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仪表基础知识2


仪表基础知识

仪电项目部仪控科 电项目部仪控科 2011 2011年6月25
兖矿新疆煤化工有限公司仪控科内部培 训资料





一、化工自动化意义及目的 意义 化工生产过程自动化: 化工生产过程自动化:在化工设备、装置及管道上,配置一些自动化装置, 替代操作工人的部分直接劳动,使生产在不同程度上自动地进行。这种 部分地或全部地用自动化装置来管理化工生产过程的办法,称为化工生 产过程自动化,简称为化工自动化。 目的 (1)加快生产速度、降低生产成本、提高产品产量和质量。 (2)减轻劳动强度、改善劳动条件。 (3)保证生产、人生安全,防止事故发生或扩大,延长设备使用寿命、提 高设备利用率。 (4)改变劳动方式,提高工人文化技术水平,适应当代信息技术革命和信 息产业革命需要。

二、化工自动化的发展概况 初级阶段: 初级阶段: 应用一些自动检测仪表监视生产,利用手工操作 手工操作,工人 手工操作 根据反映主要工艺参数的仪表指示情况人工地改变操作条件, 生产过程单凭经验进行。对于连续生产的化工厂,在进出物 料彼此联系中装设了大的贮槽,可以克服干扰影响及稳定生 产,但是生产效率低,设备投资大。 50~60年代 50~60年代: 年代: 开发化工生产各个操作单元,向着大规模、高效率、连 续生产、综合利用方向发展。实际生产中应用的自动控制系 统主要是压力、流量、液位和温度四大参数的简单控制。串 级、比值、多冲量等复杂控制系统也得到一定程度发展。自 动化技术工具主要是基地式电动、气动仪表及膜片式的单元 组合仪表。此时期由于对化工对象动态特性了解不够深入, 因此,半经验、半理论的设计准则和整定公式,在自动控制 系统设计和参数整定中起相当重要作用。

70年代: 年代: 年代 自动化技术工具方面,气动2型和电动2型单元组合式 仪表刚投入生产不久,气动3型和电动3型单元组合式仪表 相继问世,进一步发展到具有多功能的组装仪表、智能式 仪表,为实现各种特殊控制规律提供了条件。新型智能传 感器和控制仪表的问世使仪表与计算机之间的直接联系极 为方便。而且,电子计算机的作用也越来越大。 化工生产过程自动化是一门综合性技术学科,利用自 动控制学科、仪器仪表学科几计算机学科的理论与技术服 务于化学工程学科。随着现代科学技术的进步,本学科将 不断发展并日益被人们所重视。在化工生产过程中,由于 实现了自动化,人们通过自动化装置来管理生产,自动化 装置与工艺及设备已结合成为有机的整体。因此,越来越 多的工艺技术人员认识到:学习仪表及自动化方面的知识, 对于管理与开发现代化化工生产过程是十分必要的。

三、化工仪表及自动化系统的分类
化工生产过程中需要测量和控制的参数是多种 多样的,主要的有热工量(压力、流量、液位、温 度等)和成分(或物性)量。所以化工自动化仪表 按功能不同,大致分为五类: 检测仪表(各种参数的测量和变送); 检测仪表 分析仪表 (成分或物性量) 显示仪表(模拟量显示和数字量显示); 显示仪表 控制仪表(气动、电动控制仪表及数字式控制器); 控制仪表 执 行 器(气动、电动、液动等执行器)。 利用上述各类仪表,可以构成自动检测、自动 操纵、自动保护和自动控制这样四种自动化系统, 他们的作用如下:

自动检测系统 利用各种仪表对生产过程中主要工艺参数进行测量、 指示或记录的,称为自动检测系统。它代替了操作人员对 工艺参数的不断观察与记录,因此起到对过程信息的获取 与记录作用。这在生产过程自动化中是最基本的也是十分 重要的内容。 自动检测系统中主要的自动化装置是敏感元件、 传感 敏感元件、 敏感元件 器和显示仪表。 器和显示仪表 敏感元件也称检测元件,作用是对被测变量作出响应, 敏感元件 把它转换成适合测量的物理量。 传感器可以对检测元件输出的物理量信号作进一步信 传感器 号转换,当转换后的信号为标准的统一信号(如0~10mA、 4~20mA、0.02~0.1Mpa等)时,此时的传感器一般成为 变送器。 显示仪表的作用是将检测结果以指针位移、数字、图 显示仪表 象等形式准确地指示、记录或储存,使操作人员能正确了 解工艺操作情况和状态。

自动信号和联锁保护系统
生产过程中有时由于一些偶然因素的影响导致工艺参数超出允许 的变化范围而出现不正常情况时就有可能引起事故。为此,常对某些 关键性参数设有自动信号联锁保护装置。当工艺参数超过了允许范 围,在事故即将发生以前,信号系统就自动地发出声光信号警报,告 戒操作人员注意,并及时采取措施。 自动信号联锁保护电路按其主要构成元件的不同,可分为有触点 有触点 式和无触点式两类(有时可采用混合式)。 式和无触点式 有触点式电路是由各种继电器、按钮、开关等电器组成的继电线路, 有触点式电路 各种电器的触点开合完成电路的通断和切换。 无触点式电路利用由二极管、晶体管及集成电路等电子器件构成具有一 无触点式电路 定功能的电子线路,利用电子器件的导通或阻断特性来实现自动信号的 报警和联锁保护作用。

自动操纵及自动开停车系统 自动操纵系统可以根据预先规定的步骤自动地对生产设 自动操纵系统 备进行某种周期性操作。 自动开停车系统可以按照预先规定好的步骤,将生产过 自动开停车系统 程自动地投入运行或自动停车。 自动控制系统 生产过程中各种工艺条件不可能一成不变,特别是化工 生产,大多数是连续生产,各设备相互关联,当其中某一 设备工艺条件发生变化时,都可能引起其他设备中某些参 数的波动,偏离正常工艺条件。为此,需要用自动控制装 用自动控制装 置对生产中某些关键性参数进行自动控制, 置对生产中某些关键性参数进行自动控制,使它们在受到 外界干扰的影响而偏离正常状态时, 外界干扰的影响而偏离正常状态时,能自动地调回到规定 的数值范围内。 的数值范围内

自动检测系统只能完成“了解”生产过程进行情况的 自动检测系统 任务; 自动信号联锁保护系统只能在工艺条件进入某种极限状 自动信号联锁保护系统 态时采取安全措施以免发生生产事故; 自动操纵系统只能按照预先规定好的步骤进行某种周期 自动操纵系统 性操作; 只有自动控制系统才能自动地排除各种干扰因素对 工艺参数的影响,使它们始终保持在预先规定的数值上, 保证生产维持在正常或最佳的工艺操作状态。所以,自动 控制系统是自动化生产中的核心部分。

通过本门课程学习, 通过本门课程学习

应能了解主要工艺参数(温度、压力、流量及物位)的
测量方法及其仪表的工作原理及特点; 应能根据工艺要求正确地选用和使用常见的测量仪表及 控制仪表; 应能了解化工自动化的初步知识,理解基本控制规律, 能 懂得控制器参数是如何影响控制质量的; 应能根据工艺的需要和自控设计人员共同探讨和提出合 理的自动控制方案; 应能为自控设计提供正确的工艺条件和数据; 能 应能在生产开停车过程中初步掌握自动控制系统的投运 及控制器的参数整定。




仪表基础知识 仪表的选用与安装 执行器 自动控制系统 计算机控制系统

第一章 第二章 第三章 第四章 第五章

第一章 仪表基础知识
仪表基础(一)-----概念 仪表基础(二)-----温度检测仪表 仪表基础(三)-----压力检测仪表 仪表基础(四)-----流量检测仪表 仪表基础(五)-----物位检测仪表 仪表基础(六)-----分析检测仪表

仪表基础(一)

什么是测量仪表?
在化工生产过程中,为了有效地进行生产操作 和自动控制,需要对工艺生产中的一些主要参 数进行自动测量。用来测量这些参数的仪表称 为化工测量仪表。本篇在介绍有关测量和测量 仪表的基本知识的基础上,介绍有关压力、流 量、液位、温度等参数的测量方法及其相应的 测量仪表。

仪表基础(一)

仪表主要性能指标
误差 绝对误差=测量值-真值 相对误差=绝对误差/仪表示值 ×100% 引用误差=绝对误差/量程 ×100% 精确度(准确度) 精度 仪表基本误差的最大允许值 等级 ±1.5% 1.5级 复现性 稳定性

测量系统中的常见信号类型
仪表基础(一)

作用于测量装置输入端的被测信号,要转换成以下几 种便于传输 和显示的信号类型: 位移信号: 位移信号:是一种机械信号,包括直线位移和角位移。在 测量力、压力、质量、振动等物理量时,要先把它们转 换成位移量再处理。 压力信号: 压力信号:包括气压信号和液压信号,工业检测中主要应 用气压信 号。 电气信号: 电气信号:有电压信号、电流信号、阻抗信号和频率信号 等。传送快、滞后小、可远距离传递、便于和电子计算 机联接。 光信号: 光信号:包括光通量信号、干涉条纹信号、衍射条纹信号、 莫尔条纹信号等。可是连续得,也可是断续(脉冲)式 的。

仪表基础(一)

测量系统中信号的传递形式
从传递信号的连续性的观点来分,在检测系 统中传递信号的形式可以分为模拟 信号、数字信号和开关信号: 模拟信号: 模拟信号 : 在时间上是连续变化的,在任 何瞬时都可以确定其数值的信号。可以变换 为电信号,即是平滑地、连续地变化的电压 或电流信号。 例如:连续变化的温度信号可以利用热 例如 电偶转换为与之成比例的连续变化的电势信 号。

仪表基础(一)

数字信号:是一种以离散形式出现的不连续信号,通常用二进 数字信号: 制数“0”和“1”组合的代码序列来表示。数字信号变换成电 信号就是一连串的窄脉冲和高低电平交替变化的电压信号。 连续变化的工艺参数(模拟信号)可以通过数字式传感器 直接转换成数字信号。然而,大多数情况是首先把这些参数变 换成电形式的模拟信号,然后再利用模拟-数字(A/D)转换技 术把电模拟量转换成数字量。将一个模拟信号转换为数字信号 时,必须用一定的计量单位使连续参数整量化,即用最接近的 离散值(数字量)来近似表示连续量的大小。由于数字量只能 增大或减小一个单位,所以,计量单位越小,整量化所造成的 误差也就越小。

仪表基础(一)

开关信号: 开关信号:用两种状态或用两个数值范围表示 的不连续 信号。 例如:用水银触点温度计来检测温度的变化 例如 时,可利用水银触点的“断开”与“闭合”来 判断温度是否达到给定值。 在自动检测技术中,利用开关式传感器(如 干簧管、电触点式传感器)可以将模拟信号变 换成开关信号。

仪表基础(一)

仪表管道、流程图 (P&ID)

仪表基础(一)

仪表图形符号 检测点
一般是由工艺设备轮廓线或工艺管线引到仪表圆圈的连接线的起点

必要时也可以用象形或图形符号表示

连 线 通用的仪表信号线均以细实线表示

仪表基础(一)

图形符号 仪表的图形符号是一个细实线圆圈,直径约10mm

就地 安装 仪表

就地 安装 仪表 嵌在 管道 中

集中 仪表 盘面 安装 仪表

就地 仪表 盘面 安装 仪表

集中 仪表 盘后 安装 仪表

就地 仪表 盘后 安装 仪表

同一个检测点, 同一个检测点,有两个 或多个测量, 或多个测量,可用两个 或多个相切的圆表示

仪表基础(一) 仪表位号表示方法 F------流量 T------温度 (变送器) P------压力 A------分析 (报警) V------阀门 R------记录 I------显示 C------控制 H-------手动遥控 (高报) HH------高高报 H------手动遥控 (高报) L------液位 (低报)

仪表基础(一)

举例说明:
AT—1122 在线分析 FI—1122 流量指示 FT—1122 流量变送 FV—1122 流量调节阀 FIC—1122 流量指示、控制 FRC—1122 流量记录、控制 FRSA—1122 流量记录、联锁、报警 LIA—1122 液位指示、报警 HV—1122 遥控阀 XV—1122 切断阀

仪表基础(二)

温度检测仪表

概念:温度是表征物体冷热程度的物理量 单位 :℃ ℉ 分类: 1.热电偶----将两种不导体或半导体材料焊接成一闭合路, 利用热电效应,产生电动势,在回路中形成电流。 常用热偶: K型(镍铬-镍硅),测量温度400℃; 特殊热偶:铠装热偶 高温热偶(铂铑),测量温度1600 ℃ 表面热偶 补偿导线:延长热电极,使热电偶冷端移到控制室。 两线制

仪表基础(二)

温度检测仪表

一体化热偶温度变送器:热电偶与变送器合为一体,直接输 出4~20mA信号。

仪表基础(二)

温度检测仪表

2.热电阻----利用金属导体的电阻值随温度变化而变化 的特性来进行温度测量 常用热阻:铂电阻 WZP (分度号:Pt100),测量 温度 850℃; 特殊热阻:铠装热阻 端面热阻 一体化热阻温度变送器:热电阻与变送器合为一 体,直 接输出4~20mA信号。 三线制

仪表基础(二)

温度检测仪表

3.智能温度变送器----以微处理器为核心部件构成的温度变送 器。 特点: a.万能输入方式 b. 输出信号多样 c.HART通讯 d. 精度高 e.体积小

仪表基础(二)

温度检测仪表

4.我们的使用情况:以下类型 a:一体化温度变送器 b.高温热偶(造气炉) c.热电偶 d. d.热电阻 e.双金属温度计

仪表基础(三)

压力检测仪表

概念:垂直作用在单位面积上的力 单位:帕斯卡(帕),Pa 常用换算关系: 1MPa=106Pa=10公斤 1毫米水柱(mmH2O) ≈9.81 Pa 1毫米汞柱(mmHg) ≈1.333×102Pa 1工程大气压(kgf/cm2) ≈9.81×104Pa 1巴(bar) =1000mbar=105Pa

仪表基础(三)

压力检测仪表

常用名词: 绝对零压----以绝对真空下的压力称为绝对零压。 绝对压力----以绝对零压为基准来表示的压力。 表 压----以大气压为基准来表示的压力,与绝对压 力相差一个大气压(0.1MPa) 真空度----如果被测流体的绝对压力低大气压,则压力 表所测得的压力为负压,其值称为真空度。

仪表基础(三)

压力检测仪表

分类 1.压力表 2.压力传感器----由各种压力敏感元件将被测压力信号 转换成容易测量的电信号作输出,给显示仪表显示 压力或控制、报警使用。 常 用:应变式 (电容式 压阻式) 压电式 光导纤维式 3.智能压力变送器----以微处理器为核心部件构成,20 世纪80年代初,由美国HoneyWell推出ST3000系 列,这是计算机和通讯技术发展的结果。

仪表基础(三)

压力检测仪表

4.现场总线型变送器----根据现场总线通信协议开发出 来的一种智能变送器,是现场总线控制系统FCS的 基础。 a.优点: 全数字式----------------无模拟信号,全数字结构 现场总线通信方式----双向传输,串行 精度高-------------------不需要A/D和D/A转换,数字 传输 功能强大----------------集变送、控制、通信于一身, 挂总线上 b.与智能压力变送器不同处 连接方式 通信方式 传输信息

仪表基础(三)

压力检测仪表

我们的使用情况: a:压力变送器 b:差压变送器 C:压力开关 d:压力表

仪表基础(四)

流量检测仪表

概念:单位时间内流过管道某一截面的流体数量。 体积流量 Q 质量流量 M 单位:L/h m3/h 常用换算关系: 1m3=1000L 1英寸=25.4mm 1磅=0.4536Kg 1升=0.22英加仑= 0.2642美加仑 M=Q·p Kg/h t/h Nm3/h

仪表基础(四)

流量检测仪表

分类
1.差压式流量计----节流装置与差压变送器配套 测量 喷嘴 文丘里管 孔板(角接取压法、法兰取压法) 2.容积式流量计 椭圆齿轮流量计 腰轮流量计

仪表基础(四)

流量检测仪表

3.智能式漩涡(涡街)流量计----由漩涡发生体和频率检 测器构成的变送、信号转换器构成,利用流体自然 振荡的原理,涡列的个数(涡街频率)与流体的流速 成正比,输出4~20mA信号或脉冲电压信号。
f = St v d

St称为斯特劳哈尔数(无因次数) St主要与漩涡发 St称为斯特劳哈尔数( 无因次数 ),St主要与漩涡发 称为斯特劳哈尔数 生体的形状和雷诺数有关。在雷诺数为5000 生体的形状和雷诺数有关 。 在雷诺数为5000~150000 5000~ 的范围内,St基本上为一常数 的范围内,St基本上为一常数。 基本上为一常数。

安装方式:法兰式 插入式 缺 点:受磁场干扰大,怕振动,安装要求前后直管段长

仪表基础(四)

流量检测仪表

4.电磁流量计----利用电磁感应原理测量导体液体流 量仪表。 Ex=BDv×10-4 缺点: a.使用温度压力不能太高 b.应用范围有限,不能测量气体、 蒸汽和石油制品等非导液体。 c.当流速与速度分布不均时, 产生较大误差。 d.不能在负压情况下使用。

仪表基础(四)

流量检测仪表

5.超声波流量计----在管道一定传输距离L中,静止流体中的 声速为C,流动流体中的声速为U,当声速与流体流动方 向一致时传播速度为C+U,反向时传播速度为C-U,得出 时间差△t,求出流速U。

仪表基础(四)

流量检测仪表

6.转子流量计----利用转子移动位置与流体流速大小有关, 流体推力与转子重力测量流速。

仪表基础(四)

流量检测仪表

7.(科氏力)质量流量计----在单位时间内流过封闭管道截面处流体,通过 激励 线圈使管子产生振动,在振动管中产生科氏力, 测量管进出侧所受力方向相反,使管子扭曲, 利用电磁检测器或光电检测器,将扭曲力转换 为电信号,进入变送器进行信号变换、放大处 理,输出 4~20mA信号,由显示器显示用来测 量质量流量的仪表。 科里奥利力质量流量计

特 点:直接测量质量流量,可靠性高, 线性输出,精度高,量程可调比宽(1:100),适用于测量高压气体、各 种液体,由于结构原因,一般安装于中小尺寸管道。

仪表基础(四)

流量检测仪表

我们的使用情况: 孔板 涡街流量计 电磁流量计 超声波流量计 转子流量计 质量流量计 靶式流量计 其他巴类流量计(如:阿牛巴、德尔塔把流量计 等)

仪表基础(五)

物位检测仪表

概述:测量罐、塔、槽中液体表面位置---液位,测量 料斗、堆场仓库等固体 、颗粒、粉粒堆积高度---料位,两 种互不相溶物质的界面---界位,三者总称物位。 分类: 浮力式液位计 差压式液位计 电容式物位计 雷达液位计 超声波物位计 放射性物位计 射频导纳液位计 激光式液位计

仪表基础(五)

物位检测仪表

雷达液位计----通过天线向被测介质物位发射微 波,然后测出微波发射和反射回来的时间而得 容器内液位仪表。 目前两大类雷达液位计 Ⅰ是发射频率固定不变,通过测量发射波和反 射波的 运行时间,经过智能信号处理器,测出液位高度。 Ⅱ是测量发射波与反射波之间的频率差,并将 此频率差转换为与被测液位成比例关系的电信 号。发射波频率是一可调频率

仪表基础(五)

物位检测仪表

我们的使用情况: 雷达液位计 超声波液位计 射频导纳液位开关 磁致伸缩液位计 外浮筒式液位开关

仪表基础(六)

分析仪表

分析仪器是用以测量物质(包括混合物和化合 物)成分和含量及某些物理特性的仪器。 实验室和在线(过程)分析仪器。 在工业生产过程中在线分析仪为操作人员提供 生产过程中的有用参数,将参数传送到DCS中 进行数据处理,实现控制或报警,利用分析仪 表了解生产过程中的原料、中间产品、成品的 质量,将成分参数与其他参数综合分析处理, 以便优化控制操作,达到优质、高产、低消耗 的目地


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