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仪表基础知识交流制作 顾志远 概述自动化仪表 是实现工业生产过程自动化的重要工具 被广泛应用于石油 化工等各工业部门 在自动化系统中 自动化仪表将被控变量转换成电信号或气压信号后 除了送至显示仪表进行指示和记录外 还需送至控制仪表进行自动控制 从而实现生产过程的自动化 使被控变量达到预期的要求 过程控制仪表包括检测仪表 调节仪表 执行器 操作器 以及可编程调节器等各种新型控制仪表及装置 从广义上讲 仪表分为两大部分 控制系统和测量仪表 控制系统包括DCS系统 PLC系统等 测量仪表包括温度仪表 流量仪表 液位仪表 压力仪表 调节仪表等 山东利丰达生物科技有限公司属于石油化工行业 因此自动化程度相对较高 公司的仪表控制系统是DCS系统 装置测量仪表涵盖了温度 压力 流量 液位 调节仪表 目录 1 一 DCS控制系统 DCS是分布式控制系统的英文缩写 DistributedControlSystem 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 它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统 综合了计算机 通信 显示和控制等4C技术 其基本思想是分散控制 集中操作 分级管理 配置灵活以及组态方便 2 DCS控制系统构成硬件 操作管理系统 过程控制站 通信系统DCS系统诊断程序应用程序系统软件组态程序标准画面等软件用户软件 组态结果运行数据 过程历史数据 3 DCS的功能 4 公司各个装置DCS控制系统1 MTBE 芳构化联合装置浙江中控JX 300XP2 烷基化装置杭州和利时MACS5 2 43 废酸装置杭州和利时MACS6 5 24 储运罐区杭州和利时MACS5 2 4备注 国产的DCS主要就是两大家 浙江中控和杭州和利时 现在和利时已经主推MACS6系统 二 压力测量仪表 P绝压 绝对零压为基准来表示的压力 P表压 以大气压为基准来表示的压力 P负压 真空度 被测流体的绝对压力低于大气压时压力表测得的压力 P绝压 1大气压力线 101KPa 绝对零压 绝对真空下的压力 2 1表压 绝对压力 负压 真空度 的关系 2 2压力测量基本知识 法定计量单位是Pa 1Pa 1N m2 压力的法定工程单位还有 MPa kPa 非法定工程单位 kgf cm2 atm mmH2O mmHg bar等1kgf cm2 1atm 10000mmH2O 760mmHg 1bar 0 1MPa 2 3应用中注意事项 三 流量测量仪表 2 1常见的几大流量测量仪表 2 1 1差压式流量计 充满管道的流体 当它流经管道内的节流件时 流束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差压 流体流量愈大 产生的差压愈大 这样可依据差压来测量流量的大小 这种方法是以流体连续性方程 质量守恒定律 和伯努力方程 能量守恒定律 为基础的 2 1 1 1测量原理 以标准孔板为例 2 1 1 2孔板节流装置流量计的应用 2 1 1 3孔板节流装置流量计的使用 2 1 1 4差压式流量计的投用与停用方法 2 1 1 5仪表三阀组的操作 2 1 1 6差压变送器的使用 又称浮子流量计 是恒压降变流通截面积流量计的一种 由一个锥形管和一个置于锥形管内可以上下自由移动的转子 也称浮子 构成 2 1 2转子流量计 当流体自下而上流入锥管时 被转子截流 这样在转子上 下游之间产生压力差 转子在压力差的作用下上升 这时作用在转子上的力有四个 流体对转子的动压力 W 转子在流体中的浮力 F 和转子自身的重力 G 及粘性力 N 一般不适合高粘度介质 所以不考虑 转子重心与锥管管轴会相重合 作用在转子上的三个力都沿平行于管轴 当三个力达到平衡 G F W 时 转子就平稳地浮在锥管内某一位置上 对于给定的转子流量计 转子大小和形状己经确定 因此它在流体中的浮力和自身重力都是已知是常量 唯有流体对浮子的动压力是随流体流速的大小而变化的 因此当流体流速变大或变小时 转子将做向上或向下的移动 相应位置的截面积也发生变化 直到流速变成平衡时对应的速度 转子就在新的位置上稳定 对于一台给定的转子流量计 转子在锥管中的位置与流体流经锥管的流量的大小成一一对应关系 2 1 2 1测量原理 2 1 2 2使用常识 1 流量变动而浮子或指针移动呆滞 可能是由于卡塞所致 浮子和导向轴 指示部分连杆或指针卡住 磁耦合的磁铁磁性下降 远传型金属管转子流量计其远传部分是靠磁性与转子耦合的 若介质中含有易被磁性物质吸附的小颗粒 则转子易被磨损和卡塞 造成测量不准或无法测量 解决的办法是在前面加装磁过滤器 2 实际流量与指示值不一样 可能是由于浮子或锥管腐蚀 导致面积变化 浮子或锥管内有赃污异物 流体物性 密度 温度 压力 变化等等 2 1 2 3故障判断 在流体中设置旋涡发生体 阻流体 从旋涡发生体两侧交替地产生有规则的旋涡 这种旋涡称为卡曼涡街 如图所示 旋涡列在旋涡发生体下游非对称地排列 设旋涡的发生频率为f 被介质来流的平均速度为U 旋涡发生体迎面宽度为d 表体通径为D 根据卡曼涡街原理 有如下关系式 f StU1 d StU md式中U1 旋涡发生体两侧平均流速 m sSt 斯特劳哈尔数m 旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比 2 1 3涡街流量计 2 1 3 2特点 2 1 3 3涡街流量计的安装使用要求 质量流量计测量的是流体的质量流量 不受流体温度 压力 密度等参数变化的影响 且测量精度很高 可达0 1 无直管段要求 故在一些要求进行精确测量和严格控制进料的场合以及用于贸易结算进行计量的时候 常常使用质量流量计进行流量测量 但因其价格昂贵使用面不是太广 2 1 4质量流量计 利用科里奥利加速度理论制成的流量计 当一定的质量流体流过振动的管道时 会产生使管道弯曲和扭曲的科氏力 这些微小的管道变形被安装在最佳位置处的传感器检测出来并进行电子评估 由于传感器测得的相位迁移信号与质量流量成正比 科里奥利质量流量计可以直接测量质量流量 测量与流体的密度 温度 粘度 压力及电导率无关 测量管道始终以共振的方式振动 在工作条件下 这个共振频率是测量管道几何形状 流量计材料特性和测量管中流体 也在振动 质量的函数并可以精确地测量被测流体的密度 2 1 4 1基本原理 2 1 4 2质量流量计的安装使用要求 2 1 4 3质量流量计的投用与停用方法 SensorError DensOverrng Slugflow Driveoverrange 即传感器出错 密度超限 团状流 驱动超限 可能是异相流体 即含有固体颗粒 又含有气泡 汽液混相流 管道堵塞 气穴 闪蒸 管道有震动 流速超出传感器量程 核心处理器故障等 变送器出现ZeroTooHigh或ZeroTooLow表示在传感器调零期间流体没有完全终止流动 导致变送器计算出来的零点流量偏移太大而不能进行精确的流量测量 在调零时必须使流体完全终止流动 2 1 4 4故障现象 电磁流量计用于测量导电液体介质流量 介质温度不宜超过120度 压力不宜超1 6MPa 不宜在负压状态下使用 流速不得低于0 3m s 被测介质中不能含有较多的磁铁性物质和气泡 被测流体基本无压损 测量精度可达0 5 量程比宽为20 1 其测量原理为法拉第电磁感应定理 2 1 5电磁流量计 电磁流量计的基本测量原理是基于法拉第电磁感应定律 即导体在磁场中做切割磁力线运动时 在其两端产生感应电动势 如图所示 流量计的测量管是由内衬绝缘材料的非导磁合金短管制作 两只电极沿管径方向穿通管壁固定在测量管上 其电极头与衬里内表面基本齐平 励磁线圈由双向方波脉冲励磁时 将在与测量管轴线垂直的方向上产生磁通量密度为B的工作磁场 此时 如果具有一定电导率的流体流经测量管 将切割磁力线 并感应出电动势E 电动势E正比于磁通量密度B 测量管内径d与平均流速v的乘积 电动势E 流量信号 由电极检出并通过电缆送至转换器 转换器将流量信号放大处理后 可显示流体流量 并能输出脉冲 模拟电流等信号 用于流量的控制和调节 其原理公式为 E KBDV式中 E 为电极间的信号电压 v B 磁通密度 T D 测量管内径 m V 平均流速 m s 2 1 5 1工作原理 式中k D为常数 由于励磁电流是恒流 故B也是常数 则由E KBdV可知 体积流量Q与信号电压E成正比 即流速感应的信号电压E与体积Q成线性关系 因此 只要测量出E就可确定流量Q 这是电磁流量计的基本工作原理 由E KBDV可知 被测流体介质的温度 密度 压力 电导率 液固两相流体介质的液固成分比等参数不会影响测量结果 至于流动状态只要符合轴对称流动 如层流或者紊流 就不会影响测量结果 因此说电磁流量计是一种真正的体积流量计 只要用普通的水实际标定后 就可以测量其他任何导电流体介质的体积流量 而不需要任何修正 这是电磁流量计的一突出优点 是其他任何流量计所没有的 测量管内无活动及阻流部件 因此几乎没有压力损失 并且有极高的可靠性 2 1 5 2电磁流量计的安装要求 2 1 5 3电磁流量计的投用与停用方法 3 流量计使用的几个常见问题 四 物 界 位测量 2 1液位测量常识 2 2雷达物位计简介 微波物位计俗称雷达 Radar 物位计 雷达是英文RadioDetectionandRaging 无线电检测与测距 首字母的缩写词 雷达物位计采用微波脉冲的测量方法 并可在工业频率波段范围内正常 波束能量低 可安装于各种金属 非金属容器或管道内 对液体 浆料及颗粒料的物位进行非接触式连续测量 适用于粉尘 温度 压力变化大 有惰性气体及蒸汽存在的场合 对人体及环境均无伤害 雷达物位计还具有不受介质比重的影响 不受介电常数变化的影响 不需要现场校调等优点 2 3差压液位计 浮筒液位计是根据阿基米德定律和磁耦合原理设计而成的液位测量仪表 仪表可用来测量液位 界位和密度 负责上下限位报警信号输出 专用于测量压力容器内液位 由四个基本部分组成 浮筒 弹簧 磁钢室和指示器 原理浸在液体中的浮筒受到向下的重力 向上的浮力和弹簧弹力的复合作用 当这三个力达到平衡时 浮筒就静止在某一位置 当液位发生变化时 浮筒所受浮力相应改变 平衡状态被打破 从而引起弹力变化即弹簧的伸缩 以达到新的平衡 弹簧的伸缩使其与刚性连接的磁钢产生位移 这样 通过指示器内磁感应元件和传动装置使其指示出液位 限位开关的仪表即可实现液位信号的报警功能 基于位移测量原理 悬挂在测量弹簧上的位移筒体沉浸在被测液体中 并受到阿基米德向上浮力作用 其作用力与排开液体质量成正比 根据液位高低 筒体浸入深度不同 向上浮力发生变化 测量弹簧将要作相应延伸 以达到测量结果 2 4浮筒液位计 磁翻柱液位计 磁致伸缩液位计 磁浮子液位计 钢带液位计都是根据恒浮力原理进行测量的 有顶装和侧装两种形式 顶装磁致伸缩液位计由探测杆和抱探测杆上下浮动的浮子组成 仪表安装时要求连通管或探测杆的垂直度要好 液面变化不要太剧烈 介质内不能有固体杂质 否则容易导致浮子卡塞 2 5其它液位计 五 温度测量 2 1温度测量仪表简介 2 2常见铂电阻分度号 2 3常见热电偶分度号 2 4温度测量仪表简单问题的判断方法 采用的调节阀包括 气动薄膜调节阀 偏心旋转调节阀 气动三通切断阀 气动楔式闸阀 气动切断阀 自力式调节阀 电磁阀 六 调节阀 执行机构 阀体 有的阀门带手轮机构 阀位开关 阀位变送器 气路电磁阀 根据不同的需要 结构也不相同 阀门定位器 过滤器减压阀 是控制阀的推动装置 它按输出信号的大小产生相应的推力 使推杆产生相应的位移 直行程或角行程位移 从而带动控制阀的阀芯动作 阀体部件是控制阀的调节部分 它直接与介质接触 由阀芯的动作改变控制阀的节流面积达到调节的目的 2 1气动薄膜调节阀结构 执行机构的分类和作用形式 分为气动执行机构和电动执行机构两大类 均包含直行程和角行程方式 气动执行机构又可分为气动薄膜执行机构 气动活塞执行机构 分单作用和双作用气缸 等 气动薄膜执行机构可分为正 反作用两种形式 当信号压力增加时推杆向下动作的叫正作用执行机构 当信号压力增加时推杆向上动作的叫反作用执行机构 气动薄膜执行机构通常接受的气信号为20 100kPa 也有采用80 200kPa 120 300kPa等气信号的执行机构 供气压力一般分别为140kPa 300kPa 340kPa 气动活塞执行机构通常采用400kPa的气源 2 1 1执行机构 1 根据阀体部件的形式分类 直通单座截止式调节阀体 偏心旋转阀体 凸轮挠曲阀体 球阀体 蝶阀体 楔式闸阀体 三通阀体 根据阀门的原始状态可分为故障开 气关 故障关 气开 两种形式 2 2 2分类 具有结构简单 动作可靠等特点 使用于流量变化小 调节精度要求不高或仪表气源供应困难的场合 有内取压式和外取压式 对于调节精度要求稍高的应用场合 需要采用指挥器膜头进行调节 装置所用的均为稳定阀后的压力 2 3自力式调节阀 2 3 1自力式调节阀的使用 2 4电磁阀 2 4 1使用选用考虑因素 电磁阀不动作 2 4 2电磁阀故障原因 2 5调节阀的安装要求 2 6调节阀的安装要求 2 7调节阀故障的判断 有输出 阀不动作 气源系统故障 2 8调节阀故障原因 调节阀漏量大 调节阀全关时阀芯与阀座之间有空隙 造成阀全关时介