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Beedy Academy · Calcolatori

Calcolatori per strumentazione e regolazione PID

Segnali 4–20 mA, portata e livello da pressione differenziale, sonde Pt100, valvole di regolazione e taratura PID: 18 calcoli con formula ed esercizi.

Segnali e misura

Segnale 4–20 mA → valore ingegneristico

Formula% = (I − 4) ÷ 16 × 100  ·  PV = LRV + % ÷ 100 × (URV − LRV)
mA
Percentuale del campo—%
Valore di processo (PV)—

PV è nelle stesse unità di LRV e URV. Sotto 3,8 mA o sopra 20,5 mA il segnale è fuori campo; sotto 3,6 mA o sopra 21 mA è un segnale di guasto (NAMUR NE 43).

Valore ingegneristico → segnale 4–20 mA

Formula% = (PV − LRV) ÷ (URV − LRV) × 100  ·  I = 4 + 16 × % ÷ 100
Percentuale del campo—%
Segnale atteso (I)—mA

Utile per verificare un trasmettitore o simulare un valore col calibratore: iniettare questa corrente e confrontare con la visualizzazione del sistema di controllo.

Portata da pressione differenziale (radice quadrata)

FormulaQ = Qmax × √(ΔP ÷ ΔPmax)  ·  I = 4 + 16 × ΔP ÷ ΔPmax
kPa
m³/h
kPa
Portata (Q)—m³/h
Portata in % del campo—%
Segnale senza estrazione (lineare in ΔP)—mA
Segnale con estrazione di radice—mA

Estrarre la radice una sola volta: nel trasmettitore o nel sistema di controllo, mai in entrambi. Sotto il 5–10 % di portata la misura è instabile; si usa un taglio di bassa portata.

Livello da pressione differenziale

Formulah = (ΔP − ΔP₀) ÷ (ρ × g)  ·  URV = ΔP₀ + ρ × g × hmax
kPa
kg/m³
kPa
m
Livello sopra la presa inferiore (h)—m
Percentuale del campo—%
URV da impostare nel trasmettitore—kPa

ΔP₀ positivo: soppressione dello zero (trasmettitore sotto la presa inferiore); negativo: elevazione dello zero (gamba umida sul lato bassa pressione). Il campo va da ΔP₀ (LRV) all'URV calcolato. g = 9,80665 m/s².

Termoresistenza Pt100 / Pt1000: resistenza ↔ temperatura

FormulaR = R₀ × (1 + A × T + B × T²)  ·  A = 3,9083×10⁻³  ·  B = −5,775×10⁻⁷  (IEC 60751, T ≥ 0 °C)
°C
Ω
Resistenza alla temperatura T—Ω
Temperatura per la resistenza R—°C

Coefficienti della norma IEC 60751 (α = 0,00385), validi da 0 a 850 °C. Sotto 0 °C si aggiunge un termine C: usare la tabella della norma. Misurare a 3 o 4 fili per annullare i cavi.

Accuratezza dello strumento: % del campo o % della lettura

Formulaes = as ÷ 100 × (URV − LRV)  ·  er = ar ÷ 100 × PV
%
%
Errore possibile, spec. in % del campo (±)—
Stesso errore in % della lettura (±)—%
Errore possibile, spec. in % della lettura (±)—

Un'accuratezza in % del campo pesa molto in basso: al 10 % del campo, ±0,25 % del campo diventa ±2,5 % della lettura. Scegliere un campo vicino a quello di esercizio.

Portata e valvole di regolazione

Coefficiente di efflusso Cv / Kv (liquido)

FormulaKv = Q × √(SG ÷ ΔP)  ·  Cv = Kv ÷ 0,865
m³/h
bar
Kv richiesto—m³/h
Cv richiesto—
Portata (Q)—US gpm

IEC 60534-2-1: liquido in moto turbolento, senza flashing né cavitazione, senza riduzioni (Fp = 1). Scegliere una valvola che lavori tra il 20 e l'80 % di apertura.

Conversione Kv ↔ Cv

FormulaCv = Kv ÷ 0,865  ·  Kv = 0,865 × Cv
m³/h
Cv equivalente al Kv—
Kv equivalente al Cv—m³/h

Kv: portata d'acqua in m³/h con 1 bar di ΔP. Cv: portata d'acqua in galloni US al minuto con 1 psi di ΔP. Le schede nordamericane riportano soprattutto il Cv.

Portata di una valvola con una nuova ΔP

FormulaQ = 0,865 × Cv × √(ΔP ÷ SG)  ·  Q₂ ÷ Q₁ = √(ΔP₂ ÷ ΔP₁)
bar
bar
Portata con ΔP₁ (Q₁)—m³/h
Portata con ΔP₂ (Q₂)—m³/h
Q₂ in % di Q₁—%

Stessa apertura della valvola. In esercizio la ΔP della valvola cala quando la portata sale (curva della pompa, perdite di linea): per questo la caratteristica installata differisce da quella intrinseca.

Diaframma: portata con una nuova ΔP

FormulaQ₂ = Q₁ × √(ΔP₂ ÷ ΔP₁) × √(ρ₁ ÷ ρ₂)
m³/h
kPa
kPa
kg/m³
kg/m³
Nuova portata (Q₂)—m³/h
Variazione di portata—%

Stesso diaframma, stesso coefficiente di efflusso (numero di Reynolds abbastanza alto). Portata volumetrica. Se la densità reale differisce da quella di progetto, la portata indicata è sbagliata del fattore √(ρ₁/ρ₂).

Taratura PID

Ziegler–Nichols ad anello chiuso (Ku, Pu)

FormulaP: Kc = 0,5 Ku  ·  PI: Kc = 0,45 Ku, Ti = Pu ÷ 1,2  ·  PID: Kc = 0,6 Ku, Ti = Pu ÷ 2, Td = Pu ÷ 8
min
Guadagno del regolatore (Kc) — solo P—
Guadagno del regolatore (Kc) — PI—
Tempo integrale (Ti) — PI—min
Guadagno del regolatore (Kc) — PID—
Tempo integrale (Ti) — PID—min
Tempo derivativo (Td) — PID—min

Ku: guadagno che dà un'oscillazione persistente in solo P; Pu: periodo di tale oscillazione. Taratura aggressiva (smorzamento ~1/4): partire da qui e ridurre Kc se l'anello oscilla. Kc come guadagno, non come banda proporzionale.

Ziegler–Nichols ad anello aperto (curva di reazione)

FormulaPI: Kc = 0,9 τ ÷ (Kp θ), Ti = θ ÷ 0,3  ·  PID: Kc = 1,2 τ ÷ (Kp θ), Ti = 2 θ, Td = 0,5 θ
%/%
min
min
Guadagno del regolatore (Kc) — PI—
Tempo integrale (Ti) — PI—min
Guadagno del regolatore (Kc) — PID—
Tempo integrale (Ti) — PID—min
Tempo derivativo (Td) — PID—min

In manuale, dare un gradino all'uscita (5–10 %); leggere Kp = ΔPV % ÷ ΔOP %, il tempo morto θ e la costante di tempo τ (63 % della risposta). Valido per circa 0,1 ≤ θ/τ ≤ 1.

Cohen–Coon (PI e PID)

Formular = θ ÷ τ  ·  PI: Kc = τ ÷ (Kp θ) × (0,9 + r ÷ 12), Ti = θ (30 + 3r) ÷ (9 + 20r)  ·  PID: Kc = τ ÷ (Kp θ) × (4/3 + r ÷ 4), Ti = θ (32 + 6r) ÷ (13 + 8r), Td = 4θ ÷ (11 + 2r)
%/%
min
min
Guadagno del regolatore (Kc) — PI—
Tempo integrale (Ti) — PI—min
Guadagno del regolatore (Kc) — PID—
Tempo integrale (Ti) — PID—min
Tempo derivativo (Td) — PID—min

Stessa prova della curva di reazione. Cohen–Coon gestisce meglio un tempo morto elevato ma resta aggressivo: su un anello reale si riduce spesso Kc del 25–50 %.

Taratura lambda (IMC), processo autoregolante

FormulaKc = τ ÷ (Kp × (λ + θ))  ·  Ti = τ
%/%
min
min
min
Guadagno del regolatore (Kc)—
Tempo integrale (Ti)—min
Banda proporzionale (BP)—%

Regolatore PI in forma standard (ISA). λ da 1 a 3 × τ dà un anello morbido e robusto (mantenere λ ≥ θ). Più λ è grande, più l'anello è lento e tollera errori di modello.

Parametri dell'anello

Guadagno ↔ banda proporzionale

FormulaBP = 100 ÷ Kc  ·  Kc = 100 ÷ BP
%
Banda proporzionale equivalente al guadagno—%
Guadagno equivalente alla banda—

BP = campo di errore, in % del campo, che fa variare l'uscita del 100 %. Guadagno alto = BP stretta. Verificare quale termine usa il sistema di controllo prima di inserire una taratura.

Azione integrale: min/ripetizione ↔ ripetizioni/min

Formularipetizioni/min = 1 ÷ Ti  ·  Ti (s) = 60 × Ti  ·  Ki = Kc ÷ Ti
min/ripetizione
Azione integrale—ripetizioni/min
Tempo integrale in secondi—s
Guadagno integrale (Ki)—min⁻¹

Alcuni regolatori impostano l'integrale in min/ripetizione (Ti): un valore maggiore la rallenta. Altri in ripetizioni/min (1/Ti): un valore maggiore la accelera. Mai ricopiare il numero senza convertire.

Errore a regime con solo azione P

Formulaess = ΔSP ÷ (1 + Kc × Kp)
%
%/%
Errore a regime (ess)—%
Quota della variazione realmente raggiunta—%

Processo autoregolante, ΔSP in % del campo. Aumentare Kc riduce l'errore ma avvicina l'anello all'instabilità; l'azione integrale lo elimina. Anche un disturbo di carico lascia un errore con solo P.

Filtro del primo ordine: risposta dopo t

Formulay = y₀ + (y₁ − y₀) × (1 − e−t/τ)  ·  t₉₈ = τ × ln 50
s
s
Quota del gradino raggiunta—%
Valore filtrato a t—
Tempo per raggiungere il 98 %—s

Un filtro attenua il rumore ma aggiunge ritardo all'anello: tenere τ del filtro ben sotto la costante di tempo del processo (spesso meno di 1/10). Stessa risposta per una sonda in pozzetto.

Strumenti di apprendimento e verifica. Gli intervalli indicati sono riferimenti generali: seguite sempre le procedure, le autorizzazioni e le consegne del vostro impianto. Non viene inviato nulla: i calcoli avvengono nel browser.