过程控制与自动化仪表(液位和成分检测仪表)课件

过程控制与自动化仪表过程控制与自动化仪表1主要内容主要内容o绪论o检测仪表检测仪表o调节器o执行器和防爆栅o调节对象的特性及实验测定o单回路调节系统设计及调节器参数整定o复杂调节系统2o自动化仪表概述o温度检测仪表o压力检测仪表o流量检测仪表o液位检测仪表液位检测仪表o成分分析仪表检测仪表主要内容检测仪表主要内容 3液位液位：容器中液体介质的高低：容器中液体介质的高低料位料位：容器中固体物质的堆积高度：容器中固体物质的堆积高度界面界面：两种密度不同液体介质的分界面的：两种密度不同液体介质的分界面的高度高度 物位测量在工业生产中具有重要的地位。例如物位测量在工业生产中具有重要的地位。例如蒸汽锅炉运行时，如果汽包水位过低，就会危及锅蒸汽锅炉运行时，如果汽包水位过低，就会危及锅炉的安全，造成严重事故。炉的安全，造成严重事故。物位的含义包括：物位的含义包括：2.5 液位检测仪表液位检测仪表 4 物位测量仪表可分为下列几种类型。物位测量仪表可分为下列几种类型。1.静压式静压式物位测量物位测量 利用液体或物料对某定点产生的利用液体或物料对某定点产生的压力随液位压力随液位高度而变化高度而变化的原理而工作。的原理而工作。2浮力式浮力式物位测量物位测量 利用浮子所受的利用浮子所受的浮力随液位高度而变化浮力随液位高度而变化的原的原理工作。理工作。3.电气式电气式物位测量物位测量 利用敏感元件将利用敏感元件将物位的变化转换为电量物位的变化转换为电量参数的参数的变化，而得知物位。变化，而得知物位。54.核辐射式核辐射式物位测量物位测量 利用核辐射线穿透物料时，利用核辐射线穿透物料时，核辐射线的透射核辐射线的透射强度随物质层的厚度而变化强度随物质层的厚度而变化的原理进行测量。的原理进行测量。5.声学式声学式物位测量物位测量 测量测量超声波在物质中传播时间的长短超声波在物质中传播时间的长短，据此，据此可测出物位。可测出物位。6.光学式光学式物位测量物位测量 利用利用光波在传播中可被不同的物质界面遮断光波在传播中可被不同的物质界面遮断和反射和反射的原理测量物位。的原理测量物位。6静压式液位变送器静压式液位变送器浮球液位变送器浮球液位变送器浮球液位变送器浮球液位变送器静压式液位变送器静压式液位变送器7电容式物位变送器电容式物位变送器超声波物位变送器超声波物位变送器82.5.1 浮力式液位变送器浮力式液位变送器恒定浮力恒定浮力变浮力变浮力0%100%mgFF=mg恒定浮力式恒定浮力式可通过电位器或可通过电位器或数码盘将位移转数码盘将位移转换为电信号换为电信号9变变浮力式液位变送器浮力式液位变送器F=mg+FmgFV1V2F10 p1=H g+p2 p=p1-p2=H g 式中：式中：H液位高度；液位高度；介质密度；介质密度；g重力加速度。重力加速度。p2p12.5.2 静压式液位变送器静压式液位变送器 利用测量容器利用测量容器底部和顶部的压差底部和顶部的压差测液位。测液位。2.5.2.1 测量原理测量原理 设容器上部空间为干燥气体，其压力为设容器上部空间为干燥气体，其压力为p2，下，下部取压点压力为部取压点压力为p1，则：，则：双法兰双法兰11若若被被测测容容器器是是敞敞口口的的，则则气气相相压压力力为为大大气气压压，只只需需将将差差压压变变送送器器的的负负压压室室通通大大气气，或或用用压压力力变变送送器器、或或用用压压力力表表即即可可测测量量。因因为为压压力力变变送送器器和和压压力力表表都都是是测测量量与与大大气气压压之之差差。注注意意：当当仪仪表表安安装装与与容容器底部不在同一水平，则需进行零点迁移。器底部不在同一水平，则需进行零点迁移。单法兰单法兰122.5.2.2用法兰式差压变送器测量液位用法兰式差压变送器测量液位 在在测测量量含含有有结结晶晶颗颗粒粒、有有腐腐蚀蚀性性、粘粘度度大大、易易凝凝固固等等液液体体液液位位时时，引引压压管管线线可可能能被被腐腐蚀蚀、被被堵堵塞塞。可可使用加隔离膜盒的法兰式差压变送器。使用加隔离膜盒的法兰式差压变送器。插入式法兰插入式法兰平法兰平法兰13非导电液体非导电液体2.5.3 电容式物位变送器电容式物位变送器 利用电容器的利用电容器的极板之间介质变化极板之间介质变化时，电容量也时，电容量也相应变化的原理测物位。可测量液位、料位和两种相应变化的原理测物位。可测量液位、料位和两种不同液体的分界面。不同液体的分界面。圆柱形电容器的电容量为圆柱形电容器的电容量为为介电系数为介电系数非导电液体：金属棒为内电极，非导电液体：金属棒为内电极，金属圆筒为外电极金属圆筒为外电极导电液体：金属棒套绝缘层为内导电液体：金属棒套绝缘层为内电极，容器外壳为外电极电极，容器外壳为外电极014H=0时：时：H0时：时：C=dD2HlndD2(L-H)0ln设空气的介电系数为设空气的介电系数为0，被测物料的介电系数为被测物料的介电系数为dD2L0C0ln=dD2H(-0)C=C C0ln=kH 电容的变化量电容的变化量与液位成正比与液位成正比。非导电液体非导电液体LDd0H15导电液体导电液体内电极内电极外电极外电极绝缘层绝缘层0D0dDL设空气的介电系数为设空气的介电系数为0，绝缘层的介电系数为绝缘层的介电系数为H=0时：时：H0时：时：C=C C0=kHdD02L0C0ln=D0D-d2C=dD2HlndD02(L-H)0ln162.5.4 超声波液位计超声波液位计利利用用超超声声波波在在液液体体中中传传播播有有较较好好的的方方向向性性，且且传传播播过过程程中中能能量量损损失失较较少少，遇遇到到分分界界面面时时能能反反射射的的特特性性，可可用用回回声声测测距距的的原原理理，测测定定超超声声波波发发射射后后遇遇液液面面反反射回来的时间，以确定液面的高度。射回来的时间，以确定液面的高度。若若速速度度v为为已已知知常常数数，便便可可测测时间时间 t 算出液面高度算出液面高度H。v超声波在液体超声波在液体中的传播速度中的传播速度17 若测料位，则超声波若测料位，则超声波物位计安装在容器顶部。物位计安装在容器顶部。18o自动化仪表概述o温度检测仪表o压力检测仪表o流量检测仪表o液位检测仪表o成分分析仪表成分分析仪表检测仪表主要内容检测仪表主要内容 19所谓成分，是指在多种物质的混合物中某一种所谓成分，是指在多种物质的混合物中某一种物质所占的比例物质所占的比例。目的：提高生产效率，保证生产安全目的：提高生产效率，保证生产安全分析仪表：分析仪表：实验分析仪表实验分析仪表，过程分析仪表过程分析仪表 离线实验离线实验 在线过程在线过程2.6 成分分析仪表成分分析仪表 202.6.1 热导式气体分析仪热导式气体分析仪工作原理工作原理根根据据不不同同种种类类的的气气体体具具有有不不同同的的热热传传导导能能力力的的特特性性，通过导热能力的差异分析气体的组分和含量。通过导热能力的差异分析气体的组分和含量。几种彼此间无相互作用的气体混合在一起时，混合几种彼此间无相互作用的气体混合在一起时，混合气体的导热系数近似等于各成分导热系数的数学平气体的导热系数近似等于各成分导热系数的数学平均值均值混合气体混合气体导热系数导热系数第第i种气体含量种气体含量第第i种气体种气体导热系数导热系数21若混合气体中仅有两种导热系数已知的气体构成，则若混合气体中仅有两种导热系数已知的气体构成，则则则与与c1成单值函数关系，可由成单值函数关系，可由求得求得c1p可测多种气体混合中某一气体含量，只要除被测可测多种气体混合中某一气体含量，只要除被测气体外，其它气体导热系数近似相等气体外，其它气体导热系数近似相等p被测气体导热系数应与其余气体导热系数相差明被测气体导热系数应与其余气体导热系数相差明显，且越明显，灵敏度越大显，且越明显，灵敏度越大p当混合气体中有多种导热系数相差较大的气体，当混合气体中有多种导热系数相差较大的气体，只要用一定预处理装置去除只要用一定预处理装置去除“干扰干扰”即可即可22热导式检测器热导式检测器热导式气体分析仪组成热导式气体分析仪组成热导池热导池+测量电桥测量电桥导热系数变化导热系数变化电阻变化电阻变化导热系数大时，散导热系数大时，散热好，电阻丝温度热好，电阻丝温度下降多，电阻变小下降多，电阻变小23 2.6.2 红外线气体分析仪红外线气体分析仪根根据据不不同同的的气气体体对对不不同同波波长长的的红红外外线线具具有有选选择择性性吸吸收收的特征制成。的特征制成。使使用用范范围围宽宽，不不仅仅可可以以分分析析气气体体，也也可可分分析析溶溶液液，且且灵敏度较高，反应迅速，有着广泛的应用。灵敏度较高，反应迅速，有着广泛的应用。红红外外线线是是波波长长为为0.76300m之之间间的的不不可可见见电电磁磁波波，在在工工业业红红外外线线气气体体分分析析仪仪中中，使使用用的的红红外外线线波波长长一一般般在在125m之间。之间。可见光可见光紫外线紫外线红外线红外线24 实实验验证证明明，除除氦氦、氖氖、氩氩等等单单原原子子惰惰性性气气体体及及氢氢、氧氧、氮氮、氯氯等等具具有有对对称称结结构构的的双双原原子子气气体体外外，大大部部分分多多原原子子气气体体如如CO、CO2、CH4（甲甲烷烷）等等，对对125m波波长长范范围围的的红红外外线线都都有有强强烈烈的的选选择择性性吸吸收收的的特特性性。如如图图，CO对对波波长长为为4.55m的的红红外外线线具具有有强强烈烈的吸收作用。的吸收作用。25根根据据朗朗伯伯-贝贝尔尔定定律律，当当光光通通过过吸吸收收介介质质时时，其其强度随介质的浓度和厚度按指数规律衰减。强度随介质的浓度和厚度按指数规律衰减。式中：式中：I0 射入时的光强；射入时的光强；I 透出时的光强；透出时的光强；l 介质厚度；介质厚度；c 吸收介质的浓度；吸收介质的浓度；吸收系数吸收系数 红红外外线线气气体体分分析析仪仪就就是是根根据据这这一一定定律律，测测某某波波长长红红外外线线的的透透射射强强度度。从从波波长长光光强强被被吸吸收收的的程程度度，推知该组分在混合气中的浓度。推知该组分在混合气中的浓度。26红外线气体分析仪组成红外线气体分析仪组成测量气室测量气室+参比气室参比气室+接受气室接受气室+电容式差压计电容式差压计 用用碳碳化化硅硅白白炽炽灯灯作作为为光光源源产产生生红红外外线线，经经反反光镜反射成两束平行光线。光镜反射成两束平行光线。27 用电机带动切光片（开有对称孔的铝片），用电机带动切光片（开有对称孔的铝片），将两束红外线调制成几赫兹的矩形波。将两束红外线调制成几赫兹的矩形波。如果混合气体中有和被测组分的吸收峰相重叠如果混合气体中有和被测组分的吸收峰相重叠的干扰组分，就在干扰滤光室里面充以高浓度的干扰的干扰组分，就在干扰滤光室里面充以高浓度的干扰气体，使混合气体中干扰组分可能吸收的辐射能在这气体，使混合气体中干扰组分可能吸收的辐射能在这里全部被吸收掉。里全部被吸收掉。28 测量气室连续通过被测混合气体。参比气室内测量气室连续通过被测混合气体。参比气室内密封着氮、氩等对红外线完全不吸收的气体。密封着氮、氩等对红外线完全不吸收的气体。薄膜电容接收器是在两个接收气室之间设置薄膜电容接收器是在两个接收气室之间设置一薄膜弹片和固定极板构成的电容。两个接收气室分一薄膜弹片和固定极板构成的电容。两个接收气室分别接受由测量气室和参比气室透出的红外线。别接受由测量气室和参比气室透出的红外线。29 接接收收气气室室内内封封有有浓浓度度较较大大的的待待测测组组分分气气体体，它它能能将将射射入入的的符符合合其其吸吸收收波波长长的的红红外外线线幅幅射射能能全全部部吸吸收收，变为接收气室内的气体温度变化和压力变化。变为接收气室内的气体温度变化和压力变化。当当测测量量气气室室中中无无待待测测组组分分时时，调调整整两两束束光光的的强强度度，使使其其达达到到上上下下接接收收室室的的光光强强相相等等，此此时时两两边边气气体体压压力力相相等等，薄薄膜膜片片不不变变形形，电电容容量量不不改改变变，接接收收器器无无输出。输出。30当当测测量量气气室室中中有有待待测测组组分分时时，上上接接收收气气室室就就吸吸收收到到的的能能量量比比下下接接收收气气室室小小，两两个个接接收收气气室室温温度度不不同同，出出现现压压力力差差，推推动动中中心心薄薄膜膜片片变变形形，改改变变了了与与固固定定极极板板间间的的距距离离，即即改改变变了了电电容容量量。测测定定此此电电容容量的变化幅度，便可知样气中待测组分的浓度。量的变化幅度，便可知样气中待测组分的浓度。31322.6.3 色谱分析仪色谱分析仪特特点点：先先分分离离，再再分分析析，分分离离能能力力强强，分分析析灵灵敏敏度高、速度快和样品用量少。度高、速度快和样品用量少。例例如如分分析析石石油油产产品品时时，一一次次可可分分离离分分析析一一百百多多种种组组分分；在在分分析析超超纯纯气气体体时时，可可鉴鉴定定出出1ppm（ppm为为浓浓度度单单位位，表表示示百百万万分分之之），甚甚至至01ppb（ppb表表示示十十亿亿分分之之一一）的的组组分分；因因此此，目目前前被被广广泛泛应应用用于于石石油油、化化工工、电电力力、医医药药、食食品品等等生产及科研中。生产及科研中。33碳碳酸酸钙钙吸吸附附剂剂色谱分析原理色谱分析原理被测气体在载气携带下按一定方向通过色谱被测气体在载气携带下按一定方向通过色谱柱，各成分与吸附剂作用，吸附作用强的成柱，各成分与吸附剂作用，吸附作用强的成分脱附慢，吸附作用弱的成分脱附快，则各分脱附慢，吸附作用弱的成分脱附快，则各成分由于通过色谱柱速度不同而分开，时间成分由于通过色谱柱速度不同而分开，时间上先后依次通过色谱柱，逐个进入检测器接上先后依次通过色谱柱，逐个进入检测器接受测定与分析受测定与分析移移动动相相是是液液态态的的称称为为液液相相色色谱谱，移移动动相相是是气气态的称为气相色谱。态的称为气相色谱。实实用用的的气气相相色色谱谱仪仪由由色色谱谱柱柱、检检测测器器及及载载气气、采样等辅助装置组成。采样等辅助装置组成。34色谱柱色谱柱 一一般般的的色色谱谱柱柱，是是在在直直径径约约36mm、长长约约14m的的玻玻璃璃或或金金属属细细管管中中，填填装装固固体体吸吸附附剂剂颗颗粒粒构构成成。称称为为固固定定相相。常常用用的的固固体体吸吸附附剂剂有有氧氧化化铝铝、硅硅胶、活性炭、分子筛等。胶、活性炭、分子筛等。用氢、氮、空气等用氢、氮、空气等作作“载气载气”，运载被分析，运载被分析样气通过固定相。载气样气通过固定相。载气和被分析样气称为移动和被分析样气称为移动相。相。35分离过程分离过程 设样气中有设样气中有A、B、C三种不同的成分。三种不同的成分。从从色色谱谱柱柱分分离离原原理理可可知知，被被分分析析的的样样气气应应当当是是脉脉冲冲式式输输入入，在在载载气气的的推推动动下下通通过过色色谱谱柱柱。在在流流动动的的过过程程中中，吸吸附附性性小小的的成成分分前前进进速速度度快快，C、B、A各各组组分分依依次次从色谱柱流出。从色谱柱流出。36p经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量pStudyConstantly,AndYouWillKnowEverything.TheMoreYouKnow,TheMorePowerfulYouWillBe写在最后37感谢聆听不足之处请大家批评指导Please Criticize And Guide The Shortcomings结束语讲师：XXXXXX XX年XX月XX日 38