河南工业大学过程控制04

1、Process Control System & Instrumentation 主要内容 n安全防爆基础n温度检测n热电偶n热电阻n测温元件的选型及安装Process Control System & Instrumentation 安全防爆n在石油、化工等多个行在石油、化工等多个行业，大量存在含有易燃业，大量存在含有易燃易爆材料的场合（危险易爆材料的场合（危险区域），如原油及其衍区域），如原油及其衍生物、酒精、天然气、生物、酒精、天然气、金属屑、粉尘、纤维、金属屑、粉尘、纤维、飞扬物等等。飞扬物等等。n安全防爆是一项综合性安全防爆是一项综合性技术，与过程控制关系技术，与过程

2、控制关系密切。密切。n安全防爆意义重大。安全防爆意义重大。Process Control System & Instrumentation 危险区分类Process Control System & Instrumentation 可燃物的燃点和闪点可燃物的燃点和闪点n爆炸的形成，与可燃物的燃点、爆炸的形成，与可燃物的燃点、闪点密切有关。闪点密切有关。n燃点指可燃物受热发生自燃的最燃点指可燃物受热发生自燃的最低温度。达到这一温度，可燃物低温度。达到这一温度，可燃物质与空气接触，不需要明火作用，质与空气接触，不需要明火作用，就能自行燃烧。就能自行燃烧。 燃点越低，发生燃点越低，发

3、生起火的危险性越大。如汽油的燃起火的危险性越大。如汽油的燃点为点为220oC。n闪点是易燃物或可燃液体挥发出闪点是易燃物或可燃液体挥发出的蒸气与空气形成混合物后，遇的蒸气与空气形成混合物后，遇火源发生燃烧的最低温度。如汽火源发生燃烧的最低温度。如汽油闪点油闪点39oC。n安装在危险区的电子仪表（传感安装在危险区的电子仪表（传感器、执行器或控制器），其器、执行器或控制器），其表面表面温度必须受限温度必须受限，并，并避免产生火花避免产生火花。Process Control System & Instrumentation 防爆技术防爆技术n为了确保电子设备在危险场所安全使用，发展为了确保电

4、子设备在危险场所安全使用，发展了多种防爆技术：了多种防爆技术：n隔爆型（隔爆型（ d）n本安型（本安型（ i ）n正压型（）正压型（）n油浸型（）油浸型（）n充砂型（）充砂型（）n各种防爆技术规范由国家标准强制规定，不同各种防爆技术规范由国家标准强制规定，不同的防爆技术适用于不同的场合。的防爆技术适用于不同的场合。 Process Control System & Instrumentation 隔爆型隔爆型“” n把设备可能点燃爆炸性气体把设备可能点燃爆炸性气体混合物的部件全部封闭在一混合物的部件全部封闭在一个外壳内；个外壳内；n其外壳能够承受通过外壳任其外壳能够承受通过外壳任何接合

5、面或结构间隙，渗透何接合面或结构间隙，渗透到壳内的可燃性混合物在内到壳内的可燃性混合物在内部爆炸而不损坏；并且不会部爆炸而不损坏；并且不会引起外部由一种、多种气体引起外部由一种、多种气体或蒸汽形成的爆炸性环境的或蒸汽形成的爆炸性环境的点燃，从而达到隔爆目的。点燃，从而达到隔爆目的。n适用于适用于1区和区和2区。区。 Process Control System & Instrumentation 本安型本安型“” n设备内部的所有电路在标准规定条件下，产生的任设备内部的所有电路在标准规定条件下，产生的任何电火花或任何热效应均不能点燃规定的爆炸性气何电火花或任何热效应均不能点燃规定的爆炸

6、性气体。体。n从限制电路中的能量入手，通过可靠的控制电路参从限制电路中的能量入手，通过可靠的控制电路参数将潜在的火花能量降低到可点燃规定的气体混合数将潜在的火花能量降低到可点燃规定的气体混合物能量以下，导线及元件表面发热温度限制在规定物能量以下，导线及元件表面发热温度限制在规定的气体混合物的点燃温度之下。的气体混合物的点燃温度之下。n该防爆型式只能应用于弱电设备中（控制器、传感该防爆型式只能应用于弱电设备中（控制器、传感器等）。适用于器等）。适用于0区、区、1区和区和2区。区。n安装在安全区（如控制室内）的非防爆型仪表，需安装在安全区（如控制室内）的非防爆型仪表，需经防爆安全栅与安装在危险区的

7、本安仪表联接。经防爆安全栅与安装在危险区的本安仪表联接。Process Control System & Instrumentation 防爆安全栅防爆安全栅 n安全栅安装在安全场所，一安全栅安装在安全场所，一方面传输信号，另一方面将方面传输信号，另一方面将流入危险场所的能量控制在流入危险场所的能量控制在爆炸性气体或混合物的点火爆炸性气体或混合物的点火能量以下。能量以下。n发生故障时，安全栅能将串发生故障时，安全栅能将串入到故障仪表的能量限制在入到故障仪表的能量限制在安全值以内，从而确保现场安全值以内，从而确保现场设备、人员和生产的安全。设备、人员和生产的安全。n分为齐纳式安全栅与隔离

8、式分为齐纳式安全栅与隔离式安全栅两种。安全栅两种。Process Control System & Instrumentation 齐纳式安全栅与隔离式安全栅齐纳式安全栅与隔离式安全栅 n齐纳式（齐纳式（Zener）安全栅，通过快速熔断丝和）安全栅，通过快速熔断丝和限压、限流电路实现能量限制作用。限压、限流电路实现能量限制作用。n隔离式安全栅，使用较多的是隔离变压器式安隔离式安全栅，使用较多的是隔离变压器式安全栅。与齐纳式安全栅相比，隔离式安全栅具全栅。与齐纳式安全栅相比，隔离式安全栅具有如下突出优点：有如下突出优点：n隔离式安全栅的电源、信号输入、信号输隔离式安全栅的电源、信号输入、

9、信号输出均通过变压器耦合，实现信号的输入、出均通过变压器耦合，实现信号的输入、输出完全隔离。输出完全隔离。n通用性强，可以在危险区或安全区认为合通用性强，可以在危险区或安全区认为合适的任何一方接地；适的任何一方接地；n隔离式安全栅由于信号完全浮空，大大增隔离式安全栅由于信号完全浮空，大大增强信号的抗干扰能力。强信号的抗干扰能力。Process Control System & Instrumentation 仪表防爆标志示例仪表防爆标志示例nExdBT6nEx：防爆仪表：防爆仪表nd: 隔爆型隔爆型nB： 指工厂用仪表（指工厂用仪表（指煤指煤矿用仪表）。矿用仪表）。 类又分类又分 A（

10、丙烷等）、（丙烷等）、 B（乙烯等）（乙烯等）和和C（氢气、乙炔等）（氢气、乙炔等）nT6：85 （根据自燃温度（根据自燃温度T将将易燃性气体或蒸汽混合物分为易燃性气体或蒸汽混合物分为450、300、200、135、100和和85 。）。）Process Control System & Instrumentation 安全防爆的其他考虑安全防爆的其他考虑n静电处理，如油库设静电处理，如油库设施的油罐、管道、卸施的油罐、管道、卸油台、加油柱应可靠油台、加油柱应可靠接地。接地。n防雷击处理，在易燃防雷击处理，在易燃易爆生产场所应安装易爆生产场所应安装避雷设施（避雷针、避雷设施（避雷针、S

11、PD等）。等）。n电缆连接及布线处理。电缆连接及布线处理。n执行器优先选择气动执行器优先选择气动设备。设备。 Process Control System & Instrumentation 过程控制常见被控参数过程控制常见被控参数n常见被控参数：常见被控参数：n温度温度n压力压力n流量流量n液位液位n成分成分n许多工业过程许多工业过程都可以直接或间接地以上都可以直接或间接地以上述参数实现控制。述参数实现控制。Process Control System & Instrumentation 温度检测 n温度是工业过程控制系统中最常用、最温度是工业过程控制系统中最常用、最基本的一

12、个物理量。基本的一个物理量。n工业过程中常用温标为摄氏，但美国采工业过程中常用温标为摄氏，但美国采用华氏，换算关系用华氏，换算关系：32)(59)(00CtFtProcess Control System & Instrumentation 温度测量方法及测量元件温度测量方法及测量元件n接触式和非接触式接触式和非接触式n常用测量元件：常用测量元件：n热电偶热电偶n热电阻热电阻n半导体热敏电阻半导体热敏电阻n集成温度传感器集成温度传感器Process Control System & Instrumentation 接触式测温 n测温方法：测温方法：n膨胀式，基于物体受热体积膨胀

13、性质；膨胀式，基于物体受热体积膨胀性质；n热电阻式，基于导体或半导体电阻随温度变化的性热电阻式，基于导体或半导体电阻随温度变化的性质；质；n热电偶式，基于热电效应。热电偶式，基于热电效应。n特点：特点：n简单、可靠、精度高；简单、可靠、精度高；n测温元件有时可能破坏被测介质的温度场或与被测测温元件有时可能破坏被测介质的温度场或与被测介质发生化学反应；介质发生化学反应；n因受到耐高温材料的限制，测温上限有界。因受到耐高温材料的限制，测温上限有界。 Process Control System & Instrumentation 非接触式测温 n测温方法：测温方法：n利用物体辐射能随温度变

14、化的特性，如红外式测温。利用物体辐射能随温度变化的特性，如红外式测温。n特点：特点：n不会破坏被测介质的温度场，测温上限原则上不受不会破坏被测介质的温度场，测温上限原则上不受限制；限制；n可测运动体温度，如轧钢过程中钢板表面温度；可测运动体温度，如轧钢过程中钢板表面温度；n易受被测物体热辐射率及环境因素（物体与仪表间易受被测物体热辐射率及环境因素（物体与仪表间的距离、烟尘和水汽等）的影响。的距离、烟尘和水汽等）的影响。 Process Control System & Instrumentation 热电偶（Thermocouple） n工业过程中使用范围很广工业过程中使用范围很广的一

15、种测温元件。的一种测温元件。n特点：特点：n其热电动势与温度在小范围其热电动势与温度在小范围内基本上呈单值、线性关系；内基本上呈单值、线性关系；n稳定性好；稳定性好；n测温范围宽，高温热电偶测测温范围宽，高温热电偶测温上限可达温上限可达2800；n精度较高。精度较高。Process Control System & Instrumentation 常用热电偶常用热电偶型号型号n基本为定型生产，有标准化分度表。基本为定型生产，有标准化分度表。 n常用型号：常用型号：n铂铑铂铑3030-铂铑铂铑6 6热电偶（也称双铂铑热电偶，分热电偶（也称双铂铑热电偶，分度号度号B）；测温范围）；测温范围

16、300-1600300-1600。n铂铑铂铑1010-铂电偶（分度号铂电偶（分度号S）；测温范围）；测温范围0-0-13001300。n镍铬镍铬-镍硅（镍铬镍硅（镍铬-镍铝，分度号镍铝，分度号K）热电偶；）热电偶；测温范围测温范围-50-1000-50-1000。Process Control System & Instrumentation 热电偶冷端温度对被测温度的影响 n只有当热电偶冷端温度只有当热电偶冷端温度T0保持不变时，保持不变时，热电势才是被测温度热电势才是被测温度T T的单值函数：的单值函数：nE(T，0) =E(T，T0) ) + E(T0，0)n所以，只有将冷端温度

17、保持为所以，只有将冷端温度保持为0，或者，或者进行一定的修正才能得到准确的测量结进行一定的修正才能得到准确的测量结果。该过程果。该过程称为称为热电偶的冷端温度补偿。热电偶的冷端温度补偿。Process Control System & Instrumentation 热电偶冷端补偿热电偶冷端补偿例题例题n用分度号为用分度号为K K的镍铬的镍铬- -镍硅热电偶测量温镍硅热电偶测量温度，在没有采取冷端温度补偿的情况下，度，在没有采取冷端温度补偿的情况下，显示仪表指示值为显示仪表指示值为500500，而这时冷端温，而这时冷端温度为度为6060。n试问：实际温度应为多少？试问：实际温度应为多少

18、？n如果热端温度不变，设法使冷端温度保持在如果热端温度不变，设法使冷端温度保持在2020，此时显示仪表的指示值应为多少？，此时显示仪表的指示值应为多少？ Process Control System & Instrumentation 热电偶冷端补偿热电偶冷端补偿例题例题n显示仪表指示值为显示仪表指示值为500500时，查表可得此时时，查表可得此时显示仪表的实际输入电势为显示仪表的实际输入电势为20.64mV20.64mV，即，即 n冷端温度为冷端温度为6060产生的电势：产生的电势：n由由23.076mV23.076mV查表可得：查表可得：t=557t=557。即实际。即实际温度为温

19、度为557557。 mVEtEO436. 2)0 ,60()0 ,(mVttEO64.20),(mVtEttEtE076.23436. 264.20)0 ,(),()0 ,(00Process Control System & Instrumentation 热电偶冷端补偿热电偶冷端补偿例题例题n当热端为当热端为557557，冷端为，冷端为2020时，由于时，由于E E（2020，0 0）=0.798mV,=0.798mV,故有：故有：n查表可得显示仪表指示值应为查表可得显示仪表指示值应为538.4538.4。 mVtEtEttE278.22798. 0076.23)0 ,()0 ,(

20、),(00Process Control System & Instrumentation 工业上冷端补偿常用方法n冷端温度修正法，包括：冷端温度修正法，包括：n温度修正法温度修正法T=T+kT(kT=T+kT(k为修正系数为修正系数) )n热电势修正法（软件查表法）热电势修正法（软件查表法）n冷端温度自动补偿法，包括：冷端温度自动补偿法，包括：n冷端补偿电桥法冷端补偿电桥法npnpn结补偿法结补偿法n若被测温度较高（若被测温度较高（1000 ），而冷端在室），而冷端在室温范围，可以忽略冷端的影响，即无需补偿。温范围，可以忽略冷端的影响，即无需补偿。Process Control Sy

21、stem & Instrumentation 热电阻（RTD） n在中、低温区，热电偶在中、低温区，热电偶输出的热电动势很小；输出的热电动势很小；n而在中、低温区，用热而在中、低温区，用热电阻比用热电偶做为测电阻比用热电偶做为测温元件时的测量精确度温元件时的测量精确度更高；更高；n热电阻特点：性能稳定、热电阻特点：性能稳定、测量精度高，一般可在测量精度高，一般可在-270900范围内使范围内使用（用（推荐在推荐在150以下以下时选用时选用）。）。Process Control System & Instrumentation 热电阻的材料热电阻的材料n工业热电阻的材料要求：工业

22、热电阻的材料要求：n电阻温度系数大；电阻温度系数大；n电阻随温度的变化呈线性关系；电阻随温度的变化呈线性关系；n电阻率大；电阻率大；n热容量小；热容量小；n在测温范围内具有稳定的物理和化学性能。在测温范围内具有稳定的物理和化学性能。n热电阻的材料主要有铂、铜和镍。热电阻的材料主要有铂、铜和镍。)(100ttRRtProcess Control System & Instrumentation 不同热电阻特点及分度号不同热电阻特点及分度号n铂在氧化介质或高温时，物理、化学性质稳定。铂在氧化介质或高温时，物理、化学性质稳定。分度号有分度号有Pt100Pt100、Pt10Pt10。测温范围。

23、测温范围-200-850-200-850。n铜在铜在-50-150-50-150稳定性好，超过稳定性好，超过100100易被氧化。易被氧化。分度号有分度号有Cu50Cu50、Cu100Cu100。测温范围。测温范围-50-150-50-150。n镍在我国含量少，不常用。分度号有镍在我国含量少，不常用。分度号有Ni100Ni100、Ni300Ni300和和Ni500Ni500。测温范围。测温范围-60-180-60-180。n三种热电阻中，铂（三种热电阻中，铂（特别是特别是Pt100Pt100）使用最广）使用最广）Process Control System & Instrumentat

24、ion 半导体热敏电阻（半导体热敏电阻（Thermistor）n包括正温度系数包括正温度系数PTC、负温、负温度系数度系数NTC和临界温度电阻和临界温度电阻CTR 三类。三类。n连续测温中主要采用负温度连续测温中主要采用负温度系数系数NTC；而；而PTC和和CTR一一般用于制作位式作用温度开般用于制作位式作用温度开关。关。n热容量小，响应快；但互换热容量小，响应快；但互换性差，热电特性非线性大。性差，热电特性非线性大。测温范围测温范围-50-300。Process Control System & Instrumentation 集成温度传感器n利用利用pn结的伏安特性与温度之间的关系

25、研制的结的伏安特性与温度之间的关系研制的一种固态传感器。一种固态传感器。n特点：特点：n体积小；体积小；n热惯性小、反应快；热惯性小、反应快；n测温精度高；测温精度高；n稳定性好；稳定性好；n价格低等。价格低等。n分为电压型和电流型两种，电压型温度系数约分为电压型和电流型两种，电压型温度系数约10mV/；电流型温度系数约；电流型温度系数约1A/。 Process Control System & Instrumentation 集成温度传感器AD590n两端元件；两端元件；n供电电压：直流供电电压：直流（+4+30V），），1.5mW(+5V)；n高阻抗（高阻抗（710M）输）输出；出；n0时输出时输出273.2A；n温