石油仪表及自动化 教材及主要教学参考书教材及主要教学参考书l教材教材: 《《石油化工仪表及自动化石油化工仪表及自动化》》郑方明郑方明 主编，中国主编，中国石化出版社出版石化出版社出版l参考书：参考书： 《《钻采仪表及自动化钻采仪表及自动化》》王大勋王大勋 主编，石油工业主编，石油工业出版社出版出版社出版 《《石油仪表及自动化石油仪表及自动化》》王克华王克华 主编，石油工业主编，石油工业出版社出版出版社出版 本课程为石油工程专业的一门专业任选课 开课目的： 1）了解石油生产过程自动化的基础知识; 2）初步掌握它们在石油生产过程中的基本应用; 3）拓宽知识面，为石油工程设计及学生日后工作奠定良好基础 课程性质： 第第1 1章章 概论概论 3 3学时学时第第2 2章章 常用测量仪表常用测量仪表 1111学时学时第第3 3章章 控制器与执行器控制器与执行器 6 6学时学时第第4 4章章 简单控制系统与集散控制系统简单控制系统与集散控制系统 4 4学时学时第第5 5章章 钻井参数测量仪表钻井参数测量仪表( (钻井专业方向钻井专业方向) ) 8 8学时学时 井下测试仪表井下测试仪表( (油气开采专业方向油气开采专业方向) )学时安排：课堂教学课堂教学2828学时学时, ,实验实验6 6学时学时, ,共计共计3232学时学时 1 1））课堂纪律要求； 上课注意听讲，认真做好笔记；2）课程考核方式： 作业5次：大部分完成（无抄袭）,缺一次作业扣总分的2分; 实验两个：参加并完成实验报告,缺一次实验扣总分的5分; 旷课一次扣总分5分，3次迟到或早退计1次旷课，3次以上旷课取消考试资格。
课程基本要求： 第1章概概 论论 第1章 概论1.1 生产自动化的意义及应用生产自动化的意义及应用1.2 自动化概念及分类自动化概念及分类1.3 自动化的发展概况自动化的发展概况1.4自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念 1.5 自动控制系统过渡过程品质指标自动控制系统过渡过程品质指标 1.1 1.1 生产自动化的意义及应用生产自动化的意义及应用1.1.1 生产自动化的意义l自动化是一门应用非常广泛的学科，在日常生活和工作，工业生产、军事、航空、航天等领域都有应用l自动化水平是一个国家技术先进程度、生产力发达程度的重要标志 1.1.1 1.1.1 自动化在钻井过程中的应用自动化在钻井过程中的应用l钻井井身轨迹控制自动化 钻井地面作业自动化 钻井液自动化处理系统 控制系统控制系统主要有：主要有：机械控制、电控、气控、液控机械控制、电控、气控、液控和和混合电液控混合电液控等等5种种 1.1.2 1.1.2 自动化在油气开采中的应用自动化在油气开采中的应用①机采井监控 采油厂监控室 ②井下压力、流量、温度监测 ③注水设备、注水量的监控 ④原油加热炉温度监控 ⑤原油稳定处理的自动控制 1.2 1.2 自动化概念及分类自动化概念及分类 1.2.1 1.2.1 生产过程自动化基本概念生产过程自动化基本概念 在生产过程中，利用自动化装置来检测、显示、控制生产过程的重要工艺参数，自动地维持生产过程的正常进行，当工艺参数受到外界干扰的影响而偏离正常状态时，能自动调回规定的参数范围内。
1.2.21.2.2生产过程自动化系统分类：生产过程自动化系统分类： 自动检测系统、自动信号联锁保护系统、自动操作系统、自动控制系统 1.3 1.3 自动化发展概况自动化发展概况l在本世纪四十年代前后，工业生产大多数处于手工操作状态l五十年代和六十年代，一些工厂企业实现了仪表化和局部自动化l七十年代以来，生产过程自动化向综合自动化发展 自动化发展的两个阶段自动化发展的两个阶段阶 段局部自动化阶段综自动化阶段被控对象单体设备一个工序、车间、工厂参 数单参数多参数技术工具常规控制仪表计算机理论基础反馈控制理论现代控制论 1.3 1.3 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念知识点：l自动控制系统的组成l自动控制系统方块图l自动控制系统的特点 ① 人工控制 眼 脑 手 液位人工控制过程分析判断发布命令开大关小阀门观察液位1.3.1 自动控制系统的组成 液位自动控制自动化装置测量变送器控制器执行器被控对象眼脑手②自动控制系统组成生产设备 1.3.2 自动控制系统的方块图控制器执行器被控对象测量变送器设定值 被控变量 偏差控制信号操纵变量测定值 干扰 每个方块表示组成系统的一部分，也称为环节。
调节器执行器被控对象显示仪表变送器 闪蒸罐液位控制系统组成示意图 自动控制系统常用术语自动控制系统常用术语l被控对象： 被控制的哪部分设备l被控变量： 需要保持恒定的工艺参数l操纵变量： 实现自动控制的物料量l干扰： 引起被控变量变化的外界因素调节器执行器被控对象显示仪表变送器 简单控制系统组成示意图 1.3.3 自动控制系统特点l信号流具有单向性 l有两个相互矛盾的通道l有差控制l具有负反馈的闭合回路 系统的输出信号经过测量变送返回输入端的做法叫反馈反馈信号使原来信号增加称为正反馈，反之称为负反馈控制器执行器被控对象测量变送器设定值 被控变量 偏差控制信号操纵变量测定值 干扰 调节器执行器被控对象显示仪表变送器 简单控制系统组成示意图 开环系统：实例：路灯自动开关开环系统：实例：路灯自动开关 D1是一只光电二极管，在无光照时阻值较大在白天,D1阻值很小，三极管BG1处于饱和状态，三极管BG2截止状态，继电器J释放，常开接点J-1切断交流电源，路灯就不亮等到天黑．．．．．．路灯亮 控制系统中控制系统中:l被控对象：灯l输入量：自然光l传感器：光电二极管l控制电路：由BG1、BG2组成的两极反相，延时电容C。
l执行机构：继电器、交流接触器l系统组成：传感器、控制电路及执行机构l输出：灯光 输入量 传感器控制电路执行机构对象输出 在这个方框图中，没有反馈，不存在封闭的环路，因而称为开环控制系统 综上所述，自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统方块图 1.3.4 自动控制系统分类一、定值控制系统 ——给定值在控制过程中恒定不变二、随动控制系统 ——给定值随时间不断变化三、程序控制系统 ——给定值按一定时间程序变化（间歇生产中常用）小时小时温度温度 作业题与思考题作业题：P18 1、2题思考题:Ø什么是干扰作用？什么是控制作用？试说明两者之间的关系？ Ø自动控制系统由哪几部分组成？指出系统中的被控对象、被控变量、控制作用和干扰因素？ 图1 温度控制系统 概概 论论l知识在积累l勤奋出天才 上节课知识回眸知识点:l自动控制系统的组成l自动控制系统方块图l自动控制系统的特点思考题:l什么是干扰作用？什么是控制作用？试说明两者之间的关系？ l自动控制系统由哪几部分组成？指出图1中的被控对象、被控变量、控制作用和干扰因素？ 图1 温度控制系统 1.5 自动控制系统的品质指标 1.5.1控制系统的静态与动态 ①静态： 被控变量不随时间变化的平衡状态 ②动态： 控制参数随时间而变化的不平衡状态。
1.5.2控制系统的过渡过程 ①定义： 系统从一个平衡状态过渡到另一平衡状态的过程 ②②过渡过程的形式过渡过程的形式（a）非周期衰减过程（b）衰减振荡过程（c）等幅振荡过程（d）发散振荡过程过渡过程的几种基本形式 1.5.3控制系统的品质指标l最大偏差（A） 要求：小l超调量（B）l衰减比l要求：一般讲n＝4~10为宜l余差（C） 要求：小阶跃干扰作用时过渡过程品质指标示意图l 过渡时间（TC ）：被控变量从原稳定状态回复到新的平衡状态所经历的时间 要求：越短越好 第二章 常用测量仪表 第二章 测量仪表 主要内容：l测量基本知识l压力测量及仪表l流量测量及仪表l液位测量及仪表l温度测量及仪表 2.1 测量基本知识2.1.1 测量过程 用一个已知量（单位）与被测量比较，收集信息过程式中：g——测量比值 Ux——测量单位2.1.2 测量仪表的基本组成 2.1.3 测量误差及仪表性能指标① 测量误差 真实值：用标准值、理论值代替误差分类•系统误差 产生的原因，主要是仪表本身的缺陷，观察者的习惯和偏向，单因素的环境条件变化等。
•随机误差 在同样的测量条件下，反复测量，每次结果均不重复的误差这种误差的原因是偶然原因所引起•疏忽误差 产生原因是测量者在测量过程中的疏忽大意 1）绝对误差、相对误差 绝对误差式中：X—测量值； X0—标准表值 相对误差2）引用误差（用来表示仪表的准确度）式中: δ——引用误差； xmax——仪表测量的上限值； xmin——仪表测量的下限值②仪表性能指标 产生的原因：传动机构间隙、弹性元件滞后3）回差（变差） 精度（精确度）是精密度和准确度的综合 根据仪表使用要求，规定一个正常情况下允许的最大误差——允许误差 式中：△max——为最大绝对误差 a-b——为仪表量程 精度等级：去掉允许误差的±号和%号剩下的数值4）精度及精度等级 式中： —仪表实际的最大引用误差； —仪表允许的引用误差最大值例：仪表出时通过实验测得： 我国生产的仪表常用的精度等级：0.005；0.02；0.05；0.1；0.2；0.4；0.5；1.0；1.5；2.5；4.0等仪表出厂时要求： 5）灵敏度、灵敏限及分辩率6）其它指标：反映时间、可靠性例：有一块压力表测量范围0~150Kpa，测量100Kpa这一点，测得上行值为98Kpa，下行值为101Kpa，其它各点误差均小于此点，问此压力表实际的最大引用误差、变差、精度应为多少？ 作业题作业题：P19 8题 P99 4、5题 压力测量及变送l知识在积累l勤奋出天才 上节课知识回眸知识点:l自动控制系统品质指标l测量仪表的性能指标 2.2 压力测量及仪表问题：l压力是怎么定义？l为什么要测压力？l压力怎么测量？ 2.2 压力测量及变送l本小节重点： 压力的单位，表示方法；弹簧管压力表的结构及原理；压力表的选用和校验；电容式差压变送器和智能变送器简单原理；变送器输出值计算。
l主要内容： 概述 弹性式压力计 压力传感器与变送器 压力表的选用和校验 石油生产中的压力测量实例 式中：P——表示压力； F——表示作用力； S——表示受力面积 根据国际单位制（代号为SI）规定，压力的单位为帕斯卡，简称帕（Pa）帕为1牛每平方米，即 帕表示的压力较小，工程上经常使用兆帕（MPa）①①压力 压力是指均匀垂直地作用在单位面积上的力，故可用下式表示：2.2.1 概述 大气压：大气自重产生的压力 表 压：以大气压作为基准的压力 绝 压：以绝对真空为基准的压力 真空度：大气压力与绝对压力之差 关系式： 工程上经常用表压或真空度来表示压力的大小②压力表示方法 ③压力计的类型1)液柱式压力计2)弹性式压力计3)电气式压力计 压力传感器和压力变送器 4)活塞式压力计特点:测量精度很高，允许误差可小到0.05~0.02%用途:作为标准压力表，检验其它类型的压力计。
•图2－8 活塞式压力计•1—测量活塞；2—砝码；3—活塞柱；4—螺旋压力发生器；5—工作液；•6—压力表；7—手轮；8—丝杆；9—工作活塞；10—油杯；•11—进油阀；a、b、c—切断阀；d—进油阀 ①弹性元件 (a)(a)单圈弹簧管单圈弹簧管(b)(b)多圈弹簧管多圈弹簧管(c)(c)弹性膜片弹性膜片(d)(d)弹性膜盒弹性膜盒(e)(e)波纹管波纹管2.2.2 弹性式压力计用于中、高压测量用于中、高压测量用于低压测量用于低压测量测量范围较窄测量范围较窄用于微压与低压的测量用于微压与低压的测量 1）组成(结构)弹簧管 扁平中空，横截面为椭圆形作用：感受压力信号，将其转换为位移信号齿轮、杠杆转动机构作用：转递放大（改变调整螺灯8的位移，可改变量程）游丝 克服齿轮间的间隙，减小变差指针及表盘 指示②弹簧管压力计表 ２）弹簧管测压原理２）弹簧管测压原理 式中, h为弹簧管的壁厚;μ为弹簧管材料的柏松系数;E为弹簧管材料的弹性模数; 为几何参数；α、β与 有关的系数 ４)特点：就地指示 ３）工作原理３）工作原理弹簧管位移一级放大（扇形齿轮）二级放大（中心齿轮）指示压力 压力测量 就地指示式：弹簧管压力表 信号远传式：传感器、变送器传感器：能将非电量被测参数按确定关系转换成电量的设备/器件。
变送器：①变送：将被测参数成比例转换成标准统一信号，并能将统一信号在有限距离远转②可调量程：把同一参数不同测量范围转换成为成比例的统一信号参数2.2.3 压力传感器及变送器压力传感器及变送器 1）类型 压阻式、应变式、电容式、电感式、振弦式2）霍尔片式压力传感器(a)霍尔片（半导体元件）(b)结构:①压力传感器•图2－7 霍尔片式压力传感器•1—弹簧管；2—磁钢；3—霍尔片 (c)测量原理•图2－6 霍尔效应NS 在霍尔变送器中，将电流恒定，磁场强度B变化，并且是均匀的线性变化霍尔电势：•图2－7 霍尔片式压力传感器•1—弹簧管；2—磁钢；3—霍尔片 1)结构2)原理②电容式压力（差压）变送器PX作用下测量膜片位移电容C1、C2电容值改变测量电路4～20mA(DC )信号 3)测量电路 当当当当 电容式智能差变送器变是利用微处理实现自动调零、调量程、自诊断等功能的一种新型差压变送器③ 电容式智能差压变送器 变送器输出的统一信号：QDZ气动变送器输出：0.02~0.1MPaDDZ电动差压变送器输出:0~10mA，4~20mA输出值计算通用式：④变送器输出值计算： 例： 一台DDZ-Ⅲ差压变送器测量范围为2.5~10MPa，当所测压力为5MPa时，变送器的输出是多少？ ①类型选择1）必须满足工艺对压力测量的要求2）被测介质的性质 普通压力计弹簧管采用铜合金，高压和氨用压力计采用碳钢(或不锈钢）。
2.2.4 压力表的选择 压力表类型型号外壳颜色普通压力表Y型黑色氨用压力表YA型黄色氧用压力表YD型天蓝色3）现场安装条件（电磁场的影响） 1）平稳压力测量 最大工作压力小于2/3量程2）测量脉冲压力 最大工作压力小于1/2量程3）被测压力最小值不低于1/3量程量程靠级：0~1.0，1.6，2.5，4，6, n×10MPa③精度等级选择l在满足精度等级前提下，尽量选低精度的精度等级别高中低精度等级0.02 0.03 0.5 1.0 1.5 2.5 4用 途标准仪表用准确测量用一般工业用②量程选择 例： 某输气管道内天然气工作压力为1.1~1.5MPa，工艺要求就地指示管道内压力，最大测量误差不得大于0.05MPa，试选择一合适的压力表，说明其类型、量程和精度等级 ①压力表校验的目的 检查压力测量仪表使用一段时间后，其精度和变差是否在规定的范围内 ②校验周期：3~6个月，腐蚀性大的三个月2.2.5 压力表的校验 1）结构2）原理式中：A——活塞的截面积； m0——托盘质量； m ——砝码质量③校验压力表的仪器——活塞式压力计 原则: 标准表的允许绝对误差一般应小于被校仪表的绝对误差的1/3，标准表的量程一般应比被校表量程大一档。
例: 被校表的量程:0~10MPa，精度为1.5级 ∴ 标准表的精度应为0.2级④标准仪表的选取 作业题与思考题作业题：P101 28、32题 流量测量及仪表l知识在积累l勤奋出天才 上节课知识回眸知识点：l弹簧管压力表的结构及原理；l电容式差压变送器简单原理；l压力表的选用和校验；l变送器输出值计算 流量测量及仪表问题l流量怎么定义的？l为什么要测流量？l流量怎么测量？ 重点： 流量表示方法，单位；流量仪表的原理、结构、特点和实际应用场合流量测量目的1)构成流量自控系统2)计量核算3)监督设备的工况2.3 流量测量及仪表 ①流量——流体流径某一截面的流体的数量 1)瞬时流量：单位时间内流体流径某一截面的流体的数量 体积流量 质量流量 2)累积流量——某段时间内流体的总和注意】：ρ与压力(P)和温度(T)有关 对液体：P变化ρ变化小；T变化10℃，ρ变化1%左右 对气体：P变化10Kpa，ρ变化10%左右；T变化10℃，ρ变化3%左右2.3.1 概述m3/s m3/ht/h kg/h ②流量计的类型1)速度式流量计 差式流量计 涡轮流量计 转子流量计 2)容积式流量计齿轮流量计、腰轮流量计 3)质量流量计 ① 组成1）节流装置：局部收缩的节流元件和取压装置总称。
作用：2）三阀组引压管：引压3）差压计（变送器）1—节流元件；2—引压管路；3—三组阀；4—差压计 差压式液位计是基于流体流动的节流原理，利用节流装置前后的压差与流量关系来测量流量2.3.2 差压式流量计 1）节流现象——液体通过节流装置，在节流装置的上下游之间产生压差的现象2）节流现象分析 改变管道中流体流通面积的元件称为节流元件，如孔板流体在接近孔板时,流体流动质点发生倾斜，形成流束收缩②②节流原理 l截面Ⅱ处流速V2大于截面Ⅰ处流速V1;l截面Ⅱ处静压力小于截面处Ⅰ静压力;l可见，流体通过孔板后，会产生静压差 孔板装置及压力、流速分布图2）节流现象分析 3)流量方程l目的：明确流量与压差的函数关系，影响因素l方法：先假设流体是理想流体，再修正得实际情况l依据:（1）能量守恒定律在流体力学中具体应用l （2）连续流动方程l经推导得： 式中：α为流量系数;A0为孔板开孔截面积;ε为膨胀系数 引入压缩因子引入压缩因子 令令 用用 代替代替 引入修正系数引入修正系数 类 型优 点缺 点标准孔板结构简单，安装方便 压力损失大标准喷嘴压力损失小结构复杂，不易加工标准文丘里管压力损失小结构复杂，不易加工4)4)标准节流装置标准节流装置（结构、尺寸和技术条件都有统一标准） (a)差压(或智能)变送器(b)双波纹管差压计(就地指示型仪表) 线性(等百分)刻度 非线性刻度5)差压计变送器刻度 2.3.3 涡轮流量计②原理流体涡轮周期性地扫过磁钢涡轮旋转磁电感应线圈产生与流速成正比的脉冲信号电信号经前置放大器放大电子计数器指示累积流量电子频率计指示瞬时流量①结构 l特点：测量精度高（误差0.2~0.5%）;量程比较宽；适宜测高粘度流体；安装方便；对被测液体清洁度要求高。
l①椭圆齿轮流量计l1)结构2.3.4 容积式流量计 2)原理式中：n——椭圆齿轮旋转速度 V0——半月型测量室容积液体两齿轮相互交替驱动液体不断排出流量计传动齿轮系转动数字轮转动显示流量磁电转换装置 2）原理 与齿轮流量计基本相同 腰轮流量计的工作过程1—壳体；2—转动轴；3—驱动齿轮；4—腰轮；5—计量室②腰轮流量计1）结构 磁电转换装置，将椭圆齿轮的转数转换成电脉冲信号速比调整减速装置积算 指示 远传 椭圆齿轮 S N 3）显示部分数字轮转动显示流量计 名 称精度适用场合价格转子流量计1.5~2.5小流量便宜差压流量计1已标准化,耐高温、高压，中大流量中等靶式流量计2粘稠、脏污腐蚀性介质，耐高温、较高压力中等涡轮流量计0.5~1低粘度清洁液体，耐高压、中温、中大流量贵旋涡流量计0.5气体及低粘度液体，大流量较贵电磁流量计1~1.5导电液体、大流量贵齿轮流量计0.2~0.5清洁粘性介质较贵罗茨流量计0.2~0.5清洁高粘度液体，耐较高温度，中压，中流量较贵2.3.5 流量检测仪表的选用 作业题与思考题作业题：P100 18、25题 思考题：栯圆齿轮流量计与腰轮流量计有何异同之处 液位测量及仪表l知识在积累l勤奋出天才 上节课知识回眸知识点：l流量表示方法，单位；l孔板流量仪表、涡轮流量计的原理、结构；l流量计的特点和实际应用场合。
液位测量及仪表问题l液位怎么定义的？l为什么要测液位？l液位怎么测量？ 重点：恒浮力式液位计结构、原理及适用场合，差压式液位计的原理及在实际应用中注意的问题液位测量的目的： 1) 计量 2) 监护生产2.4 液位测量及仪表 ①①液位计的类型1）直读式液位计（应用连通器原理）玻璃管式：l长度300 ~ 1200mml压力＜1.5MPa 2.4.1 概述 玻璃板式液位计l2)长度500 ~ 1700mm 压力＜5MPa 磁翻板式 2)浮力式液位计（应用浮力原理）恒浮力法(测量过程中浮力保持不变) 变浮力式液位计(浮筒式液位计)浮筒在液体内浸没的深度不同而所受浮力不同 3)液柱式液位计(应用静压原理) 4)其它液位计l雷达液位计 恒浮力法液位测量示意图液位↑浮力↑浮子重量-浮力锤下移＜平衡锤重量原理：2.4.2 浮力式液位计①恒浮力式液位计 浮标式液位传感器a（1－环形磁铁：2－铁芯：3－防爆护壳：4－电位器轴：5－链条：6－浮漂）b（1－漂浮：2－导向绳索：3－防爆护壳：4－电位器轴：5－钢丝绳：6－平衡锤）浮力式液位计 电位器的表示符号及电路滑槽齿条结构浮力式液位计 式中: :C为弹簧刚度；x为弹簧压缩的位移；A为浮筒的截面积；H为浮筒被液体浸没的深度； 当液位升高△h，则浮筒上移动△x，此时关系式为:(2)两式相减得:(1)②变浮力式液位计(沉筒式液位计)原理：浮筒悬挂在弹簧上，浮筒的重量被弹簧力所平衡，平衡时的关系式为： ①结构②原理铁芯处于中心位置时： 铁芯向上移动 铁芯向下移动 差动变压器结构图差压变压器 差动变压器输出特性曲线u从上图中可看出： e！！ e2x0 压力式—→适用于敞口容器 差压式—→适用于密封容器① 工作原理： 对敞口容器 对密封容器 压力表测量液位的原理图2.4.3 差压力式液位计 ②零点迁移问题H＝0时 2） 1） 不迁移零点迁移目的：使变送器的输出信号的下限值ymin与测量范围的下限值xmin相对应。
正迁移3）负迁移 作业题与思考题作业题：P101 35、36题 思考题： 生产中欲连续测量液体的密度，根据已学的测量压力及液位的原理试考虑一种利用差压原理来连续测量液体密度的方案 温度测量及仪表l知识在积累l勤奋出天才 上节课知识回眸知识点:l恒浮力式液位计结构、原理;l差压式液位计的原理及在实际应用中注意的问题思考题:l生产中欲连续测量液体的密度，根据已学的测量压力及液位的原理试考虑一种利用差压原理来连续测量液体密度的方案 问题：l什么是温度l为什么要测温度l用什么方法来测温度 2.5 温度测量及仪表2.5 温度测量及仪表 重点： 温度表示方法，热电阻温度计结构、原理及适用场合，数字式显示仪表组成及原理温度测量的意义： 1)任何化学变化和物理变化与温度有关 2)是保证生产稳定、高产、安全、优质的关键之一2.5 温度测量及仪表 ①本质 温度是表征物体冷热程度的参数，是分子平均动能的量度②特性1)两个温度不同物体相接触必须产生热交换，直到达到平衡 2)物体温度发生变化时，某些性质必发生变化2.５.1 概述 ③温标 温标即是温度测量的标尺，它规定温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。
l摄氏温标l华氏温标l规定：标准大气压下，纯净水的冰熔点为“32”，沸点为212中间等分180份，每份为1度，用℉表示 ④测温方法的比较接触式 非接触式直接测对象的真实温度 （精度高） 只能测对象的表观温度（需修正才得真实温度，精度低） 可测液体内部温度分布只能测物体表面温度分布难测运动物体的温度能测运动物体温度测温速度较慢速度快测温上限不高理论上为∞破坏测温场（如小液滴）不破坏测温场 l①液体膨胀温度计（例水银温度计）l②固体温度计（例双金属温度计）l1）结构l2)原理2.５.2 膨胀式温度双金属片受热后弯曲温度越高弯曲弧度就越大工业用双金属温度计受热后自由端旋转螺旋形感温元件芯轴上的指针转动指示温度 2.５.3 热电阻温度计①组成： 电阻体 + 连接导线 + 显示仪表电阻体金属电阻半导体电阻显示仪表电子平衡电桥数字显示仪表 ②测温原理式中：R0——电阻0℃的阻值 温度变化电阻变化例如：PtCu③常用热电阻v铂电阻分度号 P10: R0=10Ω分度号 P100: R0=100Ωv铜电阻分度号 Ｃｕ５０: R0=５0Ω分度号 Ｃｕ１00: R0=100Ω ④热电阻的结构 普通型热电阻 主要由电阻体、保护套管和接线盒等主要部件所组成。
将电阻丝绕制在具有固定形状的支架上，这个整体称为电阻体 ⑤⑤电阻的信号连接方式电阻的信号连接方式热电阻的引线方式主要有以下三种方式 1）二线制Ri≈Rt﹢2r只适用于测量精度耍求较低的场合2）三线制工业过程中最常用的引线方式3）四线制主要用于高精度的温度检测 2.５.4 自动电子平衡电桥① 平衡电桥测温原理滑动触点在RP的左端，此时电桥的平衡条件是当被测温度升高后的平衡条件是 ②自动电子平衡电桥检流计电子放大器可逆电机推动滑动触点手移动滑动触点取代代替 数字式仪表加上微处理器就是微机化显示仪表2.５.5 微机化显示仪表①数字式显示仪表组成及原理1)原理： 2)组成： 模数－转换、非线性补偿、标尺变换、显示等部分 模－数转换的主要任务是使连续变化的模拟量转换成与其成比例的断续变化的数字量模拟量—数字量的整量化示意图A/D转换方式：电压转换型：单积分、双积分、逐步比较 脉冲宽度调整型 电压频率型②模数转换——A/D转换 l非线性补偿: 显示值与仪表输入值之间具有一定规律的非线性关系以补偿输入信号与被测参数之间的非线性关系，从而使得显示值与被测参数之间呈线性关系。
l非线性补偿方法： 摸拟式非线性补偿法非线性模/数转换补偿法、数字式非线性补偿法 ③非线性补偿 数字式非线性补偿法 Ⅰ.将具有明显斜率变化的曲线段分成几段具有较好线性的近似直线段 Ⅱ.对不不同斜率的直线段乘以不同的直线斜率,使之正好能转换为统一的线性，（同一斜率输出）这样实现线性化℃mvK1K2K3K l标度变换 将信号转换后所得到的数字量转换成测量参数所对应的工程量显示的过程称为标度变换l例: 测量温度为1000℃，经转换后输出1250个脉冲，那么乘以一个0.8的系数，则得到1000这个数，再用计数器计数1000，从而显示出1000℃④标度变换 l自动零位校准和自动精密校准l自动切换量程，通过软件判断自动切换到所需量程l功能选择，可以巡回显示多个参数l自动数据处理，误差修正，线性化，误差分析，求平均值l定时控制l自诊断功能，故障自诊断⑤⑤ 微机化显示仪表功能：微机化显示仪表功能： 作业题与思考题作业题：P100 11、15题思考题:Ø热电阻与电子自动平衡电桥配合使用当热电阻短路、断路或电源停电时，指针应指在什么地方？为什么？ 控制器与执行器控制器与执行器l知识在积累l勤奋出天才 上节课知识回眸知识点:1.热电阻温度计结构、原理及适用场合，2.数字式显示仪表组成及原理。
第三章 控制器与执行器 第三章 控制器与执行器 主要内容：l基本控制规律l控制器l执行器 3.1 基本控制规律3.1.1 人工控制经验与控制器控制规律粗调人工控制⑴控制器控制比例控制用数学式子描述： ——控制器输出变化量；——偏差（控制器输入）式中： 控制器的控制规律就是控制器的输出信号随输入信号变化的规律 液位人工控制过程液位自动控制 数学式子描述：人工控制⑵控制器控制细调积分控制式中: ——积分时间；——积分速度 液位人工控制过程液位自动控制3.1 基本控制规律 例：温度上升快，将蒸气阀门关小，然后慢慢调节式中：TD—微分时间抓苗头、看趋势控制按偏差变化的速度来控制人工控制⑶控制器控制3.1 基本控制规律微分控制用数学式子描述：： l工人师傅经验挖掘出来用数学式子描述l比例控制简称P控制l积分控制简称I控制l微分控制简称D控制l组合，可能有PD、PI、PID控制 3.1.2 双位控制l双位控制器结构简单，成本较低，易于实现，应用普遍双位控制示例理想的双位控制特性 3.1.3 比例控制 简单的液位比例控制示意图①水槽水位控制实例 1）e、△p变化方向相反称为反作用控制器2）从静态看，e、 △p成比例3）从动态看e、p的变化是同步的。
特性方程： Ｋp——比例放大系数oe△Paｂ比例控制器实际上是一个放大系数可调的放大器式中：Ｋp越大越大比例作用越强控制作用越强改变支点的位置，可以改变控制作用强弱 ②比例度（仪表不刻放大系数）对于单元组合仪表而言 4～２０ｍＡ δ的定义： δ越小，比例作用越强，所以工业用的控制器采用比例δ来代替Ｋｐ ③ Ｐ控制对控制质量的影响l1）e、△p是同步变化的，控制作用及时快速l2）e、 △p成比例的根据偏差的大小进行控制，调不准，系统存在余差c;l3）Kp过大（δ或过小）系统可能出现不稳定比例度对过渡过程的影响 3.1.4 积分控制（I控制）若e为一常数A则 由此可见：TI越小，△p越大，控制作用越强对（1）式微分得 从上式可看出：只有当e=0、△p不再变化，即积分控制可以消除余差①理想的I控制（1） ② PI控制（粗调和细调结合起来）比例积分控制器特性比例控制及时，但存在余差；积分控制过程缓慢，但能消除余差；比例积分控制两者优点综合当不需要积分控制时：将 调到 ③I控制对控制质量的影响1）快速性比P控制差；2）调节准确，即余差为零；3）I控制会使系统稳定性降低，特别是TI过小。
积分时间对过渡过程的影响 ① D特性可见：1） TD越大，表示微分作用越强 3）△p与偏差的大小无关3.1.5 微分控制2）偏差存在但不变化时，微分作用就没有输出 D控制器4）属理想状态△p 这种控制规律难于实现,又没有实用价值,故称理想微分控制.A t t ②实际微分控制规律及微分时间l实际微分控制器的输出由比例作用和近似微分作用两部分组成，而且比例作用的比例度为100%l式中：KD——微分放大倍数当 ③ D控制对控制的影响l1）使系统的稳定性提高；l2）间接使c下降；l3）若TD过大系统稳定性反而降低 微分时间对过渡过程的影响 3.1.6 PID调节 开始微分起主导作用，使总的输出大辐度变化，产生强烈的调节作用后，微分作用消失； 积分占主导地位，至到余差完全消失，积分作用才停止 PID控制器输出特性 作业题与思考题作业题：P151 3、4 题 控制器控制器l知识在积累l勤奋出天才 上节课知识回眸知识点:lP控制、I控制、D控制数学表达式；lP控制、I控制、D控制的特点；lP控制、I控制、D控制的控制器参数；lP控制、I控制、D控制对控制质量的影响。
控制规律特点控制器参数控制及时快速存在余差比例度比例度比例度越小，控制作用越强，比例作用太强引起振荡1.比例控制 2.积分控制 控制规律特点控制器参数控制过程缓慢可消除余差积分时间积分时间越短，控制作用越强，积分作用太强引起振荡 3.3.微分控制 控制规律特点控制器参数有超前控制的作用微分时间微分时间越长，控制作用越强，微分作用太强引起振荡对滞后大的对象有很好的效果，使控制过程的动偏差减小 3.2 控制器3.2.1 概述① 控制器的作用 比较 运算 输出信号 ②类型 执行器PID运算测量值与给定值比较按能源分类按信号类型分类气动控制器电动控制器模拟式控制器数字式控制器 3.2 控制器3.2.1模拟式控制器 ①电动控制器 1）电动单元组合仪表（ DDZ）概念 ——代替人脑、眼、手功能的仪表组成的仪表 2）发展历程 类 型 DDZ-Ⅰ DDZ-Ⅱ DDZ-Ⅲ 电子元件 电子管 晶体管 集成电路 电 源 220VAe 220VAe 24VDC 信号范围 0~10mA 0~10mA 4~20mA ② DDZ-Ⅲ型控制器1）特点：l采用标准信号，现场传输信号为4~20mA。
l采用集成电路l仪表统一由电源箱供给24VDC电源l结构合理l整套系统可构成安全火花型防爆系统 2）作用 接收来自变送器或转换器的1~5V直流电流测量信号作为输入，与1~5V直流电流给定信号比较，然后对其偏差进行PID运算，输出4~20mA直流电流信号 3）组成 控制单元 指示单元 控制单元l输入电路——完成信号的综合放大；lPD 电路——完成PD运算；lPI 电路——比例积分运算；l输出电路——完成V / I 转换；l操作电路——输出一个手动控制信号硬手动操作电路：没有时间，直接开大关小阀门软手动操作电路：阀门需一定时间开、关指示单元 测量指示 给定指示 DZ—Ⅲ型基型电动调节器正面图示器；5—硬手动操作杆；6—软手动操作板键；8—阀位指示器； 3）组成DDZ-Ⅲ型电动调节器结构方框图 4）调节器的四种工作状态l自动l保持（调节器输出保持不变）l软手动 （调节器输出随时间按一定速度变化）l硬手动 自动-手动切换过程中，阀门开度不允许突变调节器执行器被控对象显示仪表变送器 简单控制系统组成示意图 5）七个开关lK1、K2 — 自动手动联动开关lK3 — P、PI开关lK4 — 软手动开关lK5 — 测量/校正开关lK6 — 内外给定开关lK7 — 正反作用开关正作用：测量信号 调节器输出反作用：测量信号 调节器输出DZ—Ⅲ型基型电动调节器正面图1—自动A-软手动M-硬手动H切换开关；2—双针垂直指示器；3—内绐定设定轮；4—输出指示器；5—硬手动操作杆；6—软手动操作板键；7—外给定指示灯；8—阀位指示器；9—输出记录指示；10—位号牌；11—输人检测插孔；12—手动输出插孔；13—给定值指针（黑）；14—测量值指针（红）；15—输出值指针 3.2.2 可编程逻辑控制器和数字式控制器 ① 可编程逻辑控制器（PLC）lPLC （Pregranmable logic Contrower）主要用于顺序控制、逻辑控制，如机械加工控制，离散的生产过程、连续的生产过程中开停泵的启停顺序控制。
l 现在的PLC增加了许多模拟控制器所具有的功能，使之功能更加丰富和完善 PLC软件工作原理l循环扫描方式┄┄I/O刷新 + 执行指令输入端子输入映象寄存器输出映象寄存器输出锁存输出端子ENDX1X2 X3Y0Y1输出设备X1X2Xi输入采样执行程序输出刷新输出刷新 PLC特点：l PLC突出的特点是可编程，通过编程来实现特定的控制功能，可靠性高，可在工业环境下可靠运行，控制方案实现简单l编程语言l 助记符语言、梯形图语言、流程图语言、布尔代数语言以及一些高级语言(C BASIC PASCAL型式都有，一般用于中型或者大型的PLC的编程) 梯形图语言l 电源CPUDIAIAIAOAODI线卡总线l 梯形图语言是一种采用常开触点、常闭触点、线圈和功能块图形语言，它类似继电器线路图，直观易懂底槽硬件的结构: 模块化，如Sinemens S7-300模块DODO输入输出模块 ②数字式控制器l 以微处理器为运算、控制核心，外形与模拟式控制器相似，由用户编程组织调节规律，也称为可编程调节器l1) 特点：单路调节器的种类很多，但性能和设计思想基本相似，归纳起来具有如下特点：lⅠ.具有常规模拟调节器同样的外特性。
lⅡ.具有更丰富的运算、控制功能lⅢ.灵活性好、控制功能多，组成方式灵活，还可根据需要进行修改 lⅣ.可靠性高，使用元件少，采用高可靠的集成电路lⅤ具有完备的自诊断功能和异常报警功能lⅥ.具有通信功能l2)PID运算l 具有各种软件功能模块，功能模块的作用主要是运算和调节，其中运算模块数目比调节模块多l 采用PID运算，完全通过公式运算来实现，因此可以更加准确地按公式来实现调节作用 lＰＩＤ运算公式l在计算机软件编程时不能直接采用模拟控制的计算公式，而应该使用离散的方程，必须把微分方程变成差分方程采用的近似方法：l式中：Ｔ是采样周期，i和ｋ是采样序号 作业题与思考题作业题：P151 9题 执行器l知识在积累l勤奋出天才 上节课知识回眸知识点:1. 控制器的作用2. 模拟式控制器组成及原理3. 数字式控制器特点4. 集散控制系统概念 3.3 执行器3.3.1 概述 ①作用 ②类型 步进电机 调节阀 变频调速器控制信号操纵变量变化相应的操作执行器 执行机构 调节机构B.气动执行器气动执行机构调节机构电气阀门定位器（或电气转换器）20-100kPa4-20mA气源A.电动执行器4-20mA电动执行机构调节机构 执行器的一般构成③调节阀组成 3.3.2 执行机构①概述1)作用 2)类型 气动动力 液动 电动控制信号产生推力和位移调节机构动作压缩空气液压力电特点是结构简单，安全防爆，低成本。
l特点功率大动作快，但成本高，复杂结构特点易与电动仪表连接，功率大，动作快，但应注意防爆执行机构 ② 气动薄膜执行机构1）组成： 上膜盖 玻纹膜片 下膜盖 推杆 弹簧 行程标尺(a) 外形(b) 结构图8－19 正作用气动薄膜执行机构1－上膜盖；2－膜片；3－下膜盖；4－支架；5－推杆；6－压缩弹簧；7－弹簧座；8－调节件；9－螺母；10－行程标尺 2）原理 向下的推力：PAe 弹簧的反作用力：LK 平衡时 PAe= LK 式中：Ae——薄膜面积； L——弹簧位移量； K——弹簧刚度P20~100kPa压缩空气压缩空气 ③执行机构的正反作用 信号增大时推杆下移为正作用，反之为反作用 正作用正作用PP反作用反作用 3.3.3 调节机构调节机构带动下①作用调节阀流通面积改变流量变化 3.3.3 调节机构②组成： 阀盖、填料 阀体、阀杆 阀座、阀芯 下阀盖 ③种类l按照阀芯动作方式不同分直行程阀角行程阀（a）套筒阀（a）碟阀（a）直通单座阀（a）直通单座阀（b）直通双座阀（a）角阀 调节阀类型 ④调节机构的正反作用 正作用是阀杆下移，阀关小（正装），反之为反作用。
正 反 3.3.4 调节阀的流量特性①定义： 式中： 相对流量 相对开度，既调节阀某一开度行程与全开行程之比 ②理想特性——铭牌上标的特性 调节阀的理想流量特性及阀芯形状由阀心形状确定 Ⅰ.特性方程 单位相对位移引起相对流量变化量是一个常数1)直线流量特性 称为阀的可调比 式中：Qmax——最大流量； Qmin——最小流量 特点： a.特性曲线为直线b.放大系数为常数c.在不同开度下，相同行程变化引起的相对流量变化不等 ： 0 10 20 30 40 50 60 7 0 80 90 100 % ： 3.3 13.0 22.7 32.3 42.0 51.7 61.3 71.0 80.6 90.3 100 阀门由10~20% 流量相对变化 50~60% 流量相对变化 80~90% 流量相对变化 例： 特性方程定义：单相行程变化所引起相对流量变化与该点的流量变化 成正比。
2)对数流量特性特点：a.等百分比变化； b.K是递增 例：：0， 10， 20， 30， 40， 50， 60， 70， 80， 90， 100：3.3，4.67，6.58，9.26，13，18.3，25.6，36.2，58.8，91.2，100 阀门由10~20% 流量相对变化 50~60% 流量相对变化 80~90% 流量相对变化 3.3.5 执行器的选择正反气动执行器的正、反作用执行器P反PPP反反正正正QPPPPQ正作用气开式正作用气开式反作用气关式反作用气关式①执行器正、反作用选择 l气开式：压力信号由0.02MPa变到0.1MPa，阀由全开到全关l气关式：压力信号由0.02MPa变到0.1MPa，阀由全关到全开Pl选择原则： 保证执行器信号中断时阀门自动归位到工艺安全位置P气动执行器的正、反作用选择 调节阀气开、气关的确定 贮液罐液位控制加热炉出口温度控制 图9－7 分离器出口天然气压力控制系统 图9－7 分离器出口天然气压力控制系统 3.3.6 电气阀门定位器l①作用l1)具有电气转换作用 用电动控制器输出的4~20mADC信号支操纵气动执行机构。
l2)具有气动阀门定位作用 可以使阀门位置按控制器送来的信号准确定位 ②结构及原理图8—28电/气阀门定位器结构原理图1—永久磁钢；2—输入线圈；3—支点；4—杠杆；5—反馈弹簧；6—反馈杆（滚轮）；7—凸轮；8—比例臂；9—推杆；10—调节阀；11—调零弹簧；12—喷嘴；13—挡板；14—气动放大器 作业题与思考题作业题：P151 11、12题思考题:Ø什么是干扰作用？什么是控制作用？试说明两者之间的关系？ 控制系统l知识在积累l勤奋出天才 上节课知识回眸知识点:1. 执行器的作用2. 调节阀的构成3. 调节阀的流量特性4.执行器正、反作用选择 第四章简单控制系统与集散控制系统 第四章 控制系统主要内容：l控制系统的设计l控制系统参数整定l集散控制系统 4.1 系统设计简介4.1.1 简单控制系统的组成 （单回路控制系统）调节器执行器被控对象显示仪表变送器 简单控制系统组成示意图 4.1.2 被控变量的选择（需控制什么）方法：方法： ①直接参数选择法 直接表征产量、质量、成本等指标（温度、压力、流量、液位、成分等）作被控变量 ②间接参数选择法 间接反映产品质量、产量的差数作被控变量。
注意：a.间接参数必须可测量 b.必须灵敏 c.间接参数与直接参数需有单值函数关系 4.1.3 操纵变量的选择l操纵变量： 用于克服干扰对被控变量影响，实现控制作用的参数l原则：l ①工艺上合理、经济l ②控制通道的K需大一点，T需小一点，τ越小越好；干扰通K需小点，T需大一点，τ无要求 4.1.4 测量变送环节对控制的影响l①测量元件安装应尽量小的滞后（测量位置）l②测量元件本身应尽量减小测量滞后（热电阻）l③尽量减少传递滞后（特别气信号）4.1.5 调节阀的选择l①流量特性的选择l②气开、气关形式的选择 4.1.6 控制器正、反作用选择及控制规律的选取① 控制器正、反作用选择l正作用：测量信号↑，控制器输出↑l反作用：测量信号↑，控制器输出↓②控制规律选取l根据对象特性和控制系统的要求来选择控制规律（如温度对象加微控制） 调节阀气开、气关及控制器正反作用的确定 贮液罐液位控制加热炉出口温度控制 4.2 控制器的参数整定 4.2.1 概述 ①参数整定概念 按已定的控制方案，求取使控制质量最好时的控制参数值 这里所谓的最好控制质量是相对的，是根据工艺要求既提出的所期望的控制质量。
②整定的实质 确定合适的控制器比例度δ，积分时间TI和微分时间TD ③方法： 理论分析法 工程法 4.2.2 衰减曲线法系统在纯P作用下改变δ，使之出现4：１过程此时的δ记为δS（4∶1衰减比例度）周期TS最佳δ、TI、TD与δS、TS有某种关系最佳δ、TI、TD步骤：①求δS、TS②根据δS、TS查表求得TI、TD③TI、TD投入实验 4.3 集散控制系统 3.3.1 集散控制系统概念 集散控制系统DCS (Distributed Control System) 是集计算机技术、控制技术、通信技术和CRT技术为一体即4“C”（Computer、Control、Communication、CRT）综合性高技术产品 集散控制系统的集中包括集中管理、集中操作和集中显示三个方面 分散控制包括功能分散、负荷分散和危险性分散三个方面 系统组成上是一个分层次的控制装置，顶层为经营管理级，其次为生产管理级，再次为过程管理级，最底层为直接管理级 4.3.2 集散控制系统的发展过程集散控制系统的发展过程l大致经历三个时期：l1.初创期（1975~1980）实现分散控制。
l2.成熟期（1980~1985）实现全系统管理，引入局部网络技术l3.扩展期（1985以后）操作过程、监督控制管理、调度有机结合起来，加强了逻辑控制功能，采用专家系统 4.3.3 特点l1.操作方便，人机界面友好；l2.系统构成灵活；l3.完善控制功能;l4.安装简单规范化，调试方便,运行可靠. 4.3.4 集散系统基本组成l1.过程输入输出接口；l2.过程控制单元；l3.CRT操作站；l4.上位计算机；l5.通信网络五）发展lDCS朝着控制系统与信息系统紧密结合，管控一体化的新一代系统方面发展 4.4 现场总线l基于网络通讯技术实现整个系统的网络化管理与信息传输l现场总线系统中各个现场仪表就是独立的网络结点，通过完整的通讯协议进行相互之间以及与上层监控计算机之间的信息交流从而实现系统控制l总线协议：基金会现场总线（FF），lPROFIBUS 分布式智能控制网络lLONWORKS CANBUSGM 现场总线 混合器海水钻井液密度自动调节原理图PLC海水重浆DT海水钻井液密度自动调节系统 作业题与思考题作业题：P168 2、5题思考题:Ø什么是干扰作用？什么是控制作用？试说明两者之间的关系？ 第5章 钻井参数测量仪表 钻井过程回顾钻井过程回顾 问题： 钻井过程中常需测量和控制的参数有哪些？ 第5章 钻井参数测量仪表5.1 概述5.2 常用钻井参数测量5.3 国内外典型钻井仪表简介 5.1.1 钻井工艺过程参数①与钻井液有关的参数 l钻井液体积、返出流量、温度、液位；钻井液密度、粘度、切力、固含、电导率；可燃气体含量、H2S含量、CO2含量等。
②水力参数 l泵压、泵排量、立管压力、套管压力、喷射速度、环空流速、泵冲数等③钻进参数 l钻压、转速、扭矩、钻速、进尺、井深等 5.1 概述 5.1.2 钻井仪表的分类井仪表的分类①按所用动力分类l气动仪表、液动仪表、电动仪表②按用途分类l指重表、泵压表、流量表等 ③按结构及完善程度分类l单参数检测仪表l成套钻井参数测量记录仪 l用微机控制的钻井数据收集系统 l钻井数据集中遥测和分析系统 5.1.3 钻井仪表的构成l①传感器l②中间变换器l③显示、记录仪表 钻井仪表方框图 5.2 5.2 常用钻井参数测量常用钻井参数测量5.2.1 钻压测量①钻压测量的概念l钻压：钻头对井底的压力（由钻柱的部分重量产生）l钻压测量：通常是采用测量大钩负荷的方法来间接测量钻压起起升升系系统统示示意意图图 ②钻柱受力分析：钻柱在垂直方向的力：钻柱本身的重力： lW总（方向向下）井底对钻头的支承力： lW压（方向向上）大钩受到的拉力： lW（方向向上）三个力的关系为： W总 ＝ W压＋ W 或：W压 ＝ W总－ W n——滑车有效钢丝绳数；③大钩负荷的测量游动滑车钢丝绳的张力式中： W—— 大钩负荷；；T——钢丝绳的张力。
测量死绳张力通常采用膜片式力－液压传感器起起升升系系统统示示意意图图 ④死绳固定器及载荷传感器1）结构： 2 2）工作原理：）工作原理：l由静力学原理可得：式中：F——传感器对臂梁的拉力； lT——钢丝绳拉力的力臂； T——钢丝绳张力； lF——滚筒臂梁的长度 传感器的受力分析这时承压室的压力为：通过上式可看出，承压室压力P与大钩负荷W成正比 ⑤液压显示仪表1）液压指重表a.结构：l为一单圈弹簧管压力表，表面由两轴表盘通过盘内齿轮与弹簧管连接，内指针转一小格，外指针转四小格 b.使用：l用油压管线把承压室与指重表相连；l外转盘可360度任意旋转，零位可由司钻人员任意调整 图2—14 指重表刻度盘 2）液电转换器（电位器式压力传感器）a.结构 图2－15 液电转换器液体的压力变化弹簧管端部变形连杆牵动扇形齿轮产生角位移齿轮传动放大角位移带动电位器转动b.原理具有特殊结构的压力表滑槽齿条结构 输出电压与大钩上的载荷关系式 电位器的输出电压与大钩负荷成正比式中： E为电源电压；UCA为电位器的输出电压；K为单位转角的电阻值，欧/度；m为单位压力下的转角，度/兆帕；RAB为电位器的电阻值；LT、 LF 为死绳固定器到传感器间的力臂；S为传感器承压室的的截面积；n为大钩上的钢丝绳数；W为大钩负荷； 5.2.2 钻井液压力测量l钻井液压力： 一般指的是钻井液泵的泵压。
l①组成： 隔离传压装置、阻尼器； ②隔离传压装置 1）结构2）作用图2－18 隔离传压装置泥浆压力变压器油压力转换③阻尼器 1）结构2）作用图2－19 阻尼器结构图变压器油螺纹的间隙 产生流动的阻力 油压力脉动幅度减小 流入 作业题l1.什么是钻压？它是通过什么方法进行测量的？l2．泥浆压力通常指的是什么？泥浆压力传感器由哪几部分组成？简述传感器的测量原理？ 5.2.3 钻井液流量测量钻井液流量测量图2－24 应用靶测流量示意图1－靶； 2－输出轴密封片；3－靶的输出力杠杠①靶式流量计1)结构2)原理流体通过靶产生作用在靶上的力力矩转换测出靶上所受的力3)流量方程式中， F为流体作用在靶上的力；K为阻力系数；Ad垂直流速的靶面积；γ流体的重度；A0为通过环形面积；ν为液体的流速；g为重力加速度 ②档板流量计1）结构Fα应力挡板测量流量方法示意图2）工作原理流体动压力作用在挡板上挡板偏转一角度测出挡板的偏转角度求出通过管道的流量3）流量方程式 ③③钻井液出口流量—注入量指示仪 （MFC）系统1）组成l泵冲程开关l泥浆流量传感器l控制箱 信号处理、流量显示l电子长图双迹记录仪 记录泵冲程和泥浆流量情况l远传报警单元 进行声光报警 图2—28 泥浆流量－注入量系统1－泵冲开关；2－泥浆流量传感器；3－控制箱；4－电子长图双迹记录仪；5－远传报警单元；泵冲程次数电脉冲个数泥浆回流量电信号 2）工作原理泵冲程开关 电脉冲信号 控制箱中脉冲整形网络 频率/电压转换器 直流电压 模/数转换器 数字信号 数字显示器显示泥浆冲程数 。
图2—29 MFC 系统原理框图 2）工作原理流量变送器 控制箱的泥浆回流信号调节电路 平滑滤波器 泥浆回流流量指示表 报警线路 推动外接报警器 进行声光报警 图2—29 MFC 系统原理框图 5.2.4 钻井液容量测量①泥浆容量累加器系统（MVC）组成 1）钻井液液位传感器；2）控制箱3）报警线路；4）电子长图双迹记录仪图2－36 浮标式液位传感器a（1－环形磁铁：2－铁芯：3－防爆护壳：4－电位器轴：5－链条：6－浮漂）b（1－漂浮：2－导向绳索：3－防爆护壳：4－电位器轴：5－钢丝绳：6－平衡锤） 5.2.5 钻井液密度测量系统①压差式密度传感器（吹气系统）l1）结构l2）原理图2－40 固定液位气泡系统图2－39 差压式密度传感器图长取样管的压力为：短取样管的压力为：两取样管的差压为： 将压差接到电位器式差压传感器中，差压传感器输出与泥浆的密度成正比的电压 ②浮子式密度传感器 1）结构2）原理图2—41 浮球杠杆系统1－弹性元件； 2－浮球； 3－链子金属球所受的上浮力式中： F——金属球的上浮力；V——金属球的体积；G——泥浆密度；——金属球在空气中的重量金属球受浮力上升 泥浆密度增加 杠杆另一端下压 应变片产生应变 应变桥的输出与泥浆密度成正比电压 混合器海水钻井液密度自动调节原理图PLC海水重浆DT钻井液密度自动调节系统 作业题与思考题l1.泥浆出口流量注入系统由哪几部分组成？各有什么作用？ l2．泥浆容量累加器系统由哪几部分组成？简述MVC系统的工作原理？ 5.2.6 转盘扭矩测量① 常用转盘扭矩传感器1)过桥轮式扭矩传感器 a.结构 过桥轮式传感器的安装 过桥轮式传感器的安装转盘上产生扭矩 链条紧边产生拉力 传感器转化为液压力 测量液压力 间接测得扭矩 扭矩与链条紧边拉力关系为：b.工作原理 式中， 为转盘的机械效率;R转盘链条半径；i转盘齿轮减速比；N为惰轮轴上所受合力；LN为合力N对摇臂轴的力臂；LF为液压合力F对摇臂轴的力臂；F为液压合力； D为活塞直径；P——液体压力 。
②电枢电流扭矩传感器 海上钻机和电动钻机的转盘，往往采用独立直流电机驱动 顶部驱动旋转钻井 1）电枢电流与转盘扭矩的关系 图2－45 直流电机的电路电机轴上输出的电磁力矩为：式中，Φ为磁通量； 为电枢电流； 电机常数转盘的输出扭矩： 式中， J由电机到转盘输出轴的总传动比； 由电机到转盘的总机械效率 2）电枢电流的测量 电枢电流一般采用非接触式的霍尔效应测量 图2－46 霍尔效应示意图霍尔电势：图2－47 载流阀导线四周形成磁场电枢电流磁场强度H和磁感应强度B的关系 式中， 为载流导线四周介质的导磁系数；R为安装霍尔感应片处的半径 非接触式电枢电流扭矩传感器所输出的电势与转盘的扭矩成正比 5.2.7 转盘转速传感器 ①用测速发电机测量转盘转速 利用发电机原理测量转盘转速图2－50 电磁感应现象发电机的输出电动势为：测速发电机的传动 式中，Φ为磁通量； 发电机的转动速度； 为电机常数 转盘输出轴到测速发电机轴的总传动比 式中： n——转盘输出轴的转速； ②接近开关式转速传感器 1)LC振荡电路接近开关 接近开关是一种无触点式开关。
水龙头的转管上，用两条金属带固定着一块金属块 钻柱旋转时，金属块每周一次地接近接近开关，使其发出开关信号 图2－52 接近开关 LC振荡电路的原理 图2－53 接近开关电原理图图金属物体未接近磁回路 BGl便持续振荡 输出线圈L3感应的振荡讯号 二级管D1检波，C4滤波 BG2基极上产生负电压 BG2导通 金属物体靠近磁回路 BG1立即停振 BG2截至 输出负电压给BG3 BG3发射极输出低电位 输出正电压BG3的基极 BG3的射极输出高电压 用一个定时计数器，累积这些电信号，便可以得出每分钟的转盘转速 2 2）霍尔元件接近开关）霍尔元件接近开关图2－56 霍尔元件接近开关霍尔元件嵌在导磁材料的间隙中运动磁体经过导磁材料上方磁场变化输出的霍尔电势 BG5的集电极得脉冲输出 5.2.8 钻井进尺测量 ①概述l钻井进尺测量意义 机械进尺可换算出井深、钻头位置、大钩位置、机械钻速、钻时等参数；l进尺概念 进尺是位移量，在数值上等于水龙头的位移；l测量方法 在水龙头上系一根钢丝绳该绳,该绳穿过天车平台上的一个定滑轮，再引向值班房中的传感机构,测量其位移。
②绳索式进尺传感器 1）组成：导轮、传感器和钢丝绳收放机构 2）原理：图2－57 传感器的传感机构1－导轮；2－钢丝绳；3－电位器；4－齿轮；5－计量轮；6－小滚筒；7－齿轮；8－涡卷弹簧；钻柱下行 计量轮转动电位器轴转动 滑动端改变电位 涡卷弹簧被卷紧 小滚筒顺时针转动 作业题l1.转盘扭矩是通过什么方式进行测量的？通常采用哪种方式测量电枢电流？l2．钻井进尺测量信号是如何取得的？ 5.3 国内外典型钻井仪表简介5.3.1 ZC2型六参数钻井仪①显示记录范围l大钩负荷（钻压）、钻进速度（进尺）、转盘转速、转盘扭矩、钻井液泵压、泥浆流量；②组成：l1)仪表箱：显示、记录；l2)传感器：将上面六个参数转换成液压和电信号送显示仪表中进行显示和记录 5.3.2 5.3.2 马丁－德克钻井仪表马丁－德克钻井仪表①1000、2000系列钻井仪 根据钻井过程中所需要的参数进行配套设计的专用钻井仪表，因此通用性较差②M/D—3200系列 特点：在钻井过程中可以提供独立的29项钻井参数，同时还可以提供所有参数的模拟图表，帮助操作者预测井内变化趋势，使钻井工作安全可靠的进行 ②M/D—3200系列1)组成：共六部分l带有屏幕显示器、键盘和报警系统的中央处理器；l带有远动司钻输入装置的信号调节器接口；l打印绘图机(P0G)；l传感器；l从动屏幕显示器及连接线；l电源稳压器。
2）信息参数的分类a.传感器通道 可检测泥浆体积；泥浆变化；立管压力；环空压力；转盘扭矩；泥浆入口温度；泥浆出口温度；返回泥浆流量；泥浆补给体积；转盘转速；转盘扭矩；大钳扭矩；大钩负荷13个钻井参数b.计算通道 可计算16个钻井参数② M/D—3200系列 5.3.2 5.3.2 钻井数据微机采集系统钻井数据微机采集系统①钻井数据采集与系统原理 钻井数据采集与系统原理1)钻井参数传感器 传感器的输入信号来源于钻机的三大系统 循环系统参数6个：泥浆密度、泥浆温度、泥浆体积、泥浆流动、泵压、泵排量； 吊升系统参数2个：指重、进尺； 旋转系统参数2个：转盘转速、扭矩 钻井数据采集与系统原理2)多道放大器、校正器和多笔记录仪l放大器通道它可把低能量信号放大或标准量限的信号(4～20mADC或0.02～0.1Mpa气压)；l校正器它可以把传感器的输出信号调整成与输入信号成正比的测量信号，再送入多笔记录仪进行记录；l多笔记录仪是把待测参数，直接进行记录的装置 3)多道切换器及A/D、F／D、GB转换器l切换器像自动运转的选择开关一样，轮流地把各个参数送去变换lA/D转换器可把连续变化的模拟量转换为数字量。
lF/D转换器可把累积量(单位时间内讯号的个数)变为数字量GB转换器可把格雷码变为二进制码钻井数据采集与系统原理 钻井数据采集与系统原理4)时钟 它能把现实的时间，作为信号输给数据系统，使检测的参数与时间联系起来5)息处理机l息处理机是数据采集系统的核心，是所有外围执行装置的指令装置 6)数据显示器、行式数字打印机、磁带记录器和报警器l数据显示器是用来显示瞬时检测数据和运算出的数据的装置l行式数字打印机是为了把数据保留下来，以备分析使用l磁带记录器是为了把收集的数据集中到计算分析中心，以备综合其最优措施l报警器包括声、光报警装置钻井数据采集与系统原理 。