仪表知识培训课件.ppt

2013年2月12日,仪表基础知识,目录：,一、仪表的发展与分类,1.1仪表的发展历史仪表发展已有悠久的历史。据韩非子有度记载，中国在战国时期已有了利用天然磁铁制成的指南仪器，称为司南。古代的仪器在很长的历史时期中多数用以定向、计时或供度量衡用的简单仪器。1718世纪，欧洲的一些物理学家开始利用电流与磁场作用力的原理制成简单的检流计；利用光学透镜制成的望远镜，奠定了电学和光学仪器的基础。其它一些用于测量和观察的各种仪器也遂逐渐得到了发展。19世纪到20世纪，工业革命和现代化大规模生产促进了新学科和新技术的发展，后来又出现了电子计算机和空间技术等，仪器仪表因而也得到迅速的发展。现代仪器仪表已成为测量、控制和实现自动化必不可少的技术工具。,一、仪表的发展与分类,1.2仪表分类1.2.1检测和过程控制仪表的分类方法很多，根据不同原则可以进行相应的分类：按仪表所使用的能源分类:气动、电动、液动仪表（很少见）；按组合形式:基地式仪表、单元组合仪表、综合控制装置；按仪表安装形式:现场仪表、盘装仪表和架装仪表；根据仪表有无引进微处理器又可分为:智能仪表和非智能仪表；按仪表信号形式:模拟仪表和数字仪表。,一.仪表的分类与发展,(1)单元组合仪表可分为变送单元执行单元控制单元转换单元运算单元显示单元给定单元和辅助单元等八类。a.变送单元：它能将各种被测参数，如温度压力流量液位等物理量转换成相应的标准统一信号（420mA,010mA或20100kPa）传送到接收仪表或装置，以供指示记录或控制。变送单元的品种有：温度变送器压力变送器差压变送器流量变送器和液位变送器等。b.转换单元：转换单元将电压频率等电信号转换为标准统一信号，或者进行标准统一信号之间的转换，以使不同信号可以在同一控制系统中使用。转换单元的品种有：直流毫伏转换器频率转换器电-气转换器气-电转换器等。c.控制单元：它将来自变送单元的测量信号与给定信号进行比较，按照偏差给出控制信号，去控制执行器的动作。,一仪表的分类与发展,控制单元的品种有：比例积分微分控制器比例积分控制器微分控制器以及具有特种功能的控制器等。d.运算单元：它将几个标准统一的信号进行加减乘除开方平方等运算，适用于多种参数综合控制比值控制流量信号的温度压力补偿计算等。运算单元的品种有：加减器乘除器开方器等。e.显示单元：它对各种被测参数进行指示记录报警和积算，供操作人员监视控制系统和生产过程工况之用。显示单元的品种有：指示仪指示记录仪报警器比例积算器和开方积算器等。f.给定单元：它输出标准统一信号，作为被控变量的给定值送到控制单元，实现定值控制。给定单元的输出也可以供给其他仪表作为参考基准值。给定单元的品种有：恒流给定器定值器比值给定器和时间程序给定器等。,一仪表的分类与发展,g.执行单元：它按照控制器输出的控制信号或手动操作信号，去改变控制变量的大小。执行单元的品种有：角行程电动执行器直行程电动执行器和电动薄膜调节阀等。h.辅助单元：辅助单元是为了满足自动控制系统某些要求二增设的仪表，如操作台阻尼器限幅器安全栅等。操作器用于手动操作，同时又起手动自动的双向切换作用；阻尼器用于压力或流量等信号的平滑阻尼；限幅器可以限制信号的上下限值；安全栅用来将危险场所与非危险场所隔开，起安全防爆作用。,1.2.2检测与过程控制仪表最通用的分类方法是按仪表在测量与控制系统中的作用进行划分,一般分为检测仪表、显示仪表、调节仪表和执行器。检测仪表根据被测变量的不同,可分为温度检测仪表、压力检测仪表、流量检测仪表、物位检测仪表和分析仪表.显示仪表分为记录仪表和指示仪表.模拟仪表和数字仪表.记录仪分为有纸记录和无纸记录.通常使用无纸记录.调节仪表分为基地式调节仪表和单元组合式调节仪表，由于微处理机的引入,又有可编程调节器与固定程序调节器。执行器由执行机构和调节阀两部分组成：执行机构按能源分:气动.电动和液动执行器按结构形式分:薄膜式,活塞式和长行程执行机构.调节阀分类，根据其结构特点分:直通单座.直通双座.三通阀.角形阀.隔膜阀.蝶阀.球阀.偏心旋转阀.套筒阀.阀体分离阀.高压阀等.按流量特性分:直线.对数(等百分比).抛物线和快开等.,一、仪表的发展与分类,二、误差,误差不可以避免,只能降低而错误是可以避免的原因：产生系统误差的主要原因是仪表本身的缺陷,使用方法不正确,使用者的习惯与偏向,因环境条件的变化等。,误差错误,1误差的定义及分类,1误差的定义及分类,2常见仪表的精度等级,3采用直接比较法校验仪表时校表原则,所谓直接比较法就是采用被校表与标准表的指示值直接比较的方法。一般说来，选择标准表的原则有三点：第一，根据被校表的性质。比如被校表是直流电压表，所选的标准表也应当是直流电压表。第二，根据被校表的额定值。标准表的额定值应与被校表额定值相适应或不超过被校表的额定值的25%.比如，被校表的量程是2000kPa，那么就应当选择量程为2500kPa的标准表。第三，是要根据被校表的精确度。标准表的允许误差不应超过被校表允许误差的三分之一。倘若被校表的准确度是1.5级，标准表的准确度应选用0.5级。,三、压力测量,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，所以它和绝对压力正好相差一个大气压（0.1MPa）),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绝对零压,1大气压力线,绝对零压(绝对真空下的压力),3.1表压、绝对压力、负压（真空度）的关系,3.2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,3.2压力测量基本知识,非法定压力单位与法定压力单位之间的换算关系1毫米水柱（mmH2O）=9.80665Pa9.81Pa1毫米汞柱（mmHg）=133.322Pa1.33102Pa1工程大气压（kgf/cm2）=9.80665104Pa9.81104Pa1物理大气压（atm）=101325Pa1.0133105Pa1巴（bar）=1000mPa105Pa,现场压力表，从表盘直径看最常见的有60mm,100mm,150mm三种规格。从接口看最常见的有M20X1.5,1/2NPT,法兰连接（有法兰尺寸和耐压等级要求）,3.3压力表,电接点压力表一般有双节点作为报警、或启泵的条件。,3.3压力表,压力开关1、压力开关是一种简单的（压力控制装置），当被测压力达到额定值时，压力开关可发出（警报或控制）信号。2、压力开关的工作原理是：当被测压力超过额定值时，弹性元件的自由端（产生位移），直接或经过比较后推动（开关元件），改变（开关元件）的通断状态，达到控制被测压力的目的。3.压力开关采用的弹性元件有（单圈弹簧管）、（膜片）、（膜盒）及（波纹管）等。开关元件有（磁性开关）、（水银开关）、（微动开关）等。4.压力开关的开关形式有（常开式）和（常闭式）两种。5、压力开关的调节方式有（两位式）和（三位式）两种。6.压力开关的参数可调，依实际使用压力范围调节,3.3压力表,3.4压力变送器,压力变送器主要用于连续测量管线和设备上的压力，然后经变送器将所测压力转换为420mA的输出信号。对液体流量测量，变送器应被安装得低于管道取压口位置。对气体流量测量，变送器应被安装得高于管道取压口位置。,最具有代表性的压力变送器：1、EJA川仪横河（重庆川仪），通讯时叠加Brain或Hart协议的数字信号。2、Rosemount（中国北京远东）通讯时叠加Hart协议的数字信号。通讯时有专用的手操器，可以在主控室、现场进行仪表的组态。,艾默生公司生产的375手操器,3.5应用中注意事项,四、流量测量,工业上常用的流量仪表可分为三大类：（1）速度式流量计：以测量流体在管道中的流速作为测量依据来计算的仪表。（2）容积式流量计：它以单位时间内所排出的流体固定容积的数目作为测量依据。(3)质量式流量计：它依据科里奥利力原理直接量质量流量。,4.1分类,常见的几大流量测量仪表,4.2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.,4.2.1测量原理（以标准孔板为例）：,4.2.2孔板节流装置流量计的应用,4.2.3孔板节流装置流量计的使用,4.2.4差压式流量计的投用与停用方法,4.2.5仪表三阀组的操作,4.2.6差压变送器的使用,转子流量计（可变面积式流量计）转子流量计作为直观流动指示或测量精度要求不高的中低等精度仪表。被测流体可以是单相液体或气体，通常不适用于液体中含有磁性物资、纤维、微粒固体或气体中含有液滴的场合。,4.3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。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。,4.3.1测量原理,4.3.2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。,4.3.3故障判断,4.4涡街流量计,在流体中安放一个非流线型旋涡发生体，使流体在发生体两侧交替地分离，释放出两串规则地交错排列的旋涡，且在一定范围内旋涡分离频率与流量成正比的流量计。,4.4.1特点,4.4.2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。,4.5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。,4.5.1基本原理,4.5.1传感器形式,4.5.2质量流量计的安装使用要求,4.5.3质量流量计的投用与停用方法,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。,4.6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。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）,4.6.1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EKBdV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EKBDV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。,4.6.2电磁流量计的安装要求,4.6.3电磁流量计的投用与停用方法,4.7流量计使用的几个常见问题,五、物（界）位测量,5.1液位测量常识,磁致伸缩液位计由三部分组成：探测杆，电路单元和浮子组成。在一非磁性传感管内装有一根磁致伸缩线，在磁致伸缩线一端装有一个具有专利的传感器,该压磁传感器每秒发出10个电流脉冲信号给磁致伸缩线,并开始计时，该电流脉冲同磁性浮子的磁场产生相互作用，在磁致伸缩线上产生一个扭应力波，这个扭应力波以已知的速度从浮子的位置沿磁致伸缩线向两端传送。直到压磁传感器收到这个扭应力信号为止,具有专利的压磁传感器可测量出起始脉冲和返回扭应力波间的时间间隔，根据时间间隔大小来判断浮子的位置，由于浮子总是悬浮在液面上,且磁浮子位置随液面的变化而变化，即时间间隔大小也就是液面的高低，然后通过全智能化电子装置将时间间隔大小信号转换成与被测液位成比例的420mA信号进行输出。,5.2磁致伸缩液位计,磁翻板液位计,磁翻板式液位变送器是以浮子内磁钢驱动双色薄片的翻转来指示液位的一种新型仪表。主体内磁浮子随液位的升降而上下运动，同时驱使主体外指示器内的双色薄片翻转，有液位时转示红色、无液位时转示白色。,5.3差压液位计,5.3.1差压液位变送器（双法兰液位计）,利用对测量介质的两点之间由于存在液位高度所产生的压差进行测量的变送器仪表。双法兰属于一种特殊的差压变送器。,适用于密闭场合下的下列工况：1、被测介质对变送器接头和敏感元件有腐蚀作用时；2、需要将高温被测介质与变送器隔离时；3、被测介质由引压管引出，由于环境温度变化，易固化或结晶时；4、被测介质中有固体悬浮物或高粘度易堵塞变送器接头和压力容室时；5、被测介质易冷凝或挥发，以致导管内的液柱经常变化，从而使变送器的零点漂移不定等。,5.3.2差压液位变送器适用工况,超声波液位计是利用压电陶瓷产生超声波，超声波遇到物体或液体的界面产生反射，液位计测量反射时间来计算液、物位，实现对物位和液位的非接触测量和控制。适用于各种恶劣和危险环境下的液体和浆体。,5.4超声波液位计,六、温度测量,6.1温度测量仪表简介,6.2温度测量仪表简单问题的判断方法,厂区采用的控制阀包括：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。,七、控制阀（ControlValve）,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.,7.1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20100kPa，也有采用80200kPa、120300kPa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。,7.2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。,2,7.3阀门的分类,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。,7.4自力式调节阀,7.4.1自力式调节阀的使用,7.5电磁阀,7.5.1使用选用考虑因素,电磁阀不动作？,?,7.5.2电磁阀故障原因,7.6控制阀的安装要求,7.7控制阀的投用要求,7.8控制阀故障的判断,调节阀漏量大，调节阀全关时阀芯与阀座之间有空隙，造成阀全关时介质的流量大，被控参数难以稳定。,?,7.9具体故障现象及原因,调节阀膜头故障,?,7.9具体故障现象及原因,八分析仪表,PH计检测器的简单构成示意图ORP复合探头实物图,8.1PH计,8.1.1工业PH计的工作原理简单的讲就是，利用溶液中H离子的浓度（活度），产生的电极电位，引起电子元件传感器转化后的数字变化（或仪器表盘指针的转动，老式PH计是指针型的）来显示和反应当前溶液的H离子浓度。8.1.2工业PH计的构成及各部分功能工业PH计是以电极电位法为原理的在线PH值测定仪，由检测器（也叫发送器）和转换器（也叫变送器）两部分构成。检测器由指示电极（能指示被测离子活度变化的电极）、参比电极（电极电位恒定且不受待测离子影响的电极）组成。当被测溶液流经检测器时，电极和被测溶液就形成一个化学原电池，两电极间产生一个原电势，该电势的大小与被测溶液的PH值成对数关系，它将被测溶液的PH值转变为电信号。常用的指示电极有玻璃电极、锑电极等。常用的参比电极有甘汞电极、银氯化银电极等。转换器由电子部件组成，其作用是将电极检测到的电势信号放大，并转换为标准信号输出。工业用的在线PH计，其检测器和转换器为两个独立部件，检测器装于现场，转换器装在就地仪表盘或控制室内。信号电势用特殊的高阻高频电缆传送。目前，也有检测器和转换器一体化结构的工业在线PH计。,8.1PH计,8.1.3工业PH计测量注意事项在进行操作前，应首先检查电极的完好性。PH计上配套使用的电极大多数采用的是复合电极（指示电极和参比电极合二为一），老一代PH计尚在使用玻璃电极与甘汞电极。目前复合电极使用比较广泛，以下以复合电极为主。目前使用的复合电极主要有全封闭型和非封闭型两种，全封闭型比较少，主要是以国外企业生产为主。复合电极使用前首先检查玻璃球泡是否有裂痕、破碎，如果没有，用pH缓冲溶液进行两点标定时，定位与斜率按钮均可调节到对应的pH值时，一般认为可以使用，否则可按使用说明书进行电极活化处理。活化方法是在4%氟化氢溶液中浸35s左右，取出用蒸馏水进行冲洗，然后在0.1mol/L的盐酸溶液中浸泡数小时后，用蒸馏水冲洗干净，再进行标定，即用pH值为6.86(25)的缓冲溶液进行定位，调节好后任意选择另一种pH缓冲溶液进行斜率调节，如无法调节到，则需更换电极。非封闭型复合电极，里面要加外参比溶液即3mol/L氯化钾溶液，所以必须检查电极里的氯化钾溶液是否在1/3以上，如果不到，需添加3mol/L氯化钾溶液。如果氯化钾溶液超出小孔位置，则把多余的氯化钾溶液甩掉，使溶液位于小孔下面，并检查溶液中是否有气泡，如有气泡要轻弹电极，把气泡完全赶出。,8.1PH计,在使用过程中应把电极上面的橡皮剥下，使小孔露在外面，否则在进行分析时，会产生负压，导致氯化钾溶液不能顺利通过玻璃球泡与被测溶液进行离子交换，会使测量数据不准确。电极从测量管线拆下后应把橡皮复原，封住小孔。电极经蒸馏水清洗后，应浸泡在3mol/L氯化钾溶液中，以保持电极球泡的湿润，如果电极使用前发现保护液已流失，则应在3mol/L氯化钾溶液中浸泡数小时，以使电极达到最好的测量状态。复合电极不可放在蒸馏水中长时间浸泡，这是不正确的，这会使复合电极内的氯化钾溶液浓度大大降低，导致在测量时电极反应不灵敏，最终导致测量数据不准确，因此不应把复合电极长时间浸泡在蒸馏水中。8.1.4工业PH计电极校准、使用、维护注意事项测量时应按说明书规定的时间周期对仪器进行校准。校准时应注意：标准缓冲溶液温度尽量与被测溶液温度接近。定位标准缓冲溶液应尽量接近被测溶液的pH值。或两点标定时，应尽量使被测溶液的pH值在两个标准缓冲溶液的区间内。校准后，应将浸入标准缓冲溶液的电极用水特别冲洗，因为缓冲溶液的缓冲作用，带入被测溶液后，造成测量误差。,8.1PH计,记录被测溶液的pH值时应同时记录被测溶液的温度值，因为离开温度值，pH值几乎毫无意义。尽管大多数pH计都具有温度补偿功能，但仅仅是补偿电极的响应而已，也就是说只是半补偿，而没有同时对被测溶液进行温度补偿，即，全补偿。复合电极使用、维护注意事项