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仪表基础培训 1 化工自动化仪表基础知识 工业仪表广义概念 是为了工业生产服务的一类仪器仪表的统称 按仪表的功能可分为检测仪表 显示仪表 报警仪表 调节仪表等 下面我们只对化工自动化仪表进行初步学习 1 什么是化工过程自动化 在化工设备上装配仪表自动装置 代替操作人员的全部或部分直接劳动 使生产在不同程度上实现自动的进行 这种管理生产过程的方法 就是化工生产自动化 2 化工过程自动化的作用 了解 改善劳动条件 减轻劳动强度 提高生产效率 提高产品产量与质量 提高装置运行安全性 保证装置使用寿命 仪表基础培训 2 二 化工过程自动化的分类 简单介绍一下 1 自动检测系统2 信号报警和联锁保护3 自动开停车运行4 自动控制系统其中自动控制系统能根据工艺条件的变化 对需要保持的重要工艺参数进行理想化得调节控制 是化工自动化的最重要的组成部分 我们通常说的过程自动化就是指自动控制系统 仪表基础培训 3 重点介绍 自动控制系统的构成 结合各单元的作用来介绍一下系统的构成 通常包含三部分 1 测量元件及变送器相当我们的眼睛 帮助我们了解设备当前的状态2 控制器相当于大脑的功能 接受测量信息并对测量进行比较计算 并且把计算结果送到执行器 3 执行器手的功能 执行指令 仪表基础培训 4 1 测量元件及变送器 工程上的几个概念 一次元件 现场直接与工艺介质接触的用于测量的机械元件 比如孔板 一次仪表 现场直接与工艺介质接触的仪表 独立完成测量显示任务 如压力表二次仪表 仪表示值信号不直接来自工艺介质 而是经过变送器送来的 测量仪表按测量参数主要分温度 压力 液位 流量仪表 结合实际图片 让大家认识一下焦油加氢装置区的一些测量仪表 仪表基础培训 5 温度测量仪表 温度是表征物体冷热程度的物理量 温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量 温度是工业过程中最常见 最基本的参数之一 物体的任何物理变化和化学变化都与温度有关 温度一般约占全部过程参数的50 左右 因此温度检测在工业生产中占有很重要的地位 常用的温标有 摄氏温标 华氏温标 热力学温标 K 三种 仪表基础培训 6 常用的几种温度仪表 热电偶 热电阻 双金属温度计 仪表基础培训 7 常用的几种温度仪表 热电偶 热电阻 双金属温度计 仪表基础培训 8 双金属温度计 测量原理 基于固体受热膨胀原理 测量温度通常是把两片线膨胀系数差异相对很大的金属片叠焊在一起 构成双金属片感温元件当温度变化时 因双金属片的两种不同材料线膨胀系数差异相对很大而产生不同的膨胀和收缩 导致双金属片产生弯曲变形 图中是双金属温度计原理图 仪表基础培训 9 右图是双金属温度计的一般结构 双金属温度计的感温双金属元件的形状有平面螺旋型和直线螺旋型两大类 其测温范围大致为 80 600 精度等级通常为1 5级左右 双金属温度计抗振性好 读数方便 但精度不太高 只能用做一般的工业用仪表 仪表基础培训 10 常用的几种温度仪表 热电偶 热电阻 双金属温度计 仪表基础培训 11 热电偶 测量原理 热电偶的测温原理基于热电效应 将两种不同的导体A和B连成闭合回路 当两个接点处的温度不同时 回路中将产生热电势 原因是两热电极由于材料不同而具有不同的自由电子密度 而热电极接点接触面处就产生自由电子的扩散现象 当达到动态平衡时 在热电极接点处便产生一个稳定电势差 通过测量电势差就可以间接的反应测量温度 仪表基础培训 12 热电偶的结构 热电偶是工业和试验中温度测量应用最多的器件 它的特点是测温范围宽 可达 200 1600摄氏度 测量精度高 性能稳定 结构简单 且动态响应较好 输出直接为电信号 可以远传 便于集中检测和自动控制 在我们这套装置中式应用最多的测温仪表 普通工业用热电偶热电偶通常主要由四部分组成 如图所示 热电极 绝缘管 保护管和接线盒 仪表基础培训 13 热电偶使用中需要注意的问题 热电偶冷端温度补偿常用热电偶的分度表以及显示仪表 都是以热电偶参考端的温度为0 为先决条件的 但在实际测温过程中 热电偶的冷端温度一般不能保持在0 也不易保持恒定 从而给测量带来误差 对于材质价格较低的热电偶采用补偿导线法 用热电性质与热电偶相近的材料制成导线 用它将热电偶的冷端延长到需要的地方 而且不会对热电偶回路引入超出允许的附加测温误差 仪表基础培训 14 常用的几种温度仪表 热电偶 热电阻 双金属温度计 仪表基础培训 15 热电阻 测量原理 根据金属导体或半导体的电阻值随温度变化的性质 将电阻值的变化转换为电信号 从而达到测温的目的 用于制造热电阻的材料 要求电阻率 电阻温度系数要大 热容量 热惯性要小 电阻与温度的关系最好近于线性 结构图 仪表基础培训 16 压力测量仪表 在工程上将垂直而均匀作用在单位面积上的力称为压力 单位 Pa 在压力测量中 常有表压力 绝对压力 真空度或负压之分 它们的关系如图 绝对压力 大气压 表压力 绝对压力零线 真空度 或负压 仪表基础培训 17 压力测量仪表 表压 绝压 当地大气压真空度 当地大气压 绝压因为工业设备或测量仪表通常都在大气中 本身承受着大气压力 所以工程上通常都用表压和真空度来衡量压力的大小 如果不做特殊说明 以后提到的压力都是指表压或真空度 仪表基础培训 18 工程上由于地域和行业标准不同 常有很多不同压力单位出现 它们之间的换算关系就要求大家掌握 1MPa 106Pa1kgf cm2 9 81 104Pa 0 1MPa1MPa 10kgf cm21bar 105Pa 0 1MPa 1kgf cm21mmH2O 9 81Pa1mmHg 13 6mmH2O 133 32Pal托 l 760标准大气压 133 32Pa 仪表基础培训 19 常用的压力仪表 压力变送器 压力表 仪表基础培训 20 常用的压力仪表 压力变送器 压力表 仪表基础培训 21 现场压力表 工业上的压力仪表有很多种 下面介绍一下最常见的弹性式压力测量仪表 测量原理 它是利用各种弹性元件 在受压力的条件下发生的弹性机械变形来测量的 弹性元件常用的有弹簧管 膜盒 波纹管 最常见的是弹簧管压力表 仪表基础培训 22 弹簧管压力表 弹簧管压力表结构 主要弹性元件是一个弧度270度的空心弹簧管 其它的部件如图 1弹簧管 2连 3扇形齿轮 4中心齿轮 5指针 6表盘 7游丝8调整螺钉 9接头 弹簧管压力表测量范围较宽 负压 微压 低压 中压和高压都可测量 且精度最高可达到0 15级 仪表基础培训 23 常用的压力仪表 压力变送器 压力表 仪表基础培训 24 压力变送器 压力变送器是把现场压力送到控制室的电气式压力仪表 它检测出现场压力数值后 转换成标准的电压或电流信号送到控制室用以显示 记录 控制 电气式压力变送器有很多型式 电阻式 电感式 电容式 压阻式 压电式 应变式 振频式 霍尔式 电容式压力变送器现在比较常用的 下面介绍一下它的原理 仪表基础培训 25 工作原理 位于传感器中心的测量膜片是恒弹性元件 介质压力通过隔离膜片和灌充油传递给中心测量膜片使之变形 位移 其位移量与两侧压差成正比 位移量由传感器两侧的电容极板检测 经电子电路转换成与被测压力 差压成线性关系的二线制 4 20 mADC信号输出 仪表基础培训 26 压力变送器的应用 当今时代各行业应用的压力变送器 其测量范围很宽 从几十帕的微压到上百兆帕都可以测量 并且可以测量差压 作为差压式的液位计和流量计的使用 可以满足各种苛刻工况的要求 能达到很好的防爆标准 且精度很高 很多品牌的压力变送器精度可达千分之一 比较先进的智能压力变送器 有专用的通讯协议 使用通讯器可进行在线组态 并且有故障自诊断功能 仪表基础培训 27 液位仪表 双法兰 浮筒液位计 直读玻璃板液位计 仪表基础培训 28 液位的定义 首先说一下 物位 物位 一词统指设备和容器中液体或固体物料的表面位置 对应不同性质的物料又有以下的定义 1 液位指设备和容器中液体介质表面的高低 2 料位指设备和容器中所储存的块状 颗粒或粉末状固体物料的堆积高度 3 界位指相界面位置 容器中两种互不相溶的液体 因其重度不同而形成分界面 为液 液相界面 容器中互不相溶的液体和固体之间的分界面 为液 固相界面 液 液 液 固相界面的位置简称界位 物位是液位 料位 界位的总称 对物位进行测量的仪表称物位检测仪表 下面介绍一下液体测量方面应用较多的仪表 仪表基础培训 29 直读式现场液位仪表 直读是现场液位仪表业有很多种 用的多的有玻璃板液位计 磁翻板液位计 玻璃板液位计是基于连通器原理工作的 内部结构很简单 只要与容器内部介质相连就可以 磁翻板液位计是在连通器内加一个磁浮漂与翻板内磁力耦合 原理图 液体 直读液位计 仪表基础培训 30 液位仪表 双法兰 浮筒液位计 直读磁翻板液位计 仪表基础培训 31 液位变送器 浮力式液位计依据阿基米德浮力定律原理设计而成的液位测量仪表 漂浮于液面上的浮子或浸没在液体中的浮筒 在液位发生变化时其浮力发生相应的变化 这类液位检测仪表有浮子式 浮球式 浮筒式 浮筒式液位计不但能测量液位 还可以应用于界位的测量 仪表基础培训 32 浮筒液位计的结构 当液位发生变化时 浮筒产生的位移量 即弹簧变形程度 与液位高度成正比 检测弹簧变形有很多转换方法 常用的有差动变压器式 扭力矩力平衡式等 在浮筒的连杆上安装一铁心 并随浮筒一起上下移动 通过差动变压器使输出电压与位移成正比关系 也可将浮筒所收到的浮力通过扭力管达到力矩平衡 把浮筒的位移量变成扭力矩的角位移 进一步用其他转换元件转换为电信号 构成一个完整的液位计 仪表基础培训 33 压力式液位变送器 工作原理 压力式液位计是根据液体在容器内的液位与液柱高度产生的静压力成正比的原理进行工作的 将压力计与容器底部相连 根据流体静力学原理 所测压力与液位的关系为 P gh如果是密闭容器 可以用双法兰液位计 通过测量差压换算成液位 所用到的压力变送器在前面已经介绍过了 不再重复 仪表基础培训 34 几种常见的流量仪表 孔板电磁流量计转子流量计 仪表基础培训 35 流量的测量 流量在单位时间内通过管道或设备中某一通道截面的流动介质的数量 流量按体积计算的叫体积流量或容积流量 用Q表示 流量按质量计算的叫质量流量 用M表示 Q VAM QV 流体的平均流速A 管道的横截面积 流体的密度g 当地的重力加速度 仪表基础培训 36 几种常见的流量仪表 孔板电磁流量计转子流量计 仪表基础培训 37 节流式流量检测仪表 节流式流量计基本原理 充满管道的流体 当它流经管道内的节流件时 如图 流速将在节流件处形成局部收缩 因而流速增加 静压力降低 于是在节流件前后便产生了压差 流体流量愈大 产生的压差愈大 这样可依据压差来衡量流量的大小 这种测量方法是以流动连续性方程 质量守恒定律 和伯努利方程 能量守恒定律 为基础的 压差的大小不仅与流量还与其他许多因素有关 例如当节流装置形式或管道内流体的物理性质 密度 粘度 不同时 在同样大小的流量下产生的压差也是不同的 仪表基础培训 38 节流式流量计的构成 节流式流量计主要由节流装置 信号管路 差压变送器组成 节流装置将被测流体的流量转换成差压信号 信号管路把差压信号传输到差压变送器或差压计 差压计对差压信号进行测量并显示出来 差压变送器将差压信号转换为与流量相对应的标准电信号或气信号 通过显示仪表进行显示 记录与控制 差压变送器的工作原理在前面已经阐述 1节流元件2导压管3排放阀4平衡法5差压变送器 仪表基础培训 39 几种常见的流量仪表 电磁流量计 仪表基础培训 40 电磁流量计 电磁流量计原理 电磁流量计是利用法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电液体体积流量的仪表 即导体在磁场中切割磁力线运动时在其两端产生感应电动势 导电性液体在垂直于磁场的非磁性测量管内流动 与流动方向垂直的方向上产生与流量成比例的感应电势 根据感应电动势的大小来测量流量 仪表基础培训 41 容积式流量计 这种流量计的壳体内装有两个转子 直接或间接地相互啮合 在流量计进口与出口之间的压差作用下产生转动 通过齿轮的旋转 不断地将充满在齿轮与壳体之间的 计量空间 中的流体排出 通过测量齿轮转动次数 可得到通过流量计的流体量 仪表基础培训 42 仪表基础培训 43 转子流量计 金属浮子流量计 仪表基础培训 44 转子流量计 金属浮子流量计 结构 转子流量计由两个部件组成 一是从下向上逐渐扩大的锥形管 另一件是置于锥形管中且可以沿管的中心线上下自由移动的转子 测量原理 被测流体从锥形管下端流入 流体的流动冲击着转子 并对它产生一个作用力 这个力的大小随流量大小而变化 当流量足够大时 所产生的作用力将转子托起 并使之升高 当被测流体流动时对转子的作用力 正好等于转子在流体中的重量时 称为显示重量 转子受力处于平衡状态而停留在某一高度 观测转子在锥形管中的位置高度 就可以求得相应的流量值 仪表基础培训 45 衡量测量仪表性能的参数 以上介绍的几种仪表都是测量仪表 那怎样衡量一块仪表的好坏呢 通常一块仪表有这些重要参数 1 量程仪表测量被测参数的最高值和最低值 分别称为仪表测量的范围的上限和下限 测量范围的上限值和下限值的代数差即为仪表的量程 2 绝对误差仪表的指示值与被测量的真值之间的代数差称为仪表的绝对误差 3 引用误差仪表的绝对误差与仪表量程的比值 称为引用误差 常用百分数表示 仪表基础培训 46 衡量测量仪表性能的参数 4 精度等级仪表在出厂检验时 其示值的最大引用误差不能超过规定的允许值 此值称为允许引用误差 并规定允许引用误差去掉 号后的数字来表示精度等级 5 分辨率是指仪表示值发生变化的最小输入变化值 6 变差是当输入量上升和下降时 对同一输入值的仪表两相应输出示值之间的代数差 7 漂移保持仪表输入量不变时 输出示值随时间或温度的改变而缓慢变化称为漂移 仪表基础培训 47 控制仪表 小型的气动 电动控制器 分为擅长开关量逻辑控制的控制器 PLC 基于微处理器4C技术的集散系统 DCS 基于总线通讯技术的现场总线控制系统 FCS 我们这套工艺有一套集散控制系统 并且会有若干的小型的PLC 控制仪表的主要作用就是接受现场变送器送来的介质工况数据 再按设计的控制算法进行计算后 给现场调节阀一个对应的控制信号 使工艺参数能到达理想的状态 同时可以把这些接受与送出的信号进行对应的显示 记录 报警等处理 仪表基础培训 48 DCS介绍 DCS DistributedControlSystem 集散控制系统 也有的称为分布式控制系统 DCS是计算机技术 控制技术和网络技术高度结合的产物 能实现分散控制 集中管理 特点 有计算机控制系统控制算式先进 精度高 响应速度快的优点 又有仪表控制系统安全可靠 维护方便的要求 基本软 硬件组成 1 面向现场的控制站 硬件包括 机柜 电源模块 控制器 I O通道模块 1 控制器由CPU 数据输入输出通道 存储器组成 负责过程数据的处理 传送工作 I O通道模块负责采集 转换 传递现场检测及控制的各种信号 仪表基础培训 49 软件功能组成 1 将工厂过程数据进行采集并数字化 形成对应过程点数据库的实时 2 可完成各种方式的控制方案 具备基本的算术运算及工厂过程复杂运算方法 3 通过网络将控制站与操作站进行实时信息通讯 仪表基础培训 50 DCS控制系统的网络和硬件构成 外部信息网 操作站 过程控制网络 I O单元 机柜 仪表基础培训 51 2操作员站 硬件 操作台 主机及显示器软件功能 显示全部的过程变量及有关参数操作所有控制回路的参数 如改变设定点 工作方式 回路输出 调整PID参数等报警显示过程流程图显示趋势显示 实时的和历史的 报告和报表系统诊断报告 仪表基础培训 52 DCS控制系统的网络和硬件构成 外部信息网 操作站 过程控制网络 I O单元 机柜 53 仪表基础培训 3连接各站点的信息网络 硬件 网络接口 交换机 网线 DCS系统主要的网络 1 外部信息网以太网 管理层信息 历史数据的保存等2 过程控制网工业标准通讯网络 负责控制站与操作站间的实时通讯 拓扑形式通常有总线结构 星型结构 仪表基础培训 54 DCS控制系统的网络和硬件构成 外部信息网 操作站 过程控制网络 I O单元 机柜 仪表基础培训 55 4工程师站硬件 通常是笔记本电脑软件功能 工程功能的全部组态 简单列举几个 1测量点及控制点的位号 量程 报警设置等 2流程图的建立3控制方案的组建设定4报表输出的建立5操作修改权限设定 仪表基础培训 56 机柜操作台 仪表基础培训 57 机柜操作台 仪表基础培训 58 执行器 控制阀 执行器起着十分重要的作用 是自动调节系统中不可缺少的组成部分 执行器的作用是接受调节器送来的控制信号 自动的改变操纵量 达到对被调参数进行自动调节的目的 按动力源种类可分为电动 气动 液动执行器 我们装置区的执行器基本都是气动执行器 也就是通常说的气动调节阀 仪表基础培训 59 气动调节阀气动切断阀 仪表基础培训 60 气动调节阀气动切断阀 仪表基础培训 61 调节阀工作原理及结构 如图是常见的气动薄膜调节阀 来自调节器的气压信号进入膜室后转换成推力 通过推杆推动阀门 调节被控对象中的流量 调节阀的结构分为上部执行机构与下部与介质接触的阀门本体组成 仪表基础培训 62 过程控制的实现 介绍了测量仪表 有显示功能的控制仪表 执行器 那么工艺过程中是怎样通过这些仪表实现控制的呢 首先需要了解这个概念 闭环控制就是反馈控制系统 由检测变送单元作为反馈信号构成一个闭合回路 所以称为闭环控制系统 过程控制采用的就是闭环控制系统 以下是一个简单控制回路的构成框图 仪表基础培训 63 给定值 被控变量的目标值 我们希望达到的理想值 偏差 被控变量与实际值之差 干扰 作用与对象并能一起被控变量变化的因素 可以看出 一个简单的控制回路就是由一个测量变送器 一个控制器 一个执行器 调节阀 和一个被控对象组成的有负反馈闭环回路 只要了解了单回路的构成 就很容易学习其他复杂回路的控制原理 因为复杂回路都是又简单回路构成的 仪表基础培训 64 分程控制 分程控制是一种特殊的单回路 它的控制特点是整个回路只有一个控制器 它输出的调节信号被分成若干段后 由两个或多于两个的执行器 调节阀 来分段执行 从而达到预期的控制目的 应用场合 1 扩大控制阀的可调范围2 控制