热轧机仪表基础知识.

1、 仪表基础知识仪表基础知识 第一章 仪表及自动化的基本知识1仪表及自动化的产生和发展2仪表的常用信号简介3仪表的分类4仪表的工作原理 2021-12-112仪表发展已有悠久的历史。据韩非子有度记载，中国在战国时期已有了利用天然磁铁制成的指南仪器，称为司南。古代的仪器在很长的历史时期中多属用以定向、计时或供度量衡用的简单仪器。 1718世纪，欧洲的一些物理学家开始利用电流与磁场作用力的原理制成简单的检流计；利用光学透镜制成的望远镜，奠定了电学和光学仪器的基础。其它一些用于测量和观察的各种仪器也遂逐渐得到了发展。 19世纪到20世纪，工业革命和现代化大规模生产促进了新学科和新技术的发展，后来又出现

2、了电子计算机和空间技术等，仪器仪表因而也得到迅速的发展。现代仪器仪表已成为测量、控制和实现自动化必不可少的技术工具。2021-12-113 仪表的发展历史仪表的发展历史： 工业自动化仪表重点发展基于现场总线技术的主控工业自动化仪表重点发展基于现场总线技术的主控系统装置及智能化仪表、特种和专用自动化仪表；全系统装置及智能化仪表、特种和专用自动化仪表；全面扩大服务领域，推进仪器仪表系统的数字化、智能面扩大服务领域，推进仪器仪表系统的数字化、智能化、网络化，完成自动化仪表从模拟技术向数字技术化、网络化，完成自动化仪表从模拟技术向数字技术的转变，的转变，5年内数字仪表比例达到年内数字仪表比例达到60%

3、以上；以上； 2021-12-114常规仪表的分类常规仪表的分类一、压力仪表二、温度仪表三、流量仪表四、液位仪表五、接近开关，光电开关六、旋转编码器六、位移传感器2021-12-115常用仪表的信号仪表常用的电信号包括：420mADC信号15VDC信号脉冲信号RTD（热电阻）PT100信号mV信号(热电偶)2021-12-1162021-12-117压力仪表压力仪表现场压力表电接点压力表压力变送器/差压变送器压力开关2021-12-118压力仪表压力仪表现场压力表，从表盘直径看最常见的有60mm,100mm,150mm 三种规格。从接口看最常见的有M20X1.5, 1/2NPT, 法兰连接（有

4、法兰尺寸和耐压等级要求）2021-12-119电接点压力表一般有双节点作为报警、或启泵的条件。压力仪表压力仪表2021-12-1110压力仪表压力仪表压力变送器压力变送器 最常见的分为电容式压力变送器和单晶硅压力变送器。其它还有扩撒硅压力变送器。目前主流压力变送器主流几乎都采用了智能协议。电容式压力变送器电容式压力变送器：采用结构简单、坚固耐用且极稳定的可变电容形式，可变电容由压力腔上的膜片和固定在其上的绝缘电极所组成，当感受到压力变化时，膜片要产生微微的翘曲变形，从而改变了两极的间距，采用独特的检测电路测电容的微小变化，并进行线性处理和温度补偿。传感器输出与被测压力成正比的直流电压或电流信号

5、。精巧的结构、高性能的材料及先进的检测电路的完美结合，赋予了电容式 压力变送器以很高的性能。2021-12-1111单晶硅谐振式传感器：是一块单晶硅芯片上采用微电子机械加工技术，在单晶硅芯片上制成两个完全一致的H形状的谐振梁，并以一定的频率产生振动。其谐振频率取决于梁的长度和张力，其梁的长度已经确定，而张力是随压力变化而变化。从而把压力的变化转换成频率的变化，对差压采用频率差分技术，并将频率差信号直接输出到CPU进行运算和A/D转换。单晶硅谐振式压力变送器1、精度高2、稳定性好3、静压特性好4、具有良好的单向受压特性5、具有较宽的测量范围6、方便的组态能力和自诊断功能2021-12-1112差

6、压变送器差压变送器 一般使用来测量阻力、液位或者与流量节流元件配套使用测量流量仪表。 该类型仪表往往与三阀组或者五阀组配套使用。 目前国内应用三阀组较为普遍。对于三阀组类型的仪表有一个开关投用程序。投用三阀组：开正压阀，再关平衡阀，再开负压阀；关闭三阀组：关负压阀，打开平衡阀，关正压阀。2021-12-1113压力仪表压力仪表压力开关压力开关压力开关压力开关1、压力开关是一种简单的（压力控制装置），当被测压力达到额定值时，压力开关可发出（警报或控制）信号。 2、压力开关的工作原理是：当被测压力超过额定值时，弹性元件的自由端（产生位移），直接或经过比较后推动（开关元件），改变（开关元件）的通断状

7、态，达到控制被测压力的目的。 3.压力开关采用的弹性元件有（单圈弹簧管）、（膜片）、（膜盒）及（波纹管）等。 开关元件有（磁性开关）、（水银开关）、（微动开关）等。 4.压力开关的开关形式有（常开式）和（常闭式）两种。 5、压力开关的调节方式有（两位式）和（三位式）两种。 6.压力开关的参数可调，依实际使用压力范围调节 2021-12-1114温度仪表温度仪表玻璃管温度计 双金属温度计压力式温度计热电阻 热电偶 温度变送器 温度开关 非接触式温度计2021-12-1115玻璃管温度计：玻璃管温度计：这种温度表非常简单、普通。目前高精度的往往使用在仪表校验间实验室内。由于价格便宜，目前工厂内还有

8、应用。2021-12-1116由于两种金属的热膨胀系数不同，双金属片在温度改变时，两面的热胀冷缩程度不同，因此在不同的温度下，其弯曲程度发生改变。利用这一原理，制成温度计叫双金属温度计双金属温度计。双金属温度计双金属温度计2021-12-1117压力式温度计压力式温度计压力表式温度计的测量原理 压力表式温度计是根据在封闭容器中的液体、气体或低沸点液体和饱和蒸汽，受热后体积膨胀或压力变化这一原理而制作的，并用压力来测量这种变化，从而测得温度。 压力表式温度计主要由以下三部分组成： 1.温包温包是直接与被测介质相接触来感受温度变化的元件，因此要求它具有高的强度，小的膨胀系数，高的导热率以及抗腐蚀等

9、性质，根据所充工作介质和被测介质的不同，温包可用铜合金，钢或不锈钢来制造。 2.毛细管它是用铜或钢等材料冷拉成的无缝圆管，用来传递压力的变化。 3.弹簧管它就是一般压力表用的弹性元件。 2021-12-1118热电阻热电阻 热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热是阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。 热电阻测温原理： 热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜。 我们这套液化天然气项目中采用了大量的PT100型号的铂热电阻体。又

10、分为单支、双支。PT100类型电阻体对应 0时阻值为100。标准的热电阻回路国内一般采用三线制，采用三线制是为了消除连接导线电阻引起的测量误差。这是因为测量热电阻的电路一般是不平衡电桥。热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线（从热电阻到中控室）也成为桥臂电阻的一部分，这一部分电阻是未知的且随环境温度变化，造成测量误差。采用三线制，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样消除了导线线路电阻带来的测量误差。热电阻将铂热电阻体的电阻信号直接转换为420mADC的标准信号一体化仪表就是温度变送器中比较常见的一种。2021-12-1119热电阻接线方式。20

11、21-12-1120热电偶热电偶 热电偶是中高温区最常用的一种温度检测元件。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。热电偶的工作原理 两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。热电偶按材料分最常用的为K型（4.096mV）K 镍铬-镍硅 -200-+1000 ,E型(6.319mV),镍铬 铜镍 -200-+700 。 2021-12-1121如图所示，两种不同材料的导体或半导体

12、A和B焊接起来，构成一个闭合回路。置于被测温度为 t 的介质 中，称为工作段，另一端为自由端，放在温度为t0的恒定温度下，当工作段的被测介质温度发生变化时，热电势也随温度发生一定规律的变化。热电偶产生的热电动势，其大小只与电极材料与两端的温差有关，而与热电极的长度和直径的粗细无关。采用热电偶为测量元件的变送器称之为热电偶温度变送器。从外观上看，热电阻和热电偶温度变送器没有太大的区别。2021-12-1122热电偶产生热电势的条件是两热电极材料相两热电极材料相异、两接点温度相异异、两接点温度相异。2021-12-1123温度变送器的作用:有人说是测量温度的，这是不对的。其作用是将检测的热电偶或则

13、热电阻等温度信号转变为标准的仪表信号如4-20mADC,或者1-5VDC.2021-12-1124温度开关温度开关温度开关温度开关传统的温度开关多为机械式，其分为：蒸气压力式温控器、液体膨胀式温控器、气体吸附式温控器、金属膨胀式温控器。目前我厂没有使用该产品2021-12-1125涡轮流量计孔板流量计（含一体化孔板流量计）质量流量计转子流量计涡街流量计超声波流量计电磁流量计明渠流量计 流量仪表流量仪表楔形流量计靶式流量计2021-12-1126在天然气国际计量协会和中国的标准里目前得到认可的流量计只有三种：在天然气国际计量协会和中国的标准里目前得到认可的流量计只有三种：1、涡轮流量计： GB/

14、T 21391-2008“用涡轮流量计测量天然气流量”，主要参考标准是EN12261、AGA7号报告和ISO标准9952:1993 2、孔板流量计： GB/T 21446-2008“用标准孔板流量计测量天然气流量”，主要参考标准是AGA3号报告和ISO5167:2003。3、超声波流量计：GB/T 18604-2001“用超声流量计测量天然气流量”，主要参考标准是AGA9号报告和ISO技 术报告12765。天然气计量天然气计量2021-12-1127流量计流量计涡轮流量计涡轮流量计：当当被测流体流过涡轮流量计传感器时，在流体作用下，叶轮受力旋转，其转速与管道平均流速成正比，叶轮的转动周期地改变

15、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。 qv=f/K (7.1) qm=qv (7.2)式中 qv,qm分别为体积流量，m3/s，质量流量，kg/s；f流量计输出信号的频率，Hz；K流量计的仪表系数，P/m3。 2021-12-1128孔板流量计：孔板流量计：充满管道的流体，当它们流经管道内的节流装置时，流束将在节流装置的节流件处形成局部收缩，从而使流速增加，静压力低，于是在节流件前后便产生了压力降，即压差，介质流动的流量越大，在节流件前后产生的压差就越大，所以孔板流量计可以通过测量压差来衡量流体流量的大小。

16、这种测量方法是以能量守衡定律和流动连续性定律为基准的。流量计流量计2021-12-1129仪表里标准的三种节流元件：a: 孔板b: 喷嘴c: 文丘里管对于标准节流元件，流体的流量与其差压成（方根）关系Q=K*SQRT(P)其中P为差压2021-12-1130孔板的取压口方向1、节流装置安装在垂直管道上时，取压口的位置在取压装置的平面上可任意选择；2、节流装置安装在水平管道或倾斜管道上时，取压口的位置选择取决于被测介质的特性，见下图：问题：如果孔板装反了会有什情况发生？2021-12-11312、安装基本要求垂直度节流件上游端面与管道轴线的垂直度不大于1。不同轴度节流件应与管道同轴。直管段长度节

17、流装置应安装在两段有恒定横截面积的圆筒形直管段之间，最短直管段长度随节流件形式、阻流件形式和直径比而异。2021-12-1132质量流量计质量流量计质量流量计流体在旋转的管内流动时会对管壁产生一个力，它是科里奥利在1832年研究水轮机时发现的，简称科氏力。质量流量计以科氏力为基础，在传感器内部有两根平行的T型振管，中部装有驱动线圈，两端装有拾振线圈，变送器提供的激励电压加到驱动线圈上时，振动管作往复周在振管周期振动，工业过程的流体介质流经传感器的振动管，就会上产生科氏力效应，使两根振管扭转振动，安装在振管两端的拾振线圈将产生相位不同的两组信号，这两个信号差与流经传感器的流体质量流量成比例关系。

18、计算机解算出流经振管的质量流量。不同的介质流经传感器时，振管的主振频率不同，据此解算出介质密度。安装在传感器器振管上的铂电阻可间接测量介质的温度。2021-12-11332021-12-1134转子流量计转子流量计转子流量计浮子流量计,又称转子流量计,是变面积式流量计的一种 , 在一根由下向上扩大的垂直锥管中 , 圆形横截面的浮子的重力是由液体动力承受的 , 浮子可以在锥管内自由地上升和下降。在流速和浮力作用下上下运动，与浮子重量平衡后，通过磁耦合传到与刻度盘指示流量。一般分为玻璃和金属转子流量计。金属转子流量计是工业上最常用的，对于小管径腐蚀性介质通常用玻璃材质，由于玻璃材质的本身易碎性，关

19、键的控制点也有用全钛材等贵重金属为材质的转子流量计 2021-12-1135涡街流量计涡街流量计涡街流量计在流体中安放一个非流线型旋涡发生体，使流体在发生体两侧交替地分离，释放出两串规则地交错排列的旋涡，且在一定范围内旋涡分离频率与流量成正比的流量计。2021-12-1136超声波流量计超声波流量计依据测量原理常见的有两类： 时间差计量（传播速度差法） 多普勒原理计量 右图为丹尼尔超声波流量计在中国非常具有代表性。2021-12-11372021-12-11382021-12-11392021-12-1140多普勒超声波流量计为利用多普勒效应工作。如附图所示其通过对流体中颗粒与气泡的反射，使得

20、传输频率被线性改变。其最终结果是发射器与接收器频率之间的转换，该值与流速存在直接关系。超声波流量计超声波流量计2021-12-1141电磁波流量计电磁波流量计 电磁流量计的工作原理是基于法拉第电磁感应定律。在电磁流量计中，测量管内的导电介质相当于法拉第实验中的导电金属杆，上下两端的两个电磁线圈产生恒定磁场。当有有导电介质导电介质流过时，则会产生感应电压。管道内部的两个电极测量产生的感应电压。测量管道通过不导电的内衬（橡胶，特氟隆等）实现与流体和测量电极的电磁隔离。2021-12-1142电磁流量计用于测量导电液体介质流量，介质温度不宜超过120度，压力不宜超1.6MPa，不宜在负压状态下使用，

21、流速不得低于0.3m/s，被测介质中不能含有较多的磁铁性物质和气泡，被测流体基本无压损，测量精度可达0.5%，量程比宽为20：1，其测量原理为法拉第电磁感应定理。电磁流量计的基本测量原理是基于法拉第电磁感应定律，即导体在磁场中做切割磁力线运动时，在其两端产生感应电动势。流量计的测量管是由内衬绝缘材料的非导磁合金短管制作，两只电极沿管径方向穿通管壁固定在测量管上，其电极头与衬里内表面基本齐平。励磁线圈由双向方波脉冲励磁时，将在与测量管轴线垂直的方向上产生磁通量密度为B的工作磁场，此时，如果具有一定电导率的流体流经测量管，将切割磁力线，并感应出电动势E。电动势E正比于磁通量密度B，测量管内径d与平

22、均流速v的乘积。电动势E（流量信号）由电极检出并通过电缆送至转换器，转换器将流量信号放大处理后，可显示流体流量，并能输出脉冲、模拟电流等信号，用于流量的控制和调节。 其原理公式为： E=KBDV 式中： E - 为电极间的信号电压（v） B - 磁通密度（T） D - 测量管内径（m） V - 平均流速（m/s）2021-12-1143差压液位变送器双（法兰液位计）静压式液位计电浮筒式液位磁翻板液位计玻璃板液位计钢带式液位计雷达液位计超声波液位计液位料位仪表2021-12-1144差压液位变送器双（法兰液位计）利用对测量介质的两点之间由于存在液位高度所产生的压差进行测量的变送器仪表。和测量阻力

23、表几乎一样，只不过压差范围要小。双法兰属于一种特殊的差压变送器。2021-12-1145静压式液位计（静压液位计/液位变送器/液位传感器/水位传感器）是一种测量液位的压力传感器静压式液位计（液位计）是基于所测液体静压与该液体的高NIVELCO投入静压式液位计度成比例的原理，采用国外先进的隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号（一般为420mA/15VDC）。静压式液位计静压式液位计2021-12-1146磁翻板液位计磁翻板液位计根据浮力原理和磁性耦合作用原理工作的 。当被测容器 中的液位升降时，液位计本体管中的磁性浮子也随之

24、升降，浮子 内的永久磁钢通过磁耦合传递到磁翻柱指示器，驱动红、白翻柱 翻转180，当液位上升时翻柱由白色转变为红色，当液位下降时 翻柱由红色转变为白色，指示器的红白交界处为容器内部液位的实 际高度，从而实现液位清晰的指示。 超声波液位计是利用压电 陶瓷产生超声波，超声波遇到 物体或液体的界面产生反射， 液位计测量反射时间来计算液、 物位，实现对物位和液位的非 接触测量和控制。 适用于各种恶劣和危险环境下的液体和浆体。 超声波液位计超声波液位计2021-12-1148音叉液位音叉液位开关开关的工作原理是通过安装在音叉基座上的一对压电晶体使音叉在一定共振频率下振动。当音叉液位开关的音叉与被测介质相

25、接触时，音叉的频率和振幅将改变，音叉液位开关的这些变化由智能电路来进行检测，处理并将之转换为一个开关信号。音叉液位音叉液位开开开关开关2021-12-1149一般来说，接近开关常见的有电容式、电感式和霍尔接近开关三种电容式传感器可用无接触的方式来检测任意一个物体。与只能检测金属物的电感式传感器比较，电容式传感器也可以检测非金属的材料电感式接近开关必须检测金属材料。霍尔接近开关由霍尔原件组成，有低能耗，无损性长寿命的特点。 接近开关有个技术指标为检测距离或者说开关的动作距离。这个参数可以根据不同的应用进行选择。如果是检测距离不定，而需要一个大概的范围，推荐使用接近传感器。1、电感式接近开关工作原

26、理电感式传感器由三大部分组成：振荡器、开关电路及放大输出电路。振荡器产生一个交变磁场。当金属目标接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振。振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式之检测目的。 接近开关，光电开关接近开关，光电开关2021-12-1150接近开关，光电开关接近开关，光电开关2021-12-11512 、电容式接近开关的工作原理电容式接近开关的感应面由两个同轴金属电极构成，很象“打开的”电容器电极，该两个电极构成一个电容，串接在RC振荡回路内。电源接通时，RC振荡器不振荡，当一目标朝着电容器

27、的电靠近时，电容器的容量增加，振荡器开始振荡。通过后级电路的处理，将振和振荡两种信号转换成开关信号，从而起到了检测有无物体存在的目的。该传感器能检测金属物体，也能检测非金属物体，对金属物体可以获得最大的动作距离，对非金属物体动作距离决定于材料的介电常数，材料的介电常数越大，可获得的动作距离越大。3 、霍尔开关的工作原理磁式开关是接近开关，它（甚至透过非黑色金属）响应于一个永久的磁场。作用距离大于电感接近开关。响应曲线与永久磁场的方向有关。当一个目标（永久磁铁或外部磁场）接近时，线圈铁芯的导磁性（线圈的电感量L是由它决定的）变小，线圈的电感量也减小，Q值增加。激励振荡器振荡，并使振荡电流增加。器

28、振荡，并使振荡电流增加。接近开关，光电开关接近开关，光电开关2021-12-1152接近开关，光电开关接近开关，光电开关2021-12-1153光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。工作原理如图1所示。多数光电开关选用的是波长接近可见光的红外线光波型。图2是德国SICK公司的部分光电开关外型图。输出形式：分NPN二线、NPN三线、NPN四线、PNP二线、PNP三线、

29、PNP四线、AC二线、AC五线（自带继电器），及直流NPN/PNP/常开/常闭多功能等几种常用的输出形式。接近开关，光电开关接近开关，光电开关2021-12-1154接近开关，光电开关接近开关，光电开关2021-12-1155接近开关，光电开关接近开关，光电开关2021-12-1156接近开关，光电开关接近开关，光电开关2021-12-1157接近开关，光电开关接近开关，光电开关2021-12-1158接近开关，光电开关接近开关，光电开关2021-12-11592021-12-11602021-12-11旋转旋转光电编码器光电编码器2021-12-11光电编码器，又称光电角位置传感器。是集成光

30、光电编码器，又称光电角位置传感器。是集成光机机电为一体的电为一体的数字测角装置，主要是以高精度计量光栅为检测元件，通过光电转数字测角装置，主要是以高精度计量光栅为检测元件，通过光电转换，将轴的机械角位移信息转换成相应的数字代码，用他可以实现换，将轴的机械角位移信息转换成相应的数字代码，用他可以实现角位移、角速度、和角加速度及其他物理量的精确测量角位移、角速度、和角加速度及其他物理量的精确测量,输出信号输出信号与计算机相连接与计算机相连接,不仅能够实现数字测量与数字控制不仅能够实现数字测量与数字控制,而且与其他同而且与其他同类用途的传感器相比，具有精度高、测量范围广、使用可靠、易于类用途的传感器

31、相比，具有精度高、测量范围广、使用可靠、易于维护等优点。因此已普遍应用在雷达、光电经纬仪、地面指挥仪、维护等优点。因此已普遍应用在雷达、光电经纬仪、地面指挥仪、机器人、数控机床和高精度闭环调速系统等诸多领域，是自动化设机器人、数控机床和高精度闭环调速系统等诸多领域，是自动化设备理想的角度传感器。备理想的角度传感器。 编码器的前身接近开关-（齿轮传感器）接近传感器的安装接近传感器的信号输出光电编码器的基本部件电气输出电气输出 短路保护 反极性保护 放大电路 抗干扰电路等 数据输出 增量/绝对值机械系统机械系统旋转轴安装法兰+附件轴承系统支架外壳数据扫描系统数据扫描系统LED光源&光敏电阻

32、/永磁&霍尔元件增量码盘/绝对值码盘数据处理系统光电编码器光电编码器读出原理发光二极管发光二极管光电二极管光电二极管输出型号输出型号栅格栅格,虑光镜虑光镜码盘码盘光电编码器光电编码器结构原理绝对值和增量编码器的区别绝对值和增量编码器的区别 -码盘的不同是本质的区别码盘的不同是本质的区别 增量编码器绝对值编码器传送在一转中每一步的唯一的位置信息位置信息一直可用,即使在掉电或电源出现故障时一般应用于角度测量及往复运动在卷扬机和探尺控制中一般作为位置反馈一般用来测试速度与方向在卷扬机和探尺控制中一般作为电机的速度反馈也可以用角度测量，但在掉电或电源出现故障时位置信息丢失增量编码器增量编码器 显示速度与旋转方向 显示角度位置(脉冲累计) 角度测量时，如果电源出现故障,所有的位置信息丢失 分辨率通过每转多少脉冲表示增量编码器脉冲盘设计图 增量信号可以达到10000 脉冲/圈 A/ B/ 0通道 反相同道 0脉冲参考信号 编码器码盘的设计:一般采用以下3种材质 玻璃码盘适宜于高精度,镍和塑料码盘适宜于中等精度通道Z增量编码