化工仪表及自动化教材

2013年10月14日星期一目录第一篇 过程测量仪表1第1章概述1一、仪表的分类2二、自动化仪表的发展概况2三、测量过程2四、测量误差及性能指标3第2章压力测量及变送5第一节概述5第二节弹性式压力计6第三节压力传感器与变送器8第四节压力仪表选用、安装与校验10第3章物位测量及变送14第一节概述14第二节浮力式液位计14第三节差压式液位计17第四节其它物位计19第4章流量测量及变送20第一节概述20第二节差压式流量计21第三节靶式流量计25第四节容积式流量计26第五节转子流量计28第5章温度测量及变送29第6章显示仪表29- 2 -第一篇 过程测量仪表第1章 概述生产过程自动化基本概念在生产过程中，利用自动化仪表装置来检测、显示、控制生产过程中的重要工艺参数，自动的维持生产过程的正常进行，当工艺参数受到外界干扰的影响而偏离正常状态时，能自动的调回到规定的参数范围内。生产过程自动化系统分为以下几类：自动检测系统、自动信号联锁保护系统、自动操作系统、自动调节系统。自动调节系统：温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统。人工控制过程、自动控制过程。如何替代人工调节，完成自动调节的功能。自动控制方框图：如果是人工控制，那么人应该通过眼睛观察液位是高于还是低于规定的液位，在根据大脑的分析得到是开大还是关小阀门，在发出指令通过手来执行关小还是开大阀门。如果是自动控制的系统，通过检测环节测量被测参数，通过测量变送器吧测量结果和给定值进行比较，在比较环节把测量值Pv和给定值Sv进行比较，Dv=Sv-Pv,通过调节器来判断Dv是大于0还是小于0，得到MV值，把MV发送给执行器，执行器可以执行对调节阀的开闭，从而完成对调节对象的调节。四个方框分别代表控制系统的不同环节，它们的连接方式是信息流而不是物质流，信息的流动，是个理想的关系，箭头表示信息的流动方向。这里可以了解一下自动控制系统是如何实现的。这就是自动控制系统的方框图。一、 仪表的分类1. 安仪表工作所需能源分类：气动、电动、液动（仪表需要对它提供能源才能工作。）气动仪表通过提供压缩空气，通常是0.14MPa的压缩空气；通过膨胀来做功。液动通过液体液压的方式来提供动力。现在主要是电动仪表。2. 按系统组成结构分：基地式仪表、单元组合式仪表、组件组装式仪表、分散综合控制系统。单元组合式：安装功能来分组，把不同功能的仪表连接起来，各个模块之间具有互换性，目前是一种比较主要的形式。组件组装式仪表：通过插卡的形式放在计算机的总线槽里面。综合控制系统：可以替换以前很多多个单台仪表组成的计算机控制系统，当前的主流。3. 按防爆能力分：普通型、隔爆型、安全火花型主要是使用在化工企业中，隔爆型：通过外壳和外界隔离。安全火花型：又叫本安型，本质安全型。二、 自动化仪表的发展概况基地式仪表阶段单元组合式仪表阶段很多现场仪表都是这样的方式。以微处理器为基本部分的控制装置阶段重点：测量方法，测量仪表概念，测量误差，仪表的性能指标三、 测量过程1. 测量过程用一个已知量（单位）与被测量比较，收集信息的过程：A=g *Uxg：测量比值UX：测量单位测量过程就是一个信息的获取的过程。2. 测量方法a) 根据测量方式分：i. 直接测量测量直接得到结果的测量；ii. 间接测量不能直接得到测量结果，须经过一定运算。b) 根据接触方式分：i. 接触式测量：容易测得比较真实的测量值，往往需要测量元件放到介质里面，干扰介质，稍微影响测量结果。ii. 非接触式测量（辐射式等等）：由于距离原因可能不太准确。c) 根据平衡方式：i. 平衡式：指零式，比如天平，一般是指零的。ii. 非平衡式：偏差式，比如通常情况下它是指令的有测量值变化时，他的指针是不指零的。3. 测量仪表a) 开环结构：i. 被测参数检测/变换传递放大显示/变送b) 闭环结构：稳定性，精确性高于开环结构。i. 增加反馈环节，提高仪表稳定性、测量精度。在显示/变送之前把信号通过处理反馈给检测/变换之前，进行分析控制。各有优缺点啦。四、 测量误差及性能指标1. 测量误差误差=测量值-真实值误差的分类：（按误差的本身性质分）系统误差：指测量结果的一种固定或者有规律的偏移。测量结果的整体的偏移，往往由于仪器或者使用方法习惯性的不当，或者仪器的固定的偏差；系统误差的克服：把测量结果减去测量偏差值就可以克服这个系统误差了。随机误差：围绕着一定的范围在杂乱无章地变化的。平均值为0。外界偶然因素的干扰等等。疏忽误差：外界突然因素或者人操作的突然因素或者外界干扰，测量值远远偏离真实值，往往出现的情况较少。系统误差不可避免的。随机误差可以取平均值。疏忽误差不要放入最终的数据处理。用仪表仪器测量而得到的值。误差公理：任何测量过程都存在误差；那么真实的值从哪里来的？真实值：用标准值、理论值代替。用足够精度的值来代替，是相对的，相对于其他的仪器来说已经十分精确了；理论值从理论上的得到的值。2. 仪表性能指标：误差及误差计算a) 绝对误差a、相对误差ri. 绝对误差：a=x-x0，x：测量值，x0：真实值（标准值）。有正负号，有单位。ii. 相对误差：r=（x-x0）/x0*100%b) 引用误差q允i. 测量绝对误差与测量仪表量程值百分比。Q=a max/L*100%L=l上-l下，仪表量程，上下分别表示仪表的测量上下限。c) 回差（变差）hH=（X上-X下）/L*100%X上：测量上行值。X下：测量下行值。注意：对同一个被测参数测量得到的不同结果。变差产生原因：传动机构间隙，弹性元件滞后。3. 精度精度等级a) 精度（精确度）是精密度（系统误差）和准确度（随机误差）的综合。b) 精度是反映仪表性能优劣的主要指标。c) 精度由qmax和h确定，仪表出厂要求Q允=qmax、q允=hQ允：仪表允许的引用误差最大值。Qmax：仪表实际的最大引用误差，Q允：去掉正负号和%就是精度。精度等级：。0.4 0.5 1.0 1.5 2.5 。算出精度来之后，在根据国家规定的仪表的精度等级，来确定仪表的精度，比如如果q允=1.3，那么应该确定1.5的精度，因为这个仪表达不到1.0的等级，只能达到1.5的等级。数字越小那么精度越高。所以出厂的时候的精度应该定位1.5。4. 灵敏度、灵敏限及分辨率a) 灵敏度：S=b) 灵敏限：输入变化多少才允许输出开始变化。c) 分辨率：通常指数字式仪表，也就是说，显示的时候是以几位数字显示，最小数字是个位数1，单位如果是帕斯卡，那么它的分辨率就是1帕斯卡了。5. 其他指标：反应时间、可靠性a) 例如：有一块压力表测量范围为0150Kpa，测量100Kpa这一点，测得上行值为98Kpa，下行值为101Kpa，其余各点误差均小于此点，问此压力表的qmax、h和精度格式多少？b) 解：qmax=-1.33%c) H=(98-101)/150*100%=-2.0%d) 精度智能定成2.5。第2章 压力测量及变送本章重点：压力的单位、表示方法，弹簧管压力表的结构及原理、选用、安装和校验，电容式差压变送器和智能式差压变送器的简单原理，变送器输出值的计算。第一节 概述一、 压力压力（压强）P=F/A标准单位：Pa、Kpa、Mpa工程单位：巴bar，毫米水柱mmH2O、毫米汞柱mmhg、标准大气压ATM、工程大气压公斤等。二、 压力表示方法大气压：大气自重产生的压力；表压：以大气压作为它的基准；绝压：绝对真空作为基准。真空度：低于大气压的压力关系式：表压=绝对压力-大气压真空度=大气压-绝对压力三、 测压仪表分类a) 液柱式：比如U形管这里，我们测得的压力值属于表压力，因为它的基准是大气压力，我们如果不说明那么测量的就是表压，除非特殊说明那么一般测量的就是表压。b) 弹性元件式：弹簧管、膜片、膜盒、波纹管c) 电气式（压力电量（R、V、I、C）d) 活塞式（校验仪器），一般作为校验仪器来生产的。第二节 弹性式压力计一、 弹性元件弹性式压力计通过测量弹性元件受压后所产生的弹性变形（即位移）来测量压力。常用的弹性元件：膜片、膜盒、波纹管、弹簧管。用到的最多的是弹簧管。膜片一般是圆形的上边有一些一圈一圈的波纹。膜盒比较复杂。压力作用在膜盒上。波纹管，下边有压力，上边有位移。270左右的单圈弹簧管，多圈弹簧管就是很多圈的弹簧管了。二、 弹簧管压力计a) 组成（结构）i. 弹簧管：截面是椭圆形的，扁平、中空，横截面为椭圆形，一端固定，一端为自由端，弧度为270，铜、合金铜、钢。长轴方向的弹力大于径向的弹力，椭圆的形状趋于变形成近圆形，自由端变化角度的=K*P，k弹性系数。作用：感受压力信号，并转换为位移信号。ii. 齿轮、杠杆传动机构：1. 作用：传递放大（一般两级放大），改变调整螺钉8的位移，可调量程，（调放大倍数）。iii. 游丝：克服齿轮间的间隙，减少变差（说明变差产生原因）。iv. 指针及表盘：指示变差产生的原因：行程和回程的啮合齿轮的齿面不相同。2. 工作原理：压力弹簧管位移一级放大（扇形齿轮）二级放大（中心齿轮）指示第三节 压力传感器与变送器压力测量：就地指示：弹簧管压力表远传信号式：传感器式、变送器（气动、电动）传感器：能将飞变量被测参数按确定函数关系转换成电量的设备/器件。变送器：（1） 变送：将被测参数成比例转换成标准统一信号，并能将统一信号有限距离的远传。（2） 可调量程：把同一参数不同的测量范围转换为成比例的统一信号。a) 统一信号：一般来说是4-20mA DC 的直流电流信号。b) 有0-10 或者0-20 MPa的测量范围都转换为4-20mA 的直流信号。c) 一般来讲，传感器在前，传感器的信号传递给变送器，传感器测量参数，传送电量，变送器把电量成比例转换成4-20mA的标准直流电流信号。一、 压力传感器a) 压阻式、应变式、电容式、电感式、振动式。二、 气动压力（差压）变送器，QBCa) 利用杠杆、喷嘴-挡板机构，气动放大器、反馈机构、波纹管喷嘴-挡板机构，即将杠杆的位移转换成压力。b) 利用力矩平衡原理c) （P）P测F杠杆偏转挡板靠近喷嘴P背压P出指示（反馈）三、 电动差压变送器 DBCa) 将P测（P测）转化为电信号输出。b) 双杠杆电动单元组合三型DDZ-；c) 1151电容式压力变送器，试讲差压的变化转化为电容板的位移，从而使电容量发生变化，然后利用测量电路、运算放大电路转换成4-20mA的输出。电容式智能差压变送器是利用微处理器实现了自动调零，调量程、自诊断等功能的一种新型变送器。d) C=四、 变送器输出值的计算a) 变送器的统一信号：0.14MPai. QDZ气动变送器输出的统一信号为：0.020.1MPaii. DDZ电动差压变送器输出的统一信号为：010mA、420mAb) 输出值计算通用式：例如：一台DDZ-差压变送器，测量范围2.510MPa，当所测压力为5MPa时，输出是多少？注意：默认DDZ-输出的标准范围是420mA的标准电流信号。I出=9.33mA第四节 压力仪表选用、安装与校验一、 压力表的选用a) 型号i. Y-100,100指表盘直径。远距离可以大一点150，如果有空间限制或者近距离观察，可以使用50mm的表盘直径。ii. YA-100，测量含氨气的介质。因为一般的压力表使用铜或者合金铜，氨对同或者合金铜有腐蚀性，所以铜介质的弹簧管会被腐蚀或者穿孔，所以含氨气的压力表应该使用不锈钢的压力表。iii. Y0-50,O指的是氧用压力表，氧用，小压力表，专用的YO，不能够在弹簧管的连接头上沾油脂，如果氧气和油脂接触会发生危险。所以YO的压力表的弹簧管的接头处不会沾有油脂。一般的压力表可能在螺纹连接的地方涂油油脂，氧用压力表没有油脂，防止了氧和油脂接触时发生危险。iv. 从介质、观察、安装三个方面选择压力表的型号。b) 量程i. 压力平稳：P量=P测*1.5，波动范围大P量=P测*2.0，下限选取：测量值大于1/3量程。ii. 量程靠级：01.0，1.6，2.5，4，6，10*10的n次方MPa iii. 避免压力表超限而损坏，也不能让压力表的示值一直处于压力表的低压力范围，这样会使压力表的测量精度偏低，一般测量值最小不能小于压力表的1/3的量程。实际上就是在量程的1/32/3的中间区域来使用压力表，可以获得不较好的精度，也可以防止测量值超限。当然如果波动较大那么也可能是在1/31/2的测量范围等等。选择好了量程以后，必须到量程的系列里面选择量程值，就是量程值要标准化。测1.8，量=2.5MPa、c) 精度选择i. 求引用误差，靠精度等级（往高精度靠）ii. 精度的选择的话，主要要考虑的问题就是引用误差，引用误差的求取，根据选表和误差要求选择：例如：假设现在测量比较稳定的压力测量范围，0.8MPa要求，误差不大于0.02MPa；要求选择压力表的精度量程。iii. 解答：0.8兆帕因为稳定所以0.8*1.5=1.2兆帕，位于1.01.6兆帕之间，所以选择01.6兆帕，验证下限问题，1.6/3=0.5333e2，如果铁芯往下偏则e12P,则A要进行逆时针的转动，具有逆时针的力矩。转动90，排出了V0,360，排出了4个V0。V=4NV0=2（）。对机械加工提出了十分严格的要求。如果配合不好那么容易泄露，如果配合的太紧不容易转动。,使用计数机构进行计数就行了。误差：泄漏量。特点：1、 精度高0.2%2、 对介质要求（一般要求都在流量计之前加过滤器）i. 不含气体ii. 不含杂质3、 适用于高粘度介质不适合用于很低浓度的测量。压力不要太高，容易造成泄露量。第五节 转子流量计转子流量计通过改变流体流通面积的方法测流量。口径较小，直径150mm，还可以做到直径1.5mm。特别小了。可以简单到只有两个部件。一、 结构及工作原理a) 结构i. 锥形管：玻璃、金属 锥度40到3。玻璃表面可以刻有刻度，金属做的不可以直接观察，应该通过其他的结构转换出来。ii. 转子：气体：非金属材料。液体：金属材料铝、不锈钢。大概形状一般就是如图所示的形状：。形状要考虑有益于转子所测的气体或者液体得到稳定的值。液体一般就是金属材料，非金属材料一般使用橡胶或者胶木。b) 工作原理：i. 转子悬浮于锥形管中间的一定高度，流量增大时，转子上移，流通面积增大，流动速度减小，静压差、重力及浮力平衡，转子在一个新的高度H上稳定，由H可得知流量Q。ii. 转子受到的力有重力、浮力、阻力。转子也可以产生节流现象。管道内的阻力元件改变了流体的流通面积，流通面积的缩小，使流体的流动速度增加，转子，前端的压力要大于转子后端的压力，形成差压力。前端静压大，截面积大，流速较小；后端截面积小，流速大，静压小；形成前端大于后端的差压。浮力重力不变差压力增大则转子上浮，截面积变化，重新达到新的平衡，不同的位置代表不同的流量大小。iii. 流量公式iv.v. 转子流量计出厂的时候都是单独标注，刻度值需要单独标注，转子流量计是非标准化的设备。刻度值是在工业标准（20，0.1033MPa的绝压下），用水或者空气标定而得，实际使用时有与流体密度的改变，应进行修正。vi. 液体介质：；vii. 气体介质：viii. 标准状态下：ix. :被测介质标准状态下密度Kg/Nx. :空气在标准状态下的密度（1.2064）xi. :被测介质的绝对压力，MPa。xii. ：工业标准状态时的绝对压力（0.10133MPa）xiii. T:工业标准状态时绝对温度（293.15K）xiv. :被测介质的绝对温度K。xv. 浮子也叫转子；，指的是流量系数阻力系数分之一，d，转子最大的截面直径。h指的是转子在锥形管内的高度，指的是角度，锥度，锥形管的锥度。，转子的体积，Af，转子最大截面积， ，指的是流体的密度。xvi. ，指的是阻力系数，指的是流量系数。xvii. 简化成为，各个系数都是一定的，那么流量和高度是线性关系。xviii. 转子流量计的指示值修正。转子流量计什么高度指示什么流量，通过实验的方法标注的。实际使用的时候有与流体密度的变化，它的由于k值发生变化那么刚才那个公式，不同的k值，同样的高度，会得到不同的流量值，所以另外一个密度的液体得不到正确的流量值。由于原来的刻度值已经有了，现在可以列出两个公式，进行修正。气体液体密度或者状态发生变化的时候必须进行修正。xix. 它可以就地显示，要求测量比较干净的介质，不要测量太脏的介质，以免转子表面结垢影响测量精度。xx. 金属管的管路，看不到内部转子的高度，利用不锈钢材料做这个外壳，外壳加上磁性，不锈钢不导磁的，外面附加小磁铁，转子也加小磁铁，转子可以带动磁铁上下移动，通过杠杆原理，带动指针指示流量数值。xxi. 如果要远传信号的话，把转子的位置上方流动的方向修改了，流体的流动方向改为侧面流程，转换成差动变压器的形式，转换成远传信号。第六节 其他流量计一、 电磁流量计从根本的原理上讲，是利用电磁定律，中学已经学过了。E：感应电动势，D；有效长度，V速度，B磁场强度，都是正比例关系。如果管道直径是D，如图所示。切割磁力线的长度不是管子的长度，有效长度是管子的直径。有一段导体（流体）做切割磁力线的运动，应该产生感应电动势。对于每一个截面的话都是在做切割磁力线的运动。流量和所测到的感应电动势成正比例关系。实际的应用当中，受到一些限制，必须是导电流体，气体是一般不导电的。严格上讲对导电率有下限的影响，比如纯棉油不能被测量。介质中不能含有气泡，电磁感应电动势，必须想办法把它从管道中引出来，引出的方法，必须是从哪个方向来引呢，必须在管道截面上对应的位置来取感应电动势，使用一对电极，管道不能导电的，至少通过磁场的这一段不能导电的，比如用有机玻璃的管道，道理上讲是十分好的绝缘材料，但是比较脆，不耐高温，等等；所以还得使用金属材料，所以管道内壁处理成为绝缘的，不让它导电，形成复合管道，必须是特制的，内衬是不导电的绝缘层，只留出两个电极的小孔，这两个点取出电动势。如果流体中含有许多气泡，正好有个比较大的气泡，如果盖住了电极，那么电极取不到信号的，出现瞬间，对流量的测量有十分大的影响。电磁干扰也对电磁流量计的影响十分大。尽量避开干扰源。a) 电磁感应定律：导体在磁场中作切割磁力线的运动时，导体两端会产生感应电势。b) 导电的流体在磁场中垂直于磁力线方向流过时，它的两极之间有感应电动势产生。c) E=CBDV,则V=E/CBD,Q=V*Ad) NOTE:只适用于导电的液体介质，对介质有导电率下限要求，介质中不允许有太多气泡，另外，应注意远离电磁干扰源。e) 特点：流量计管内无阻力件，压损小，可以测量含有颗粒及悬浮物的流体；测量范围宽，测量反应速度快，可用于测量脉动流体。优势：它的管内没有阻力元件，没有阻力元件对流体产生扰动，也不会造成损失，不会产生阻力元件的磨损。电磁流量计管道内没有各种阻力元件，压力损失十分小，完全可以测量含有杂质的液体。流量测量范围十分宽，很宽的线性测量范围，而且它是直接测量流体的速度，反应速度特别快，可以用来测量脉动的流体，比如经常波动的流体，如果仪表的反应速度不够快的话，波形是测不出来的。二、 弯管流量计结构简单使用成本比较低的离心式流量计。如图，九十度的弯头，假设如图所示流体的流动方向，弯头的工艺管道中到处都是，弯头就可以测量流量，弯管当中流动的流体对内外管壁的离心离的作用时不一样的，离心离的存在造成了弯管内外两侧所受的作用力是不一样的。通过开孔取压的方式，通过差压流量计，可以测量出差压。可以在45的方向上所获得的差压值是最大的，最理想的，当然也可以在其他方向上开孔。可以套用差压式流量计的公式。a) 流体在弯管中流动时管壁受到流体流动的离心力作用，弯管内外侧管壁受到的作用力不同。弯头内外侧开孔，利用差压变送器，测出差压。它的阻力损失是十分小的，使用弯管流量计替换原有的弯管，阻力的损失变化几乎可以忽略了。是日本人首先研制的。b) 这个图形中的K值要经过试验标定，没有经验公式来直接获取。是非标准化的。c) 特点：阻力小，（相对孔板等其他流量计），对介质没有特殊要求，可用于含砂的原油测量，精度较低，需单独标定。第5章 温度测量及变送第6章 显示仪表44