仪表基础知识部分学习资料

1、化工仪表及自动化第一节：自动调节系统基本概念化工自动化的主要内容实现化工生产过程自动化，一般要包括自动检测、自动保护、自动操纵和自动调节等方面的内容。自动调节系统是自动化生产的核心部分，只有 自动调节系统才能自动地排除各种干扰因素对工艺参数 的影响，使它们始终保持在预先规定的数值上，保证生 产维持在正常或最佳的工艺操作状态。一、自动检测系统利用各种检测仪器对主要工艺参数进行指示或记 录，“了解”生产的任务。二、自动信号和联锁保护系统对某些关键参数设有自动信号联锁装置。当工艺参 数超过了允许范围，系统自动地发出声、光报警信号， 以提示操作人员及时采取措施。三、自动操纵及自动开停车系统根据预先规定

2、的步骤自动地对生产设备进行某种周期性的操作。自动力O料系统示恚四、自动调节系统对生产中某些关键性参数进行自动调节，使它们在受到干扰的影响而偏离正常状态时，能自动地调回到规自动调节系统的组成 一、自动调节系统是在人工调节的基础上产生和发展起来的，其主要 装置包括测量元件及变送器、自动调节器、执行器，分 别代替了人的眼、脑、手三个器官。1. 检测器（变送器）:将某一物理量（如：液位、 流量、压力、压差或温度等）转变成可利用信号。（变 送器）将该信号转变成标准信号。2. 调节器:根据变送器信号和工艺需求， 算出偏差， 经过某种运算发出控制信息。| 1T工亍帝| 1T工亍帝|3. 执行器:根据调节器的

3、控制信息，改变阀门开度。4 .调节对象在自动调节系统中，我们将需要调节其工艺参数的 生产设备或机械。二、液位控制的自动调节系统组成工芝競程图三、被测变量和仪表功能的字母代号字母第一位字母后续字母被测变量修饰词功能A分析报警C电导率控制（调节）D密度差E电压测量兀件F流量比（分数）I电流指示K时间或时间程序自动-手动操作器L物位M水分或温度P压力或真空Q数量或件数积分、累积积分、累积R放射性记录或打印S速度或频率安全开关、连锁T温度传送V粘度阀、挡板、百叶窗W力套管Y供选用继动器或计算器Z位置驱动、执行或未分类的执行机构第二节.自动调节系统的方块图一、自动调节系统方块图:用箭头将自动调节系统的各

4、组成环节之间的关系清楚地表示出来的方块图。方块图中的每一个方块都代表一个具体的实物，连接线只代表方块之间的信号联系，不代表物料联系。二、闭环系统:自动调节系统的方块图中信号沿箭头方向前进，通过若干环节后,最后又返回到启始点。自动调节系统方块图（闭环系统）三、开环系统:.自动调节系统的方块图中信号沿箭头方向前进，最后返回不到启始点。兰辱自动翩装置阵煙丽严数自动搀纵系统方块图第三一、常见分类方法1. 按被调参数分类：温度、流量、压力、液位等调节系统。2. 按调节器具有的调节规律分类：比例、比例积分、比例微分、比例积分微分等调节系统。二、按给定值的变化分类（最常见）：1. 定值调节系统、随动调节系统

5、、成序控制调节系 统。2. 定值调节系统：给定值恒定的调节系统。3. 随动调节系统（也称自动跟踪系统）：给定值不断 变化，而且这种变化是随机的。4. 成序控制调节系统（顺序控制系统）：给定值按一定的时间函数变化 第四节.自动调节系统的过度过程和品质指标一、静态及动态静态：系统的平衡状态基本不随时间变化而变化。动态：被调参数随时间的变化，从一个平衡状态到另一 个平衡状态的过渡过程。平衡（静态）是暂时的、相对的、有条件的，不平 衡（动态）才是普遍的、绝对的、无条件的。研究自动调节系统的重点是研究系统的动态。二、调节系统的过渡过程自动调节系统的过渡过程是调节作用不断克服干扰 作用影响的过程。系统从一

6、个平衡状态到另一个平衡状 态的过渡过程中，被调参数随时间变化的规律首先取决 于干扰作用的形式。一般的阶跃信号：突然、危险、对被调参数影响很 大。其它形式的干扰可用多个阶跃信号代替。1.非周期衰减过程:被调参数在给定值的某一侧作缓慢变化，没有来回 波动，最后稳定在某一数值上。（稳定过程）2. 衰减振荡过程：被调参数上下波动，但振幅逐渐减少，最后稳定在 某一数值上。（稳定过程，最佳状态）3 .等幅振荡过程：被调参数在给定值附近来回波动，且波动振幅保持 不变。（属不稳定过程，但在某种情况下可以使用）4 .发散振荡过程：被调参数来回波动，且波动振幅逐渐变大，既离给 定值越来越远。（不稳定过程，应尽量避

7、免）三、调节系统的品质指标调节系统的过渡过程是调节系统品质的重要依据， 我们假设在阶跃干扰作用下，取自动调节系统的衰减振 荡过程的形式来讨论调节系统的品质指标。1. 最大偏差：是指在过渡过程中，被调参数偏离 给定值的最大数值（图中的A值，最大偏差表示系统瞬时 偏离给定值的最大程度）。2. 衰减比：是相邻两个峰值的比，习惯上表示为n : 1。一般n取4-10之间为宜。3 .余差：当过渡过程终了时，被调参数所达到的新 的稳态值及给定值之间的偏差叫做余差，或者说余差就 是过渡过程终了时的残余偏差。有余差的调节过程称为有差调节，相应的系统 称为有差系统。 没有余差的调节过程称为无差调节， 相 应的系统

8、称为无差系统。（余差越小越好）4 .过渡时间：从干扰作用发生的时刻起,直到系统 重新建立新的平衡时止,过渡过程所经历的时间叫做过 渡时间或调节时间。5. 振荡周期：过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的 间隔时间叫振荡周期或工作周期。6. 振荡频率：振荡周期的倒数称为振荡频率。四、影响调节系统过渡过程品质的主要因素自动调节系统由两大部分组成:1. 工艺过程部分：只及自动控制相关的工艺部分。2 .自动装置部分：实现自动控制必备的仪表设备。对一个自动调节系统来说，过渡过程品质的好坏， 很大程度上决定于对象的性质。所以自动控制装置应按 对象的性质合理的选配调节系统。.测量元件及变送器1. 过程参数检测基

9、本概念过程参数检测-指连续生产过程中的温度、压力、流量、液位和成分等参数的检测。检测仪表-将检测元件、变送器及显示装置统称为检测仪表。一次仪表-一般为将被测量转换为便于计量的物理量所使用的仪表，即为检测元件。二次仪表-将测得的信号变送转换为可计量 的标准电气信号并显示的仪表。即包括变送器和 显示装置。2. 测量过程及测量误差测量过程 利用一个已知的单位量（即标准量） 及被测的同类量进行比较的过程。测量误差-在测量过程中测量结果及被测量 的真值之间会有一定的差值。它反映了测量结果 的可靠程度。?测量误差的分类：绝对误差及相对误差绝对误差-指测量结果及被测量的真值之差。通常把检定中高一等级的计量标

10、准所测得的量值作为真值（实际值）。相对误差-指绝对误差及真值或测量值之百 分比。常见有如下三种表示方式： 实际相对误差是指绝对误差及被测量的真值（实际值）之百分比。 标称相对误差是指绝对误差及仪表示值 之百分比。引用相对误差-是指绝对误差及仪表的量 程之百分比。系统误差、随机误差和疏忽误差。系统误差-指测量仪表本身或其他原因（如零 点没有调整好等）引起的有规律的误差。随机误差-指在测量中所出现的没有一定规 律的误差。疏忽误差-指观察人员误读或不正确使用仪 器及测试方案等人为因素所引起的误差。基本误差、附加误差和允许误差基本误差-指仪表在规定的正常工作条件下所具 有的误差。附加误差 指仪表超出规

11、定的正常工作条件时所 增加的误差。允许误差指仪表的示值或性能不允许超过某个 误差范围。3. 检测仪表的性能指标?仪表精度（仪表准确度）仪表精度-仪表精度二绝对误X大值100% =(XaX0bmaX 100%仪表精度是根据国家规定的允许误差大小分成几个 等级的。某一类仪表的允许误差是指在规定的正常情况 下允许的百分比误差的最大值。我国过程检测控制仪表 的精度等级有 0.005、0.02、0.1、0.35、0.5、1.0、1.5、 2.5、4等。一般工业用表为 0.54级精度。在选用仪表的精度等级时，应根据实际需要求定，不能只追求高精度等级。?变差变差-在外界条件不变的情况下，用同一仪表 对同一个

12、量进行正、反行程(即逐渐由小到大或逐 渐由大到小)测量时，所得仪表两不值之间的差 值。变差=(Xl X2)max 100 % 其中Xi、X2为正、反测量 变仪表量程的示值造成交差的原因很多。通常要求：变差 仪表精度等 级所允许的误差。?灵敏度及灵敏限灵敏度 表示测量仪表对被测参数变化的灵 敏程度。通常用仪表的输出变化量，如指针的线 位移或角位移及引起此位移的被测参数变化量之 比来表示，即注意：提高仪表的灵敏度可采用增加放大部分的放 大倍数来实现。不过仪表的性能主要取决于仪表的基本 误差 灵敏限-指引起仪表示值发生变化的可测参 数的最小变化量。通常其值应不大于仪表允许误 差的一半。第二节.压力测

13、量及变送器压力单位及测压仪表压力是工业生产中的重要参数之一，为了保证生产正常进行，必须对压力进行监测和控制。但需说明的是， 这里所说的压力，实际上是物理概念中压强，即垂直作 用在单位面积上的力。在压力测量中，常有绝对压力、 表压、负压和真空压之分。所谓绝对压力是指被测介质 作用在容器单位面积上的全部压力，用符号P1表示。用来测量绝对压力的仪表称为绝对压力表。地面上的空气 柱所产生的平均压力称为大气压力，用符号P2表示。用来测量大气气压力的仪表叫气压表。绝对压力及大气压 力之差，称为表压力，用符号 P3表示，则P3=P1-P2当 绝对压力小于大气压力值时，表压力为负值（即负压力），此负压力值的绝

14、对值，称为真空度。压力：指均匀垂直的作用于单位面积上的力在化学反应过程中，压力既能影响物料平衡，也影 响化学反应速度，所以，压力的测量及控制，对保证生 产过程正常进行，达到高产、优质、低消耗和安全是十 分重要的 压力可用公式表示为：（p表示压力，F表示垂直作用力，S表示受力面 积根据国际制单位，压力单位为帕斯卡，简称帕（Pa）。1Pa=1N/m弹性式压力计是利用各种形式的弹性元件，在被 测介质压力的作用下，使弹性元件受压后产生弹性形变 的原理而制成的压力仪表.特点:结构简单、使用可靠、价格低廉、测量范围 广、有足够的精度。一.弹性元件:(a)单團弹簣管多圈弹簣營薄膜式弹性元件根据测量和传送的参

15、数不同，变送器可分为压 力、差压变送器.气动元件及组件电气式压力计是指把压力转换为电信号输出，然后测量电信号的压力表。一般有压力传感器、测量电路和 信号处理装置组成电气式压力计组成方框图（应变片式压力传感器、压阻式压力传感器、电容式压力传感器 应变片式压力传感器应变片式压力传感器是利用电阻应变原理构成.有 金属应变片和半导体应变片。压阻式压力传感器压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应 而构成.电容式压力传感器电容式压力传感器是将压力的变化转换为电容量 的变换，然后进行测量.压力计的选用在选择压力计时，应根据工艺要求，加以全面考 虑和具体分析，并注意仪表类型的选用、仪表测量范围 的确定及仪表精

16、度级的选取。压力计的安装压力计的安装正确及否，直接影响到测量的 准确性和压力计的使用寿命，应注意测压点的选择、导压 管的铺设及压力计的安装1. 要选在被测介质直线流动的管道部分，不要选在管路拐弯、分叉、死角或其他易形成漩涡的地方。2. 测量流动介质的压力时，应使取压点及流动方 向垂直，取压管内端面及生产设备连接处的内壁 应保持齐平，不应有凸出物或毛刺。3. 测量液体压力时，取压点应在管道下部、使管道 内不积存气体；测量气体压力时，取压点应在管 道上方，使管道内不积存液体。压力表的使用和维护在化工生产中，压力表由于受到具有腐蚀、凝固结晶、 粘性、含尘以及咼温、咼压等被测介质的影响，常会使 仪表发

17、生各种故障。为了确保仪表正常运行，减少故障 的发生，延长使用寿命，必须做好生产开车前的维护检 查和日常维护工作。生产开车前的维护检查：生产开车前，通常要对设备、 管道等进行试压工作，在工艺试压时要关闭接仪表的阀 门，打开取压装置上的阀门，检查接头及焊接处是否渗 漏，并及时排除渗漏。试压完毕后，准备开车生产之前， 应在全面核对所安装的压力表的规格、型号是否及工艺 要求的被测介质压力相符合；检验过的仪表是否有合格 证，装有隔离装置的压力表需加好隔离液。压力表在开车时的维护检查： 生产开车时，对脉动介 质的压力测量，为了避免受瞬时冲击超压而损坏压力表， 应缓慢地开启阀门并注意观察运行情况。测量蒸汽或

18、热 水的压力表，应先在冷凝器内灌入冷水后，再打开压力 表上的阀门。当发现仪表内或管线有泄漏时，要及时切 断取压装置上的阀门，然后进行处理。压力表的日常维护：运行中的仪表，每天要定点定时 地进行巡回检查，保持仪表的清洁，检查仪表的完整性。 发现问题及时排除。第三节.流量测量及其变送概述压差式流量计（采用锐角孔板,一体化孔板，阿牛巴） 科里奥利质量流量计超声波流量计电磁流量计涡街流量计转子流量计一般所讲的流量是指单位时间内流过管道某一截面 的流体数量；而某一段时间内流过管道流量的总和叫总 量。单位时间内流过的流体以质量表示的称为质量流量 （M）;以体积表示的称为体积流量（Q）.=qp 或 &quo

19、t;巻（pa示流体密度）e6 Me或二（t表示吋间j吨每小时（t/h）、千克每小时（kg/h）、千克每秒(kg/s)、立方米每小时(m3/h)、升每小时(l/h)、升每秒(l/mi n)流量测量的分类方法1.速度式流量仪表这是一种以测量流体在管道内的速度作为测量依据来计算流量的仪表。例如压差式流量计、转子流 量计、电磁流量计、涡轮流量计、靶式流量计、堰式流 量计等。这是一种以单位时间内所排出的流体的固定容积的数目作为测量依据来计算流量的仪表。例如椭圆 齿轮流量计、活塞式流量计等。这是一种以测量流过的质量M为依据的流量计。例如惯性式质量流量计、补偿质量流量计等。压差式流量计压差式流量计是基于流体

20、的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的流体在管道中流动时，在节流装置前后的管壁处，流 体的静压力产生差异的现象称为节流现象.流量基本方程式M = g 目耳 Jpa -流量系数；e -膨 胀校正系数；Fo -节流装置的开孔截面积；p 1-节流装置的流体密度；P -节流装置前后实际测 得的压力差孔板装置及压力、流速分布图转子流量计工作原理转子流量计采用的是恒压降、变节流面积的流量测量方法.-Qv -转子的体积； p t -转子材 料的密度；p f -被测流体的密度; A -转子得最大横截面； g -重力加速度；© -仪表常转子流量计的工作原理图数; h -转子浮起

21、的高度 电磁流量计工作原理在一段用非半导磁材料制成的管道外面，安装有 一对磁极N和S ,用以产生磁场。当导电液体流过管道 时，因流体切割磁力线而产生了感应电势。当感应强度 不变，管道直径一定时，这个感应电势的大小仅及流体 的流速有关，将这个感应电势经放大、转换，传送给显 示仪表，就能在显示仪表上读出流量来。- K'S'Dv % - K'DvEx -感应电势；K'-比率系数；磁感应强度；D -管道直径；v -垂直于磁力线方向的液体速度。涡街流量计在流体中设置旋涡发生体，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，旋涡列 在旋涡发生体下游非对称排

22、列，测量旋涡的产生频率， 便可计算出流量.超声波流量计超声波流量计是通过检测流体流动对超声脉冲的作用来测量流量的仪表.科里奥利质量流量计利用流体在振动管中流动时，产生及质量流量成正比例的科里奥利力原理制成的一种直接式质量流量计 第四节.物位测量及其变送 概述液位和压力、流量一样，都是化工生产中常碰到的被 测工艺参数，在化工生产中常要对一些设备和容器的液 位进行测量和控制。液位测量的主要目的有两个：一个 是通过液位测量来确定容器里的原料、成品的数量，以 保证能连续供应生产中各环节所需的物料；另一个是通 过液位测量，了解液位是否在规定的范围内，以便使生 产正常进行，以保证产品的质量、产量和安全生产

23、。我 们一般把生产过程中的贮罐、反应器或各种塔类容器内 所存在的液体高度叫液位。液位测量仪表的种类很多，常用的几种测量仪表有： 玻璃液位计、磁翻板液位计、磁带伸缩液位计、差压液 位计、雷达液位计、超声波液位计、放射性液位计、浮 筒液位计等。在容器中液体介质的高低叫液位，容器中固体或颗 粒状物质的堆积高度叫料位。测量液位的仪表叫液位计， 测量料位的仪表叫料位计，而测量两种密度不同液体介 质的分界面的仪表叫界面计。上述三种仪表统称为物位 仪表。按其工作原理主要有下列几种类型:1.直读式物位仪表2.压差式物位仪表3.浮力式物位仪表4.电磁式物位仪表5.核辐射式物位仪表6.声波式物位仪表这里介绍几种常

24、见的物位仪表1.压差式液位计2.电容式物位计3.核辐射式物位计压差式液位计工作原理压差式液位计，是利用容器内的液位改变时，由液柱产生的静压也相应变化的原理而工作的XI% -压罄计压差式液位计原理饬二尸丄一护乂二上唸H -液位高度； p -介质密度；g -重力加速 度；Pa、Pb -分别为A、B两处的压力。核辐射式物位计工作原理不同介质吸收射线的能力不一样， 只要测定通过介 质的射线强度I ，介质的厚度就知道了，二"：-介质对射线的吸收系数；H -介质层的厚度；I-穿过介质后的射线强度I 捲受器HitqIII w®核辐射式物位计示意图电容式压力计工作原理在电容器的极板之间，允

25、以不同介质时，电容量的大小也不一样；因此，可通过测量电容的变化来检测液位、料位和两种不同液体得分界面。c=2 |In h ddQ =C-C. = 2/£ = KIn dL -两极板相互遮盖部分的长度；d、D -圆筒形内电极的外径和内径； £ -中间介质的介电常数； £ 0 -空气介电常数浮力液位计利用物体在液体中的浮力原理来实现液位测量超声波液位计超声波液位计是利用声波碰到液面或料面产生反射 波的原理，测出发射波和反射波的时间差，从而计算出液 面高度，用于连续测量雷达液位计雷达液位计是利用超高频电磁波天线向被测容器的液面发射，当电磁波碰到液面后反射回来，仪表检测出

26、发 射波和反射波的时间差，从而计算出液面高度第五节.温度测量及其变送温度测量仪表的种类温度测量的基本原理热电偶温度计热电阻温度计测温元件的安装温度不能直接测量，只能借助于冷热不同物体之间 的热交换，以及物体的某些物理性质随冷热程度不同而 变化的特性来加以间接测量。任意两个冷热程度不同的 物体接触，必然发生热交换现象，直到两物体的冷热程 度完全一致。温度计的分类:1. 按使用的测量范围分6000C以上的测温仪表叫高温计；600 °C以下的测温 仪表叫温度计。2. 按用途分标准仪表、实用仪表。3. 按工作原理分膨胀式温度计、压力式温度计、热电阻温度计、热电偶咼温计、辐射咼温计。4. 按测

27、量方式接触式、非接触式。测量温度时感受温度的元件称为感温元件。感温元 件是利用物质的不同物理性质来反映温度的，常用的物 理性质有以下几个方面：1. 利用物体受热体积膨胀的性质来测温。2. 利用工作物质的物质的压力随温度变化的原理测温。3. 利用金属导体的电阻随温度变化而变化的性质来测 温。4. 利用热电现象。5. 利用热辐射原理测温。基于物体受热体积膨涨的性质制成的温度计叫膨胀 式温度计。玻璃温度计是属于液体膨胀是温度计；双金 属温度计是属于固体膨胀式温度计 压力式温度计应用压力随温度的变化来测温的仪表叫压力式温度 计。它是根据在封闭系统中的液体、气体或低沸点的液 体的饱和蒸汽受热后体积膨胀或

28、压力变化这一原理制作 的，并用压力来测量这种变化，从而测得温度。热电偶温度计是以热电效应为基础的测量仪表.它的测量范围广、结构简单、使用方便、测量准确可靠， 便于信号的远传、自动记录和集中控制 热电偶温度计是由三部分组成的1. 热电偶（感温元件）；2. 测量仪表3. 连接热电偶和测量仪表的导线（补偿导线及铜线）1-热电偶；2-导线;3-测量仪表热电偶它是有两种不同材料的导体 A和B焊接而成，焊 接的一端插入被测介质中，感受被测温度，称为工作端 或热端，另一端及导线相连，称为冷端或自由端。 热电偶测温工作原理取两根不同材料的金属导线 A和B,将其两端焊在一 起,这样就组成一个闭合回路，如将其中的

29、一端加热，此 闭合回路中就有热电势产生，这种现象称为热电现象。E（t,t 0）为热电偶两点热电势的代数和，当 A、B材料固 定，To保持不变即eAB (to)常数，则E(t,t 0)为单值函 数；热电偶及其长短无关，只及材质和温度有关，材料 固定时，根据热电势的大小，可测得温度。工业用热电偶补偿导线的选用导线太短，冷热接近，冷端不冷.导线太长，价格昂贵.解决的办法是采用一种专用的导线，将热电偶的冷端延 伸出来，这种专用的导线就叫补偿导线冷端温度的补偿工业上常用的各种热电偶的温度-热电势关系曲线是在冷端温度保持为 0°C的情况下得到的，因此,我们在 应用热电偶测温时，只有将冷端温度保持

30、为00C,或者是 进行一定的修正才能得出准确的测量结果.这样做,就成为热电偶的冷端温度补偿.热电阻温度计是利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性 来进行温度测量的。热电阻其电阻值及温度的关系如下：Rt-温度为t0C时的电阻值；Rto-温度为t oOC时的电阻值；a-电阻温度系数； t-温度的变化量； R电阻值的 变化量例如:铂电阻在0-650 C范围内，铂电阻及温度的关系= Rt0(l +EF 4- Ct3)A3.95Ox10-3/oCB =-5.850/10_7/(°C)3C = -4 22 y 10/(° C)3测量元件的安装要求1. 在测量管道温度时，应保证测温元件及流体充分接触， 以减少测量误差。2. 测量元件的感温点应处于管道中流速最大处。3. 测温元件应有足够的插入深度，以减小测量误差。4. 若工艺管道过小（直径小于 80 mm），安装测温元件 处应接装过大管。5. 热电偶、热电组的接线盒面盖应向上，以避免雨水或 其他液体、脏物进入接线盒中影响测量。6. 为