1、仪表基础指示培训讲义,单位：仪修车间 培训人员：,简介,生产过程自动化的基础概念 自动化仪表的发展状况 仪表参数 过程控制仪表过程控制系统,生产过程自动化的基本概念,概念：简单的说：就是在生产过程中，在生产设备上配备一些自动化仪表、装置来显示、记录和控制生产过程中的重要工艺参数，使整个生产过程能自动的维持正常状态，当受到外界干扰的影响而偏离正常状态时，又能自动的调回到规定的数值范围内，这就是生产过程自动化。,生产过程自动化的基本概念,自动化系统分类:(一)自动检测系统：在生产过程中，为了及时而准确地了解与掌握生产过程运行的情况，需要用各种自动测量仪表，不断地对工业生产过程的各个参数进行检测，并
2、把测量结果自动地指示和记录下来，以代替操作者对各个参数的不断观察和记录。因此，自动检测系统又程为生产过程的“眼睛”。,生产过程自动化的基本概念,（二）自动信号联锁保护系统 当生产过程由于某一偶然因素，如仪表失灵或工艺上的原因引起生产过程不正常时，就有引起爆炸、燃烧或其它事故的可能。为了确保生产安全，保证产品质量，常对关键性参数设有信号自动联锁装置。在事故即将发生前，信号系统能自动的发出声、光报警信号，告诫人们注意。如工况过程接近危险时，联锁系统立即采取紧急措施，打开,生产过程自动化的基本概念,安全阀或切断某些通路，必要时紧急停车，以防止事故的发生和扩大。（三）自动操纵系统 自动操纵系统可根据预
3、先规定的步骤，自动地对生产设备进行某种周期性操作。它利用自动操纵装置可以自动地启动、停运设备，或进行交替动作。如果指挥系统是一个程序发生器，则构成了程序控制系统。,生产过程自动化的基本概念,（四）自动调节系统：生产过程中各种工艺条件不可能是一成不变的，生产过程大多属连续生产，各设备都相互关联着，其中某以设备中的工艺条件发生变化时，都可能引起其它设备中某些参数波动，或偏离正常的工艺条件时，为了保证生产能按预定生产技术指标的要求正常运行，就需要一些自动调节装置，对生产中某些重要的参数进行自动调节，使它们在受到外界干扰的影响而偏离正常状态时，能自动地回复到规定的数值范围内系统,生产过程自动化的基本概
4、念,另外我们要注意的是自动调节系统是一个负反馈系统（人工调节也是负反馈，不过这种负反馈作用是通过人来实现的）。该负反馈系统是将调节对象的输出，通过测量变送环节、调节环节、执行器反馈到调节对象输入端的闭合系统。,自动调节器,执行器（调节阀）,调节对象,测量变送环节,给定值,偏差,调节,信号,调节,作用,被调参数,测量值,自动化仪表的发展状况,（一）分散型控制系统 这是20世纪70年代后期由仪表制造厂和计算机制造厂推出的新产品。作为最简单的形式，它是由各个基本控制站与数据总线构成。每个控制站可控制几个回路，相互间由数据总线传递信息，并可配置屏幕显示器操作站等。（二）可编程数字调节器：简称单回路调节
5、器。它们采用微处理器为基本元件。不需另加A/D与D/A插件。,自动化仪表的发展状况,（三）微计算机系统 微计算机包括个人计算机（PC）、单片机、单板机等，有些本来是通用的，如加配A/D和D/A模块和操作台等，也可供过程控制之用。,仪表分类,按功能 按被测变量 按工作原理或结构形式 按组合形式 按能源 其他 压力 液柱式，弹性式，电气式，活塞式 单元组合 电、气 智能 温度 膨胀式，热电偶，热电阻，辐射 单元组合 智能 流量 节流式，转子式，靶式，电磁，漩涡 单元组合 电、气 智能 物位 直读，浮力，静压，声波，敷设，光学 单元组合 电、气 智能 成分 PH,氧化锆，色谱，红外，紫外 实验室和流
6、程显示仪表 模拟和数字 单点、指示和记录 电、气 多点、动圈，自动平衡电桥，电位差计 打印 调节 自力式 气动（控制）组装式 基地式 电动 仪表 可编程 单元组合 执行机构 薄膜、活塞、长行程、其他 执行机构和 气电液执行器 阀可以进行 对数直 阀 单通单座，单通双座，套筒（笼式）；球阀 各种组合 线快开 隔膜阀，偏心旋转，角形，三通，阀体分离 抛物线,仪表参数,仪表参数分温度、压力、物位、流量、成分等几种类别。用来测量这些参数的仪表称为测量仪表。一、压力：均匀而垂直地作用在单位面积上的力。1bar=1105帕（N/M2）1公斤1kgf/cm2=0.1mpa 10帕1mmh20 1标准大气压1
7、.1 105pa 在压力测量中，常有表压、绝对压力、负压或真空度之分。工程上所用的压力指示值，大多为表压（绝对压力的指示值除外）。表压是绝对压力之差，即P表压P绝对压力P大气压力。当被测压力低于大气压力时，一般用负压或真空度来表示，它是大气压力与绝对压力之差，即P真空度P大气压力P绝对压力,仪表参数,1、压力仪表类型的选用仪表类型的选用必须满足工艺生产的要求。例如是否需要远传、自动记录或报警；被测介质的性质（如被测介质的温度高低、粘度、大小、腐蚀性、脏污程度、是否易燃易爆等）；现场环境条件（如湿度、温度、磁场强度、振动等）2、压力仪表测量范围的确定 当测量稳定压力时，最大工作压力不应超过测量上
8、限值的2/3；测量脉动压力时，最大工作压力不应超过测量上限值的1/2；测量高压时，最大工作压力不应超过测量上限值的3/5。一般被测压力的最小值不应低于测量仪表上限值的1/3。从而保证仪表的输出量与输入量之间的线性关系，提高结果的精确度及灵敏度。,仪表参数,3、压力变送器的选用 需要在控制室内显示的仪表，一般选用压力变送器或压力传感器。对于爆炸危险场所，常选用气动压力变送器、防爆型电动2型或3型压力变送器；对于微压力的测量，可采用微差压变送器；对粘稠、易堵、易结晶和腐蚀性强的测量介质，宜选用带法兰的膜片式压力变送器；在大气腐蚀场所及强腐蚀性等介质测量中，还可选用1151系列、3051系列或820
9、系列压力变送器。二、温度：表征物体冷热程度的物理量。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量。,仪表参数,1、温度计的分类温度计 辐射式 光学式、比色式 非接触式 红外线 热敏探测、光电探测、热电探测 膨胀式 玻璃液体、双金属 接触式 压力式 液体、气体、蒸汽 热电偶 K型、E型、B型、S型、T型 热电阻 Cu50、Cu100、Pt10、Pt100 2、热电偶测稳基本原理将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合 回路，如图所示当导体A和B的两个接点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一定大小的电流，这种现象称为热电效应,t,t0,A,B,热电偶回路
10、,仪表参数,3、热电偶冷端的温度补偿 由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时，）而测稳点到仪表的距离都很远，为了节省热点偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热点偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。必须指出，热点偶补偿导线的作用只起延长热点极，使热点偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t0不等于零时对测温的影响。另外，在使用热点偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100摄氏度。,仪表参数,4、热电阻 热电阻是中低温区最常
11、用的一种温度检测器。热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜。热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线和显示仪表等组成。必须注意的是热电阻和显示仪表的分度号必须一致，并且为了消除连接导线电阻变化的影响，必须采用三线制接法。热电阻的常见故障是热电阻的短路和断路。,仪表参数,三、流量 流量就是单位时间内流经某一截面的流体数量。流量计是指测量流体流量的仪表，它能指示和记录某瞬时流体的流量值。流量仪表可分为两大类：（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流量的仪表。如差压式流量计、变面积流量计、电磁
12、流量计、旋涡流量计、冲量式流量计、激光流量计、堰式流量计和叶轮水表等。（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。如椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、刮板式流量计和活塞式流量计等等。,仪表参数,1、差压式流量计 节流装置与差压变送器配套测量流体的流量，是目前炼油、化工生产中使用最广的一种流量测量仪表。节流装置中应用最多的是孔板、喷嘴、文丘利管和文丘利喷嘴，其测量原理是：在管道中流动的流体具有动能和位能，在一定条件下这两种能量可以相互转换，但参加转换的能量总和是不变的。由节流元件、连接管路和差压变送器组成一体，统称差压式流量计。差压变送器由两部分组成，下半部分为测量部分，
13、包括测量室、测量元件（膜盒）等；上半部分为转换部分，包括主杠杆、适量机构、副杠杆、差压变送器、反馈机构、调零装置和放大器等。,仪表参数,2、容积式流量计 容积式流量计主要用来测量不含固体杂质的液体，如油类、冷凝液、树脂和液态食品等粘稠流体的流量。对于高粘度介质的流量，其他流量计很难测量，而容积式流量计却能精确测量，精度可达正负0.2%。3、转子流量计：又称面积式流量计或恒压降式流量计，它也是以流体流动是的节流原理为基础的一种流量测量仪表。工作原理：转子流量计是由一段向上扩大的圆锥形管子和密度大于被测介质密度且能随被测介质流量大小上下浮动的转子组成，当流体自下向上流过锥管时，转子因受到流体的冲击
14、而向上运动。随着转子的上移，转子与锥形管之间的环形流通面积增大，流体流速减低，冲击作减弱，直到流体作用在转子上向上的推力与转子在流体中的重力相平衡。此时，转子停留在某一高度上。如果流体的流量再增大，则平衡时转子所处位置更高，反之相反。根据转子悬浮的高低就可知流量的大小。,仪表参数,4、靶式流量计 靶式流量计主要测量某些粘度较高的介质或含有悬浮物及颗粒介质，如重油、渣油、沥青等，即低雷诺值、含固体颗粒的浆液以及腐蚀性介质。测量原理：靶式流量计是应用流体动压原理测量流量的，它是在流体经过的管道中，垂直于流动方向安装一圆盘型的钢片，称之为靶。当流体流动时，流动质点冲击于靶上，使靶受到作用力且与流速之
15、间存在一定的关系。因此，通过力矩转换的方式测出靶上所受到的力（动压），便可以求出流速和流量。靶式流量计的测量部分由靶、测量管、主杠杆、轴封膜片组成，它的作用是将被测流量转换成作用于主杠杆上的测量力矩；它的转换部分有气动和电动两种类型。,仪表参数,5、容积式流量计的特性（1）泄露量的影响 容积式流量计是采用精密测量体积的方法测量流体总量（累积流量），相对其它流量计而言，流量的大小和被测介质粘度的变化对其精度的影响较小。但限于转动元件和计量室的室壁之间总存在有一定的间隙，必然会引起被测介质的泄露，这就造成了仪表的示值与实际流过仪表的流体体积之间的误差。（2）流体粘度的影响 容积式流量计测量不同粘度
16、流体时，被测流体的粘度对仪表的误差是有影响的，粘度对误差的影响是通过泄露量的影响反映出来的，被测流体的流量越小，粘度越低，则仪表的误差越大。另外流体本身的粘度也造成一定的压力损失，所以容积式流量计的压力损失是较大的。,仪表参数,四、物位 物位测量的目的是：（1）正确测得容器储藏物质的容量或量重；（2）监视容器内物位，使之保持在一定高度，对物位允许的上、下限发出报警；（3）连续监视或调节容器中流入流出物料的平衡。物位测量仪表的种类很多，如果按液位、料位、界位来分可分为：（1）、液位：玻璃管（板）式、称重式、浮力式（浮筒、浮球、浮标）、静压式（压力式、差压式）、电容式、电感式、电阻式、超声波式、放
17、射性式、激光式及微波式等；（2）、界位：浮力式、差压式、电极式和超声波式等（3）、料位：重锤探测式、音叉式、超声波式、激光式、放射性式等,仪表参数,1、浮球式液位计 对于温度、粘度较高，而压力不太高的密闭容器内的液体介质的液位测量，一般采用浮球式液位计。2、浮筒式液位计 浮筒式液位计属于扭力管式液位变送器，它主要测量一些比较干净的、密度比较小、粘度比较小的介质。利用的是连通器的工作原理。它的量程取决于浮筒的高度。变送器的输出信号不仅于液位高度有关，并且于被测液体的密度有关，因此密度发生变化时，必须进行密度修正。浮筒式液位计还可用于两种液体分界面的测量。,仪表参数,3、差压式液位计 差压式液位计
18、是利用当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。普通差压式液位计测量液位时，导压管中需要灌注隔离溶液（甘油等）。另外，为了解决当测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及粘度大、易凝固等液位时，导压管线被腐蚀或被堵的问题，现在专门生产了双法兰式差压变送器。五、成分 成分分析仪表是对物质的成分及性质进行分析和测量的仪表。它可分为两类：一类是测定混合物中某一组分的含量或性质，如磁性氧分析仪、热导式气体分析仪等。另一类是测定多组分混合物中的几,仪表参数,种或全部组成的含量，如气相色谱仪等。1、磁性氧分析仪是根据氧气的磁化特性与烟气中其它气体有显著不同这一特性来进行工作的，可用于连续自动分
19、析氧含量。它具有反应速度快、不改变被分析气体的形态、稳定性好等优点。2、氧化鋯式氧分析仪 氧化鋯式氧分析仪与磁氧分析仪比较具有灵敏度高、反应速度快（磁氧式一般约1分钟左右，氧化鋯一般15秒以内）；再现性好、稳定性好；结构简单、造价低、维修量小等优点，因此已成为监控燃烧过程的重要仪表。它的工作原理是利用氧浓度固体电解质电池的原理，做成探头的形式，通过测量输出电势来反映氧含量的多少。,仪表参数,为了正确测量气体中的氧含量，使用氧化鋯分析仪时必须注意一下几点：（1）、保持恒定的温度。要求氧化鋯管的工作温度一般在600至1000摄氏度范围内，常用温度在800摄氏度左右。（2）、氧化鋯管不能有裂纹或微笑
20、孔洞，检测系统无泄漏。否则将会导致空气漏入被测气样，从而使两侧氧浓差下降，输出电势减小，测量结果偏高。（3）、必须使参比气体和被测气体的压力相等。这样输出电势才能直接反映氧含量。（4）、氧化鋯管内、外两侧气体要不断流动更新。一般气体流量选择在200至300毫升/秒。（5）、由于电势与氧含量之间位非线性关系，若用氧浓度差电势作为调节信号，应对此输出信号进行线性化处理。（6）、消除气样中有碍测量的气体。如SO2、水蒸气或灰尘等。,仪表参数,3、气相色谱分析仪 色谱分析是一种物理化学的分析方法，其特点使被 分析的混合物通过色谱柱将各组分进行分离，并通过检测器输出与组分的量成比例的信号。气相色谱分析仪
21、是一种多组分分析仪器。它利用分离技术能对混合物中的多种组分测定。具有选择性强、灵敏度高、分析速度快、应用范围广等特点，且结构简单，操作方便，被广泛的应用于石油化工、冶金、医药、食品、环保等各个工业生产部门和科研部门。,过程控制仪表,过程控制仪表主要包括变送器、调节器和执行器。变送器将被被测工艺参数转换成统一信号并将信号远传，它在调节系统中的作用类似于人的眼睛，是用来获取信息的。调节器在调节系统中起分析、运算、判断决策的作用，类似于人的大脑，具体的说，它是依据变送器反馈来的信息，按调节规律运算后输出动作信号的仪表。执行器是相当于手的仪表，它按调节器送出的动作信号对生产对象施加影响，有效地控制生产
22、过程。,过程控制仪表,一、调节规律 自动调节系统的作用就是始终保持被调参数稳定在工艺要求的量值上，这个工艺要求的量值称为给定值（Sv）。被调参数的实际值被称为测量值（Pv）。由于被调对象可能受到干扰的影响，使得测量值偏离给定值，二者之差称为（Dv）。一般规定测量值减去给定值作为偏差，它是有正负之分的量。调节器输出信号相对原控制点发生的变化量（即调节作用）与偏差之间的关系可用下面两个概念来描述。定性的看，在测量值大于给定值，即偏差为正时，如果输出信号增大（即输出变化量为正），称调节器的这种作用为正作用；反之，在负偏差时输出信号增大，称为反作用。调节器的正、反作用时人为选择设置的，选定后不随偏差而
23、改变。定量的看，输出信号变化量与偏差之间有很多类型的量值关系，还可能是与时间有关的函数关系。这种量值关系称为调节规律。调节器的调节规律也是人为设置的，选定后不随偏差和时间而改变。,过程控制仪表,因此，调节器在自动调节系统中的作用也可以这样说：当被调对象没有受到干扰（偏差为零）时输出信号稳定在某个控制点上；当受到干扰即偏差不再为零时，输出信号按已选定的正反作用和调节规律而发生变化。在自动调节中，最基本的调节规律有四种：位式调节、比例调节、积分调节、微分调节 1、比例调节规律（P）（1）比例调节规律规律的定义是：调节阀输出信号与输入信号（偏差）成比例的调节规律。具有比例调节规律的调节器称比例调节器
24、。调节器输出变化值 MvKPDv KP比例系数，Dv偏差（2）比例度及其对调节过程的影响：比例度就是指调节器输入的相当变化量与输出相对变化量之比的百分数。PB值增加则KP减小，调节作用减弱；反之增强。,过程控制仪表,（3）比例度对调节过程的影响：PB小，调节作用强，过程波动大，不易稳定，出现等幅或发散振荡，PB适当时，最大偏差和余差均不大；PB太大时，KP小作用弱，调节过程缓慢。（4）比例作用的特点：比例调节作用及时，作用强；有余差，即调节精度不高，只能用于干扰较小（负荷变动不大）以及允许有余差的对象。2、积分调节（I）积分就是随时间进行积累，积分作用取决于偏差的存在与否，积分作用能消除余差，
25、偏差越大，输出变化越快。积分值给的越小，则积分作用越强，过程振荡，不稳；积分值越大，积分作用减弱，余差消除的很慢。积分作用的特点：输出变化量与偏差的积分成正比；可消除余差；调节作用较比例调节慢。另外积分作用不单独使用，而与比例作用合在一起使用。,过程控制仪表,3、微分调节（D）D为微分时间，输出变化量与偏差变化速度成正比。当D取值越大时，微分作用越强，反之越弱。微分作用的特点：具有超前作用，对偏差变化快、过渡滞后的对象，可提高调节质量；有余差，但比纯比例调节要小，微分取值越大，余差值减小。4、比例积分微分调节规律（PID）Mv=KpDv+1/TI(Dvdt)+TD(dDv/dt)比例作用在克服
26、干扰中起主要作用；积分作用用于消除余差；微分作用用于超前调节。其实P就相当于“粗调”，I相当于“细调”，P粗调偏差，I细调余差。,过程控制仪表,5、执行器 在自动调节系统中，执行器是依据调节器送出的操作信号，对生产过程（被调对象）施加影响，有目的地改变调节参数的装置。执行器由执行机构和调节机构组成。执行机构的作用就是将调节器来的信号转变为相应的推力合位移，用于带动调节机构完成调节动作。根据所用能源的不同，执行机构气动、液动、电动和自力式等。执行机构的正反作用：信号增大时推杆下移为正作用。调节机构在执行机构带动下，通过改变流体流过调节阀时的流通面积来调节流量。主要由上阀盖、填料、阀体、阀座、阀芯
27、、下阀盖组合而成。调节机构按阀芯动作方式的不同可分为直行程和角行程两种。直行程阀主要有直通单座、双座阀、三通阀、角形阀、套筒阀；角行程阀有：蝶阀、球阀、V形球阀、偏心旋转阀（凸轮挠曲阀）。,过程控制仪表,调节机构的流量特性：表示调节阀的相对开度与流过的相对流量之间的关系。调节机构的正反作用：正作用：阀杆下移时，阀关小（正装）执行器的选择与使用 执行机构 调节机构 执行器 作用 正 正 气关式 正作用 正 反 气关式 反作用 反 正 气开式 反作用 反 反 气开式 正作用 执行器有正反作用之分，正作用时信号增大，流量减小，选择正反作用的原则时要保证在执行器信号中断时阀门自动归位到工艺安全的位置。
28、,过程控制仪表,执行机构的选择：考虑直行程、角行程、不平衡力 调节机构的选择：结构形式和材质；介质和工况；流量特性；额定流量系数以及口径的选择。执行器安装：执行器应安装在易拆卸、维修不振动的地方，执行器安装在管道上时要有切断阀和旁路。,过程控制系统,自动调节系统的过渡过程和品质指标 自动调节系统的过渡过程：自动系统在动态过程中，被调参数是不断变化的，它随时间变化的过程即自调系统的过渡过程，就是系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。过渡过程的形式 在阶跃干扰作用下调节系统的过渡过程有以下几种：非振荡衰减过程、衰减振荡过程、等幅振荡过程、发散振荡过程调节系统的品质指标 多数情况下希望得到衰减振荡过程，因为非振荡过程变化缓慢，所以通常取衰减振荡过程的过渡形式来讨论调节系统的品质指标：最大偏差或超调量（衡量系统稳定程度的指标）余差表示的是系统调节精度。衰减比是衡量稳定性的指标。过渡时间：从干扰产生作用起至被调参数重新建立,过程控制系统,新的平衡为止，过渡过程所经历的时间。过程时间反映的是调节的速度指标。振荡周期或频率：过渡过程同向两波峰（波谷）之间的间隔时间称为 T。这些指标中：希望余差尽量小，最大偏差小一些，过渡时间短一些，衰减比要适当。,
