设备、电气、仪表基础知识培训教材(正稿).doc

目目 录录 第一章第一章 化工设备化工设备 第 2 页 第一节 塔器 第 2 页 第二节 加热炉 第 6 页 第三节 换热设备 第 8 页 第四节 容器 第 10 页 第五节 泵 第 11 页 第六节 压缩机 第 16 页 第七节 化工设备材料 第 18 页 第八节 问答题 第 23 页 第二章第二章 电气、仪表电气、仪表 第 24 页 第一节 电气概况 第 24 页 第二节 电气基础知识 第 30 页 第三节 常用电气基本操作 第 38 页 第四节 仪表自控基本知识 第 40 页 第三章第三章 思考题思考题 第 页 第一章第一章 化工设备化工设备 第一节第一节 塔器塔器 塔器是化工生产中实现气相和液相或液相和液相间传质的最重要的设备之一，设计压力低于 10.0Mpa（包括真空） ，设计温度高于40低于 550。在塔器中所进行的工艺过程虽然各不相同， 结构类型各异，但总的来说仅可划分为板式塔和填料塔两大类。不论板式塔或填料塔，从设备设计 的角度来看，其基本结构可以概括为：塔体，包括筒节、端盖和联接法兰等；内件，指塔板或填料 及其支撑装置及喷淋装置；支座，一般均用裙式支座；附件，包括人孔、进出料接管、各类仪表接 管、液体和气体的分配装置，以及塔外的扶梯、平台、保温层等。 塔按内件分为板式塔和填料塔。下面以板式塔为例。 1.1.11.1.1 塔体（筒体、封头、联接法兰等）塔体（筒体、封头、联接法兰等） (1) 筒体：筒体由数段筒节拚焊而成。常用来制造筒体的材料有 16MnR,20R,有时用 0Cr18Ni9Ti 以及复合钢板。 (2) 封头：常见的压力容器的封头又称端盖，有半球形、椭圆形、蝶形、锥形及平板等。在 实际生产中，大多数塔器采用椭圆形封头，而半球形封头受力最均匀，因而常用在高压容器上；平 板封头应力突变最大，一般应用于常压容器。 1.1.21.1.2 内件内件塔盘、各种气体液体出入管、除雾器、挡板及过滤器等塔盘、各种气体液体出入管、除雾器、挡板及过滤器等 塔盘结构型式很多，常见的有圆形泡罩、槽形泡罩塔盘，S 型塔盘，舌型塔盘，浮阀塔盘，浮 舌塔盘，浮动喷射塔盘以及筛孔塔盘，在石油、化工中，用的较多的是圆形泡罩、浮阀、浮舌和筛 孔等几种。这里就主要介绍浮阀和筛孔塔盘结构。 (1) 浮阀塔盘：浮阀按其结构又分为两大类：一是盘状浮阀，也就是浮阀是圆盘形，塔板上 开圆孔，三条腿固定浮阀升高位置，另外是十字架固定升高位置，其中以 FI 型为多。另外一种是 条状浮阀，是带支腿的长条片，塔板上是长条孔。 浮阀的特点是：操作弹性大，最宜工作区范围大，由于气体从浮阀下吹出是靠近塔板处水平吹 入液层内；因此雾沫夹带也小，气体流量可提高，生产能力大；由于塔板上只有浮阀片，流动障碍 少，所以液面落差也少；全塔盘鼓泡均匀，效率可提高；另外还有压降较小，结构简单，安装方便， 造价低等一系列优点。 对于浮阀塔板的结构型式可分为两种，一种是整块式；另一种是分块式，对于实际使用的塔盘， 特别是炼油工业常采用分块式，而整块的仅用于塔径较小的塔。分块式塔盘都可以从人孔中进出， 以便于安装和检修。在塔内圆周上每隔一定距离焊有支承圈，用以支承塔盘。塔板通过螺栓联接或 特制固定件与支承圈相联，塔盘之间通常采用螺栓或卡子互相联接从而组成整块塔盘。 从塔盘液体流向来看，塔盘可分为单流式和双流式塔盘。单流式适用于塔径较小的塔；一般塔 径为 2002400mm 时采用单流式；当塔径在 2000mm 以上时可用双流式。 板式塔 填料塔 塔的结构简图 常用的分块式塔板有自身梁式和槽式两种结构，自身梁式塔板的连接分为与支承圈的连接、塔 板与塔板之间的连接。常用的塔盘紧固件有卡子、螺栓和龙门铁。卡子由下卡（包括卡板及 M10 螺 栓） 、椭圆垫板及螺母等零件组成，当拧紧螺母时，通过椭圆垫板和卡板把塔板紧固在支持圈或支 持板上，为便于安装，塔板上的卡子孔通常开成长圆形，塔盘板之间也可用 M10 螺钉直接相连。 龙门铁结构可用于塔盘板之间、塔盘板与支持圈或支持板之间的连接，其结构类型甚多，它具 有结构简单、制造方便、能节省不锈钢等优点，但安装时要施焊，拆卸时要锤击，因此不宜用于易 燃易爆及腐蚀的介质。 槽式塔板与支持圈连接结构与自身梁式大致相同，而槽式塔板的连接则采用螺栓连接。螺栓若 在上面，即为上拆结构；若在下面，即为下拆结构，有的可做成上下可拆结构。 (2) 筛孔塔盘：筛孔塔盘的结构很简单，就是在钢板上钻了许多三角形排列的小孔, 小孔直 径在 1025 不等。气流从小孔中穿出吹入液体内鼓泡，液体以横流过塔板从降液管中流下， 这种塔盘开孔率、生产能力也可较大，气流没有拐弯，压降也较小，塔板上无障碍物，液面落差较 小，鼓泡可以较均匀，但它的操作弹性小，气流负荷变小时，就易泄漏，效率下降。在塔板上，筛 孔的排列一般采取顺排和叉排两种方式。整个筛孔塔板由一块块矩形板组合而成，每块塔板由人孔 送入塔内进行组装。 1.1.31.1.3 支座支座 裙式支座由裙座体、基础环板、螺栓座、基础螺栓等部分组成。裙座体一般有圆筒形和圆锥形 两种。 1.1.41.1.4 附件（人孔、各类进出料接管及仪表接管、塔的外平台等）附件（人孔、各类进出料接管及仪表接管、塔的外平台等） (1) 人孔：对于塔径较大的塔，为了方便检修，对设备内部进行清洗、安装及拆卸内部部件， 在塔上常开设有人孔。人孔的结构一般分为圆形和椭圆形两种，圆形人孔制造方便，因此应用较广 泛；椭圆形人孔制造较困难，但它对压力容器的器壁削弱较小,为减少对器壁的削弱和减少密封面， 人孔尺寸尽量要小，目前所有人孔已标准化，其大小为 400，450，500，600mm 这四种。 (2) 接管：为控制操作过程，需测量温度、压力及液面等，在容器上装有安装这些仪表的接 管，此类接管直径都较小，因此一般采用带有内、外管的短接管直接焊接在设备上，这些接管常采 用与塔体材质相同的材质来制造。 炼化部丁二烯装置的 2#常减压的常减压塔和 1#芳烃装置的 1#常减压的常减压塔的结构形式就 如图所示的板式塔。 炼化部共有各类塔器 286 台，包含各种类型的塔。常减压装置中的减压塔是比较典型的一种。 减压塔的功能是用来分馏粗馏塔中沸点高于大约 7000F （3700C）的烃类。减压塔的压力，在污重 油收集盘下，可降低到大约 1.0 磅/平方英寸（绝对压力） 。从粗馏塔塔底到粗馏塔的总压力降为 28.7 磅/平方英寸（绝对压力） 。这样大的压力差能使大量的烃类在减压塔塔顶内蒸出来，而塔底 温度，可维持在不超过 7307800F，这要由所进的原料来决定。为了从塔底中更好地取出有用的产 品，以及生产出有良好针入度的沥青，可以从塔底集油槽导入汽提蒸汽，来降低塔底液的分压。与 大多数的分馏塔相比较，减压塔的进料管是很大的。这是由于低压，使减压塔进料几乎大部份被汽 化了。同样还需要使用一种叫切线分配器的特殊分配器，使进料发生旋转，避免分配器上部的设备 由于原料进入低压的减压塔后急剧膨胀而造成损失。减压塔的内件按最小压降来设计。污重油收集 盘、格栅板和破沫网是贯穿整个塔横截面的内件。格栅板和破沫网使夹带在快速上升的气体中的液 滴凝聚而得以去除。喷淋分配器有助于格栅板和破沫网的去除液滴的作用。在减压塔内设有塔板， 所谓的塔板仅是一种间隔排列的挡板。挡板的边缘钻有孔，并有金属网络加强。挡板交错安装，对 凝液有一种阶梯效应。热气体通过阶梯使液体中低沸点组份在次气化。收集盘设计成为在侧线切割 料抽出泵进口液体中不含有气体。在泵启动时，将不凝性气体排放回塔内，这将极大地有助于泵的 启动。当泵运转正常时，将排放关闭。减压塔的顶部是锻成直径缩小的，因为在顶部物料的流动比 塔的侧线要少些。事实上，原料中如果轻馏份过多，或塔底料由于热裂解生成的轻馏份过多，会使 得对减压塔抽空并维持减压塔低压的真空喷射泵负荷过重。减压塔一般设计成能承受内压 50 磅/平 方英寸（表压） （3.5 公斤/厘米 2）和绝对外压 14.7 磅/平方英寸。为了加强塔壁承受这二个压力， 采取了加强肋措施。就是每隔几英尺围绕塔身焊接一个加强圈。在 2 号乙烯 70 万吨改造项目中引 进一种波纹筛板塔，波纹筛板塔是 S现场总线使用智能仪表，便于仪表在线维护、调校以及在线设备管理;提高 了系统的开放性。提高了仪表系统的技术性能。由于信号传输的数字化，增强了现场信号的传输 及抗干扰能力，使精度从0.5%提高到0.1%，增加了信号传输距离及信息量。节约了仪表系统 的建设投资。大量减少了电缆与铺设电缆用的桥架，可以减少一半到三分之二的隔离器、端子柜、 I/O 终端、I/O 卡件、I/O 机柜。但是现场总线技术还未达到绝对安全和十分成熟的阶段。有人预 测，随着科学技术，特别是计算机技术、通讯技术的发展，基于现场总线 FCS(Fieldbus Control System)将取代 DCS 成为控制系统的主角，在 FCS 基础上，随着 Internet 和 Intranet 技术发展， 计算机自动化系统可渗透到企业从生产到管理，直到经营的方方面面。 (2) 石油化工仪表特点 自控仪表随着控制对象不同所具备不同特点，在石油化工生产、加工、输送和储存中常常伴随 易燃易爆、高温高压、深冷、有毒有害和腐蚀等危险因素，由于高温高压、深冷能提高生产效率， 减低能耗，取得更好的经济效益，石油化工的生产工艺日益向高深发展，泄漏、火灾、爆炸的风险 也随着加大。这些工艺特点决定了石油化工仪表必须防爆、抗腐蚀、无泄漏、高可靠性、易维护等 特点。同时随着科学技术发展，特别是计算机技术、通讯技术的发展，仪表的更新换代也越来越快， 企业中仪表除应用于生产控制外，其仪表数据也越来越多地被应用于经营、管理等方面，这些决定 了现在的仪表是一个技术更新快、涉及面较广的专业。 2.4.22.4.2 仪表主要性能指标仪表主要性能指标 仪表的性能指标通常用精确度、变差、灵敏度、重复性、稳定性和可靠性来描述。 (1) 精确度 精确度又称精度，指的是仪表测量值与真值接近的准确程度，与误差相对而言，通常用相对百 分误差表示。精确度是仪表的一个很重要质量指标，常用精度等级来规范和表示。精度等级就是最 大相对误差去掉正负号和，按国家统一规定划分的等级有 0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.25,0.35,0.5,1.0,1.5,2.5,4 等。仪表精度等级一般都标志在仪表标 尺或标牌上，如 等，数字越小，说明精度越高。 (2) 变差 变差指的是仪表被测变量（输入信号）多次从不同方向达到同一数值时，仪表指示值之间的最 大差值，或是说仪表在外部条件保持不变情况下，被测参数由小到大变化和由大到小变化不一致的 程度，两者之差即为仪表的变差。变差产生主要原因是仪表传动机构的间隙，运动部件的摩擦，弹 性元件的滞后等，现在随着电子技术发展，这些原因将越来越少，特别是智能仪表中，变差作为仪 表性能指标已是不重要的对象了。 (3) 重复性 0.5 重复性是指在不同测量条件下，如不同方法，不同观测者，在不同的测量环境对同一被测的量 进行检测时，得到测量结果的一致程度。与变差相反，随着智能仪表的发展，重复性将成为仪表的 重要性能指标。 (4) 稳定性 在规定工作条件下，仪表某些性能随时间保持不变的能力称未稳定性。仪表稳定性在我们化工 仪表中是一个需重点关心的指标，由于化工企业的环境比较恶劣，压力、稳定及腐蚀性因素会使仪 表部件随应用时间变长而保持稳定能力降低，仪表稳定性也会下降。 (5) 可靠性 仪表可靠性是化工企业仪表专业重点关心的另一重要性能指标，仪表可靠性和仪表维护量是成 反比的，仪表可靠，则仪表维护量就小。通常用平均无故障时间（MTBF）来描述仪表可靠性，MTBF 越大，仪表可靠性越高。 2.4.32.4.3 仪表常用图例符号仪表常用图例符号 (1) 测量点 测量点是由过程设备或管道符号引到仪表的连线的起点，一般无固定图形符号。如 (2) 连接线 (3) 图形 测量点 测量点 测量点 通用一般信号线 表示信号方向 气压信号线 电信号线 导压毛细管 系统内部数据链 孔板流量计 P 吹气、冲洗装 置 (4) 位号及字母含义 一般用仪表位号来表示一台仪表或是一个仪表回路，由字母代号组合和回路编号组成。仪表位 号的第一位字母表示仪表对象，后续字母表示仪表功能，回路编号可由工序号和顺序号组成，一般 由个数字表示。 例如：芳烃装置的位号 PI-10301 中,P 表示仪表对象为压力；I 表示为显示功能，103 表 示为制氢单元，01 表示为第一个回路。下面表格中为常见的字母含义。 字母第一位字母后续字母 A 分析 B 火焰、烧嘴 C 电导率控制 D 密度差值 F 流量 G 振动 H 手动设备高限 HH 高高限 I 显示 L 液位低限 LL 低低限 R复位装置 I 联锁逻辑 截止阀 闸阀 球阀 切断阀 旋塞阀 气动调节阀 电磁阀 S M 电动阀 隔膜阀 蝶阀 M 水份、湿度 P 压力 Q 数量累积 R 记录 S 位移、速度开关、安全 T 温度传送 V 振动、机械监视阀门 Y 输出 Z 位移按钮 对于 FIC10301 中字母按以上表格说明应表示为仪表测量为流量，带指示、控制功能； LIHH10301 表示为液位指示且带有低低限联锁控制、报警。 2.4.42.4.4 仪表分类仪表分类 自动化仪表分类方法很多，根据不同原则可进行相应分类，例如按所使用能源可分：气动仪表、 电动仪表、液动仪表；按仪表信号分：模拟仪表和数字仪表；安化工生产中五大参数分：温度仪表、 流量仪表、压力仪表、物位仪表和分析仪表等等，我们针对炼化部实际管理现状对仪表分为：现场 仪表、控制仪表和分析仪表三部分。现场仪表主要指温度、压力、流量、液（物）位检测仪表及阀 门、风门、机组等安装在现场的控制设备；控制仪表主要指安装在控制室的对现场仪表进行调节的 仪表及、等控制系统；分析仪表主要分安全仪表和质量仪表，其中安全仪表 包括可燃气测爆仪、硫化氢检测仪等，质量仪表主要指在线质量分析仪，如电导率、浊度仪、色谱 仪等。 (1) 现场仪表 压力仪表 压力是垂直均匀地作用在单位面积上的力，法定计量单位是帕斯卡（简称帕） ，符号为 Pa。1P 就是牛顿（）的力作用在平方米（m2）面积上所产生的压力，我们平常俗称公斤。我们日 常所用压力单位较多，他们之间关系如下： 1Mpa=1000Kpa=10.1972Kgf/cm2=10bar=145.038lb/in2=7500.62mmHg=10.1972*104mmH2O=9.869 27atm 在压力测量中，常有绝对压力、表压、负压力或真空度之分。 所谓绝对压力是指被测介质作用在容器单位面积上的全部压力，用来测量绝对压力的仪表称绝 对压力表。 地面上的空气所产生的平均压力称大气压，用来测量大气压的仪表称气压表。绝对压力与大气 压之差称表压力，当绝对压力小于大气压时，表压力为负值（即负压力） ，此负压力的绝对值称为 真空度，用来测量真空度的仪表称真空表。 压力测量原理可分为液柱式、弹性式、电阻式、电容式、电感式和振频式等。压力表品种繁多， 我们企业主要分为就地压力指示和远距离压力显示等。就地压力指示可根据不同的测量压力等级和 介质选用膜片式、波纹管等压力表。如需远距离显示、传送一般选用气动或电动压力变送器。 压力表需由压力传感器检测压力，它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，来显示压力、或用于控制、报警。压力传感器主要有应变式压力传感器、压电式传感器、电 容式传感器、光导纤维压力传感器。 我们炼化部所常用压力变送器主要有罗斯蒙特的 1151 和 3051、横河的 EJA、HONEYWELL 的 ST3000 及富士的 FCX 等型号。随着电子技术的发展，智能变送器已广泛应用于各家产品上，其在 性能上优于早期模拟表，大大减少维护工作量，具有良好的性价比。 流量仪表 流量是指单位时间内流经某一截面的流体数量，流量可用体积流量和质量流量来表示，其单位 分别用 m3/h,L/h,Kg/h 等。 测量流量的仪表称流量计，能指示和记录某一瞬时流体的流量值。我们炼化部所用流量计有： 速度式以测量流体在管道中流速作为测量依据。如差压式流量计、变面积流量计、电磁流量计、 漩涡流量计等；容积式以单位时间内所排出的流体固定容积数目作为测量依据。如椭圆齿轮流量 计、腰轮流量计、刮板流量计等。质量流量计检测单位时间内流经管道的流体质量。如科氏力质 量流量计。 下面简单介绍几种我们常用的流量计。 a 节流装置 节流装置是目前炼油化工企业中应用最广的流量仪表，主要有孔板、喷嘴、文丘利管等。其原 理是：在管道中流动的流体具有动能和位能，在一定条件下这两种能力是可以相互转换，但参加转 换的能量总和是不变的。使流体流经节流装置时由于节流装置的前后截面、结构不一致，产生前后 压力变化，而压力变化的平方与流量成正比，这样经过一定流量系数的计算可得出所需流量值。 节流装置在用于测量流量的同时，使流体产生压力损失，对装置生产来说是一种能量的损失。 b 转子流量计 转子流量计有金属和玻璃两种。玻璃管的一般为就地显示，金属管的则制成流量变送器。 转子流量计又称面积式流量计或是恒压降式流量计，可测多种介质的流量，特别适用于测量中 小管径雷诺数较低的中小流量，压力损失小且稳定，反应灵敏，量程较宽，结构简单，维护方便， 但其精度受介质的温度、密度和粘度的影响，必须垂直安装。 工作原理：转子流量计是一段向上扩大的圆椎形管子和密度大于被测介质并能随着被测介质流 量大小上下移动的转子组成。当流体自下而上的流过椎管时，位于锥管中转子受流体的冲击而向上 运动，随着转子的上下移动，转子与锥形管间的环形流通面积由小增大，当流体的推力与转子的重 力相平衡时，转子停留在某一位置高度，根据转子悬浮的高度就可测知流量的大小。在转子受到推 力和重力平衡时，其上下压降是固定的，故转子流量计又称恒压降式流量计。在转子流量计中当被 测流体的雷诺数低于一定的界限时，流量系数便不等于常数，流量计的测量精度便受到影响，为了 适合不同流体的雷诺数，转子被做成各种形状。 c 容积式流量计 容积式流量计主要用来测量不含固体杂质的液体，如油类、冷凝液、树脂等粘稠流体的流量， 适用于高粘度介质，且容积式流量计精度高，可达正负 0.2%，常用容积流量计有椭圆齿轮流量计、 腰轮流量计、刮板流量计等。 椭圆齿轮流量计测量部件由两个相互齿合的椭圆齿轮、轴和壳体组成，其原理如下图所示： 当流体流过齿轮流量计是，流体带动齿轮绕轴转动，椭圆齿轮每旋转一周，就有一定数量的流 体流过，只要用传动及累积机构将椭圆齿轮转动数量记录下来，就能知道被测流体的流量数。 腰轮流量计测量流量的基本原理与椭圆齿轮流量计相同，只是轮子的形状不同，腰轮流量 计除能测液体流量外，还能测大流量的气体流量，由于两腰轮上无齿，所以对流体中杂质没有椭圆 A B A B A B 齿轮流量计那样敏感。 d 漩涡流量计 漩涡流量计又称涡街流量计或卡门漩涡流量计，是六十年代末期发展起来的，它利用流体振荡 原理进行测量。当流体以足够大的流速流过垂直于流体方向的物体时，若该物体的几何尺寸适当， 则在物体的后面，沿两条平行直线上产生整齐排列、转向相反的涡列。涡列的个数，即为涡街的频 率，和流体的速度成正比。通过测量漩涡的频率就可知道流体速度，从而测出流体的流量。它分流 体强迫振荡的漩涡进动型和自然振荡的卡门漩涡型。 漩涡流量计特点是：测量精度高，可达正负量程比宽，达 100:1，仪表内无活动部件，使 用寿命长，几分不受温度、压力、密度、粘度等影响维护方便，更换检测元件时不需重新标定，但 如检测元件被污物粘附后，将影响测量灵敏度。它如用于测量 150mm1 以下管道时，压力损失较大， 并且对仪表前后都有直管段的安装要求，同时安装点应防止传感器产生振动，特别是管道的横向振 动会导致流体随之振动，而使仪表产生误差。 e 电磁流量计 电磁流量计是利用电磁感应的原理制成的流量测量仪表，可用来测量导电的液体体积流量。变 送器几乎无压力损失，内部无活动部件，在检测过程中不受被测介质的温度、压力、密度等影响， 且没有滞后现象。电磁流量计是电磁感应定律的具体应用，当导电的被测介质垂直于磁力线方向上 流动时，在于介质与磁力线都垂直的方向产生一个感应电动势，当管道直径和磁感应强度不变时， 电动势与体积流量成正比。电磁流量计无压损，无机械惯性，量程比宽，可测含固体颗粒、悬浮物 等介质，但其使用温度、压力不能太高，不可测非导电流体，同时要求被测介质流速一般不低于 0.3m/s，为了保证精度，电磁流量计必须留有直管段。电磁流量计信号较小，满量程时仅为 2.5- 8mV,流量小时，只有几微伏，对外界干扰敏感，故需对它进行单独的接地、避开磁源可保证测量值 准确。其安装时最好能垂直安装，并留有 5-10D 的直管段。 f 质量流量计 质量流量是指在单位时间内，流经封闭管道截面处流体的质量。我们所用质量流量计一般为科 氏力质量流量计，它是根据科里奥利加速度理论制成的。按照里奥利效应，假如在一个旋转体系中， 具有质量 m 和速度的物体，以角速度 从里往外（反之亦然）运动，则物体会受到一个切线方向 的力，此力称为科氏力。这种质量流量计的测量管形状较多，不同厂家有不同形状，如 Rosemount 公司的形管，公司的直形管，还有 S 形、 形。科氏力流量计主要由传感器、变送器、 显示仪三部分组成，传感器也就是测量管，虽形状不一致，但其原理基本一致：通过激励线圈使管 子产生振动（代替旋转） ，流动的流体在振动管中产生科氏力，由于测量管进出侧所受方向相反， 所以管子会产生扭曲，再通过电磁检测器或光电检测器，将测量管的扭曲程度转变为电信号，进入 变送器即可知道测量值。 质量流量计能直接测量质量流量，不受温度、压力、粘度和密度的影响，测量精度高，正负 0.2%，可测气体、液体和含颗粒的介质，并易于清洗，它对流体的流速分布不敏感，故安装是无需 直管段，在测量同时可获得密度信号。但由于测量管在生产、焊接时存在差异，以及测量管的刚度、 材料的内衰减等因素，造成测量管的机械振动不对称性，所以当流体的流量和粘度发生变化是，由 于内部结构不平衡会造成零位漂移，故质量流量计需阶段性地进行零位检查和校正。 温度仪表 温度是表征物体冷热程度的物理量，它只能通过物体随温度变化的某些特征来间接测量，用来 度量物体温度数值的标尺称温标，现国际上常用温标有华氏()、摄氏(OC)、凯氏(K)。它们关系如 下：OC 5/9(OF -32)=K-273.15. 温度测量仪表按测温方式分接触式和非接触式两大类。通常来说接触式测温仪表比较简单、可 靠，精度高；但因测温元件与被测介质需进行充分的热较换，故需一定时间才能达到热平衡，所以 存在测温迟后的现象，同时受耐高温材料的限制，不能应用于很高的温度测量。非接触式仪表是通 过热辐射原理了进行温度测量的，测温元件不需与被测介质接触，测温范围广，响应速度快；但易 受物体的发射率、测量距离、烟尘、雾汽等外界因素的影响，测量误差较大。 接触式温度仪表有膨胀式、压力式、热电偶和热电阻；非接触式有辐射式、红外式光学温度计。 a 热电偶 热电偶是化工企业上最常用的温度检测元件之一，它是直接式测温，测量精度高；测量范围可 从50 到1600 OC，某些特殊热电欧最低可测269 OC，最高可测2800 OC；结构简单，使用方 便。其测温基本原理：将两种不同材料的导体或半导体 A 和 B 焊接起来，构成一个闭合回路，如图 所示，当导体、的两个接点和之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形 成一定大小的电流，热电偶就是根据这种热电效应来进行测温的。 热电动势 Et=eAB(t) - eAB(t0) 当自由端温度恒定时，热电势只与工作端温度有关。当组成热电偶的热电极材料均匀时，其热 电势的大小只与热电极材料的成份和两端温度有关，因此用不同的导体或半导体材料可做成各种用 途的热电偶，以满足不同温度对象测量的需要。下表为我们常用的热电偶： 工作端，安 放在被测介 质中，用 t 表示 自由端，安放在 恒定温度环境中， 用t0表示 A B 序号分度号热电偶名称（材料）测量范围(OC) 1S铂 铑 10-铂01600 2B铂 铑 90-铂铑 601600 3K镍铬-镍硅 -2001300 4J铁-康铜 -2101200 5R铂 铑 13-铂01300 6E镍铬-康铜 -200900 7F铜-康铜0350 由于热电偶的材料一般都比较贵重，而测温点到仪表距离都很远，为了节省热电偶的材料，降 低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪 表端子上。在这里补偿导线仅起延长热电极的作用，它对冷端温度变化而可能引起测温误差是无法 消除的，因此需另用其他方法来消除冷端温度不保持时对测温的影响。 在热电偶的补偿导线使用中，需记住不同热电偶需不同补偿导线，且极性不能接错，补偿导线 与热电偶的连接端温度不能超过 100 OC。 热电偶按用途不同，常制成形式有：普通型、铠装型（又称缆式） 、表面式、溥膜式、快速消 耗型。 b 热电阻 热电阻是中低温区最常用的一种温度仪表，它主要特点是精度高，性能稳定。 热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻 大多由纯金属材料做成，目前应用最多的是铂和铜。下表为我们常用热电阻： 序号分度号热电阻名称（材料）测量范围(OC)主要特点 1Pt10 铂 电阻 200850 2Pt50 铂 电阻 200850 3Pt100 铂 电阻 200850 测量精度高，稳定性好， 可作基准仪器。 4Cu50 铜电阻 -50150 5Cu100 铜电阻 -50150 稳定性好，价格低，但 体积大，机械强度低。 6Ni100 镍电阻 -60180 7Ni300 镍电阻 -60180 8Ni500 镍电阻 -60180 灵敏度高，体积小，但 稳定性和复制性差。 热电阻按用途不同，常用的形式有：普通型、铠装式、端面型、隔爆型。热电阻测温仪表一般 由热电阻、连接导线和显示仪组成，最常见的故障是热电阻短路和断路。 c 辐射温度计 物体受热后，会发出各种波长的辐射能，辐射能的大小和受热体温度的四次方成正比，辐射温 度计就是基于此原理工作的。 同时物体在高温状态下会发光、发亮。温度越高，亮度越大，光学温度计就是通过测物体的亮 度来测温度的。 物位仪表 物位是对液位、料位和相界面的总称，对物位进行测量的仪表称物位检测仪表。 物位检测的主要目的：通过物位测量来确定容器中物料的数量，以确定正常生产所需的物料供 给量；通过物位测量了解物料是否在正常生产要求范围内，以保证生产安全、产品质量。 物位仪表按液位、料位、界面分： 测量液位仪表：玻璃管（板） 、称重式、浮力式、静压式（压力、差压） 、电容式、电感式、电 阻式、超声波式、放射式等。 测量界面仪表：浮力式、差压式、电极式和超声波式等。 测量料位仪表：重锤探测式、音叉式、超声波式、激光式、辐射式等。 浮力式液位计 浮力式液位计可分为恒浮力式液位计和变浮力式液位计。前者是根据浮子的位置始终跟随液位 的变化而变化来进行液位测量的；后者则根据浮筒所受的浮力随液位的变化而变化来进行液位测量 的。 常见恒浮力式液位计有： 浮球液位计这种仪表结构是一种机械杠杆系统。一端连空心浮球，放于被测介质中，另一 端装平衡锤，所以是力矩平衡式仪表。这类仪表变化灵敏，易适应介质的温度、压力、粘度等条件， 但受机械杠杆长度的限制，测量范围较小。 浮子钢带液位计这类液位计的浮子系在钢带上，钢带的另一端系平衡锤或钢带收放轮。当 液位发生变化是浮子、钢带也随着上下移动，此仪表测量范围较大，但易受温度等条件影响，精度 不高。 磁耦合浮子式液位计这类液位计的浮子内带有永久磁铁，然后通过磁耦合传出液位的高低， 如磁翻 板液位计，量程较大，工作压力高，但磁性物质对温度有一定限制，在吹气高温下，易退 磁。 常见的变浮力式液位计有： 浮筒液位计它的检测元件是沉浸在液体中浮筒（又称沉筒） ，它随液位的变化产生上下直 线位移，通过扭力管转换为角位移，再利用转换元件，将角位移变为相应电或气信号。 浮筒液位计除位移式的外，还有力平衡式沉筒液位计、带差动变送器的沉筒液位计。 恒力式液位计与变浮力式液位计主要区别：恒力式液位计的浮子始终浮在介质上面，并随液位 1:1 变化，沉筒液位计的沉筒则大部分沉在介质中，当液位发生变化时，其位移极小。 差压式液位计 差压是液位计是利用容器内的液位变化时，液柱产生的静压也相应变化的原理工作的。如下图 所示 在一般情况下，被测介质的密度和重力加速度是已知的，因此差压计测得的差压与液位的高度 是成正比的，这样测液位就可以变成测量差压。 差压式液位计特点： 检测元件在容器内几乎不占空间；检测元件只有一、二根导压管，结构简单，便于安装维护； 如采用法兰式变送器可解决高粘度、易凝固、易结晶、腐蚀性等液位测量中常见的问题；差压液位 计通用性强，可以用来测量液位外，也可测压力和流量等参数。 电容式物位计 利用两电极间电容量随被测介质物位的高低变化而变化的原理构成的物位测量仪表为电容式物 位计。 雷达液位计 雷达液位计是采用高频振动器作为微波发生器，发生器产生的微波用波导管将它引到辐射天线， 通过天线向被测介质物位发射微波。当微波遇到障碍物，如介质时，部分被吸收，部分被反射回来， 通过测量发射波与反射波间的某种参数关系来实现液位测量。 目前主要有两大类雷达液位计：一类是发射频率固定不变，通过测量发射波与反射波的运行时 间，并经智能化信号处理器，测出液位高度。另一类是测量发射波与发射波之间的频率差并将这频 率差转换为与被测液位成比例关系的电信号。这种液位计发射频率不是一个固定的频率，而是一等 幅可调频率。 雷达液位计特点： 无位移、无传动部件、非接触式测量，不受温度、压力、蒸汽、气雾和粉尘的限制，适用于粘 度大的介质、有毒、有腐蚀行介质。 差压变送器 雷达液位计没有测量盲区，简单可达很高，正负 1mm,故可用于贸易。 超声波物位计 超声波物位计是应用回声测距的原理制成的，声波从发射到接受反射波的时间间隔与物位高度 成正比。 超声波物位计特点： 无可动部件，超声波探头虽有振动，但振幅很小，仪表结构简单。 不受光线、粉尘、湿度、粘度的影响，并无介质的介电常数、电导率、热导率等参数无关。可 测对象多，液体、粉末、固体颗粒等均可。 因超声波物位计不接触介质，可适用于腐蚀性、有毒、高粘度的液位测量。但超声波物位计的 检测元件不耐高温，声速受介质的温度和压力影响，另外超声波物位计的电路复杂，价格较高。 放射性物位计 在自然界中某些元素能放射出某种看不见的粒子流，即射线，当这些射线穿过一定厚度的物体 时，因粒子的碰撞和克服阻力而消耗粒子的动能，以致最后动能耗尽，粒子被物体吸收。不同的物 体对射线的穿透和吸收能力不同。利用物体对放射性同位素射线的吸收作用来检测物位的仪表就称 放射性物位计。 我们常用的放射性物位计有钴和铯作放射源的物位计。 放射性物位计特点： 可以实现完全不接触式的测量；可用于高温高压的工况；可测量容器中高粘度、强腐蚀、易燃 易爆、有毒介质的物位测量；但射线对人体危害较大，在选用上必须谨慎。 以上介绍的仪表测量值均为模拟量，在我们实际运用中，还大量使用数字量的测量信号，如压 力开关、流量开关、温度开关及液位开关和振动开关等等。 执行器 执行器接受调节器发出的控制信号，改变调节参数，把被调参数控制在所要求的范围。在生产 现场，执行器直接控制工艺介质，尤其在化工生产中，介质多为高温高压、强腐蚀、易燃易爆、有 毒、高粘度、易结晶等性质，执行器的选择、安装、使用和维护必须非常重视。 按能源来分，执行器可分气动、液动、电动三类。在我们化工企业中以气动执行器较多，我们 习惯上称气动阀。它以压缩空气为能源，具有结构简单、动作可靠、平稳、输出推动力大、本质安 全、维护方便等特点。 阀门在结构上可分执行机构和调节机构组成。 执行机构就是阀门的推动部分，它按控制信号的大小产生相应的推力，通过阀杆使阀门阀芯产 生相应的位移。主要有：气动薄膜执行机构、气动活塞执行机构、长行程执行机构等。 调节机构是阀门的调节部分，它与调节介质直接接触，在执行机构的推动下，改变阀芯与阀座 间的流通面积，从而达到调节流量的目的。主要有：单座阀、双座阀、蝶阀、偏心旋转阀、球阀等。 下表是我们化工企业常用阀门的说明。 序号名称结构特点性能 1 直通单座阀阀体内有一个阀芯和阀座.泄漏量小，阀前后压差小。 2 直通双座阀阀体内有二个阀芯和阀座。 流量系数及允许使用压差比同口径单 座阀大，但耐压较低。 3 角形阀 除阀体为直角形外，其他结构于直通 阀相似。 适用于高粘度或含悬浮颗粒的流体， 但输入输出管道需呈角形安装。 4 隔膜阀 用耐腐蚀衬里和耐腐蚀隔膜代替阀座和 阀芯组件。 适用于强腐蚀、高粘度或含悬浮颗粒 及纤维的流体，但耐压耐温较低。 5 偏心旋转阀 由球面阀芯、阀座、转轴、推杆等部件 组成。球面阀芯的中心线与转轴中心线 偏离，动作时转轴带动阀芯作偏心旋转。 流路阻力小，流量系数较好，密封好， 适用于压差大、粘度大及有颗粒的介 质，一般耐压小于 6.4MPa。 6 蝶阀 又称翻板阀，由阀体、阀板、阀板轴等 部件组成。 适用于大口径、大流量和浓稠浆液及 悬浮颗粒的场合，但流体对阀体产生 不平衡力矩大，一般蝶阀允许压差小。 7 套筒阀 又称笼时阀，他的阀体与一般直通单座 阀相似，阀内有以圆柱形套筒，阀芯在 套筒内移动。 适用于液体产生闪蒸、空化和气体在 缩流面处流速超过音速的场合；不适 用于含颗粒介质。 8 球阀阀芯为球形，开有圆柱形通孔。 流路阻力小，流量系数较好，密封好， 可调范围大，适用于粘度大、含纤维 及有颗粒的介质，价格贵，形球阀 一般作二位控制，形作连续调节。 有关调节阀的特性几个概念 阀门气开作用：当控制信号中断时阀门处于关断状态，用表示。 阀门气关作用：当控制信号中断时阀门处于开启状态，用O 表示。 流量特性：指介质流过阀门的相对流量与相对位移（阀门相对开度）间的关系。 流量特性主要有四种： 直线性阀门相对流量与相对位移成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是一常数， 用表示。 等百分比也称对数特性，指单位相对位移变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成 正比关系。即调节阀的放大系数是变化的，它随相对流量的增大而增大。 抛物线指单位相对位移变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量的平方根成正比关系。 快开此种流量特性在开度较小时就有较大流量，随开度增大，流量很快就达到最大，此后 再增大开度，流量变化较小。 下图为阀门四种流量特性的示意： 1 2 3 4 l/L%(位移) 1 快开；2直线；3抛物线；4等百分比 2.4.52.4.5 分析仪表分析仪表 分析仪器是用以测量物质成份和含量及某些物理特性的仪器总称，用于实验室的称为实验室分 析仪器，用于工业生产过程的称过程在线分析仪，也称流程分析仪。 一般的分析仪表主要由四部分组成，其原理框图如下图所示。各部分功能如下。 Q/QMAX% (流量) 采样、预处理 及 进样系统 分析仪 显示及数据 处理装置 电 源 (1) 采样、预处理及进样系统 这部分的作用是从流程中取出具有代表性的样品，并使其成分符合分析检查对样品的状态条件 的要求，送入分析器。为了保证生产过程能连续自动地供给分析器合格的样品，正确地取样并进行 预处理是非常重要的。 (2) 分析器 分析器的功能是将被分析样品的成分量（或物性量）转换成可以测量的量。随着科学技术的进 步，分析器可以采用各种非电量电测法中所使用的各种敏感元件，如光敏电阻、热敏电阻以及各种 化学传感器等。 (3) 显示及数据处理系统 用来指示、记录分析结果的数据，并将其转换成相应的电信号送入自动控制系统，以实现生产 过程自动化。目前很多分析仪器都配有微机，用来对数据进行处理或自动补偿，并对整个仪器的分 析过程进行控制，组成智能分析仪器仪表。 (4) 电源 对整个仪器提供稳定、可靠的电源。 过程分析仪表按工作原理可分磁导式分析仪、红外线分析仪、工业色谱仪、电化学式分析仪、 热化学式分析仪等。在我们企业中按照分析仪表功能及在实际应用作用可分质量分析仪表和安全分 析仪表。安全仪表主要是指可燃气分析仪、硫化氢分析仪、氨气分析仪等测量有毒有害和易燃易爆 物质的分析仪。 分析仪表的特点是专用性强，每种分析仪的适用范围都很有限，同一类分析仪，即使有相同的 测量范围，但由于待测的试样的背景组成不同，并不一定都适用。分析仪表的主要性能指标：精度、 灵敏度、响应时间。 下面针对我们常用分析仪进行简单介绍。 色谱仪 色谱分析是一种物理化学的分析方法，特点是使被分析的混合物通过色谱柱将各组分进行分离， 并通过检测器后输出与组分的量成比例的信号。 下图为气相色谱工作原理。 6 4 5 2 输出 1 样品出入 气瓶；载气；进样阀；程控器；色谱柱；恒温箱；检测器 由气瓶提供的载气经过流量调节阀和转子流量计后进入进样阀，被测试样从进样阀注入，并随 载气一起进入色谱柱。色谱柱内的固定相是一些吸附剂或吸收剂，吸附剂对不同物质有不同的吸附 能力，因此当样品流过固定相表面时，样品中各个组分自流动相和固定相中的分配比例不同，使得 各组分在色谱柱中的流动速度不同，进而使各组分离开色谱柱进入检查器的时间不一样。检测器根 据样品到达的先后次序测定各组分及浓度信号，各组分的含量确定最简单方法是按色谱图中各峰波 面积的相对大小来计算。如下图。 氧含量分析仪 氧含量分析仪主要用来分析混合气中含氧的量。它大致可分两类：一类根据电化学法制成，如 原电池、固体电介质法（如氧化镐）等，另一类是根据物理法制成，如热磁式等。电化学法灵敏度 高，选择性好，但响应速度慢，维护工作量大，目前常用于微氧分析。物位法响应较快，不消耗被 分析气体，使用维护方便，广泛用于常量分析。 热导式气体分析仪 热导式气体分析仪是一种物理式气体分析仪，它结构简单，性能稳定，价格便宜，常用来分析 混合气体中某一组分的含量。它是根据混合气体中待测组分含量的变化，引起混合气体总的导热系 数变化这一物理特性来进行测量的。由于气体的导热率很小，直接测量困难，因此在工业上常常把 导热率的变化转化成热敏元件的阻值变化，从而可由测点的电阻值的变化，确定待测组分的含量。 在理论上讲，热导式分析仪只能正确测定二元混合气体的组分含量，在分析三元以上混合气体 必须满足以下条件： C 组分 A B 时间色谱图 组分含量 D a 三元混合气体中某一组分含量保持恒定后变动很小。 b 被测组分的导热率与其他组分相差较大，且其余组分的导热率基本相近。 c 在背景其他的导热率保持恒定时，才能正确测量。 红外线分析仪 红外线分析仪是根据气体（或液体、固体）对红外线吸收的原理制成的一种物理式分析仪。 各种多原子气体（CO2、CO2、CH4等）对红外线都有一定吸收能力，不同的气体吸收的红外线的波长 也不同。红外线分析仪就是基于某些气体对不同波长的红外辐射能具有选择性吸收的特性，当红外 线通过混合气体时，气体中的被测组分吸收红外线的辐射能，使整个混合气体因受热而引起五大压 力的增加，而这种温度与压力的变化与被测气体的组分浓度相关，把这种变化转换成其他形式的能 量变化，就能确定被测组分的浓度了。 3 4 工业 PH 计 PH 计又称酸度计，能连续测量工业流程中水溶液的氢离子浓度的仪器。工业 PH 计一般由发送 器和测量器组成，发送器由玻璃电极和甘汞电极组成，它的作用把 PH 值转换成直流信号。测量仪 器大多采用电位差计进行测量。 电位测量法基本原理是在被测溶液中插入两个不同的电极，其中一个电极的电位随溶液氢离子 浓度的改变而改变，称工作电极；另一个电极具有固定的电位，称参比电极，这两电极形成一个原 电池，测得两电极间的电势即可得到被测溶液的 PH 值。 2.4.62.4.6 控制仪表控制仪表 8 7 6 红外线气体分析仪一般组成 光源；斩光器；滤光室；样品室；参比室；检测室；放大器；显示器 本处控制仪表主要指、等系统。 基本概念 被控对象自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器等。 被控变量被控对象内要求保持设定数值的工艺参数。 操纵变量受控制器操纵的，用以克服干扰的影响，使被控变量保持设定的物理量或能量。 扰动量除操纵变量，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。 设定值被控变量的预定值。 偏差被控变量的设定值与实际值之差。 闭环控制指控制器与被控对象之间即有顺向控制又有反向联系的自动控制。 开环控制指控制器与被控对象之间只有顺向控制而没有反向联系的自动控制。即操纵变量 通过被控对象去影响被控变量，但被控变量并不通过自动控制装置去影响操纵变量，从信号传递关 系上看，未构成闭合回路。 开环控制分两种：一种按设定值进行控制，操纵变量与设定值保持一定的函数关系，当设定值 变化时，操纵变量随其变化而改变被控变量。另一种是按扰动进行控制的，即所谓的前馈控制，是 通过对扰动信号的测量，根据其变化情况产生相应控制作用，进而改变被控变量，它不能自动觉察 被控变量的变化，也不能判断操纵变量的校正作用是否适用实际需要。 反馈把系统的输出信号直接或经过一些环节重新引回到输入端的做法。反馈信号的作用方 向与设定信号相反，即偏差信号为两者之差，这种反馈叫负反馈；反之为正反馈。 简单控制系统：通常是指由一个被控对象、一个检测元件及传感器（变送器） 、一个调节器和 一个执行器构