化工仪表及自动化教材

1、2013年10月14日星期一 第一篇 过程测测量仪表概述生产过程自动化化基本概念在生产过程中，利利用自动化仪仪表装置来检检测、显示、控控制生产过程程中的重要工工艺参数，自自动的维持生生产过程的正正常进行，当当工艺参数受受到外界干扰扰的影响而偏偏离正常状态态时，能自动动的调回到规规定的参数范范围内。生产过程自动化化系统分为以以下几类：自动检测系统、自自动信号联锁锁保护系统、自自动操作系统统、自动调节节系统。自动调节系统：温度控制系系统、压力控控制系统、流流量控制系统统。人工控制过程、自自动控制过程程。如何替代人工调调节，完成自自动调节的功功能。自动控制方框图图：如果是人工控制制，那么人应应该通过

2、眼睛睛观察液位是是高于还是低低于规定的液液位，在根据据大脑的分析析得到是开大大还是关小阀阀门，在发出出指令通过手手来执行关小小还是开大阀阀门。如果是自动控制制的系统，通通过检测环节节测量被测参参数，通过测测量变送器吧吧测量结果和和给定值进行行比较，在比比较环节把测测量值Pv和和给定值Svv进行比较，DDv=Sv-Pv,通过过调节器来判判断Dv是大大于0还是小小于0，得到到MV值，把把MV发送给给执行器，执执行器可以执执行对调节阀阀的开闭，从从而完成对调调节对象的调调节。四个方框分别代代表控制系统统的不同环节节，它们的连连接方式是信信息流而不是是物质流，信信息的流动，是是个理想的关关系，箭头表表

3、示信息的流流动方向。这里可以了解一一下自动控制制系统是如何何实现的。这就是自动控制制系统的方框框图。仪表的分类安仪表工作所需需能源分类：气动、电动动、液动（仪表需要对它它提供能源才才能工作。）气动仪表通过提提供压缩空气气，通常是00.14MPPa的压缩空空气；通过膨膨胀来做功。液动通过液体液液压的方式来来提供动力。现在主要是电动动仪表。按系统组成结构构分：基地式式仪表、单元元组合式仪表表、组件组装装式仪表、分分散综合控制制系统。单元组合式：安安装功能来分分组，把不同同功能的仪表表连接起来，各各个模块之间间具有互换性性，目前是一一种比较主要要的形式。组件组装式仪表表：通过插卡卡的形式放在在计算机

4、的总总线槽里面。综合控制系统：可以替换以以前很多多个个单台仪表组组成的计算机机控制系统，当当前的主流。按防爆能力分：普通型、隔隔爆型、安全全火花型主要是使用在化化工企业中，隔爆型：通过外外壳和外界隔隔离。安全火花型：又又叫本安型，本本质安全型。自动化仪表的发发展概况基地式仪表阶段段单元组合式仪表表阶段很多现场仪表表都是这样的的方式。以微处理器为基基本部分的控控制装置阶段段重点：测量方法法，测量仪表表概念，测量量误差，仪表表的性能指标标测量过程测量过程用一个已知量（单单位）与被测测量比较，收收集信息的过过程：A=g *Uxxg：测量比值UX：测量单位位测量过程就是一一个信息的获获取的过程。测量方

5、法根据测量方式分分：直接测量测量量直接得到结结果的测量；间接测量不能能直接得到测测量结果，须须经过一定运运算。根据接触方式分分：接触式测量：容容易测得比较较真实的测量量值，往往需需要测量元件件放到介质里里面，干扰介介质，稍微影影响测量结果果。非接触式测量（辐辐射式等等）：由于距离原原因可能不太太准确。根据平衡方式：平衡式：指零式式，比如天平平，一般是指指零的。非平衡式：偏差差式，比如通通常情况下它它是指令的有有测量值变化化时，他的指指针是不指零零的。测量仪表开环结构：被测参数检测测/变换传递放大显示/变送送闭环结构：稳定定性，精确性性高于开环结结构。增加反馈环节，提提高仪表稳定定性、测量精精度

6、。在显示/变送之之前把信号通通过处理反馈馈给检测/变变换之前，进进行分析控制制。各有优缺点啦。测量误差及性能能指标测量误差误差=测量值-真实值误差的分类：（按按误差的本身身性质分）系统误差：指测测量结果的一一种固定或者者有规律的偏偏移。测量结结果的整体的的偏移，往往往由于仪器或或者使用方法法习惯性的不不当，或者仪仪器的固定的的偏差；系统统误差的克服服：把测量结结果减去测量量偏差值就可可以克服这个个系统误差了了。随机误差：围绕绕着一定的范范围在杂乱无无章地变化的的。平均值为为0。外界偶偶然因素的干干扰等等。疏忽误差：外界界突然因素或或者人操作的的突然因素或或者外界干扰扰，测量值远远远偏离真实实值

7、，往往出出现的情况较较少。系统误差不可避避免的。随机误差可以取取平均值。疏忽误差不要放放入最终的数数据处理。用仪表仪器测量量而得到的值值。误差公理：任何何测量过程都都存在误差；那么真实的的值从哪里来来的？真实值：用标准准值、理论值值代替。用足足够精度的值值来代替，是是相对的，相相对于其他的的仪器来说已已经十分精确确了；理论值值从理论上的的得到的值。仪表性能指标：误差及误差差计算绝对误差a、相相对误差r绝对误差：a=x-x0，xx：测量值，xx0：真实值值（标准值）。有有正负号，有有单位。相对误差：r=（x-x00）/x0*100%引用误差q允测量绝对误差与与测量仪表量量程值百分比比。Q=a m

8、axx/L*1000%L=l上-l下下，仪表量程程，上下分别表示仪仪表的测量上上下限。回差（变差）hhH=（X上-XX下）/L*100%X上：测量上行行值。X下：测量下行行值。注意：对同一个个被测参数测测量得到的不不同结果。变差产生原因：传动机构间间隙，弹性元元件滞后。精度精度等级精度（精确度）是是精密度（系系统误差）和和准确度（随随机误差）的的综合。精度是反映仪表表性能优劣的的主要指标。精度由qmaxx和h确定，仪仪表出厂要求求Q允=qmaax、q允=hQ允：仪表允许许的引用误差差最大值。Qmax：仪表表实际的最大大引用误差，Q允：去掉正负负号和%就是是精度。精度等级：。00.4 0.5 1

9、.00 1.5 2.5 。算出精度来之后后，在根据国国家规定的仪仪表的精度等等级，来确定定仪表的精度度，比如如果果q允=1.3，那那么应该确定定1.5的精精度，因为这这个仪表达不不到1.0的的等级，只能能达到1.55的等级。数数字越小那么么精度越高。所所以出厂的时时候的精度应应该定位1.5。灵敏度、灵敏限限及分辨率灵敏度：S=灵敏限：输入变变化多少才允允许输出开始始变化。分辨率：通常指指数字式仪表表，也就是说说，显示的时时候是以几位位数字显示，最最小数字是个个位数1，单单位如果是帕帕斯卡，那么么它的分辨率率就是1帕斯斯卡了。其他指标：反应应时间、可靠靠性例如：有一块压压力表测量范范围为0115

10、0Kpa，测量1100Kpa这一点，测测得上行值为为98Kpa，下行值值为101KKpa，其余各各点误差均小小于此点，问问此压力表的的qmax、hh和精度格式式多少？解：qmax=-1.33%H=(98-1101)/1150*1000%=-22.0%精度智能定成22.5。压力测量及变送送本章重点：压力力的单位、表表示方法，弹弹簧管压力表表的结构及原原理、选用、安安装和校验，电电容式差压变变送器和智能能式差压变送送器的简单原原理，变送器器输出值的计计算。概述压力压力（压强）PP=F/A标准单位：Paa、Kpa、Mpaa工程单位：巴bbar，毫米米水柱mmHH2O、毫米米汞柱mmhhg、标准大大气

11、压ATMM、工程大气气压公斤等。压力表示方法大气压：大气自自重产生的压压力；表压：以大气压压作为它的基基准；绝压：绝对真空空作为基准。真空度：低于大大气压的压力力关系式：表压=绝对压压力-大气压压真空度=大气气压-绝对压压力测压仪表分类液柱式：比如UU形管这里，我们测得得的压力值属属于表压力，因因为它的基准准是大气压力力，我们如果果不说明那么么测量的就是是表压，除非非特殊说明那那么一般测量量的就是表压压。弹性元件式：弹弹簧管、膜片片、膜盒、波波纹管电气式（压力电量（R、VV、I、C）活塞式（校验仪仪器），一般般作为校验仪仪器来生产的的。弹性式压力计弹性元件弹性式压力计通通过测量弹性性元件受压后

12、后所产生的弹弹性变形（即即位移）来测测量压力。常用的弹性元件件：膜片、膜膜盒、波纹管管、弹簧管。用到的最多的是是弹簧管。膜片一般是圆形形的上边有一一些一圈一圈圈的波纹。膜盒比较复杂。压压力作用在膜膜盒上。波纹管，下边有有压力，上边边有位移。270左右的的单圈弹簧管管，多圈弹簧管就是是很多圈的弹弹簧管了。弹簧管压力计组成（结构）弹簧管：截面是是椭圆形的，扁扁平、中空，横横截面为椭圆圆形，一端固固定，一端为为自由端，弧弧度为2700，铜、合金金铜、钢。长长轴方向的弹弹力大于径向向的弹力，椭椭圆的形状趋趋于变形成近近圆形，自由由端变化角度度的=K*P，kk弹性系数。作用：感受压力力信号，并转转换为位

13、移信信号。齿轮、杠杆传动动机构：作用：传递放大大（一般两级级放大），改改变调整螺钉钉8的位移，可可调量程，（调调放大倍数）。游丝：克服齿轮轮间的间隙，减减少变差（说说明变差产生生原因）。指针及表盘：指指示变差产生的原因因：行程和回回程的啮合齿齿轮的齿面不不相同。工作原理：压力弹簧管位移一级放大（扇扇形齿轮）二级放大（中中心齿轮）指示压力传感器与变变送器压力测量：就地指示：弹弹簧管压力表表远传信号式：传感器式、变变送器（气动动、电动）传感器：能将飞飞变量被测参参数按确定函函数关系转换换成电量的设设备/器件。变送器：变送：将被测参参数成比例转转换成标准统统一信号，并并能将统一信信号有限距离离的远传

14、。可调量程：把同同一参数不同同的测量范围围转换为成比比例的统一信信号。统一信号：一般般来说是4-20mA DC 的直直流电流信号号。有0-10 或或者0-200 MPa的的测量范围都都转换为4-20mA 的直流信号号。一般来讲，传感感器在前，传传感器的信号号传递给变送送器，传感器器测量参数，传传送电量，变变送器把电量量成比例转换换成4-200mA的标准准直流电流信信号。压力传感器压阻式、应变式式、电容式、电电感式、振动动式。气动压力（差压压）变送器，QQBC利用杠杆、喷嘴嘴-挡板机构构，气动放大大器、反馈机机构、波纹管管喷嘴-挡板板机构，即将将杠杆的位移移转换成压力力。利用力矩平衡原原理（P）

15、P测F杠杆偏转转挡板靠近喷喷嘴P背压P出指示（反馈）电动差压变送器器 DBC将P测（P测测）转化为电电信号输出。双杠杆电动单元元组合三型DDDZ-；1151电容式式压力变送器器，试讲差压压的变化转化化为电容板的的位移，从而而使电容量发发生变化，然然后利用测量量电路、运算算放大电路转转换成4-220mA的输输出。电容式式智能差压变变送器是利用用微处理器实实现了自动调调零，调量程程、自诊断等等功能的一种种新型变送器器。C=变送器输出值的的计算变送器的统一信信号：0.114MPaQDZ气动变送送器输出的统统一信号为：0.020.1MPPaDDZ电动差压压变送器输出出的统一信号号为：0110mA、44

16、20mAA输出值计算通用用式：例如：一台DDDZ-差压变送器器，测量范围围2.5110MPa，当当所测压力为为5MPa时时，输出是多多少？注意：默认DDDZ-输出的标准准范围是420mA的的标准电流信信号。I出=9.333mA压力仪表选用、安安装与校验压力表的选用型号Y-100,1100指表盘盘直径。远距距离可以大一一点150，如如果有空间限限制或者近距距离观察，可可以使用500mm的表盘盘直径。YA-100，测测量含氨气的的介质。因为为一般的压力力表使用铜或或者合金铜，氨氨对同或者合合金铜有腐蚀蚀性，所以铜铜介质的弹簧簧管会被腐蚀蚀或者穿孔，所所以含氨气的的压力表应该该使用不锈钢钢的压力表。

17、Y0-50,OO指的是氧用用压力表，氧氧用，小压力力表，专用的的YO，不能能够在弹簧管管的连接头上上沾油脂，如如果氧气和油油脂接触会发发生危险。所所以YO的压压力表的弹簧簧管的接头处处不会沾有油油脂。一般的的压力表可能能在螺纹连接接的地方涂油油油脂，氧用用压力表没有有油脂，防止止了氧和油脂脂接触时发生生危险。从介质、观察、安安装三个方面面选择压力表表的型号。量程压力平稳：P量量=P测*11.5，波动动范围大P量量=P测*22.0，下限限选取：测量量值大于1/3量程。量程靠级：01.0，11.6，2.5，4，66，10*110的n次方方MPa 避免压力表超限限而损坏，也也不能让压力力表的示值一一

18、直处于压力力表的低压力力范围，这样样会使压力表表的测量精度度偏低，一般般测量值最小小不能小于压压力表的1/3的量程。实实际上就是在在量程的1/32/33的中间区域域来使用压力力表，可以获获得不较好的的精度，也可可以防止测量量值超限。当当然如果波动动较大那么也也可能是在11/31/2的测量范范围等等。选选择好了量程程以后，必须须到量程的系系列里面选择择量程值，就就是量程值要要标准化。测1.88，量=2.55MPa、精度选择求引用误差，靠靠精度等级（往往高精度靠）精度的选择的话话，主要要考考虑的问题就就是引用误差差，引用误差差的求取，根根据选表和误误差要求选择择：例如：假假设现在测量量比较稳定的的

19、压力测量范范围，0.88MPa要求求，误差不大大于0.02MMPa；要求求选择压力表表的精度量程程。解答：0.8兆兆帕因为稳定定所以0.88*1.5=1.2兆帕帕，位于1.01.66兆帕之间，所所以选择01.6兆帕帕，验证下限限问题，1.6/3=00.53333e2，如果铁芯往下偏则e12P,则则A要进行逆逆时针的转动动，具有逆时时针的力矩。转转动90，排出了VV0,3600，排出了44个V0。VV=4NV00=2（）。对机械加工提出出了十分严格格的要求。如如果配合不好好那么容易泄泄露，如果配配合的太紧不不容易转动。,使用计数机构构进行计数就就行了。误差：泄漏量。特点：精度高0.2%对介质要求

20、（一一般要求都在在流量计之前前加过滤器）不含气体不含杂质适用于高粘度介介质不适合用于很低低浓度的测量量。压力不要要太高，容易易造成泄露量量。转子流量计转子流量计通过过改变流体流流通面积的方方法测流量。口径较小，直径径150mmm，还可以做做到直径1.5mm。特特别小了。可可以简单到只只有两个部件件。结构及工作原理理结构锥形管：玻璃、金金属 锥度440到3。玻璃表面面可以刻有刻刻度，金属做做的不可以直直接观察，应应该通过其他他的结构转换换出来。转子：气体：非非金属材料。液液体：金属材材料铝、不锈锈钢。大概形形状一般就是是如图所示的的形状：。形形状要考虑有有益于转子所所测的气体或或者液体得到到稳定

21、的值。液液体一般就是是金属材料，非非金属材料一一般使用橡胶胶或者胶木。工作原理：转子悬浮于锥形形管中间的一一定高度，流流量增大时，转转子上移，流流通面积增大大，流动速度度减小，静压压差、重力及及浮力平衡，转转子在一个新新的高度H上上稳定，由HH可得知流量量Q。转子受到的力有有重力、浮力力、阻力。转转子也可以产产生节流现象象。管道内的的阻力元件改改变了流体的的流通面积，流流通面积的缩缩小，使流体体的流动速度度增加，转子子，前端的压压力要大于转转子后端的压压力，形成差差压力。前端端静压大，截截面积大，流流速较小；后后端截面积小小，流速大，静静压小；形成成前端大于后后端的差压。浮浮力重力不变变差压力

22、增大大则转子上浮浮，截面积变变化，重新达达到新的平衡衡，不同的位位置代表不同同的流量大小小。流量公式转子流量计出厂厂的时候都是是单独标注，刻刻度值需要单单独标注，转转子流量计是是非标准化的的设备。刻度度值是在工业业标准（200，0.10033MPaa的绝压下），用用水或者空气气标定而得，实实际使用时有有与流体密度度的改变，应应进行修正。液体介质：；气体介质：标准状态下：:被测介质标准准状态下密度度Kg/N:空气在标准状状态下的密度度（1.20064）:被测介质的绝绝对压力，MMPa。：工业标准状态态时的绝对压压力（0.110133MMPa）T:工业标准状状态时绝对温温度（2933.15K）:被

23、测介质的绝绝对温度K。浮子也叫转子；，指的是流流量系数阻力力系数分之一一，d，转子子最大的截面面直径。h指指的是转子在在锥形管内的的高度，指的的是角度，锥锥度，锥形管管的锥度。，转转子的体积，AAf，转子最最大截面积， ，指的是流流体的密度。，指的是阻力系系数，指的是是流量系数。简化成为，各个个系数都是一一定的，那么么流量和高度度是线性关系系。转子流量计的指指示值修正。转转子流量计什什么高度指示示什么流量，通通过实验的方方法标注的。实实际使用的时时候有与流体体密度的变化化，它的由于于k值发生变变化那么刚才才那个公式，不不同的k值，同同样的高度，会会得到不同的的流量值，所所以另外一个个密度的液体

24、体得不到正确确的流量值。由由于原来的刻刻度值已经有有了，现在可可以列出两个个公式，进行行修正。气体体液体密度或或者状态发生生变化的时候候必须进行修修正。它可以就地显示示，要求测量量比较干净的的介质，不要要测量太脏的的介质，以免免转子表面结结垢影响测量量精度。金属管的管路，看看不到内部转转子的高度，利利用不锈钢材材料做这个外外壳，外壳加加上磁性，不不锈钢不导磁磁的，外面附附加小磁铁，转转子也加小磁磁铁，转子可可以带动磁铁铁上下移动，通通过杠杆原理理，带动指针针指示流量数数值。如果要远传信号号的话，把转转子的位置上上方流动的方方向修改了，流流体的流动方方向改为侧面面流程，转换换成差动变压压器的形式

25、，转转换成远传信信号。其他流量计电磁流量计从根本的原理上上讲，是利用用电磁定律，中中学已经学过过了。E：感感应电动势，DD；有效长度度，V速度，BB磁场强度，都都是正比例关关系。如果管道直径是是D，如图所所示。切割割磁力线的长长度不是管子子的长度，有有效长度是管管子的直径。有有一段导体（流流体）做切割割磁力线的运运动，应该产产生感应电动动势。对于每每一个截面的的话都是在做做切割磁力线线的运动。流流量和所测到到的感应电动动势成正比例例关系。实际的应用当中中，受到一些些限制，必须须是导电流体体，气体是一一般不导电的的。严格上讲讲对导电率有有下限的影响响，比如纯棉棉油不能被测测量。介质中不能含有有气

26、泡，电磁磁感应电动势势，必须想办办法把它从管管道中引出来来，引出的方方法，必须是是从哪个方向向来引呢，必必须在管道截截面上对应的的位置来取感感应电动势，使使用一对电极极，管道不能能导电的，至至少通过磁场场的这一段不不能导电的，比比如用有机玻玻璃的管道，道道理上讲是十十分好的绝缘缘材料，但是是比较脆，不不耐高温，等等等；所以还还得使用金属属材料，所以以管道内壁处处理成为绝缘缘的，不让它它导电，形成成复合管道，必必须是特制的的，内衬是不不导电的绝缘缘层，只留出出两个电极的的小孔，这两两个点取出电电动势。如果果流体中含有有许多气泡，正正好有个比较较大的气泡，如如果盖住了电电极，那么电电极取不到信信号的，出现现瞬间，对流流量的测量有有十分大的影影响。电磁干扰也对电电磁流量计的的影响十分大大。尽量避开开干扰源。电磁感应定律：导体在磁场场中作切割磁磁力线的运动动时，导体两两端会产生感感应电势。导电的流体在磁磁场中垂直于于磁