在 某 一 時 間 內 所 流 過 之 容 量 來 測 量 流 量 。
4.11.2 儀 器 設 備 需 求
1. 液 位 與 流 量 感 測 器 與 控 制 模 組 (G30A+TY30) × 1
2. 電 源 供 應 器 (±12V, +5V) × 1
3. 馬 錶 × 1
4.11.3 接 線 圖
FLOWRATE
SIGNAL CONDITIONER
19 14
BCD COUNTER &
DECODER DRIVER
圖 4.11.1

第 四 章 特 性 實 驗 4-29
4.11.4 實 驗 步 驟
1. 依 圖 4.11.1 完 成 接 線 。
2. 開 關 I3 切 至 " 頻 率 " 之 位 置 , 打 開 排 水 閥 及 節 流 閥 。
3. 把 I4 ON。
4. 調 節 節 流 閥 , 使 顯 示 器 顯 示 0.5l/min 之 流 量 。
5. 關 閉 排 水 閥 。
6. 當 液 位 達 到 某 一 高 度 ( 例 100mm) 時 , 則 開 始 計 時 。
7. 液 位 一 直 上 升 至 某 一 較 高 的 高 度 時 ( 例 200mm) 時 , 停 止 計 時 。
8. 計 算 所 測 得 之 流 量 , 填 入 表 4.11.1 中 。
顯 示 之 流 量 (l/min)
測 量 值 之 流 量 (l/min)
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
表 4.11.1

4-30 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
9. 依 表 4.11.1 中 所 示 之 流 量 , 設 定 流 量 , 重 覆 上 述 之 量 測 。
10. 將 表 4.11.1 中 所 獲 得 之 測 量 值 標 示 於 圖 4.11.2 之 座 標 圖 上 。
11. 將 座 標 圖 上 之 點 連 接 起 來 。
12. 觀 察 流 量 感 測 器 之 線 性 度 。
DISPLAY
INDICATION
4
3
2
1
1
圖 4.11.2
2 3 4
FLOW
4.11.5 問 題 與 討 論

第 四 章 特 性 實 驗 4-31
4.12 時 基 週 期 之 量 測
4.12.1 目 的
瞭 解 BCD 計 數 器 及 顯 示 驅 動 器 時 基 之 調 整 。
4.12.2 儀 器 設 備 需 求
1. 液 位 與 流 量 感 測 器 及 控 制 模 組 (G30A+G30B+TY30) × 1
2. 電 源 供 應 器 (±12V, +5V) × 1
3. 頻 率 計 × 1
4.12.3 接 線 圖
+V
G30B
V/F CONVERTER
2 7 8 14
BCD COUNTER &
DECODER DRIVER
圖 4.12.1

4-32 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
4.12.4 實 驗 步 驟
1. 依 圖 4.12.1 完 成 接 線 。
2. 調 整 電 位 計 P1 使 測 試 端 2 之 電 壓 為 4V。
3. 將 頻 率 計 連 接 至 測 試 端 14, 以 測 量 BCD 計 數 器 及 顯 示 驅 動 器 之 輸 入 信 號
頻 率 。
4. 調 整 可 調 電 阻 器 RV1( 在 背 面 ), 直 到 顯 示 器 所 顯 示 之 值 為 端 點 14 所 測 量 頻
率 乘 以 1.66 為 止 。
4.12.5 問 題 與 討 論

第 四 章 特 性 實 驗 4-33
4.13 頻 率 / 電 壓 轉 換 器 動 作 之 檢 查
4.13.1 目 的
瞭 解 頻 率 / 電 壓 轉 換 器 之 特 性
4.13.1 儀 器 設 備 需 求
1. 液 位 與 流 量 感 測 器 與 控 制 模 組 (G30A+TY30) × 1
2. 電 源 供 應 器 (±12V, +5V) × 1
3. 訊 號 產 生 器 × 1
4. 示 波 器 × 1
5. 直 流 電 壓 表 × 1
4.13.3 接 線 圖
SIGNAL
GENERATOR
GENERAOR
20
F/V CONVERTER
OUT
22
圖 4.13.1

4-34 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
4.13.4 實 驗 步 驟
1. 依 圖 4.13.1 完 成 接 線
2. 調 整 信 號 產 生 器 之 輸 出 信 號 頻 率 為 10Hz, 振 幅 為 0~5V 之 方 波 , 然 後 輸 入
測 試 端 21。
3. 用 示 波 器 檢 查 測 試 端 21 之 波 形 。
4. 用 電 壓 表 測 量 測 試 端 22 之 電 壓 。
5. 將 測 量 所 得 之 值 填 入 表 4.13.1 中 。
輸 入 頻 率 (Hz)
輸 出 電 壓 (V)
5
10
15
20
25
30
表 4.13.1
6. 依 表 4.13.1 中 所 示 之 頻 率 值 , 重 複 上 述 實 驗 , 測 量 每 一 頻 率 之 相 對 應 電 壓
值 。
7. 將 所 得 之 測 量 值 標 示 於 圖 4.13.2 之 座 標 圖 中 , 畫 出 其 特 性 曲 線 。

第 四 章 特 性 實 驗 4-35
8. 計 算 轉 換 器 之 比 例 常 數 。
V
8
7
6
5
4
3
2
1
5
10 15 20 25 30
Hz
圖 4.13.2
4.13.5 問 題 與 討 論

4-36 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
4.14 以 類 比 輸 出 分 析 流 量 率 感 測 器
4.14.1 目 的
瞭 解 流 量 率 與 類 比 輸 出 之 關 係 。
4.14.2 儀 器 設 備 需 求
1. 液 位 與 流 量 率 感 測 器 及 控 制 模 組 (G30A+TY30) × 1
2. 電 源 供 應 器 (±12V, +5V) × 1
3. 直 流 電 壓 表 × 1
4.14.3 接 線 圖
FLOWRATE
SIGNAL CONDITIONER
OUT
F/V CONVERTER
19 20 22
圖 4.14.1

第 四 章 特 性 實 驗 4-37
4.14.4 實 驗 步 驟
1. 依 圖 4.14.1 完 成 接 線 。
2. 開 關 I3 切 至 " 頻 率 " 之 位 置 。
3. 打 開 排 水 閥 及 節 流 閥 。
4. 電 壓 表 連 接 至 端 點 22。
5. 將 開 關 I4 ON。
6. 調 整 節 流 閥 , 使 顯 示 器 顯 示 0.5l/min 之 流 量 。
7. 關 閉 排 水 閥 。
8. 當 液 位 上 升 至 某 一 液 位 時 , 則 開 始 計 時 。
9. 液 位 一 直 上 升 至 某 一 較 高 的 高 度 時 , 停 止 計 時 。
10. 觀 察 端 點 22 之 電 壓 , 填 入 表 4.14.1 中 。
流 量 (l/min)
輸 出 電 壓 (V)
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
表 4.14.1
11. 計 算 所 測 得 之 流 量 。
12. 依 表 4.14.1 中 所 示 之 流 量 , 設 定 流 量 , 重 複 上 述 之 量 測 。

4-38 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
13. 將 表 4.14.1 中 所 獲 得 之 測 量 值 標 示 於 圖 4.14.2 之 座 標 中 , 畫 出 特 性 曲 線 。
14. 觀 察 感 測 器 之 線 性 度 。
V
8
7
6
5
4
3
2
1
5
10 15 20 25 30
FLOW
l/min
圖 4.14.2
4.14.5 問 題 與 討 論

第 四 章 特 性 實 驗 4-39
4.15 容 積 轉 換 器 之 特 性 曲 線 實 驗
4.15.1 目 的
瞭 解 以 流 量 感 測 器 做 為 容 積 感 測 器 之 線 性 度 及 比 例 因 數 。
4.15.2 儀 器 設 備 需 求
1. 液 位 與 流 量 感 測 器 與 控 制 模 組 (G30A+ TY30) × 1
2. 電 源 供 應 器 (±12V,+5V)
4.15.3 接 線 圖
FLOWRATE
SIGNAL CONDITIONER
19
14
BCD COUNTER &
DECODER DRIVER
圖 4.15.1

4-40 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
4.15.4 實 驗 步 驟
1. 依 圖 4.15.1 完 成 接 線 。
2. 使 容 器 內 之 液 位 為 最 低 。
3. 開 關 I3 切 至 " 頻 率 " 之 位 置 。
4. 開 關 I4 OFF, 將 節 流 閥 關 小 。
5. 將 開 關 I4 ON, 啟 動 幫 浦 。
6. 當 液 位 達 到 0 時 , 將 開 關 I3 切 至 " 計 數 器 " 之 位 置 , 使 計 數 器 啟 動 。
7. 當 液 位 達 到 50mm 時 , 讀 取 顯 示 器 所 顯 示 之 值 , 並 填 入 表 4.15.1 中 。
液 位 (mm)
計 數 器 顯 示 值
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
表 4.15.1
8. 容 器 內 之 液 位 達 到 如 表 4.15.1 中 所 示 之 高 度 時 , 即 讀 取 其 數 值 , 填 入 表 內 。
9. 當 液 位 達 到 500mm 時 , 將 I4 OFF。

第 四 章 特 性 實 驗 4-41
10. 將 表 4.15.1 中 所 獲 得 的 測 量 值 標 示 於 圖 4.15.2 之 座 標 圖 上 , 畫 出 特 性 曲
線 , 分 析 感 測 器 之 線 性 度 。
DISPLAY
INDICATION
500
400
300
200
100
50 100
150
200
250 300
350 400 450 500 mm
LEVEL
圖 4.15.2
11. 由 所 測 量 之 總 脈 波 數 除 以 液 體 之 體 積 , 計 算 感 測 器 信 號 處 理 電 路 顯 示 器 之
比 例 常 數 。
4.15.5 問 題 與 討 論

4-42 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
4.16 流 量 與 容 積 之 關 係
4.16.1 目 的
瞭 解 流 量 與 容 積 間 之 關 係
4.16.2 儀 器 設 備 需 求
1. 液 位 與 流 量 感 測 器 與 控 制 模 組 (G30A+ TY30) × 1
2. 電 源 供 應 器 (±12V,+5V)
3. 馬 錶 × 1
4.16.3 接 線 圖
FLOWRATE
SIGNAL CONDITIONER
19
14
BCD COUNTER &
DECODER DRIVER
圖 4.16.1

第 四 章 特 性 實 驗 4-43
4.16.4 實 驗 步 驟
1. 依 圖 4.16.1 完 成 接 線 。
2. 將 馬 錶 及 計 數 器 歸 零 ( 將 開 關 I3 ON/OFF 切 換 )。
3. 把 開 關 I3 切 至 〝 計 數 器 〞。
4. 設 定 H1 及 H2 之 高 度 。
5. 調 節 排 水 閥 將 液 位 調 至 比 H1 低 之 位 置 , 然 後 關 閉 。
6. 啟 動 幫 浦 。
7. 當 液 位 達 到 H1 時 , 連 接 端 點 17 及 14, 並 開 始 計 時 。
8. 當 液 位 達 到 H2 時 , 中 斷 端 點 17 及 14 之 接 線 , 並 開 始 計 時 。
9. 觀 察 計 數 器 之 值 (ND), 和 所 使 用 之 時 間 (t)。
10. 用 所 獲 得 之 容 積 及 所 使 用 之 時 間 計 算 流 量 。
11. 將 測 量 所 測 得 之 脈 波 數 及 流 量 填 入 表 4.16.1 中 。
容 積
時 間
(S)
計 數 器
計 算 值 之 流 量
(l/min)
表 4.16.1
12. 停 止 幫 浦 及 打 開 排 水 閥 使 液 位 低 於 H1。
13. 調 整 節 流 閥 , 改 變 流 量 重 複 上 述 之 實 驗 。
14. 在 流 量 不 同 液 位 重 複 上 述 實 驗 。

4-44 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
15. 將 所 獲 得 之 測 量 值 標 示 於 圖 4.16.2 中 , 畫 出 特 性 曲 線 。
VOLUME
LITERS
0
FLOW
l/min
圖 4.16.2
4.16.5 問 題 與 討 論

第 四 章 特 性 實 驗 4-45
4.17 比 例 控 制 器 輸 出 電 壓 波 形 及 比 例 常 數 之 量 測
4.17.1 目 的
瞭 解 比 例 控 制 器 之 特 性 。
4.17.2 儀 器 設 備 需 求
1. 液 位 與 流 量 控 制 器 (G30B) × 1
2. 電 源 供 應 器 (±12V) × 1
3. 雙 軌 示 波 器 × 1
4. 信 號 產 生 器 × 1
4.17.3 接 線 圖
PROPORTIONAL ACTION
5
R5
10K
R7
10K
P2 1M
13 R1
12
IC3B
LF347
14
6 7
10K
2
3
R4
10K
IC1
741
6
12
圖 4.17.1

4-46 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
4.17.4 實 驗 步 驟
1. 依 圖 4.17.1 接 妥 線 路 及 所 需 電 源 。
2. 在 測 試 端 5 和 地 之 間 輸 入 一 個 100Hz、 振 幅 100mV 之 方 波 信 號 。
3. 連 接 示 波 器 其 中 一 支 探 棒 至 測 試 端 5 測 量 輸 入 信 號 。
4. 連 接 示 波 器 另 一 支 探 棒 至 測 試 端 12 測 量 輸 出 信 號 。
5. 調 整 比 例 控 制 器 之 電 位 計 旋 鈕 , 設 定 放 大 器 IC3 之 增 益 為 最 小 值 。
6. 比 較 輸 入 和 輸 出 電 壓 之 波 形 。
7. 計 算 輸 入 和 輸 出 信 號 間 之 偏 移 。
8. 計 算 比 例 控 制 器 之 比 例 常 數 Kp( 輸 出 和 輸 入 電 壓 之 比 值 )。
9. 調 整 比 例 電 位 計 改 變 放 大 器 之 放 大 率 , 觀 察 輸 出 電 壓 及 Kp 值 之 變 化 。
10. 將 輸 入 信 號 改 為 弦 波 及 三 角 波 觀 察 輸 出 信 號 之 響 應 。
4.17.5 問 題 與 討 論

第 四 章 特 性 實 驗 4-47
4.18 積 分 控 制 器 輸 出 電 壓 波 形 及 時 間 常 數
4.18.1 目 的
瞭 解 積 分 控 制 器 之 特 性 。
4.18.2 儀 器 設 備 需 求
1. 液 位 與 流 量 控 制 器 (G30B) × 1
2. 電 源 供 應 器 (±12V) × 1
3. 雙 軌 示 波 器 × 1
4. 信 號 產 生 器 × 1
4.18.3 接 線 圖
INTEGRATIVE ACTION
D1 1N914
5
P1
100K
R6
47K
3
C1 100μ
2 R2
10K
IC3C
LF347
1
8 9
2
3
IC4
741
R4
10K
6
12
圖 4.18.1

4-48 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
4.18.4 實 驗 步 驟
1. 依 圖 4.18.1 接 妥 線 路 及 所 需 電 源 。
2. 在 測 試 端 5 和 地 之 間 輸 入 一 個 100Hz、 振 幅 2V 之 方 波 信 號 。
3. 連 接 示 波 器 其 中 一 支 探 棒 至 測 試 端 5 測 量 輸 入 信 號 。
4. 連 接 示 波 器 另 一 支 探 棒 至 測 試 端 12 測 量 輸 出 信 號 。
5. 調 整 積 分 控 制 器 之 電 位 計 , 設 定 積 分 器 之 時 間 常 數 為 最 小 值 。
6. 觀 察 輸 出 波 形 對 輸 入 信 號 之 響 應 。
7. 從 圖 4.18.1 電 路 中 , 計 算 積 分 器 時 間 常 數 τ I 之 理 論 值 。
8. 從 示 波 器 中 , 計 算 積 分 器 之 時 間 常 數 τ I 。
9. 調 整 積 分 器 之 電 位 計 改 變 時 間 常 數 , 觀 察 輸 出 電 壓 及 τ I 之 變 化 。
10. 將 輸 入 改 為 100Hz, 振 幅 2Vpp 之 弦 波 信 號 。
11. 調 整 積 分 電 位 計 , 觀 察 輸 出 信 號 及 時 間 常 數 之 改 變 。
4.18.5 問 題 與 討 論

第 四 章 特 性 實 驗 4-49
4.19 微 分 控 制 器 輸 出 電 壓 波 形 及 時 間 常 數 之 量 測
4.19.1 目 的
瞭 解 微 分 控 制 器 之 特 性 。
4.19.2 儀 器 設 備 需 求
1. 液 位 與 流 量 控 制 器 (G30B) × 1
2. 電 源 供 應 器 (±12V) × 2
3. 雙 軌 示 波 器 × 1
4. 信 號 產 生 器 × 1
4.19.3 接 線 圖
DERIVATIVE ACTION
5
9
10
IC3A
LF347
8
C1
1µ
R8
1K
P4
6 R3
220K
10K
5
IC3D
7
10 11
2
3
R4
10K
IC4
741
6
12
圖 4.19.1

4-50 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
4.19.4 實 驗 步 驟
1. 依 圖 4.19.1 接 妥 線 路 及 所 需 電 源 。
2. 在 測 試 端 5 和 地 之 間 輸 入 一 個 100Hz、 振 幅 0.5V 之 三 角 波 信 號 。
3. 連 接 示 波 器 其 中 一 支 探 棒 至 測 試 端 5 測 量 輸 入 信 號 。
4. 連 接 示 波 器 另 一 支 探 棒 至 測 試 端 12 測 量 輸 出 信 號 。
5. 調 整 微 分 器 之 電 位 計 , 設 定 常 數 為 最 小 值 。
6. 比 較 輸 出 與 輸 入 電 壓 波 形 , 並 解 釋 其 現 象 。
7. 從 圖 4.19.1 電 路 中 , 計 算 微 分 時 間 常 數 τ D 之 理 論 值 。
8. 從 示 波 器 中 , 計 算 控 制 器 之 微 分 時 間 常 數 。
9. 調 整 積 分 器 之 電 位 計 , 計 算 時 間 常 數 , 觀 察 輸 出 電 壓 及 τ D 之 變 化 。
10. 將 輸 入 改 為 100Hz, 振 幅 2Vpp 之 弦 波 信 號 。
11. 調 整 微 分 電 位 計 , 觀 察 輸 出 信 號 及 時 間 常 數 之 改 變 。
4.18.5 問 題 與 討 論

第 四 章 特 性 實 驗 4-51
4.20 比 例 - 積 分 控 制 器 輸 出 電 壓 波 形 之 量 測
4.20.1 目 的
瞭 解 比 例 - 積 分 控 制 器 之 特 性 。
4.20.2 儀 器 設 備 需 求
1. 液 位 與 流 量 控 制 器 (G30B) × 1
2. 電 源 供 應 器 (±12V) × 1
3. 雙 軌 示 波 器 × 1
4. 信 號 產 生 器 × 1
4.20.3 接 線 圖
5
PROPORTIONAL
ACTION
6 7
R1
R4
INTEGRATIVE
ACTION
8 9
R2
2
3
IC4
6
12
圖 4.20.1

4-52 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
4.20.4 實 驗 步 驟
1. 依 圖 4.20.1 接 妥 線 路 及 所 需 電 源 。
2. 在 測 試 端 5 輸 入 一 個 50Hz、 振 幅 2V 之 方 波 信 號 。
3. 連 接 示 波 器 其 中 一 支 探 棒 至 測 試 端 5 測 量 輸 入 信 號 。
4. 連 接 示 波 器 另 一 支 探 棒 至 測 試 端 12 測 量 輸 出 信 號 。
5. 調 整 比 例 及 積 分 器 之 電 位 計 , 設 定 K P 及 K I 為 最 小 值 。
6. 觀 察 輸 出 與 輸 入 電 壓 之 波 形 。
7. 將 K P 及 K I 值 由 最 小 值 逐 漸 增 至 最 大 值 , 觀 察 輸 出 電 壓 之 變 化 。
8. 改 變 輸 入 電 壓 之 頻 率 , 觀 察 輸 出 電 壓 之 變 化 。
4.20.5 問 題 與 討 論

第 四 章 特 性 實 驗 4-53
4.21 PID 控 制 器 輸 出 電 壓 波 形 之 量 測
4.21.1 目 的
瞭 解 PID 控 制 器 之 特 性 。
4.21.2 儀 器 設 備 需 求
1. 液 位 與 流 量 控 制 器 (G30B) × 1
2. 電 源 供 應 器 (±12V) × 1
3. 雙 軌 示 波 器 × 1
4. 信 號 產 生 器 × 1
4.21.3 接 線 圖
PROPORTIONAL
ACTION
6 7
R1
R4
5
INTEGRATIVE
ACTION
8 9
R2
2
3
6
12
DERIVATIVE
ACTION
10 11
R3
圖 4.21.1

4-54 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
4.21.4 實 驗 步 驟
1. 依 圖 4.21.1 接 妥 線 路 及 所 需 電 源 。
2. 在 測 試 端 5 輸 入 一 個 50Hz、 振 幅 2V 之 方 波 信 號 。
3. 連 接 示 波 器 之 探 棒 至 測 試 端 5 測 量 輸 入 信 號 。
4. 連 接 示 波 器 另 一 支 探 棒 至 測 試 端 12 測 量 輸 出 信 號 。
5. 調 整 電 位 計 , 將 K P 、 及 K I 、 K D 值 設 定 於 最 小 值 。
6. 觀 察 輸 出 與 輸 入 電 壓 之 波 形 。
7. 將 K P 、K I 及 K D 值 分 別 從 最 小 值 逐 漸 增 至 最 大 值 , 觀 察 輸 出 電 壓 波 形 之 變 化 。
8. 改 變 輸 入 信 號 之 頻 率 , 觀 察 輸 出 信 號 之 變 化 。
9. 改 變 K P 、 K I 及 K D 值 , 觀 察 輸 出 信 號 之 變 化 。
4.21.5 問 題 與 討 論

第 四 章 特 性 實 驗 4-55
4.22 閉 迴 路 液 位 自 動 控 制 實 驗
4.22.1 目 的
瞭 解 閉 迴 路 液 位 自 動 控 制 系 統 之 特 性 。
4.22.2 儀 器 設 備 需 求
1. 液 位 與 流 量 轉 換 器 及 控 制 模 組 (G30A+TY30) × 1
2. 液 位 與 流 量 控 制 器 (G30B) × 1
3. 電 源 供 應 器 (±12V, +5V) × 1
4. 三 用 電 表 × 1
4.22.3 接 線 圖
圖 4.22.1

4-56 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
4.22.4 實 驗 步 驟
1. 依 圖 4.22.1 接 妥 線 路 及 所 需 電 源 。
2. 將 TY30 之 排 水 閥 打 開 一 半 , 流 量 節 流 閥 全 開 。
3. 開 關 I1 切 至 "LEVEL" 位 置 。
4. 比 例 、 積 分 和 微 分 之 電 位 計 均 調 至 一 半 之 位 置 。
5. 調 整 G30B 模 組 上 之 設 定 點 和 誤 差 放 大 器 之 旋 鈕 , 設 定 測 試 端 2 之 電 壓 為
0V, 觀 察 G30A 模 組 上 之 顯 示 值 。
6. 依 表 4.22.1 中 之 電 壓 逐 一 設 定 其 電 壓 , 測 量 液 位 填 入 表 中 。
端 點 2 之 電 壓 (V)
液 位 (mm)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
表 4.22.1
7. 再 將 設 定 電 壓 調 為 0V。
8. 將 排 水 閥 再 多 打 開 一 點 , 改 變 控 制 條 件 。
9. 再 依 表 4.22.1 中 之 電 壓 重 複 上 述 之 實 驗 , 並 記 錄 之 。

第 四 章 特 性 實 驗 4-57
10. 畫 出 如 圖 4.22.2 之 座 標 圖 , 將 兩 種 狀 態 所 測 量 之 值 標 示 於 圖 上 , 畫 出 其 特
性 曲 線 。
11. 比 較 此 兩 條 特 性 曲 線 。
液 位
圖 4.22.2
設 定 電 壓
4.22.5 問 題 與 討 論

4-58 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
4.23 閉 迴 路 流 量 率 自 動 控 制 實 驗
4.23.1 目 的
瞭 解 閉 迴 路 流 量 率 自 動 控 制 系 統 之 特 性 。
4.23.2 儀 器 設 備 需 求
1. 液 位 與 流 量 轉 換 器 及 控 制 模 組 (G30A+TY30) × 1
2. 液 位 與 流 量 控 制 器 (G30B) × 1
3. 電 源 供 應 器 (±12V, +5V) × 1
4. 三 用 電 表 × 1
4.23.3 接 線 圖
圖 4.23.1

第 四 章 特 性 實 驗 4-59
4.23.4 實 驗 步 驟
1. 依 圖 4.23.1 接 妥 線 路 及 所 需 電 源 。
2. 開 關 I1 切 至 "FLOWRATE" 之 位 置 。
3. 打 開 排 水 閥 V1 及 節 流 閥 V2。
4. 將 PID 控 制 器 之 比 例 、 積 分 及 微 分 電 位 計 均 轉 至 一 半 之 位 置 。
5. 調 整 模 組 G30B 上 之 設 定 點 電 壓 調 為 0V, 量 測 測 試 端 4, 然 後 讀 取 模 組
G30A 所 顯 示 之 流 量 值 , 紀 錄 於 表 4.23.1。
6. 依 表 4.23.1 中 所 示 設 定 電 壓 值 , 重 覆 上 述 之 測 量 。
設 定 點 電 壓 (V)
誤 差 放 大 器 之 輸 出 (V)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
表 4.23.1

4-60 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統
7. 再 將 設 定 點 調 回 0V。
8. 稍 微 將 節 流 閥 V2 關 小 , 改 變 操 作 狀 態 。
9. 再 依 表 4.23.2 中 之 設 定 電 壓 , 測 量 其 流 量 。
設 定 點 電 壓 (V)
流 量 顯 示 值 (1/min)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
表 4.23.2
10. 畫 出 如 圖 4.23.2 所 示 之 座 標 圖 , 將 所 測 量 之 值 標 示 於 圖 上 , 畫 出 其 特 性 曲
線 。

第 四 章 特 性 實 驗 4-61
圖 4.23.2
11. 比 較 這 兩 種 不 同 情 況 之 測 量 值 。
4.23.5 問 題 與 討 論

4-62 液 位 與 流 量 率 感 測 器 與 控 制 實 驗 系 統