仪表基础知识讲座.ppt

1、仪表基础知识讲座,换热器温度控制系统,仪表知识,仪表技术的发展 检测技术 执行器 简单控制系统 流体输送设备的控制 DCS控制的应用,仪表技术的发展,20世纪50年代：是电子真空管时代，工业生产过程规模比较小，所用的仪表与控制系统都比较简单且粗笨，测量与控制多采用气动仪表，标准信号为0.21.0kgfcm2(315psi)气动信号，记录仪是电子管式的自动平衡记录仪，控制系统为就地式的简单控制装置。 20世纪60年代：随着工业规模的不断扩大，特别是石油化工工业的迅速发展，工业生产过程要求集中操作与控制。在这期间，半导体技术有了迅速的发展，自动化仪表开始用电动仪表，晶体管代替电子管，开发出以半导体

2、分立元件制造成的电动型仪表，信号标准为010mA直流电流信号，采用中央仪表控制室对工业生产过程进行操作、监视与控制 。 20世纪70年代：由于集成电路和微处理器的工业化生产，使电动仪表更可靠，很快开发出(DDZ-型)电动型仪表，信号标准为4 20mA直流电流信号 。DCS，PLC 也开始应用。 20世纪80年代：DCS广泛在工业生产过程控制中应用。同时，自动化仪表数字化、智能化不断创新，网络、通信技术引入到自动控制系统中，友好的人机界面，工业电视成为工业自动化的重要手段之一。信号标准有4 20mA直流电流信号 和数据信号. 20世纪90年代：工业生产过程自动化(PA)，工厂自动化(FA)、 计

3、算机集成制造技术(cIMs，cIPs)、 企业资源规划(ERP)、 现场总线控制技术 (Fild Bus),二、检测技术,检测技术，就是利用各种物理化学效应，选择合适的方法和装置，将生产、科研、生活中的有关信息通过检查与测量的方法赋予定性或定量结果的过程。能够自动地完成整个检测处理过程的技术称为自动检测与转换技术。对于检测仪表来说，包括检测、变送与显示三个部分。 在自动化中，最常见的变量有温度、压力、流量、物位等。利用检测元件将工艺变量转化成一个与之成对应关系的输出信号（420mA直流电流信号）。,测量误差,测量误差：从检测仪表获得的被测值与实际被测变量真实值之间存在一定的差距，可分为绝对误差

4、和相对误差。,绝对误差是指仪表指示值x与被测量的真值x0之间的差值，即 = x一x0 (11),相对误差即仪表引用误差，它是绝对误差与测量标尺范围之比. (XX0) = -100 (12) 标尺上限一标尺下限 (XX0) max max= -100 (13) 标尺上限一标尺下限,仪表性能指标,精确度 变差 线性度 灵敏度和分辨率 动态误差,线性度示意图,常见的检测仪表,温度检测仪表 流量检测仪表 压力检测仪表 物位检测仪表,二、温度检测,1、主要温度检测方法 a、接触式 膨胀式：玻璃液体、双金属 压力式：气体、蒸汽、液体演示 热电类：热电偶 热电阻：铂电阻、铜电阻、热敏电阻 其他电学：集成温度

5、传感器、石英晶体温度计,b、非接触式 光纤类：光纤温度传感器、光纤辐射温度计 辐射式：辐射式、光学式、比色式,2、热电偶介绍,(a)热电偶热电效应 EAB(，0)=EAB()一EAB (0) (15) EAB(，0)=f()一C =() (16) （b）热电偶测温回路,A,A,工业常用热电偶外形结构,普通型热电偶 铠装热电偶 多点式热电偶 隔爆型热电偶 表面型热电偶,普通型热电偶基本结构图 铠装热电偶,补偿导线,热电偶参比温度补偿方法 计算法：根据补偿原理计算修正； 冰浴法：一般仅用于实验室； 机械调零法：一般仪表在未工作时指针指 在零位(机械零点)； 补偿电桥法：利用参比端温度补偿器产生 的

6、不平衡电势去补偿热电偶因温度变化而 引起的热电势变化值。（温度变送器）,3、热电阻分类,金属热电阻,工业用热电阻的结构型式有普通型、皑装型和专用型等型式,a)铜电阻 b)铂电阻 c)电阻体的外形,普通热电阻结构,半导体热敏电阻,c)管形,半导体热敏电阻结构,a)珠形 b)棒形,4、电偶、热电阻的选用,(1)选择 一般热电偶用于较高温度的测量，在500以下(特别是300以下)用热电偶测温就不十分妥当。中低温区采用热电阻进行测温。,(2)安装 选择有代表性的测温点位置，测温元件有足够的插人深度。 热电偶或热电阻的接线盒的出线孔应朝下，以免积水及灰尘等 造成接触不良，防止弓入扰动信号。 检测元件应避

7、开热辐射强烈影响处。,4、电偶、热电阻的选用,(3)使用 热电偶测温时，一定要注意参比端温度补偿。除正确选择补偿导线、正负极性不能接反外，热电偶的分度号应与配接的变送、显示仪表分度号一致。 热电阻分度号要与配接的温度变送器、显示仪表分度号一致。,三、流量检测,流量是指单位时间内流过管道某一截面的流体的数量，即瞬时流量。 瞬时流量在某一时段的累积量称为累积流量(总流量)。,流量通常有三种表示方法 质量流量qm 工作状态下的体积流量qv。 qm = qv或qv = qm/ 标准状态下的体积流量qvn。 qvn= qm/Pn或qm= qvnPn qv=qvP/Pn或qv= qvnPn/P,流量是指单

8、位时间内流过管道某一截面的流体的数量，即瞬时流量。 瞬时流量在某一时段的累积量称为累积流量(总流量)。,流量是指单位时间内流过管道某一截面的流体的数量，即瞬时流量。 瞬时流量在某一时段的累积量称为累积流量(总流量)。,三、流量检测,1、流量检测的主要方法 (1)测体积流量 容积法 速度法：差压式(节流式)、旋涡式、涡轮式、声学式、热学式 (2)测质量流量 直接法直接测量质量流量 间接法又称推导法,2、速度式流量计,（1）节流装置包括孔板、喷嘴和文丘管,节流装置前后的压力分布情况,节流装置与差压变送器连接,要使仪表的指示值与通过管道的实际流量相符，必须做到以下几点 差压变送器的差压和显示仪表流量

9、标尺选择时应与节流装置孔径匹配。 在测量蒸汽和气体流量时，遇到工作条件的密度p与设计时的密度c不相同，必须对示数进行修正。 显示仪表测量值(差压信号)要经开方运算线性化处理后再送显示仪表。 节流装置应正确安装。 接至差压变送器的差压应该与节流装置前后差压相一致，这就需要正确安装差压信号管路。（如后面图示）,被测流体为液体时的信号管路安装示意图,被测流体为气体时 信号管路安装示意图,被测流体为水蒸气时 信号管路安装示意图,被测介质具有腐蚀性时采用喷吹系统,(2)靶式流量计,(3)转子流量计演示,(2)靶式流量计,(3)转子流量计演示,(6)旋涡流量计,(7)超声波流量计,(4)涡轮流量计演示,(

10、5)电磁流量计,3、容积式流量计,椭圆齿轮测量流量示意图,4、质量流量计,(1)科里奥利质量流量计,(2)量热式质量流量计,(3)间接式质量流量计,按被测介质特性选用流量计,5、流量仪表的选用,按被测介质特性选用流量计,四、压力检测,1、压力单位和压力检测方法 （1） 压力单位 在工程上，压力定义为垂直均匀地作用于单位面积上的力，用符号P表示。在国际单位制中定义1N垂直作用于1m2面积上所形成的压力为l帕斯卡(简称“帕”，符号Pa)。,表压力是指一般压力仪表所测得的压力。P表压=P绝对压力一P大气压力 真空度是指大气压与低于大气压的绝对压力之差，是负的表压(负压)，即 P真空度=P大气压力一P

11、绝对压力,(2)压力的表示方法 压力有绝对压力、表压力、负压或真空度三种表示方法，其关系如右图。绝对压力是指物体所受的实际压力。,(3)压力的检测方法 弹性力平衡方法基于弹性元件的弹性变形特性进行测量。 重力平衡方法主要有活塞式和液柱式。 机械力平衡方法。 物性测量方法基于在压力作用下测压元件的某些物理特性发生变化的原理。,2、常用压力检测仪表,（1）弹性式压力表 演示,膜片 波纹管 弹簧管,平薄膜 波纹膜,波纹管,单圈弹簧管,多圈弹簧管,(2)压力传感器,应变片式压力传感器 压电式压力传感器 压阻式压力传感器 电容式压力传感器 集成式压力传感器,压电式压力传感器结构示意图,应变片式压力传感器

12、,箔式应变片,压电式压力传感器结构示意图,压电式压力传感器,压电式压力传感器结构示意图,压阻式压力传感器,压电式压力传感器结构示意图,电容式压力传感器,压电式压力传感器结构示意图,电容式压力传感器示意图,集成式压力传感器,压电式压力传感器结构示意图,3、压力表的选用 压力表的选用主要包括仪表型式、量程范围、精度和灵敏度、外形尺寸以及是否还需要远传和其他功能。选用的依据如下： 必须满足工艺生产过程的要求，包括量程和精度； 必须考虑被测介质的性质，如温度、压力、粘度、腐蚀性等； 必须注意仪表安装使用时所处现场环境条件，如环境温度、振动等。,五、物位检测,物位包括三个方面：液位 料位 界位,1、物位

13、检测方法 直读式 静压式 浮力式 机械接触式 电气式 声学式 射线式 光学式 物位开关工作原理与相应的物位计工作原理相同，物位开关有浮球式、电学式、超声波式、射线式、振动式等。,(1)差压式液位计 利用静压原理来测量,2、常用物位检测仪表,P1=PA+hg P2=PA P=Pl-P2=hg,正迁移:当差压式液位计的取压口低于储槽底部 P1=PB+ hopg =PA+ hg +hog P2=PA P=P1-P2= hg +hog,负迁移:当差压式液位计的取压口高于储槽底部 P1=PA+ h1g +ho2g P2=PA +h12g P=P1一P2= h1g -（h1-ho）2g,利用差压式液位计还

14、可以测量液体的分界面 P1=h02g+(h1+h2)1g P2=(h2+h1+h0)lg p=Pl-P2= 0g(2-1),(2)电容式物位计,电容式物位计原理图,(3)超声波物位计,H=(1/2)vt (126),(4)核辐射式物位计,(5)磁翻转式液位计,第二章 执行器,执行器在自动控制系统中的作用就是接收控制器输出的控制信号，改变操纵变量，使生产过程按预定要求正常进行。 执行器由执行机构和调节机构组成，按其能源形式可分为气动、电动和液动三大类。,气动薄膜控制阀图例： 1一上盖；2一薄膜；3一托板；4一阀杆；5一阀座；6一阀体；7一阀芯；8一推杆；9一平衡弹簧；10一下盖,（一）气动执行机

15、构,(a)l一上膜盖；2一波纹薄膜；3一下膜盖；4一支架；5一推杆；6一压缩弹簧；7一弹簧座；8一调节件；9一螺母；10行程标尺 (b)1一上膜盖；2波纹薄膜；3一下膜盖；4一密封膜片；5一密封环；6一填块；7一支架；8一推杆；9一压缩弹簧；10一弹簧座；ll一衬套；12一调节件；13一行程标尺,(1)薄膜式 传统型,(a）正作用,(b)反作用,（一）气动执行机构,侧装式气动执行机构,(a）正作用气关,(b)反作用气开,侧装式气动执行机构,轻型气动执行机构,直行程反作用式,采用双重弹簧的轻型执行机构图,(2)活塞式,电动执行机构一般可以分为直行程、角行程、多转式三种。 直行程电动执行机构通常用

16、来推动单座、双座、三通、套筒等控制阀。 角行程电动执行机构常用来推动蝶阀、球阀、偏心旋转阀等转角式控制阀。 多转式电动执行机构通常用于推动问阀或由执行电动机带动旋转式的调节机构，如各种泵等。,（二）电动执行机构,二、控制阀,（一）控制阀结构,控制阀机构示意,控制阀是一个局部阻力可以改变的节流元件,控制阀的正反作用,由于执行机构有正、反两种作用方式，控制阀也有正、反两种作用方式，因此就可以有四种组合方式组成气开或气关型式,（二）控制阀类型,(1)直通单座控制阀,(1)直通双座控制阀,(3)角型控制阀,(4)隔膜控制阀,l阀杆；2网盖；3阀芯；4隔膜；5阀体,三通阀的应用,(5)三通控制阀,(6)

17、套筒型控制阀,1一阀塞；2套筒,第三讲 简单控制系统,一、系统组成原理及分析,（一）系统组成原理,简单控制系统是由一个控制器、一个变送器(测量仪表)、一个执行器(控制阀)和一个被控对象所组成的控制系统。也称为单回路控制系统。,换热器温度控制系统,右图控制系统的各个组成部分介绍： (1)被控对象：该控制系统有一个被控变量，即换热器中被加热介质的出口温度T，有时也称为被调变量或受控变量；一个被控对象，即换热器；一个操纵变量，即热载体蒸汽的流量，有时也称为控制变量。,换热器温度控制方块图,(2)控制器：实际的控制器包括方块图中的比较部分和控制器方块两个部分，即用虚线框起来的部分。控制器方块实现各种控

18、制规律，控制规律是控制器输入信号与输出信号之间的数学关系。,(3)测量变送单元：构成该单元的仪表比较复杂多样，但从控制系统功能分析角度看，这一部分就是把被控变量测量出来并转换为控制器可以接受的信号。,(4)执行器：过程控制中，执行器以气动执行器居多。气动执行器接受控制器发出的控制信号，使阀门处于一个相应的开度，操纵变量也就有一个相应的流量作用于被控对象上，执行器还可以根据控制系统的要求改变特性和作用方向。,（二）控制过程分析,(1)平衡状态 ：当流入系统的蒸汽传递给冷流体的热量，使被加热物料出口温度维持在所要求温度上时，设蒸汽的量及品质保持不变，冷流体的量及品质也保持不变，则控制系统处于平衡状

19、态，并将保持这个动态平衡，直至有新的扰动量发生，或人们对被加热物料出口温度T有新的要求。,(2)扰动分析 ：扰动一般都是随机性质的，无法预知的，但当它们最终影响到出口温度T发生变化时，控制系统都能够加以克服。,(3)控制过程： 本例控制过程可用符号简洁地表达为：,当扰动使出口温度T下降时有：,如果系统为正反馈，就不能克服扰动：,二、简单控制系统的设计,（一）控制系统设计概述,(1)基本要求 ： 首先，要求自动控制系统设计人员掌握较为全面的自动化专业知识，熟悉所要控制的工艺装置对象； 其次，要求自动化专业技术人员与工艺专业技术人员进行必要的交流，共同讨论确定自动化方案； 第三，自动化技术人员要切

20、忌盲目追求控制系统的先进性和所用仪表及装置的先进性。 第四，设计一定要遵守有关的标准、行规，按科学合理的程序进行。,(2)基本内容： 确定控制方案； 仪表及装置的选型； 相关工程内容的设计。,(3)基本步骤： 初步设计； 施工图设计； 设计文件和责任签字； 参与施工和试车； 设计回访。,（二）被控变量的选择,在多个变量中选择被控变量应遵循下列原则：,尽量选择能直接反映产品质量的变量作为被控变量； 所选被控变量能满足生产工艺稳定安全、高效的要求； 必须考虑自动化仪表及装置的现状。,（三）操纵变量(或调节变量)的选择,操纵变量的选取应遵循下列原则： 操纵变量必须是工艺上允许调节的变量； 操纵变量应

21、该是系统中所有被控对象的输入变量中的对被控变量影响最大的一个，控制通道的放大系数K要尽量大一些，时间常数T适当小些，滞后时间尽量小； 不宜选择代表生产负荷的变量作为操纵变量，以免产量受到波动。,（四）控制器及控制规律的选择,(1)控制规律的选择： 主要根据过程特性和要求来选择。 位式控制； 比例控制； 比例积分控制； 比例微分控制； 比例积分微分控制。,（四）控制器及控制规律的选择,选择控制规律的原则可归纳为以下几点： 当广义过程控制通道的时间常数大，或多容量引起的容量滞后大时，采用微分作用有良好效果，积分作用可以消除余差； 当广义过程控制通道存在纯滞后时，若用微分作用来改善控制质量是无效的；

22、 当广义过程控制通道的时间常数较小，系统负荷变化也较小时，为了消除余差，可以采用PI控制规律； 当广义过程控制通道时间常数较小，而负荷变化很大时，这时采用微分作用和积分作用都易引起振荡。如果控制通道时间常数很小时，可采用反微分作用来提高控制质量。 当广义过程控制通道的时间常数或时滞很大，而负荷变化又很大时，简单控制系统无法满足要求，可以设计复杂控制系统来提高控制质量。,(2)控制器作用方向的选择,方块的正反作用方向： 方块的正作用方向，是指该方块的输入信号增加，输出信号增加； 输入信号减小，输出信号亦减小；,“正”作用水槽系统及方块图,(2)控制器作用方向的选择,方块的反作用方向： 方块的反作

23、用方向，是指该方块的输入信号增加，输出信号减小； 输入信号减小，输出信号增加,“反”作用水槽系统及方块图,(2)控制器作用方向的选择,控制规律方块的正反作用方向： 控制规律方块的正反作用方向的选择依据是使控制系统为负反馈。,正作用控制器和反作用控制器 ： 比较点和控制规律方块两部分的作用方向符号相乘为“一”，该控制器就称为“反作用”控制器；如果两部分的符号相乘为“+”，则控制器称为“正作用”控制器。,(2)控制器作用方向的选择,控制系统的方块图,(五)执行器(气动薄膜控制阀)的选择,(1)控制阀结构类型及材质的选择,(五)执行器(气动薄膜控制阀)的选择,(2)控制阀气开、气关形式的选择 首先要

24、从生产安全出发，应能确保生产工艺设备的安全，不致发生事故。 从保证产品质量出发，不应降低产品的质量。 从降低原料、成品、动力损耗来考虑。 从介质的特点考虑。,(3)控制阀流量特性的选择,(4)控制阀口径大小的选择 主要依据阀的流量系数，不宜将控制阀口径选的太小或过大。,三、简单控制系统的投运与参数整定,（一）投运步骤,(1)投运前的准备 熟悉被控对象和整个控制系统，检查所有仪表及连接管线等等。 现场校验所有的仪表，保证仪表能正常的使用； 根据经验或估算，设置KP，T1和TD； 确认控制阀的气开、气关作用； 确认控制器的正、反作用； 如被控变量受扰动有一个增加，看控制系统能否克服扰动影响。,(2

25、)现场的人工操作,控制阀安装示意图,(3)手动遥控,(4)投人自动,（二）控制器参数整定,控制器参数整定有两大类方法：理论计算法和工程整定法。,(1)临界比例度法,临界比例度法,工程整定法有三种：经验法、临界比例度法和衰减曲线法。,(2)衰减曲线法,4：1衰减曲线法,10：1衰减曲线法,（二）控制器参数整定,(3)经验法,(4)s,T1,TD对过渡过程曲线的影响,(5)看曲线调参数,三种振荡曲线比较,比例度过大、积分时间过大时的曲线,第四讲 流体输送设备的控制,第四章 流体输送设备的控制,用于输送流体和提高流体压头的机械设备，通称为流体输送设备。 输送液体、提高压力的机械称为泵； 输送气体并提

26、高压力的机械称为风机和压缩机。 流量控制系统的主要扰动是压力和阻力的变化,流体输送设备控制系统具有如下几个特点 控制通道的对象时间常数小，需要考虑控制阀和测量元件的惯性滞后； 测量信号伴有高频噪声。 静态非线性。 流量控制系统的测量仪表精确度要求不高，而要保持变差小、性能稳定。,一、泵的控制,（一）离心泵的控制,泵的压头H和流量Q及转速n间的关系，称为泵的特性。可用公式表示为： H=kln2-k2Q2,离心泵的特性曲线,aa一相应于最高效率的工作点轨迹， nln2n3n4,当离心泵装在管路系统时，实际的排出量与压头需要与管路特性结合起来考虑 当系统达到平稳状态时，工作点c的流量可以通过以下方案

27、来控制,管路特性,改变控制阀开启度，直接节流,(a)流量特性,改变泵的转速以控制流量,采用旁路以控制流量,（二）容积式泵的控制,容积式泵有两类：一类是往复泵，包括活塞式、柱塞式等；另一类是直接位移旋转式，包括椭圆齿轮泵、螺杆式等。 泵的排出量与管路系统无关。往复泵只取决于单位时间内的往复次数及冲程的大小，而旋转泵仅取决于转速。它们的流量特性大体如图所示。,往复泵的特性曲线,（二）容积式泵的控制,往复泵的控制方案有以下几种： 改变原动机的转速。 改变往复泵的冲程。 通过旁路控制。 利用旁路阀控制，稳定压力，再利用节流阀来控制流量(如图所示),往复泵出口压力和流量控制,二、压缩机的控制,压缩机是指输送压力较高的气体机械，一般产生高于300 kPa的压力。 压缩机分为往复式压缩机和离心式压缩机两大类。 往复式压缩机适用于流量小，压缩比高的场合，其常用控制方案有：汽缸余隙控制；顶开阀控制(吸人管线上的控制)；旁路回流量控制；转速控制等。,一台大型离心式压缩机通常有下列控制系统： 气量控制系统(即负荷控制系统)。常用气量控制方法有：出口节流法；改变进口导向叶片的角度；改变压缩机转速的控制方法。,氮压缩机汽缸余隙及旁路阔控制流程图,压缩机人口压力控制。入口压力控制方法有：采用吸人管压力控制转速来稳定人口压力；缓冲罐压力可以采用旁路控制；