过程控制仪表.docx

一、 氧量分析仪1、氧含量分析仪是目前工业生产自动控制中应用最多的在线分析仪表，主要用来分析混合气体中的含氧量等。2、过程氧量分析器大致可分为两大类。一类是根据电化学法制成，如原电池法、固体电介质法和极谱法等；另一类是根据物理法制成，如热磁式、磁力机械式等。电化学法灵敏度高，选择性好，但响应速度较慢，维护工作量大。目前常用于微氧量分析。物理法响应速度快，不消耗被分析气体，稳定性较好，使用维修方便。广泛地应用于常量分析。磁力机械式氧气分析器有不受背景气体导热率、热容的干扰。具有良好的线性响应，精确度高等优点。3、氧化锆分析仪利用氧化锆固体电解质在高温下具有传导氧离子的特性测量含氧浓度的。氧化锆是固体电解质，在高温下具有传导氧离子的特性。在氧化锆两侧涂上多孔铂电极，当两侧气体中氧浓度不同时，会发生下列反应：这样就构成了以氧化锆管为电解质的浓差电池。如果把氧化锆元件加热到规定的温度（750度），测量气在一边流动，测量气中氧浓度和参比气中氧浓度之比的对数与电动势成正比，因而只要测得电动势就可以知道被测气体的含氧浓度。5、磁式氧分析仪基于氧气的体积磁化率大，以及它的磁化率随温度升高而急剧降低的特性测量的。氧的磁化率远大于其他气体磁化率这一物理现象来测量混合气中氧含量的一种物理式气体分析仪。由于直接测量磁化率值很复杂，工业上多采用间接测量，即根据磁化率随温度升高而减小的热磁现象，通过桥式电路来进行测量。它适用于自动连续地测定各种工业气体中的氧含量二、红外线分析器1、基于某些气体对不同波长的红外线辐射能具有选择性吸收的特征，制成的一种物理式分析仪，能连续测量，测量范围宽，精度高，灵敏度高，并且具有良好的选择性，在工业上产中得到了广泛的应用。各种多原子气体（CO、CO2、CH4等）对红外线都有一定的吸收能力，但不是整个波段都能吸收，而只是吸收一部分波段，这些波段称之为特征吸收波段。常见的多原子气体特征吸收波长见下表：2、由于气体不同，吸收红外线的波长也不同。红外线分析器就是基于某些气体对不同波长的红外线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温度和压力增加，这种温度和压力变化与被测气体组分的浓度有关，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。红外线分析器的结构3、红外线分析的价格确定比在线色谱贵，红外线分析的测量精度比在线色谱低，连续测量和反馈测量结果在线色谱比红外线分析所测量的结果要准确迅速，其实两种选择要根据实际工艺需要才行，若是需要实时在线监测，并且有报警需要可以采用在线色谱仪。三、过程控制理论过程控制基本理论1过程控制系统概念1、自动控制系统是由：测量元件与变送器、自动调节控制器 、执行器（调节阀）、被控对象的闭环回路构成。为什么控制是必须的？一个词：扰动！2、生产过程中自动控制系统的被控变量是温度、压力、 流量、液位、成份等这样一些变量的系统。过程控制的目的：提高生产的产量、增加高质量产品的收益、降低能源的消耗、降低污染、降低生产的风险、提高生产的安全性、延长设备寿命、提高操作性、降低劳动量。3、现今的过程控制系统如下图：4、过程控制系统中常见名词解释：（1）被控参数（亦称系统输出）：被控过程内要求保持稳定的工艺参数；（2）控制参数（亦称操作变量控制介质）：使被控参数保持期望值的物料量或能量；（3）干扰量：除被控参数外，作用于被控过程并引起被控参数变化的各种因数；（4）设定值：与被控参数相对应的设定值（想要的值）；（5）反馈值：被控参数经测量变送后的实际测量值；（6）偏差：设定值与反馈值之差；（7）控制作用：控制器的输出值。5、自动控制系统的分类：1、按被控变量分类为：温度、压力、流量、液位等控制系统。2、按控制器采用的控制规律分类为：比例、比例积分、比例积分微分等控制系统。3、按被控变量的给定值是否变化分类为：定值、随动和程序控制系统。定值控制系统：生产中，控制系统的作用是使被控变量保持在给定的生产指标上不变。例如前面所述的液位控制和温度控制。4、随动控制系统：生产中，控制系统的作用是使被控变量准确而快速的跟随给定值的变化而变化。例如化工生产中的比值系统，甲流体的流量与乙流体的流量保持一定的比值；当乙流体流量变化时，甲流体的流量能快速而准确的随之变化。再如雷达系统、天线接收系统。随动控制系统5、程序控制系统：生产中，控制系统的给定值是变化的、已知的时间函数；即被控变量按一定的时间程序变化。这类系统在间歇生产过程中应用较普遍。计算机技术的应用为程序控制提供了良好的技术条件。在生产过程控制中我们希望生产装置达到： 安全、环境保护 、设备保护、平稳操作、产品质量、利润、监控和诊断的要求。过程控制基本理论2安全这是安全领域中非常出名的模型图，我们习惯称之为洋葱模型。基础过程控制系统(BPCS)通过增加两级警报和操作监督或者干涉加强了功能。警报表明某个量超过了它的期望界限且可能需要操作行为。安全互锁系统(SIS)也可以叫做设备安全系统或者紧急关断系统(ESD)。当过程和BPCS层不能解决某个意外事故时，SIS自动执行校正行为， 如，当化学反应的高温警报响起时，SIS能够自动关断反应泵。如果出现过压，割断盘或者释放阀门排除气体或者蒸汽来提供实体保护（有时也点燃易燃物）。警报类型类型1：设备状况警报。泵的开关，或者马达的运作或者停止。类型2：非正常量警报。测得量超过期望界限。类型3：没有传感器的警报开关。如果没有必要知道过程变量的实际值，只要知道是高于（或者低于）一个期望界限。类型4：带有传感器的警报开关。它为正常传感器失误提供一个保障。类型5：自动关断或者重启系统。两种警报结构警系统在生产参数超出安全范围时出现声光提示，提醒操作人员调整。互锁结构1.基本的过程控制系统（BPCS）应用的控制技术：PID、串级、前馈控制等；控制不稳定的变量；控制与安全密切相关的变量；快速变化的稳定变量；监测变化缓慢的变量；如：腐蚀、材料堆积等；提供危险的仪表故障响应，在BPCS中需要使用仪表。2.报警：需要通过人进行分析报警必须有相应的报警设备给出可见的指示；没有任何动作是完全自动的；设备的操作人员必须响应。计算机要存储报警记录；传感器的故障需要报警；对于大多数报警需要设计误差范围；容易简单识别的误报警状态；估计并确定报警级别3.安全互锁系统（SIS）为了保证安全，通常自动的停止部分设备的运行；能够转换到存 储或处理；能够停止潜在的危害过程，如：着火。能够识别过程的最坏情况。SIS要防止“不平常”的情况。 必须能够启动和停止； 非常快的暂时现象，可能不是很有意义也可称为紧急关断系统。SIS应适当地响应仪表的故障。但是，仪表是SIS所要求的。要求自动的进行特殊的处理。比基本的过程控制系（BPCS）统要进一步。当SIS作用时需要提示操作者。过程控制基本理论4过程检测基础检测仪表就像过程控制系统的眼睛，帮助过程系统获取到各种想要的参数，我们将从以下几个方面研究：自动化仪表的种类 ；自动化仪表的信号制式；过程参数检测与变送；变送器的基本构成。一、自动化仪表分类1.按安装场地分：现场类（一次）、控制室类（二次）2.按供给能源分：液动、气动、电动3.按信号类型分：模拟式、数字式4.按结构形式分：基地式、单元组合式、组装式、集中/分散式。二、自动化仪表的信号制与能源供给1.模拟仪表的信号制（1）气动仪表：0.020.1MPa（2）电动仪表：420mA，250，15V直流电压与电流的优点：无感应、无相移、易转换、易获基准。 2.数字式仪表的通信标准不统一。内容：信息格式、编码方式、信号发送与接收、接口标准等。 3.能源供给直流集中供电的优点：（1）体积小、重量轻、温升慢 （2）防停电能力强 （3）无交流，易于防爆三、过程参数的检测与变送1.检测仪表（1）传感器 国标GB7665-87规定：“能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。（2）变送器 将输出信号变成统一标准信号的传感器。统一标准信号即各仪表之间的通信协议：010mA、02V、20100kPa;420mA、15V数字信号。2.检测误差（1）检测误差的描述检测误差是指检测仪表的测量值与被测物理量的真值之间的差 值，它反映了仪表的检测精度。真值：即被测物理量的真实（或客观）取值。 在当前现行的检测体系中，是将“认定设备”的检测结果作为真值。通常，各国（或国际组织）将其法定计量机构的专用设备作为 认定设备，它的检测精度在这个国家（或国际组织）内被认为是最高的。显而易见，用这种方法确定的“真值”称为“约定真值”。绝对误差：仪表的实测值与“真值”之差记为： 注：绝对误差不能说明检测精度。相对误差：标称相对误差引用误差：满量程误差，记为基本误差：国家规定的标准条件下使用时所出现的误差。附加误差：使用条件偏离了规定的标准条件所出现的误差。系统误差：对同一被测参数进行多次重复测量时，按一定规律出现的误差。随机误差或统计误差：统计计算、滤波消除粗大误差（疏忽误差）：剔除3.检测仪表的基本特性（1）仪表的固有特性及性能指标精确度（精度）及其等级：仪表检测误差的工程表示，衡量仪表测量结果可靠性程度最重要的指标。表示方法：0.001、0.005、0.02、0.05、0.1、0.2、0.4、0.5、1.0、1.5、2.5。变差：正、反行程测量时的最大差值与量程之比的百分数。灵敏度与分辨力：分辨力又称灵敏限：仪表输出能响应和分辨输入的最小变化量，数字显示仪表变化一个二进制最低有效位时输入的最小变化量。漂移：时漂与温漂动态误差：被测参数在干扰作用下处于变动状态时仪表的输出值与参数实际值之间的差异。 （2）检测仪表的工作特性理想工作特性。零点调整与迁移。量程调整。四、变送器的构成原理（1）模拟式变送器（2）数字式变送器过程控制基本理论5温度检测仪表一、温度的概念是物体冷热程度的表示。换一种方法说，互为热平衡的两物体，其温度相等。二、温度检测方法1.接触式测温2.非接触式测温原理：载热体热能辐射能受体温度升高特点：无媒介，无上限，测速快，对热场无干扰，用于运动物体、腐蚀 性介质的测温； 缺点：测量误差大、标定难结构复杂、价格贵元件：高温辐射计；低温辐射计；光电温度计。一、热电偶测温特点：构造简单、使用方便、具有较高的准确度、温度测量范围宽；常用测温范围：-50+1600；特殊材料，测温范 围可扩为：-1802800应用极为广泛。原理：热电效应A、B两种不同材料在温度为T时（TT0）会产生电势差。常用材料及材料特点：特点：两种材料组成的热电偶应输出较大的热电势，以获得较高的灵敏度，且要求电势和温度之间尽可能的成线性关系；能应用于较宽的温度范围，物理和化学特性比较稳定（较好的耐热性、抗氧化、抗还原和抗腐蚀性）；具有较高的导电率和较低电阻温度系数；工艺性好，利于批量生产。贵金属热电偶：铂铑30-铂铑6(B偶)，铂铑13-铂（R偶），铂铑10-铂（S偶）；测温范围宽，性能稳定，精度高，热电势小，热电特性非线性大，价格贵。廉价金属热电偶：镍铬-镍硅（K偶），镍铬-铜镍（E偶）；灵敏度高，热电势大，热电特性线性度好，价格低，测温范围较窄。难融金属的热电偶：钨铼合金构成；用于高温测量。根据热电偶测温原理，只有参比端温度恒定时，回路总热电势EAB(T,T0)才是温度T的单值函数，所以热电偶若想测量精确必须进行热电偶的参比端（冷端）温度补偿。补偿方法：（1）冰点法（2）热电势修正法 硬件法、软件法（3）冷端补偿器法 （4）补偿导线法 （5）采用集成电路过程控制中常用补偿导线方法。常用补偿导线见下表：四、热电阻测温原理：利用导体或半导体的电阻值随温度的变化而改变的性质来测量温度。特点：1精度高；2在低温段下测温灵敏度高；3输出信号便于远传、测量或自动控制。常用热电阻的类型：1.铂热电阻 特点：精度高、稳定性好、性能可靠、易于提纯、复制性好、具有良 好的工艺性、可以制成极细的铂丝、电阻率较高；在0C以上，其电 阻与温度的关系接近于直线(其电阻温度系数为3.9103/C )。常用铂电阻分度号：Pt1000，Pt100和Pt102.铜热电阻 特点：线性度好，电阻温度系数大、价格低、精度适中；常用铜电分度号：Cu100和Cu50五、测温仪表1、热电偶、热电阻在测温过程中直接和被测介质接触，我们称之为一次原件（一次仪表），在过程控制系统中可直接引入控制部分，但精度较差。2、智能式变送器：特点 （1）通用性强；（2）使用灵活； （3）多种补偿校正功能； （4）具有控制功能； （5）具有通信功能； （6）具有自诊断功能。过程控制基本理论6压力检测仪表一、压力测量概述1、压力的概念垂直并且均匀作用在单位面积上的力称为“压强”。工程技术上一般称其为“压力” 。国际单位：帕斯卡，简称帕（Pa）工程上经常使用，兆帕（MPa）常用单位：工程大气压（公斤），kgf/cm21kgf/cm2=9.80710-2Mpa=1104Pa0.1Mpa生产和生活中不同的压力概念：（1）大气压力：大气压力是地球表面上空气的重量所产生的压力。 符号：P0表示（2）表压力：如果测压仪表所指示的压力是以大气压力为零起算的压力， 则测量结果称为表压力。 符号PG（3）绝对压力：是指不附带任何条件的全压力，它等于大气压力和 表压力之和。符号：Pa（4）真空压力：当绝对压力小于大气压力时，大气压力与绝对压力之差。（5）差压（压差）：两个相关压力之差。 符号：P2.压力的单位换算3.压力测量系统的分类（1）静重式：液柱式压力计；活塞式压力计（2）弹性式：弹簧管式 膜片式 膜盒式 波纹管式（3）远传式：电阻式 电感式 电容式 振弦式二、液柱式压力计 1.液柱式压力计的原理原理：利用液柱所产生的压力与被测压力平衡。封液：水、酒精、水银。2.液柱式压力计的测量误差环境温度变化的影响；重力加速度变化的影响；毛细现象造成的影响；安装、读数、刻度等方面的误差。三、弹性式压力计1.单圈弹簧管压力计结构：弹簧管、齿轮传动机构、 指针、刻度盘。2.弹簧管压力计3.弹性式压力计膜片式：测量腐蚀性介质、非凝固、非结晶介质；膜盒式：测量气体的微压和负压。波纹管式压力计：做流量和液位测量的显示仪表。四、电远传式压力计根据测量原理分类：电阻 、电容、电感、振弦式1、远传式弹簧管压力计（1）差动变压器式压力计（原理如图）（2）霍尔式压力计（原理如图）2、电阻应变式压力变送器3、电容式压力（差压）变送器我们已两室结构来看下原理：压力位移电容转换电路标准信号4、电感式压力（差压）变送器过程控制基本理论7流量检测仪表流量测量是化工生产四大参数中最复杂的，原因如下：介质对象的多样性：液体、气体、多相流。液体：粘性的影响； 气体：压缩性、理想气体与真实气体（蒸 汽）； 流动状态：层流、湍流（紊流）、介质温度、压力均有很大影响，这些就造成流量测量的复杂性，流量仪表的多样性一、流量测量概述1、流量测量中常用的物性参数体积流量：标准状态下体积流量：标准状态：PN=0.101Mpa TN=293K P和T为工况状态时被测介质的压力和温度质量流量：累积流量、流量总量：流体密度：可压缩性介质（一般指气体）密度：流体的粘度：流体在管道内流动过程中与管道内壁直接有摩擦会影响流量的测量，内摩擦力与流体粘度成正比。2.管内流动基本知识雷诺数：用来表示流体流动情况的无量纲数。Re=vd/v流速、密度、粘性系数、d为圆形管道的当量直径。层流和湍流：雷诺数2320为湍流二、流量测量仪表1.容积式流量计2.浮子流量计浮子流量计，又称为转子流量计，或变面积流量计原理：浮子流量计的测量本体由一根自下向上扩大的垂直锥管和一只 可以沿着锥管的轴向自由移动的浮子组成，当被测流体自锥管下端流入流量计时，由于流体的作用，浮子上下端面产生一差压，该差压即为浮子的上升力。当差压值大于浸在流体中浮子的重量时，浮 子开始上升。随着浮子的上升，浮子最大外径与锥管之间的环形面积逐渐增大，流体的流速则相应下降，作用在浮子上的上升力逐渐减小，直至上升力等于浸在流体中的浮子的重量时，浮子便稳定在 某一高度上。这时浮子在锥管中的高度h与所通过的流量有对应的关系。3.涡轮流量计原理如图，在管道中心放一个涡轮，两端由轴承支撑，当流体通过管道时，冲击涡轮叶片，对涡轮产生驱动力矩，使涡轮克服摩擦力矩和流体阻力矩而产生旋转，在一定流量范围内，涡轮旋转角速度与流体速度成正比。4.涡街流量计原理：在流体中设置漩涡发生体，当流体流过时从漩涡发生体两侧交替地产生有规则的与流体平均速度成正比的漩涡，5.电磁流量计法拉第电磁感应定律：电路中感生电动势的大小跟穿过这一电 路的磁通量的变化率成正比。由上式可知，当测量管结构一定时，体积流量qv和e/B成正比，而与流体的状态和物性参数无关，测量比值e/B即可得到体积流量。当磁感应强度B为恒定值时，体积流量与感生电势成正比。6.超声流量计超声波流量计有好多种，以采用时差式测量为例：一个探头发射信号穿过管壁、介质、另一侧管壁后，被另一个探头接收到，同时，第二个探头同样发射信号被第一个探头接收到，由于受到介质流速的影响，二者存在时间差，进而可以算出流体流量值。7.节流式流量计节流式流量计，在管道中设置了一个节流件，节流件上下游产生差压，该差压与流体流量有关。常见截流装置： 孔板、喷嘴、文丘里管8.质量流量计流体在旋转的管内流动时会对壁管产生一个力如U型管，流体流经U型管时，对管壁产生力，在力的作用下使管产生扭转角，流体的质量流量与扭转角成正比。过程控制基本理论8物位检测仪表一、物位的定义物位是液位、料位、界面的总称。液位：容器内液体表面的位置。料位：固体块、颗粒、粉料堆积高度和表面位置。界面：两种互不相溶的物质的界面位置。二、物位测量仪表1、测液位的仪表：玻璃管（板）式、称重式、浮力式（浮筒、浮球、浮标）、静压式（压力、压差）、电容式、电感式、电阻式、超声波式、激光式、微波式等2、测量界面的仪表：浮力式、差压式、电极式、超声波式等3、测量料位的仪表：重锤探测式、音叉式、超声波式、激光式、放射性式等三、常用物位测量仪表1、浮力式：根据浮球或浮标随液位的高低而产生上下位移或浸于液体中的浮筒随液位变化而引起浮力变化的原理。（1）恒浮力（钢带、码带）（2）变浮力（浮筒）原理如图，浮筒随液位变化产生浮力，浮筒本身的重力与浮力产生不平衡力，经杠杆2传至扭力管3，而扭力管产生转角变形由心轴4传出，经推板5传到霍尔片6产生电势可被检测。2、差压式液位计原理：容器内的液位改变时，液柱产生的静压也相应的变化。3、电容式物位计如图圆柱形电容器，由两个相互绝缘的同轴圆柱极板内电极和外电极组成，在两筒之间充入电介质时，液位和两极板直接电容成正比。4、超声波物位计声波在液体、气体、固体内传播时有一定的速度，当声波穿越介质时会被吸收而衰减，气体吸收最强，衰减最大，固体吸收最弱，衰减也最小，声波穿过不同密度介质界面时会有反射，超声波物位计就是根据声波从发生到接收反射回波的时间间隔与物位成正比的原理来测量的。过程控制基本理论9执行器一、基本概念执行器代替手动操作，是构成自动控制系统不可缺少的重要部分。执行器在系统中作用是接受控制器的输出信号，直接控制被控介质的的输送量，达到控制温度、压力、流量、液位等工艺参数的目的，从而将被控变量维持在工艺指标要求的数值上。最常用的执行器就是阀门：执行机构：把控制器的输出信号转换为位移信号，有气动、电动和液动之分。调节机构：把位移信号转换成流通截面积的变化，有单座、双座、偏心旋转、套筒、 蝶阀等。材质：阀芯一般有不锈钢、特殊合金、表面涂层阀芯等；阀体一般有铸钢、铸铁、青铜、高分子材料、复合材料等。材质的选择和执行器接触的介质有关。口径：也就是流通能力，根据流量、阀两端差压和介质重度确定。气开和气关：气开为