培训资料之仪表部分

1、培训资料之仪表部分前言自动化技术是当代发展迅速、应用广泛、最引人瞩目的高新技术之一，在某种程度上，可以说自动化是现代化的同义词。工业自动化技术，就是在没有人直接参与的情况下，通过自动控制装置或系统，对生产过程、工艺参数、技术指标、产品要求等进行自动的调节与控制，使之达到预定的技术指标。自动化技术的水平，将直接影响到产品的质量、产量、成本、劳动生产率、预期生产和盈利目标的完成。我厂煤制油工艺是世界上第一套利用原煤作为原料，在高温、高压、催化剂、临氢条件下生产石油产品的工业化大型生产装置，其所采用的自动控制系统具有技术先进、高精度、高可靠性、高灵活性等特点，将会确保全厂装置安全、平稳、长周期、满负

2、荷和高质量运行，将会极大地提高企业的生产能力和经济效益。本章将从以下几个部分着手，结合本厂实际，有代表性的讲解工业自动化的基础理论和实际应用等方面的知识。第一节 DCS、ESD及现场总线技术一、 DCS 系统1. 概述 DCS(DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM)即集散型控制系统,是利用计算机技术对生产过程进行集中检测、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术，是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通讯网络技术、 CRT技术、图形显示技术及人机接口技术相互渗透发展而产生的。它实现了控制系统的功能分散，负荷分散，危险分散以及集中管理。DCS既不同于分散的仪表控制，又不同于集

3、中式计算机控制系统，而是克服了二者的缺陷集中了二者的优势。DCS采用的是标准化、模块化和系列化的设计，由过程控制级、控制管理级和生产管理级组成一个以通讯网络为纽带的集中显示而操作管理、控制相对分散的实用系统。它具有如下特点： （） 自主性；（） 协调性；（） 在线性与实时性；（） 高可靠性；（） 适应性、灵活性和可扩充性；（6） 友好性。各DCS厂商（以Honeywell、Emerson、Foxboro、横河、ABB为代表）纷纷提升DCS系统的技术水平，并不断地丰富其内容。总的发展趋势可体现在如下几个方面：各制造厂商都在“开放性”上下功夫，力求使自己的 DCS与其他厂商的产品很容易地联网；大力

4、发展和完善 DCS 的通信功能，并将生产过程控制系统与工厂管理系统连结在一起，形成管控一体化；高度重视系统的可靠性，在软件的设计中采用容错技术；在控制功能中，不断引进各种先进控制理论，以提高系统的控制性能，如自整定、自适应、最优、模糊控制等；在系统规模和结构上，形成由小到大的产品，以适应不同规模的需求。当今Honeywell 公司最新推出的Experion PKS（过程知识系统）、Emerson 公司的Plant Web (Emerson Process Management)、Foxboro公司的A2、横河公司的R3（PRM-工厂资源管理系统）和ABB公司的 Industrial IT 系统

5、代表了目前DCS的最新技术特点。而以和利时、浙大中控、上海新华为代表的国内DCS厂家经过10年的努力，各自推出自己的DCS系统：和利时推出MACSSmartpro第四代DCS系统、浙大中控推出Web field(ECS)系统、新华推出XDPF-400系统。三家积极努力，为DCS在国内工业企业的普及应用，特别是在中小型企业中的应用做出了贡献。2. Honeywell Pks 集散型控制系统（1） 简介 Experion PKS系统包含了霍尼韦尔公司三十年来在过程控制、操作管理、行业知识等方面积累的经验，采用最先进的开放平台和网络技术，为工业企业提供一个统一的、全厂的、自过程控制、设备和资产管理、

6、直至生产管理、集成制造等一体化的知识系统体系结构和全系列的解决方案。  PKS是具有最先进的DCS能力的、统一的、协作的体系结构。它最大的特点是采用容错以太网技术，具有先进的、鲁棒式的分布式控制系，它提供方便的知识共享和工作流的管理，使企业人员与最先进的自动化技术结合在一起，并使企业人员也相互联系在一起。Experion PKS 系统主要包括: 调节控制和逻辑控制一体化的C200混合控制器 和EPKS系统一体化的高可靠性的故障安全控制器FSC 多种类型的常规的、智能的输入/输出子系统和各种类型现场总线的集成 方便的基于Windows 的操作、应用环境 先进的HMIWeb技术的人机界面

7、 支持OPC等开放式标准，提供多种第三方控制器的通讯接口 鲁棒的、高可靠性的容错以太网FTE 高效的分布式系统体系结构DSA 全系列的先进控制、设备和异常状态管理、经营管理等集成制造解决方案（2） 系统组成 DCS一般由五部份组成：控制器、I/O板、操作站、通讯网络、图形及编程软件。尽管若干年以前就有人判定DCS即将被FCS（现场总线控制系统）所取代，然而直至今日，DCS仍然具有相当的生命力。 （3） 煤液化应用煤液化项目联合控制室UCR1-UCR5采用HONEYWELL PKS系统，单元控制室采用SCADAP32P控制器。二、 ESD 系统1. 概述ESD是英文Emergency Shutd

8、own Device的缩写，即紧急停车系统。这种专用的安全保护系统是90年代发展起来的，以它的高可靠性和灵活性而受到一致好评。ESD紧急停车系统按照安全独立原则要求，独立于DCS集散控制系统，其安全级别高于DCS。为何要独立设置ESD系统呢？当然一般安全联锁保护功能也可由DCS来实现。但是对于较大规模的紧急停车系统应按照安全独立原则与DCS分开设置，这样做主要有以下几方面原因： （1）降低控制功能和安全功能同时失效的概率，当维护DCS部分故障时也不会危及安全保护系统。 （2）对于大型装置或旋转机械设备而言，紧急停车系统响应速度越快越好。这有利于保护设备，避免事故扩大；并有利于分辨事故原因记录。

9、而DCS处理大量过程监测信息，因此其响应速度难以作得很快； （3）DCS系统是过程控制系统，是动态的，需要人工频繁的干预，这有可能引起人为误动作；而ESD是静态的，不需要人为干预，这样设置ESD可以避免人为误的动作。2. TRICON ESD 系统（1） 简介 Tricon 控制器是一种三重化冗余（Triple Modular RedundantTMR）控制器，它采用“三取二”表决方式工作。由于该控制器是美国Triconex 公司开发的，所以也称其为Tricon 控制器。另外，Tricon 控制器也是特指Triconex 公司开发的TMR产品，以别于其它公司开发的TMR产品。（2）系统组成Tr

10、icon三重化冗余容错控制器是通过三重模件冗余结构（TMR）实现容错的，不论是结构的硬件故障，还是内部或外部的瞬时故障，Tricon控制器都能做到无差错，不会中断控制。Tricon 控制器三重化结构如下图所示。自动热备用自动热备用I/O总线输出分电路A主处理器A输入分电路A三总线三总线 输出分电路B主处理器B输入分电路B I/O总线输出分电路C主处理器C输入分电路C输入表决器输出Tricon 控制器三重化结构 TRICON系统（TMR）的每一个数字输入/输出模件都包含三个完全相同的相互隔离的支路。每一个支路含有一个I/O微处理器，并从它的相应的主处理器上的I/O通讯处理器接收其输出表。 （3）

11、 煤液化应用煤液化项目的联锁保护系统采用的是Triconex 公司的TMR三重化冗余控制系统，满足TUV6的认证要求，达到SIL3的安全等级。三、 PLC 系统1. 概述PLC英文全称是Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是: 一种数字运算操作的电子系统，是专为在工业环境中应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出来控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器是六十年代末在美国首先出现的，目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时

12、、计数等顺序控制功能，故也称它为顺序控制器（Sequence Controller）。2. 系统组成可编程序控制器硬件由五部分构成:（1）中央处理器（ Central Processor Unit 简称CPU）；（2）电源 （Power Supply）；（3）输入组件（Inputs）；（4）输出组件（Outputs）；（5）编程器（Programmer）。3. PLC的主要特点 （1） 可靠性；（2） 丰富的I/O接口模块；（3）采用模块化结构；（4）编程简单易学；（5）安装简单，维修方便 。4. PLC的功能（1）逻辑控制；（2）定时控制；（3）计数控制；（4）步进(顺序)控制；（

13、5）PID控制；（6）数据控制；（7）通信和联网；（8）其它：PLC还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如：定位控制模块，CRT模块。5. PLC图例（1）基本逻辑门符号基本逻辑运算常用的逻辑门图形符号，如下图所示： (a) 与门 (b) 或门 (c) 非门图 基本逻辑门（2） 组合逻辑运算 组合逻辑运算将基本逻辑运算进行各种组合，可以获得与非、或非、与或非、异或、同或等组合逻辑运算。 组合逻辑门符号 与基本逻辑运算有对应的逻辑门一样，组合逻辑运算也有相应的逻辑门符号，这些符号基本上是由基本逻辑门的与门、或门和非门符号组合而成，见图。(a) 与非门 (b) 或非门 (c)

14、 与或非门 (d) 异或门 (e) 同或门图 各种组合逻辑门6. 煤液化装置主要应用PLC在煤液化项目中应用较多，如泵、压缩机、透平等。四、 现场总线1. 概述现场总线（FCS）是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、多节点通信网络，它也被称为现场底层设备控制网络（INFRANET）。分布式的FCS系统比DCS系统更好地体现了“信息集中，控制分散"的思想。2. 结构随着现场总线技术的出现和成熟，促使了控制系统由集散控制系统（DCS）向现场总线控制系统（FCS）的过渡。在一般的FCS系统中，遵循一定现场总线协议的现场仪表可以组成控制回路，使控制站的部分控制功能下移分散到各

15、个现场仪表中。从而减轻了控制站负担，使得控制站可以专职于执行复杂的高层次的控制算法。对于简单的控制应用，甚至可以把控制站取消，在控制站的位置代之以起连接现场总线作用的网桥和集线器，操作站直接与现场仪表相连，构成分布式控制系统。3. 特点分布式的FCS系统比DCS系统更好地体现了“信息集中，控制分散"的思想。与传统的DCS 相比，FCS有其自身的特点。FCS系统具有高度的分散性，它可以由现场设备组成自治的控制回路。FCS的结构比DCS简化。有的FCS系统省略了DCS中控制站这一层，操作站直接与现场仪表相连。这些使FCS的可靠性得到提高。现场总线系统具有开放性。系统的开放性决定了它具有互

16、操作性和互用性。作为工厂网络底层的现场总线还对现场环境有较强地适应性。由于结构上的改变，FCS比DCS更节约硬件设备。与此同时，FCS比DCS性能有所提高。4. 现场总线的优点由于现场总线具有以上特点，特别是其系统结构的简化，使其从设计、安装、投运到正常生产运行及检修维护，都体现出优越性。它不仅节省了硬件数量与投资，节省了安装费用，而且系统的维护开销也大大地降低。现场总线控制系统不仅精确度与可靠性高，在方便使用和维护性方面，FCS也比DCS有优势。FCS使用统一的组态方式，安装、运行、维修简便；利用智能化现场仪表，使维修预报（Predicted maintenance）成为可能；由于系统具有互

17、操作性和互用性，用户可以自由选择不同品牌的设备达到最佳的系统集成，在设备出现故障时，可以自由选择替换的设备，保障用户的高度系统集成主动权。此外，它还具有设计简单，易于重构等特点。5. 发展趋向传统的集散控制系统（DCS系统）具有集中监控、分散控制、操作方便的特点。但是，在实际应用中也发现DCS的结构存在一些不足之处，如控制不能做到彻底分散，危险仍然相对集中；由于系统的不开放性，不同厂家的产品不能互换、互联，限制了用户的选择范围。利用现场总线技术，开发FCS系统的目标是针对现存的DCS的某些不足，改进控制系统的结构，提高其性能和通用性。FCS想要在实际中取代DCS，既要具备DCS所具有的功能，又

18、要能克服DCS的缺点。FCS由于采用了现场总线技术，在开放性、控制分散等方面优于传统DCS。但是由于它是一种新技术，目前连标准本身都还没有制定统一，因此FCS与成熟的DCS相比，还存在下列的一些欠缺。（1）由于现场总线标准本身尚在发展中，从而给产品的开发和测试带来难度。（2）在某些场合中，FCS还无法提供DCS已有的控制功能。（3）目前FCS成功的应用实例不多，难以评估实际应用效果。由于以上这些原因，FCS取代DCS将是一个逐渐的过程。在这一过程中，会出现一些过渡型的系统结构，如在DCS中以FCS取代DCS中的某些子系统。用户将现场总线设备连接到独立的现场总线网络服务器，服务器配有DCS中连接

19、操作站的上层网络接口，与操作站直接通信。在DCS的软件系统中可增添相应的通信与管理软件，这样不需要对原有控制系统作结构上作出较大变动。第二节 现场仪表技术一、仪表的各种测量误差及参数1. 关于测量的概念 根据国际通用计量学基本名词的推荐“测量是以确定量为目的的一组操作”。这里的量值均指物理量而言。测得的物理量值是一个名数, 它由表示物理量的数值和物理量的单位组成。同一物理量, 由于所选择的单位不同, 得到测量结果的数值也不同。因此, 在给出测量值大小的同时一定要给出所用的测量单位。 2. 测量方法测量方法是完成测量任务所采用的手段。一般是根据给定的原理规定出在测量中所涉及的运算和实际操作。 在

20、测量过程中由于测量对象、测量环境、测量参数不同, 采用着各式各样的测量仪表和测量方法。 （1）简单测量当选用适当的测量仪表即可直接完成测量任务, 即可测得足够精度的被测物理量的大小时, 常把这种测量称为简单测量。 （2） 直接测量任何测量都包含不同的简单测量。如果在测量过程中只包括一项简单测量和只根据一些已知数据对测量结果运算就可以得到被测物理量的大小, 常把这种测量称为直接测量。 （3） 间接测量如果对被测物理量的测量包括两个或两个以上的简单测量, 或包括根据若干直接测量结果来计算出最后测量结果, 这种测量称为间接测量, 也叫非直接测量。 3. 测量仪表的性能指标 仪表运行特性通常分为静态特

21、性和动态特性两大类。 （1） 测量仪表的静态特性 精确度 与精确度有关的指标有三个: 精密度、正确度和精确度等级。 a精密度它说明测量仪表表示值的不一致程度。即对某一稳定的被测量在相同的规定的工作条件下, 由同一测量者用同一仪表在相当短的时间内连续重复测量多次, 其测量结果的不一致程度。 b正确度它说明表示值有规律地偏离真值大小值的程度。 c精确度它是精密度和正确度两者的总和, 即测量仪表给出接近于被测真值的能力。 d精确度等级它是指在规定的工作条件下, 仪表最大允许误差相对于仪表测量范围的百分数也称精度等级。 稳定性 它是指在规定的工作条件保持恒定时在规定时间内仪表性能保持不变的能力。一般用

22、精密度数值和观测时间长短表示。 影响系数 影响系数是仪表性能的重要指标。由于仪表实际工作条件要比标准工作条件差很多, 此时影响量的作用可以用影响系数来表示。它是示值变化与影响量变化之间的比值。 仪表静态输入-输出特性 仪表静态输入-输出特性由灵敏度、灵敏限、分辨率、线性度、滞环、量程等特性表示。 a灵敏度它表征仪表在稳态输出增量与输入增量之间的比值, 是静态特性曲线上相对应的斜率。 b灵敏限当仪表的输入量从零不断增加时, 在仪表示值发生可察觉的极微小变化时, 此时对应的输入量的最小变化值, 称为灵敏限。 c分辨率它表示仪表能够检测到被测量最小变化的本领。 d线性度通常用实际校验曲线与一条通过特

23、性曲线上、下限值的端基直线之间的最大偏差值与最大值之比来衡量。 死区、回差和滞环 a死区它是指不会引起仪表输出的输入值最大变化的范围。 b回差它是指在仪表全部测量范围内被测量值上行和下行所得到的两条 特性曲线之间的最大偏差。 c滞环它是指在仪表全部测量范围内被测量值上行和下行所得到的两条特性曲线之间的最大偏差与死区之差。 量程它是指测量上下限之间的代数差。 （2） 测量仪表的动态特性及动态误差 动态特性 测量仪表的动态特性是仪表在动态工作中所呈现的特性, 它决定仪表测量快变参数的精度, 通常用稳定时间和极限频率来概括表示。 所谓稳定时间是指给仪表一个阶跃输入, 从阶跃开始到输出信号进入并不再超

24、出对最终稳定值规定的允许误差时的时间间隔,稳定时间又称阻尼时间。 极限频率是指一个仪表的有效工作频率。在这个频率以内仪表的动态误差不超过允许值。 动态误差 动态误差是仪表随时间变化的被测量时所具有的误差, 其数值是动态与静态测量结果的差值。动态误差属于规律性误差。 仪表的各种测量误差（参数） 传感器和变送器在仪器、仪表和工业自动化领域中起着举足轻重的作用。但是在实际测量过程中，往往由于仪表本身性能、安装使用环境、测量方法及操作人员疏忽等主客观因素的影响，使得测量结果与被测量的真实值之间存在一些偏差，这个偏差就称为测量误差。4. 误差的分类误差的分类方法很多，如按误差出现的规律来分，可分为系统误

25、差、偶然误差和疏忽误差；按仪表使用条件来分，有基本误差、附加误差；按被测量变量随时间变化的关系来分，有静态误差、动态误差等等。一般经常用绝对误差、相对误差和引用误差等来表示仪表的性能指标。 绝对误差绝对误差是指仪表的测量值与被测变量真实值之差,即CCm-Cr。 相对误差相对误差是指测量的绝对误差与被测变量的真实值之比，即Ca=C/Cr。 引用误差测量仪表的准确性不仅与绝对误差和相对误差有关，而且还与仪表的测量范围有关。工业仪表通常用引用误差来表示仪表的准确程度，即绝对误差与测量范围的比值，以百分数表示，Ca=C/(Cmax-Cmin)x100%。 在正常使用条件下，仪表测量结果的准确程度叫仪表

26、的准确度（精确度），按数值的大小分为不同的等级，它是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。一般用最大引用误差去掉正、负号及百分号来表示准确度等级（精确度等级）。我国工业仪表等级一般划分为、0.05、0.1、0.25、0.35、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0、。 二、仪表分类及选用原则1. 检测与过程控制仪表分类检测与过程控制仪表（通常称自动化仪表）分类方法很多，根据不同原则可以进行相应的分类。例如按仪表所使用的能源分类，可以分为气动仪表、电动仪表和液动仪表（很少见）；按仪表组合形式，可以分为基地式仪表、单元组合仪表和综合控制装置；按仪表安装形式，可以分为现场仪表、盘装仪表和架装仪表；随着微处

27、理机的蓬勃发展，根据仪表有无引入微处理机（器）又可分为智能仪表与非智能仪表。根据仪表信号的形式可分为模似仪表和数字仪表。显示仪表根据记录和指示、模拟与数字等功能，又可分为记录仪表和指示仪表、模拟仪表和数显仪表，其中记录仪表又可分为单点记录和多点记录（指示亦可以有单点和多点），其中又有在纸记录或无纸记录，若是有纸记录又分笔录和打印记录。 调节仪表可是以分为基地式调节仪表和单元组合式调节仪表。由于微处理机引入，又有可编程调节器与固定程序调节器之分。执行器由执行机构和调节阀两部分组成。执行机构按能源划分为气动执行器、电动执行器和液动执行器，按结构形式可以分为薄膜式、活塞式（气缸式）和长行程执行机构。

28、调节阀根据其结构特性和流量特性不同进行分类，按结构特点通常分为直通单座、直通双座、三通、角形、隔膜、蝶形、球阀、偏心旋转、套筒（笼式）、阀体分离等，按流量特性分为直线、对数（等面分比）、抛物线、快开等。 这类分类方法相对比较合理，仪表覆盖面也比较广，但任何一种分类方法均不能将所有仪表分门别类地划分得井井有序，它们中间互有渗透，彼此沟通。例如变送器具有多种功能，温度变送器可以划归温度检测仪表，差压变送器可以划归流量检测仪表，压力变送器可以划归压力检测仪表，若用静压法测液位可以划归物位检测仪表，很难确切划归哪一类，中外单元组合仪表中的计算和辅助单元也很难归并。 2. 变送器的选用原则（1）各类变送

29、器的特点传感器和变送器在仪器、仪表和工业自动化领域中起着举足轻重的作用。与传感器不同，变送器除了能将非电量转换成可测量的电量外，一般还具有一定的放大作用。下面简单地介绍各类变送器的特点。 一体化温度变送器 一体化温度变送器一般由测温探头（热电偶或热电阻传感器）和两线制固体电子单元组成。采用固体模块形式将测温探头直接安装在接线盒内，从而形成一体化的变送器。一体化温度变送器一般分为热电阻和热电偶型两种类型。热电阻温度变送器是由基准单元、R/V转换单元、线性电路、反接保护、限流保护、V/I转换单元等组成。测温热电阻信号转换放大后，再由线性电路对温度与电阻的非线性关系进行补偿，经V/I转换电路后输出一

30、个与被测温度成线性关系的420mA的恒流信号。 热电偶温度变送器一般由基准源、冷端补偿、放大单元、线性化处理、V/I转换、断偶处理、反接保护、限流保护等电路单元组成。它是将热电偶产生的热电势经冷端补偿放大后，再由线性电路消除热电势与温度的非线性误差，最后放大转换为420mA电流输出信号。为防止热电偶测量中由于电偶断丝而使控温失效造成事故，变送器中还设有断电保护电路。当热电偶断丝或接解不良时，变送器会输出最大值（28mA）以使仪表切断电源。一体化温度变送器具有结构简单、节省引线、输出信号大、抗干扰能力强、线性好、显示仪表简单、固体模块抗震防潮、有反接保护和限流保护、工作可靠等优点。 一体化温度变

31、送器的输出为统一的420mA信号,可与微机系统或其它常规仪表匹配使用,也可按用户要求做成防爆型或防火型测量仪表。 压力变送器 压力变送器也称差压变送器，主要由测压元件传感器、模块电路、显示表头、表壳和过程连接件等组成。它能将接收的气体、液体等压力信号转变成标准的电流电压信号，以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。 压力变送器的测量原理（以电容式为例）是：过程压力通过两侧或一侧隔离膜片，灌充液作用在元件(即敏感元件)内张紧的测量膜片上，测量膜片与两侧绝缘体上的电容极板各组成一个电容器，在无压力通入或两侧压力均等时测量膜片处于中间位置，两个电容器的电容量相等.当两侧压

32、力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，这种位移转变为电容极板上形成的差动电容。由电子线路把差动电容转换成4-20mADC的二线制电流信号。压力变送器和绝对压力变送器的工作原理和差压变送器相同，所不同的是低压室压力是大气压或真空。压力变送器根据测压范围可分成一般压力变送器（0.001MPa20MP3）和微差压变送器（030kPa）两种。 液位变送器 a浮球式液位变送器 浮球式液位变送器由磁性浮球、测量导管、信号单元、电子单元、接线盒及安装件组成。 一般磁性浮球的比重小于0.5，可漂于液面之上并沿测量导管上下移动。导管内装有测量元件，它可以在外磁作用下将被测液位信号转换成正比于

33、液位变化的电阻信号，并由电子单元转换成420mA或其它标准信号输出。该变送器为模块电路，具有耐酸、防潮、防震、防腐蚀等优点，电路内部含有恒流反馈电路和内保护电路，可使输出最大电流不超过28mA，因而能够可靠地保护电源并使二次仪表不被损坏。 b浮筒式液位变送器 浮筒式液位变送器是将磁性浮球改为浮筒，它是根据阿基米德浮力原理设计的。浮筒式液位变送器是利用微小的金属膜应变传感技术来测量液体的液位、界位或密度的。它在工作时可以通过现场按键来进行常规的设定操作。 c静压或液位变送器 该变送器利用液体静压力的测量原理工作。它一般选用硅压力测压传感器将测量到的压力转换成电信号，再经放大电路放大和补偿电路补偿

34、，最后以420mA或010V的电流方式输出。 电容式物位变送器 电容式物位变送器适用于工业企业在生产过程中进行测量和控制生产过程，主要用作类导电与非导电介质的液体液位或粉粒状固体料位的远距离连续测量和指示。 电容式液位变送器由电容式传感器与电子模块电路组成，它以两线制420mA恒定电流输出为基型，经过转换，可以用三线或四线方式输出，输出信号形成为15V、05V、010mA等标准信号。电容传感器由绝缘电极和装有测量介质的圆柱形金属容器组成。当料位上升时，因非导电物料的介电常数明显小于空气的介电常数，所以电容量随着物料高度的变化而变化。变送器的模块电路由基准源、脉宽调制、转换、恒流放大、反馈和限流

35、等单元组成。采用脉宽调原理进行测量的优点是频率较低，对周围无射频干扰、稳定性好、线性好、无明显温度漂移等。 超声波变送器 超声波变送器分为一般超声波变送器（无表头）和一体化超声波变送器两类，一体化超声波变送器较为常用。 一体化超声波变更新器由表头（如LCD显示器）和探头两部分组成，这种直接输出420mA信号的变送器是将小型化的敏感元件（探头）和电子电路组装在一起，从而使体积更小、重量更轻、价格更便宜。超声波变送器可用于液位。物位的测量和开渠、明渠等流量测量，并可用于测量距离。 锑电极酸度变送器 锑电极酸度变送器是集PH检测、自动清洗、电信号转换为一体的工业在线分析仪表，它是由锑电极与参考电极组

36、成的PH值测量系统。在被测酸性溶液中，由于锑电极表面会生成三氧化二锑氧化层，这样在金属锑面与三氧化二锑之间会形成电位差。该电位差的大小取决于三所氧化二锑的浓度，该浓度与被测酸性溶液中氢离子的适度相对应。如果把锑、三氧化二锑和水溶液的适度都当作1，其电极电位就可用能斯特公式计算出来。 锑电极酸度变送器中的固体模块电路由两大部分组成。为了现场作用的安全起见，电源部分采用交流24V为二次仪表供电。这一电源除为清洗电机提供驱动电源外，还应通过电流转换单元转换成相应的直流电压，以供变送电路使用。第二部分是测量变送器电路，它把来自传感器的基准信号和PH酸度信号经放大后送给斜率调整和定位调整电路，以使信号内

37、阻降低并可调节。将放大后的PH信号与温度补偿信号进行迭加后再进入转换电路，最后输出与PH值相对应的420mA恒流电流信号给二次仪表以完成显示并控制PH值。 酸、碱、盐浓度变送器 酸、碱、盐浓度变送器通过测量溶液电导值来确定浓度。它可以在线连续检测工业过程中酸、碱、盐在水溶液中的浓度含量。这种变送器主要应用于锅炉给水处理、化工溶液的配制以及环保等工业生产过程。 酸、碱、盐浓度变送器的工作原理是：在一定的范围内，酸碱溶液的浓度与其电导率的大小成比例。因而，只要测出溶液电导率的大小变可得知酸碱浓度的高低。当被测溶液流入专用电导池时，如果忽略电极极化和分布电容，则可以等效为一个纯电阻。在有恒压交变电流

38、流过时，其输出电流与电导率成线性关系，而电导率又与溶液中酸、碱浓度成比例关系。因此只要测出溶液电流，便可算出酸、碱、盐的浓度。 酸、碱、盐浓度变送器主要由电导池、电子模块、显示表头和壳体组成。电子模块电路则由激励电源、电导池、电导放大器、相敏整流器、解调器、温度补偿、过载保护和电流转换等单元组成。 电导变送器 它是通过测量溶液的电导值来间接测量离子浓度的流程仪表（一体化变送器），可在线连续检测工业过程中水溶液的电导率。 由于电解质溶液与金属导体一样是电的良导体，因此电流流过电解质溶液时必有电阻作用，且符合欧姆定律。但液体的电阻温度特性与金属导体相反，具有负向温度特性。为区别于金属导体，电解质溶

39、液的导电能力用电导（电阻的倒数）或电导率（电阻率的倒数）来表示。当两个互相绝缘的电极组成电导池时，若在其中间放置待测溶液，并通以恒压交变电流，就形成了电流回路。如果将电压大小和电极尺寸固定，则回路电流与电导率就存在一定的函数关系。这样，测了待测溶液中流过的电流，就能测出待测溶液的电导率。 电导变送器的结构和电路与酸、碱、盐浓度变送器相同。 智能变送器 智能式变送器是由传感器和微处理器（微机）相结构而成的。它充分利用了微处理器的运算和存储能力，可对传感器的数据进行处理，包括对测量信号的调理（如滤波、放大、A/D转换等）、数据显示、自动校正和自动补偿等。 微处理器是智能式变送器的核心。它不但可以对

40、测量数据进行计算、存储和数据处理，还可以通过反馈回路对传感器进行调节，以使采集数据达到最佳。由于微处理器具有各种软件和硬件功能，因而它可以完成传统变送器难以完成的任务。所以智能式变送器降低了传感器的制造难度，并在很大程主上提高了传感器的性能。另外，智能式变送器还具有以下特点：具有自动补偿能力，可通过软件对传感器的非线性、温漂、时漂等进行自动补偿；可自诊断，通电后可对传感器进行自检，以检查传感器各部分是否正常，并作出判断；数据处理方便准确，可根据内部程序自动处理数据，如进行统计处理、去除异常数值等；具有双向通信功能。微处理器不但可以接收和处理传感器数据，还可将信息反馈至传感器，从而对测量过程进行

41、调节和控制；可进行信息存储和记忆，能存储传感器的特征数据、组态信息和补偿特性等；具有数字量接口输出功能，可将输出的数字信号方便地和计算机或现场总线等连接。（2） 传感器选用原则现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。 根据测量对象与测量环境确定传感器的类型 灵敏度的选择 频率响应特性 线性范围 稳定性 精度三、流量测量仪表 流量就是在单位时间内流体通过一定截面积的量。这个量用流体的

42、体积来表示称为瞬时体积流量（qv），简称体积流量；用流量的质量来表示称为瞬时质量流量（qm），简称质量流量。流量计量单位一般有:体积流量： m3/h，L/h；质量流量： Kg/h，t/h；标准状态下气体体积流量： Nm3/h 对在一定通道内流动的流体的流量进行测量统称为流量计量。根据测量原理，将流量测量方法分为几大类，下面分别说明其测量方法、特性等，并介绍几种常用的流量计。1. 差压式流量计（1） 概述 差压式流量计(Difference Press Flowmeter)简称DPF，是利用孔板节流原理，根据产生的差压、已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来测量流量的仪表。（2） 基本原理充满

43、管道的流体，当它流经管道内的节流件时，流速将在节流件处形成局部收缩，因而流速增加，静压力降低，于是在节流件前后便产生了压差。流体流量愈大，产生的压差愈大，这样可依据压差来衡量流量的大小。这种测量方法是以流动连续性方程(质量守恒定律)和伯努利方程(能量守恒定律)为基础的。压差的大小不仅与流量还与其他许多因素有关，例如当节流装置形式或管道内流体的物理性质(密度、粘度)不同时，在同样大小的流量下产生的压差也是不同的。在正常情况（介质物理参数保持不变）下，流量的大小是与孔板前后产生的压差的平方根成正比的，FkP1/2。孔板是一块加工成圆形同心的具有锐利直角边缘的薄板。孔板开孔的上游侧边缘应是锐利的直角

44、。标准孔板有三种取压方式：角接、法兰及D-D/2取压；如图所示。 图 孔板的三种取压方式在煤液化装置中楔形流量计也是仪表的选型之一，如FE1606、FE1706、FE1806等等。楔形流量计也是差压节流元件的一种，其结构如下图所示。其检测件为V形，设计合适时无滞流区，不会使管道堵塞，取压方式未标准化。楔形流量计 1-高压取压口；2-低压取压口；3-测量管；4-楔形孔板；5-法兰主要特点： 测量范围宽, 雷诺数500到数百万范围内, 流量和差压始终保持方根关系。 精确度高,经标定的楔式流量计, 其流量系数基本误差在+0.5%内。 具有自清洁能力, 节流件上下游无滞流区。 永久压损比孔板小。 它结

45、构坚固、抗震性好，安装方便、操作简单且重复性好, 可靠性高。 寿命长, 成本低, 安装及维护方便适用范围： 适合于低雷诺数流体的流量测量。 特别适合于高粘度流体、含固体颗粒液体、浆状流体，如燃料油、原油、废水、煤焦油、铁矿浆、油浆、碳黑溶液、两相流体等流量的测量。 适合于公称直径DN25-DN300的管道。 管嘴取压楔式流量计用于公称压力PN6.4MPa和温度450以下的各种场合；法兰取压式楔式流量计适用于公称压力PN4.0MPa以下的各种场合；其温度视差压变送器的耐温性能而定，一般限制在180以下。（3） 差压计特点节流孔板结构易于复制，简单，牢固，性能稳定可靠，使用期限长，价格低廉。DPF

46、应用领域极其广泛，至今尚无任何一类流量计可与之相比，封闭管道各种测量对象都有应用：流体方面，单相、混相、洁净、脏污；工作状态方面，常压、高压、真空、常温、高温、低温；管径方面，从几毫米到几米；流动条件方面：亚音速流、临界流、脉动流。缺点；如流出系数不稳定，线性差，重复性不高，准确度因受诸多因素影响也不高，易积污和易被磨损，压损较大，量程比（范围度）小，现场安装条件高，要求的直管段过长等。（4） 安装使用注意事项 安装注意事项：节流元件的安装要求包括方向要求（孔板圆柱形锐孔方向与流体流向一致）、管道条件(吹扫干净)、管道连接情况（节流件的前端面应与管道轴线垂直）、取压口位置（根据被测介质而定）、

47、节流装置上下游直管段长度（节流件不同要求也不同）以及差压信号管路的敷设情况等。 使用注意事项尽管DPF的设计、制造及安装等皆符合标准规定的要求，但如果不注意使用，也可能达不到设计精确度的要求。DPF检测件节流装置安装于现场各种工作场所，在长期运行后，无论管道或节流装置都会发生一些变化，如堵塞、结垢、磨损、腐蚀等等，因此节流件任何几何形状及尺寸的变化都会带来附加误差，因此定期检查检测件是必要的。使用者要及时检查工艺参数，对仪表进行修正或采取一些措施，如更换节流件，调整差压变送器量程等等。 另外，在起表时应注意避免差压表单向受压和承受高温，排放时注意隔离液的流失并防止产生燃烧、爆炸、中毒、污染等危

48、险。注意引压管和变送器的保温伴热，防止介质冷凝，结晶等，影响测量。2. 容积式流量计 （1） 概述容积式流量计又称排量流量计（positive displacement flowmeter），简称PDF，在流量仪表中是精度最高的一类。它利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分，根据计量室逐次、重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流量体积总量。PDF流量计一般不具有时间基准，为得到瞬时流量值需要另外附加测量时间的装置。PDF品种繁多，可按不同原则分类。按测量元件结构分类有如下型式：转子式、刮板式、旋转活塞式、膜式等。（2） 基本原理典型的PDF（椭圆齿轮式）的工作原理如下图

49、所示。两个椭圆齿轮具有相互滚动进行接触旋转的特殊形状。P1和p2分别表示入口压力和出口压力，显然p1>p2，图（a）下方齿轮在两侧压力差的作用下，产生逆时针方向旋转，为主动轮；上方齿轮因两侧压力相等，不产生旋转力矩，是从动轮，由下方齿轮带动，顺时针方向旋转。在(b)位置时，两个齿轮均在差压作用下产生旋转力矩，继续旋转。选装到(c)位置时，上方齿轮变为主动轮，下方齿轮则成为从动轮，继续旋转到与(a)相同位置，完成一个循环。一次循环动作排出四个由齿轮与壳壁间围成的新月形空腔的流体体积，该体积称作流量计的"循环体积"。 设流量计"循环体积"为v，一定时间

50、内齿轮转动次数为N，则在该时间内流过流量计的流体体积为V有VNv 。虽然有许多分割方法形成各种形式的PDF，但大部分都有相似的基本特征。PDF产生误差的主要原因是分割单个流体体积的活动测量件和静止测量室之间的缝隙泄漏量所形成。（3）特点PDF计量精度高，没有前置直管段要求。PDF可用于高粘度流体的测量。范围度宽，一般为10：1到5：1，特殊的可达30：1或更大。PDF是直读式仪表，无需外部能源，可直接获得累计总量，操作简便。但是PDF结构复杂，体积大，笨重，故一般只适用于中小口径。与其他几类通用流量计（如差压式、浮子式、电磁式）相比，PDF的被测介质种类、介质工况（温度、压力）、口径局限性较大

51、，适应范围窄。由于高温下零件热膨胀、变形，低温下材质变脆等问题，PDF一般不适用于高低温场合。目前可使用温度范围大致在-30+160，压力最高为10MPa。大部分PDF仪表只适用洁净单相流体，含有颗粒、脏污物时上游需装过滤器（否则检测活动件易被卡死），既增加压损，又增加维护工作；如测量含有气体的液体必须装设气体分离器。部分形式PDF仪表（如椭圆齿轮式、腰轮式、旋转活塞式等）在测量过程中会给流动带来脉动，较大口径仪表还会产生噪声，甚至是管道产生振动。（4） 安装及使用注意事项 安装注意事项：a.周围温度和湿度应符合制造厂规定，一般温度为-10(-15)40（50），湿度为10%90%。b.日光直

52、射在夏季会使温度升高，接近辐射热的场所，亦会使温度升高 。这种场所应采取遮阳或隔热措施。c.非防尘、防浸水型仪表应避开有腐蚀性气氛或潮湿场所，因为计算器减速齿轮等零部件会被腐蚀气体和昼夜温差结露所损坏。如无法避免，可采取内腔用洁净空气吹气(air pruge)方式保持微正压。d.避开振动和冲击的场所。e.要有足够空间便于安装和日常维护。f.仪表姿势必须做到横平竖直，一般为水平安装。流动方向应与仪表壳体表明方向一致，一般只能作单方向测量，必要时在其下游装止逆阀，以免损坏仪表。与管道连接要使流量计不承受管线膨胀、收缩、变形和振动；防止系统因阀门及管道设计不合理产生振动，特别要避免谐振。PDF计量室

53、与活动检测件的间隙很小，流体中颗粒杂质影响仪表正常运行，造成卡死或过早磨损。仪表上游必须安装过滤器，并定期清洗；测量气体在必要时应考虑加装沉渣器或水吸收器等保护性设备。用于测量液体管道必须避免气体进入管道系统，必要时设置气体分离器。g.在连续使用的生产线上安装流量计时，应设置旁路管线和阀门，以便于清扫和检修。 使用注意事项： a.清洗管线 新投管线运行前要清扫，往往随后还要用实流冲洗，以去除残留焊屑垢皮等。此时先应关闭仪表前后截止阀，让液流从旁路管流过；若无旁路管，仪表位置应装短管代替。b.排尽气体 通常实液扫线后，管道内还残留较多空气，随着加压运行，空气以较高流速流过PDF，活动测量元件可能

54、过速运转，损伤轴和轴承。因此开始时要缓慢增加流量，使空气渐渐外逸。c.旁路管切换顺序 液流从旁路管转入仪表时，启闭要缓慢，特别在高温高压管线上更应注意。启用时第1步徐徐开启旁路阀，液体先在旁路管流动一段时间；第2步徐徐开启进口阀；第3步徐徐开启出口阀；第4步徐徐关闭旁路阀。切除仪表改旁路管时按上述逆顺序动作操作。启动后通过最低位指针或字轮和秒表，确认未达过度流动，最佳流量应控制在(7080%)最大流量，以保证仪表使用寿命。d.检查过滤器 新线启动过滤器网最易被打破，试运行后要及时检查网是否完好。同时过滤网清洁无污物时记录下常用流量下的压力损失这个参数，今后不必卸下检查网堵塞状况，即以压力损失增

55、加程度判断是否要清洗。e.测量高粘度液体 用于高粘度液体，一般均加热后使之流动。当仪表停用后，其内部液体冷却而变稠，再启用时必须先加热待液体粘度降低后才让液体流过仪表，否则会咬住活动测量元件使仪表损坏。f.润滑 气体用等PDF启用前必须加润滑油，日常运行也经常检查润滑油存量的液位计。g.避免急剧流量变化 使用气体腰轮流量计时，应注意不能有急剧的流量变化(如使用快开阀)，因腰轮的惯性作用，急剧流量变化将产生较大附加惯性力，使转子损坏。用作控制系统的检测仪表时，若下游控制突然截止流动，转子一时停不下来，产生压气机效应，下游压力升高，然后倒流，发出错误信号。h.冲洗管道用蒸汽时禁止通过PDF。3.

56、涡轮流量计（1） 概述涡轮流量计（Turbine Flowmeter）简称TUF，是一种速度式流量计，被测介质的流体冲击叶轮片，使涡轮旋转，其旋转速度随流量的大小而变化。（2） 基本原理如图所示为涡轮传感器结构图，由图可见，当被测流体流过传感器时，由于叶轮的叶片与流体流向之间有一倾角，流体冲力使叶轮产生转动力矩，克服阻力矩后叶轮开始旋转，当两力矩平衡时叶轮便恒速旋转。其转速与管道平均流速成正比，叶轮的转动周期地改变磁电转换器的磁阻值。检测线圈中磁通随之发生周期性变化，产生周期性的感应电势，即电脉冲信号，经放大器放大后，送至显示仪表显示。在一定条件下转速与流量成正比，因此测出叶轮转速就可求得流量。（3） 特点涡轮流量计具有精度高、重复性好、时间常数小、量程宽、刻度线性以及结构简单、加工零部件少、重量轻、维修方便、流通能力大（同样口径可通过的流量大）和可适应高参数（高温、高压、微流量和低温）等特点。它广泛应用于以下一些测量对象：石油、有机液体、无机液、液化气、天然气、煤气和低温流体等。TUF作为最通用的流量计，其产品已发展为多品种、全系列