自动化仪表的基础知识

自动化仪表基础知识培训石化厂

自动化的基础

检测、调节单元（与设定值）输出调节、执行机构检测——自动控制的基础比较调节仪表（控制器）——接收检测信号，与设定值做比较，输出调节作用，现在，调节功能一般由DCS实现，控制器为DCS内部仪表。我厂DCS用得是日本横河CS3000。执行机构（执行器）——一般指调节阀，是调节作用的具体执行者。

简单控制系统的方块图液位控制——通过控制出料量I/PLICLT气动阀，气开FCFailureClosed典型控制回路I/PLICLT气动阀，气关FOFailureOpen气开、气关都可以调节流量、控制液位。调节阀气开、气关阀选择，主要根据工艺生产的需要和安全要求来决定的；原则是当信号压力中断时，应能确保工艺设备和生产的安全。如果阀门处于全开位置安全性高，则应选用气关阀，反之，则应选用气开式阀。

比如燃气阀一般选择气开阀（故障关），本例中气开气关的选用原则为保证有液位——有液位更安全。如果容器内无液体更安全，则选用相反的调节阀I/PLICLT气动阀，气关FOFailureOpen液位控制——通过控制出料量左气开阀、右气关阀气开阀即随着信号压力的增加而打开，无信号时，阀处于关闭状态。气关阀即随着信号压力的增加，阀逐渐关闭，无信号时，阀处于全开状态。1.1化工检测仪表的定义在化工生产中，为了有效地进行生产操作和自动控制，需要对工艺生产中的主要参数进行自动检测。用来检测这些参数的仪表称为化工检测仪表.常见的检测仪表有：温度、压力、液位、流量。可分类为就地指示、远传仪表（带电信号）。1.2常见的温度检测仪表双金属温度计双金属温度计的原理

基于固体受热膨胀原理，测量温度通常是把两片线膨胀系数差异相对很大的金属片叠焊在一起，构成双金属片感温元件（俗称双金属温度计）。当温度变化时，因双金属片的两种不同材料线膨胀系数差异相对很大而产生不同的膨胀和收缩，导致双金属片产生弯曲变形。双金属温度计的结构和特点：双金属温度计的感温双金属元件的形状有平面螺旋型和直线螺旋型两大类，其测温范围大致为-80℃—600℃，精度等级通常为1.5级左右。双金属温度计抗振性好，读数方便，但精度不太高，只能用做一般的工业用仪表。金属导体或半导体的电阻值随温度变化的性质，将电阻值的变化转换为电信号，从而达到测温的目的。热电阻原理我厂所用的热电阻都是铂电阻Pt100，这是目前工业最常用的，其特性曲线可近似为线性。热点阻接线方法可能是两线、三线、或四线的，其中三线最常见，也是我厂应用的。Pt100铂热电阻分度表（0-100℃部分）pt100分度表

℃012345678910℃0100.00100.39100.78101.17101.56101.95102.34102.73103.12103.51103.900.0010103.90104.29104.68105.07105.46105.85106.24106.63107.02107.40107.7910.0020107.79108.18108.75108.96109.35109.73110.12110.51110.90111.28111.6720.0030111.67112.06112.45112.83113.22113.61114.99114.38114.77115.15115.5430.0040115.54115.93116.31116.70117.08117.47117.85118.24118.62119.01119.4040.0050119.40119.78120.16120.55120.93121.32121.70122.09122.47122.86123.2450.0060123.24123.62124.01124.39124.77125.16125.54125.92126.31126.69127.0760.0070127.07127.45127.84128.22128.60128.98129.37129.75130.13130.51130.8970.0080130.89131.27131.66132.04132.42132.80133.18133.56133.94134.32134.7080.0090134.70135.08135.46135.84136.22136.60136.98137.36137.74138.12138.5090.00100138.50138.88139.26139.64140.02140.39140.77141.15141.53141.91142.29100.00热电阻的结构三引线（注意：三引线中两根在一起）热阻为什么采用多线接法热电阻的接线有三线、四线制接线方法，这是从设计的角度考虑了热电阻导线电阻引起的误差，热电阻到仪表的距离是不确定的，也就是导线的电阻是不确定的，而导线电阻直接引来温度测量误差，对于Pt100热电阻1Ω相当2.6℃，我厂中控DCS到气分工段测温点的导线电阻大约有5-6Ω（与距离有关系），导线电阻误差不可忽视。两线制热电阻测量方法不能消除导线电阻误差，适合不需要精确温度测量的场合，使用时可以预先测量出导线的电阻，折合成温度后在测量结果中扣除，当然这是一种粗略的补偿方法。四线制热电阻测量方法能够完全消除导线电阻的误差，适合实验室内进行精密的电阻测量使用，由于导线比较多，在工业测量中比较复杂，一般不采用四线制测量方法；三线制热电阻测量方法是比较常用的方法，既能消除导线电阻误差，接线也比较简单，是比较专业的温度测量方法。消除导线电阻的前提是：三根导线是相同的材质、相同的线径、相同的长度。工艺温度热端两种异型金属形成的结点.冷端+-MV只要引自该结点的导线的另一端的温度与结点温度有所不同,该温度差将会在这一点的导线间产生与温度成正比的MV电势!温度高的一端称之为热端,反之为冷端.DT该MV数可以由标准化的标度表格查到!作为实用性测温技术,冷端的温度必须知道!什么是热电偶?热电偶测温原理铠装热电偶，是将热电偶丝和绝缘材料一起紧压在金属保护管中制成的热电偶。铠装热电偶的结构温度变送器

前面所说的热电偶和热电阻都是传感器（sensor），是温度敏感元件。变送器（transmitter）:

组成：把信号变换器与传感器做成一体时，成为变送器。

国家标准的定义：使输出为规定标准信号的装置称为变送器。标准信号：DC

4-20mA、1-5V（还有其他种类的标准信号）。电气零点不是从零开始，不但利用了晶体管的线性段，而且容易识别断电、断线等故障。

相对热阻和热偶，温度变送器精度高一些，可靠性更强。溶剂吸收重要的温度测点都用的变送器，DCS上仅仅用来显示的TI-XXXX的全是热阻，而带控制作用的TIC-XXXX的温度检测用得全是一体化温变。

一体化温度变送器（右、上）信号转换器（右图）一体化温度变送器测温的过程（以Pt100为例）1、铂热电阻的作用：将测量温度的变化转变为电阻值的变化2、温度转换器的作用：将传感器（测量敏感元件，本例中为热电阻）的变化转变为标准信号（4-20mA）输出给DCS，变送器的量程为0-100℃或者说信号转换器的量程为100Ω-135Ω。3、指示模块（DCS内部仪表）的作用：把变送器所输入的标准信号转变为示值，指示模块的刻度量程为0-100℃从1到2为变送器的工作原理，即把现场0-100℃的温度变化转变为标准信号输出量程设置的问题变送器和DCS通讯仅赖于标准信号如果变送器的量程和DCS内部指示仪表设置量程不一致会怎样？如果现场安装的变送器量程为0-100℃，中控DCS指示模块的量程为0-200℃，会出现怎样的结果？答：中控的示值会是实际测量温度的一倍。热偶、热阻与一体化温变的区别热电阻RTD（RESISTENTTEMPERATUREDECTOR

）：输出标准化电阻信号，一般为三线制。信号可以远传，灵敏度高，无需参比温度；但是需要激励、有自热现象，影响测量精度。热电偶TC:

（thermocouple）：输出标准化电势信号，一般为二线制，测温范围宽，性能稳定，有足够的测量精度，输出为电信号，可以远传，需参比温度。选择热偶还是热阻主要看检测点的温度和检测精度要求，热偶主要用于高温测量。一体化温变（温度变送器）：热电阻和热电偶都是可以通过加一个信号转换模块而变成相应的一体化测温原件，一般为二线制输出4～20mA标准信号。距离较远，现场环境不好、干扰源太多等情况时，可直接选用一体化温变。三者都能远传信号至DCS：需要配置相应接口卡。石化厂气分工段用得热电阻；反应器周围用热电偶；焚烧炉用一体化温变（以热偶为传感器）；溶剂吸收用热阻，部分用一体化温变（以热阻为传感器）。我们生活的空间里充满了大气，而压力的测量正是基于大气压进行的。也就是说，通常是测量和显示所测压力与大气压间的差压。这个差压称为表压，压力单位的后边应该带有“G”，但通常都被省略了。1.3压力检测仪表在压力测量中，常有表压、绝对压力、负压或真空度之分。

p表P真P绝P绝大气压力线绝对压力零点线绝对压力、表压、负压（真空度）的关系压力表的结构和原理防堵塞、防结晶压力表隔膜压力表能适用于测量强腐蚀、高温、高粘度、易结晶、易凝固、有固体浮游物的介质压力以及必须避免测量介质直接进入通用型压力仪表和防止沉淀物积聚且易清洗的场合。其由隔膜隔离器与通用型压力仪表组成，工作（填充）液一般是硅油，

安装会引起误差，特别量程小时U形管压力计（血压计、我厂制冷机有）测量气体压力△P=P1－P2=ρg(h1+h2)石化厂制冷机压力计工作液为水银，压力单位为mmHg提高工作液密度将增加压力的测量范围，但灵敏度要降低。3-2提高工作液密度将增加压力的测量范围，但灵敏度要降低。压力变送器的分类和应用

压力变送器可分为绝对压力变送器和普通压力(差压)变送器。压力变送器生产厂家很多，原理也各不相同，但其对外特性都是一样的——施加一定范围的压力（称量程），输出标准信号。压力变送器液位流量压力差压变送器不能直接测量流量，测量流量需要辅助节流装置。节流装置就是在管道中放置的一个局部收缩元件,应用最广泛的是孔板，其次是喷嘴、文丘里管。

压力变送器测量流量的原理

左图，右上角为文丘里管，其余为孔板

流量越大,输出的压差就越大.孔板装置及压力、流速分布图流体经过孔板：动能与静压能互相转换标准节流元件(a)孔板(b)文丘里管文丘里管适用于大流量、要求低压降（流通阻力小）、低压损的场合如：我厂FT-2110反应器入口风量测量，压差变送器量程0-2.5kPa，满量程为8万标方每小时，风量最大时，压降仅为2.5KPa，而孔板一般几十个KPa蒸汽流量监测（另外需要伴热、保温箱）气体流量测量安装Installation 2-4倾角1inchperfoot倾角1inchperfoot气体流量测量液体流量测量可能的漏点(a)压力表式液位计(b)法兰式液位变送器静压式物位检测原理：静压式物位检测方法是根据液柱静压与液柱高度成正比的原理来实现的。下图为用于测量常压开口容器液位高度的三种压力式液位计。B图如：脱盐水罐、温水膨胀罐压力变送器用于物位检测密闭容器中的液位测量，测量过程中为消除液面上部气压及气压波动对示值的影响，将差压变送器的一端接液相，另一端接气相。因此差压式液位计原理图

当用差压式液位计来测量液位时,若被测容器是敞口的,气相压力为大气压,则差压计的负压室通大气就可以了,这时也可以用压力计来直接测量液位的高低。若容器是受压的,则需将差压计的负压室与容器的气相相连接，以平衡气相压力pA的静压作用。

结论由差压式液位计的测量原理可知，液柱的静压差△P与液位高度H满足H=△P/ρg的条件是：(1)差压变送器的高压室取压口正好与起始液面（H=0）在同一水平面上；(2)差压变送器低压室的导压管中没有任何气体的冷凝液存在；这两个要求很不容易实现，但保证差压变送器低压室侧一直满水倒是容易实现。条件1不满足时，预先考虑安装高度空罐时，差压变送器的输入为液位增长时，压差在此基础上升高零点迁移问题——液体、汽包液位测量

罐不满时，变送器负压室侧的压力比正压侧还高空罐时变送器输入压差为，液位增长时，压差在此基础上升高。XMTR20mA测量终点测量起点量程LH零点迁移是个大问题现在的压力（压差）变送器是智能的，可以通讯，我们可以告诉变送器测量压差是多少的时候，液位为空（零），让它输出4mA；另外还要告诉它，输入压力为多少的时候，液位就满了，应该输出20mA，这两个压力分别为变送器的上下限。4mA假设上下取压管间距为1m（1000mm），则液位量程为1m，设被测介质是水，比重为1.0，那么差压变送器的设定量程为-10KPa—0KPa。压力变送器输入压差为-10KPa时，输出电流为4mA，DCS指示为零，压力变送器测量压差为-5KPa的时候，输出电流为12mA，DCS显示500mm。用法兰式差压变送器测量液位

为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及黏度大、易凝固等液体液位时引压管线被腐蚀、被堵塞的问题，应使用法兰式差压变送器，如右图所示。我厂气分工段、溶剂吸收工段广泛使用该种仪表。引压毛细管内填充工作液一般为硅油。双法兰变送器测量液位的常见问题假设上下安装法兰间距h为1m（1000mm），则液位计量程为1m。比如气分工段：硅油比重约为1.0，测量介质为丁烷，比重约0.6，那么差压变送器的设定量程为-10KPa—-4KPa，相应输出4-20mA。变送器输入压差为-10KPa时，输出电流为4mA，DCS指示为零，压力变送器测量压差为-7KPa的时候，输出电流为12mA，DCS显示500mm。事实上，我们往往不能确切知道被测量液体的密度。在上例中，如果不知道测量过程介质的比重，把差压变送器的量程设为-10KPa—0KPa，而测量介质的真实比重只有0.6，实际液位从零一直上涨至溢罐，液位测量会出现什么现象？答：实际液位上涨时，但DCS指示液位测量液位也会涨，趋势一致但比现场低，但现场液位已满时，中控液位指示仅为600mm，并且不会继续增长。1.4液位的测量静压力液位计雷达音叉开关浮标电容投尺视镜玻璃管/板称重差压超声开关浮筒核子

超声波吹气直读式液位计玻璃液位计使用最早和最简单的直读式液位计，分为玻璃管和玻璃板式两种。玻璃液位计构造简单，安装简便。不需要外接能源，适用于就地现场指示，应用比较广泛。

磁翻转液位计

直接测量是一种最为简单、直观的测量方法，它是利用连通器的原理，将容器中的液体引入带有标尺的观察管中，通过标尺读出液位高度。下图所示的是玻璃管液位计。

吹气式液位计原理图图中Purgeset吹气装置

Airsupply吹洗气体（氮气）PressureGage/DPTransmitter为压力表、压力变送器吹气管内压力近似等于液柱的静压力，故P=γ*g*H（γ为密度）H=P（总）/γgH就是实际的液位高度

我厂熔盐泵、废液蒸发釜液位测量采用此原理，不过用得是双吹气管（测量差压，另一侧通气相）1.5流量测量仪表流量的定义：流量是流体在单位时间内通过管道或设备某横截面处的数量。质量流量：是单位时间内通过的流体质量，用qm表示，单位为kg/s。体积流量：是单位时间内通过的流体体积，用qV表示，单位为m3/s。质量流量是表示流量的最好方法。它们之间可以互相换算。质量流量和体积流量有下列关系：qm=ρqv流量测量方法：1．速度式流量计——直接测出管道内流体的流速v，以此作为流量测量的依据。2.容积式流量计——通过测量单位时间内经过流量仪表排出的流体的固定容积V的数目来实现。3.质量式流量计——通过直接或间接的方法测量单位时间内流过管道截面的流体质量m转子流量计转子流量计的原理流量增大，转子上升，属于恒压降、变截面积流量计（与孔板相反）吹扫装置（又称吹气装置）吹气装置（或称为吹扫装置）。由针型阀、恒流量装置、金属管浮子流量计组成。可实现流量恒定输出，不受上游或下游压力的影响。广泛应用于吹气式液位计、氮气吹扫保护。VFM1091G

VFM5090G

VFM1091BFT-1402/1403/1507的型号为克罗尼VFM1091G涡街流量计涡街流量计的原理涡街流量计实现流量测量的理论基础是流体力学中著名的“卡门涡街”原理。在流动的流体中放置一根其轴线与流向垂直的非流线形柱形体(加三角柱、圆柱等)，称之为漩涡发生体，见图。当流体沿漩涡发生体绕流时，会在漩涡发生体下游产生如图所示不对称但有规律的交替漩涡列，这就是所谓的卡门涡街。涡街流量计（Vortexflowmeter)是利用流体流过阻碍物时产生稳定的漩涡，通过测量其漩涡产生频率而实现流量计量的。DCS简单介绍BUS1printer6401.64BUS2ENG01FCS01.01DCS系统配置图系统配置图BUS16301.63BUS2HISBUS16201.6２BUS2HISBUS16101.6１BUS2HISBUS16001.6０BUS2HISBUS103FCS01.0２0204端子柜AVR10DＬ２ＳＷＬ２ＳＷACB215901.59BUS2HISBUS15801.58BUS2HISBUS1DCS各部分简介HumanInterfaceStation(HIS)操作站用于运行操作和监视。采用了微软公司的WindowsXP作为操作系统和横河公司指定的工业用高性能计算机。因此系统工作站具有很强的安全性和可靠性。FieldControlStation(FCS)现场控制器（机柜内）用于过程Ｉ／Ｏ信号处理，完成模拟量调节、顺序控制、逻辑运算、批量控制等实时控制运算功能。EngineeringStation(EWS)工程师站（我厂与司炉操作站共用）用于设计组态、仿真调试及操作监视。采用WindowsXP作为操作系统的横河指定的高性能计算机。PID模块面板整定窗口打印报警确认保存趋势数据暂停/继续数据显示主调节器直接控制模式切换报警关模式切换，用以禁止报警，按下此按钮，报警挂起，再按一次恢复。调校模式切换，按下此按钮，改变数据状态到校验状态，输入失效，此时可以人为设置PV值。再按一次恢复。显示操作标记分配控制图状态显示窗口显示原始数据对话框显示一个功能块详细的控制状态。调出顺序表窗口调出逻辑表窗口减小/扩大时间轴减小/扩大数据轴PageJ-2调整窗口(TuningWindow)测量值上限测量值下限测量值设定值输出值偏差：测量值-设定值累积值输出上限制指针输出低限制指针操纵量上刻度限制操纵量低刻度限制调整窗口(TuningWindow)高高报高报警低报警低低报速度限制变差限制设定值高限制设定值低限制正常系统操作信息条的介绍：过程报警窗口系统报警窗口操作指导信息信息监视窗口用户进入窗口窗口切换菜单窗口操作菜单预设窗口工具栏导航窗口名字输入窗口切换键清屏按钮消音按钮全屏拷贝HISSETUP窗口：主要对于HIS的操作和监视功能作一些相关的设置。报警状态

(AlarmStatus)符号名称定义NR正常各种报警条件都不存在OOP输出开路报警由于终端执行器件和过程I/O设备的故障或连续断开，或输出方向上的无效数据，输出进入PTPF数据状态（输出故障）通常，这时输出动作将停止

IOP高输入开路报警输入开路（超限）输入超限、电流值高限，由于终端执行器件和过程I/O设备的故障或连续断开，或输入方向上的无效数据，输入进入BAD数据状态，通常这时输入信号处理将停止。如果由于连接断开输入超限，在高限方向上，输入将超限IOP-低输入开路报警由于输入信号断线，输入在低限方向盘上超限，输入BAD数据状态通常，这时输入处理将停止

HHHighHighAlarm过程变量升