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仪表基础知识目录第一章、四大参数的测量原理及仪表第二章、调节阀第三章、轴系仪表第四章、自动控制基础知识第五章、控制系统第一章、四大参数的测量原理及仪表第一节、温度的测量与变送第一节、温度的测量与变送温度测量仪麦种类繁多，若按测量方式的不同，测温仪表可分为接触式和非接触式两大类。前者感温元件与被测介质直接接触，后者的感温元件却不与被测介质相接触。一、热电偶温度计热电偶温度计由热电偶、连接导线及电测仪表组成，如下图所示。由于热电偶的性能稳定、结构简单、使用方便、测量范围广、有较高的准确度，且能方便地将温度信号转换为电势信号，便于信号的远传和多点集中测量，因而在石油化工生产中应用极为普遍。一、热电偶温度计一、热电偶温度计热电偶是由两根不同的导体或半导体材料(如上图中的A和B)焊接或绞接而成。焊接的一端称为热电偶的热端(测量端或工作端)，和导线连接的一端称为热电偶的冷端(自由端)。组成热电偶的两根导体或半导体称作热电极。把热电偶的热端插入需要测温的生产设备中，冷端置于生产设备的外面，如果两端所处的温度不同(譬如，热端温度为t，冷瑞温度为to)，则在热电偶回路中便会产生热电势E。该热电势E与热电偶两端的温度t和to均E有关。如果保持t。不变，则热电势E只是被测温度t的函数。用电测仪表测得E的数值后，便知道被测温度t的大小。一、热电偶温度计工业热电偶中热电偶按分度号分有S、R、B、N、K、E、J、T等几种。其中S、R、B属于贵金属热电偶，N、K、E、J、T属于廉金属热电偶。E型测温范围为-40℃-1000℃；K型测温范围为-40℃-1300℃；S型测温范围为0℃-1700℃；B型测温范围为0℃-1800℃；T型测温范围为-40℃-400℃。二、热电阻温度计热电阻温度计由热电阻、电测仪表(动圈仪表或平衡电桥)和连按导线所组成，其中热电阻是感温元件，有导体的和半导体两种。热电阻温度计广泛用来测量中、低温(一般为500℃以下)。它的特点是准确度高，在测量中、低温时，它的输出信号比热电偶要大得多，灵敏度高，同样可实现远传、自动记录和多点测量。二、热电阻温度计金属导体的电阻值随温度的变比而变化的。一般说来，他们之间的关系为：Rt=R0[1+α(t-t0)]ΔRt=Rt-R0=αR0Δt式中Rt温度为t℃时的电阻值；R——温度为t0℃(通常为0℃)时的电阻值；α——电阻温度系数即温度变化1℃时电阻值的相对变化量，单位是℃-1，;Δt——温度的变化量，即t-t。=ΔtΔRt——温度改变Δt时的电阻变化量。二、热电阻温度计热电阻分度号主要有Pt100、Pt1000、Pt10、Pt800、Pt500等铂电阻；Cu50、Cu100、Cu10等铜电阻；镍NI120、NI500、NI1000等镍电阻，以及非常用的BA1、BA2、G53。其中常用的，铂电阻测温范围为-200~850℃，铜电阻测温范围为-50~150℃。*、热点偶、热电阻*、双金属温度计双金属温度计是一种测量中低温度的现场检测仪表。可以直接测量各种生产过程中的-80℃-+500℃范围内液体蒸汽和气体介质温度。工业用双金属温度计主要的元件是一个用两种或多种金属片叠压在一起组成的多层金属片，利用两种不同金属在温度改变时膨胀程度不同的原理工作的。是基于绕制成环性弯曲状的双金属片组成。一端受热膨胀时，带动指针旋转，工作仪表便显示出热电势所应的温度值。*、双金属温度计第二节、压力的测量与变送一、压力概念压力，通常是绝对压力，表压力、负压（真空度）等表述的统称。我们用压力表来测量压力的数值，实际上也都是表压或真空度（绝对压力表的指示值除外）。因为各种工艺设备和测量仪表都处于大气中，在工程上无特别说明时，所提的压力均指表压力或真空度。二、就地压力表就地压力表就是在现场指示的压力表，不带远程集中显示、调节的压力表，就地压力表可以现场指示压力的大小，没有调节功能。就地压力表是压力仪表类的主要组成部份之一，它有着极为广泛的应用价值，它具有结构简单，品种规格齐全、测量范围广、便于制造和维修和价格低廉等特点。就地压力表中的弹性敏感元件随着压力的变化而产生弹性变形。所测量的压力一般视为相对压力，即相对于大气压力的表压。弹性元件在介质压力作用下产生的弹性变形，通过压力表的齿轮传动机构放大，就会显示出相对于大气压的相对值(或高或低)。在测量范围内的压力值由指针显示，刻度盘的指示范围一般做成270度。比较通用的仪表盘面大小有Ф100和Ф150大小。二、就地压力表三、压力变送器压力变送器是工业应用中最为常用的一种传感器，一般意义上的压力变送器主要由测压元件传感器（也称作压力传感器）、测量电路和过程连接件三部分组成。它能将测压元件传感器感受到的气体、液体等物理压力参数转变成标准的电信号（如4~20mADC等），变送器的输出信号传输到DCS等控制系统进行压力指示、记录或控制。压力变送器根据测量范围可分成一般压力变送器（0.001MPa～35MPa）和微差压变送器（0～1.5kPa），负压变送器三种；从精度角度来分类的话，分为高精度压力变送器（0.1%或0.2%或0.075%）和一般压力变送器（0.5%）三、压力变送器电容式压力变送器的工作原理是当压力直接作用在测量膜片的表面，使膜片产生微小的形变，测量膜片上的高精度电路将这个微小的形变变换成为与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，然后采用专用芯片将这个电压信号转换为工业标准的4-2OmA电流信号或者1-5V电压信号。由于测量膜片采用标准化集成电路，内部包含线性及温度补偿电路，所以可以做到高精度和高稳定性，变送电路采用专用的两线制芯片，可以保证输出两线制4-20mA电流信号，方便现场接线。三、压力变送器三、压力变送器第三节、流量的测量与变送第三节、流量的测量与变送在石油化工生产过程中，为了有效地进行生产操作和控制，经常需要测量生产过程中各种介质(如液体、气体和蒸汽等)的流量，以便为生产操作和控制提供依据。流量是指单位时间内流过管道某一截面的流体的体积或质量，即瞬时流量。流量测量的方法和仪表种类繁多，其测量原理和仪表的结构形式各不相同。针对石油化工生产过程的不同要求，采用不同的流量仪表。一、差压式流量计差压式(也称节流式)流量计是使用历史最久，应用也最广泛的一种流量测量仪表，同时也是目前生产中最成熟的流量测量仪表之一。它是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差与其流量有关而实现流量测量的。流体在装有节流装置的管道中流动时，在节流装置前后的管壁处,流体的静压力发生变化的现象称为节流现象。节流装置是一种放里在管道中的局部收缩元件，其中应用最广泛的是孔板，其次是喷嘴和文丘里管。这几种节流装置经过长期使用，已经积累了完整的应用资料和丰富的实践经验，被定为“标准节流装置”。一、差压式流量计当流休流经节流装置时，在节流装置的前后会产生压力差。节流装置前流体压力较高，称为正压，以“+”表示;节流装置后流体压力较低，称为负压，以“—”表示。管道中流体的流量越大，在节流装咒前后产生的压差也越大。只要测出节流装置前后压差的大小，就可知道管道中流量的大小，这就是节流装置测最流最的基本原理。节流装置前后压差的大小与流量有关。一、差压式流量计*、节流装置节流装置是在充满管道的流体流经管道内的一种流装置，流束将在节流处形成局部收缩，从而使流速增加，静压力降低，于是在节流件前后产生了静压力差。节流装置作为流量计中最重要的一个分支，它分为标准节流装置和非标准节流装置两大类。标准节流装置有：标准孔板，ISA标准喷嘴，长颈喷嘴，经典文丘里管和文丘里喷嘴；非标准节流装置有：环形孔板，四分之一圆喷嘴，四分之一圆孔板，锥形入口孔板，圆缺孔板，偏心孔板，双重孔板，低压损流量管，矩形文丘里管，V型锥流量计，楔形流量计，内藏孔板，限流孔板等。一、差压式流量计一、差压式流量计一、差压式流量计一、差压式流量计二、质量流量计质量流量计可直接测量连续介质的质量流量、密度、温度。通过直接测量变量可推算出体积流量、累计量。传感器内的流量管，在没有流体流经流量管时，流量管由安装在流量管端部的电磁驱动线圈驱动，其振幅小于1mm，频率约为80Hz，流体流入流量管时被强制接受流量管的上下垂直运动。在流量管向上振动的半个周期内，流体反抗管子的向上运动而对流量管施加一个向下的力；反之，流出流量管的流体对流量管施加一个向上的力以反抗管子向下运动而使其垂直动量减少。这便导致流量管产生扭曲，在振动的另外半个周期，流量管向下振动，扭曲方向则相反，这一扭曲现象称之为科里奥利（Coriolis）现象，即科氏力。二、质量流量计根据牛顿第二定律，流量管扭曲量的大小完全与流经流量管的质量流量大小成正比，安装于流量管两侧的电磁信号检测器用于检测流量管的振动。当没有流体流过流量管时，流量管不产生扭曲，两侧电磁信号检测器的检测信号是同相位的；当有流体流经流量管时，流量管产生扭曲，从而导致两个检测信号产生相位差，这一相位差的大小直接正比于流经流量管的质量流量。二、质量流量计*、电磁流量计电磁流量计（ElectromagneticFlowmeters，简称EMF）是20世纪50~60年代随着电子技术的发展而迅速发展起来的新型流量测量仪表。电磁流量计是应用电磁感应原理，根据导电流体通过外加磁场时感生的电动势来测量导电流体流量的一种仪器。电磁流量计的结构主要由磁路系统、测量导管、电极、外壳、衬里和转换器等部分组成。*、电磁流量计*、涡街流量计涡街流量计是根据卡门（Karman）涡街原理研究生产的，主要用于工业管道介质流体的流量测量，如气体、液体、蒸汽等多种介质。其特点是压力损失小，量程范围大，精度高，在测量工况体积流量时几乎不受流体密度、压力、温度、粘度等参数的影响。无可动机械零件，因此可靠性高，维护量小。仪表参数能长期稳定。涡街流量计采用压电应力式传感器，可靠性高，可在-20℃～+250℃的工作温度范围内工作。有模拟标准信号，也有数字脉冲信号输出，容易与计算机等数字系统配套使用，是一种比较先进、理想的测量仪器。*、涡街流量计*、转子流量计转子流量计是工业上和实验室最常用的一种流量计。它具有结构简单、直观、压力损失小、维修方便等特点。转子流量计适用于测量通过管道直径D<150mm的小流量，也可以测量腐蚀性介质的流量。使用时流量计必须安装在垂直走向的管段上，流体介质自下而上地通过转子流量计。*、转子流量计第四节、液位的测量与变送第四节、液位的测量与变送在石油化工生产中，常遇到测量容器中介质的液位和界面的位置问题，液位测量是这个问题的一个方面。一般液位测量有两种目的：一种是通过液位测量来确定容器里的原料或产品的数量，以保证生产过程中各环节得到预先计划好的原料用量或进行经济核算；另一种是通过液位测量，了解液位是否在规定范围内，以便及时监视或控制容器液位，保证安全生产以及产品的质量和数量。由于各种被测介质的性质不同，各种生产设备的操作条件也不同，所以需要各种各样的液位测量仪表，以满足生产的不同需要，下表列出了各种液位测量仪表的主要特点和应用场合。一、玻璃板液位计玻璃板液位计是根据U形管原理，通过透明的玻璃外壳直接读取液位高度。玻璃板液位计可以直接指示封闭容器中的液位高度，与其它液位计相比具有结构简单、使用方便的特点，但测量的液位数值精确度也相对较低。主要用于测量结果要求不高的场合以及作为远传测量仪表的参照。主要材质是钢材、钢纸及石墨等，因此，选择玻璃板材料时要考虑介质对材料发生腐蚀作用的情况。一、玻璃板液位计*、磁翻板液位计二、浮筒式液位计浮筒式液位计是一种应用浮力原理测量液位的仪表。利用浮筒浸沉在被测液体中，当液位变化时，浮筒被浸没程度不同，浮筒所受浮力也不同。只要测出浮力的变化，液位的高低便确定了。它主要由浮筒、杠杆、扭力臂及芯轴等组成。浮筒垂直地悬挂在杠杆的一端，杠杆的另一端与扭力管、芯轴的B端垂直地固定在一起，并由固定在外壳上的支点所支撑。扭力管的A端通过法兰固定在仪表外壳上，芯轴的另一端为自由端，用来输出角位移。二、浮筒式液位计三、差压式液位计

差压式液位计是应用差压计或差压变送器来测量变送器液位的，是目前应用得最广泛的一种液位测量仪表。差压式液位汁是利用容器内液位改变时，由液柱产生的静压也相应变化的原理而工作的。三、差压式液位计

*、雷达液位计雷达液位计属于通用型雷达液位计，它基于时间行程原理的测量仪表，雷达波以光速运行，运行时间可以通过电子部件被转换成物位信号。探头发出高频脉冲在空间以光速传播，当脉冲遇到物料表面时反射回来被仪表内的接收器接收，并将距离信号转化为物位信号。*、雷达液位计*、伺服液位计、重锤料位计*、音叉液位开关、浮球液位开关第二章、调节阀第二章、调节阀调节阀用于调节介质的流量、压力和液位。根据调节部位的信号，自动控制阀门的开度，从而达到介质流量、压力和液位的调节，是工艺流程中最终的控制元件。调节阀分很多种类，根据执行机构类型分，有薄膜执行机构、活塞执行机构和长执行机构。根据信号来源可以分为电动调节阀、气动调节阀和液动调节阀等。根据阀体类型，可分为单座阀、蝶阀、角阀等。本章主要以气动薄膜式调节阀来讲解。第一节、调节阀的结构原理第一节、调节阀的结构原理调节阀=执行机构+阀体部件一、调节阀执行机构调节阀的执行机构是调节阀的推动装置，它按信号压力的大小产生相应推力，使阀杆相应的位移、阀芯动作。执行机构分正、反两种形式。当信号压力增加时，阀杆向下动作的叫正作用执行机构。反之，信号增加阀杆向上的叫反作用执行机构。*、调节阀结构二、调节阀阀体部件调节阀的阀体部分是调节阀的调节部分，它直接与介质接触，由阀芯的动作，改变调节阀节流面积，达到调节的目的。三、调节阀的流量特性调节阀的流量特性，是在阀门两端压差保持恒定的条件下，介质流经调节阀的相对流量与它的开度之间的关系。调节阀的流量特性有快开特性、线性特性、等百分比特性、抛物线特性四种。线性特性是单位行程的变化所引起的流量变化是不变的，在小开度工作时，流量相对变化太大，调节作用太强，易产生超调引起震荡；而在大开度时，流量相对变化小，调节太弱，不够及时。等百分比的特性是流量小时，流量变化小，流量大时，则流量变化大，也就是在不同的开度上，具有相同的调节精度。目前生产中常用的是等百分比和线性两种。三、调节阀的流量特性四、调节阀的流开、流闭五、调世阀的气开、气关*、调节阀、控制阀的种类*、气动调节阀（Globe）*、气动调节阀（Ball）*、电动调节阀*、自力式调节阀*、两位式开关控制阀*、电磁阀第三章、轴系仪表第一节、轴系仪表组成在高速旋转机械和往复式运动机械的状态分析中，主要是获取其核心—转轴的运行参数，如轴振动、轴向位移、轴承（瓦）温度、转速等信号，对轴的不平衡、不对中、轴承磨损、摩擦等机械问题的早期判定，提供关键的信息。轴系仪表就是对这些参数进行测量和监视，从而了解其运行状态。轴系仪表主要有轴瓦温度，轴下沉、机身振动、转速等。1、轴承（瓦）温度轴承（瓦）温度主要测量支撑轴承和推理轴承两个方面，温度探头安装在轴承的活动瓦块上。一般选用Pt100铂热电阻，采用埋入式安装。2、振动测量仪表测量振动用传感器分为接触式传感器和非接触式传感器两种。前者包括速度传感器、加速度传感器等，直接安装在机泵外侧指定测量缸体机壳振动的位置，用于旋转轴的振动容易传递给轴承和外壳的旋转机械上；非接触式传感器不直接和被测物体接触，用于装有平面滑动轴承和旋转轴的旋转机械监测转动部件的运行状态，最常用的是电涡流式趋近传感器。3、位移测量位移量主要是指移动部件与固定部件之间的间隙变化，主要包括压缩机和汽轮机的转子轴向位移测量；汽轮机启动停止过程中由于受热或重力等原因引起的转子弯曲程度的偏心测量；由于膨胀系数不同而造成的转子热膨胀与壳体膨胀的胀差测量以及往复式压缩机的活塞杆偏离和活塞缸磨损的下垂测量等。4、转速测量转速是衡量机器正常运转的一个重要指标，对于旋转机械而言，都需要检测旋转机械轴的转速。5、非接触式传感器测量原理非接触式传感器主要有探头、延伸电缆、前置器、监视器组成，可以测量转速、轴振动、轴位移、加速度、轴下沉、胀差、键相等参数。其工作机理是电涡流效应。根据法拉第电磁感应原理，当接通传感器电源时，在前置器内会产生高频的电流信号，该信号通过电缆送到探头头部（铂金丝线圈），在头部周围产生交变磁场H1，如果金属导体材料接近探头，则交变磁场H1将在导体表面产生电涡流场，该电涡流场也会产生一个方向与H1相反的交变磁场H2。由于H2的反作用，就会改变探头头部线圈高频电流的相位和幅值，即改变了线圈的有效阻抗。这种变化既与电涡流有关，又与静磁学效应有关。如在磁导率、激励电流、频率等参数恒定不变的情况，则可把阻抗看成是探头顶部到金属表面间隙的单值函数，即二者之间成比例关系。第四章、自动控制基础知识一、自动控制的由来一、自动控制的由来通过操作人员的手动控制，可以将液位保持在期望值，达到所需要的目标。但此手动控制，需要操作人员频繁的观察液位的变化，并及时采取合适的措施以消除偏差，劳动强度大。而对于石化行业这样复杂、流程很长的工业过程，需要控制的变量很多，因此需要大量的操作人员，生产成本很高，效率难以提高。一、自动控制的由来设计一个控制系统以自动实现上述控制任务，而不需要操作人员的干预。简单回路的自动控制如上图右侧所示。控制系统包含三个基本部件：1）传感变送器：控制系统的眼睛2）控制器：控制系统的大脑3）执行机构：可直接接受控制器的指挥自动控制。借助于传感器，获得液位测量信号，通过变送器将测量信号转换成控制器可接受的标准信号。控制器（也可称调节器）接受该标准测量信号，并与其期望值进行比较。基于比较结果，控制器决定如何校正测量值与期望值之间的偏差，控制器给执行器发出一个控制信号，让执行机构采取具体的动作。二、过程控制工程中的主要术语1）被控变量/受控变量（ControlledVariable，CV）是指必须保持在某一个期望值的变量或工艺参数。2）设定值/给定值（Setpoint，SP）是指被控变量的期望值3）操纵变量/操作变量（ManipulatedVariable，MV）是指控制系统直接可操作，并用于使被控变量保持在其设定值的其它工艺变量。4）扰动/扰动变量（Disturbance，DV）是指任意可能导致被控变量偏离其设定值的、而控制系统本身又无法干预的各种因数。过程控制的目标是：对于任意的外部干扰（DV），通过调节操作变量（MV）以使被控变量（CV）维持在其设定值（SP）。自动控制，通常由DCS控制系统来实现。通过自动控制，防止各种可能对操作人员或生产装置造成的伤害或损坏，并尽可能减少废水、废气的排放以保护环境；同时更有利于提高产品质量，减少成本。三、PID整定三、PID整定1、控制质量指标：1）衰减比：表示系统的衰减程度的标志，η=B1/B2（4:1~10:1常用）2）最大偏差A3）振荡周期Pu4）余差C：过渡过程结束后，新稳定值与给定值之差5）过渡时间T：从被调参数变化之时起，直到进入新的稳态值的±5%所需的时间2、调节器PID整定1）比例P：有两种表示方式:比例度δ%和增益K，K=1/δ%,

K增大，系统的稳定器变差，控制质量提高。纯比例调节时，K=输出/输入2）积分I：积分时间以Ti（分）来表示，积分作用的是在系统经受干扰后使系统输出返回设定值，即目的是为了消除余差，它以“偏差是否存在”来动作。Ti↑系统稳定性↑，Ti↓积分作用越强。3）微分D：微分时间以Td（分）来表示，微分作用的基本目的是能补偿容量的滞后，使系统稳定性改善，从而允许使用高的增益，并提高响应速度。Td↑作用强，太强会振荡。微分D有超前调节的作用，对滞后大的对象有很好的效果。3、PID经验值第五章、控制系统第一节、集散控制系统（DCS）一、DCS系统概念DCS是20世纪70年代中期发展起来的，以微处理器为基础，实现集中管理、分散控制的计算机控制系统。发展初期以分散控制为主，因此称为分布式控制系统（DistributedControlSystem），简称为DCS。本公司采用的DCS控制系统为YOKOGAWCENTUMVP系统。二、DCS系统的基本结构DCS通常采用若干个控制器对生产过程中的众多控制点进行数据采集和控制。各控制器间通过网络连接并可进行数据交换。生产控制和操作采用计算机操作站，通过网络与控制器连接，收集生产数据，传达操作指令。从结构上划分，DCS包括过程级、操作级和管理级。过程级主要有过程控制站、I/O单元和现场仪表组成，是系统控制功能的主要实施部分。操作级包括操作员站和工程师站，完成系统的操作和组态；管理级主要指工厂管理信息系统（MIS）,作为DCS的更高层次的应用。二、DCS系统的基本结构三、操作员站四、DCS功能DCS系统通过A/D转换器(信号采集卡)将现场的工艺信号(温度、压力、流量、液位等)转换成数字信号，存储在主控制器内并通过人机界面（操作站）显示给操作人员；操作人员通过人机界面向现场设备发送命令，例如开关阀门、调整变频器转速等。监测现场数据、遥控现场设备是DCS的基本功能。除此以外，DCS具有自动进行PID控制，生产异常信号报警、级别较低的联锁以及顺序控制等功能，根据需要还可以自动生成生产报表等。第二节、安全仪表系统（SIS）一、基本功能与要求SIS--saftyinstrumentssystem安全仪表系统，主要用于生产装置、简单机组设备等安全保护控制，DCS主要用于生产控制，而SIS为了生产安全联锁的保护。本公司采用TRICONEX系统.1、联锁系统是按生产装置的工艺过程和设备要求，使相应的执行机构动作，或自动启动备用系统，或实现安全停车的系统。联锁保护系统要既能保证生产装置和设备的正常开、停、运转，又能在工艺过程出现异常时，按规定的程序保证安全生产，实现紧急操作、安全停车、紧急停车或自动投入备用设备。2、除确保装置生产异常时自动保障设备安全外，还具有发生报警，提醒操作人员的功能。3、在相关操作画面中显示联锁动作和正常运行状态，以及必要的紧急停车和手动复位等功能。二、SIS系统的构成SIS系统的结构与DCS基本相同，也是通过若干个控制器对生产过程中的众多信号进行数据采集和并在控制器内部进行数据分析与逻辑处理，处理结果传送到现场的执行设备，产生所期望的联锁动作功能。SIS的联锁回路主要有三部份组成：

1）信号采集设备

2）执行设备

3）逻辑系统信号采集元件一般