仪表及控制装置g

仪表自动化技术培训教程自动化设备类型DODIAIAOPIPO触点按钮、接触器触点负载灯、接触器线圈模拟式仪表执行器脉冲计量脉冲控制CIO通信设备第一部分检测仪表自动化仪表可分为模拟式和数字式两类。模拟式仪表：信号形式为连续变化的模拟量（4~20mA、1~5V等）；数字式仪表：信号形式为数字编码信号（HART、MORDbus、FF等）。在实际应用中，采用模拟式信号的自动化仪表占多数。目前模拟仪表，采用国际标准信号制式：24V.DC集中供电电源，传输信号为4～20mADC；控制室信号为1～5V.DC。现场变送器可以采用两线制传输，有利于安全防爆。4-20mA.DC24V.DC电源变送器250Ω1~5V安全栅显示控制仪表危险场所（现场）非危险场所（控制室）24VDC1~5V4~20mA检测端安全栅4~20mA4~20mA操作端安全栅24VDC在DCS控制系统中，模拟式仪表一般是通过安全栅与现场控制站I/O机柜的输入/输出卡（AI/AO）连接，24V电源可由电流信号输入卡提供，也可由带24V电源配电的安全栅提供。构成了安全火花防爆系统。特别适用于石油工业站场控制系统。一、扩散硅压力变送器2、原理：单晶硅膜片受压变形时，其上各处应力不同。1、结构：R2、R3

位于r<0.635处,受拉应力，电阻增加；R1、R4

位于r>0.635处,受压应力，电阻减小。R1、R2、R3、R4组成电桥，输出不平衡电压正比于压力（灵敏度较高）。第一节压力/差压变送器Vad↑Vbd↓VabR1R2R3R4abcd由扩散硅传感器、放大转换电路、表头组成。核心器件—“硅杯”承压膜片为单晶硅片。在硅膜片背面扩散制出4个压敏电阻。3、转换电路由测量桥路、恒流源、输出放大、V-I转换电路等组成，将扩散电阻桥路产生的mV电压转换成4-20mA标准电流信号输出。测量桥路放大器V-I转换电路电源-指示4、厚膜陶瓷压力变送器（1）结构：感压元件氧化鋁陶瓷膜片压敏电阻厚膜电阻，压阻材料印刷烧结形成，四个电阻形成电桥。敏感芯片组成一个刚性固态压阻传感器。大气压被测压力陶瓷基体压敏电阻膜片

（3）特点：特种陶瓷膜片，具有高弹性、抗腐蚀、抗冲击、抗振动、热膨胀微小的优异特性。不需填充油，受温度影响小。（2）工作原理：被测介质的压力作用于陶瓷膜片上，使膜片产生与介质压力成正比的微小位移，利用厚膜电阻的压阻效应，陶瓷膜片上的压敏电阻发生变化，经电子线路检测这一变化后，转换成对应的标准信号(4-20mA)输出。内置微处理器按预定程序自动测试，并由激光补偿修正，保证了其零位、满度和温度特性。特点与性能①.测量范围：-0.1～60MPa，允许过载：额定工作压力的1.5~2倍。②.基本误差：一般为0.1~0.5%F.S，③.二线制电源：24VDC（允许12～40VDC），输出4～20mADC。④.允许负载电阻：0-750Ω。⑤.工作温度：-20~+85℃，环境湿度：0%-100%RH。⑥.测量介质：液体、气体或蒸汽。接线压力变送器安装1).安装前仔细阅读随货包装的产品说明书。2).尽量避开高温、强振动和腐蚀、潮湿场合。3).测量高温介质加冷却管，不使变送器温度超限。4).变送器和取压点之间加装截止阀，以便检修。5).严禁敲打、摔跌变送器，严禁用尖硬物按压膜片。电容式差压变送器，由测量、转换部分组成。转换部分：测量电容ΔC转换为4-20mA.输出检测部分：ΔP电容膜盒膜片位移电容ΔC测量范围宽广：0.01kPa至70MPa。精度高（可达0.25％），灵敏度高；结构坚实，稳定可靠，耐震动、耐冲击，抗过载；二、电容式差压变送器1、组成与结构引线玻璃体镀金电极测量膜片隔离膜片基座P1P2C1C2感压元件：电容膜盒。2、原理P1-P2>0时隔离膜片硅油传压中心膜片向右侧凸起δC1↓C2↑两玻璃体内侧凹球面镀膜作固定电极；中间膜片作可动电极，组成两个电容C1、C2。初始状态，P1-P2=0时，两电容对称：C2=C1=C0

C2+C1=2C0

，C2-C1与Δ

P成线性关系；经转换放大标准信号4-20mA输出。3、安装与接线①.满足仪表使用环境条件，易观察、易检修。②.避免振动和高温影响。③.避免高温及腐蚀性液体，如测量原油、污水时可以采取加装隔离罐。④.引压导管与变送器之间安装三阀组，方便调零防止单向受压。接线通讯与组态：用“手操器”远程设定变送器参数。

（测量范围、零点和量程调整、线性或平方根输出、阻尼时间、工程单位选择、指定工位号等）。一、雷达式物位计1、基本原理C—

微波传播速度（光速）回波测距法：雷达波（微波）的往返时间Δt正比于天线到液面的距离dt极其微小，直接测量t非常困难——用连续调频法（FMCW）

第二节液位检测仪表2、雷达液位计组成：当波速C、周期T、频偏△F确定后,空高d与差频信号△fd成正比。3．特点及应用非接触测量、无活动部件，可靠性高，寿命长，安装方便。适用于高粘度、易结晶、强腐蚀及易爆易燃介质。构成：内电极棒外套绝缘层，与金属罐体组成同轴电容。当罐内液位高度为h，传感器电容：

二、射频导纳物位计1、基本原理射频导纳物位计是在电容式物位测量原理基础上发展起来的新型物位测量技术。传感器电容变化量ΔC正比于液位高度为h。在电脱水器中，上部是原油、下部是水，电容：Hh挂料因而可以测量油水界面高度h。但测量粘性导电液体时，液位变化会有残余粘液粘附在传感电极的绝缘层上（挂料），形成虚假液位。射频—是频率15~40KHz的高频交流电导纳—是电阻、电容、电感阻抗的倒数。液位计中只有电容、电阻成分。阻抗：2、射频导纳测量原理挂料层很薄，挂料电阻Rg很大，液面下液体电阻可忽略不计，R=Rg。挂料层较长时，挂料层的容抗与其电阻数值相等：测量挂料电阻Rg即可确定挂料电容Cg，由此可计算有效电容Cw=Cx-Cg。消除挂料电容的影响。三、磁致伸缩液位计1、结构组成脉冲电流铜导线沿波导管产生下移磁场遇浮子磁场磁力作用波导管扭转变形波以速度v沿波导管上、下传播在检测线圈上产生感应电压脉冲。V=2850m/s2、工作原理测量电流发射脉冲与返回脉冲之间的时间Δt确定磁浮子的位置。t①.可同时测量液面和界面，能测量含泡沫、强腐蚀性和易挥发性的液体。②.精度高（0.01％F.S）。误差不超过1mm，重复性高达0.025mm。③.简单可靠，无需维护,仪表无需重新校准即可投入使用。④.测量受波导管、保护管限制，最大测量可达30m。⑤.适应性强。工作温度-40～150℃，工作压力小于2MPa。3、特点及应用安装维护一、腰轮流量计：两个转子像“链节”，表面无齿，靠同轴齿轮驱动，同步反向转动。

1、组成：测量主体+显示表头第三节流量计腰轮转动时，腰轮-隔板-壳体间保持动接触状态，封闭“月牙”型液柱。2、结构类型1）通过磁性耦合—将转子转动传到隔板外。3）有立式、卧式两种形式。2）大型腰轮流量计，有双对腰轮。1、组成原理结构：筒形转子、刮板、凸轮轴。原理：流体压差推动刮板-转筒转动→凸轮轴固定，刮板贴近内壁转动→封闭计量室内液体，转动一周排出4个计量室流体测量转数→表头→指示累计流量。外壳内壳上盖出轴密封圈内盖轴承座转子筒轴承刮板凸轮滚子轴承挡快二、凸轮刮板流量计

2、安装与应用5）流量计前需装过滤器。防止砂卡、磨损。6）水平、低位安装，必须安装旁通管路，或并联使用，以便检修、校验。7）投运前旁通冲洗，缓慢开、关。停用时放空。1）精度高(0.1~0.5)；范围广(D=16~500mm)；稳定可靠。3）避免高温、振动、腐蚀环境。4）流体温度不能超高额定温度（<100~150℃)，防止转子膨胀卡壳。2）测量结果与流体密度、粘度、温度压力、流态影响小。体积大、价格高。1、结构：双转子流量计（螺杆流量计）一对特殊齿型的螺旋转子直接啮合，靠进、出口压差推动转子旋转，螺旋转子每转一周可输出8倍空腔的容积。三、双转子流量计3、特点：双转子流量计具有结构简单，体积小，重量轻；精度高（0.1、0.2、0.5级）、可靠性高、噪音低、无脉动、流量大、重复性好、保持高精度寿命长和环境适应性强度等特点。

2、原理：转子的转数与流体的累积流量成正比，转子的转速与流体的瞬时流量成正比。转子的转数通过磁性联轴器传到表头计数器，显示出流过流量计（流过管道）的流量。

qv-Ex线性关系，与流体性质、流态、状态无关。

导电流体流过磁场（可视为直径为D的导电园片依次通过磁场）切割磁力线产生出感生电势E，由电极传出。

1、工作原理四、电磁流量计2、结构测量管为非金属管或绝缘内衬管，防止将Ex短路。测量管应不导磁、高内阻，以减少磁屏蔽、涡流损耗。电极应水平安装，耐腐、耐磨。电磁流量计组成：电磁流量变送器＋电磁流量转换器↓↓

qv→Ex转换放大、滤波、显示电磁流量计类型：分体式、一体式。1）上、下游直管段5D、3D。2）测量管必须充满液体。水平安装时，两电极平行于水平面。3）感应电势易受外界电磁干扰。要远离大的电磁设备。4）传感器及管道须可靠接地(<10Ω)，并单独设置接地点。5）避免负压下使用。防止衬里剥落。应用3、特点及应用特点：1）介质性质、流态对测量无影响。反应迅速、可测脉动流量。2）量程比宽(20:1)、口径范围大(10~3000mm)、流速广(0.3~10m/s)。3）管中无凸出物，压力损失小。可测赃污介质、腐蚀性介质；4）被测介质必须是导电液体〔20~50)×10-4Ω.mVFωFVωFVFVω流体从转轴向外流动时线速度↑吸收能量产生反力阻滞管子转动流体从外向转轴流动时线速度↓释放能量产生动力加快管子转动流体在转动的U型管中流动时，方向相反的科里奥利力使管子扭曲。1、测量原理用进出口端固定的U形管上下振动，相当于正、反向交替转动。流体沿转动的管子流动时，对管子产生切向反作用力---科里奥利惯性力。五、质量流量计ωVdmdFLFVFVωFVω式中：θ--扭角

K--扭转弹性系数；

ω--振动角速度；

r--U形管跨度半径；

L--U型管长度。U形管两侧流向相反，科氏力F1↓=F2↑产生力矩M

U形管扭转变形产生弹性反力矩M’扭转角θ2、结构类型由检测器和转换器组成。检测器：激励测量管的振动，并将测量管的变形转换为电信号输出。转换器：把传感器的电信号进行变换、放大成正4~20mA或数字信号，显示流量。单直管型双U形管型3、性能特点及应用①测量精度高（0.2级）。测量与介质的温度、压力、密度、粘度等无关。②可测量中高压气体、液体及含杂质、高粘度液体。③仪表对上下游直管段无要求。④可靠性高。测量管易于维护和清洗。⑤流量范围宽（量程比10：1到50：1）。⑥零点不稳定。对外界振动敏感。价格昂贵。安装与应用①预防外界震动影响测量。无应力安装的要求②检测器远离变压器、电动机等磁场较强的设备。③流体保证满管流动。④检测器要在现场重新调零。⑤测量管需要定期清洗。一、热电偶温度计组成：热电偶+连接导线+显示仪热电偶热端、冷端温度不同，t≠to时，热偶上有电势产生——热电效应。焊接端--热端置于被测温度输出端--冷端置于环境温度1、热电偶测温原理热电偶：由两种金属丝焊接而成。热电偶总电势：固定to（一般为0℃），则：EAB(T,To)＝EAB(T)-C，只与被测温度t有关。由EAB(t,to

)即可确定t第五节热电偶与热电阻热电偶名称分度号热电极材料E(100.0)测温范围℃特点正极负极mV长期短期铂铑30-铂铑6B29.6%Rh6.12%Rh0.033200～16001800测温高、精度高、灵敏度低、热电势小、价高铂铑10-铂S10%Rh100%Pt0.646-40～13001600性能稳定、准确、灵敏度低、非线性大、价高镍铬-镍硅K10%Cr1%Si2%Mn2%Al4.096-270～12001300精度略低、抗氧化、灵敏度高、线性好、价低镍铬-康铜E10%Cr45%Ni6.319-270～8501000精度低、低温性能好、灵敏、线性好、价格低铁-康铜J>99.5%Fe45%Ni>0.1%CoFeMn5.269-40～600760精度低、测温范围小、灵敏、线性好、价格低铜-康铜T100%Cu

45%Ni<0.1%CoFeMn

4.279-270～350400精度高、测温范围小、灵敏、线性好、价格低2、常用热电偶种类及结构①.热电极：正负极点焊、对焊、绞焊而成。直径：贵金属φ＝0.3-0.5mm；普通金属φ＝0.5-3.2mm；长度：L＝350-2000mm。②.绝缘管：防止热电极短路。材料：氧化铝＜1600℃、陶瓷＜1200℃、石英＜1100℃。③.保护管：保护热电极免受化学腐蚀和损伤。材料：氧化铝＜1600℃、高温不锈钢＜1200℃、高温钢＜1000℃、不锈钢＜900℃、碳钢＜600℃。④.接线盒：用于连接引线、防水防尘。形式：普通型、防溅型、防水型、防爆型。（2）、热电偶结构3、冷端温度补偿补偿导线：在常温下与热电偶热电特性相同，以代替热电偶将冷端引到远处。补偿导线与热电偶型号对应，有正负极之分，配对使用。热电偶名称分度号补偿导线型号补偿导线材料允差100℃B级/A级正电极负电极铂铑—铂S/RSC铜红铜镍绿5.0/3.0镍铬—镍硅KKC铜红铜镍兰2.5/1.5KX镍铬红镍硅黑2.5/1.5镍铬硅—镍硅NNC铜红铜镍浅灰2.5/1.5NX镍铬硅红镍硅深灰2.5/1.5镍铬—铜镍EEX镍铬红铜镍棕2.5/1.5铁—铜镍JJX铁红铜镍紫2.5/1.5铜—铜镍TTX铜红铜镍白1.0/0.5二、热电阻温度计测温范围：-200～850℃

1、常用热电阻(1)、铂电阻特点：精度高、稳定性好、抗氧化、电阻率大、α小、R-T非线性。测温范围：-200~850℃种类：Pt10（Ro=10Ω）、Pt100（Ro=100Ω）组成：热电阻+连接导线+显示仪表(2)、铜电阻特点：精度低、灵敏度高、R-T线性、价格低，易氧化、电阻率低。测温范围：-50~150℃种类：Cu50（Ro=50Ω）、Cu100（Ro=100Ω）2、热电阻结构由电阻体、绝缘管、保护管、接线盒组成。

铂电阻体：有架形、微形两种。3、一体化温度变送器一体化温度变送器由测温元件和变送器模块两部分构成。变送器模块把测温元件的输出信号Et或Rt，转换成为统一标准信号4～20mA.DC。热电偶变送器模块：变送器在出厂前已经调校好，使用时一般不必再做调整。当使用中产生了误差时，可以用零点、量程两个电位器进行微调。热电阻变送器模块：24V4~20mAE(t,t0)+-24V4~20mARt

执行器有电动执行器、气动执行器两类。一般由执行机构（机头）、调节机构（阀）两部分组成。第一节调节阀组成B.气动执行器气动执行机构调节机构电气阀门定位器20-100kPa4-20mAA.电动执行器4-20mA电动执行机构调节机构

气动执行器结构简单、动作可靠、维修方便、防火防爆，价格较低。配电-气阀门定位器，仍可用电动仪表控制。电动执行器信号传递无滞后，不需要气源装置。结构复杂、防爆性能差，油气集输生产过程中应用较少。第二部分系统控制装置结构：原理：气压控制信号P作用力P.A→克服弹簧弹力K.L，阀杆下移L与信号P成正比。

一、气动薄膜执行机构：第二节气动执行机构

二、气动活塞式执行机构结构：活塞、气缸原理：通过活塞两边气缸的充、放气实现活塞推杆的直线位移。特点：输出力大、行程长。齿条式拨叉式电磁阀电气阀门定位器阀门回信器三、电气阀门定位器原理：4-20mA设定信号、与阀位传感器开度信号→A/D转换→在CPU中进行对比，根据偏差正/负，控制压电阀动作：1）当控制信号大于开度信号时，阀l打开，输出P增大；

2）当控制信号小于开度信号时，阀2打开，输出P减小。通过CPU控制两个压电阀，调节输出气压，使阀位跟踪4-20mA控制信号变化。电源液晶显示/按钮24V控制信号4~20mA排气气源压电阀1压电阀2CPUA/DA/D开度信号4~20mA阀位传感器第二节、电动执行机构IiIf一、组成原理：伺服放大器、执行机构伺服放大器：将输入信号Ii和表示阀位开度的反馈信号If比较→①当Ii–If＞0时：伺服电机正转→减速器→阀杆下移→L↑②当Ii–If＜0时：伺服电机反转→减速器→阀杆上移→L↓→阀杆位移→位置发送器→转换为反馈电流If→伺服放大器→使ΔI=Ii–If减小→……直到Ii=If时：伺服电机停转→阀杆位移L与输入信号Ii成比例变化。(1).直行程调节阀：（阀杆、阀芯上下移动）3、调节阀类型及作用形式(2).角行程调节阀：(阀轴、阀芯转动)阀上压差恒定时，相对流量Q/Qmax与相对开度l/L之间的关系。4、流量特性流量特性取决于阀芯的形状。QQmaxlL相对开度%相对流量%对数直线快开抛物线①．快开流量特性②．对数流量特性③．直线流量特性④．抛物线流量特性特点：开度与流量成正比。特点：小开度时调节缓和；大开度时灵敏有效。特性：介于直线、对数之间。特点：适用于迅速切断阀或双位控制系统。40-50年代60年代70年代4C技术network第三部分自动化系统组成、应用、维护基本构成操作站工程师站监控计算机现场控制站数据采集站控制器执行机构变送器被控对象设定值测量值被控变量简单回路控制系统组成框图计算机系统应用类型计算机

分级控制系统生产过程工厂级集中监督计算机企业级经营管理计算机装置级计算机车间级监督计算机输入通道输出通道管理指令销售、订货等数据到其他工厂的生产运输指令生产过程装置级计算机车间级监督计算机输入通道输出通道经济动向及数据来自其他工厂的生产和库存数据综合自动化系统计算机集成过程系统：ERP+MES+PCSERP:企业资源信息管理系统EnterpriseResourcesPlanningMES生产执行系统ManufacturingExecutionSystemPCS过程控制系统ProcessControlSystem1、PCS：自动化层，包括：先进控制软件、实时数据库技术，DCS、FCS等等。2、MES：生产过程优化层，主要包括：流程模拟技术、先进计划与调度技术、实时优化、动态质量控制与管理等等3、以ERP为基础的企业生产经营优化层：人事管理，产品质量管理，设备资源管理等等。控制系统操作站工程师站监控计算机现场控制站数据采集站生产过程通讯系统现场总线控制系统FCS工作站服务器网桥现场数字传感器现场总线现场执行传感器现场数字控制功能模块H1现场总线H1H2LAN合同签订成立项目组设计联络会确定技术要求