化工仪表基础讲义

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1、化工仪表基础知识,安徽盈创 王 博,仪表在生产过程中的作用,眼 检测元件 测量现场的工艺数据。现场仪表测量参数一般分为温度、压力、流量、液位四大参数。 脑 控制器 控制器将接收到的测量信号与预先规定的值进行比较。如果两个信号不相等，表明实际值与设定值有偏差，此时控制器将根据偏差的大小向执行器输出一个控制信号， 手 执行器 执行器即可根据控制信号来改变阀门的开度，从而使实际值达到预期效果。,主要内容,一、四大参数的测量原理及仪表 二、自动控制基础知识 三、调节阀 四、联锁系统的构成,四大参数的测量原理及仪表,现场仪表测量参数的分类： 现场仪表测量参数一般分为压力、温度、流量、液位四大参数。 下面

2、就着重介绍一下这四大参数的测量原理，以及测量这四大参数所运用的仪表。,压力检测方法及仪表,压力检测的基本知识 1压力的概念及单位 垂直而均匀地作用在单位面积上的力 单位: 牛顿/米2（N/m2），简称“帕”，用符号“Pa” 2. 压力的表示方法,式中 压力（Pa） 均匀垂直作用力（N） 受力面积（m2）,压力的几种表示形式,在压力测量中，通常有绝对压力，表压力、负压、或真空度等名词。绝对压力是指介质所受的实际压力。表压是指高于大气压的绝对压力与大气压之差，即： P表=P绝-P大 负压与真空度是指大气压力与低于大气压力的绝对压力之差，即： P真 =P大-P绝 绝对压力、表压力、大气压力、负压力（

3、真空度）之间的关系如下图所示。因为各种工艺设备和测量仪表都处于大气中，所以工程上都用表压力或真空度来表示压力的大小。我们用压力表来测量压力的数值，实际上也都是表压或真空度（绝对压力表的指示值除外）。因此，在工程上无特别说明时，所提的压力均指表压力或真空度。,6,压力的几种表示形式,被测压力通常可表示为绝对压力、表压、负压（或真空度),压力检测方法,通常有三种检测压力的方法，即液柱测压法，弹性变形法和电测压力法。 液柱测压法 测压原理：是以流体静力学为基础，一般用液柱产生或传递的压力来平衡被测压力的方法进行测量的。 弹性变形法 测压原理：当被测压力作用于弹性元件，弹性元件便产生相应的变形。根据变

4、形的大小，便可测知被测压力的数值。 电测压力法 测压原理：是利用转换元件（如某些机械和电气元件）直接把被测压力变换为电信号来进行测量的。 弹性元件附加一些变换装置，使弹性元件自由端的位移量转换成相应的电信号，如电阻式、电感式、电容式、霍尔片式、应变式、振弦式等 电测压力法可分为两类 非弹性元件组成的快速测压元件，主要利用某些物体的某一物理性质与压力有关，如压电式、压阻式、压磁式等。,液柱测压法,测量原理 根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量,常用的压力表有U形管压力表、单管压力表、斜管压力表和活塞式压力表等。,P0,h1,h2,1,1,p,2,0,0,弹性变形法,将被测压力转换

5、成弹性元件变形的位移,压力的测量与变送,主要压力检测仪表： （1）弹簧管压力表 弹簧管压力表是压力仪表的主要组成部份之一，它有着极为广泛的应用价值 ，它具有结构简单，品种规格齐全、测量范围广、便于制造和维修和价格低廉等特点。弹簧管压力表是单圈弹簧压力表的简称。它主要由弹簧管、齿轮传动机构（包括拉杆、扇形齿轮、中心齿轮）、示数装置（指针和分度盘）以及外壳等几部份组成，如下图所示。弹簧管是一端封闭并弯成270度圆孤形的空心管子 。 （2）差压（压力）变送器 是利用转换元件（如某些机械和电气元件）直接把被测压力变换为电信号来进行测量的。,11,弹簧管压力表,差压（压力）变送器,微位移式变送器,I0,

6、测量部分,填充液（硅油）,压力类表计的选型,压力表的选用应根据工艺生产过程对压力测量的要求，被测介质的性质，现场环境条件等来考虑仪表的类型、量程和精度等级。并确定是否需要带有远传、报警等附加装置。这样才能达到经济、合理和有效的目的。 1类型的选用 仪表类型的选用必须满足工兰生产的要求。例如是否需要远传变送、 自动记录或报警；被测介质的物理化学性质 (如腐蚀性、温度高低、粘度大小、脏污程度、 易燃易爆等)是否对仪表提出特殊要求；现场环境条件 (如高温、电磁场、振动等)对仪表有否特殊要求等。 普通压力表的弹簧管材料多采用铜合金，高压的也有采用碳钢，而氨用压力表的弹簧管材料都采用碳钢，不允许采用铜合

7、金。因为氨气对铜的腐蚀极强，所以普通压力表用于氨气压力测量很快就要损坏。 氧气压力表与普通压力表在结构和材质上完全相同，只是氧用压力表禁油。因为油进入氧气系统会引起爆炸。如果必须采用现有的带油污的压力表测量氧气压力时，使用前必须用四氯化碳反复清洗，认真检查直到无油污为止。,14,压力类表计的选型,2测量范围的确定 仪表的测量范围是根据被测压力的大小来确定的。对于弹性式压力表，为保证弹性元件能在弹性变形的完全范围内可靠地工作，量程的上限值应高于工艺生产中可能的最大压力值。根据“化工自控设计技术规定“，在测量稳定压力时，最大工作压力不应超过量程的2/3；测量脉动压力时，最大工作压力不超过量程的1/

8、2； 测量高压压力时，最大工作压力不应超过量程的3/5。 为了保证测量的准确度，所测的压力值不能太接近于仪表的下限值 ，亦即仪表的量程不能选得太大，一般被测压力的最小值应不低于量程的1/3。 按上述要求算出后，实取稍大的相邻系列值，一般可在相应的产品目录申查到。 3精度级的选取 仪表的精度主妥是根据生产上允许的最大测量误差来确定的。此外，在满足工艺要求的前提下，还要考虑经济性，即尽可能选用精度较低、价廉耐用的仪表。,15,变送器常见故障及处理,温度的测量与变送,温度是化工生产中既普遍而又十分重要的参数之一。任何一个化工生产过程，都伴随着物质的物理和化学性质的改变，都必然有能量的转化和交换，而热

9、交换则是这些能量转换中最普遍的交换形式。因此，在很多煤化工反应的过程中，温度的测量和控制，常常是保证这些反应过程正常进行与安全运行的重要环节；它对产品产量和质量的提高都有很大的影响。,17,温度的测量与变送,温度测量仪麦种类繁多，若按测量方式的不同，测温仪表可分为接触式和非接触式两大类。前者感温元件与被测介质直接接触，后者的感温元件却不与被测介质相接触。接触式测温元件简单、可靠、测量精度较高；但是，由于测温元件要与被测介质接触进行充分的热交换才能达到热平衡，因而产生了滞后现象，而且可能与被测介质产生化学反应；另外高温材料的限制，接触式测温仪表不能应用于很高温度的测量。而非接触式测温仪表不与被测

10、介质接触，因而其测温范围很广，其测温上限原则上不受限限制；由于它是通过热辐射来测量温度的，所以不会破坏被测介质的温度场，测温速度也较快，但是这种方法受到被测介质至仪表之间的距离以及幅射通道上的水汽、烟雾、尘埃等其它介质的影响，因此测量量精度较低。,18,温度的测量与变送,下表列出了常用测温仪麦的测温原理、测温范围和主要特点。表中所列的各种温度计，机械式的大多只能就地指示，幅射式的精度较差，只有电的测温仪表精度高，且测温元件很容易与温度变送器配用，转换成统一标准信号进行远传，以实现对温度的自动记录和调节。因此，在生产过程控制中应用最多的是热电偶和热电阻温度计。本节仅介绍这两种温度计。,19,20

11、,温度的测量与变送,21,工作过程,温度的测量与变送,在选用测温仪表解决现场测温问题时，首先要分析被测对象特点及状态，然后根据现有温度计的特点及其技术指标确定选用的类型。一般应考虑以下几个方面: 1仪表的可能测温范围及常用测温范围，是否符合被测对象的温度变化范围的要求; 2仪表的精度、稳定性、响应时间是否适应测温要求; 3根据测量场所有无冲击、振动及电磁场，来考虑仪表的防震、防冲击、抗干扰性能是否良好; 4仪表输出信号能否自动记录和远传; 5仪表的防腐性、防爆性和连续使用期限，是否满足被测对象的要求; 6电源电压、频率变化及环境温度变化对仪表示值的影响程度; 7测温元件的体积大小是否适当; 8

12、仪表使用是否方便、安装维护是否容易。,23,一体化温度变送器常见故障与处理,流量检测方法及仪表,流量是工业生产过程操作与管理的重要依据。在具有流动介质的工艺过程中，物料通过工艺管道在设备之间来往输送和配比，生产过程中的物料平衡和能量平衡等都与流量有着密切的关系。 流量指瞬时流量，即单位时间内通过管道某一截面的流动介质的量。 用体积流量（单位为m3/s）或质量流量（单位为kg/s）表示。,常见的流量检测方法有以下几种,应用容积法检测流量 应用动压能和静压能转换的原理检测流量 应用改变流通面积的方法检测流量 应用电磁感应原理检测流量 应用超声波检测流量 应用流体动量矩原理检测流量 应用质量流量检测

13、方法,应用容积法检测流量,单位时间内所排出固定容积的数目作为测量依据 为了连续地在密闭的管道中测量流体的流量，一般采用容积分界的方法，即由仪表壳体和转子组成流体的计量室，流体经过仪表时，在仪表的入、出口之间产生压力差，此流体压力差对转子产生驱动力矩，转子旋转，将流体一份一份地排出，其排出的流体总量,应用动压能和静压能转换的原理检测流量,流体在管道中流动时，具有动能和位能，对于理想的流体，流体在同一管道的任一截面的动能和静压能的总和是不变的，但是若采取一定方式（例如节流），可以造成能量形式的相互转化，然后通过测量静压的变化求出流速和流量。工业中常用的方法是在管道中插入一流通面积较小的节流元件，造

14、成流体通过节流元件时，在节流元件的上、下游之间产生静压差（简称差压），通过测量差压求出流量值。,差压式流量计,差压式流量计是基于流体动压能和静压能在一定条件下可以相互转换的原理，利用流体流经节流装置时所产生的静压差来实现流量测量的仪表。 差压式流量计主要由节流装置、信号管路和差压计（或差压变送器和显示仪表）组成,1孔板 2引压管 3差压计,应用改变流通面积的方法检测流量,检测原理:在一个由下往上逐渐扩大的锥形管中垂直地放置一阻力件，当流体自下而上流经锥形管与转子之间的环形流通面积时，由于受到流体的冲击，转子便要向上运动。随着转子的上升，转子与锥形管间的环形流通面积增大、流速降低，直到流体作用在

15、转子上的浮力和冲力（阻力）与转子本身重量相平衡时，转子停留在某一高度，维持平衡。当流量增大时，流过环隙的流速v增大，转子所受冲力增大，由于转子在流体中的重力与所受浮力不变，所以转子就上升，造成环隙面积增大，从而流速v减小，冲力也减小，直至达到新的平衡，转子又停浮在一个新的高度上，这样转子在锥形管中停浮的高度与流体的流量大小一一对应。在锥形管外壁上以流量值刻度，则根据转子浮起的高度即可直接显示出被测流量的数值。,应用改变流通面积的方法检测流量,锥形管-由下往上逐渐扩大管 转子-阻力件,当流体自下而上流经锥形管与 转子之间的环形流通面积时， 由于受到流体的冲击， 转子便要向上运动。,检测原理,组成

16、,电磁流量计,简称EMF 是利用法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电液体体积流量的仪表。 导电性液体在垂直于磁场的非磁性测量管内流动，与流动方向垂直的方向 上产生与流量成比例的感应电势，经检测放大变送转换为流量信号,电磁流量计,优 点 不易阻塞，适用于测量含有固体颗粒或纤维的液固二相流体，如纸浆、煤水 浆、矿浆、泥浆和污水等。 对于要求低阻力损失的大管径供水管道最为适合。 前置直管段要求较低。 测量范围度大，通常为20：150：1，可选流量范围宽。 满度值液体流速可在0.510m/s内选定。 口径范围宽，从几毫米到3m。 可测正反双向流量，也可测脉动流量 可应用于腐蚀性流体。 缺 点 不能测量电导率很低的液体，如石油制品和有机溶剂等。 不能测量气体、蒸汽和含有较多较大气泡的液体。 由于衬里材料和电气绝缘材料限制，不能用