仪表基础知识

仪表基础知识一、化工自动化意义及目的意义化工生产过程自动化：在化工设备、装置及管道上，配置一些自动化装置，替代操作工人的部分直接劳动，使生产在不同程度上自动地进行。这种部分地或全部地用自动化装置来管理化工生产过程的办法，称为化工生产过程自动化，简称为化工自动化。目的（1）加快生产速度、降低生产成本、提高产品产量和质量。（2）减轻劳动强度、改善劳动条件。（3）保证生产、人生安全，防止事故发生或扩大，延长设备使用寿命、提高设备利用率。（4）改变劳动方式，提高工人文化技术水平，适应当代信息技术革命和信息产业革命需要。绪论二、化工自动化的发展概况初级阶段：应用一些自动检测仪表监视生产，利用手工操作，工人根据反映主要工艺参数的仪表指示情况人工地改变操作条件，生产过程单凭经验进行。对于连续生产的化工厂，在进出物料彼此联系中装设了大的贮槽，可以克服干扰影响及稳定生产，但是生产效率低，设备投资大。50~60年代：开发化工生产各个操作单元，向着大规模、高效率、连续生产、综合利用方向发展。实际生产中应用的自动控制系统主要是压力、流量、液位和温度四大参数的简单控制。串级、比值、多冲量等复杂控制系统也得到一定程度发展。自动化技术工具主要是基地式电动、气动仪表及膜片式的单元组合仪表。此时期由于对化工对象动态特性了解不够深入，因此，半经验、半理论的设计准则和整定公式，在自动控制系统设计和参数整定中起相当重要作用。70年代：自动化技术工具方面，气动2型和电动2型单元组合式仪表刚投入生产不久，气动3型和电动3型单元组合式仪表相继问世，进一步发展到具有多功能的组装仪表、智能式仪表，为实现各种特殊控制规律提供了条件。新型智能传感器和控制仪表的问世使仪表与计算机之间的直接联系极为方便。而且，电子计算机的作用也越来越大。化工生产过程自动化是一门综合性技术学科，利用自动控制学科、仪器仪表学科几计算机学科的理论与技术服务于化学工程学科。随着现代科学技术的进步，本学科将不断发展并日益被人们所重视。在化工生产过程中，由于实现了自动化，人们通过自动化装置来管理生产，自动化装置与工艺及设备已结合成为有机的整体。因此，越来越多的工艺技术人员认识到：学习仪表及自动化方面的知识，对于管理与开发现代化化工生产过程是十分必要的。三、化工仪表及自动化系统的分类化工生产过程中需要测量和控制的参数是多种多样的，主要的有热工量（压力、流量、液位、温度等）和成分（或物性）量。所以化工自动化仪表按功能不同，大致分为五类：

检测仪表（各种参数的测量和变送）；

分析仪表

(成分或物性量)

显示仪表（模拟量显示和数字量显示）；

控制仪表（气动、电动控制仪表及数字式控制器）；

执行器（气动、电动、液动等执行器）。利用上述各类仪表，可以构成自动检测、自动操纵、自动保护和自动控制这样四种自动化系统，他们的作用如下：自动检测系统利用各种仪表对生产过程中主要工艺参数进行测量、指示或记录的，称为自动检测系统。它代替了操作人员对工艺参数的不断观察与记录，因此起到对过程信息的获取与记录作用。这在生产过程自动化中是最基本的也是十分重要的内容。自动检测系统中主要的自动化装置是敏感元件、传感器和显示仪表。

敏感元件也称检测元件，作用是对被测变量作出响应，把它转换成适合测量的物理量。

传感器可以对检测元件输出的物理量信号作进一步信号转换，当转换后的信号为标准的统一信号（如0~10mA、4~20mA、0.02~0.1Mpa等）时，此时的传感器一般成为变送器。

显示仪表的作用是将检测结果以指针位移、数字、图象等形式准确地指示、记录或储存，使操作人员能正确了解工艺操作情况和状态。自动信号和联锁保护系统生产过程中有时由于一些偶然因素的影响导致工艺参数超出允许的变化范围而出现不正常情况时就有可能引起事故。为此，常对某些关键性参数设有自动信号联锁保护装置。当工艺参数超过了允许范围，在事故即将发生以前，信号系统就自动地发出声光信号警报，告戒操作人员注意，并及时采取措施。自动信号联锁保护电路按其主要构成元件的不同，可分为有触点式和无触点式两类（有时可采用混合式）。有触点式电路是由各种继电器、按钮、开关等电器组成的继电线路，各种电器的触点开合完成电路的通断和切换。无触点式电路利用由二极管、晶体管及集成电路等电子器件构成具有一定功能的电子线路，利用电子器件的导通或阻断特性来实现自动信号的报警和联锁保护作用。自动操纵及自动开停车系统

自动操纵系统可以根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作。

自动开停车系统可以按照预先规定好的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。自动控制系统生产过程中各种工艺条件不可能一成不变，特别是化工生产，大多数是连续生产，各设备相互关联，当其中某一设备工艺条件发生变化时，都可能引起其他设备中某些参数的波动，偏离正常工艺条件。为此，需要用自动控制装置对生产中某些关键性参数进行自动控制，使它们在受到外界干扰的影响而偏离正常状态时，能自动地调回到规定的数值范围内。

自动检测系统只能完成“了解”生产过程进行情况的任务；

自动信号联锁保护系统只能在工艺条件进入某种极限状态时采取安全措施以免发生生产事故；

自动操纵系统只能按照预先规定好的步骤进行某种周期性操作；只有自动控制系统才能自动地排除各种干扰因素对工艺参数的影响，使它们始终保持在预先规定的数值上，保证生产维持在正常或最佳的工艺操作状态。所以，自动控制系统是自动化生产中的核心部分。

通过本门课程学习，应能了解主要工艺参数（温度、压力、流量及物位）的测量方法及其仪表的工作原理及特点；应能根据工艺要求正确地选用和使用常见的测量仪表及控制仪表；应能了解化工自动化的初步知识，理解基本控制规律，懂得控制器参数是如何影响控制质量的；应能根据工艺的需要和自控设计人员共同探讨和提出合理的自动控制方案；应能为自控设计提供正确的工艺条件和数据；应能在生产开停车过程中初步掌握自动控制系统的投运及控制器的参数整定。

目录第一章仪表基础知识第二章仪表的选用与安装第三章执行器第四章自动控制系统第五章计算机控制系统第一章仪表基础知识

仪表基础(一)-----概念

仪表基础(二)-----温度检测仪表仪表基础(三)-----压力检测仪表仪表基础(四)-----流量检测仪表仪表基础(五)-----物位检测仪表仪表基础(六)-----分析检测仪表仪表基础(一)什么是测量仪表？在化工生产过程中，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一些主要参数进行自动测量。用来测量这些参数的仪表称为化工测量仪表。本篇在介绍有关测量和测量仪表的基本知识的基础上，介绍有关压力、流量、液位、温度等参数的测量方法及其相应的测量仪表。仪表基础(一)仪表主要性能指标

误差

绝对误差=测量值-真值相对误差=绝对误差/仪表示值×100%引用误差=绝对误差/量程×100%

精确度(准确度)

精度仪表基本误差的最大允许值

等级±1.5%1.5级

复现性稳定性

仪表基础(一)测量系统中的常见信号类型

作用于测量装置输入端的被测信号，要转换成以下几种便于传输和显示的信号类型：位移信号：是一种机械信号，包括直线位移和角位移。在测量力、压力、质量、振动等物理量时，要先把它们转换成位移量再处理。压力信号：包括气压信号和液压信号，工业检测中主要应用气压信号。电气信号：有电压信号、电流信号、阻抗信号和频率信号等。传送快、滞后小、可远距离传递、便于和电子计算机联接。光信号：包括光通量信号、干涉条纹信号、衍射条纹信号、莫尔条纹信号等。可是连续得，也可是断续（脉冲）式的。仪表基础(一)测量系统中信号的传递形式从传递信号的连续性的观点来分，在检测系统中传递信号的形式可以分为模拟信号、数字信号和开关信号：

模拟信号：在时间上是连续变化的，在任何瞬时都可以确定其数值的信号。可以变换为电信号，即是平滑地、连续地变化的电压或电流信号。例如：连续变化的温度信号可以利用热电偶转换为与之成比例的连续变化的电势信号。

仪表基础(一)数字信号：是一种以离散形式出现的不连续信号，通常用二进制数“0”和“1”组合的代码序列来表示。数字信号变换成电信号就是一连串的窄脉冲和高低电平交替变化的电压信号。连续变化的工艺参数（模拟信号）可以通过数字式传感器直接转换成数字信号。然而，大多数情况是首先把这些参数变换成电形式的模拟信号，然后再利用模拟-数字（A/D）转换技术把电模拟量转换成数字量。将一个模拟信号转换为数字信号时，必须用一定的计量单位使连续参数整量化，即用最接近的离散值（数字量）来近似表示连续量的大小。由于数字量只能增大或减小一个单位，所以，计量单位越小，整量化所造成的误差也就越小。仪表基础(一)开关信号：用两种状态或用两个数值范围表示的不连续信号。例如：用水银触点温度计来检测温度的变化时，可利用水银触点的“断开”与“闭合”来判断温度是否达到给定值。在自动检测技术中，利用开关式传感器（如干簧管、电触点式传感器）可以将模拟信号变换成开关信号。仪表基础(一)仪表管道、流程图(P&ID)仪表基础(一)仪表图形符号检测点连线一般是由工艺设备轮廓线或工艺管线引到仪表圆圈的连接线的起点

必要时也可以用象形或图形符号表示

通用的仪表信号线均以细实线表示

仪表基础(一)图形符号仪表的图形符号是一个细实线圆圈，直径约10mm

就地安装仪表就地安装仪表嵌在管道中集中仪表盘面安装仪表就地仪表盘面安装仪表集中仪表盘后安装仪表就地仪表盘后安装仪表同一个检测点，有两个或多个测量，可用两个或多个相切的圆表示仪表基础(一)仪表位号表示方法

F------流量T------温度(变送器)P------压力A------分析(报警)V------阀门R------记录I------显示C------控制H-------手动遥控(高报)HH------高高报H------手动遥控(高报)

L------液位(低报)

仪表基础(一)举例说明：

AT—1122在线分析FI—1122流量指示FT—1122流量变送FV—1122流量调节阀FIC—1122流量指示、控制FRC—1122流量记录、控制FRSA—1122流量记录、联锁、报警LIA—1122液位指示、报警HV—1122遥控阀XV—1122切断阀仪表基础(二)温度检测仪表概念：温度是表征物体冷热程度的物理量

单位：℃℉分类：1.热电偶----将两种不导体或半导体材料焊接成一闭合路，利用热电效应，产生电动势，在回路中形成电流。

常用热偶：K型(镍铬-镍硅)，测量温度400℃；

特殊热偶：铠装热偶高温热偶(铂铑)，测量温度1600℃表面热偶补偿导线：延长热电极，使热电偶冷端移到控制室。

两线制

仪表基础(二)温度检测仪表一体化热偶温度变送器：热电偶与变送器合为一体，直接输出4~20mA信号。

仪表基础(二)温度检测仪表2.热电阻----利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量

常用热阻：铂电阻WZP(分度号：Pt100)，测量温度850℃；

特殊热阻：铠装热阻端面热阻一体化热阻温度变送器：热电阻与变送器合为一体，直接输出4~20mA信号。三线制

仪表基础(二)温度检测仪表3.智能温度变送器----以微处理器为核心部件构成的温度变送器。

特点：a.万能输入方式b.输出信号多样c.HART通讯d.精度高e.体积小

仪表基础(二)温度检测仪表4.我们的使用情况：以下类型a：一体化温度变送器b.高温热偶(造气炉)c.热电偶d.热电阻e.双金属温度计

仪表基础(三)压力检测仪表概念：垂直作用在单位面积上的力单位：帕斯卡(帕)，Pa常用换算关系：

1MPa=106Pa=10公斤

1毫米水柱(mmH2O)≈9.81Pa

1毫米汞柱(mmHg)≈1.333×102Pa

1工程大气压(kgf/cm2)≈9.81×104Pa

1巴(bar)=1000mbar=105Pa仪表基础(三)压力检测仪表常用名词：绝对零压----以绝对真空下的压力称为绝对零压。绝对压力----以绝对零压为基准来表示的压力。表压----以大气压为基准来表示的压力，与绝对压

力相差一个大气压(0.1MPa)真空度----如果被测流体的绝对压力低大气压，则压力表所测得的压力为负压，其值称为真空度。仪表基础(三)压力检测仪表分类1.压力表2.压力传感器----由各种压力敏感元件将被测压力信号转换成容易测量的电信号作输出，给显示仪表显示压力或控制、报警使用。常用：应变式(电容式压阻式)压电式

光导纤维式3.智能压力变送器----以微处理器为核心部件构成，20世纪80年代初，由美国HoneyWell推出ST3000系列，这是计算机和通讯技术发展的结果。

仪表基础(三)压力检测仪表4.现场总线型变送器----根据现场总线通信协议开发出来的一种智能变送器，是现场总线控制系统FCS的基础。a.优点：

全数字式----------------无模拟信号，全数字结构

现场总线通信方式----双向传输，串行

精度高-------------------不需要A/D和D/A转换，数字传输

功能强大----------------集变送、控制、通信于一身，挂总线上b.与智能压力变送器不同处

连接方式通信方式传输信息仪表基础(三)压力检测仪表我们的使用情况：

a:压力变送器b:差压变送器C：压力开关d：压力表仪表基础(四)流量检测仪表概念：单位时间内流过管道某一截面的流体数量。体积流量Q质量流量MM=Q·p

单位：L/hm3/hKg/ht/hNm3/h常用换算关系：1m3=1000L

1英寸=25.4mm1磅=0.4536Kg

1升=0.22英加仑=0.2642美加仑仪表基础(四)流量检测仪表分类1.差压式流量计----节流装置与差压变送器配套测量喷嘴文丘里管孔板(角接取压法、法兰取压法)2.容积式流量计椭圆齿轮流量计腰轮流量计仪表基础(四)流量检测仪表3.智能式漩涡(涡街)流量计----由漩涡发生体和频率检测器构成的变送、信号转换器构成，利用流体自然振荡的原理，涡列的个数(涡街频率)与流体的流速成正比，输出4~20mA信号或脉冲电压信号。

安装方式：法兰式插入式缺点：受磁场干扰大，怕振动，安装要求前后直管段长St称为斯特劳哈尔数（无因次数），St主要与漩涡发生体的形状和雷诺数有关。在雷诺数为5000～150000的范围内，St基本上为一常数。

仪表基础(四)流量检测仪表4.电磁流量计----利用电磁感应原理测量导体液体流量仪表。

Ex=BDv×10-4缺点：a.使用温度压力不能太高b.应用范围有限，不能测量气体、蒸汽和石油制品等非导液体。c.当流速与速度分布不均时，产生较大误差。d.不能在负压情况下使用。仪表基础(四)流量检测仪表5.超声波流量计----在管道一定传输距离L中，静止流体中的声速为C，流动流体中的声速为U，当声速与流体流动方向一致时传播速度为C+U，反向时传播速度为C-U，得出时间差△t，求出流速U。仪表基础(四)流量检测仪表6.转子流量计----利用转子移动位置与流体流速大小有关，流体推力与转子重力测量流速。仪表基础(四)流量检测仪表7.