仪表及自动化培训教材精简版Word格式.docx

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Pa（帕）KPa,MPa

一个大气压１００KPa。

绝对压力：

实际压力

表压力:

容器压力大于大气压时，表压力为：

绝对压力-大气压力

真空度：

容器压力小于大气压时，真空度为：

大气压-绝对压力

（二）常见压力表

1.弹簧式压力表

弹簧式压力表分为普通、氧用、氨用弹簧压力表。

图2弹簧压力表

2.智能变送器

图3智能压力变送器

用于对总线型智能变送器可用手操器进行远程对其监视和设置。

常用手操器可分为hart和barin协议两种。

图4手操器（HART475采用HART协议。

BT200采用布BRAIN协议）

3.其它压力变送器

图5其它压力变送器

（三）压力选用及安装方法

压力表选用

测量压力不在表量程1/3~2/3之间。

压力计的安装

1．测压点的选择　

①要选在被测介质直线流动的管段部分不要选在管路拐弯。

②测量流动介质的压力时，应使取压点与流动方向垂直，取压管内端面与生产设备连接处的内壁应保持平齐，不应有凸出物或毛刺。

③测量液（气）体压力时，取压点应在管道下（上）部，使导压管内不积存气（液）体。

2．导压管铺设

①导压管粗细要合适，一般内径为6～10mm，长度应尽可能短，最长不得超过50m。

②导压管水平安装时应保证有1:

10～1:

20的倾斜度，以利于积存于其中之液体（或气体）的排出。

③取压口到压力计之间应装有切断阀，以备检修压力计时使用。

切断阀应装设在靠近取压口的地方。

3．压力计的安装

①表压力计应安装在易观察和检修的地方。

②安装地点应力求避免振动和高温影响。

③测量蒸汽压力时，应加装凝液管，以防止高温蒸汽直接与测压元件接触[图（a）］；

对于有腐蚀性介质的压力测量，应加装有中性介质的隔离罐，右图（b）表示了被测介质密度ρ2大于和小于隔离液密度ρ1的两种情况。

图6压力表安装

④压力计的连接处，应根据被测压力的高低和介质性质，选择适当的材料，作为密封垫片，以防泄漏。

⑤当被测压力较小，而压力计与取压口又不在同一高度时，对由此高度而引起的测量误差应按Δp＝±

Hρg进行修正。

式中H为高度差，ρ为导压管中介质的密度，g为重力加速度。

⑥为安全起见，测量高压的压力计除选用有通气孔的外，安装时表壳应向墙壁或无人通过之处，以防发生意外。

二、流量检测仪表

1．流量基本概念

流量：

是指单位时间内流过管道某一截面的液体数量的大小。

总量：

某段时间内流过管道的流体流量总和。

注：

测量流量称流量表，测总量称计量表。

流量Q和总量M可以用质量或体积表示

M=Qρ

流量单位：

t/h,kg/hkg/s

m3/hL/hL/min

2．检测流量仪表分类

速度式，容积式、质量式。

（一）差压式流量计

差压式流量计组成

图7差压式（也称节流式）流量计结构

1.节流装置作用

节流装置就是在管道中放置的一个局部收缩元件,应用最广泛的是孔板,其次是喷嘴、文丘里管。

流体在有节流装置的管道中流动时，在节流装置前后的管壁处，流体的静压力产生差异的现象称为节流现象。

图8标准节流装置

国内外把最常用的节流装置、孔板、喷嘴、文丘里管等标准化，并称为“标准节流装置”。

图9节流装置节流原理

流量与压力差ΔP的平方根成正比。

节流装置可以将管道流量变为差压对应关系。

2.差压流量计安装使用

节流装置安装

①必须保证节流装置的开孔和管道的轴线同心,并使节流装置端面与管道的轴线垂直。

②在节流装置前后长度为两倍于管径（2D）的一段管道内壁上,不应有凸出物和明显的粗糙或不平现象。

③任何局部阻力（如弯管、三通管、闸阀等）均会引起流速在截面上重新分布,引起流量系数变化。

所以在节流装置的上、下游必须配置一定长度的直管。

④标准节流装置（孔板、喷嘴）,一般都用于直径D≥50mm的管道中。

⑤被测介质应充满全部管道并且连续流动。

⑥管道内的流束（流动状态）应该是稳定的。

⑦被测介质在通过节流装置时应不发生相变。

导压管及取压点安装

测量液体的流量时，应该使两根导压管内都充满同样的液体而无气泡，以使两根导压管内的液体密度相等。

①取压点应该位于节流装置的下半部，与水平线夹角α为0°

～45°

。

图10测量液体压力时，取压点位于下半部

②引压导管最好垂直向下，如条件不许可，导压管亦应下倾一定坡度至少1∶20～1∶10），使气泡易于排出。

③差压变送器一般安装在取压下方，如图（a），若差压变送器安装在取点上方，则如图（b）所示。

图11差压变送安装

测量气体流量时，取压点应在节流装置的上半部。

①引压导管最好垂直向上，至少亦应向上倾斜一定的坡度，以使引压导管中不滞留液体。

②如果差压计必须装在节流装置之下，则需加装贮液罐和排放阀，如图所示。

图12差压计安装

测量蒸汽的流量时，要实现上述的基本原则，必须解决蒸汽冷凝液的等液位问题，以消除冷凝液液位的高低对测量精度的影响。

常见的接法见图所示。

图13差压计安装

三阀组安装：

由引压导管接至差压计或变送器前，必须安装切断阀1、2和平衡阀3，如图所示。

图14三阀组安装

测量腐蚀性（或因易凝固不适宜直接进入差压计）的介质流量时，必须采取隔离措施。

常用的两种隔离罐形式如图所示。

图15隔离罐的两种

（二）转子流量计

1.转子流量计采用的是恒压降、变节流面积的流量测量方法。

图16转子流量计

2.电远传式转子流量计

它可以将反映流量大小的转子高度h转换为电信号，适合于远传，进行显示或记录。

3.转子流量计安装应注意问题

绝大部分转子流量计必须垂直安装在无振动的管道上，不应有明显的倾斜，流体自下而上流过仪表。

仪表无严格上游直管段长度要求，但也有制造厂要求（2-5）D长度的。

用于污脏流体流量测量安装

应在仪表上游装过滤器。

带有磁性耦合的金属管转子流量计用于可能含磁铁性杂质流体时，应在仪表前装磁过滤器。

要保持浮子和锥管的清洁，特别是小口径仪表，浮子洁净程度明显影响测量值。

转子流量计流量值应作必要换算

液体用仪表通常以水标定流量，气体仪表用空气标定，定值在工程标准状态。

使用条件的流体密度、气体压力温度与标定不一致时，要做必要换算。

（三）漩涡流量计

当流体绕过非流体线形物体时，物体尾流左右两侧产生的成对的、交替排列的、旋转方向相反的反对称涡旋。

这种漩涡的产生具有周期的、交替变化的性质，变化频率与流体速度成正比，这就是卡门涡街现象，具体关系为关系为

图17漩涡流量计安装

（四）涡轮流量计

1—涡轮；

2—导流器；

3—磁电感应转换器；

4—外壳；

5—前置放大器

图18涡轮流量计

（五）电磁流量计

能够测量酸、碱、盐溶液以及含有固体颗粒（例如泥浆）或纤维液体的流量。

三、物位检测仪表

（一）物位概念

1．液位、料位

2．液位计料位计界面计

3．测量物位的两个目的

获得容器中物料的重量；

监视或控制容器中的物料物位

（二）差压式液位计

1.差压流量计测量原理

将差压变送器的一端接液相，另一端接气相

图18差压流量计原理

因此

结论：

当用差压式液位计来测量液位时,若被测容器是敞口的,气相压力为大气压,则差压计的负压室通大气就可以了,这时也可以用压力计来直接测量液位的高低。

2.零点迁移问题

如图安装，则H=0时，仪表输出不为0。

图19差压流量计零点迁移现象

3.通过迁移作用改变变送器的零点。

迁移同时改变了测量范围的上、下限，相当于测量范围的平移，它不改变量程的大小。

一般型号后面加“A”的为正迁移；

加“B”的为负迁移。

4.用法兰式差压变送器测量液位

为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及黏度大、易凝固等液体液位时引压管线被腐蚀、被堵塞的问题，应使用法兰式差压变送器，如下图所示。

法兰式差压变送器按其结构形式：

单法兰式、双法兰式

单法兰双法兰

图20法兰式差压变送器

（三）其他物位计

（1）电容式物位计

图21电容式物位计

（2）核辐射物位计

图22核辐射物位计

射线的透射强度随着通过介质层厚度的增加而减弱。

（3）雷达式液位计

雷达式液位计是一种采用微波技术的液位检测仪表。

图23雷达式液位计

雷达波由天线发出到接收到由液面来的反射波的时间

图24雷达式液位计示意图

雷达探测器对时间的测量有微波脉冲法及连续波调频法两种方式。

（4）磁性浮液位计

浮球式液位计主要由本体部分、就地指示器、远传变送器以及上、下限液位报警器等几部分组成。

磁性浮子式液位计通过与工艺容器相连的筒体内浮子随液面（或界面）的上下移动，由浮子内的磁钢利用磁耦合原理驱动磁性翻板指示器，用红蓝两色（黄白或红白）明显直观地指示出工艺容器内的液位或界位。

图25磁性浮液位计

（5）浮球液位计

图26浮球液位计

（6）浮筒式液位计

浮筒式液位计：

浮筒式液位计属于变浮力液位计，当被测液面位置变化时，浮筒浸没体积变化，所受浮力也变化，通过测量浮力变化确定出液位的变化量。

图27浮筒式液位计

四、温度检测仪表

温度表示冷热程度的物理量

（一）热电偶

热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪表。

1.热电偶温度计组成

由三部分组成：

热电偶；

测量仪表；

连接热电偶和测量仪表的导线。

图28热电偶温度计测温系统

2.常用热电偶的种类

常用热电偶：

镍铬-镍硅K，铂铑10-铂S，镍铬-铜镍E

3.补偿导线与冷端温度补偿

（1）补偿导线

采用一种专用导线，将热电偶的冷端延伸出来，这既能保证热电偶冷端温度保持不变，又经济。

它也是由两种不同性质的金属材料制成，在一定温度范围内（0～100℃）与所连接的热电偶具有相同的热电特性，其材料又是廉价金属。

见图。

图29补偿导线接线图

常用热电偶的补偿导线

在使用热电偶补偿导线时，要注意型号相配。

应当注意补偿导线的正、负极必须与热电偶的正、负极各端对应相接。

此外,正、负两极的接点温度t1应保持相同,延伸后的冷端温度t0应比较恒定且比较低。

（2）冷端温度的变化对测量的影响及消除方法

在应用热电偶测温时，只有将冷端温度保持为０℃，或者是进行一定的修正才能得出准确的测量结果。

这样做，就称为热电偶的冷端温度补偿。

一般采用下述几种方法。

冰沐法，计算法

校正仪表零点法　

若采用测温元件为热电偶时，要使测温时指示值不偏低，可预先将仪表指针调整到相当于室温的数值上。

注意：

只能在测温要求不太高的场合下应用。

补偿电桥法

利用不平衡电桥产生的电势，来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值。

由于电桥是在20℃时平衡的，所以采用这种补偿电桥时须把仪表的机械零位预先调到20℃处。

如果补偿电桥是在0℃时平衡设计的（DDZ-Ⅱ型温度变送器中的补偿电桥），则仪表零位应调在0℃处。

图30电桥补偿法

二、热电阻测温仪表

热电阻温度计适用于测量-200～+500℃范围内液体、气体、蒸汽固体表面的温度。

1.测温原理

利用热电阻的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量的。

热电阻温度计适用于测量-200～+500℃范围内液体、气体、蒸汽及固体表面的温度。

2.工业常用热电阻

工业常用热电阻有铂电阻，铜电阻　

分度号为Pt100,PT50

Cu50，Cu100

3．热电阻的结构

图31热电阻结构及温变器

5.热电阻安装方法

（1）测温元件安装

与工艺管道垂直安装时，取源部件轴线应与工艺管道轴线垂直相交。

图32测温元件方法一

与工艺管道倾斜安装时，宜逆着介质流向，取源部件轴线应与工 

艺管道轴线相交。

图33测温元件方法二

（2）热电阻与温变器显示仪表连接

图34热电阻与显示仪表连接

五、显示仪表

显示仪表：

凡能将生产过程中各种参数进行指示、记录或累积的仪表。

分类：

模拟式显示仪表、数字显示仪表、屏幕显示仪表。

1.AI808和无纸记录仪

图35数字显示仪表

第三章控制仪表

一、自动控制概念

1.自动控制系统组成

图36自动控制系统组成

对象、检测仪表、控制器、执行元件

检测仪表----测量对中被控制的量

控制器-----计算测量值PV与给定值SV之差，给出控制信号大小

执行元件-----接收控制器输出信号，改变操纵变量大小，使被控制量回到给定值。

2.过渡过程

对象中被控制变量由一个不变过渡到另一个平衡状态的过程。

图37自动控制系统框图

自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的四种形式

图

图38过渡过程曲线

二、控制系统的控制指标

控制系统的过渡过程是衡量品质的依据。

假定自动控制系统在阶跃输入作用下，被控变量的变化曲线如下图所示，这是属于衰减振荡的过渡过程

图39过渡过程品质指标示意图

控制系统品质指标有：

（1）最大偏差或超调量A

（2）衰减比B:

B’=n:

1，一般n取为4～10之间为宜。

（3）余差C

（4）过渡时间

（5）震荡周期或频率

三、管道、仪表流程图

图40流程图

1．仪表符号

仪表的图形符号是一个细实线圆圈，直径约10mm，圆圈之中有一串有字母和数字组成的代号，称为“仪表位号”例如：

PIC－207TRC－210

图41仪表位号

2.控制流程图字母意义

四、常见控制仪表

DCS控制系统

1.硬件组成

（1）控制站（CS）

（2）操作站（OS）

是操作人员完成工艺过程监视、操作、记录等管理任务的环境。

（3）工程师站（ES）

集散控制系统中用于控制应用软件组态、系统监视、系统维护的工程设备称为工程师站

（4）通信接口单元（CIU）

用于实现CS2000系统与其它计算机、各种智能控制设备（如PLC）接口的硬件设备称为通信接口单元（CommunicationInterfaceUnit，简称CIU或通信管理站）。

（5）多功能站（MFS）

用于工艺数据的实时统计、性能运算、优化控制、通信转发等特殊功能的工程设备统称为多功能站（Multi-functionStation，简称MFS）。

（6）过程控制网

将控制站、操作站、通信接口单元等硬件设备连接起来，构成一个完整的分布式控制系统。

图42DCS组成

2.系统软件

组态软件包中包括SCKey（系统组态）同时还有用于过程实时监视、操作、记录、打印、事故报警等功能的实时监控软件AdvanTrol/AdvanTrol-Pro。

3.通信网络

（1）信息管理网Ethernet

（2）总线

将现场设备连接一起实现与主机通信。

第四章自动控制对象和执行元件

一、对象

（一）化工厂常见被控制对象

贮液罐，变频器，电动机，反应釜，甚至管道。

（二）被控制对象对自动控制质量影响

自动控制系统是由被控对象、测量变送装置、控制器和执行器组成。

对象通道：

控制通道、干扰通道

控制通道作用：

将被控制变量拉回到给定值

干扰通道作用：

总是使被控变量偏离给定值

它们作用总是相反的。

对象有好控制的也有不好控制的。

我们可以从以下三个参数看出对象好不好控制

1.放大系数K

K在数值上等于对象重新稳定后的输出变化量与输入变化量之比。

K是选择操纵变量依据之一，操纵变量对被控变量放大倍数最大。

（2）时间常数T

从大量的生产实践中发现，有的对象受到干扰后，被控变量变化很快，较迅速地达到了稳定值；

有的对象在受到干扰后，惯性很大，被控变量要经过很长时间才能达到新的稳态值。

在自动化领域中，往往用时间常数T来表示。

时间常数越大，表示对象受到干扰作用后，被控变量变化得越慢，到达新的稳定值所需的时间越长。

时间常数T是表示在输入作用下，被控变量完成其变化过程所需要的时间的一个重要参数。

（3）滞后时间τ

定义对象在受到输入作用后，被控变量却不能立即而迅速地变化，这种现象称为滞后现象。

对控制通道：

我们希望对象K大，T、τ小

对干扰通道：

我们希望对象K小，T、τ大。

二、执行元件

执行元件变频器、电机、气动调节阀。

（一）气动执行器的组成与分类

1．气动调节阀组成

图43气动调节阀结构

气动执行结构

气动调节阀结构

控制阀

常用辅助设备：

阀门定位器、手轮机构

图44电—气阀门定位器

2．执行机构的分类

气压增加，阀门开度增加正作用

有正作用和反作用两种形式。

气压增加，阀杆向下运动正作用

气压增加，阀杆向上运动反作用

正作用执行机构反作用执行机构

图45执行机构作用形式

3．控制阀的分类

根据不同的使用要求，控制阀的结构形式主要有以下几种。

（1）直通单座控制阀，直通双座控制阀

（2）角形控制阀，三通控制阀

（5）隔膜控制阀

图50隔膜控制阀

（6）蝶阀

图51蝶阀

（7）球阀

图52球阀

（9）凸轮挠曲阀、笼式阀　

（二）控制阀的流量特性

控制阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（相对位移）间的关系，即

1．控制阀的理想流量特性

在不考虑控制阀前后压差变化时得到的流量特性称为理想流量特性。

它取决于阀芯的形状

（1）直线流量特性

指控制阀的相对流量与相对开度成直线关系。

（2）等百分比（对数）流量特性

等百分比流量特性是指单位相对行程变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系。

（3）快开流量特性

这种流量特性在开度较小时就有较大流量，随开度的增大，流量很快就达到最大。

（4）抛物线流量特性

（三）控制阀的选择

1．控制阀的尺寸选择

生产工艺中需要的流量Q和压差Δp确定后,就可确定阀门的流量系数C,再从流量系数C就可选择阀门的尺寸。

2．控制阀结构与特性的选择

结构形式选择：

主要根据工艺条件，如温度、压力及介质的物理、化学特性（如腐蚀性、黏度等）来选择。

特性选择：

先按控制系统的特点来选择阀的希望流量特性，然后再考虑工艺配管情况来选择相应的理想流量特性。

目前使用比较多的是等百分比流量特性。

3．气开式与气关式的选择

压力信号增加时，阀关小、压力信号减小时阀开大的为气关式。

反之，为气开式。

选择要求：

主要从工艺生产上安全要求出发。

信号压力中断时，应保证设备和操作人员的安全。

如果阀处于打开位置时危害性小，则应选用气关式，以使气源系统发生故障，气源中断时，阀门能自动打开，保证安全。

反之阀处于关闭时危害性小，则应选用气开阀。

　组合方式表

图55气动调节气开、气关形式

四、控制阀安装

控制阀前后一般要各装一只切断阀，以便修理时拆下控制阀。

考虑到控制阀发生故障或维修时，不影响工艺生产的继续进行，一般应装旁路阀。

图56控制阀在管道中的安装