仪表基础知识讲座综述

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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,