仪表培训教程讲解.docx
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仪表培训教程讲解
自动化仪表培训教程
第一章概述生产过程自动化及仪表的发展
一、自动化仪表的发展
就地分散控制。
集中控制（一些工厂、企业实现了车间或大型装置）。
分散型综合控制系统
就地分散控制检测和控制仪表：
普遍采用基地式仪表和部分单元组合仪表（多数是气动仪表）。
目的：
实现工艺参数的稳定操作。
集中控制
仪表使用：
电动单元组合仪表
DDZ－I
ddnn
DDZ-m
DDC
SPC
QDZ－I
QDNn
QDZ－m
气动单元组合仪表工业控制计算机分散型综合控制系统（DCS）。
特点：
集中管理，分散控制。
仪表使用：
微处理器、微机与传统仪表相结合的过程控制仪表（数字调节器或可编程序调节器）。
二、生产过程仪表分类
1、按仪表用途分类：
a.检测仪表、传感器和变送器
b.显示仪表
c.转换和传输仪表（D/A、A/D、数据公路、标准接口等）
d.调节控制仪表及装置
e.执行器
f.配套设备和装置（调试、投运工具，如操作台、仪表盘、稳压电源、空气压缩及净化装置等）
按仪表组成形式分类：
基地式仪表：
测量、显示、调节等各部分装在一个壳体内，不可分割，构成简单调节系统时，台数少、结构简单，但构成复杂系统较困难、不灵活。
单元组合式仪表：
根据自调系统中各环节的不同功能和使用要求，将整套仪表划分成能独立实现某种功能的若干单元，各单元间用统一标准信号联系，灵活、方便。
c.组装式电子综合控制装置：
在单元组合仪表基础上发展起来的一种功能分离、结构组件化的成套仪表装置，适合大型复杂工艺设备的自动化。
d.DCS:
以CP为核心，在4C技术（即control、computer、communication、CRT阴极射线管显象技术）迅速发展基础上发展而来。
按被测参数不同分类：
压力测量
流量测量
温度测量
液位测量
自动成份分析仪表第二章工艺参数的测量和变送
压力的测量和变送
流量的测量和变送
液位的测量和变送
温度的测量和变送
主要内容：
第一节压力的测量和变送
一、概述
二、弹簧管压力表
三、气动压力变送器
四、压力表的选用与安装
一、概述：
压力的测量和控制是保证工艺要求、设备完全经济运行的必要条件。
压力垂直作用于单位面积上的力（同物理概念中的压强）单位：
帕斯卡（），国际单位制（）
因Pa太小，工程上常用MPa（兆帕）表示MPa=1x106Pa过去还有多种压力单位表示方式，84年2月27日国务院实行法定计量单位的命令规定不在使用。
但有换算关系表。
其它压力测量单位：
PaKPaMPa是国际通用的计量单位
PSI美国、英国选用Bar德国等国家选用还有工程大气压Kgf/cm2、mmH、gmmH2、o绝对压力、表压、负压（真空度）绝对压力——介质所受的实际压力。
表压——指高于大气的绝对压力与大气压力之差。
负压（真空度）——指大气压力与低于大气压力的绝对压力之差。
P表=P绝-P大
P真=P大-P绝
常用的测量压力的方法和仪表有：
液体压力平衡法：
通过液体产生或传递压力来平衡被测压力，如液柱式压力计和活塞式压力计。
机械力平衡法：
将被测压力通过一些隔离元件（如弹性元件）转换成一个集中力，并在测量过程中用一个外界力（如电磁力或气动力）来平衡这个未知的集中力，然后通过对外界力的测量而得知被测压力值，如力平衡式压力变送器。
弹性力平衡法：
弹性元件受压后产生弹性变形的大小，如薄膜式、波纹管式、弹簧管式压力表。
电测法：
通过机械和电气元件将被测压力转换成各种电量（如电压、电流、频率等）来测量。
弹性元件：
石化生产中应用最广的一种压力测量元件。
根据测量范围的不同，常用的弹性元件有：
单圈弹簧管
多圈弹簧管
膜片
膜盒
波纹管在被测介质压力的作用下，弹性元件发生弹性变形，产生相应的位移，通过转换装置，将位移转换成相应的电信号或气信号，以供远传显示、报警或调节用。
即：
P测弹性元件X（位移）转换装置电、气信号显示、报警、调节二、弹簧管压力表：
即单圈弹簧管压力表的简称。
优点：
结构简单、品种规格较齐全、测量范围极广（.160MPA）、便于制造、维修、价廉等。
（一）结构和动作原理组成：
弹簧管、齿轮传动机构（拉杆、扇形齿轮、中心齿轮）、示数装置（指针、分度盘）、外壳、游丝等。
弹簧管：
一端封闭并弯成2700圆孤形的空心管子，截面呈扁圆或椭圆形。
封闭的一端B为自由端，即位移输出端；另一固定端为被测压力输出端。
因Ay/yXP测，故压力表的刻度标尺是均匀的。
自由端位移引起弹簧管中心角相对变化值动作原理（过程）：
测（端进入）弹簧管变形、随之产生向外挺直扩张变形，使自由端发生位移（'）通过拉杆使扇形齿轮作逆时针偏转中心齿轮作顺时针偏转固定中心齿轮上的指针也作顺时针偏转，在刻度盘上显示出测的刻度值。
游丝：
克服传动机构间的间隙而产生的测量误差。
调整螺钉：
改变其位置（即改变机械传动的放大倍数），可实现压力表量程的调整。
若测小于管外压力（大），则自由端将随负压增大而向内弯曲，故弹簧管压力表既可测正压（表），也可测负压（真空表）。
多圈（圈）远传特殊用途：
氨压表耐腐蚀、黄色；氧用压力表蓝色、禁油
（二）电接点式压力表
具有高低报警，使压力控制在一定范围内。
由中间继电器来实现。
有一个动触点、二个静触点。
当动、静触点接通则发出光电信号。
（三）压力仪表的量程选用稳定压力：
不能超过量程3/4波动压力：
不能超过量程2/3最低量程：
不能超过量程1/3量程选用考虑其它因素考虑
精度环境及腐蚀性（仪表的材质）
尺寸大小
（四）压力仪表的安装与修正
（a）测量蒸汽（b）测量有腐蚀性介质（c）压力表位于生产设备之下图2-11压力表安装示意图
1、压力表2、截止阀3、隔离罐4、工艺管线5、p1被测介质密度p2、隔离液密度
（五）压力仪表的选用就地测量：
普通压力表
微压：
膜片式低压：
波纹管式中高压：
波登管式真空：
真空压力表远传：
电动（气动）压力变送器三、气动压力变送器
（一）气动元件和组件：
弹性元件：
气动表中作为感测元件或转换元件。
将P测弹性元件X（位移）或力信号。
阻容元件：
气阻：
气体流过节流元件时会受到一定阻力，这种节流元件为气阻。
它阻碍气体流动，起降压力、限流量作用。
恒气阻：
气阻值为常数，即流通断面积不能调整的节流元件。
可调气阻：
气阻值即流通断面积可调。
变气阻：
工作中自动地改变气阻值的节流元件。
如喷嘴档板型变气阻。
气容：
气体通过时，能贮存或放出气体的气室。
起缓冲、防止振荡等作用。
气体流入或流出气室时，气室时的压力就随着变化。
定气容：
气室容积固定。
（如煤气罐）变气容：
弹性气容容积随压力而变。
（如波纹管、气球等）阻容耦合元件：
用导管将气阻和气容联接起来。
常见的有：
节流盲室：
节流通室：
作为气动表的反馈环节，以得到P、I、D调节规律。
喷嘴档板机构：
气动表中的气动控制元件，由恒气阻、气容和喷嘴档板机构型变气阻串联组成。
作用：
把档板相对于喷嘴的微小位移转换成相应的气压信号背作为它的输出。
工作过程：
气源（）经恒气阻后只有少量进入背压室，而背随喷嘴档板之间距离变化，档板靠近喷嘴气阻增大，则背上升；反之背下降。
功率放大器：
因背往往很小，故输出气压信号功率很小，为把信号远传和推动执行器，常在控制元件后串联一个功率放大器。
气动功率即压力和流量的乘积，故气动功率放大器能将信号压力和气量进行放大。
（二）气动压力变送器的结构原理
组成：
1、测量部分（波纹管、密封膜片），将P测F测。
2、转换部分（主、副杠杆、反馈波纹管、喷嘴档板机构、功放，将F测20~100KPA工作过程：
力矩平衡原理工作。
工作过程：
力矩平衡原理工作。
被测压力引至测量波纹管，对主杠杆下端产生一个推力（测量力），于是产生使主杠杆围绕密封膜片的中心作逆时针方向偏转的测量力矩，当主杠杆作逆时针方向偏转时，带动挡板向喷踌靠拢，喷嘴背压就上升，经放大器放大后即为压力变送器的输出，同时，输出压力进入反馈波纹管，产生一个反馈力推动副杠杆以量程螺母为支点作顺时针偏转，使挡板离开喷嘴，这种相反的作用，直至反馈力矩和测量力矩相等时，杠杆就处于平衡状态，挡板和喷嘴间距离不再变化，变送器就稳定地输出一个与被测压力或比例的气压信号。
如果被测压力变化时，杠杆的平衡就被破坏，通过反馈作用，又建立新的平衡状态，压力变送器输出一个相应的气压信号。
第二节流量的测量和变送
一、概述：
流量测量和变送的目的：
实现生产过程的控制；进行经济核算。
1、流量（即瞬时流量）——在工程上指单位时间内流过管道某一截面的流体的体积或质量。
流量的计量单位：
体积流量（Q）常用单位：
m3/h、l/min（升每分）、l/s（升每秒）
质量流量（M常用单位：
t/h（吨每小时）、kg/h、kg/s等M=Q）或Q=M/p（p为流体密度，kg/m3）
2、总量（即累积流量）——流体在一段时间内流过管道某一截面的总量。
（流量测量仪表上配以积算机构就可读出总量）其实流体的密度最随工况参数而变化的，即压力、温度变化引起密度变化，故在测量气体体积流量时，必须同时测量气体的温度和压力，并将工作状态下的体积流量换算成标准体积流量。
二、差压式流量计（也称节流式流量计）基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差与其流量有关而实现流量测量。
组成：
1、节流装置（包括节流元件和取压装置）作用：
QWAP
2、导压管
3、差压计或差变及其显示仪表
（一）节流装置的测量原理
1、节流现象及其原理：
节流装置——设置在管道中能使流体产生局部收缩的节流元件和取压装置的总和。
最广泛的有：
孔板、喷嘴、文丘里管。
节流现象——流体在有节流元件的管道中流动时，在节流元件前后的管壁处，流体的静压力产生差异的现象。
Q^V^P
△P节流元件前后实际测得的静压差
p1――节流元件前流体密度故不加开方器的话，流量标尺刻度是不均匀的，开头很密，后来逐渐变疏。
因此差压法测Q时，C不应接近于仪表刻度的下限值（一般＞量程30%），否则误差大。
流体基本方程式（定量阐述P的关系）
（二）标准节流装置即把节流装置标准化，有孔板、喷嘴、文丘里管。
国家标准规定取压方式：
标准孔板：
角接取压法兰取压喷嘴：
角接取压
（三）电容式压力变送器（无杠杆变送器）它与节流装置配合，可连续测量和变送液体、蒸汽、气体的流量，也可测量和变送差压、压力、液位等工艺参数。
以电（24V.DC为能源
作用：
将厶P4---20mA.DC送调节器、显示仪进行调节、指示、记录。
1、结构原理
两部分组成：
电容式感压组件：
将△PC2-C1/C2+C1转换放大电路：
C2-C1/C2+C14---20mA.DC（其壳体内带有现场批示表）
推导得：
C2-C1/C2+C1=K2AS=K2*K1*△P
即差动电容的相对变化值与输入差压的关系为:
C2-C1/C2+C1*△P电容式差变的使用特点：
因采用微位移式的工作原理，并采用差动电容作为检测元件，故整个变送器无机械传动部件；中心感压测量膜片是唯一可动的，且是液压传送，故结构简单、重量轻、体积小、动态特性好、精度高、高稳定性、可靠性、抗震性、耐腐蚀。
（四）差压式流量计使用中的测量误差
差压式流量计实际使用时往往有较大的测量误差（有时高达10――20%），完全
由于使用不当引起，而不是仪表本身。
故要合理选型、准确设计加工制造、正确安装、维护、符合使用条件。
第三节液位的测量和变送
一、概述
液位测量目的：
1、通过液位测量来确定容器里的原料或产品的数量，预先计划好原料用量或经济核算。
2、了解液位是否在规定范围内，确保安全生产。
类型工作原理主要特点应用场合
直读式连通器原理结构简单、价格便宜、但读数不太明显、玻璃易损坏
现场指示
浮标式浮标在液面中随液面的变化而变化结构简单、价格便宜测量储罐内液位沉筒式阿基米德原理可连续测量敞口或密封容器中的液位和界面用于现场调节，或控制指示液位的场合
差压式
基于液面升降造成液柱差的原理能远传液位的变化用于敞口或密封容器的的液位测量或变送电容式
置于液体中的电容，其电容值随液位的高低而变化能远传指示，测量滞后小，但线路复杂，成本较高测量高压腐蚀性介质的液位
电阻式
基于金属电阻体浸在导电溶液中，液位变化引起电阻的变化。
结构简单、只适用于导电液贮罐液位测量
幅射式放射性同位素发射和接收程度随液位高低而变化非接触测量，能测量各种液位，成本高，使用和维修不便用于腐蚀性介质的液位测量
超声波式利用超声波在气体、液体和固体中的裒减程度，穿透能力和辐射声阻抗不相同和性质。
测量准确度高，惯性小，非接触测量，价格贵，维修和使用不便用于测量精度要求较高的场合
微波式利用微波发射和接收的相位差随液位高低而变化非接触测量，能测量各种液位，精度高，价格贵用于敞口或密封容器的的液位测量或变送二、浮筒式液位计
组成：
、浮筒式液位变送器、显示仪表
测量原理：
浮力原理，即利用浮筒浸沉在被测液体中，当液位变化，浮筒浸没程度不同，浮筒所受浮力也不同，只要测出浮力的变化，液位高低便确定了。
浮筒式液位变送器
（有气动和电动两种，均由检测部分和转换两部分构成，转换部分有所不同）
（一）检测部分：
作用将H△S
主要由浮筒、杠杆、扭力管及芯轴等组成。
工作过程：
△9=—KH（K转换系数）
H越高，扭角越小。
将厶9通过芯轴变成档板或霍尔片的位移，并转换成相应的电气信号。
（二）气动电动转换部分
作用：
△S——20—100KPA（或4—20MA.DC）。
原理：
位移平衡原理。
（三）使用特点
1、浮筒式液位变送器的输出信号不仅与液位高度有关，且与被测介质的密度有关。
2、它可用来测量两种密度的液体分界面。
3、浮筒的长度就是仪表的量程。
一般为300——2000mm。
4、气源应干燥、清洁（气源净化装置除固体尘粒、水蒸汽、油雾）。
三、差压液位计
（用差压计或差压变送器测量变送液位，目前应用广泛）
（一）测量原理利用容器内液位改变时，由液柱产生的静压也相应变化的原理而工作的。
对于密闭容器，即△P=P1-P2=H）g。
通常P已知，故测得△P就能知道液位高度H。
对于敞口容器，差变负压室通大气就可，也可用压力变送器或压力计直接测量H。
也有△P=P1-P2=Hbg。
（二）零点迁移问题
差变或差压计测液位时，一般都有△P=P1-P2=Hbg当H=0时，P仁P2即厶P=0（△P的下限从零开始）此为无迁移情况。
但实际应用中，差变的差压下限不一定从零开始。
为防止容器内液体和气体进入变送器而造成管线堵塞或腐蚀，并保持负压室液柱高度恒定，在正负压室与取压口之间加装隔离罐，充隔离液。
△P1-P2=（21）p2
对比无迁移相当于在负压室多了一项固定值为（21）p2的压力。
对电动变送器，当有这个固定值存在时，意味着，变送器的输出小于；ma＞时，
变送器输出也小于。
解决方法：
在仪表上加装一迁移装置，以抵消固定差压的作用这种方法即为迁移。
为使仪表能正确反映液位的高低，必须设法抵消此固定压差值的作用，使：
时，0;ma＞时，0
（三）用法兰式差变测液位：
测腐蚀性或含有结晶颗粒以及粘度大、易凝固等液体液位，引压管易被腐蚀、堵塞，可用法兰式差变。
注意：
同样存在零点迁移问题。
至此：
我们知道差压变送器能用来连续测量和变送：
差压、液位或分界面、流体的流量等工艺参数。
第四节温度的测量
一、概述
二、热电偶温度计
三、热电阻温度计温度表示物体冷热程度的物理量。
它不能直接测量，一般根据物质的某些物理特性值（如液体的体积、导体的电阻）与温度之间的函数，通过对这些特性值的测量间接获得。
按测量方式不同可分：
接触式（与介质直接接触）：
测量仪表简单、可靠、精度高，但有滞后现象，还可能产生化学反应，且不能应用于很高温度的测量。
非接触式：
测温范围广，速度较快，但精度低。
测温方式
温度计种类测温原理温温范围C
接触式
玻璃液体温度计
液体受热产生热膨胀-100~100有机液体0~350水银结构简单，使用方便、测量准确、价格低易破损、只能现场指示、不能远传双金属温度计
固体受热产生热膨胀0~300结构简单，价格低，能记录、报警与自控精度低、量程与使用范围均有限
压力式温度计封闭在固定体积中的气体、液体或蒸汽受热时，其压力受温度变化的性质结构简单，防爆、格低，能记录、报警与自控、不怕振劝精度低、测量距离较远时，仪表滞后较大、一般超过测量点不超过10米
热电阻温度计导体或半导体的电阻值随温度变化的性质-200~650铂电阻-50~150铜电阻-100~200热敏电阻测量精度高，便于远距离、多点、集中测量和自动控制不能测量高温
热电偶温度计
热电效应-200~2300测量范围广、精度高、便于远距离、多点、集中测量和自动控制需冷端温度补偿，在低温段测量精度较低
非接触式光学高温计亮度法、受热物体的单色辐射强度（在可见光范围）随温度升高而增强900~2000携带用，可测高温，测量时不破坏被测温度的温度场。
测量时，必须经人工工为调整，有人为误差，不能作远距离测量、记录和自控辐射高温计全幅射法，根据物体的热幅射效应测量物体的表面温度100~2000测量元件不破坏被测温度的温度场。
能作远距离测量、报警和自控，测温范围广。
低温段测温不准，环境条件会影响测量精度，连续测高温时，感温器须作冷却。
常用温度计的测温原理、测温范围和主要特点组成：
热电偶、电测仪表（电位差计或动圈仪表）、连接导线
热电偶温度计
由两根不同的导体或半导体材料焊接或绞接而成。
（这两根导体或半导体称为热电极）
当工0时，则在热电偶回路中便会产生热电势。
若0保持不变，则热电势只是被测温度的函数。
（用电测仪表测得E,便可知道被
测温度t）
（一）热电偶测温的基本原理热电效应：
把两种不同的导体或半导体连接成闭合回路，它们的两个接点温度为和0（假设〉0）,则该回路内就会产生热电势的现象。
热电势的产生：
NA+N—B接触形成的静电场
当两种不同导体和接触时，因两者有不同的电子密度（A、B,且A>
B）则电子的扩散速率就不同。
从跑到的电子数要比从跑到的电子数多，结果因失去电子带正电荷，得到电子带负电荷，在、的接触面上形成了一个从到的静电场。
这个电场将阻碍扩散作用的继续进行，同时加速电子向反方向转移，使到的电子增多，最后达到动态平衡。
此时，、之间形成一电位差，称接触电动势AB
AB勺大小取决于两种不同导体的材料性质和接点的温度，越高，导体中自由电
子就越活跃，由扩散到的自由电子就越多，AB也增高。
故当、材料已确定时，AB只与有关，所以称为热电势。
记作AB（）
AB（）BA（）
综上所述：
1、在A、B形成的回路中。
两接点温度不同，则在接点处就产生了两个大小不等、方向相反的接触电动势eAB（t）和eAB（tO），且eAB（t）＞eAB（tO）。
2、对同一导体（A或B）,因其两端温度不同，也产生一个相应的电位差，称温
差电动势eAB（t，tO）。
但因其远小于接触电动势，故常忽略。
则热偶回路中总的电动势为：
AB（，O）AB（）AB（O）
AB（，O）AB（）AB（O）
即热电势EAB（t，tO）等于热电偶两接点的接触电势的代数和。
当A、B材料确定，且保持不变，则热电势EAB（t，tO）就成为热端温度t的单值函数了，而和热电极的长短用粗细无关。
故如果t为被测温度，只要测出热电势的大小，就能判断被测温度的高低。
这就是热电偶测温的基本原理。
（也即热电效应）注意几点：
若组成热电偶回路的两导体材料相同，则无论两接点温度如何，回路的总热电势为。
、若热电偶的两结点温度相同（O），尽管两电极材料不同，回路的总热电势为。
、不同热电极材料制成的热电偶在相同的温度下产生的热电势是不同的。
（参见分度表）
分度表：
按热电势与被测温度关系，并规定tO=OO时进行分度，并按热电偶的不同种类，分别列成表格形式。
故只有tO=OO时，可用测得的热电势EAB（t，O）去查分度表，得到被测温度t，或已知t查得相应的EAB（t，O）值。
若tO工OO时，则要进行校正。
可根据：
EAB（t，tO）=EAB（t，O）-EAB（tO，O）或
EAB（t，O）=EAB（t，tO）+EAB（tO，O）
用热偶测温时，必须用电测仪表测热电势值，而其往往远离测温点，故需将热电偶回路冷端断开，接入连接导线，形成闭合回路。
结论：
在热电偶测温回路中接入第三种导体时，只要接入导体的两端温度相同，则对热电偶产生的热电势数值没有影响。
推论：
在热电偶测温回路中接入多种导体时，只要接入导体的两端温度相同，则对热电偶产生的热电势数值也没有影响。
应用：
开路热电偶的使用。
（二）热电偶的种类：
理论上任何两种导体都可以组成热电偶，，但实际并非如此，要严格选择，材料应满足如下要求：
1、在测温范围内其热电性质要稳定，不随时变化。
2、化学稳定性要高，即在高温下不被氧化和腐蚀。
3、电阻温度系数要小。
导电率要高，组成热偶产生的热电势要大，热电势与温度间成线性关系（提高精度）。
4、复现性好，便于成批生产，良好的互换性。
5、材料组织要均匀，韧性好，便于加工成丝。
热电偶名称铂铑10—铂铂铑20—铂铑6镍铬—镍硅镍铬—康铜铜—康铜
分度号SBKET
（三）热电偶的结构型式：
基本结构型式组成（通常）：
热电极、绝缘管、保护套管、接线盒等。
1、普通型热电偶
2、套管热电偶
3、薄膜式热电偶
（四）补偿导线与冷端温度补偿：
补偿导线：
已经知道只有当t0保持恒定时，热电势才是被测温度的单值函数。
而实际应用时，冷端常常靠近设备和管道，不仅受环境温度影响，还受设备和管道中物料温度影响而难以恒定。
————故延伸冷端至温度恒定处，但热偶往往是贵金属不经济，用贱金属（0——1000C范围内其热电特性非常接近前述几种标准化热偶）代替——即补偿导线（用来延伸冷端的专用导线）
补偿导线的作用只是用来延伸热电极，达到移动t0的目的。
2006-9-24
冷端温度补偿：
因各种热偶分度表均是在t0=00C条件下得到的，与它配套使用的显示仪表也是根据这一条件进行刻度的。
但实际应用时由补偿导线延伸的新冷端（中控温度）往往高于零度，则显示仪表示值必然偏低，且测量值也要随新冷端温度的变化而变化，产生误差。
故热偶测温时，应使t0保持为00C,或进行一定的修正和补偿才能得到准确测量结果的做法——冷端温度补偿。
几种冷端温度补偿做法：
冰浴法、热电势校正计算法、校正仪表零点法、冷端温度自动补偿装置（补偿电桥法）、补偿热电偶法三、热电阻温度计：
广泛用
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