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仪器仪表常识 青岛骏康环保科技有限公司王民2018 5 18 仪器仪表基础知识 一 常规仪表二 在线监测和过程控制系统三 名词解析 一 常规仪表 常规仪表的分类 按读取测量值的位置可分为 就地测量仪表 如就地压力表 温度计 液位计 流量计等 和远传信号测量仪表 各类变送器 位置开关等 按测量参数性质可分为 分析 流量 物位 液位 压力 温度 电量 机械量等 分析仪表分析仪表 测量物质的化学组成 结构及某些物理特性的仪表 按分析目的分为 安全检测报警分析仪 可燃 有毒气体检测 成分分析仪 按使用场所分 离线分析仪 分析室仪器 在线分析仪 COD分析仪 PH计 F离子分析仪等 按物性分 液体类分析仪 固体类分析仪 气体类分析仪 在线分析仪表中辅助装置 取样装置 预处理装置 恒温控制器 水质分析仪表 水质分析仪表 硅酸根分析仪 磷酸根分析仪 联氨分析仪 溶解氧分析仪 PH分析仪 电导率分析仪 酸碱度分析仪 浊度分析仪 余氯分析仪等 在线工业PH计接线 分析仪表 气体分析仪 主要利用气体传感器来检测环境中存在的气体种类 气体传感器是用来检测气体的成份和含量的传感器 一般认为 气体传感器的定义是以检测目标为分类基础的 也就是说 凡是用于检测气体成份和浓度的传感器都称作气体传感器 不管它是用物理方法 还是用化学方法 比如 检测气体流量的传感器不被看作气体传感器 但是热导式气体分析仪却属于重要的气体传感器 尽管它们有时使用大体一致的检测原理 常用的有热导式气体分析仪 电化学式气体分析仪和红外线吸收式分析仪等 热导式气体分析仪 一种物理类的气体分析仪表 它根据不同气体具有不同热传导能力的原理 通过测定混合气体导热系数来推算其中某些组分的含量 这种分析仪表简单可靠 适用的气体种类较多 是一种基本的分析仪表 除通常用来分析氢气 氨气 二氧化碳 二氧化硫和低浓度可燃性气体含量外 还可作为色谱分析仪中的检测器用以分析其他成分 电化学式气体分析仪 一种化学类的气体分析仪表 它根据化学反应所引起的离子量的变化或电流变化来测量气体成分 为了提高选择性 防止测量电极表面沾污和保持电解液性能 一般采用隔膜结构 红外线吸收式分析仪 根据不同组分气体对不同波长的红外线具有选择性吸收的特性而工作的分析仪表 测量这种吸收光谱可判别出气体的种类 测量吸收强度可确定被测气体的浓度 红外线分析仪的使用范围宽 不仅可分析气体成分 也可分析溶液成分 且灵敏度较高 反应迅速 能在线连续指示 也可组成调节系统 粉尘检测仪 粉尘检测仪也叫粉尘监测仪 粉尘测量仪 粉尘浓度计 粉尘测试仪等 主要是检测气固两相流中粉尘的含量 粉尘检测仪按照测量原理分为 激光粉尘检测仪 静电式粉尘检测仪等 按照安装位置可分为 固定式粉尘检测仪和便携式粉尘检测仪 目前市面上主要使用激光粉尘检测仪 后向散射 静电式粉尘检测仪和便携式粉尘检测仪 手持式 PM2 5和PM10 和微电脑式 粉尘检测仪哪种更准确 目前为止可以做CMC 生产许可证 而且必须做的只有激光粉尘检测仪 后向散射 根据粉尘浓度测量仪检定规程规定用称重法来检定 激光 便携式 静电式 便携式也有激光的 也有称重的 称重的应该是最准确的 目前CEMS系统 烟气排放连续监测系统 主要是用激光粉尘检测仪 也就是说精度比较高的地方都用激光粉尘检测仪 尤其是往环保局上传的 但是它也有缺点 1 价格高 2 安装 维护不方便 3 不能安装在振动较大的场所 激光粉尘检测仪比较大点的公司主要的有安荣信科技 北京 有限公司 深圳市彩虹谷科技有限公司 便携式粉尘检测仪主要是方便 广泛应用于疾病预防控制中心 学校 工厂 及其他科研中心或实验室 静电式粉尘检测仪主要是用在钢铁厂 电厂 水泥厂 化肥厂以及其他一些化工厂 主要优点 1 价格便宜 2 维护方便 3 可以随意更改数据 4 代替人工检漏等等 流量仪表 按照目前最流行 最广泛的分类法 即分为 容积式流量计 差压式流量计 浮子流量计 涡轮流量计 电磁流量计 流体振荡流量计 包括涡街流量计 质量流量计 插入式流量计 差压流量计由一次装置 检测件 和二次装置 差压转换器和流量显示仪表 组成 通常以检测件形式对差压式流量计分类 如孔板流量计 文丘里流量计 均速管流量计 皮托管原理式 毕托巴流量计等 现在市面上差压变送器主要有罗斯蒙特 EJA ABB等 现在检测气体的流量 尤其是电厂 使用的比较多的差压流量计就是我们经常所说的风速风量 如右图所示 工作原理 当被测气体流动时 迎着气体流向的靠背管测得气体压力为 全压 背着气体流向的靠背管测得的气体压力为 静压 全压和静压只差称为 差压 风速越大 差压越大 风速与差压的关系符合伯努利方程 伯努利方程 p 1 2 v2 gh C式中p为流体中某点的压强 v为流体该点的流速 为流体密度 g为重力加速度 h为该点所在高度 所以风速的计算公式为 V K标定设备 标准皮托管和差压仪 德图400 或U型管 二 在线监测及过程控制系统 在线监测 通过装在生产线和设备上的各类监测仪表 对生产及设备的温度 压力 流量 液位 浓度等信号进行连续自动监测并上传至终端接收端 称在线监测 在线监测式仪表我们需要了解客户的最终用户 什么类型的厂 什么位置 量程 是否适合 多少台 离控制室多远 是否直接接PLC等 系统组成如右图所示 过程控制 顾名思义就是对生产过程的控制 一般是通过在线监测到的各物理参数 来控制一些现场的仪表已达到我们所需要达到的要求 比如液位的控制 由上面两张图可以看出 在工业生产中 智能化或自动化仪表逐渐代替了人工 大大节约了人力物力 提高了工作效率 三 名词解析 1 误差 精度误差 测量值与真实值之间的差异称为误差 误差是不可避免的 只能减小 按照误差的数值表示来分 分为绝对误差 相对误差和引用误差 绝对误差 测量值与真实值之差的绝对值 相对误差 绝对误差与测量值或多次测量的平均值的比值 引用误差 仪表某一刻度点读数的绝对误差比上仪表量程上限Am 并用百分数表示 精度 精度是测量值与真值的接近程度 精度是反映仪表误差大小的术语 max max 100 为精度等级 max为最大测量误差 max为仪表量程 仪表精度等级 允许绝对误差 测量范围 x100 仪表的等级有 0 05 0 1 0 2 0 5 1 0 1 5 2 5 5 2 一次仪表 二次仪表 一次仪表 带有感受元件 用以感受被测介质参数的变化 并将这些参数转化为便于计量的物理量所使用的仪表 二次仪表 将测得的信号变送转换为可计量的标准电 气信号并显示的仪表 即包括变送器和显示装置 在生产过程中 对测量仪表往往采用按换能次数来定性的称呼 能量转换一次的称一次仪表 转换两次的称二次仪表 以热电偶测量温度为例 热电偶本身将热能转换成电能 故称一次仪表 若再将电能用电位计 或毫伏计 转换成指针移动的机械能时 进行第二次能量转换就称为二次仪表 换能的次数超过两次的往往都按两次称呼 如孔板测量流量 孔板本身为一次仪表 差压变送器没有称呼 而指示仪表则叫做二次仪表 2019 12 19 11 可编辑 3 二线制 三线制 四线制 二线制 电源 负载串联在一起 有一公共点 而现场变送器与控制室仪表之间的信号联络及供电仅用两根电线 这两根电线既是电源线又是信号线 三线制 电源正端用一根线 信号输出正端用一根线 电源负端和信号负端共用一根线 四线制 两根线负责电源的供应 另外两根线负责输出被转换放大的信号 如电压 电流 等 4 一体化 式 分体式仪表 一体化 式 仪表 将传统意义上的传感器与变送器合二为一 实现检测信号的收集 放大与整理 分体式仪表 比较传统的仪表 就地仪表与信号处理单元分开 比如温度 物位计等 也就是说一次仪表和二次仪表是分开的 一体式仪表将检测信号 非常微弱 比如静电式粉尘检测仪的检测信号就是pC级 转换成4 20mA电流信号或者1 5V电压信号传输到二次仪表或者PLC或DCS在上位机显示 大大减少了信号的衰弱 分体式仪表由于现场环境比较恶劣 比较危险或者安装位置不理想 不方便调试或者维护等 我们常常将检测信号 一般较大 经过屏蔽电缆传送到变送器 经过变送器的处理直接显示或者传输到PLC或DCS在上位机显示 5 上位机 下位机 上位机是指 人可以直接发出操控命令的计算机 一般是PC 屏幕上显示各种信号变化 液压 水位 温度等 下位机是直接控制设备获取设备状况的的计算机 一般是PLC 单片机之类的 上位机发出的命令首先给下位机 下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备 下位机不时读取设备状态数据 一般模拟量 转化成数字信号反馈给上位机 简言之如此 真实情况千差万别不离其宗 上下位机都需要编程 都有专门的开发系统 在概念上控制者和提供服务者是上位机被控制者和被服务者是下位机也可以理解为主机和从机的关系 6 信号隔离器 配电隔离器 信号隔离器是将输入单路或双路电流或电压信号 变送输出隔离的单路或双路线性的电流或电压信号 并提高输入 输出 电源之间的电气隔离性能 工作原理 首先将PLC接受的信号 通过半导体器件调制变换 然后通过光感或磁感器件进行隔离转换 然后再进行解调变换回隔离前原信号或不同信号 同时对隔离后信号的供电电源进行隔离处理 保证变换后的信号 电源 地之间绝对独立 用途 信号在传输过程中会遇到各种各样的干扰 为保证信号稳定 使用信号隔离器尤为重要 配电式隔离器 通常称配电器 的作用是为原工业现场提供一种两线制传输方式 既要为变送器等一次仪表提供24V配电电源 同时又要对输入的电流信号进行采集 放大 运算 和进行抗干扰处理后 再输出隔离的电流和电压信号 供后面的二次仪表或其它仪表使用 它的特性有给变送器提供驱动电压16 5 28V 将变送器4 20mA信号隔离传送 可选择4 20mA或1 5V信号输出 或其它所需的直流信号 模块化表芯设计 无需零点和满度调节 带有工作电源指示灯 有单通道 一路输入一路输出 双通道 一路输入二路输出 输入回路短路保护 7 PLC DCS PLC 可编程逻辑控制器 是一种采用一类可编程的存储器 用于其内部存储程序 执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数与算术操作等面向用户的指令 并通过数字或模拟式输入 输出控制各种类型的机械或生产过程 DCS DCS是分布式控制系统 在国内自控行业又称之为集散控制系统 是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统 它是在集中式控制系统的基础上发展 演变而来的 区别 1 PLC系统与DCS系统的结构差异不大 只是在功能的着重点上的不同 DCS着重于闭环控制及数据处理 PLC着重于逻辑控制及开关量的控制 也可实现模拟量控制 2 对各种工艺控制方案更新是DCS的一项最基本的功能 当某个方案发生变化后 工程师只需要在工程师站上将更改过的方案编译后 执行下装命令就可以了 下装过程是由系统自动完成的 不影响原控制方案运行 系统各种控制软件与算法可以将工艺要求控制对象控制精度提高 而对于PLC构成的系统来说 工作量极其庞大 首先需要确定所要编辑更新的是哪个PLC 然后要用与之对应的编译器进行程序编译 最后再用专用的机器 读写器 专门一对一的将程序传送给这个PLC 在系统调试期间 大量增加调试时间和调试成本 而且极其不利于日后的维护 在控制精度上相差甚远 这就决定了为什么在大中型控制项目中 500点以上 基本不采用全部由PLC所连接而成的系统的原因 8 总线制 分 多 线制 总线制 就地仪表与控制器或上位机等通过其相应的编址模块与控制器或上位机之间采用总线 专线 相连 用线少 造价低 施工方便 分 多 线制 就地仪表与控制器或上位机等通过多芯电缆与控制器或上位机之间采用一对一专线相连 缺点 用线多 造价高 总线的串联 手牵手 接法 总线的并联接法 这里的串联接法和我们所说的不同实际上它就是没有分支的并联 9 4 20mA与RS485的区别 4 20mA信号与RS485的区别 4 20mA信号是输出信号 RS485是传输方式 也就是说RS485将4 20mA信号或者1 5V的电压信号传输到上位机等 RS485有2线Data Data 半双工加gnd的话 3线也有T T R R 4线 全双工全双工是指在发送数据的同时也能够接收数据 两者同步进行 这好像我们平时打电话一样 说话的同时也能够听到对方的声音 目前的网卡一般都支持全双工 半双工 所谓半双工就是指一个时间段内只有一个动作发生 举个简单例子 一条窄窄的马路 同时只能有一辆车通过 当目前有两量车对开 这种情况下就只能一辆先过 等到头儿后另一辆再开 这个例子就形象的说明了半双工的原理 接口协议指的是需要进行信息交换的接口间需要遵从的通信方式和要求 接口协议的种类非常多 接口协议不仅要规定物理层的通信 还需要规定语法层和语义层的要求 USB 网线插头 DB 9插头等 通讯类型 A MPI通信B 串口通信C PROFIBUS通信D 工业以太网E ASI通信F PPI通信G 远程无线通信通讯协议 TCP UDP S7 profibus pofinet MPI PPI MODBUS 10 开关量 模拟量 开关量 是指非连续性信号的采集和输出 包括遥信采集和遥控输出 它有1和0两种状态 这是数字电路中的开关性质 而电力上是指电路的开和关或者说是触点的接通和断开 模拟量 是指变量在一定范围连续变化的量 也就是在一定范围 定义域 内可以取任意值 在值域内 继电器 是一种电控制器件 是当输入量 激励量 的变化达到规定要求时 在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器 它具有控制系统 又称输入回路 和被控制系统 又称输出回