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1、化工仪表及自动化 目录 第一章测量仪表基本知识第二章压力测量仪表第三章流量测量仪表第四章物位测量仪表第五章温度测量仪表第六章自动成份分析仪表第七章自动控制仪表第八章执行器 第一章测量仪表基本知识 第一节 化工自动化仪表的发展化工仪表及自动化 最早出现在四十年代 那时的仪表体积大 精度低 六十年后半期 随着半导体和集成电路的进一步发展 自动化仪表便向着小体积 高性能的方向迅速发展 并实现了用计算机作数据处理的各种自动化方案 七十年代以来 仪表和自动化技术又有了迅猛的发展 新技术 新产品层出不穷 多功能组装式仪表也投入运行 特别是微型计算机的发展 在化工自动化技术工具中发挥了巨大作用 1975年出
2、现了以微处理器为基础的过程控制仪表 集中分散型控制系统 把自动化技术推到了一个更高的水平 电子技术 计算机技术的发展 也促进了常规仪表的发展 新型的数字仪表 自动化仪表 程序控制器 调节器等也不断投入使用 第二节 化工自动化仪表的分类化工自动化仪表的分类方法很多 根据不同原则可以进行相应的分类 按仪表所使用的能源分类 可以分为气动仪表 电动仪表和液动仪表 很少见 按仪表组合形式 可以分为基地式仪表 将测量 显示 控制等各部分集中组装在一个表壳里 从而形成一个整体 并且可就地安装的的一类仪表 单元组合仪表 以统一的标准信号 将对参数的测量 变送 显示及控制等各种能够独立工作的单元仪表 简称单元
3、例如变送单元 显示单元 控制单元等 相互联系而组合起来的一种仪表综合控制装置 按仪表安装形式 可以分为现场仪表 盘装仪表和架装仪表 架装仪表是针对常规仪表的盘装表而言 不需要操作的仪表就装成架装仪表 需要操作的安装成盘装仪表 根据仪表信号的形式 可分为模拟仪表和数字仪表等等 第三节 化工自动化控制仪表优势功能化工自动化控制仪表 主要特点是采用先进的微电脑芯片及技术 减小了体积 并提高了可靠性及抗干扰性能 实现真正的以逸待劳的目的 仪表有了可编程功能计算机的软件进入仪表 可以代替大量的硬件逻辑电路 这叫硬件软化 特别是在控制电路中应用一些接口芯片的位控特性进行一个复杂功能的控制 其软件编程很简单
4、 即可以用存储控制程序代替以往的顺序控制 而如果带之以硬件 就需要一大套控制和定时电路 所以软件移植入仪器仪表可以大大简化硬件的结构 代替常规的逻辑电路 仪表有了记忆功能以往的仪表采用组合逻辑电路和时序电路 只能在某一时刻记忆一些简单状态 当下一状态到来时 前一状态的信息就消失了 但微机引入仪表后 由于它的随机存储器可以记忆前一状态信息 只要通电 就可以一直保存记忆 并且可以同时记忆许多状态信息 然后进行重现或处理 仪表有了计算功能由于自动化仪表内含微型计算机 因此可以进行许多复杂的计算 并且具有很高的精度 在自动化仪表中可经常进行诸如乘除一个常数 确定极大和极小值 被测量的给定极限检测等多方
5、面的运算和比较 仪表有了数据处理的功能在测量中常常会遇到线性化处理 自检自校 测量值与工程值的转换以及抗干扰问题 由于有了微处理器和软件 这些都可以很方便的用软件来处理 一方面大大减轻了硬件的负担 又增加了丰富的处理功能 自动化仪表也完全可以进行检索 优化等工作 第二章压力测量仪表 第一节 压力单位国际单位制 SI 帕 Pa 工程大气压 at标准大气压 atm毫米汞柱 mmHg毫米水柱 mmH2O1Pa 1牛 米2 N m2 1Mpa 1 105Pa1公斤力 厘米2 kgf cm2 0 0981MPa1巴 bar 0 1MPa1毫米水柱 mmH2O 9 81 10 6MPa1毫米水银柱 mmH
6、g 1 333 10 3MPa1标准大气压 atm 0 1013MPa 第二节 弹性式压力计测压原理 各种弹性元件在被测介质压力作用下会产生弹性变形 特点及适用场合 结构简单 价格便宜 测压范围宽 测量精度也比较高 在生产过程中获得了最广泛的应用 第三节 电气式压力计测压原理 把压力转换为电阻 电容 电感或电势等电量 从而实现压力的间接测量 特点及适用场合 反应较快 测量范围较广 精度可达0 2 便于远距离传送 所以在生产过程中可以实现压力自动检测 自动控制和报警 适用于测量压力变化快 脉动压力 高真空和超高压的场合 第四节 智能型压力变送器高可靠性的微控制器及高精度温度补偿 将被测介质的压力
7、信号转换成4 20mADC标准信号叠加HART数字信号 支持现场总线基于现场控制 具有完整的自诊断功能和通讯功能 零点自动迁移 零点量程外部可调 通过手持器和PC机可实现远程管理 第五节 压力计的选用压力检测仪表的选择主要包括仪表的型式 量程范围 精度与灵敏度 外形尺寸以及是否需要远传和其他功能 如指示 记录 报警控制等 必须满足工艺生产过程的要求 包括量程与精度 必须考虑被测介质的性质 如温度高低 工作压力大小 粘度 易燃易爆程度等 必须注意仪表安装使用的现场环境条化 如环境温度 电磁场 振动等 第三章流量测量仪表 第一节 概述流量概念 指单位时间内流过管道某一截面的流体的体积 即瞬时流量
8、流量的两种表示方法 体积流量Q 单位时间内通过管道某一截面的物料体积 m3 h 质量流量M 单位时间内通过管道某一截面物料的质量 kg h 第二节 差压式流量计测量原理 在气体的流动管道上装有一个节流装置 其内装有一个孔板 中心开有一个圆孔 其孔径比管道内径小 气体流过孔板时由于孔径变小 截面积收缩 使稳定流动状态被打乱 因而流速将发生变化 速度加快 气体的静压随之降低 于是在孔板前后产生压力降落 即差压 孔板前截面大的地方压力大 通过孔板截面小的地方压力小 差压的大小和气体流量有确定的数值关系 即流量大时 差压就大 流量小时 差压就小 流量与差压的平方根成正比 1 节流元件2 引压管路3 三
9、阀组4 差压计 优点 应用最多的孔板式流量计结构牢固 性能稳定可靠 使用寿命长 应用范围广泛 至今尚无任何一类流量计可与之相比拟 检测件与变送器 显示仪表分别由不同厂家生产 便于规模经济生产 缺点 测量精度普遍偏低 范围度窄 一般仅3 1 4 1 现场安装条件要求高 压损大 指孔板 喷嘴等 一体化差压式流量计 流量孔板 第三节 转子流量计浮子流量计 又称转子流量计 是变面积式流量计的一种 在一根由下向上扩大的垂直锥管中 圆形横截面的浮子的重力是由液体动力承受的 浮子可以在锥管内自由地上升和下降 在流速和浮力作用下上下运动 与浮子重量平衡后 通过磁耦合传到与刻度盘指示流量 一般分为玻璃和金属转子
10、流量计 金属转子流量计是工业上最常用的 对于小管径腐蚀性介质通常用玻璃材质 由于玻璃材质的本身易碎性 关键的控制点也有用全钛材等贵重金属为材质的转子流量计 转子流量计的特点 转子流量计是工业上和实验室最常用的一种流量计 它具有结构简单 直观 压力损失小 维修方便等特点 转子流量计适用于测量通过管道直径D 150mm的小流量 也可以测量腐蚀性介质的流量 使用时流量计必须安装在垂直走向的管段上 流体介质自下而上地通过转子流量计 金属管转子流量计 玻璃管转子流量计 第四节 涡街流量计应用范围 涡街流量计用于测量气体 蒸汽或液体的体积流量 标况的体积流量 并可作为流量变送器应用于自动化控制系统中 测量
11、原理 涡街流量计应用是根据卡门 Karman 涡街原理来测量流量的 流体在管道中经过涡街流量变送器时 在三角柱的旋涡发生体后上下交替产生正比于流速的两列旋涡 旋涡的释放频率与流过旋涡发生体的流体平均速度及旋涡发生体特征宽度有关 涡街流量计与差压流量计测量饱和蒸汽流量对比 饱和蒸汽流量测量在80年代 人们普遍采用标准孔板流量计 但从流量仪表发展状况来看 孔板流量计尽管其历史悠久 应用范围广 人们对它的研究也最充分 试验数据最完善 但用标准孔板流量计来测量饱和蒸汽流量 它仍存在一些不足之处 其一 压力损失较大 其二 导压管 三组间及连接接头容易泄漏 其三 量程范围小 一般为3比1 对流量波动较大易
12、造成测量值偏低 而涡街流量计具有结构简单 涡街变送器直接安装于管道上 克服了管路泄漏现象 另外 涡街流量计的压力损失较小 量程范围宽 对饱和蒸汽测量量程比可达30比1 因此 随着涡街流量计测量技术的成熟 涡街流量计的使用越来越受到人们的青睐 涡街流量计 插入式涡街流量计 第五节 电磁流量计电磁流量计的工作原理电磁流量计的工作原理是基于法拉第电磁感应定律 在电磁流量计中 测量管内的导电介质相当于法拉第试验中的导电金属杆 上下两端的两个电磁线圈产生恒定磁场 当有导电介质流过时 则会产生感应电压 管道内部的两个电极测量产生的感应电压 测量管道通过不导电的内衬 橡胶 特氟隆等 实现与流体和测量电极的电
13、磁隔离 电磁流量计特点 测量精度不受流体密度 粘度 温度 压力和电导率变化的影响 传感器感应电压信号与平均流速呈线性关系 因此测量精度高 测量管道内无阻流件 因此没有附加的压力损失 测量管道内无可动部件 因此传感器寿命极长 由于感应电压信号是在整个充满磁场的空间中形成的 是管道载面上的平均值 因此传感器所需的直管段较短 长度为5倍的管道直径 传感器部分只有内衬和电极与被测液体接触 只要合理选择电极和内衬材料 即可耐腐蚀和耐磨损 双向测量系统 可测正向流量 反向流量 采用特殊的生产工艺和优质材料 确保产品的性能在长时候内保持稳定 电磁流量计 分体式电磁流量计 第六节 阿里巴流量计阿里巴流量计具有
14、根据空气动力学设计 可大大降低传感器处流体分离产生的误差 在同类产品中可达到更高精度 性能更加优于传统的流量仪表 阿里巴流量传感器是检测杆 取压口和导杆组成 它横穿管道内部与管轴垂直 在检测杆迎流面上设有多个总压检测孔 分别由总压导压管和静压导压管引出 根据总压与静压的差压值 计算流经管道流量 特点 1 精度 读数的 1 未标定 0 5 标定 同类产品最高 2 重复性 读数的0 1 3 量程比 30 1 4 椭圆形设计大幅度降低了压损 减少了噪音 5 单台传感器配备参数变送器可实现质量流量测量 真正静压测量 温度测量 6 安装简易 维护方便 自清洗 7 传感器不产生流体分离点 无涡流扰动 8
15、对直管段要求低 第七节 楔形流量计楔形流量计是八十年代开始开始逐步走向实用的一种新型流量计 其检测件是一个V字形楔块 又称楔形节流件 它的圆滑顶角朝下 这样有利于含悬浮颗粒的液体或粘稠液体顺利通过 不会在节流件上游侧产生滞流 因此特别适合在石油 化工等行业中用于体积流量和质量流量的测量 楔形流量计由楔形流量装置和差压变送器组成 当介质流过楔形节流件时 在节流件前后产生差压 对于任何流体 在很宽的流量范围内 甚至雷诺数低至300 流量与差压的平方根成比例关系 差压变送器将来自流量装置的差压值转变成4 20mA的标准输出或流量显示值 Q K P2 P1 主要特点 1 重复性好 精确度高 经标定的楔
16、形流量计 精度达0 5级 2 具有自清洁能力 无滞流区 3 耐磨损 寿命长 可靠性高 4 永久压损比孔板小 5 一体型结构 现场安装无需安装导压管路 直接与管道进行螺纹或法兰连接 施工省时省力 维护方便 第八节 质量流量计流体在旋转的管内流动时会对管壁产生一个力 它是科里奥利在1832年研究水轮机时发现的 简称科氏力 质量流量计以科氏力为基础 在传感器内部有两根平行的T型振管 中部装有驱动线圈 两端装有拾振线圈 变送器提供的激励电压加到驱动线圈上时 振动管作往复周期振动 工业过程的流体介质流经传感器的振动管 就会在振管上产生科氏力效应 使两根振管扭转振动 安装在振管两端的拾振线圈将产生相位不同的两组信号 这两个信号差与流经传感器的流体质量流量成比例关系 计算机解算出流经振管的质量流量 不同的介质流经传感器时 振管的主振频率不同 据此解算出介质密度 安装在传感器器振管上的铂电阻可间接测量介质的温度 质量流量计可分为两类 一类是直接式 即直接输出质量流量 另一类为间接式或推导式 如应用超声流量计和密度计组合 对它们的输出再进行乘法运算以得出质量流量 应用实例 1 气化界区 气化炉煤浆流量
