操作工仪表知识培训

计控车间尚永亮二零一二年七月,仪表知识培训,目录,仪表专业的基本概念,常见仪表的工作原理,现场问题的分析判断,实际操作的注意事项,控制系统的基础知识,自动化仪表作为一类专门的仪表，最早出现于20世纪40年代初。用以满足石油、化工、电力等工业对自动化的需要。较早出现气动仪表，价格便宜，结构简单，具有本安防爆性能，曾长期处于优势地位。从60年代后，由于电动仪表的技术进步，出现了本安仪表，由于电信号传输处理方便，特别是容易和工业控制计算机配合使用，实现生产过程的全盘自动化。因此，基本替代了气动仪表。,仪表专业的基本概念,自动化仪表概述,目前我们所有仪表都采用国际统一的420mADC标准信号，供电大都是24VDC。优点：安全防爆、减少损耗、节省能量；有利于识别仪表断电、断线等故障；为现场变送器实现两线制提供了可能。两线制：仪表的供电和信号传输共用，两根导线既用于仪表供电，又用于信号传输。本安仪表：限制仪表工作中产生的能量，即使出现故障也不会引爆爆炸性环境中的爆炸性物质。,仪表专业的基本概念,自动化仪表信号标准,根据能源分：气动、电动、液动、核能等根据组合：基地式、单元式、综合控制根据安装：现场、盘装、架装根据是否可引入计算机：智能、非智能根据仪表信号形式：模拟仪表、数字仪表最通用的分类是按仪表在测量与控制系统中的作用进行划分：检测仪表、显示仪表、调节仪表、执行器,仪表专业的基本概念,自动化仪表分类,仪表分类表,仪表专业的基本概念,检测环节:,是检出元件或传感器，直接感受被测变量，并将它变换成适于测量的信号形式。,转换放大环节:,对信号进行转换、放大等处理，并传送给显示部分进行指示或记录。,显示部分:,就地指示型仪表、单元组合型仪表、数字式显示仪表,检测仪表组成：,仪表专业的基本概念,检测过程及误差检测过程：被测参数经过能量形式的转换，得到便于测量的信号形式，然后与相应的测量单位进行比较，由指针位移或数字形式显示出来。检测误差：测量值和真实值之间的差值误差产生的原因：选用的仪表精确度有限，实验手段不够完善、环境中存在各种干扰因素，以及检测技术水平的限制等原因.,仪表专业的基本概念,根据误差的性质及产生的原因，误差分为三类,仪表专业的基本概念,检测仪表的基本技术性能指标,仪表的性能指标，主要有：精度灵敏度与灵敏限回差1精度检测仪表的精度反映测量值接近真实值的准确程度，一般用一系列误差来衡量。由于真值无法得到，一般将精度较高的标准表的示值作为真值，称为约定真值。,仪表专业的基本概念,.,检测仪表的基本技术性能指标,引用误差(相对百分误差),引用误差仪表量程,仪表专业的基本概念,检测仪表的基本技术性能指标,精度等级按仪表工业规定，去掉最大引用误差的“”号和“%”号，称为仪表的精度等级，目前已系列化。,1.5,1.5,0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0,精度等级符号,仪表专业的基本概念,.,例1有两台测温仪表，它们的测温范围分别为0100和100300，校验表时得到它们的最大绝对误差均为2，试确定这两台仪表的精度等级。,解这两台仪表的最大引用误差分别为,一台仪表的精度等级为2.5级，而另一台仪表的精度等级为1级。,仪表专业的基本概念,.,例2某台测温仪表的工作范围为0500，工艺要求测温时测量误差不超过4，试问如何选择仪表的精度等级才能满足要求？解根据工艺要求，仪表的最大引用误差为应选择0.5级的仪表才能满足要求,仪表专业的基本概念,.,灵敏度与灵敏限灵敏度表示仪表对被测参数变化反应的能力，是指仪表达到稳态后输出增量与输入增量之比，即S仪表的灵敏度y仪表输出变量的增量x仪表输入变量的增量数字式仪表常用分辨力来表示灵敏度。分辨力是指数字仪表在最低量程上最末位数字改变一个字时所对应的物理量数值，它反映了数字仪表能够检测到的被测参数中最小变化的能力。灵敏限指引起仪表指针发生可见变化的被测参数的最小变化量。,仪表专业的基本概念,回差在外界条件不变的情况下，当被测参数从小到大（正行程）和从大到小（反行程）时，同一输入的两个相应输出值常常不相等。两者绝对值之差的最大值和仪表量程之比的百分数称为回差，也称变差。,仪表专业的基本概念,目录,仪表专业的基本概念,常见仪表的工作原理,现场问题的分析判断,实际操作的注意事项,控制系统的基础知识,温度检测的基本知识,温度：反映了物体冷热的程度，与自然界中的各种物理和化学过程相联系。温度测量：温度不能直接测量，只能利用物质的某些特性与温度之间的关系，实现间接测量。温度测量建立在热平衡基础上。温度最本质的性质：当两个冷热程度不同的物体接触后就会产生导热换热，换热结束后两物体处于热平衡状态，则它们具有相同的温度。测量方法：接触式测温和非接触式测温,常见仪表的工作原理,接触式测温温度敏感元件与被测对象接触，经过换热后两者温度相等。(1)膨胀式温度计(2)热电阻温度计(3)热电偶温度计(4)其他原理的温度计,直观、可靠，测量仪表也比较简单,特点,非接触测温温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过辐射能量进行热交换，由辐射能的大小来推算被测物体的温度。(1)辐射式温度计(2)光纤式温度计：,特点,不与被测物体接触，不破坏原有的温度场。精度一般不高。,常见仪表的工作原理,应用热膨胀原理测温,测量原理,物体受热时产生膨胀,液体膨胀式温度计,固体膨胀式温度计,玻璃管温度计,双金属温度计,常见仪表的工作原理,应用热电效应测温,测量原理,两种不同的金属A和B构成闭合回路当两个接触端TT0时，回路中会产生热电势,热电势由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势决定,热电极,常见仪表的工作原理,闭合回路总电势,A,B,常见仪表的工作原理,分度表,如果能使冷端温度t0固定，则总电势就只与温度t成单值函数关系,分度表-热电势与热端温度之间关系列成表格,注：热电势与热端温度之间关系是非线性,常见仪表的工作原理,补偿导线,问题引出,解决方法,热电偶冷端暴露于空间，受环境温度影响,热电极长度有限，冷端受到被测温度变化的影响,把热电偶的冷端延伸到远离被测对象且温度比较稳定的地方,造成浪费,选用一种具有和所连接的热电偶相同的热电性能，其材料又是廉价金属导线,补偿导线,其一实现了冷端迁移；其二是降低了成本。,功能,常见仪表的工作原理,不同型号的热电偶所配用的补偿导线不同连接补偿导线时要注意区分正负极，使其分别与热电偶的正负极一一对应补偿导线连接端的工作温度不能超出（0100），否则会给测量带来误差。,使用补偿导线注意问题,常见仪表的工作原理,问题引出,冷端温度补偿,热电偶的分度表所表征的是冷端温度为0时的热电势-温度关系，与热电偶配套使用的显示仪表就是根据这一关系进行刻度的。,解决方法,0恒温法,冷端温度修正法,仪表机械零点调整法,补偿电桥法,常见仪表的工作原理,0恒温法,适用于实验室中的精确测量和检定热电偶时使用,常见仪表的工作原理,冷端温度修正法,设：冷端温度恒为t0（t00）被测温度为t,修正公式,冷端t0的热电势,测量得出的热电势,被测温度t的热电势,仪表机械零点调整法,将显示仪表的机械零点调至t0处，相当于在输入热电偶热电势之前就给显示仪表输入了电势E(t0,0),常见仪表的工作原理,由分度表查得E(20,0)=0.113mv则E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)=7.32+0.113=7.434mv再查分度表得其对应的被测温度t=808,例,用S型热电偶测温，热电偶的冷端温度t0=20，测得热电势为7.32mv，求被测对象的实际温度t。,解,常见仪表的工作原理,使用补偿电桥注意问题,根据各类热电偶的型号选择配套的补偿电桥,注意补偿温度的起点在20平衡，须把显示仪表的机械零点预先调整到20在0平衡，须把显示仪表的机械零点预先调整到0,补偿是相对的，有一定误差,常见仪表的工作原理,为保证热电偶的正常工作，热电偶的两极之间以及与保护套管之间都需要良好的电绝缘，而且耐高温、耐腐蚀和冲击的外保护套管也是必不可少的。1.普通型装配式结构2.柔性安装型铠装结构,热电偶结构,常见仪表的工作原理,应用热电阻原理测温,导体或半导体的电阻值随温度变化,测量原理,在0630.74范围内，金属铂的电阻值与温度的关系为,在-50180范围内，金属铜的电阻值与温度的关系为,温度0时的电阻值,温度t时的电阻值,常见仪表的工作原理,热电阻温度计,应用于-200600范围内的温度测量,热电阻电阻体（最主要部分）绝缘套管接线盒,热电阻的材料要求：电阻温度系数要大；电阻率尽可能大，热容量要小，在测量范围内，应具有稳定的物理和化学性能；电阻与温度的关系最好接近于线性；应有良好的可加工性，且价格便宜。,常见仪表的工作原理,常用热电阻,常见仪表的工作原理,热电阻结构,常见仪表的工作原理,测温元件安装注意事项,插入深度要求测量端应有足够的插入深度，应使保护套管的测量端超过管道中心线510mm。,插入方向要求保证测温元件与流体充分接触，最好是迎着被测介质流向插入，正交90也可，但切勿与被测介质形成顺流。,常见仪表的工作原理,压力检测方法,液柱测压法弹性变形法电测压力法,压力检测仪表,弹簧管压力表霍尔式压力表差压（压力）变送器,力平衡式压力变送器微位移式变送器智能差压（压力）变送器,主要内容,常见仪表的工作原理,压力的基本概念,垂直而均匀地作用在单位面积上的力,式中压力（Pa）均匀垂直作用力（N）受力面积（m2）,1Pa=1*10-3KPa=1*10-6MPa,单位:牛顿/米2（N/m2），简称“帕”，用符号“Pa”,常见仪表的工作原理,压力的几种表示形式,被测压力通常可表示为绝对压力、表压、负压（或真空度）,常见仪表的工作原理,压力检测方法及仪表,根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量,常用的压力表有U形管压力表、单管压力表、斜管压力表和活塞式压力表等。,测量原理,液柱测压法,常见仪表的工作原理,压力检测方法及仪表,将被测压力转换成弹性元件变形的位移,测量原理,弹性变形法,常见仪表的工作原理,弹性元件结构和特点,常见仪表的工作原理,弹簧管压力表,压力检测方法及仪表,常见仪表的工作原理,利用转换元件（如某些机械和电气元件）直接把被测压力变换为电信号来进行测量的。,测量原理,1.弹性元件附加一些变换装置，使弹性元件自由端的位移量转换成相应的电信号，如电阻式、电感式、电容式、霍尔片式、应变式、振弦式等；,2.非弹性元件组成的快速测压元件，主要利用某些物体的某一物理性质与压力有关，如压电式、压阻式、压磁式等。,电测压力法,常见仪表的工作原理,压力检测方法及仪表,电容式测压原理,采用变电容原理，利用弹性元件受压变形来改变可变电容器的电容量，然后通过测量电容量C便可以知道被测压力的大小，从而实现压力-电容转换的。,定极板,弹性元件,动极板,被测压力,测量原理,常见仪表的工作原理,压力检测方法及仪表,压电式测压原理,根据“压电效应”把被测压力变换为电信号。,（a）单晶体,（b）剖面图,（c）X截割的石英片,受力面积,作用在受力面积上的压力,压电常数,电荷数,常见仪表的工作原理,应变片式测压原理,压力检测方法及仪表,1敏感栅2基片3粘合剂4引线5覆盖片,敏感栅直径为0.025mm左右的合金电阻丝基底绝缘覆盖层保护,组成,常见仪表的工作原理,电动单元组合仪表（简称为DDZ仪表）,差压（压力）变送器,作用：将各种物理量转换成统一的标准信号,差压变送器力平衡式变送器,位移平衡式变送器,气动单元组合仪表（简称为QDZ仪表）,DDZ-型仪表为010mADC,DDZ-型仪表为420mADC,20100KPa,常见仪表的工作原理,压力检测仪表,压力检测方法及仪表,力平衡式压力变送器,1低压室2高压室3测量元件（膜盒、膜片）4轴封膜片5主杠杆6过载保护片7静压调整螺钉8矢量机构9零点迁移弹簧10平衡锤11量程调整螺钉12检测片（衔铁）13差动变压器14副杠杆15放大器16反馈动圈17永久磁钢18电源19负载20调零弹簧,常见仪表的工作原理,压力检测仪表,微位移式变送器,压力检测方法及仪表,I0,（1）测量部分,测量部分包括电容膜盒、高低压室及法兰组件等.测量原理:将被测压力的变化转换成电容量的变化。,填充液（硅油）,常见仪表的工作原理,压力检测仪表,智能差压（压力）变送器,压力检测方法及仪表,在普通压力传感器上增加微处理器特点：具有远程通讯的功能依靠手操通信器，用户可在现场或控制室设定变送器各种参数使用维护方便长期稳定工作，每5年才需校检一次。,以3051C为例：组成：传感膜头：被测压力-A/D转换-数字信号电子线路板：对信号进行修正，线性化处理-D/A转换-420mA信号,常见仪表的工作原理,压力检测方法及仪表,A/D转换器,温度传感器,电容传感器,传感膜头内存修正系数膜头信号,微处理器传感器线性化重设量程诊断工程单位通信,电子板内存量程值变送器组态信息,D/A转换,数字通信,本机量程和零点调整,手操器,传感膜头,电子线路板,420mA,3051C型智能变送器原理图,常见仪表的工作原理,压力测量仪表的选用,压力检测方法及仪表,仪表种类和型号的选择工艺要求现场指示、远传指示、自动记录、自动调节或信号报警介质性质温度、粘度、脏污程度、腐蚀性、易燃性现场环境温度、湿度、有无振动、有无腐蚀性,仪表量程的确定化工自控设计技术规定被测压力较稳定的情况，最大压力值应不超过满量程的2/3；被测压力波动较大的情况，最大压力值应不超过满量程的1/2被测压力的最小值也不应低于全量程的1/3,仪表精度等级的选择,常见仪表的工作原理,.,例题分析,解由于往复式压缩机的出口压力脉动较大，所以选择仪表的上限值为P1=Pmax2=282=56(MPa)根据就地观察及能进行高低限报警的要求，选用YX-150型电接点压力表，测量范围为060MPa。,常见仪表的工作原理,例题分析,由于，故被测压力的最小值不低于满量程的1/3，这是允许的。另外，根据测量误差的要求，可算得允许误差为所以，精度等级为1.5级的仪表完全可以满足误差要求。至此，可以确定，选择的压力表为YX-150型电接点压力表，测量范围为060MPa，精度等级为1.5级。,常见仪表的工作原理,例题分析,2.如果某反应器最大压力为0.6MPa，允许最大绝对误差为0.02MPa。现用一台测量范围为01.6MPa，准确度为1.5级的压力表来进行测量，问能否符合工艺上的误差要求？若采用一台测量范围为01.0MPa，准确度为1.5级的压力表，问能符合误差要求吗？试说明其理由。,解：对于测量范围为01.6MPa，准确度为1.5级的压力表，允许的最大绝对误差为1.61.5%=0.024(MPa),常见仪表的工作原理,例题分析,因为此数值超过了工艺上允许的最大绝对误差数值,所以是不合格的。对于测量范围为01.0MPa，准确度亦为1.5级的压力表,允许的最大绝对误差为1.01.5%=0.015(MPa)因为此数值小于工艺上允许的最大绝对误差,故符合对测量准确度的要求,可以采用。该例说明了选一台量程很大的仪表来测量很小的参数值是不适宜的。,常见仪表的工作原理,流量检测方法及仪表,流量检测方法及仪表,应用容积法检测流量（腰轮流量计）应用动、静压能转换原理检测流量（差压式流量计)应用改变流通面积的方法检测流量(转子流量计)应用电磁感应原理检测流量(电磁流量计)应用超声波检测流量(超声波流量计),本节主要内容,常见仪表的工作原理,体积流量的测量方法,（1）容积法：在单位时间内以标准固定体积对流动介质连续不断地进行度量，以排出流体固定容积数来计算流量。椭圆齿轮流量计、旋转活塞式流量计和刮板流量计。受流体的流动状态影响小，适用于测量高粘度、低雷诺数的流体。,（2）速度法：这种方法是先测出管道内的平均流速，再乘以管道截面积求得流体的体积流量。较宽的使用条件，可用于各种工况下的流体的流量检测，利用平均流速计算流量，管路条件的影响大，流动产生涡流以及截面上流速分布不对称等都会给测量带来误差。,常见仪表的工作原理,质量流量的测量方法,（1）直接法：利用检测元件，使输出信号直接反映质量流量。利用孔板和定量泵组合实现的差压式检测方法；利用同轴双涡轮组合的角动量式检测方法；应用麦纳斯效应的检测方法基于科里奥利力效应的检测方法。（2）间接法：用两个检测元件分别测出两个相应参数，通过运算间接获取流体的质量流量。qv2检测元件和检测元件的组合；qv检测元件和检测元件的组合；qv2检测元件和qv检测元件的组合。,常见仪表的工作原理,应用容积法检测流量,单位时间内所排出固定容积的数目作为测量依据,测量原理,设：V0计量室的容积n转子的旋转次数,则,排出的流体总量,常见仪表的工作原理,腰轮流量计,测量原理,腰形轮每转动一周，就把转子与壳体之间所构成的具有一定容积的计量室流体的四倍体积，从流入口送到流出口。,计量室体积,腰轮转速,体积流量,常见仪表的工作原理,流量检测方法及仪表,腰轮流量计,腰轮流量计是一种容积式流量测量仪表，用以测量封闭管中流体的体积流量。就地显示累积流量，并有远传输出接口，与相应的光电式电脉冲转换器和流量积算仪配套，可进行远程测量，显示和控制。精度高，重复性好，范围度大，对流量计前后直管段要求不高。适用较高粘度流体，流体粘度变化对示值影响较小。适用无腐蚀性能的流体，如原油，石油制品(柴油，润滑油等)。,腰轮流量计,常见仪表的工作原理,应用动压能和静压能转换的原理检测流量,节流元件附近流速和压力分布情况,检测原理,当流体流经管道内的节流件时，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。基础：流体连续性方程（质量守恒定律）和伯努利方程（能量守恒定律）。压差影响因素：流量、节流装置形式、管道内流体的物理性质（密度、粘度）,常见仪表的工作原理,差压式流量计,测量对象：流体方面，单相、混相、洁净、脏污；工作状态：常压、高压、真空、常温、高温、低温；管径方面：从几毫米到几米；流动条件：亚音速流、临界流、脉动流,历史悠久、技术成熟、应用最广泛。,节流式特点：结构简单、使用寿命长，适应能力强，几乎能测量各种工况下的流量。,差压式流量计,孔板,引压管,差压计,常见仪表的工作原理,差压式流量计分类表,常见仪表的工作原理,差压式流量计组成,节流装置：安装于管道中产生差压，节流件前后的差压与流量成开方关系。引压导管：取节流装置前后产生的差压，传送给差压变送器。差压变送器：产生的差压转换为标准电信号（4-20mA）。,常见仪表的工作原理,标准节流元件,标准孔板,结构简单，安装方便，适合大流量的测量,标准喷嘴,标准文丘里管,结构复杂，压力损失比孔板小,常见仪表的工作原理,环室取压单独钻孔取压法兰取压标准喷嘴取压方式标准孔板的几种取压方式,取压方式,常见仪表的工作原理,选用考虑要点,安装条件方面,流件前后有必要直管段长度,引压管线,仪表性能方面(1)精确度、重复性、线性度、流量范围压力损失,流体特性方面流体物性参数的确定(2)流体的腐蚀、磨蚀、结垢、脏污等,环境条件方面,常见仪表的工作原理,应用改变流通面积的方法检测流量,变面积式测量方法示意图,检测原理,锥形管-由下往上逐渐扩大管转子-阻力件,组成,当流体自下而上流经锥形管与转子之间的环形流通面积时，由于受到流体的冲击，转子便要向上运动。,常见仪表的工作原理,物位检测方法及仪表,物位-指容器中的液体介质的液位、固体的料位或颗粒物的料位和两种不同液体介质分界面的总称,液位容器中的液体介质的高低料位容器中固体或颗粒状物质的堆积高度,物位检测的作用确定容器中的贮料数量，以保证连续生产的需要或进行经济核算；为了监视或控制容器的物位，使它保持在规定的范围内；对它的上下极限位置进行报警，以保证生产安全、正常进行。,物位的基本概念,常见仪表的工作原理,物位检测方法及仪表,应用浮力原理检测物位应用静压原理检测物位应用超声波反射检测物位,物位检测方法,常见仪表的工作原理,物位检测方法及仪表,应用浮力原理检测物位,利用漂浮于液面上的浮标或浸没于液体中的浮筒对液位进行测量的。当液位变化时，前者产生相应的位移，而所受到的浮力维持不变，后者则发生浮力的变化。因此，只要检测出浮标的位移或浮筒所受到的浮力的变化，就可以知道液位的高低。,恒浮力法液位测量示意图,测量原理,常见仪表的工作原理,密闭容器：测量容器底部压力，除与液面高度有关外，还与液面上部介质压力有关，其关系为,应用静压原理检测物位,压力表测量液位原理,通过液柱静压的方法对液位进行测量的。敞口容器：多用直接测量容器底部压力的方法。如图所示，测压仪表通过导压管与容器底部相连，由测压仪表的压力指示值，便可推知液位的高度。,其关系为式中P测压仪表指示值H液位的高度液体的密度g重力加速度,式中PA、PB分别是液面上部介质压力和液面以下H深度的液体压力。,常见仪表的工作原理,差压变送器测量液位时的零点迁移问题（重点）,特征：差压变送器的正压室取压口正好与容器的最低液位（Hmin=0）处于同一水平位置。作用于变送器正、负压室的差压P与液位高度H的关系为P=Hg。当H=0时，正负压室的差压P=0，变送器输出信号为4mA当H=Hmax时，差压Pmax=gHmax，变送器的输出信号为20mA，,无迁移,常见仪表的工作原理,.,物位检测方法及仪表,负迁移,差压变送器的正、负压室的压力分别为,正、负压室的压差为,当被测液位H=0时，P=-（h2-h1）2g0，从而使变送器在H=0时输出电流大于4mA；H=Hmax时，输出电流大于20mA。,常见仪表的工作原理,.,应用静压原理检测物位,（a）无迁移（b）负迁移（c）正迁移,某压力变送器的测量范围：05000Pa，,固定差压=2000Pa,常见仪表的工作原理,物位检测方法及仪表,应用超声波反射检测物位,根据超声波从发射到接收反射回波的时间间隔大小与被测介质高度成比例关系的原理，实现液位测量的。,测量时由置于容器底部的超声波探头向液面与气体的分界面发射超声波，经过时间t后，便可接收到从界面反射回来的回波信号。,测量原理,根据传声介质的不同可以分为：液介式、气介式、固介式三种。,V-超声波在液体中的传播速度H-从探头至界面的距离（被测介质物位高度）T-超声波从探头发射至液面反射回来的时间,常见仪表的工作原理,超声波物位计,超声波物位计由超声波发射、接收器（探头）及显示仪表组成。,超声波物位计原理框图,超声波物位计的原理物位计以微处理机8031单片机为核心，进行超声波的发射、接收控制和数据处理，具有声速温度补偿功能及自动增益控制功能。,常见仪表的工作原理,自动成份分析仪表按原理分类:1.热导式;2.热磁式;3.磁压式;4.磁机械式;5.氧化锆式;6.电化学式;7.红外线;8.工业酸度计;9.工业电导仪;10.溶解氧；11.密度计;12.有毒气体报警器;13.色谱仪;14.质谱仪。按测量介质分类：1.气体分析；2.液体分析。,常见仪表的工作原理,自动成份分析仪表组成被测介质采样处理单元组分的解析与分离单元检测器和传感器信号处理单元信号显示单元数据处理及数据库,常见仪表的工作原理,自动成份分析仪表特点在线分析仪器与实验室分析仪器相比较，有三个显著的特点：第一，过程分析仪器必须有自动取样和试样预处理系统；第二，过程分析仪器必须是完全自动化的，即完全实现自动检测和自动控制；第三，过程分析仪器的精度可以低些，但是必须保证能实现长期运行的稳定性。,常见仪表的工作原理,取样和预处理系统过程分析仪器出现的同时，就出现了取样预处理系统。取样预处理系统是联系生产过程和仪器主机的桥梁。它不但要适应仪器较为苛刻的要求，而且要受生产过程恶劣条件的严格制约。预处理系统制造难度不高，但设计难度很高。,常见仪表的工作原理,预处理系统的作用和组成,预处理系统作用是将取样气加以处理，以满足仪器对样气的要求。预处理系统包括过滤（除尘、除机械杂质）、压力调节（减压或抽引）、温度调节（降温或升温）、有害或干扰成分处理（除油雾、水分、腐蚀性介质等）、流量调节等。辅助环节包括需多点切换、旁路系统、管线吹扫、气体混合、化学反应或转化、管线伴热、排气、排液等。,常见仪表的工作原理,取样点选择,洁净有代表性样气，不能选择层流、涡流或空气漏人；尽可能满足仪器对样气要求（温度、湿度、含尘量、压力、流量、非腐蚀性、非干扰性、取样管尽量短）；易燃易爆剧毒介质采样时，应考虑安全取样和环境保护措施；便于保养维护；取样点流速应接近平均流速，圆形截面管道应靠近圆心1/3半径范围内，不能靠近管壁。,常见仪表的工作原理,预处理系统的设计原则和依据,保证一定的反应速度要求。（反应滞后不超过60秒）合理的保存信息。样气要有代表性，组分浓度不致发生变化。达到仪器对样气清洁度的要求。弄清粉尘含量变化规律后选择合理净化方式。样气要有一定的温度、压力、流量，特别是对堵塞使样气中断应采取措施，绝不能让分析器降低要求去适应粗糙的取样预处理系统。尽可能排除各种可能发生的干扰因素。选择与该流程相适应的部件和结构材料。（是否有腐蚀性）,常见仪表的工作原理,红外线气体分析仪,红外光是一种比可见光线波长长，比微波的波长短的电磁波，红外分析仪通常使用的红外线波长范围为210m(紫外线分析波长180-330nm)，红外线分析仪只能对各组分气体中的某一种成分进行分析。,常见仪表的工作原理,工作原理是根据某些气体对特定波长的红外辐射有选择吸收，且吸收程度与被测气体浓度有关，用于连续测定气体的相对浓度。被测气体经一定波长红外线照射后，会吸收掉一部分红外线能量E,只有通过物质的红外光线的频率与物质分子本身的特定频率相同，这种分子才能吸收红外光线的辐射能。特点：1.能测量多种气体：可分析CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、SO2、NH3等近三十种气体。红外线分析仪不能分析单原子（惰性气体）和双原子气体（氢、氧、氮等）。2.测量范围宽：上限可到100%下限可到几个ppm3.灵敏度高4.测量精度高5.反应快：一般在10秒内6.有良好的选着性,常见仪表的工作原理,热导式气体分析仪,是出现最早，种类较多，应用较广的一类在线分析仪器，常用于分析混合气体中的H2、Ar、CO2、NH3、SO2等多种气体的百分含量。,常见仪表的工作原理,工作原理：基于不同气体具有不同的导热系数，混合气体的导热系数随其组分的百分含量而变化这一物理特性来分析某一组分的百分含量。,热导分析仪检测室,常见仪表的工作原理,常见仪表的工作原理,采用铂丝做工作桥臂和参比桥臂的不平衡电桥检测气体热导率。参比臂、内充参比气体，被测气体流过工作臂、，电桥各臂通稳定电流加热至一定温度，当被测气体浓度与参比气体浓度一样时，各桥臂温度一样，电阻值相等，电桥平衡。当被测气体浓度变化，气体热导率改变，工作臂的温度和阻值随之改变，电桥失去平衡产生电信号输出。,常见仪表的工作原理,1000C部分气体的相对热导率Air:1H2:7.130N2:0.998O2:1.015CO2:0.614NH3:0.897Ar:0.658CO:0.964SO2:0.344CH4:1.318,常见仪表的工作原理,氧含量分析仪,在化学工业中，氧气是直接参与反应的物质，其含量必须控制在特定界限内。在很多情况下，氧含量是很难检测的，低氧量更难准确确定。工业生产中应用氧分析仪越来越广泛。各种原理的氧分析仪都有其应用的局限性。,常见仪表的工作原理,1.磁力机械式氧分析2.磁性压力式氧分析仪3.热磁式氧分析仪4.氧化锆式氧分析仪5.电化学原电池式氧分析仪6.新型燃料电池传感器氧分析仪,按工作原理分类：,常见仪表的工作原理,磁力机械式氧分析仪1.磁力机械式氧分析仪又称哑铃式氧分析仪，是利用氧的顺磁性原理（法拉第原理）。2.氧分子在磁场中有很强的顺磁性，是区分氧气与样气中其他气体成分的有效手段。3.氧分析仪的传感器由一对充满氮气的石英玻璃哑铃球组成，哑铃球周围环绕有一根铂丝，形成电反馈回路，哑铃球悬垂在磁场中，正中装有一个小反射镜。,常见仪表的工作原理,4.当哑铃周围有氧分子时，在磁场作用下，氧分子被磁场吸引而形成一定的压力差，推动哑铃球体发生偏转。5.氧浓度越高，偏转角度越大。6.由光源、反射镜及光敏元件组成的精密光学系统测出这一偏转并转换成电信号。7.该信号由放大器放大后，经反馈电路形成电流回路，在磁场作用下，迫使哑铃回复原平衡位置。此回路中电流值与氧浓度成正比。,常见仪表的工作原理,热磁式氧分析仪,1.工作原理：利用具有极高磁化率的氧气，在非均匀磁场作用下形成“热磁对流”（磁风），对敏感元件产生冷却作用而工作的。,常见仪表的工作原理,2.不含氧的混合气体进入测量环室，则气体分两路经过环型气路两旁通道流出环室。处于环室气路中间的水平管道，因其两端气压相同，故不形成气流。3.当有氧的混合气体进入环室时，氧被吸入水平管道的磁场内。由于水平管道上绕有被加热的铂丝电桥臂I、，进入的氧将受热而温度升高。4.由于氧的磁化率随温度升高而降低，这样就减弱了磁场对它们的吸引力，受热的氧分子将不断被冷的氧分子所补充而排出磁场。5.因此，在水平管道中形成了氧的对流，一般称之为“热磁对流”或称“磁风”。,常见仪表的工作原理,调节阀的组成及分类调节阀又称控制阀，它是过程控制系统中用动力操作去改变流体流量的装置。调节阀由执行机构和阀组成，执行机构起推动作用，而阀起调节流量的作用。调节阀的产品类型很多，按其能源方式不同主要分为气动调节阀、电动调节阀、液动调节阀、智能调节阀四大类，我厂现在使用的基本上是气动调节阀，即以压缩空气为动力源的调节阀。在此仅介绍气动调节阀的组成与分类。按调节型式：调节型、切断型、调节切断型三种按移动型式：直行程和角行程两种按流量特性：直线、等百分比、抛物线、快开四种按上阀盖型式：普通型、散热型、长颈型、波纹管密封型四种按阀芯形状：平板形、柱塞形、窗口形、套筒形、多级形、偏旋形、蝶形、球形等,常见仪表的工作原理,气动执行机构将控制信号转换成相应的动作来控制阀内截流件的位置或其它调节机构的装置。它按信号压力的大小产生相应的推力，使推杆产生相应的位移，而带动调节阀芯动作，达到调节的目的。分为：气动薄膜式执行机构气动活塞式执行机构,常见仪表的工作原理,气动薄膜执行机构它是最常用的机构，其结构简单、动作可靠、维修方便、价格低廉。气动薄膜执行机构分正作用和反作用两种型式，国产型号为ZMA（正作用）和ZMB（反作用）。信号压力一般是20100kPa，膜片使用信号压力不应大于250kPa，气源压力的最大值为500kPa。信号压力增加时推杆向下动作的叫正作用执行机构；信号压力增加时推杆向上动作的叫反作用执行机构。其均由上、下膜盖、波纹薄膜片、推杆、托盘、支架、压缩弹簧、弹簧座、调节件、标尺等组成。在正作用执行机构上加一个装有O形密封圈的填块，只要更换个别零件，即可变为反作用执行机构。,常见仪表的工作原理,气动活塞式执行机构气动活塞式执行机构主要是由气缸、活塞、气缸盖、密封圈、支架、推杆、调节件、限位螺栓、标尺等组成。它有带弹簧和不带弹簧两种结构形式。其气缸允许操作压力可达700kPa，故输出力大，适用于高压差、高静压及紧急切断等场合。按输出特性它分比例式和两位式两种。所谓比例式是指输入信号压力与推杆的行程成比例关系，这时它必须带阀门定位器。两位式是根据输入执行机构活塞两侧的操作压力差来完成的。活塞由高压侧推向低压侧，就使推杆由一个极端位置移到另一个极端位置，故其只控制阀的开关动作（二位式一般为无弹簧结构）。活塞执行机构的行程一般为10100mm或090,常见仪表的工作原理,阀阀是调节阀的调节部分，它直接与介质接触，由执行机构推杆的位移，改变调节阀内的节流面积，达到调节的作用。阀是由阀体、上阀盖组件、下阀盖、阀内件等组成。上阀盖组件包括上阀盖和填料函及填料。阀内件是指与流体接触并可拆卸的，起到改变节流面积和截流件导向等作用的零件总称，例如阀芯、阀座、阀杆、导向套、套筒等。,常见仪表的工作原理,直通单、双座调节阀它们均由上、下阀盖、阀体、阀芯、阀座、阀杆、填料和压板等零部件组成。上、下阀盖都装有衬套，为阀芯移动起导向作用；由于上、下都有导向作用，故称为双导向，但对公称直径DN25mm的调节阀一般无下阀盖，阀芯为单导向。单座阀特点是泄漏量小、易于保证关闭，但介质对阀芯推力大即不平衡力大。双座阀的特点是流通能力较单座阀大约2025%，不平衡力小，允许压差大，但是泄漏量较大。,常见仪表的工作原理,角形阀角形调节阀阀体为直角形结构，它流路简单，阻力小，适用于高压差、高粘度，含悬浮物和颗粒状物质流体的调节，可以避免结焦、堵塞，也便于自净和清洗。其一般使用于底进侧出的场合，这样可使调节阀有较好的稳定性。但在高压差或颗粒多的场合下，为延长阀芯使用寿命，可采用侧进底出，但这时在开度小时容易产生振荡。,常见仪表的工作原理,高压调节阀高压阀是一种适用于高静压和高压差调节的特殊阀门，为多角形单座结构，最大公称压力可达32MPa。这种阀的阀体多为锻造结构，填料函与阀体做成一体，阀座与下阀体分开，该结构简单，内件易配换。但阀芯为单导向结构，只能用正装式，因不平衡力大，一般要配用阀门定位器。,常见仪表的工作原理,套筒调节阀套筒阀也称笼式阀，它的阀体与一般直通单座阀相似，但阀内有一个圆柱形套筒，根据流通能力的大小要求，套筒开有四个、两个或一个的窗口，窗口形状由何种流量特性来取决。阀芯利用套筒导向在其中上下移，来改变窗口的节流面积，形成各种流量特性并实现流量调节。由于套筒阀采用平衡型的阀芯结构，阀芯和套筒侧面导向，因此不平衡力小，稳定性好，不易振荡，允许调节压差也大，且维修方便并有降噪声的作用。,常见仪表的工作原理,蝶阀蝶阀的形式较多，除普通型外，还有高温型、切断型、偏心型、软密封型，以及采用各种不同作用的阀板构成的蝶阀。它阻力小，结构紧凑，寿命长，特别适用于低压差、大口径、大流量气体和带有悬浮物流体的场合，一般泄漏较大。但也有高性能、低泄漏量的蝶阀结构，如我厂空分系统用的软密封切断、调节蝶阀。它的流量特性在转角60前与等百分比相似，60以后转矩增大，工作不稳定，特性变差，故蝶阀常在75转角范围内使用。,常见仪表的工作原理,球阀气动球阀按阀芯型式可分为O形球阀和V形球阀，从全开位置到全关位置的转角为90。O形球阀：其球体上开有一个直径与管道直径相等的通孔，球体可在密封座中旋转。一般作二位调节用，流量特性为快开。其特点是结构简单，维修方便，密封可靠，流通能力大，流体进入阀门没有方向性。V形球阀：它的球体上开有一个V形口，随着球的旋转，开口面积发生变化，但开口面形状始终保持为三角形，流量特性近似等百分比，可调比大。特点与O形球阀类似，但其V形口与阀座之间具有剪切作用，适用于纤维状、浆状的流体，关闭性能好。,常见仪表的工作原理,偏心旋转调节阀偏旋阀又称凸轮挠曲阀，它动作过程是球面阀芯的中心线与转轴中心偏离，转轴带动阀芯偏心旋转，由于这种偏转运动，使阀芯向前下方进入阀座，工作时转轴运行是由气动执行机构来驱动，推杆的运动通过曲柄传给转轴。该阀特点是阀芯与阀座闭合时依靠柔臂的弹性变形，自动对中，密封性好，泄漏量小，流路简单，流体阻力小，流通能力大，不平衡力小，可耐受较高温度，允许压差大，且结构简单，体积小重量轻，价格低廉。,常见仪表的工作原理,常见仪表的工作原理,常见仪表的工作原理,常见仪表的工作原理,常见仪表的工作原理,常见仪表的工作原理,阀门定位器阀门定位器是调节阀的主要附件，可分为气动阀门定位器和电-气阀门定位器。动阀门定位器接受气动信号0.020.1MPa，输出0.020.1MPa。电-气阀门定位器将420mADC的电信号，转换成0.020.1MPa的气压，并按气动阀门定位器的功能进行工作。阀门定位器接受调节器输出的控制信号，去驱动调节阀动作，并利用阀杆的位移进行反馈，将位移信号直接与阀位比较，改善阀杆行程的线性度，克服阀杆的各种附加摩擦力，消除被调介质在阀上产生的不平衡力的影响，从而使阀位对应于调节器的控制信号，实现正确定位。,常见仪表的工作原理,目录,仪表专业的基本概念,常见仪表的工作原理,现场问题的分析判断,实际操作的注意事项,控制系统的基础知识,.,生产过程自动控制,自动控制技术在工业、农业、国防和科学技术现代化中起着十分重要的作用，自动控制水平的高低也是衡量一个国家科学技术先进与否的重要标志之一。随着国民经济和国防建设的发展，自动控制技术的应用日益广泛，其重要作用也越来越显著。,生产过程自动控制（简称过程控制）是自动控制技术在石油、化工、电力、冶金、机械、轻工、纺织等生产过程的具体应用，是自动化技术的重要组成部分。,控制系统的基础知识,.,过程控制系统特点,生产过程的连续性在过程控制系统中，大多数被控过程都是以长期的或间歇形式运行，在密闭的设备中被控变量不断的受到各种扰动的影响。被控过程的复杂性过程控制涉及范围广，被控对象较复杂控制方案的多样性过程控制系统的控制方案非常丰富,控制系统的基础知识,自动化技术的应用范畴,宇航方面：同步卫星（随动控制系统）卫星的发射与回收（神州飞船，航天飞机）自动关机、点火系统军事方面：火炮自动点火、巡航导弹其他方面：农业（病虫害防治、专家系统）社会科学（计划生育，人口增长模型）现代管理：办公自动化工业生产：自动车床、加热炉、发酵罐,控制系统的基础知识,过程控制的主要内容,自动检测系统利用各种检测仪表对工艺参数进行测量、指示或记录自动信号和联锁保护系统自动信号系统：当工艺参数超出要求范围，自动发出声光信号联锁保护系统：达到危险状态，打开安全阀或切断某些通路，必要时紧急停车,控制系统的基础知识,自动操纵及自动开停车系统自动操纵系统：根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作自动开停车系统：按预先规定好的步骤将生产过程自动的投入运行或自动停车自动控制系统：利用自动控制装置对生产中某些关键性参数进行自动控制，使他们在受到外界扰动的影响而偏离正常状态时，能自动的回到规定范围。,过程控制的主要内容,控制系统的基础知识,过程控制系统的组成,过程控制系统,检测元件（装置）,控制器,执行器（装置）,检测被控制的物理量,将设定值与测量信号进行比较，求出它们之间的偏差,然后按照预先选定的控制规律进行计算并将计算结果作为控制信号送给执行装置,作用是接受控制器的控制信号，直接推动被控对象，使被控变量发生变化,控制系统的基础知识,过程控制系统的主要类型,闭环控制系统,指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的控制系统。,闭环控制系统的优点：,不管任何扰动引起被控变量偏离设定值，都会产生控制作用去克服被控变量与设定值的偏差。,闭环控制系统的缺点：,由于闭环控制系统的控制作用只有在偏差出现后才产生，当系统的惯性滞后和纯滞后较大时，控制作用对扰动的克服不及时，从而使其控制质量大大降低。,控制系统的基础知识,过程控制系统的主要类型,闭环控制系统分类,根据设定值分为定值控制系统，随动控制系统和程序控制系统。,定值控制系统,特点：设定值是固定不变的闭环控制系统称为定值控制系统。,作用：克服扰动的影响，使被控变量保持在工艺要求的数值上,控制系统的基础知识,过程控制系统的主要类型,随动控制系统,特点：设定值是一个未知的变化量的闭环控制系统称为随动控制系统。,作用：以一定的精度跟随设定值的变化而变化,自动平衡电位差计的方框图,控制系统的基础知识,过程控制系统的主要类型,程序控制系统,特点：设定值是变化的，且按一定时间程序变化的时间函数,程序控制系统可以看成是随动控制系统的特殊情况，其分析研究方法与随动控制系统相同。,作用：以一定的精度跟随设定值的变化而变化,控制系统的基础知识,过程控制系统的性能指标及要求,常见典型信号,阶跃信号、斜坡信号、脉冲信号、加速度信号和正弦信号等。,阶跃信号,数学表达式为：,当A=1时称为单位阶跃信号。,特点,易产生对系统输出影响大便于分析和计算,控制系统的基础知识,在阶跃信号作用下，被控变量随时间的变化有以下几种形式,1.发散振荡过程曲线所示,5.非振荡发散过程曲线所示,3.等幅振荡过程曲线所示,4.衰减振荡过程曲线所示,2.非振荡衰减过程曲线所示,过程控制系统的性能指标及要求,控制系统的基础知识,.,简单控制,简单控制（单回路控制）由一个受控对象、一个测量变送器、一个控制器和一个执行机构（控制阀）所组成的闭环控制系统。,简单温度控制系统,温度控制系统方框图,控制系统的基础知识,.,串级控制,基本原理及结构在多回路控制系统中，有两个被控过程、两套测量变送装置、两台控制器和一个控制阀构成的系统称为串级控制系统。,控制系统的基础知识,比值控制的类型,单闭环比值控制系统,特点-两种物料流量之比较为精确，系统结构简单，实施方便。不足-两种物料的总量（F1F）不固定。,控制系统的基础知识,双闭环比值控制系统,比值控制的类型,特点-两种物料流量之比精确，其总量（F1F）基本保持不变。不足-系统结构比较复杂，使用的仪表较多，投资较大，系统调整比较复杂。使用场合-主流量干扰频繁，工艺不允许有较大波动或工艺上经常需要提升负荷的场合。,控制系统的基础知识,前馈控制,前馈控制系统与反馈控制比较,前馈控制比反馈控制及时有效前馈控制属于开环控制系统，反馈控制是闭环控制系统前馈控制使用的实施对象特性而定的专用控制器，反馈控制采用通用PID控制器一种前馈作用只能克服一种干扰，反馈控制只用一个控制器就可克服多个干扰,控制系统的基础知识,均匀控制,均匀控制的基本概念,均匀控制是在连续生产过程中各种设备前后紧密联系的情况下提出来的一种特殊的液位（或气压）流量控制。其目的在于使液位保持在一个允许的变化范围，而流量保持平稳。,控制系统的基础知识,均匀控制,小结：均匀控制系统，是指两个工艺参数在规定范围内能缓慢地、均匀地变化，使前后设备在物料供求上相互兼顾，均匀协调的系统。,构成均匀控制系统，液位和流量两个参数的变化应满足如下要求：,1.两个参数在控制过程中都应该是变化的，且变化是缓慢的。,2.两个参数必须在允许的范围内变化，均匀控制要求在最大干扰作用下，液位在塔釜的上下限内波动，而流量应在一定的范围内平稳渐变，避免对后段工序产生较大的干扰。,控制系统的基础知识,分程控制,由一个控制器的输出信号分段分别去控制两个或两个以上控制阀动作的系统称为分程控制系统,控制系统的基础知识,选择性控制,选择性控制系统-当生产操作趋向限制条件时，一个用