【大学课件】化工仪表及自动化

化工仪表及自动化本课程将深入探讨化工仪表及自动化技术，为学生提供全面的理论知识和实践应用指导。课程概述理论基础学习化工仪表的基本原理和分类。仪表应用掌握各类测量仪表的使用方法。自动化技术了解控制系统和先进自动化系统。实践技能培养仪表管理和维护能力。化工仪表的分类温度仪表测量反应釜、管道等设备的温度。压力仪表监测反应容器和输送管线的压力。流量仪表测量液体、气体的流动速率。液位仪表检测储罐、反应器中液体高度。温度测量仪表1接触式直接与被测对象接触2非接触式无需直接接触被测对象3智能型具备数据处理和通信功能温度测量原理热电偶利用热电效应产生电动势热电阻利用金属电阻随温度变化双金属片利用不同金属热膨胀系数差异红外测温利用物体辐射能量与温度关系温度测量仪表分类玻璃温度计利用液体热膨胀原理，适用于低温测量。热电偶测量范围广，响应快，适用于高温场合。热电阻精度高，稳定性好，适用于精密测量。红外测温仪非接触测量，适用于运动或高温物体。温度测量常用仪表压力测量仪表1机械式直接显示压力值2电子式转换为电信号输出3智能型具备数据处理功能压力测量原理1弹性元件变形如波登管、膜片、波纹管等在压力作用下产生变形。2力平衡利用已知力与待测压力平衡的原理。3电学效应如压阻效应、电容效应等将压力转换为电信号。压力测量仪表分类液柱压力计利用液体静压原理，适用于低压测量。弹簧管压力表结构简单，广泛应用于工业现场。电子压力变送器输出标准信号，适用于远传和自动控制。压力测量常用仪表流量测量仪表差压式利用流体通过节流装置产生的压差。速度式测量流体运动速度来计算流量。容积式直接测量通过的流体体积。质量式直接测量流体的质量流量。流量测量原理差压原理利用伯努利方程，测量流体通过节流装置的压差。速度原理测量流体的平均速度，乘以管道截面积得到体积流量。质量原理利用科氏力效应直接测量质量流量。流量测量仪表分类差压式流量计包括孔板、文丘里管、皮托管等，适用于各种流体。电磁流量计适用于导电液体，无压损，精度高。涡街流量计适用于清洁流体，结构简单，维护方便。质量流量计直接测量质量流量，不受温度、压力影响。流量测量常用仪表液位测量仪表1直接测量如液位计、浮子式2间接测量如压力式、静压式3特殊测量如雷达、超声波等液位测量原理1静压原理测量液体静压力来确定液位高度。2浮力原理利用浮子受到的浮力随液位变化。3电学原理利用电容、电导等电学特性变化测量液位。4波反射原理利用雷达波或超声波反射时间测量液位。液位测量仪表分类浮子液位计结构简单，直观显示，适用于开放容器。压力式液位计适用于密闭容器，可远传信号。雷达液位计非接触测量，适用于各种介质，精度高。液位测量常用仪表成分分析仪表1物理分析法利用物理特性进行分析2化学分析法利用化学反应进行分析3光学分析法利用光学特性进行分析成分分析原理光谱分析利用物质对不同波长光的吸收特性。色谱分析利用混合物组分在固定相和流动相中分配不同。电化学分析利用物质的电化学特性进行定性定量分析。质谱分析利用离子质量与电荷比进行分析。成分分析仪表分类气相色谱仪适用于气体和易挥发液体样品分析。液相色谱仪适用于非挥发性或热不稳定化合物分析。质谱仪用于复杂混合物的定性定量分析。光谱仪包括红外、紫外可见光谱仪等。常用成分分析仪表控制系统组成及原理传感器检测被控对象的状态。控制器处理信息并做出控制决策。执行器执行控制命令改变被控对象状态。反馈环节将输出信息反馈给控制器。控制系统的定义控制系统是由各种控制设备组成的，能够按照预定要求，自动完成一定任务的系统。控制系统通过检测、比较、调节等操作，使被控对象的某些参数保持在期望值。控制系统的基本组成被控对象需要控制的工艺过程或设备。测量元件检测被控量的实际值。比较单元比较设定值和实际值的偏差。控制器根据偏差计算控制量。闭环控制原理1设定值输入系统期望达到的目标值。2实际值测量传感器检测当前系统状态。3偏差计算比较设定值和实际值的差异。4控制算法根据偏差计算控制输出。5执行调节执行器改变系统状态。PID控制器比例控制输出与偏差成正比。积分控制消除静差，提高控制精度。微分控制预测偏差变化趋势，提高动态特性。综合作用三种作用结合，实现最优控制效果。PID控制器的结构比例单元产生与偏差成正比的输出。积分单元累积偏差，消除静态误差。微分单元对偏差变化率做出响应。PID控制器的参数比例增益Kp决定控制作用的强度。积分时间Ti影响消除静差的速度。微分时间Td影响系统对扰动的响应速度。PID控制器的调试1初始设置根据经验设置初始参数。2比例调节调整Kp，观察系统响应。3积分调节引入Ti，消除静态误差。4微分调节加入Td，改善动态特性。5优化微调根据系统响应微调各参数。DCS系统1操作员站人机交互界面2控制站执行控制算法3现场设备传感器和执行器4通信网络连接各个部分DCS系统的组成操作员站提供人机交互界面，显示工艺参数和报警信息。控制站执行控制算法，处理现场数据。工程师站用于系统配置、程序编写和维护。通信网络连接各个站点和现场设备。DCS系统的功能数据采集实时采集现场各种工艺参数。过程控制执行各种控制算法，如PID、模糊控制等。报警管理监测异常情况并及时报警。数据存储长期保存历史数据，便于后续分析。DCS系统的应用PLC系统1输入模块采集现场信号2CPU执行控制程序3输出模块控制执行设备4编程设备编写和下载程序PLC系统的组成电源模块为PLC各部分提供稳定电源。CPU模块执行用户程序，处理数据。I/O模块包括数字量和模拟量输入输出模块。通信模块实现与其他设备的数据交换。PLC系统的编程1梯形图最常用的PLC编程语言，类似继电器逻辑。2功能块图使用预定义的功能块进行编程。3指令表类似汇编语言，使用助记符编程。4结构化文本类似高级语言，适合复杂算法。PLC系统的应用仪表管理及维护定期检查按计划进行仪表巡检。校准校验确保仪表测量精度。故障诊断及时发现并排除故障。档案管理建立完善的仪表档案。仪表管理的重要性保证测量准确性确保生产过程数据可靠。延长仪表使用寿命减少设备故障和更换频率。提高生产效率避免因仪表问题导致的停产。节约成本降低维修和更换费用。仪表校准及检定制定计划根据仪表重要性和使用情况制定校准计划。准备标准选择合适的标准器具和方法。执行校准按照规