河南工業(yè)大學過程控制04

1、Process Control System & Instrumentation 主要內(nèi)容 n安全防爆基礎(chǔ)n溫度檢測n熱電偶n熱電阻n測溫元件的選型及安裝Process Control System & Instrumentation 安全防爆n在石油、化工等多個行在石油、化工等多個行業(yè)，大量存在含有易燃業(yè)，大量存在含有易燃易爆材料的場合（危險易爆材料的場合（危險區(qū)域），如原油及其衍區(qū)域），如原油及其衍生物、酒精、天然氣、生物、酒精、天然氣、金屬屑、粉塵、纖維、金屬屑、粉塵、纖維、飛揚物等等。飛揚物等等。n安全防爆是一項綜合性安全防爆是一項綜合性技術(shù)，與過程控制關(guān)系技術(shù)，與過程

2、控制關(guān)系密切。密切。n安全防爆意義重大。安全防爆意義重大。Process Control System & Instrumentation 危險區(qū)分類Process Control System & Instrumentation 可燃物的燃點和閃點可燃物的燃點和閃點n爆炸的形成，與可燃物的燃點、爆炸的形成，與可燃物的燃點、閃點密切有關(guān)。閃點密切有關(guān)。n燃點指可燃物受熱發(fā)生自燃的最燃點指可燃物受熱發(fā)生自燃的最低溫度。達到這一溫度，可燃物低溫度。達到這一溫度，可燃物質(zhì)與空氣接觸，不需要明火作用，質(zhì)與空氣接觸，不需要明火作用，就能自行燃燒。就能自行燃燒。 燃點越低，發(fā)生燃點越低，發(fā)

3、生起火的危險性越大。如汽油的燃起火的危險性越大。如汽油的燃點為點為220oC。n閃點是易燃物或可燃液體揮發(fā)出閃點是易燃物或可燃液體揮發(fā)出的蒸氣與空氣形成混合物后，遇的蒸氣與空氣形成混合物后，遇火源發(fā)生燃燒的最低溫度。如汽火源發(fā)生燃燒的最低溫度。如汽油閃點油閃點39oC。n安裝在危險區(qū)的電子儀表（傳感安裝在危險區(qū)的電子儀表（傳感器、執(zhí)行器或控制器），其器、執(zhí)行器或控制器），其表面表面溫度必須受限溫度必須受限，并，并避免產(chǎn)生火花避免產(chǎn)生火花。Process Control System & Instrumentation 防爆技術(shù)防爆技術(shù)n為了確保電子設(shè)備在危險場所安全使用，發(fā)展為了確保電

4、子設(shè)備在危險場所安全使用，發(fā)展了多種防爆技術(shù)：了多種防爆技術(shù)：n隔爆型（隔爆型（ d）n本安型（本安型（ i ）n正壓型（）正壓型（）n油浸型（）油浸型（）n充砂型（）充砂型（）n各種防爆技術(shù)規(guī)范由國家標準強制規(guī)定，不同各種防爆技術(shù)規(guī)范由國家標準強制規(guī)定，不同的防爆技術(shù)適用于不同的場合。的防爆技術(shù)適用于不同的場合。 Process Control System & Instrumentation 隔爆型隔爆型“” n把設(shè)備可能點燃爆炸性氣體把設(shè)備可能點燃爆炸性氣體混合物的部件全部封閉在一混合物的部件全部封閉在一個外殼內(nèi)；個外殼內(nèi)；n其外殼能夠承受通過外殼任其外殼能夠承受通過外殼任何接合

5、面或結(jié)構(gòu)間隙，滲透何接合面或結(jié)構(gòu)間隙，滲透到殼內(nèi)的可燃性混合物在內(nèi)到殼內(nèi)的可燃性混合物在內(nèi)部爆炸而不損壞；并且不會部爆炸而不損壞；并且不會引起外部由一種、多種氣體引起外部由一種、多種氣體或蒸汽形成的爆炸性環(huán)境的或蒸汽形成的爆炸性環(huán)境的點燃，從而達到隔爆目的。點燃，從而達到隔爆目的。n適用于適用于1區(qū)和區(qū)和2區(qū)。區(qū)。 Process Control System & Instrumentation 本安型本安型“” n設(shè)備內(nèi)部的所有電路在標準規(guī)定條件下，產(chǎn)生的任設(shè)備內(nèi)部的所有電路在標準規(guī)定條件下，產(chǎn)生的任何電火花或任何熱效應(yīng)均不能點燃規(guī)定的爆炸性氣何電火花或任何熱效應(yīng)均不能點燃規(guī)定的爆炸

6、性氣體。體。n從限制電路中的能量入手，通過可靠的控制電路參從限制電路中的能量入手，通過可靠的控制電路參數(shù)將潛在的火花能量降低到可點燃規(guī)定的氣體混合數(shù)將潛在的火花能量降低到可點燃規(guī)定的氣體混合物能量以下，導線及元件表面發(fā)熱溫度限制在規(guī)定物能量以下，導線及元件表面發(fā)熱溫度限制在規(guī)定的氣體混合物的點燃溫度之下。的氣體混合物的點燃溫度之下。n該防爆型式只能應(yīng)用于弱電設(shè)備中（控制器、傳感該防爆型式只能應(yīng)用于弱電設(shè)備中（控制器、傳感器等）。適用于器等）。適用于0區(qū)、區(qū)、1區(qū)和區(qū)和2區(qū)。區(qū)。n安裝在安全區(qū)（如控制室內(nèi)）的非防爆型儀表，需安裝在安全區(qū)（如控制室內(nèi)）的非防爆型儀表，需經(jīng)防爆安全柵與安裝在危險區(qū)的

7、本安儀表聯(lián)接。經(jīng)防爆安全柵與安裝在危險區(qū)的本安儀表聯(lián)接。Process Control System & Instrumentation 防爆安全柵防爆安全柵 n安全柵安裝在安全場所，一安全柵安裝在安全場所，一方面?zhèn)鬏斝盘?，另一方面將方面?zhèn)鬏斝盘?，另一方面將流入危險場所的能量控制在流入危險場所的能量控制在爆炸性氣體或混合物的點火爆炸性氣體或混合物的點火能量以下。能量以下。n發(fā)生故障時，安全柵能將串發(fā)生故障時，安全柵能將串入到故障儀表的能量限制在入到故障儀表的能量限制在安全值以內(nèi)，從而確?，F(xiàn)場安全值以內(nèi)，從而確?，F(xiàn)場設(shè)備、人員和生產(chǎn)的安全。設(shè)備、人員和生產(chǎn)的安全。n分為齊納式安全柵與隔離

8、式分為齊納式安全柵與隔離式安全柵兩種。安全柵兩種。Process Control System & Instrumentation 齊納式安全柵與隔離式安全柵齊納式安全柵與隔離式安全柵 n齊納式（齊納式（Zener）安全柵，通過快速熔斷絲和）安全柵，通過快速熔斷絲和限壓、限流電路實現(xiàn)能量限制作用。限壓、限流電路實現(xiàn)能量限制作用。n隔離式安全柵，使用較多的是隔離變壓器式安隔離式安全柵，使用較多的是隔離變壓器式安全柵。與齊納式安全柵相比，隔離式安全柵具全柵。與齊納式安全柵相比，隔離式安全柵具有如下突出優(yōu)點：有如下突出優(yōu)點：n隔離式安全柵的電源、信號輸入、信號輸隔離式安全柵的電源、信號輸入、

9、信號輸出均通過變壓器耦合，實現(xiàn)信號的輸入、出均通過變壓器耦合，實現(xiàn)信號的輸入、輸出完全隔離。輸出完全隔離。n通用性強，可以在危險區(qū)或安全區(qū)認為合通用性強，可以在危險區(qū)或安全區(qū)認為合適的任何一方接地；適的任何一方接地；n隔離式安全柵由于信號完全浮空，大大增隔離式安全柵由于信號完全浮空，大大增強信號的抗干擾能力。強信號的抗干擾能力。Process Control System & Instrumentation 儀表防爆標志示例儀表防爆標志示例nExdBT6nEx：防爆儀表：防爆儀表nd: 隔爆型隔爆型nB： 指工廠用儀表（指工廠用儀表（指煤指煤礦用儀表）。礦用儀表）。 類又分類又分 A（

10、丙烷等）、（丙烷等）、 B（乙烯等）（乙烯等）和和C（氫氣、乙炔等）（氫氣、乙炔等）nT6：85 （根據(jù)自燃溫度（根據(jù)自燃溫度T將將易燃性氣體或蒸汽混合物分為易燃性氣體或蒸汽混合物分為450、300、200、135、100和和85 。）。）Process Control System & Instrumentation 安全防爆的其他考慮安全防爆的其他考慮n靜電處理，如油庫設(shè)靜電處理，如油庫設(shè)施的油罐、管道、卸施的油罐、管道、卸油臺、加油柱應(yīng)可靠油臺、加油柱應(yīng)可靠接地。接地。n防雷擊處理，在易燃防雷擊處理，在易燃易爆生產(chǎn)場所應(yīng)安裝易爆生產(chǎn)場所應(yīng)安裝避雷設(shè)施（避雷針、避雷設(shè)施（避雷針、S

11、PD等）。等）。n電纜連接及布線處理。電纜連接及布線處理。n執(zhí)行器優(yōu)先選擇氣動執(zhí)行器優(yōu)先選擇氣動設(shè)備。設(shè)備。 Process Control System & Instrumentation 過程控制常見被控參數(shù)過程控制常見被控參數(shù)n常見被控參數(shù)：常見被控參數(shù)：n溫度溫度n壓力壓力n流量流量n液位液位n成分成分n許多工業(yè)過程許多工業(yè)過程都可以直接或間接地以上都可以直接或間接地以上述參數(shù)實現(xiàn)控制。述參數(shù)實現(xiàn)控制。Process Control System & Instrumentation 溫度檢測 n溫度是工業(yè)過程控制系統(tǒng)中最常用、最溫度是工業(yè)過程控制系統(tǒng)中最常用、最基本的一

12、個物理量。基本的一個物理量。n工業(yè)過程中常用溫標為攝氏，但美國采工業(yè)過程中常用溫標為攝氏，但美國采用華氏，換算關(guān)系用華氏，換算關(guān)系：32)(59)(00CtFtProcess Control System & Instrumentation 溫度測量方法及測量元件溫度測量方法及測量元件n接觸式和非接觸式接觸式和非接觸式n常用測量元件：常用測量元件：n熱電偶熱電偶n熱電阻熱電阻n半導體熱敏電阻半導體熱敏電阻n集成溫度傳感器集成溫度傳感器Process Control System & Instrumentation 接觸式測溫 n測溫方法：測溫方法：n膨脹式，基于物體受熱體積膨脹

13、性質(zhì)；膨脹式，基于物體受熱體積膨脹性質(zhì)；n熱電阻式，基于導體或半導體電阻隨溫度變化的性熱電阻式，基于導體或半導體電阻隨溫度變化的性質(zhì)；質(zhì)；n熱電偶式，基于熱電效應(yīng)。熱電偶式，基于熱電效應(yīng)。n特點：特點：n簡單、可靠、精度高；簡單、可靠、精度高；n測溫元件有時可能破壞被測介質(zhì)的溫度場或與被測測溫元件有時可能破壞被測介質(zhì)的溫度場或與被測介質(zhì)發(fā)生化學反應(yīng)；介質(zhì)發(fā)生化學反應(yīng)；n因受到耐高溫材料的限制，測溫上限有界。因受到耐高溫材料的限制，測溫上限有界。 Process Control System & Instrumentation 非接觸式測溫 n測溫方法：測溫方法：n利用物體輻射能隨溫度變

14、化的特性，如紅外式測溫。利用物體輻射能隨溫度變化的特性，如紅外式測溫。n特點：特點：n不會破壞被測介質(zhì)的溫度場，測溫上限原則上不受不會破壞被測介質(zhì)的溫度場，測溫上限原則上不受限制；限制；n可測運動體溫度，如軋鋼過程中鋼板表面溫度；可測運動體溫度，如軋鋼過程中鋼板表面溫度；n易受被測物體熱輻射率及環(huán)境因素（物體與儀表間易受被測物體熱輻射率及環(huán)境因素（物體與儀表間的距離、煙塵和水汽等）的影響。的距離、煙塵和水汽等）的影響。 Process Control System & Instrumentation 熱電偶（Thermocouple） n工業(yè)過程中使用范圍很廣工業(yè)過程中使用范圍很廣的一

15、種測溫元件。的一種測溫元件。n特點：特點：n其熱電動勢與溫度在小范圍其熱電動勢與溫度在小范圍內(nèi)基本上呈單值、線性關(guān)系；內(nèi)基本上呈單值、線性關(guān)系；n穩(wěn)定性好；穩(wěn)定性好；n測溫范圍寬，高溫熱電偶測測溫范圍寬，高溫熱電偶測溫上限可達溫上限可達2800；n精度較高。精度較高。Process Control System & Instrumentation 常用熱電偶常用熱電偶型號型號n基本為定型生產(chǎn)，有標準化分度表?；緸槎ㄐ蜕a(chǎn)，有標準化分度表。 n常用型號：常用型號：n鉑銠鉑銠3030-鉑銠鉑銠6 6熱電偶（也稱雙鉑銠熱電偶，分熱電偶（也稱雙鉑銠熱電偶，分度號度號B）；測溫范圍）；測溫范圍

16、300-1600300-1600。n鉑銠鉑銠1010-鉑電偶（分度號鉑電偶（分度號S）；測溫范圍）；測溫范圍0-0-13001300。n鎳鉻鎳鉻-鎳硅（鎳鉻鎳硅（鎳鉻-鎳鋁，分度號鎳鋁，分度號K）熱電偶；）熱電偶；測溫范圍測溫范圍-50-1000-50-1000。Process Control System & Instrumentation 熱電偶冷端溫度對被測溫度的影響 n只有當熱電偶冷端溫度只有當熱電偶冷端溫度T0保持不變時，保持不變時，熱電勢才是被測溫度熱電勢才是被測溫度T T的單值函數(shù)：的單值函數(shù)：nE(T，0) =E(T，T0) ) + E(T0，0)n所以，只有將冷端溫度

17、保持為所以，只有將冷端溫度保持為0，或者，或者進行一定的修正才能得到準確的測量結(jié)進行一定的修正才能得到準確的測量結(jié)果。該過程果。該過程稱為稱為熱電偶的冷端溫度補償。熱電偶的冷端溫度補償。Process Control System & Instrumentation 熱電偶冷端補償熱電偶冷端補償例題例題n用分度號為用分度號為K K的鎳鉻的鎳鉻- -鎳硅熱電偶測量溫鎳硅熱電偶測量溫度，在沒有采取冷端溫度補償?shù)那闆r下，度，在沒有采取冷端溫度補償?shù)那闆r下，顯示儀表指示值為顯示儀表指示值為500500，而這時冷端溫，而這時冷端溫度為度為6060。n試問：實際溫度應(yīng)為多少？試問：實際溫度應(yīng)為多少

18、？n如果熱端溫度不變，設(shè)法使冷端溫度保持在如果熱端溫度不變，設(shè)法使冷端溫度保持在2020，此時顯示儀表的指示值應(yīng)為多少？，此時顯示儀表的指示值應(yīng)為多少？ Process Control System & Instrumentation 熱電偶冷端補償熱電偶冷端補償例題例題n顯示儀表指示值為顯示儀表指示值為500500時，查表可得此時時，查表可得此時顯示儀表的實際輸入電勢為顯示儀表的實際輸入電勢為20.64mV20.64mV，即，即 n冷端溫度為冷端溫度為6060產(chǎn)生的電勢：產(chǎn)生的電勢：n由由23.076mV23.076mV查表可得：查表可得：t=557t=557。即實際。即實際溫度為溫

19、度為557557。 mVEtEO436. 2)0 ,60()0 ,(mVttEO64.20),(mVtEttEtE076.23436. 264.20)0 ,(),()0 ,(00Process Control System & Instrumentation 熱電偶冷端補償熱電偶冷端補償例題例題n當熱端為當熱端為557557，冷端為，冷端為2020時，由于時，由于E E（2020，0 0）=0.798mV,=0.798mV,故有：故有：n查表可得顯示儀表指示值應(yīng)為查表可得顯示儀表指示值應(yīng)為538.4538.4。 mVtEtEttE278.22798. 0076.23)0 ,()0 ,(

20、),(00Process Control System & Instrumentation 工業(yè)上冷端補償常用方法n冷端溫度修正法，包括：冷端溫度修正法，包括：n溫度修正法溫度修正法T=T+kT(kT=T+kT(k為修正系數(shù)為修正系數(shù)) )n熱電勢修正法（軟件查表法）熱電勢修正法（軟件查表法）n冷端溫度自動補償法，包括：冷端溫度自動補償法，包括：n冷端補償電橋法冷端補償電橋法npnpn結(jié)補償法結(jié)補償法n若被測溫度較高（若被測溫度較高（1000 ），而冷端在室），而冷端在室溫范圍，可以忽略冷端的影響，即無需補償。溫范圍，可以忽略冷端的影響，即無需補償。Process Control Sy

21、stem & Instrumentation 熱電阻（RTD） n在中、低溫區(qū)，熱電偶在中、低溫區(qū)，熱電偶輸出的熱電動勢很小；輸出的熱電動勢很?。籲而在中、低溫區(qū)，用熱而在中、低溫區(qū)，用熱電阻比用熱電偶做為測電阻比用熱電偶做為測溫元件時的測量精確度溫元件時的測量精確度更高；更高；n熱電阻特點：性能穩(wěn)定、熱電阻特點：性能穩(wěn)定、測量精度高，一般可在測量精度高，一般可在-270900范圍內(nèi)使范圍內(nèi)使用（用（推薦在推薦在150以下以下時選用時選用）。）。Process Control System & Instrumentation 熱電阻的材料熱電阻的材料n工業(yè)熱電阻的材料要求：工業(yè)

22、熱電阻的材料要求：n電阻溫度系數(shù)大；電阻溫度系數(shù)大；n電阻隨溫度的變化呈線性關(guān)系；電阻隨溫度的變化呈線性關(guān)系；n電阻率大；電阻率大；n熱容量??；熱容量??；n在測溫范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的物理和化學性能。在測溫范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的物理和化學性能。n熱電阻的材料主要有鉑、銅和鎳。熱電阻的材料主要有鉑、銅和鎳。)(100ttRRtProcess Control System & Instrumentation 不同熱電阻特點及分度號不同熱電阻特點及分度號n鉑在氧化介質(zhì)或高溫時，物理、化學性質(zhì)穩(wěn)定。鉑在氧化介質(zhì)或高溫時，物理、化學性質(zhì)穩(wěn)定。分度號有分度號有Pt100Pt100、Pt10Pt10。測溫范圍。

23、測溫范圍-200-850-200-850。n銅在銅在-50-150-50-150穩(wěn)定性好，超過穩(wěn)定性好，超過100100易被氧化。易被氧化。分度號有分度號有Cu50Cu50、Cu100Cu100。測溫范圍。測溫范圍-50-150-50-150。n鎳在我國含量少，不常用。分度號有鎳在我國含量少，不常用。分度號有Ni100Ni100、Ni300Ni300和和Ni500Ni500。測溫范圍。測溫范圍-60-180-60-180。n三種熱電阻中，鉑（三種熱電阻中，鉑（特別是特別是Pt100Pt100）使用最廣）使用最廣）Process Control System & Instrumentat

24、ion 半導體熱敏電阻（半導體熱敏電阻（Thermistor）n包括正溫度系數(shù)包括正溫度系數(shù)PTC、負溫、負溫度系數(shù)度系數(shù)NTC和臨界溫度電阻和臨界溫度電阻CTR 三類。三類。n連續(xù)測溫中主要采用負溫度連續(xù)測溫中主要采用負溫度系數(shù)系數(shù)NTC；而；而PTC和和CTR一一般用于制作位式作用溫度開般用于制作位式作用溫度開關(guān)。關(guān)。n熱容量小，響應(yīng)快；但互換熱容量小，響應(yīng)快；但互換性差，熱電特性非線性大。性差，熱電特性非線性大。測溫范圍測溫范圍-50-300。Process Control System & Instrumentation 集成溫度傳感器n利用利用pn結(jié)的伏安特性與溫度之間的關(guān)系

25、研制的結(jié)的伏安特性與溫度之間的關(guān)系研制的一種固態(tài)傳感器。一種固態(tài)傳感器。n特點：特點：n體積小；體積?。籲熱慣性小、反應(yīng)快；熱慣性小、反應(yīng)快；n測溫精度高；測溫精度高；n穩(wěn)定性好；穩(wěn)定性好；n價格低等。價格低等。n分為電壓型和電流型兩種，電壓型溫度系數(shù)約分為電壓型和電流型兩種，電壓型溫度系數(shù)約10mV/；電流型溫度系數(shù)約；電流型溫度系數(shù)約1A/。 Process Control System & Instrumentation 集成溫度傳感器AD590n兩端元件；兩端元件；n供電電壓：直流供電電壓：直流（+4+30V），），1.5mW(+5V)；n高阻抗（高阻抗（710M）輸）輸出；出；n0時輸出時輸出273.2A；n溫