《化工仪表自动化》

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1、hi化工自动化的发展历程目的和意义：在化工等连续性生产设备上，配备一些自动化装 置，代替操作人员的部分直接劳动，使生产在不 同程度上自动地进行，称为化工自动化。*实现化工自动化的目的是：1.加快生产速度，降低生产成本，提高产品数量和 质量。2降低劳动强度，改善劳动成本。3.确保生产安全。化工自动化的发展历程 195091960，s基地式气动单元仪表，基地式电动单元仪表，膜片 式仪表。为化工单元操作的发展提供了技术支撑。 1970，s1980单元组合II型仪表：QDZII, DDZ II 1990单元组合HI型仪表：QDZm, DDZm主要内容基本概念A控制系统仪器仪表量示制行测显控执>

2、> > >:控制系统（简单控制系统、复杂控制系统） :计算机控制系统（系统构成、接口与转换）主要参考书目1.2.3.化工仪表及自动化（第三版） 厉玉鸣主编，化学工业出版社化工仪表及自动化习题集厉玉鸣主编，化学工业出版社化工过程控制工程（第二版）王骥程祝和云主编，化学工业出版社化工过程控制基础化学工业出版社1=第一章自动控制系统基本概念第一节 化工自动化的主要内容第二节 自动控制系统的组成第三节自动控制系统的表示方法第四节自动控制系统的分类第五节自动控制的过渡过程和系统品质指标第一节化工自动化的主要内容:自动检测系统自动保护与自动报警系统:自动操纵与自动开停车系统:自动控制系统

3、第二节自动控制系统的组成四部分：测量元件及变送器、控制器、执行机构、控制对象要求观察-I/调节变换检测仪表变换显示记录显不记录仪 记录显示器给定值V V执行一调IJ机构调节器:方块图表示方式流程图表示方式第三节自动控制系统的表示方法:自动控制系统是具 有被控变量负反馈的 闭环系统。控制流程图符号意义控制流程图符号意义序号安装位置图形符号备注1就地安装仪 表OO嵌在管道 中2集中仪表盘 宙妄装仪表©3就地仪表盘 面安装仪表序号安装位置图形符号备注4集中仪表盘 后安装仪表05就地仪表盘 后安装仪表字母母 字 继 后字母母 字 继 后词 饰 修匕匕 功词 饰 修匕匕As 功APC率 导 电

4、制 控Q量 数积 累D度 密差R性 放ES度 速F量 流比T度 LIV度 粘阀KW力L位YZ第四节自动控制系统的分类按被控变量分类: 流量控制、温度控制、压力控制、物位控制等;按控制规律分类：比例控制、比例微分控制、比例积分控制、比例微分积分调节按被控变量的变化规律分类： 定值控制系统：给定值为常数；随动控制系统：给定值为变数，要求跟随变化; 程序控制系统：按预定时间顺序控制参数。:按信号种类分类: 气动控制系统，电动控制系统第五节自动控制系统的过渡过程和系统品质指标1控制系统的过渡过程 控制系统的过渡过程:代在扰动或给定值变化的情况下，被控量偏离给定 值和在控制调节作用下，接近给定值或跟随给

5、定 值变化的过程。控制系统的动态特性代被控变量向给定值变化过程的特性O控制系统的静态特性U经过调节作用后，被控参数处于稳定范围时的特性。第五节自动控制系统的过渡过程和系统品质指标:飞升曲线:心在单位阶跃输入（因扰动或设定值变化，使被控 变量在设定值之间出现阶跃性变化）下，过渡参 数的变化曲线。输入时间t飞升曲线的四种形式4.发散振荡过程控制系统的品质指标TB c1-最大偏差A；2. 衰减比(A-C)/(B-C)； 4:1-10:13. 余差C；4. 过渡时间t；5-振荡周期To第二章测量元件与变换器§3.1概述一、参数的测量参数检测：将被测参数经过一次或多次能量的交换, 获得一种便于

6、显示和传递的信号的过程。:根据信号的不同，参数检测仪表可以分为乞动检测 仪表和电动检测仪表两类O:.非电量的电测法:3将非电量工艺参数，如压力、温度、流量、物位等，转换为电流、电压等电路参数（信号）的检测方法。:、检测仪表的性能1准确度与误差准确度:测量值与被测量真值的接近程度;绝对误差:测量值与被测量真值之差；:相对误差:绝对误差与被测量真值之比；"实际相对误差：绝对误差与被测量真值之比;何示值相对误差：绝对误差与仪表指示值之比;笔许相对误塞绝对误差与仪表满刻度值之:允许误差：最大允许相对误差。2 指示变差与精密度：指示变差:同一仪表对相同的被测参数进行正、反行程测量时，其显示值的

7、差异。精密度（简称精度）:仪表检测微小参数变化 的能力。:仪表精度等级：用允许误差的绝对值表示： 常用仪表等级有：0005, 002, 005, 0.1, 0.2, 0.4, 0.5, 1.0, 1.5, 2.5, 4.0, 50等 精确度：仪表精密而准确的程度。1、检测仪表的性能3. 灵敏度、灵敏限与分辨率:灵敏度:仪表的指示位移变化量与被测参数 变化量之比。灵敏限:能引起仪表指针发生位移变化的被 狐！I参数的最小变化量。分辨率:测试仪表数字显示器的最末位数字 间隔所代表的被测参数变化量。1、检测仪表的性能1、检测仪表的性能4.线性度与反应时间:线性度:测量仪表在全量程范围内实际校准值与理论

8、对应值的吻合程度。反应时间:显示值变化相对于实际值变化的滞后时间。三、检测系统的构成示 显:被测参数敏感信号信号信号H元件-变换-传输测量-I 制 控dOn/A/D: PLCo§3.2压力的测量与变送一、压力的表示与单位绝对压力.表压.标准太气压真空度绝对压力压力的表示：:绝对压力曲单位面积所受到的力相对压力（表压）曲绝对压力与大气压之差真空度住大气压与绝对压力之差:压强（俗称压力）:单位面积所受到的垂直 作用力。:工程上的“压力”与力学中的“压力”不表 示同一个概念。帕 PaN/m2兆帕MPa105N/m2工程大气压10mH2O物理大气压209海平面毫米汞柱mm水柱m巴dyn/cm

9、2psilb/in2二、压力计的分类与工作原理工业压力计通常按敏感元件的类型进行分类:液柱式压力计活塞式压力计弹性式压力计电气式压力计1. 液柱式压力计测量原理：P=hy 所以 h=P/ yR » WWL J " 1 一.二-二_一 /二/J uyJ单管压力计U型管压力计斜管压力计2. 活塞式压力计测量原理：P=G/S 所以 G=PS精确度高:常用作标准仪表，检 验其它压力计3. 弹性式压力计与常用压力表:工作原理：釆用弹性元件将压强大小转换为 位移量，再通过机械传动和放大，推动指针 偏移。根据敏感元件形式的不同可以分为以下3类: g弹簧管式压力计卞薄膜式压力计卞波纹管式压

10、力计电气式压力计与信号转换电气式压力计，实际上是将弹性元件、液柱式压力 计所产生的微小位移或活塞式压力计所产生的力转 换为电信号输出的一类压力计。电气式压力计通常两部分组成：A次仪表（压力探头）：将压力转换为微弱电参 数；A二次仪表：将微弱电参数转换为标准电信号。电阻应变式压力计一次探头:常用电参数有：电阻、电感、电容、电压等。:常见压力变换器（压力探头）有:应变式压力变换器；压电电阻式压力变换器；电感式压力变换器；电容式压力变换器；A霍尔片式压力变换器。电线的电阻为：R=pL/S:当电线受到拉（应）力作用时，L变大，S变小，R变大。:当粘一组串联平行细导线（电阻应变片）的金属（弹性元件）因压

11、力变化而发生微小变形（应变） 时，细导线的电阻随之发生变化。从而，将压力参 数转化为电阻参数。压力弹性电阻ZU变化变形变化电感式压力计一次探头:磁路的磁阻与铁芯的间隙相关。所以，当衔铁或铁 芯的位置发生变化时，其电感也随之发生变化。从 而，可以将位移量转化为电感量。霍尔式压力计一次探头霍尔式压力计一次探头电容器的电容量:C=8S/d当S或d发生变化时, 电容量发生变化。霍尔半导体在垂直电流和磁场的作用下，会产生侧向电压：uh=rhbi电气压力计前置放大器:传感元件的参量变化通常是非常微弱的，不能进行 远距离传送，需要进行初步放大。电阻和电容传感器一般采用电桥放大，以电压方式 输出；电感式传感器

12、一般采用振荡电路放大，以频率方式输出;电压传感器一般采用直流放大器，以电压或电流方 式输出。电气压力计前置放大器输出频率.1输出输A电压电压I.电气压力计二次仪表:作用：将传感器信号转换为标准通讯信号。 DDZ m型仪表标准通讯信号为：420mA。智能型压力传感器在二次仪表中另外附加一 些功能，如：模/数转换与数据通讯，工程单 位转换，信号（变化）阻尼，故障诊断等。三、压力计的选型:选型内容：卞类型选择:功能：显示、报警、记录、传送(数字、模拟)； :介质条件：温度、腐蚀性、粘度、脏污程度等； 如：氨气表防腐，氧气表禁油。:环境条件：温度、震动、电磁场等。凤量程与盘面大小:工作压力不小于1/3

13、*®,不大于2/3 (1/2)量 程。:盘面大小应方便安装和观察。卞精度等级：根据工艺需要确定。常见压力传感器外形工业压力变送器数字压力变送器通用压力变送器离压力变送器高温压力变送器隔离压差变送器隔离液位变送器0微压变送器电容压力变送器隔膜压力变送器绝压变送器双膜压差变送器微型探针压力计风空调压力计湿式压力变送器本安压力变送器OEM血压计t - 一OEM压力芯片二压力计的安装安装事项：U取压位置：由工艺条件确定；:尽量避免涡流影响； 心避免流速影响；:。避免导压管产生压差。g隔离：:温度隔离：采用铜管散热；:腐蚀性隔离：采用隔离箱（凝液管）; 心脏污隔离：采用空气包。§3.

14、3流量的测量与变送按测量途径分类:速度式流量计U通过测量过流速度，用过流面积换算成流量。UJ*容积式流量计卞采用固定容积空间逐次衡量过流容积O:质量流量计u计量可压缩流体的质量通过量O一、速度式流量计根据测速方法可以分为以下几类:丘压差流量计"转子流量计GS电磁流量计代超声波流量计代涡轮流量计U堰式流量计1压差流量计:由流体力学知识可知，流体通过孔板节流装置后,会产生一定的压降。根据流速和压降的关系可以推导出下列方程:测量原理：流体流动的节流原理。定 节流面积，变压差。通过测量孔板前后ocFQ压差即可计算出流速和流量。转子流量计：工作原理：定压降、变流通 面积。&压差与流速有

15、关；g流速取决于转子的位置。:由转子高度可直接读取通过 的流量；测量转子位置可进一步获得 相应的电气信号。:安装：垂直安装。电动势:o Ex=BDvx10'12所以有:Q=KEX3电磁流量计当流道两侧有磁场 作用时，导电流体 t在流动过程中切割l X2磁力线，产生感应3电磁流量计电磁流量计由两部分组成: 电磁流量变换器U由带激磁线圈的绝缘测量管产生电势信号O二次仪表U作用：提供激磁电源，将变换器输出的微弱电势 信号进行放大，并输出相应的电流信号。卞组成：前置放大、主放大、相敏检波、功率放大、 霍尔反馈（克服电源波动）、电源等。:、容积式流量计aP= f fx=r cos pA sin

16、2j:多普勒效应：当一束波射向移动的物质并产 生散射时，其散射波的频率会产生变化（频 移），且频率变化量与物质的运动速度成正 比。超声波流量计的特点:何非接触式测量； 卞流体中需要有散射粒子：微泡或颗粒。容积式流量计主要包括两类：3齿轮式流量计:一对紧密啮合的齿轮与壳体之间形成固定的间隙空间, 齿轮每旋转一周，有固定流体通过间隙输送通过。流 体通过量与齿轮转数成正比。e活塞式流量计:利用活塞的每一次往复运动输送定量的流体。计量泵：用外力推动容积式流量计即可定量输送流 体容积式流量计的最大特点是对被测流体的粘度不敏 感，常用于测量重油等粘稠流体。三、质量流量计间接式质量流量计U分别测量体积流量和

17、密度再用乘法计算出质量流 量。直接式质量流量计U利用科氏力的作用使弯曲的弹性管道两侧产生震 动相位差:质量流量计结构比较复杂，只用于压力变化 较大的可压缩流体。§ 3.4物位的测量与变送何液位：容器中液体表面的高低;凤料位：容器中固体的堆积高度; 何界面：两相物质的交界面。物位计的分类直读式物位计浮力式物位计:压差式物位计电磁式物位计核辐射式物位计:超声波物位计 光电式物位计:用带有刻度的透明物质（如玻璃、有机玻璃） 作为容器壁的一部分或连通管，可以直接显 示容器内液位的高低。1二、浮力式物位计利用浮子高度随液面或液体界面变化而变化 的原理工作。四、电容式物位计利用物料内静压力与物料

18、深度或堆积高度成正比的关系进行测量。圆柱形电容器的电容量的表达式为:电极间充入高度为H的介质前后电容量的变化值为:27vsH 2兀£- D） 27182龙（£一£0）C =1=HDDDDIn In In In dddd由此可见，电容量的变化量与充料高度成正比。测量电容量变化即可知料位的变化O五、电极式物位计电容式液位计电容（绳）式料位计注:主要用于测量不导电流体rO O O:利用物料的导 电性能测量高 低液位。:也可以用于导 电性较弱的液 体和潮湿固体。七、超声波物位计放射线通过介质 时，其强度衰减 与物质的吸收系 数和介质层厚度-uH(boW目前，工业上使 用的

19、放射线物位 计有连续式和间 断式两种。:利用声波在空气中传播速度 不变的原理，通过检测声波 发射和反射全过程的时间间 隔可以计算出物料界面到探 头的距离，从而得到物位的高低。注意事项:氏确保反射波能回到探头； 凤防止物料对声波的吸收（如表面泡沫漂浮）§ 3.4温度的测量与变送：温度是化工过程中最普遍而重要的操作参数。 卫所有的过程都是在一定的温度条件下进行的;“温度决定一些反应能否进行和反应方向；&温度决定一些反应的进程程度； 何温度显示反应的能量变化。温度不能直接测量。温度的测量都是通过温度传递到敏感元件后，其物理性质随温度变化而 进行的。温度i常用温度计的种类及适用温度1

20、玻璃液体 ：50600 -C膨胀式|压力式|双金属 ：80600 -C液体:50600 -C气体:20600 -C接触式蒸汽：0250 "C钳铠 钳：01600 -C热屯偶镰铭 像硅：501000 -C银珞考铜：50600 -C热电阻：钳:200 600 C、铜：50 150 "C热辐射 ：4002000 -C辐射式光辐辐:7003200 -C非接触式上匕色:9001700 -C红外线1光电电：03500c 热电式 :2002000 -C、膨胀式温度计玻璃毛细管延伸而直接显 示温度双金属温度计玻璃液体温度计"利用液体受热膨胀并沿何不同金属受热膨胀不同， 双金属片在

21、受热情况下发 生弯曲而显示温度三、辐射式温度计利用液体的蒸发或气体的膨 胀而引起的压力变化进行测 量。"温包：传热、容纳膨胀介质;何毛细管：传递压力； 何弹簧管：显示压力（温 度）。通过特定波长光波的强度或热辐射强度来确 定光源温度。辐射式温度计：测定热辐射强度；1-光学温度计：采用光学分频法，测定不同频 率光波的强度比值；2.比色法：直接通过可见光颜色的对比，确定 光源温度。III辐射式温度计，通常用于测量高温条件，特 别是光学温度计和比色温度计需要利用物体 在高温下发射的可见光进行检测。IIIIII四、热电偶温度计1 热电偶工作原理何不同金属具有不同的电子密度；何两种金属接触面因

22、为电子的扩散作用而产生 由扬一执由象.凤电子在$散作用in电场力作用下最终达到平 衡；"电子的扩散与温度相关，温度越高，扩散作 用越强。扩散作用金属B金属A *+电场作用 :热电偶的材质要求：鈕单位温度变化的热电势大，且尽量接近线性 关系；何热电性质稳定；鈕化学稳定性好：高温下抗氧化，抗腐蚀；何具有较好的延展性，易于加工； 鈕复现性好，便于批量生产和互换。:不同材质的热电偶有不同的特性，应根 据实际需要选择&测量范围、放大系数（以分度值表示）、测 量精度、抗腐蚀能力、价格等。热电偶的结构3.:热电极工作部分绝缘子GS防止电极与电极、套管短路保护套管 m保护接线盒4. 热电偶回

23、路-0-cEt = eAB (门+*眈('0)+ %(5) 0 = e AB (0 ) + e BC "o ) + eCA (0 ) E t = e AB C) - e AB Ct):不同金属连接在一起 都构成热电偶作用；:热电偶回路电动势为 各接点热电势的总和;:对于有外接导线的热势为热端与冷端热电:热电偶测量的关键是如 何保证冷端的温度5热电偶的补偿补偿导线:热电偶的导线补偿III:补偿导线应与热电偶的卞用廉价材料将冷端 延伸到温度相对稳 定的控制室内；冷端温度补偿:补偿导线的材质不同， 接线时应特别注意不能接TH o电极材料配合使用;“将冷端浸泡在恒温 的冰水中；e采用

24、电路差减法消 除冷端热电势。五、热电阻温度计测量原理应利用金属电阻随温度变化的规律进行测量; :测量金属在不同温度下电阻值的变化。III工业热电阻温度计主要有两种材质：何钳电阻：065(PC, Pt10, Pt100m铜电阻：-50+1502C, Cu50, Cu100：结构：普通型，铠装型，薄膜型六、电动温度计的二次仪表被测温度功能：3对信号进行放大和转换;3信号的线性化。组成部分：3输入电桥；3放大器；3反馈电路；GS电源电路。七、测温元件的安装注意事项1确保测温元件与被测材料有充分的接触;2.保持接线盒清洁干燥;3防止热量散失;4. 使用规定的补偿导线，并确保正确接线；5. 一次仪表与二次仪表间的信号线尽量不要有 接头;6. 信号线尽量单独穿管敷设。第五章自动控制仪表§5.1概述三、控制仪表的分类：基地式控制仪表凤检测、控制、显示组合在一起的一类仪表。单元组合式控制仪表3在系统规定的统一的通讯方式下，按要求给出 相应的控制信号。:计算机控制系统U以计算机为中心控制单元，以测试仪表、执行 机构等单元为外围设备的系统。