第五章 自动化安全控制技术

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1、第五章 自动化安全控制技术第一节 检测、控制仪表一 检测仪表在工业生产中，为了正确地指导生产操作，确保安全生产，准确、 及时地检测出生产过程中的各个有关参数至关重要。在化工生产中 常用的检测仪表主要有压力、温度、流量、物位、成分分析等仪表1 压力压力在化工生产过程中是重要的工艺参数之一，因此，正确地测 量和控制压力是保证工艺生产过程良好地运行，达到安全生产的重要 环节。压力是垂直而均匀地作用在单位面积上的力，物理学中称之为压强。即p=F/A式中p压力F 垂直作用力A 受力面积在国际单位制中压力的单位为“帕斯卡”，符号Pa”。工业生产中，常用的压力单位及其换算关系如下表所示：帕巴毫米水柱标准大气

2、压工程大气压毫米水柱磅力/英吋单位(Pa)(bar)(mmHO)2(atm)(kgf/cm2)(mmHg)(lbf/in2)帕11X10-51.0197160.98692361.0197160.750061.450442(Pa)X10-1X10-5X10-5X10-2X10-4巴1X10511.0197160.98692361.0197160.750061.450442（bar）X104X103X10毫米水柱0.9806650.98066510.96781X10-40.735561.4223(mmHO)2X10X10-4X10-4X10-1X10-4标准大气压1.013251.013251.0

3、3322711.03320.7611.4696(atm)X105X104X103X10工程大气压0.9806650.9806651X1040.967810.735561.422398(kgf/cm2)X105X103X10毫米水柱1.3332241.3332241.359511.3161.3595111.934（mmHg）X102X10-3X10X10-3X10-3X10-2磅力/英吋0.680490.680490.703070.6805 X0.703070.577151(lbf/in2)X104X10-1X10310-iX10-1X102表 5-1 压力单位换算表在压力测量中，常有大气压力、

4、绝对压力、表压和真空度之分他，它们之间的关系如下图所示：表压大气压力线1L绝对压力负压、真空度绝对压力 绝对压力零线图5-1各种压力之间的关系由于各种化工设备和测量设备都处于大气压之中，所以工程上均 采用表压或真空度来表示压力大小。因此，工程上所提到的压力除特 殊指明外，均指表压或真空度。1.1 压力测量仪表 烧碱生产过程中常用的压力测量仪表有弹簧管压力表、压力（差 压）变送器等。1.1.1 弹簧管压力表通过接头与被测介质相连；另一端封闭，图5-3弹簧管压力表原理结构图弹簧管压力表，又可以称作波登管压 力表，主要用来测量无爆炸，不结晶，不 凝固，对铜和铜合金无腐蚀作用的液体、 气体或蒸汽的压力

5、，其外形如图5-2 所示。 弹簧管压力表的主要组成部分为一弯成圆 弧形的弹簧管，管的横切面为椭圆形。作 为测量元件的弹簧管一端固定起来，并1.1.2压力（差压）变送器在烧碱生产过程中，压力（差压）变送器（以下简称压力变送器）用于测量液体、气体或蒸汽的液位或压力（差压）。常用的压力变送器主要有电容式压力变送器和扩散硅压力变送器，其外形如图 5-4 所 示。一般意义上的压力变送器主要由测压元件 传感器（也称作压力传感器）、测量电路和过 程连接件三部分组成。它能将测压元件传感器 感受到的气体、液体等物理压力参数转变成标 准的电信号（如 420mADC 等）， 以供给指示报 警仪、记录仪、调节器等二次

6、仪表或DCS进 图5-4压力（差压）变送器 行测量、指示和过程调节。a ）电容式压力变送器压力变送器的被测介质通入高 压室，低压室压力采用大气压或真 空（若低压室通大气，测量的就是 表压；如果低压室是真空状态，则 测量的就是绝对压力），作用在（5 元（即敏感元件）的两侧隔离膜片 上，通过隔离片和元件内的填充液传送到测量膜片两侧。压力变送亠图5-5电容式压力（差压）变送器测量机构 器是由测量膜片与两侧绝缘片 上的电极各组成一个电容器。 当两侧压力不一致时，致使测量膜片 产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不等，通过振 荡和解调环节，转换成与压力成正比的信号。其原理如图5-5 所示。b

7、) 扩散硅压力变送器扩散硅压力变送器具有工作可靠、性能稳定、安装使用方便、体 积小、重量轻、性能价格比高等点，能在各种正负压力测量中得到广 泛应用。可替代传统的远传压力表，霍尔元件、差动变送器，能与各 种型号的动圈式指示仪、数字压力表、电子电位差计配套使用，也能 与智能调节仪或计算机系统配套使用。扩散硅变送器选用进口扩散硅 压力芯片制成，当外界压力发生变化时，压力作用在不锈钢隔离膜片 上，通过隔离硅油传递到扩散硅压力敏感元件上引起电桥输出电压变 化，经过精密的补偿技术、信号处理技术、转换成标准的电流信号。 该电流信号的变化正比于压力的变化。2 温度温度是表征物体冷热程度的物理量，是工业生产中最

8、普遍的、最 重要的热工参数之一。温度测量是保证生产正常，确保产品质量和生 产安全关键环节。温度不能直接进行测量，只能借助冷热不同的物体 之间的热交换，以及物体的某些物理性质随冷热程度不同而变化的特 性，来进行间接测量。根据测温方式可以分为接触式和非接触测温两 大类。以接触式方法测温的常用温度计有玻璃温度计、压力温度计、双 金属温度计、热电偶温度计和热电阻温度计。一般来说，接触式测温 精度，高应用广泛，简单，可靠，但热交换需要一定的时间才能达到 热平衡，会存在一定的测量滞后，而且受到感温材料耐温性能的限制， 不能用于很高温度的测量，另外对运动状态的固体测温困难较大。非接触式测温目前在工业上以辐射

9、式测温为主，它的特点式测温 元件不与被测物体接触，不会破坏被测对象的温度场，不仅可以测量 移动或转动的物体温度，还可以通过扫描的方法测得物体表面的温度 分布。其反应速度较快，测温范围很广，原理上不受温度上限的限制， 但受到物体的发射率、对象到仪表之间的距离、烟尘和水蒸气等其他 介质的影响，故测温的准确性一般不高，通常仅用于高温测量。烧碱生产过程中常用的温度测量仪表有双金属温度计、热电偶温 度计和热电阻温度计。刻度盘u2.1 双金属温度计 工业用双金属温度计(a)(b)图5-6双金属温度计测温原理主要的元件是一个用两 种或多种金属片叠压在 一起组成的多层金属片， 利用两种不同金属在温 度改变时膨

10、胀程度不同 的原理工作的。其结构简 单、牢固，可用于气体、 液体及蒸汽的温度测量。为了提高仪表灵敏度，工业上应用的双金属 温度计是将双金属片制成螺旋形，一端固定在测量管的下部，另一端 为自由端，与插入螺旋形栓金属片的中心轴焊接在一起。当被测温度 发生变化时，双金属片自由端发生位移使中心轴转动，经过放大机构， 由指针指示出被测温度值。2.2 热电偶温度计热电偶是温度测量仪表中常用的 测温元件。由两种不同的导体或半导 体两端连接成的回路，当两接点的温 度（t令）不同时，就会在回路内产 0生热电势，如图5-7所示。导体A、B 称为热电极，一端采用绞接或焊接 方式连接在一起感，受被测温度，（见图5-8

11、）,称为热电偶的热端或图5-7热电偶回路图5-8热电偶示意图工作端；另一端通过导线以显示仪 表相连，称为热电偶的冷端或自由端。热电偶温度计由热电偶、连接 导线和显示仪表3 个部分组成，构成闭合回路。泛的主要有普通型热电偶、铠装型热电偶热电偶的热电动势只与热电偶材料和两端的温度有关，与热电极和高性能实体热电偶（Solidpark）。烧碱生产中一般使用高性能实体热电偶（Solidpark）,其外形如图5-9所示。2.3 热电阻温度计 热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻随温度变化而变 化的性质工作的，用仪表测量出热点组的阻值变化，从而得到与电阻 值对应的温度值。工业生产中常用的热电阻有铂热 电

12、阻和铜热电阻。常见的热电阻结构 与热电偶相似，在此不再赘述。普通 热电阻因其安装不方便，易损坏不太 常用，烧碱生产过程中较常用铠装热 电阻，其外形如图5-10 所示。铠装式 热电阻是由感温原件（电阻体）、引 线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，一般外径为p 2 8mm,最小可达（p 1mm。与普通型热电阻相比，它不仅体积小，内部无 空气隙，在热惯性上，测量滞后小，机械性能好，耐震，抗冲击，且 使用寿命较长。3 流量 在自动化工业生产过程中,流量是需要经常测量和控制的重要参 数之一。工艺流程中流量测量和配比参数的控制油、水、气等能源的 计量,是工业生产过程自动检测和控制的重要环节,因此,流

13、量仪表 已成为过程检测仪表中的重要部分。所谓“流量”是单位时间内流过 管道截面积流体的体积或质量。前者称为体积流量,后者称为质量流量。流量测量仪表的种类繁多，如：椭圆齿轮流量计、旋转活塞流量 计、差压式流量计、转子流量计、电磁流量计、涡轮流量计、涡街流 量计、超声波流量计、靶式流量计、质量流量计等等。烧碱生产过程 中应用比较多的有以下几种：差压式流量计、转子流量计、电磁流量 计、涡街流量计、超声波流量计和质量流量计等，下面将做简单介绍。3.1 差压式流量计 差压式流量计是目前目前工业生产中检测气体、蒸汽、液体流量 较常用的一种检测仪表，而差压式流量计中使用较多的是标准孔板流 量计。在管道中流动

14、的流体所具有的静压能 和动能，在一定条件下，相互转换，在忽 略阻力损失的情况下参加转换的能量总和 不变（伯努利方程）。如图所示，流体在 接近孔板时，由于受到阻挡，一部分动能 转化为静压能，出现了孔板上游靠近管壁处流体静压力升高；由于惯 性，在孔板后流速达到最大值（流体动能达到最大值），流体静压能 达到最小值，即经过节流，在孔板下游附近，流体静压达到了最小值，随后流速减小，压 图5-11孔板流量计 力逐渐恢复。孔板流量计就是利用孔板前后的压力差来检测流量的，流量变化时，孔板前后产生的压差也随之变 化。测出孔板前后压差的大小，就可以计算出流量值的大小。标准孔板和差压变送器配合就可以实现流量的自动检

15、测。3.2 转子流量计转子流量计的测量部分由两个部件组图5-12转子流量计原理成，一是从下向上逐渐扩大的锥形管；另一个是置于锥形管中且可以沿管的中心线上下自由移动的转子。转子流量计当测量流体的流量时，被测流体从锥形管下端流入，流体的流动冲击着转子，并对它产生一个作用力这个力的大小随流量大小而变化）；图5-13金属转子流量计剖视图当流量足够大时，所产生的作用力将转子托起，并使之升高。同时，被测流体流经转 子与锥形管壁间的环形断面，从上端流出。当 被测流 体流动时对转子的作用力，正好等于 转子在流体中的重量时（称为显示重量），转 子受力处于平衡状态而停留在某一高度。分析表明；转子在锥形管中的位置高度，与所通图5-14金属转子流量计转子流量计又名浮子流量计，是工业上常 用的一种流量仪表，它具有压力损失小、检测