化工仪表(一)

1、化工仪表（一）在化工行业的生产过程中，所处理的介质通常是气态、液态流体。对这些流体的处理，往往是在密闭的设备、管道中、开口的罐中连续进行的，在这种情况下，通常借助与检测仪表和自动化装置、仪器进行检测和控制，才能正确的监控设备运行的情况，并及时的调整生产处于最佳状态，已达妻指导生产操作。由于现代生产规模的不断扩大，需要监控的参数逐渐增多 ，只靠人工测量，手工操作，已经无法满足现代工业生产的要求。为了确保生产的安全，提高生产效率，改善劳动条件，必须把生产中的各项工艺参数控制在最佳值，使生产设备在最佳状态下自动的运行亦即实现生产过程的自动化，而实现生产过程的自动化主要靠生产过程中四大参数的控制，即流

2、量，压力，物位，温度，这四大参数控制的实现主要靠变送器及现场就地指示仪表的实现了，而随着生产系数的提高，现在石油，化工都逐渐的使用了现场分析仪表了。接下来我来阐述这些仪表的应用。一、压力仪表1、现场指示压力表1（1）弹性式压力计基本测量原理单圈弹簧是一根弯成270°圆弧的椭圆截面的空心金属管子。管子的自由端B封闭，别一端固定在接头9上。当通入被 测的压力P后，由于椭圆形截面在压力p的作用下，将趋于圆形，而弯成圆弧形的弹簧管也随之产生扩张变形。同时，使弹簧管的自由端B产生位移。输入压力p越大，产生的变形也越大。由于输入压力与弹簧管自由端B的位移成正比，所以只要测得B点的位移量，就能反映

3、压力P的大小。注意：弹簧管自由端B的位移量一般很小，直接显示有困难，所以必须通过放大机构才能指示出来。在化工生产过程中，常需要把压力控制压力偏离给定范围时，及时发出信号，以提醒操作人员注意或通过中间继电器实现压力的自动控制。在某一范围内，即当压力低于或高于给定范围时，就会破坏正常工艺条件，甚至可能发生危险。这时就应采用带有报警或控制触点的压力表。将普通弹簧管压力表稍加变化，便可成为电接点信号压力表它能在压力偏离给定范围时，及时发出信号，以提醒操作人员注意或通过中间继电器实现压力的自动控制。1（2）电气式压力计电气式压力计是一种能将压力转换成电信号进行传输及显示的仪表。电器式压力计一般由压力传感

4、器、测量电路和信号处理装置所组成。常用的信号处理装置有指示仪、记录仪以及控制器、微处理机等。电器式压力计的传感器又应变片压力传感器和压阻式压力传感器。应变片式压力传感器利用电阻应变原理构成。电阻应变片有金属和半导体应变片两类，被测压力使应变片产生应变。当应变片产生压缩（拉伸）应变时，其阻值减小（增加），再通过桥式电路获得相应的毫伏级电势输出，并用毫伏计或其他记录仪表显示出被测压力，从而组成应变片式压力计。而压阻式压力传感器利用单晶硅的压阻效应而构成。采用单晶硅片为弹性元件，在单晶硅膜片上利用集成电路的工艺，在单晶硅的特定方向扩散一组等值电阻，并将电阻接成桥路，单晶硅片置于传感器腔内。当压力发生

5、变化时，单晶硅产生应变，使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成比例的变化，再由桥式电路获得相应的电压输出信号。电气式压力计的特点：（1）电气式压力计的特点精度高、工作可靠、频率响应高、迟滞小、尺寸小、质量轻、结构简单；（2）便于实现显示数字化；（3）可以测量压力，稍加改变，还可以测量差压、高度、速度、加速度等参数。1（3）电容式压力变送器电容式压力变送器的工作原理先将压力的变化转换为电容量的变化，然后进行测量2.远传式压力变送器2（1）智能式变送器智能型压力或差压变送器是在普通压力或差压传感器的基础上增加微片理器电路而形成的智能检测仪表。智能式变送器的特点：性能稳定，可靠性好，测量精度高，

6、基本误差仅为±0.1。量程范围可达100：1，时间常数可在036s内调整，有较宽的零点迁移范围。具有温度、静压的自动补偿功能，在检测温度时，可对非线性进行自动校正。具有数字、模拟两种输出方式，能够实现双向数据通讯，可以与现场总线网络和上位计算机相连。可以进行远程通讯，通过现场通讯器，使变送器具有自修正、自补偿、自诊断及错误方式告警等多种功能，简化了调整、校准与维护过程，使维护和使用都十分方便智能变送器的结构原理：从整体上来看，由硬件和软件两大部分组成。从电路结构上来看，包括传感器部件和电子部件两部分。1（4）压力计的选用及安装：压力计的选用压力计的选用应根据工艺生产过程对压力测量的要

7、求，结合其他各方面的情况，加以全面的考虑和具体的分析，一般考虑以下几个问题。仪表类型的选用仪表精度级的选取仪表测量范围的确定测压点选择应能反映被测压力的真实大小。要选在被测介质直线流动的管段部分，不要选在管路拐弯、分叉、死角或其他易形成漩涡的地方。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。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。导压管辅设导压管粗细要合适，一般内径为610mm，长度应尽可能短，最长不得超过50m，以减少压力指示的迟缓。如超过50m，应选用能远距离传送的压力计。导压管水平安

8、装时应保证有1：101：20的倾斜度，以利于积存于其中之液体（或气体）的排出。当被测介质易冷凝或冻结时，必须加设保温伴热管线。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。压力计的安装压力计应安装在易观察和检修的地方。安装地点应力求避免振动和高温影响。测量蒸汽压力时，应加装凝液管，以防上高温蒸汽直接与测压元件接触。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2大于和小于隔离液密度1的两种情况。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。当被测压力较小，而压力计与取压口又在不

9、同一高度时，对由此高度而引起的测量误差应按p±Hg 进行修正。式中H为高度差，为导压管中介质的密度，g为重力加速度。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、流量仪表1.1金属浮子流量计金属浮子流量计的工作原理：被测介质自下而上流经测量管时，浮子上下端产生差压形成上升力，当浮子所受上升力大于浸在流体中浮子重量，浮子便上升，环隙面积随之增大，环隙处流体流速迅速下降，肖子上下端差压降低，作用于浮子的上升力随着减小，直到上升力与浸要流体中浮子重量平衡时，浮子便稳定在第一位置，浮子位置的高低即对应着被测介质流量的大小。浮子内置磁钢，在

10、浮子随介质上下移动时，磁场随浮子的移动而变化。通过一个磁传感器将磁场充化转化成电信号，经模数变换，数字滤波，温度补偿，微处理器处理，数模转换，液晶显示，开关控制输出，来显示出瞬时流量和累积流量大小并加以控制1.2金属浮子流量计的安装为了保证金属管浮子流量计正常工作并达到要求的测量精度，一般应注意以下几点：·金属管浮子流量计必须垂直安装，流体自下而上流过流量计，且垂直度优于2°，水平安装时水平夹角优于2°；·安装在工艺管线上的金属管浮子流量计应加旁路，以便处理故障或吹洗时不影响生产；·金属管浮子流量计 入口处应有5倍管径以上长度的直管段，出口应有

11、250mm直管段，以保证仪表测量精度；·如果介质中含有铁磁性物质，应安装磁过滤器；·如果介质中含有固体杂质，应考虑在阀门和直管段之间加装过滤器；·当用于气体测量时，应保证管道压力不小于5倍流量计的压力损失，以使浮子稳定工作；·如果被测介质的温度高于220或流体温度过低易发生结晶时，需休取隔热保护措施时，应选用夹套型，以便进行冷却或保温；·管道法兰、紧固件、密封垫与流量计法兰标准相同才能使仪表正常安装运行；·该产品一般在装置正常运行后，不需要维护，故障多发生在装置刚刚启动时，由于管道吹洗不干净，而发生浮子被固体颗粒卡住现象，此时指示器的

12、指针在一位置不动。这时首先应关闭流量计两边的阀门，然后拆下上法兰，取出浮子进行清洗，再重新装好。注意紧固上法兰螺母要平衡拧紧，并垫好垫圈；·为了避免由于管道引起的流量计变形，工艺管线的法兰必须与流量计的法兰同轴并且相互平行，适当地管道支撑以避免管道振动和减小流量计的轴向负荷，测量系统中控制阀应安装在流量计的下游；·由于仪表是通过磁耦合传递信号的，所以为了保证仪表的性能，安装周围至少10cm处，不允许有铁磁性物质存在；·测量气体的仪表，是在特定压力下校准的，如果气体在仪表的出口直接排放到大气，将会在浮子处产生气压降，并引起数据失真。如果是这样的工况条件，应在仪表的出

13、口安装一个阀门；·安装PTFE衬里的仪表时，要特别小心。由于在不均匀压力的作用下，PTFE会变形，所以法兰螺母均匀拧紧对称2.电磁流量计2.1电磁流量计工作原理：电磁流量计所依据的基本理论是法拉第电磁感应定律。当导体切割磁力线运动时，导体内将产生感应电动势。根据该原理，可测量管内流动的导电流体的体积，导电流体流的方向与电磁场的方向垂直，在导管垂直方向施加一个交变的磁场，并在有绝缘衬里的导管内壁两侧安装一对电极，两电极的连线既与导管轴线垂直，又与磁场方向垂直，当导电液体流经导管时，因切割磁力线，两个电极上就产生感应电动势。2.2电磁流量计流量传感器安装（1）安装场所通常电磁流量传感器外

14、壳防护等极为IP65（GB4208规定的防尘防喷水级），对安装场所有以下要求：1）测量混合相流体时，选择不会引起相分离的场所；测量双组分液体时，避免装在混合尚未均匀的下游；测量化学反应管道时，要装在反应充分完成段的下游；2）尽可能避免测量管内变成负压；3）选择震动小的场所，特别对一体型仪表；4）避免附近有大电机、大变压器等，以免引起电磁场干扰；5）易于实现传感器单独接地的场所；6）尽可能避开周围环境有高浓度腐蚀性气体；7）环境温度在251050600范围内，一体形构温度还受制于电子元器件，范围要窄些；8）环境相对温度在1090范围内；9）尽可能避免受阳光直照；10）避免雨水浸淋，不会被水浸没。

15、2.3电磁流量计使用时应注意的一般事项：（1）液体应具有测量所需的电导率，并要求电导率分布在大体上均匀。因此流量传感器安装要避开容易产生电导率不均匀场所，例如其上游附近加入药液，加液点最好设于传感器下游。（2）使用时传感器测量管必须充满液体（非满管型外）。有混合时，其分布应大体均匀。（3）液体应与地同电位，必须接地。如工艺管道用塑料等绝缘材料时，输送液体产生摩擦静电等原因，造成液体与地间有电位差。（4）直管段长度要求为获得正常测量精度，电磁流量传感器上游也有一定长度直管段，但其长度与大部分其它流量仪表相比要求较低。90°弯头、T形管、同心异径管、全开闸阀后通常认为只要离电极中心线（不

16、是传感器进口端连接面）5倍直径（5D）长度的直管段，不同开度的阀则需10D；下游直管段为（23）D或无要求；但要防止蝶阀阀片伸入传感器测量管内。各标准或检定规程所提出上下游直管段长度亦不一致，汇集如表2所示，要求比通常要求高。这是由于为保证达到当前0.5级精度仪表的要求。2.4安装位置和流动方向：传感器安装方向水平、垂直或倾斜均可，不受限制。但测量固液两相流体最好垂直安装，自下而上流动。这样能避免水平安装时衬里下半部局部磨损严重，低流速时固相沉淀等缺点。水平安装时要使电极轴线平行于地平线，不要处于垂直于地平线，因为处于地步的电极易被沉积物覆盖，顶部电极家易被液体中偶存气泡擦过遮住电极表面，使输

17、出信号波动。接地：传感器必须单独接地（接地电阻100以下）。分离型原则上接地应在传感器一侧，转换器接地应在同一接地点。如传感器装在有阴极腐蚀保护管道上，除了传感器和接地环一起接地外，还要用较粗铜导线（16mm2）饶过传感器跨接管道两连法兰上，使阴极保护电流于传感器之间隔离。2.5电磁流量计使用中的常见故障：电磁流量计使用中的常见故障，有的是由于仪表本身元器件损坏引起的故障，有的是由于选用不当、安装不妥、环境条件、流体特性等因素造成的故障，如显示波动、精度下降甚至仪表损坏等。它一般可以分为两种类型：安装调试时出现的故障（调试期故障）和正常运行时出现的故障（运行期故障）。3.流量计使用注意事项：不

18、随便动用流量计的面板、按键，有些误操作可能导致严重的后果平时要加强对仪表知识的学习，学会在紧急情况下对故障的判断水平和自动控制处理能力。记录或显示在短时间内跑高端或低端，或记录上下波动不成线，可以判断是仪表检测系统出现故障，要及时联系仪表工进行维修检查；记录或显示连续成线地偏离工艺指标，基本可以判断是工艺调节出现问题，要及时进行工艺检查和调节，同时可以联系仪表工进行校验。当自调或手操回路不能调节时，可能是因为调节阀系统出现故障，要及时联系仪表工进行处理，同时要将自动改为手动，如果手动仍调节不正常，要检查相关的工艺和设备问题。DCS控制系统采用军工技术和冗余技术，控制站要保证绝对可靠，出现故障的

19、机率特别小，操作站采用商用或民用电脑，有一定的故障率，我们每个操作室保证两台以上的电脑，一台出现故障后可以在另一台上操作，同时要求仪表进行检修；三.物位仪表3.1静压式物位检测仪表静压式物位检测方法是基于液位高度变化时，由液柱产生的静压也随之变化的原理。当被测介质密度为已知时，两点的压力差P或B点的表压力P与液位高度H成正比，这样就把液位的检测转化为压力差或压力的检测，选择合适的压力（差压）检测仪表可实现液位的检测。实现方法直接用压力检测仪表对液位进行检测。方法是将压力仪表通过引压导管与容器底侧零液位相连。要求液体密度为定值，否则会引起误差。压力仪表实际指示的压力是液面至压力仪表入口之间的静压

20、力，当压力仪表与取压点（零液位）不在同一水平位置时，应对其位置高差而引起的固定压力进行修正。被测对象为敞口容器容器下部的液体压力除与液位高度有关外，还与液面上部介质压力有关。可以用测量差压的方法来获得液位差压检测法的差压指示值与液位高度有关受液体密度和差压仪表的安装位置有关当这些因素影响较大时必须进行修正被测对象为密闭容器抵消了容器上部压力变化对测量的影响。引压导管易被腐蚀或堵塞，影响测量精度，应用法兰式压力（差压）变送器。敏感元件为金属膜盒，它直接与被测介质接触，省去引压导管，从而克服导管的腐蚀和阻塞问题。膜盒经毛细管与变送器的测量室相通，它们所组成的密闭系统内充以硅油，作为传压介质。为了毛

21、细管经久耐用，其外部均套有金属蛇皮保护管。对于具有腐蚀性或含有结晶颗粒经及粘度大、易凝固的介质量程迁移无论是压力检测法还是差压法，均要求零液位与检测仪表在同一水平高度，否则会产生附加静压误差。处理方法对压力变送器进行零点调整，使在只受附加静压力时输出为“零”。3.2.1浮力式物位检测仪表浮力式物位检测分为恒浮力式检测与变浮力式检测。恒浮力式检测的基本原理是通过测量漂浮于被测液面上的浮子（也称浮标）随液面变化而产生的位移。变浮力式检测是利用沉浸在被测液体中的浮筒（也称沉筒）所受的浮力与液面位置的关系检测液位。恒浮力式物检测恒浮力物位检测包括浮标式、浮球式和翻板式等各种方法。浮球用不锈钢制作，安装

22、在浮筒内，其上端连接有连杆，连杆顶端置有磁钢。当水位发生变化时，浮球带动连杆顶端磁钢在调整箱组件中非导磁的管道中上、下移动，当磁钢移动到上下限水银开关处，与水银开关上装有的磁钢相作用，带动水银开关动作，从而实现开关控制。3.2.2变浮力式物位检测变浮力物位检测方法中典型的敏感元件是浮筒，它是利用浮筒由于被液体浸没高度不同以致所受的浮力不同来检测液位的变化。当浮筒的一部分被液体浸没时，浮筒受到液位对它的浮力作用而向上移动。根据平衡可得由于hx，所以有H=h，则即弹簧的位移量与液位成正比。浮筒的连杆上连接有一铁芯，随着浮筒的位移在差动变压器内上下移动输出位移信号。3.3声学式物位检测超声波性质（1

23、）超声波可以在气体、液体及固体中传播，并有各自的传播速度。例如在常温下空气中的声速约为334ms，在水中的声速约为1440 ms，而在钢铁中约为5000 ms。声速不仅与介质有关，而且还与介质所处的状态（如温度）有关。（2）声波在介质中传播时会被吸收而衰减，气体吸收最强而衰减最大，液体其次，固体吸收最小而衰减最小，因此对于一定强度的电波，在气体中传播的距离会明显比在液体和固体中传播的距离短。别外声波在介质中传播时衰减的程度还与声波的频率有关，频率越高，声波的衰减也越大，因此超声波比其他声波在传播时的衰减更明显。（3）声波传播时的方向性随着声波的频率的升高而变强，发射的声束也越尖锐，超声波可近似

24、为直线传播，具有很好的方向性。（4）当声波从一种介质向另一种介质传播时，因为两种介质的密度不同和声波在其中传播的速度不同，在分界而上声波会产生反射和折射，其反射系数R为：式中IR、I0反射和入射声波的声强；、声波的入射角和反射角； Z1、Z2两种介质的声阻抗其值为Z11v1，Z2=2v2.在声波垂直入射时，0，0则，其反射系数为变为假设声波从水传播到空气，在常温下它们的声阻抗约为Z11.44×106，Z24×102，则得R0.999。说明当声波从液体或固体传播到气体，或相反的情况下，由于两种介质的声阻抗相差悬殊，声波几乎全部被反射。超声波检测原理声学式物位检测方法就是利用超

25、声波的性质，通过测量声波从发射至接收到被测物位界面所反射的回波的时间间隔来确定物位的高低。超声波发射器被置于容器底部，当它向液面发射短促的脉冲时，在液面处产生反射，回波被超声接收器接收。若超声发射器和接收器到液面的距离为H，声波在液体中的传播速度为V，则有如下简单关系：（a）液介式，探头固定安装在液体中最低液位之下。（b）气介式，把一根传声固体棒插入液体中，上端要高出最高液位之上，探头安装在传声固体棒的上端。采用自发自收单探头方式测量时的几种基本方案V的含义相同吗？基本方案采用一发一收双探头测量方式测量时的几种基本方案（d）双探头液介式如果两探头的中心距为2a，声波从探头至液面的斜向路径为S，

26、探头至液面的垂直高度为L,则一般情况下，两个探头安装很近，即a较小，所经在高液位时L值近似地与S相等，因此仍可用S公式计算L值，不会产生较大的误差，但在低液位时会产生较大的计算误差。采用一发一收双探头测量方式测量时的基本方案（e）双探头气介式如果两探头的中心距为2a，声波从探头至液面的斜向路径为S，探头至液面的垂直高度为L，则一般情况下，两个探头安装很近，即a较小，所以在高液位时L值近似地与S相等，因此仍可用S公式计算L值，不会产生较大的误差，但在低液位时会产生较大的计算误差。采用一发一收双探头测量方式测量时的基本方案（f）双探头固介式采用两根传声固体，超声波从发射探头经第一根固体传至液面，再

27、经液体传至第二根固体，然后沿第二根固体传至接收探头。超声波物位计的接收和发射超声波的接收和发射是基于压电效应和逆压电效应。具有压电效应的压电晶体在受到声波声压的作用时，晶体两端将会产生与声压变化同步的电荷，从而把声波（机械能）转换成电能；反之，如果将交变电压加在晶体两个端面的极上，沿着晶体厚度方向将产生与所加交变电压同频率的机械振动，向外发射声波，实现了电能与机械能的转换。因此，用作超声发射和接收的压电晶体也称换能器。换能器的核心电压电片，根据不同的需要，压电片振动方式有很多，如薄片的厚度振动，纵片的长度振动，横片的长度振动，圆片的径向振动，圆管的厚度、长度、径向和扭转振动，弯曲振动等。其中以

28、薄片厚度振动用的最多。在超声波检测中，需选择合适的超声波能量。采用较高能量的超声波：可以增加声波在介质中传播的距离，适用于物位测量范围较大的检测系统；有利于提高系统的测量精度。声能过强会引起一些不利的超声效应，对测量产生影响。具有较高能量的超声波在液体介质中传播易产生空化效应，大量空化气泡的形成将使超声波在介质中传播时被吸收；引起介质的温升效应，超声能量超高，温升也超高，易使介质特性发生变化，从而降低测量精度。措施：在物位检测中一般采用较高频的超声脉冲，既减小了单位交付是内超声波的发射能量，同时又可提高超声脉冲的幅值，前者有利于减小空化效应、温长效应等以及节约仪器的能耗，后都可提高测量精度。四

29、.温度仪表4.1.1热电偶热电偶是目前世界上科研和生产中应用最普遍、最广泛的温度测量元件。结构简单标准化量程广精度较高适用性好远传热电偶测温原理：热电效应Seeback effect一、热电偶测温原理两种不同的导体（或半导体）A和B组成闭合回路，当A和B相接的两个接点温度T和T0不同时，则在回路中就会产生一个电势，这种现象叫做热电效应。由此效应所产生的电势，通常称为热电势。图中的闭合回路称为热电偶，导体A和B称为热电偶的热电极。热电偶的两个接点中，置于被测介质（温度为T）中的接点称为工作端或热端，温度为参考温度T的一端称为参考端或冷端。热电偶产生的热电势由两部分组成：接触电势和温差电势。.1.

30、2 热电偶的种类及结构形成热电偶的材料虽然任意两种导体或半导体材料都可以配对制成热电偶，但是作为实用的测温元件，对它的要求却是多方面的。（）能应用于较宽的温度范围，物理性质稳定，在测温范围内，热电特性不随时间变化；（）化学性质稳定，不易被氧化、还原和腐蚀；（）组成的热电偶产生的热电势率大，以得到较高的灵敏度，热电势与被测温度成线性或近似经性关系；（）有高导电率和低电阻温度系数。这样，热偶的内阻随温度变化就小；（）具有较好的工艺性能，便于成批生产。复制性好，即同样材料制成的热电偶，它们的热电特性基本相同；便于采用统一的分度表。（）材料来源丰富，价格便宜。（）标准化热电偶廉金属热电偶）T型（铜康铜）热电偶）K型（镍铬镍铝或镍硅）热电偶）E型（镍铬康铜）热电偶）J型（铁康铜）热电偶贵金属热偶）S型（铂铑铂）热电偶）R型（铂铑3铂）热电偶 3）B型（铂铑3铂铑）热电偶（）非标准化热电偶）钨铼系热电偶）钨铱系热电偶）其他非标准化热电偶（）B型（铂铑铂铑）热电偶这是一种贵金属热电偶，它的特点是测温上限短时可达1800，测量精度高，适于在氧化或中性气氛介质中使用。但不宜在还原气氛中使