仪表培训课件

1、2013年2月7日仪控培训资料大纲：1、 介绍我厂仪控系统的组成；2、 压力测量设备组成及原理；3、 温度测量设备组成及原理；4、 流量测量设备组成；5、 液位测量设备组成；6、 DCS系统组成；7、 分析系统组成；一、压力测量设备介绍：1、本厂压力测量设备组成：本厂压力测量设备由以下几部分组成：、压力表：墨盒压力表、氧压力表、普通压力表、耐震压力表；、变送器：差压变送器、压力变送器、绝压压力变送器还有电流变送器、电压变送器。2、本厂温度测量设备由热电阻Pt100及双金属温度计组成。3、本厂流量测量设备由表中孔板流量计、德尔塔巴流量计、电磁流量计及浮子流量计组成。4、本厂液位计由翻板液位计、差

2、压变送器测液位、投入式液位变送器。5、本厂DCS采用的是横河CS3000系统及上位机组成。6、本厂分析系统由以下几部分组成：水分析仪、氧纯度分析仪、液空氧含量分析仪、微量氧分析仪、微量氮分析仪、氩馏分分析仪、总碳分析仪。二、简要介绍前流量测量设备和液位测量设备原理1、压力单位：绝对压力：绝对压力表以绝对压力（真空）零位为基准，高于绝对压力零位的压力。 正压：以大气压力为基准，高于大气压力的压力。 负压（真空）：以大气压力为基准，低于大气压力的压力。 差压：两个压力之间的差值。 表压：以大气压力为基准，大于或小于大气压力的压力。 压力表：以大气压力为基准，用于测量小于或大于大气压力的仪表。 压力

3、有两种表示方法：一种是以绝对真空作为基准所表示的压力，称为绝对压力；另一种是以大气压力作为基准所表示的压力，称为相对压力。由于大多数测压仪表所测得的压力都是相对压力，故相对压力也称表压力。当绝对压力小于大气压力时，可用容器内的绝对压力不足一个大气压的数值来表示。称为”真空度”。它们的关系如下： 绝对压力=大气压力+相对压力 真空度=大气压力绝对压力 我国法定的压力单位为Pa（N/），称为帕斯卡，简称帕。由于此单位太小，因此常采用它的106倍单位MPa（兆帕）。 法定国际单位制导出的压力单位为帕(Pa)。常用的为兆帕(MPa)、千帕(kPa)，惯用的非法定单位还有巴(bar)、工程大气压(at)

4、、磅每平方英寸(psi)、毫米汞柱(mmHg)、毫米水柱(mmH2O)等。计算公式为P=F/S压力单位与物体重和受力面积有关释义二 压力在物理学方面指垂直作用在物体表面上的力。受力物是物体的支持面，作用点在接触面上，方向垂直于接触面，在受力物体是水平面的情况下，压力（F）=物重（G）。在这种情况下，压力单位为 牛顿（简称 牛 字母为“N”）。PSI英文全称为Pounds per square inch。P是磅pound，S是平方square，I是英寸inch。把所有的单位换成公制单位就可以算出：1bar14.5psi 1psi=6.895kPa=0.06895bar 欧美等国家习惯使用psi作

5、单位 在中国，我们一般把气体的压力用“公斤”描述（而不是“斤”），单位是“kg/cm2”,一公斤压力就是一公斤的力作用在一个平方厘上。而在国外常用的单位是“Psi”，具体单位是“lb/in2”, 就是“磅/平方英寸”，这个单位就像华氏温标（F ）。此外，还有Pa（帕斯卡，一牛顿作用在一平方米上），KPa，Mpa，Bar，毫米水柱，毫米汞柱等压力单位。 1巴(bar)=0.1兆帕(MPa)=100千帕(KPa)=1.0197 公斤/平方厘米1标准大气压（ATM）=0.101325兆帕(MPa)=1.0333巴（bar）因为单位相差都很小，如果不是要精确计算，可以这样记： 1巴（bar）=1标准大

6、气压（ATM）=1公斤/平方厘米 =100千帕（KPa)=0.1兆帕（MPa）psi的 换算如下：1标准大气压(atm)=14.696磅/英寸2(psi) 如果要做精确计算，关系如下：压力换算关系： 1达因/厘米2 （dyn/cm2）=0.1帕（Pa）1托（Torr）=133.322帕（Pa）1毫米汞柱（mmHg）=133.322帕（Pa）1毫米水柱（mmH2O）=9.80665帕（Pa）1工程大气压=98.0665千帕（kPa）1千帕（kPa）=0.145磅力/英寸2（psi）=0.0102千克力/厘米2（kgf/cm2）=0.0098大气压（atm） 1磅力/英寸2（psi）=6.895千

7、帕（kPa）=0.0703千克力/厘米2（kg/cm2） =0.0689巴（bar）=0.068大气压（atm）1物理大气压（atm）=101.325千帕（kPa）=14.696磅/英寸2（psi）=1.0333巴（bar）2、压力表原理：弹簧管在压力和真空作用下 ，产生弹性变形引起管端位移，其位移通过机械传动机构进行放大，传递给指示装置，再由指针在刻有法定计量单位的分度盘上指出被测压力或真空量值 机械压力表中的弹性敏感元件随着压力的变化而产生弹性变形。机械压力表采用弹簧管（波登管），膜片，膜盒及波纹管等敏感元件并按此分类。所测量的压力一般视为相对压力。一般相对点选为大气压力。弹性元件在介质压

8、力作用下产生的弹性变形，通过压力表的齿轮传动机构放大，压力表就会显示出相对于大气压的相对值(或高或低)。 在测量范围内的压力值由指针显示，刻度盘的指示范围一般做成270度。 3、压力表种类 它不仅有一般（普通）指针指示型，还有数字型；不仅有常规型，还有特种型；不仅有接点型，还有远传型；不仅有耐振型，还有抗震型；不仅有隔膜型，还有耐腐型.。 4、压力表的规格型号 从公称直径看，有40mm、50mm、60mm、75mm、100mm、150mm、200mm、250mm等。5、从量域和量程区段: 在正压量域分为微压量程区段、低压量程区段、中压量程区段、高压量程区段、超高压量程区段，每个量程区段内又细分

9、出若干种测量范围(仪表量程)；在负压量域(真空)又有3种负压(真空表)；正压与负压联程的压力表是一种跨量域的压力表。其规范名称为压力真空表，也有称之为真空压力表。它不但可以测量正压压力，也可测量负压压力。 6、压力表的精度等级分类: 常见精度等级有 4级、2.5级、1.6级、1级、0.4级、0.25级、0.16级、0.1级等。精度等级一般应在其度盘上进行标识，其标识也有相应规定，如“”表示其精度等级是1级。对于一些精度等级很低的压力表，如4级下的，还有一些并不需要测量其准确的压力值，只需要指示出压力范围的，如灭火器上的压力表，则可以不标识精度等级。7 压力表按其测量精确度 可分为精密压力表、一

10、般压力表。精密压力表的测量精确度等级分别为0.1、0.16、0.25、0.4级0.05级；一般压力表的测量精确度等级分别为1.0、1.6、2.5、4. 0级。 A=A/Y100%（式中A表示精度，A表示其测量范围允许的最大绝对误差，Y表示满量程输出）。 8 压力表按其测量基准 压力表按其指示压力的基准不同，分为一般压力表、绝对压力表不锈钢压力表、差压表。一般压力表以大气压力为基准；绝压表以绝对压力零位为基准；差压表测量两个被测压力之差。 9 压力表按其测量范围分为真空表、压力真空表、微压表、低压表、中压力表的分类有：中压表及高压表。真空表用于测量小于大气压力的压力值；压力真空表用于测量小于和大

11、于大气压力的压力值；微压表用于测量小于60000 Pa的压力值；低压表用于测量06MPa压力值；中压表用于测量1060MPa压力值；高压表用于测量100MPa以上压力值。 13、压力表的原理与构造构造： a 溢流孔： 若发生波登管爆裂的紧急情况的时候，内部压力将通过溢流孔向外界释放，防止玻璃面板的爆裂。注：为了保持溢流孔的正常性能，请在表后面留出至少10mm的空间，不要改造或塞住溢流孔。 b 指针： 除标准指针外，其他指针也是可选的。（零调指针最大值指针或设定指针）请在选型表中列出。 c 玻璃面板： 除标准玻璃外，其他特殊材质玻璃，如强化玻璃，无反射玻璃也是可选的。 d 膜片敏感元件 是带有波

12、浪的圆形膜片，膜片本身位于两个法兰之间，或焊接在法兰盘上或其边缘夹在两个法兰盘之间。膜片一侧受到测量介质的压力。这样膜片所产生的微小弯曲变形可用来间接测量介质的压力。压力的大小由指针显示。膜片与波登管相比其传递力较大。由于膜片本身周围边缘固定，所以其防振性较好。膜片压力表可达到很高的过压保护（比如膜片贴附在上法兰盘上）。膜片还可以加上保护镀层以提高防腐性。利用开口法兰、冲洗、开口等措施可用膜片压力表测量粘度很大、不清洁的及结晶的介质。膜片压力表的压力测量范围在1600Pa 2.5 MPa。 二、变送器压力变送器原理压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水

13、利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用 应变片压力传感器原理与应用 力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组

14、成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。金属电阻应变片的内部结构如图1所示，是电阻应变片的结构示意图，它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应

15、变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。 电阻应变片的工作原理金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示： R=L/S 式中：金属导体的电阻率（?cm2/m） S导体的截面积（cm2） L导体的长度（m）我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化

16、，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情 陶瓷压力传感器原理及应用抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥闭桥，由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V

17、等，可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿070，并可以和绝大多数介质直接接触。陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40135，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度2kV，输出信号强，长期稳定性好。高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。 3、扩散硅压力传感器原理及应用工作原理被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜

18、片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。原理图 4、压电压力传感器原理与应用压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸

19、二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。 现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测

20、量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛。 压力变送器被测介质的两种压力通入高、低两压力室，作用在元件(即敏感元件)的两侧隔离膜片上，通过隔离片和元件内的填充液传送到测量膜片两侧。测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成一个电

21、容器。当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不等，通过振荡和解调环节，转换成与压力成正比的信号。压力变送器和绝对压力变送器的工作原理和差压变送器相同，所不同的是低压室压力是大气压或真空。A/D转换器将解调器的电流转换成数字信号，其值被微处理器用来判定输入压力值。微处理器控制变送器的工作。另外，它进行传感器线性化。重置测量范围。工程单位换算、阻尼、开方，传感器微调等运算，以及诊断和数字通信。本微处理器中有16字节程序的RAM，并有三个16位计数器，其中之一执行A /D转换。D/A转换器把微处理器来的并经校正过的数字信号微调数据，这些数据可用变送器软件修改

22、。数据贮存在EEPROM内，即使断电也保存完整。数字通信线路为变送器提供一个与外部设备(如275型智能通信器或采用HART协议的控制系统)的连接接口。此线路检测叠加在4-20mA信号的数字信号，并通过回路传送所需信息。通信的类型为移频键控FSK技术并依据BeII202标准单晶硅谐振式传感器：是一块单晶硅芯片上采用微电子机械加工技术，在单晶硅芯片上制成两个完全一致的H形状的谐振梁，并以一定的频率产生振动。其谐振频率取决于梁的长度和张力，其梁的长度已经确定，而张力是随压力变化而变化。从而把压力的变化转换成频率的变化，对差压采用频率差分技术，并将频率差信号直接输出到CPU进行运算和A/D转换。电容式

23、压力变送器：采用结构简单、坚固耐用且极稳定的可变电容形式，可变电容由压力腔上的膜片和固定在其上的绝缘电极所组成，当感受到压力变化时，膜片要产生微微的翘曲变形，从而改变了两极的间距，采用独特的检测电路测电容的微小变化，并进行线性处理和温度补偿。传感器输出与被测压力成正比的直流电压或电流信号。精巧的结构、高性能的材料及先进的检测电路的完美结合，赋予了电容式 压力变送器以很高的性能。在使用过程中我们没有发现两种变送器的差别（也许不细心，请教），电容式压变主要有罗斯蒙特的1151和3051系列。单晶硅谐振式压变：日本横河的430和530系列。电容式压力变送器原理：压力变送器被测介质的两种压力通入高、低

24、两压力室，作用在元件(即敏感元件)的两侧隔离膜片上，通过隔离片和元件内的填充液传送到测量膜片两侧。测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成一个电容器。 当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不等，通过振荡和解调环节，转换成与压力成正比的信号。压力变送器和绝对压力变送器的工作原理和差压变送器相同，所不同的是低压室压力是大气压或真空。EJA特点 世界首创单晶硅谐振传感器采用微电子机械加工高新技术（MEMS） 传感器直接输出频率信号，简化与数字系统的接口 高精度，一般为0.075% 高稳定性和可靠性 连续十万次过压试验后影响量0.03%/16MPa 连续工作五年不

25、需要调校零点 BRAIN/HART/FF现场总线三种通讯协义供选择 完善的自诊断及远程设定通讯功能 可无需三阀组而直接安装使用 基本品的接液膜片材质为：哈氏合金C-276（小型标准为3.9kg） 外部零点/量程调校EJA系列智能变送器的工作原理：由单晶硅谐振式传感器上的两上H形的振动梁分别将差压、压力信号转换成频率信号，送到脉冲计数器，再将两频率之差直接传递到CPU进行数据处理，经D/A转换器转换为与输入信号相对应的420mADC的输出信号，并在模拟信号上叠加一个BRAIN/HART数字信号进行通信。 膜盒组件中内置的特性修正存贮器存贮传感器的环境温度、静压及输入/输出特性修正数据，经CPU运

26、算，可使变送器获得优良的温度特性和静压特性及输入/输出特性。 通过I/O口与外部设备（如手持智能终端BT200或275以及DCS中的带通信功能的I/O卡）以数字通信方式传递据，即高频2.4kHz(BRAIN协议)或1.2kHz(HART协议)数字信号叠加在420mA信号线上，在进行通讯时，频率信号对420mA信号不产生任何的影响。1、 结构原理单晶硅谐振传感器的核心部分，即在一单晶硅芯片上采用微电子机械加工技术（MEMS），分别在其表面的中心和边缘作成两个形状、大小完全一致的H形状的谐振梁（H型状谐振器有两个振梁），且处于微型真空腔中，使其即不与充灌液接触，又确保振动时不受空气阻尼的影响。 2

27、、 谐振梁振动原理 硅谐振梁处于由永久磁铁提供的磁场中，与变压器、放大器等组成一正反馈回路，让谐振梁在回路中产生振荡。3、 受力情况 当单晶硅片的上下表面受到压力并形成压力差时将产生形变，中心处受至压缩力，边缘处受到张力，因而两个形状振梁分别感受不同应变作用，其结果是中心谐振梁受压缩力而频减少，边侧谐振梁因受张力而频率之差对应不同的压力信号。 单晶硅谐振式传感器（谐振梁厚5m, 宽30m,长700m） 微电子机械加工技术在电气和仪控对接上还采用电压变送器和电流变送器，将电气电压或电流转换成420mA信号送至仪控DCS模拟输入模块或数显仪表。我厂用的变送器有横河EJA430A压力变送器和EJA1

28、10A差压变送器，还有罗斯蒙特绝对压力变送器等。二、热电阻温度（temperature）是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。国际单位为热力学温标(K)。目前国际上用得较多的其他温标有华氏温标(F)、摄氏温标(C)和国际实用温标。从分子运动论观点看，温度是物体分子运动平均动能的标志。温度是大量分子热运动的集体表现，含有统计意义。对于个别分子来说，温度是没有意义的。 K=T+273.15，绝对温度测温原理热电阻（如Pt100）是利用其

29、电阻值随温度的变化而变化这一原理制成的将温度量转换成电阻量的温度传感器。温度变送器通过给热电阻施加一已知激励电流测量其两端电压的方法得到电阻值（电压/电流），再将电阻值转换成温度值，从而实现温度测量。热电阻和温度变送器之间有三种接线方式：二线制、三线制、四线制。二线制如图1。变送器通过导线L1、L2给热电阻施加激励电流I，测得电势V1、V2。计算得Rt：由于连接导线的电阻RL1、R测温原理热电阻（如Pt100）是利用其电阻值随温度的变化而变化这一原理制成的将温度量转换成电阻量的温度传感器。温度变送器通过给热电阻施加一已知激励电流测量其两端电压的方法得到电阻值（电压/ 电流），再将电阻值转换成温

30、度值，从而实现温度测量。热电阻和温度变送器之间有三种接线方式：二线制、三线制、四线制。二线制如图1。变送器通过导线L1、L2给热电阻施加激励电流I，测得电势V1、V2。计算得Rt：由于连接导线的电阻RL1、RL2无法测得而被计入到热电阻的电阻值中，使测量结果产生附加误差。如在100时Pt100热电阻的热电阻率为0.379/，这时若导线的电阻值为2，则会引起的测量误差为5.3 。三线制是实际应用中最常见的接法。如图2，增加一根导线用以补偿连接导线的电阻引起的测量误差。三线制要求三根导线的材质、线径、长度一致且工作温度相同，使三根导线的电阻值相同，即RL1=RL2=RL3。通过导线L1、L2给热电

31、阻施加激励电流I，测得电势V1、V2、V3。导线L3接入高输入阻抗电路，IL3=0。热电阻的阻值Rt：由此可得三线制接法可补偿连接导线的电阻引起的测量误差。四线制是热电阻测温理想的接线方式。如图3，通过导线L1、L2给热电阻施加激励电流I，测得电势V3、V4。导线L3、L4接入高输入阻抗电路，IL3=0，IL4=0，因此V4-V3等于热电阻两端电压。热电阻的电阻值：由此可得，四线制测量方式不受连接导线的电阻的影响。原创,但不是首发热电阻和热电偶的区别 一,区别:1.虽然都是接触式测温仪表,但它们的测温范围不同,热电偶使用在温度较高的环境,如铂铑30-铂铑6(B型)测量范围为300度1600度,短期可测1800度.S型测一201300(短期1600),K型测一501000, (短期1200).XK型一50600(800),E型一40800(900).还有J型,T型等.这类仪表一般用于