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自动化仪表讲义 第一章自动化仪表在生产过程中的作用1 1自动化仪表及其应用1 2自动化仪表的分类1 3自动化控制系统 第一章自动化仪表在生产过程中的作用1 1自动化仪表及其应用自动化仪表 是指在工业生产过程中对工艺参数进行检测 显示 控制的仪表 自动化仪表大体可分为检测仪表 显示仪表 控制仪表和执行器四大类 检测仪表是利用各种物理 化学效应 实现各种信息参数测量的仪表 显示仪表则用于对各种变量检测 控制及操作状态参数的数据显示和记录 承担人 机联系的任务 有的仪表则集检测与显示一体 控制仪表把来自检测仪表的信号值与所要求的信号值进行比较 综合 按预定控制规律发出控制信号 操纵执行器动作 使被控变量达到预期值 执行器则是实现这种控制作用的终端控制装置 工业自动化仪表是实现工业生产过程自动化的一种重要装置 应用自动化仪表和设备 构成各种类型的自动化系统 可以代替人的重复性劳动 实现工艺过程的自动检测 调节和控制 在海洋石油的油气田生产中 为了正确地指导生产操作 保证人员和生产安全 都广泛应用自动化仪表和控制系统 1 2自动化仪表的分类海洋石油平台使用的自动化仪表类型繁多 因而分类的方法也不同 下面介绍几种常见的分类方法 按使用能源不同 可分为气动仪表 电动仪表和液动仪表 按所测量参数不同 可分为压力仪表 温度仪表 液位仪表 流量仪表 按所使用系统不同 可分为生产系统检测仪表和安全系统检测仪表 1 3自动化控制系统海洋石油平台要求生产和安全管理的自动化程度较高 平台上都设有一套自动化控制系统 即中央控制系统 这套系统是整个平台的控制中心 它能对整个平台的生产和安全进行监控 确保平台及人身安全 保证生产的持续性 保护原油生产系统及其设施 中央控制系统是由生产过程控制系统 PCS 和安全控制系统 SCS 组成 其中安全控制系统又分为紧急关断系统 ESD 和火气探测系统 F G 两个相对独立的子系统 如下图所示 第二章压力检测仪表2 1压力的定义及单位2 2压力的分类2 3压力检测方法2 4压力表2 5压力变送器2 6压力开关2 7压力检测仪表选择 校验和安装 压力 包含差压和真空度 是工业生产中最重要的参数之一 它决定着生产过程能否正常进行 关系到设备和人身的安全等 2 1压力的定义及单位垂直作用在物体单位面积上的力称为压力 它的数值由两个因素决定 即受力面积和垂直作用力的大小 在国际单位制中其单位为牛顿 米2 即 帕斯卡 其表示的符号为 Pa 简称 帕 帕这个单位很小 约为0 1mm水柱所产生的压力 Pa kPa MPa是法定的压力计量单位 在工程中常用单位还有工程大气压 kgf cm2 物理大气压 atm 毫米汞柱 mmHg 毫米水柱 mmH2O 磅 英寸2 psi 巴 bar 等 工程大气压 kgf cm2 物理大气压 atm 和巴 bar 压力等级基本相同 1巴 1公斤力 100KPa 14 5psi 相当于10米水柱的压力 它们之间的常用换算见表2 1各压力单位间的换算 2 2压力的分类在压力检测中 压力常分为表压 绝压 负压或真空度 差压或压差 绝对压力是液体 气体或蒸汽所处空间的全部压力和 表压和真空度是相对大气压力而言的 大气压力即地球表面空气柱重量所产生的压力 工业上所用的压力指示值常为表压 表压是当绝对压力高于大气压力时 绝对压力和大气压力之差 真空度是当绝对压力小于大气压力时 大气压力和绝对压力之差 差压力是任意两个压力相比较时的差值 它们之间的关系如图2 1各种压力间的关系 2 3压力检测方法压力的检测方法多种多样 在海洋采油工艺主要采用弹性变形测压力和电测法测量压力 用弹性变形测压法测量压力时 当被测压力作用于弹性元件时 弹性元件便产生相应的形变 根据形变的大小便可测出压力的大小 常用的弹性元件有三类 薄膜式 波纹管式和弹簧管式 弹簧管又分为单管式和多管式两种 平台的压力表一般都采用单管式 2 4压力表从图2 2中可以看出 弹簧管受压后其形变位移和受力的大小具有比例关系 因此 生产中 我们大多采用弹簧管作为弹性元件来测压 经常使用单弹簧管和多弹簧管 以单弹簧管应用为最多 弹簧管压力表是工业生产上应用最为广泛的一种测压仪表 图2 2单簧管压力表内部结构 2 4 1弹簧管的测压原理单弹簧管是弯成圆弧形的空心管子 其截面积呈扁圆形或椭圆形 如图2 2单簧管压力表内部结构 被测压力由弹簧管的固定端引入 由于椭圆形截面积在压力作用下会趋向圆形 因此弹簧管的自由端就产生一定的位移 弹簧管就这样把压力转变为位移 但是 弹簧管输出位移很小 因此一般都选用各种杠杆式或齿轮式的传动放大机构 把微小位移放大并转换成角位移传送给显示部分的指针 如图2 3压力表测压原理 由于弹簧管自由端的位移与被测压力的大小具有比例关系 因此弹簧管压力表的刻度标尺是线性的 图2 3压力表测压原理由上得出 它的原理是在压力作用下 弹簧管就要产生变形 自由端产生位移 通过拉杆带动扇形齿轮转一角度 经机芯带动指针偏转在刻度盘上指示出来 位移大小与输入的测量压力成正比 此时指针在刻度盘上的位置就是被测出来压力的量值 2 4 2弹簧管压力表的结构弹簧管压力表的结构如图2 4弹簧管压力表所示 1 弹簧管2 拉杆3 扇形齿轮4 中心齿轮5 指针6 面板7 游丝8 调整螺钉9 接头 压力表外观见图2 5 被测压力由接头9通入 迫使弹簧管1的自由端B向上方扩张 自由端B的弹性变形位移由拉杆2使扇形齿轮3作逆时针偏转 于是指针5通过同轴的中心齿轮4的带动而作顺时针偏转 从而在面板6的刻度尺上显示出被测压力P的数值 由于自由端的位移与被测压力之间具有比例关系 因此弹簧管压力表的刻度标尺是线性的 游丝7是用来克服因扇形齿轮和中心齿轮的间隙所产生的仪表变差的 改变调整螺钉8的位置 即改变机械传动的放大系数 可以实现压力表量程的调整 2 5压力变送器以上介绍的是就地显示的压力计 既压力表 在生产中 我们还需要将压力转换成气动信号或电动信号进行控制和远传 这些把压力转换成气动信号或电动信号的设备就是压力变送器 压力变送器分为气动压力变送器和电动压力变送器 2 5 1气动压力变送器气动压力变送器中应用最多的是力矩平衡式压力变送器 下面就以气动差压变送器为例对气动力矩平衡式压力变送器的结构原理进行简单分析 如图2 6气动差压变送器的原理图 图2 6气动差压变送器原理图1正压室 2 负压室 3 膜片 4 出轴密封膜片 5 主杠杆 6 反馈支点 量程支点 7 反馈波纹管 8 喷嘴 9 挡板 10 放大器 11 调零弹簧 图2 6气动差压变送器原理图气动差压变送器的原理是 以膜片3为感测元件 与正压室1和负压室2组成变送器的测量部分 正压室通入被测差压的高压信号P1 负压室通入低压信号P2 差压通过膜片变成F测作用在比较环节 杠杆5上 杠杆5的支点是输出轴密封膜片4 杠杆5受压差产生的力的作用 绕支点 O 旋转 使挡板9相对喷嘴移动 喷嘴背压变化 引起功率放大器10的输出压力P出变化 输出压力P出引入仪表的反馈环节 波纹管7 转换成力F反 作为负反馈信号在支点6处也作用到杠杆5上 输入F测与F反通过杠杆5和支点 O 达到平衡 即 F测 l测 F反 l反由F测 A测 P1 P2 F反 P出 A反可知P出 P1 P2 A测l测 A反l反式中 A测是膜片3的有效面积 A反为反馈波纹管的有效面积 图2 6气动差压变送器原理图由于l测 l反 A测 A反均为固定值 可见差压变送器将输入压差成比例的转换成了气动信号P出 输出信号为20 100Kpa的气压信号 可将输出信号送往调节器或显示仪表进行调节 指示或记录 但由于受远传时压力降低和滞后的影响 气动压力变送器主要用于现场调节回路的组成 2 5 2电动压力变送器电动压力变送器是将一定范围的压力信号转换成标准电流或电压信号的压力仪表 海洋采油生产中大多采用电容式压力变送器 电容式压力变送器的工作原理简单的说就是将弹性测压元件的位移转换成电容的变化 再经一定的转换电路输出标准电流或电压信号 海洋采油平台上常用到的电动压力变送器的输出标准信号一般为4 20mA电流信号 其输出信号为连续的模拟信号 常用作远传信号 海洋平台上常用到电动压力变送器主要是 ROSEMOUNT1151 2088 3051等系列模拟型和智能型压力变送器 FOXBOROI A系列智能型压力变送器以及少量其它厂家的压力变送器 随着科学技术和海洋石油的发展 现在采油平台上的模拟型压力变送器已经逐步被智能型压力变送器替代 下面以1151系列电动变送器为例详细叙述电动变送器的结构及性能等 1 概述1151系列电容式压力变送器具有安装使用方便 精度高 体积小 调整方便 稳定性高 单向过载能力好等特点 1151系列压力变送器是将相对真空的绝对压力或相对某标准的相对压力转换成为4 20mA或10 50mA直流电流信号 电流信号与被测压力成线性关系 1151系列压力变送器是采用两线制串联工作方式 如图2 91151压力变送器控制回路接线图所示 2 结构从总体结构来说 1151系列压力变送器可以分为两部分 一部分是敏感元件部分 它是由 室和两个法兰组成 另一部分是电图2 9 1151压力变送器控制回路接线图1 1151压力变送器 2 记录仪 3 电源 4 调节器 5 指示器气部分 它包括接线端子 电子线路及端盖 室是感受被测压力并转变成电容的变化 两端的法兰是固定 和保护 室的 并且传送压力到 室 电子线路板分为两块 一块是放大板 一块是刻度板 3 主要性能指标1151系列分A B E G四种型号 A B为测量绝对压力 E G为测量相对压力A E输出为4 20mA B G输出为10 50mA 测量对象为液体 气体 汽体 零点迁移与输出无关 精度包括线性度 变差 重复性误差在内 为刻度范围的 0 25 稳定性在6个月内精度保证为量程上限的 0 25 2 6压力开关压力开关是另外一种压力检测仪表 如图2 10 压力开关检测的是压力的变化 它利用弹性元件由于受压而产生的形变来驱动开关动作 压力开关分为高压开关和低压开关 高压开关是当压力升高至设定压力时 开关动作 低压开关是压力降低至设定压力时 开关动作 压力开关的输出信号是一个开关量 因此 压力开关的输出信号常用来作为报警关停信号 大多数压力开关都提供两组触点 常开点 NO 和常闭点 NC 在压力开关不受压 放空 的情况下 与公共端 C 不相通的触点是常开点 NO 与公共端相通的触点是常闭点 NC 根据生产控制的需要 可以利用不同的触点用于不同的需要 在生产现场 根据本质安全的原则 压力低开关一般使用常开触点 压力高开关一般使用常闭触点 这样 工艺生产正常时 开关为闭合状态 异常报警时开关为断开状态 因此在安装 维修及校验时应特别注意高低开关的使用触点 2 7压力检测仪表的选择 校验和安装正确地选择 校验和安装是保证压力检测仪表在生产过程中发挥应有作用的重要环节 2 7 1压力检测仪表的选择选择压力检测仪表之前 我们先来了解一下检测仪表的几个重要的技术性能 绝对误差 相对误差 基本误差 精度等级和变差 绝对误差 指仪表指示值 被测表读数些X 和被测量的真实值 标准表的读数Xo 之间的差值 X Xo相对误差 它是指绝对误差与标尺测量范围 B 的百分比 X Xo 标尺上限值 标尺下限值 100 基本误差 仪表正常工作下 将仪表的示值与标准的示值相比较 取仪表全量程范围内各个示值中相对百分误差的最大者 称为仪表的基本误差 基本误差 示值中最大绝对误差 仪表的量程范围 100 精度等级 反映测量结果与真实值接近程度的量 称为精度 它的误差大小相对应 根据仪表设计制造的质量 出厂的仪表都保证基本误差不超过某一规定值 此规定值称为允许误差 允许误差去掉 和 及 后 其数字便是仪表精度等级 当一台表的精度为0 5级时 那这台仪表的允许误差为 0 5 和 0 5 变差 使用同一仪表对某一参数进行正反行程测量时 仪表正反行程指示值之间存在一差值 此差值即为指示变差 变差 X正 X反 max 仪表量程 100 压力检测仪表的选择应根据使用的需要 针对具体的情况作具体分析 在符合生产过程所提供的技术条件下 应以节约为原则 合理的进行种类 型号 量程 精度等级的选择 选择主要考虑三个方面 a 根据被测压力的大小 确定仪表量程 对于弹性式压力检测仪表 为了保证弹性元件在弹性形变的安全范围内可靠的工作 在选择压力检测仪表的量程时 必须考虑到留有充分的余地 一般在被测压力较稳定的情况下 最大压力值应不超过满量程的3 4 在被测压力波动较大的情况下 最大压力值应不超过满量程的2 3 为了保证测量精度 被测压力值应不低于全量程的1 3为宜 b 根据生产容许的最大测量误差确定仪表的精度 选择时 应在满足生产要求的情况下尽可能选择精度较低 价廉耐用的压力检测仪表 c 选择压力检测仪表时还要考虑被测介质的性质 如温度的高低 黏度大小 腐蚀性 脏污程度 易燃易爆等 还要考虑现场的环境条件 如高温 腐蚀 潮湿 振动等 根据这些因素来确定压力检测仪表的种类和型号 2 7 2压力检测仪表的校验1 压力表的校验压力表的校验就是将被校压力表和标准压力表通以相同的压力 比较它们的指示数值 所选择的标准压力表的绝对误差一般应小于被校压力表绝对误差的1 3 所以它的误差可以忽略 认为标准表的读数就是真实压力的数值 如果被校压力表对于标准压力表的误差不大于被校压力表的允许误差 则认为被校压力表合格 被校压力表的允许误差为被校压力表的精度百分数乘以量程 压力表的校验包括 外观检查 零点检查 刻度示值及量程校验 首先观察压力表有没有摩擦 变差主要由摩擦产生的 所以必须消除摩擦 然后观察整个刻度范围内误差的规律 压力表的刻度校验时按标有分度线的刻度进行校验 一般按量程的四等分刻度进行校验 校验时逐渐升高压力 校验各校验点的上行值 当示值达到量程时 耐压三分钟 然后逐渐降低压力 校验各校验点的下行值 上下行误差及上 下行绝对误差应不大于该压力表的最大允许误差 在每各校验点上 需要轻敲表壳 轻敲前后的示值与标准示值之差不应大于最大允许误差 轻敲表壳引起的这种示值变动量不得超过最大允许误差绝对值的1 2 进行刻度校验时 压力表在全分度范围内应平稳移动 不得有跳动或卡位现象 2 压力变送器的校验压力变送器的校验和压力表的校验相似 用压力发生器给压力变送器提供量程范围的标准压力 观察压力变送器的输出值 比较实际输出值和理论输出值 进行校验 校验压力变送器时 首先要与中控室取得联系 对相关信号进行旁通 再对压力变送器进行隔离 旁通 泻压 然后将变送器连接打压 差压变送器的连接应连接于高压端 低压端放空 零点压力时 输出信号应为4mA 否则调节零点调节纽使输出信号为4mA 量程压力时 输出信号应为20mA 否则调节量程调节纽使输出信号为20mA 校验好零点合量程后 观察量程的1 4 1 2 3 4处输出是否满足8mA 12mA 16mA 目前生产现场广泛使用的智能压力变送器能自动调节零点和量程 另外 也可用手操器直接对智能压力变送器进行零点和量程的调整 2 4 1智能型压力变送器图2 13是用HART通讯仪调节智能压力变送气的连接图 在车间调节变送器时 由于没有长距离的电源和信号线 要用一个250欧姆左右的电阻串连在变送器和电源之间来模拟电缆 然后将HART通讯仪并联在智能压力变送器一端 通讯仪才能识别变送器 3 压力开关的校验压力开关都有设定点 校验压力开关时 用压力发生器给压力开关提供标准压力 改变压力的大小 观察压力开关动作时压力发生器所提供的标准压力是否与压力开关的设定点一致 现场校验压力开关时 要预先通知中控室 对一些关停信号进行旁通 校验高压开关或高高压力开关时 逐渐升高压力观察压力开关的动作值 如果与设点不一致 需要调整调节机构 直到开关在设点动作为止 然后降低压力 观察开关的复位值 校验低压开关或低低压力开关时 先给开关打压到压力开关复位 然后逐渐降低压力观察压力开关的动作值 当压力开关动作后 再升高压力 当压力开关再次动作时的标准压力就是压力开关的复位值 思考题 1 什么叫压力 表压力 绝对压力 负压力 真空度 之间有何关系 2 某地大气压为870KPa 压力表指示塔顶压力为50KPa 问顶内绝对压力为多少KPa 若压力表指示塔顶压力为真空度380mmHg 那么塔内绝对压力又是多少KPa 3 试述压力表结构及工作原理 4 试述气动压力变送器结构及工作原理 5 如何检定一块压力表 6 某压力表测量范围为0 1Mpa 精度等级为1级 试问此压力表允许最大的绝对误差是多少 7 如何校验压力罐顶上的压力开关 写出校验步骤及所需的工具 8 如何校验压力罐顶上的电动压力变送器 写出校验步骤及所需的工具 第三章温度测量3 1温度的概念3 2膨胀式温度计3 3热电偶温度计3 4热电阻温度计3 5温度开关3 6温度变送器 3 1温度的概念它是表示物体冷热程度的物理量 用来衡量温度高低的尺度叫温标 温标是用数值表示的一种方法它规定了温度的读数零点和测量温度的基本单位 各种温度计的刻度分度均由温标确定 温度的高低表示单位有摄氏温标 华氏温标和国际温标 摄氏温标是工程上通用的温标 华用氏温标多用于西方国家 国际温标用开尔文表示K 它们的转换公式为 1 8 32K 273 16在海上油田 温度是原油生产中重要的测量参数之一 在原油处理工艺流程中 现场就地温度显示仪表全部采用的是液体膨胀式温度计 双金属片 远传的信号采用铂电阻温度变送器 还有少量热电偶 3 2膨胀式温度计膨胀式温度计是利用物体受热体积膨胀的性质制成的温度计叫做膨胀式温度计 它可分为液体膨胀式和固体膨胀式二大类 液体膨胀式又分为水银温度计和有机液体温度计 而固体膨胀式温度计也分为双金属温度计和杠杠式温度计 1 液体膨胀式温度计 用的最多的是玻璃液体温度计 它由装有液体的玻璃温包 毛细管 刻度标尺及玻璃外壳组成 通常使用水银和酒精作工作液体 2 固体膨胀式温度计 是基于固体长度随温度变化的性质制成的 由于所有固体材料的长度均会随温度变化 因而实际的温度计都是利用两种不同材料膨胀系数的差异测量温度的 最常用的膨胀式温度计是双金属温度计 它是利用叠焊在一起的 具有两种不同膨胀系数的金属片作感温元件 一般用的黄铜与殷钢作感温元件 并做成螺盘式或螺旋式 当温度升高时 若里层为黄铜 则螺旋体的自由端就会向外扩张 牵动指针 指示出被测物体的温度 双金属温度计具有结构简单 价格便宜 而且比较耐用的特点 它的测量范围可在0 500 精度在国际上可达到1级精度 3 3热电偶温度计热电偶温度计由热电偶 显示仪表及连接导线组成 它是一种以热电效应为基础的感温元件 它将被测温度转换成电势信号 用显示仪表测量其电势值 即可实现温度测量 1 铂铑 铂热电偶 分度号S 铂铑合金丝为正极 纯铂丝为负极 是一种贵重金属热电偶 其测温上限 长期使用为1300 短期使用可至1600 2 镍铬 镍硅热电偶 分度号K 镍铬合金丝为正极 镍硅合金丝为负极 是一种测温上限较高的低价金属热电偶 其长期使用测温上限为900 短期可测1200 3 镍铬 铜镍热功当量电偶 分度号E 镍铬合金丝为正极 铜镍合金丝为负极 测温范围为 200 870 但750 以上只宜短期使用 4 铁 铜镍热电偶 分度号J 铁丝为正极 铜镍合金丝为负极 一般测温范围为 40 750 5 铜 铜镍热电偶 分度号T 纯铜丝为正极 铜镍合金丝为负极 适用测温范围内为 200 300 短期使用可测至350 2 4热电阻温度计热电阻温度计是根据导体或导体材料的电阻值随温度变化的性质 通过测量电阻体的电阻及变化 间接测量温度的 热电阻温度计由热电阻 显示仪表及连接导线三部分组成 热电阻温度计在工业生产一般用来测量 200 500 范围内的温度 热电阻通常都是由电阻体 绝缘子 保护套管和接线盒四部分组成的 常用的热电阻有 1 铂电阻 分度号为Pt100 0 时的电阻值为100 测温范围为 200 500 测温精度高 范围内广 2 铜电阻 分度号为Cu50 0 时的电阻值为50 测温范围为 50 100 价格便宜 体积大 具有较好的稳定性 3 5温度开关3 5 1温度开关作用原理温度开关有两种 一种为直接安装式 另一种是利用温井间接安装作为远传的温度开关 它的作用原理为 在充有气体 液体或蒸汽的密闭容器中感温元件会随温度的变化而产生变形伸长顶到电接点的微动开关动作 当它达到设定值时 驱动电接点开关启动控制系统或远传报警 3 5 2温度开关调校现场校正温度开关时 对于一些关停信号 首先要在中控房进行旁通 将温度开关从温井中拆出并把感温元件 温包 放进温度校正仪的温箱里进行校正 对于温度高报警开关 当温度达到设定值时 用万用电表测量微动开关是否动作 如设点不对 请调整调节螺丝 直到设点动作为止 对于温度低报警开关 当温度低于设定值直到微动开关复位 然后再慢慢降温至设定值 用万用表测量微动开关是否动作 如设点不对 请调整调节螺丝直到设点正确动作为止 3 6温度变送器3 6 1温度变送器作用原理温度变送器的作用是把热电偶或热电阻这类温度传感器输出的热电势或热电阻值转换成统一的4 20mA信号输出 根据所配用的温度传感器分为热电偶温度变送器和热电阻温度变送器两类 平台上使用的温度变送器基本有两种 其一是温度感受元件为温包 原理与温度开关相同 它把温度转换成4 20mA信号 其二是温度感受元件为铂电阻 它的作用原理为金属丝的电阻与温度呈一定函数关系的金属导体或半导体材料制成的感温元件来测量温度的 当温度变化时 感温元件的电阻随温度变化而变化 将变化的电阻值变为4 20mA信号输入显示仪表或调节仪表 3 6 2现场温度变送器的调校油田所用温度变送器基本都属于RTD型 敏感元件是铂电阻丝 校验时用电阻箱模拟热电阻的变化 在整个量程范围进行地照Tmin Tmax对应Rmin Rmax 看输出是否在4 20mA对应 下面以热介质系统TT 7133A为例 来说明其校验过程 1 从工艺流程上找到TT 7133A 变送器位置 温井位置 校验时可以从温井处的接头处连入电阻箱 但最好是在变送器输入端连入电阻箱 以方便调校 连线如右图 2 连线完全正确无误后开始校正 因为TT 7133A的范围为0 200 查温度热电阻对照表如下 校正时 首先把电阻箱的电阻值固定在100 看其零点4mA正确与否 有偏差调ZEROADJ直到满足误差要求 误差应在其精度范围之内 第二步将电阻值固定在175 84 看输出是否在20mA 有偏差要调SPANADJ直到满足要求 零点量程要多次调节方可达到要求 第三步是检查看中间值的输出是否满足要求 一般只要零点和量程校验正确 线性都很好 中间值都能一一对应上 如果偏差大 则检查电路板 修理合格才能继续使用 思考题 1 什么是温度 什么是温标 几种温标间如何换算 2 什么是膨胀式温度计 它分为哪几类 3 试述双金属温度计原理 4 试述热电阻温度计的组成及原理 常用的热电阻有哪些 5 温度开关的作用原理是什么 现场如何校验温度开关 6 温度变送器的作用原理是什么 现场如何校验温度变送器 第四章液位测量仪表4 1液位概述4 2液位仪表的分类4 3液位计4 4液位变送器4 5液位开关压力变送器 4 1液位概述物位是液位 界位和料位高度的总称 在许多工艺中 都要测量容器中液体的位置 散粒状物体的位置及不同比重互不相容液体的分界面等 这种用于对物位进行测量 报警 控制的自动化仪表称为物位测量仪表 其中根据测量对象不同 又分为液位测量仪表 料位测量仪表及界面测量仪表 在油田生产中 常常把测量液相 水 和液相 油 之间的界面仪表叫界面测量仪表 把测量气相 气 和液相 油 之间的界面仪表叫液面测量仪表 4 2液位仪表的分类按测量方式分 按测量方式物位仪表可分为接触式物位测量仪表和非接触式测量仪表 其中接触式测量仪表有 沉筒式液位仪表 差压式液位仪表 射频导纳式液位仪表 非接触式液位仪表有 超声波液位仪表 雷达式液位仪表 按取样方式分 按取样方式液位仪表可分为浮力式测量仪表 差压式测量仪表 电容式测量 按控制要求分 按控制要求液位仪表可分为就地显示 现场指示 液位仪表和远传液位仪表 液位变送器 按测量参数分 按测量参数液位仪表可分为液位测量仪表和界面测量仪表 4 3液位计液位计是用于现场测量指示液位或界面的液位测量仪表 油气田上主要采用玻璃板液位计和磁性浮子式液位计 4 3 1液位计的特点液位计是直接安装在现场的 所以它具有以下特点 显示直接 易于观察 测量准确 误差较小 易于维护 故障率低 4 3 2常用的两种液位计1 玻璃板液位计 玻璃板液位计是目前石油化工生产中最常用的一种现场液位显示液位仪表 它是利用连通原理来指示液位的 所以在液位波动不大的情况下它指示的液位是没有误差的 玻璃板式液位计也分为透光式和反射式液位计 透光式液位计是利用平板玻璃嵌入在金属框内 再用石棉垫密封 用螺钉压紧而构成 对测量时 光线通过两块玻璃 可以较清楚地看到液位的位置 反射式液位计用在测不透明的介质和光线比较充足的场合 这种液位计在它的玻璃板上竖直方向刻有槽 产生反射作用 因为气相与液相折光率不同 液体为暗色 气体部分发亮 气液两相分界面会看得更加清楚 玻璃板液位计具有结构简单 读数直观 影响因素少的优点 但其液体粘度大 不易看清真实液位 2 磁浮子液位计 磁浮子液位计是利用浮在液面上的磁性浮子带动液位计外安装内外涂有不同颜色的磁性翻板转动 依磁翻板颜色的变化来指示液位的变化 它有与过程设备相连的连通器导管 磁性浮子 磁性翻板 标尺等几部分组成 它也是目前石油化工生产中较常用的一种液位计 它具有如下优点 可操作性好 耐高压 易维修 但它有如下缺点 当被测量介质的密度变化后会影响测量精度 使用和维护应注意如下问题 液位计投入运行时 应先开上阀门 然后慢慢开下阀门 避免容器内介质急速流入筒体 使浮标急速上升 翻板跟踪指示失灵或浮子受冲击而损坏 当容器做内压试验时 应将浮标取出 透光式液位计是利用平板玻璃嵌入在金属框内 再用石棉垫密封 用螺钉压紧而构成 对测量时 光线通过两块玻璃 可以较清楚地看到液位的位置 反射式液位计用在测不透明的介质和光线比较充足的场合 这种液位计在它的玻璃板上竖直方向刻有槽 产生反射作用 因为气相与液相折光率不同 液体为暗色 气体部分发亮 气液两相分界面会看得更加清楚 玻璃板液位计具有结构简单 读数直观 影响因素少的优点 但其液体粘度大 不易看清真实液位 在使用中 由于液位突变或其它原因造成个别翻板不翻转可用校正磁钢纠正 液位计在使用一段时间后 如介质有沉淀物时 需定期清洗 清洗时先关掉上下阀门 排出液体 拆下下盖 取出浮子 再进行清洗 4 4液位变送器4 4 1浮筒式液位变送器1 工作原理浮筒式液位变送器是根据变浮力原理工作的 当被测液位变化时浮筒所受浮力也随之变化 其原理为 浮筒是浸没在液体当中 当液位变化时 其浮力也随之变化 这时浮筒会产生很小的位移 通过杠杠产生角位移 把这位移转换成4 20mA或20 100kPa的标准输出信号 组成了浮筒式液位变送器 浮筒式液位计的优点是 可耐压高为4000 32000KPa的压力 测量范围大 300 2000mm 其缺点是体积大 笨重 2 浮筒式液位变送器的调校如果被检浮筒检测介质不等于1gf cm3 用水代检时应进行计算 其公式L水 介 水 L浮筒高度 浮筒液位变送器有二种 一种是测液位浮筒 另一种测界面浮筒 a 液面浮筒的调校由于F浮 液gh当浮筒全部沉入液体中表示被测液位是100 即到满量程位置 输出20mA 液位未达浮筒 即零液位 输出4mA 浮筒浸入一半时 即50 液位 输出12mA 校验时选取被测介质灌入浮筒内 按0 25 50 75 100 液位进行校验 对应输出应为4mA 8mA 12mA 16mA 20mA 如不满足 调ZEROSPAN直到满足要求 如被测介质不方便校验 可选用水 但液位高度应乘以系数K 被测 水 然后按液位与输出对应关系进行调校 b 界面浮筒调校油水界面电动浮筒液位变送器 浮筒内全油时 输出0 4mA 浮筒内全水时 输出100 20mA 油水界面为50 时 输出应为12mA 校验时我们一般用水来进行 用水代替油校正时 应将浮筒高度乘以系数K 而K 油 水 例 已知浮筒高度L 32英寸 用水代油时 浮筒被淹没的最大高度L 油 水X32具体校验步骤同前述 这里不再叙述 4 4 2差压式液位变送器差压式液位变送器主要是利用当容器内的液位高度改变时 由液柱产生的静压力也相应变化的原理 差压式变送器的结构与压力变送器的结构相同 不同之处是压力变送器的取压孔正压室引入测量压力 而另一侧的气室通大气 而差压变送器的一侧气室接高压 而另一侧气室接低压 4 4 3超声波液位变送器1 概述此液位计用于非接触连续液位测量的一体型变送器 可用作为智能型变送器或连续过程控制系统 2 原理在超声波液位计上有一个超声波发射器 它经过电子激励 直接产生超声波脉冲并射向测量介质的表面 这个脉冲将被测量介质的表面反射回来 部分回波将被回波接收器接收 并转化成一电信号 超声波发射和接收所需的时间与传感器到介质表面的距离成正比 根据这个正比关系 可以检测出传感器到介质表面的距离 4 4 4射频导纳液位变送器1 概述主要有三部分组成 电子单元 外壳 传感元件 2 工作原理它主要是带绝缘的浸入型传感元件 它可用于导电或非导电物料 当容器中的物料发生变化时 亦会引起传感元件上输入电容 导纳的变化 电子单元是根据电桥原理工作的 具有一内部高频正弦振荡器为其提供稳定的信号源 电子单元测量的是传感元件在过程物料中的电容或导纳 在直接作用模式下 仪表的输出会随物位的升高而增加 4 4 5雷达液位变送器雷达液位计的基本工作原理同超声波液位计 只不过雷达液位计产生的是雷达波 通过电子单元抑制到反馈回来的杂波 找出主波就可以根据主波返回的时间算出距离 4 5液位开关平台上的液位开关有独立的浮筒式液位开关 内浮球式液位开关和磁翻转式液位开关 4 5 1工作原理下面介绍一种浮式液位开关 它适于测量如油 水 等液体 它耐温 耐压性能较好 液位开关主要由浮子 带磁性的传动杆和电器开关组成 浮子在液体中受两个作用 一个是垂直向下的重力 即浮子和传动杆的重力 另一个是液体对浮子的向上浮力 当这两个力平衡时浮子和传动杆处于静止状态 当液体上下波动时浮子和传动杆也随液体的波动而上下波动 当液位上升或下降到某一点时传动杆上的磁性触头吸合电气开关上的磁铁 由此带动电器开关动作 使开关的状态改变 4 5 2工作性能仪表的电器部分完全与被测介质脱离 它适用于任何流体介质 该种型号的液位开关可用于高温 高压的环境中 对浮子进行配重后 可以测量任意两种不相容液体的界面 4 5 3液位开关的结构上图即为该液位开关得结构示意图4 5 4液位开关的维护及检修1 电气部分的检修 检查微动开关触点动作是否正常 检查连线有无损坏 端子连接有无松动 磁性开关活动是否正常 连接导线是否接地 2 机械部分检修 查浮子是否破裂 方法是向导管内灌水看浮子是否动作 检查浮子和传动杆活动是否灵活 检查挂浮子的弹簧是否损坏 3 液位开关电气部分的接线 在现场接线时 低限 低低限触点接常开触点 NO 高限 高高限触点接常闭触点 NC 即在正常液位时 高限和低限开关均为常闭触点 当液位超过高限或低于低限液位时 常闭触点断开 信号进入中控系统进行报警或关断设备 4 液位开关的校验通知中控将要检验的液位开关 并进行旁通等处理 首先隔离放空液位开关在液位开关底部接一透明软管以便观察液位 然后打开液位开关顶部排气阀 使用水作为液体往开关的底部灌水 当液位达到设点时 高位 观察是否报警 动作就证明是好的 如果是低液位开关 先要灌满水 观察开关是否复位 复位后 才可以慢慢排水 观察开关是否动作 校验完成后通知中控投用该液位开关 思考题 1 液面测量仪表与界面测量仪表的区别是什么 2 油气田目前多采用何种液位计 其优缺点是什么 3 磁浮子液位计在使用中应注意什么 4 试述浮筒式液位变送器的工作原理 对于现场测量液面的浮筒式液位变送器应如何调校 5 液位开关的工作原理及其适用范围 6 液位开关应如何维护和检修 7 差压式液位变送器的原理 它与压力变送器的主要区别是什么 8 现场如何校验液位开关 第五章流量测量仪表5 1流量概述5 2差压式流量计液位仪表的分类5 3容积式 刮板式 流量计5 4涡轮流量计5 5电磁流量计5 6质量流量计 5 1流量概述5 1 1流量概念流量是指单位时间内 流过管道某一截面积的流体体积数或流体质量数 前者为体积流量 后者为质量流量 5 1 2流量测量仪表的分类流量测量仪表分类有很多种 我们仅介绍一种大致的分类法 1 速度式测量仪表 这是一种以测量流体在管道内流速做为测量依据来计算流量的仪表 常用的有差压式流量计 转子流量计 电磁流量计 涡轮流量计 2 容积式流量计 这是一种以单位时间内所排出流体的固定容积的数目做为测量依据来计算流量的仪表 常用的有椭圆齿轮流量计 腰轮流量计 刮板流量计 3 质量流量计 这是一种以测量流过的质量M为依据的流量计 U型管式流量计 5 2差压式流量计差压式流量计是目前比较常用的流量测量仪表之一 它基于流体流动的节流原理 利用流体流经节流元件时产生的压力差与流量间的对应关系 通过测量压差实现对流量的测量 其优点是测量范围大 适用多种管道内径 50 1000mm 缺点是节流装置上的压力损失较大 仪表流量刻度非线性 测量精度不高 约不1 2 5 2 1节流孔板流量计1 节流孔板流量计组成由三部分组成 节流孔板 差压变送器 引压管 2 作用原理在流体管道中安装孔板 使流体流过它时其前后产生压力差 此压力的大小与流体流量大小有密切关系 然后用差压变送器将此信号检测出来 进行指示及积累 5 2 2取压方法节流元件产生的差压输出信号是从节流装置前后取出的 不同的取样方法将直接影响输出差压值的大小 因此 不同的取样方法 对于同一节流装置 流量系数也不一样 下面介绍几种取压方法 1 角接取压法这种取压法是把两个取压点都靠近孔板前后两个端面 由于它与孔板靠的很近 带来了一些优点 即在结构上易于实现较均匀的环型取压 安装时直管段的要求较低 两个取压点之间除孔板的厚度外 没有其它管道部分 因此管道的内摩擦损失也较小 取压不会因摩擦力的变化而变化 其缺点是 对于取压点位置的选择及节流装置的安装要求很严 2 法兰取压这种取压方法 不管被测管道直径和节流装置的系数大小无关 取压点的位置完全一样 都位于孔板前后25 4mm处 这种取压方法在制造和使用上都比较方便 通用性较强 在很多国家法兰被规定为标准取压方法 5 2 3差压流量变送器差压流量变送器的工作原理与普通的差压变送器的工作原理是一样的 只是在输出之前加一个开方器 维修和保养与压力变送器相同 5 3容积式 刮板式 流量计刮板式流量计有凸轮式和凹线式两种型式 不论哪种型式的刮板流量计 一般都由流量计主体 连接部分和表头 显示部分 流量信号远传部分等 这种流量计计量精度高 精度可达 0 2 适应性强 振动和噪音很小的特点 5 3 1刮板式流量计的结构凸轮式刮板流量计的主体部分主要由转心凸