過程控制儀表及裝置

1、過程控制儀表及裝置第1頁，共43頁，2022年，5月20日，18點34分，星期三1.1 控制儀表的信號制1.2 電動儀表信號標準的使用1.3 控制儀表的防爆知識1.4 過程控制儀表的型號命名1.5 過程控制儀表的分析方法第1章 過程控制儀表的基本知識第2頁，共43頁，2022年，5月20日，18點34分，星期三1.1 信號制信號制即信號標準，是指儀表之間采用的傳輸信號的類型和數值。下限上限20kPa(0.2Kgf/cm2)100kPa(1Kgf/cm2)電流信號負載電阻mA歐0-10mA歐歐目的：達到通用性和相互兼容性的要求，以便不同系列或不同廠家生產的儀表能夠共同使用在同一控制系統(tǒng)中，實現系

2、統(tǒng)的功能。第3頁，共43頁，2022年，5月20日，18點34分，星期三1.2 電動儀表信號標準的使用現場與控制室儀表之間采用直流電流信號 優(yōu)點：直流比交流干擾少 直流信號對負載的要求簡單 電流比電壓更利于遠傳信息 缺點：多個儀表接收同一電流信息，它們 必須串聯(lián)。 要求：接收儀表輸入電阻小 任何一個儀表在拆離信號回路之前首先要把該儀表的兩個輸入端短接，否則其它儀表將會因電流中斷而失去信號 儀表無公共接地點，須浮空工作變送器發(fā)送者rrIoRL1RL2負載接受者現場控制室第4頁，共43頁，2022年，5月20日，18點34分，星期三控制室內部儀表之間采用直流電壓信號IoViRL1RL2RL3現場控

3、制室優(yōu)點： 任何一個儀表拆離信號回路都不會影響其它儀表的運行。 各個儀表具有公共接地點，可以共用一個直流電源。要求：接收儀表的輸入阻抗要足夠高第5頁，共43頁，2022年，5月20日，18點34分，星期三1.3 儀表防爆的基本知識氣動儀表從本質上來說具有防爆性能（不可能產生火花）。電動儀表必須采取必要的防爆措施才具有防爆性能。原因：在某些生產現場存在著各種易燃、易爆氣體（煉油、化工等生產現場）。安裝在這種危險場所的儀表如果產生火花，就容易引起爆炸，因而必須具有防爆性能。第6頁，共43頁，2022年，5月20日，18點34分，星期三1.防爆儀表的標準防爆儀表的分類 防爆儀表的分級和分組 防爆儀表

4、的標志標準：國家標準GB3836.1爆炸性環(huán)境用防爆電氣設備通用要求標志： iaIICT5，iaIICT6，dIIBT3第7頁，共43頁，2022年，5月20日，18點34分，星期三防爆儀表的分類S特殊型 n無火花型 q充沙型 O充油型 P正壓型 i本質安全型 e增安型 d隔爆型 按照國標GB3836.1規(guī)定，防爆電氣設備分為兩大類： I 類：煤礦井下用電氣設備 II類：工廠用電氣設備II類(工廠用)電氣設備又分為8種類型。其標志如下： 第8頁，共43頁，2022年，5月20日，18點34分，星期三在爆炸性氣體或蒸汽中使用的儀表，引起爆炸主要有兩方面原因：2.儀表過高的表面溫度II類(工廠用)

5、防爆儀表的分級和分組就是針對上述兩個方面進行的。1.儀表產生能量過高的電火花或儀表內部因故障產生的火焰通過表殼的縫隙引燃儀表外的氣體或蒸汽第9頁，共43頁，2022年，5月20日，18點34分，星期三防爆儀表的分級0.45MICR 0.5dmax II C 0.8MICR0.45 0.9 dmax0.5 II B MICR0.8 dmax0.9 II A MICR dmax (mm) 級別根據：最大試驗安全間隙dmax 或 最小點燃電流的比值MICR防爆儀表的分組根據：儀表最高表面溫度450T1300T2200T3135T485100最高表面溫度T6T5溫度組別儀表的最高表面溫度=實測最高表面

6、溫度實測時環(huán)境溫度 +規(guī)定最高環(huán)境溫度第10頁，共43頁，2022年，5月20日，18點34分，星期三防爆儀表的標志防爆儀表的防爆標志為“Ex”；儀表的防爆等級標志的順序為：防爆型式、類別、級別、溫度組別。過程控制儀表常見的防爆等級有iaIICT5 (iaIICT6)和dIIBT3二種。前者表示II類本質安全型ia等級C級T5組；后者表示II類隔爆型B級T3組。防爆儀表的分級與分組，與易燃易爆氣體或蒸汽的分級和分組是相對應的。 硝酸乙脂 二硫化碳 乙炔 氫、水煤氣 IIC 乙醚、二乙醚 二甲醚、丙烯醛、碳化氫 環(huán)氧丙烷、丁二烯、乙烯 丙烯脂、二甲醚、環(huán)丙烷、市用煤氣 IIB 亞硝酸乙脂 乙醛、

7、三甲胺 環(huán)乙烷、戊烷、己烷、庚烷、辛烷、汽油、煤油、柴油、戊醇、己醇、環(huán)乙醇 乙醇、丁醇、丁烷、醋酸丁脂、醋酸戊脂、環(huán)戊烷、丙烯、乙苯、甲醇、丙醇 甲烷、氨、乙烷、丙烷、丙酮、苯、甲苯、一氧化碳、丙烯酸、甲脂、苯乙烯、醋酸乙脂、醋酸、氯苯、醋酸甲脂 IIA T685100 T5100135 T4135200 T3200300 T2300400 T1450 組別第11頁，共43頁，2022年，5月20日，18點34分，星期三 過程控制儀表的防爆措施過程控制儀表主要有: 隔爆型防爆儀表 本質安全型防爆儀表 第12頁，共43頁，2022年，5月20日，18點34分，星期三隔爆型防爆儀表特點：儀表的電

8、路和接線端子全部置于防爆殼體內 防爆措施：采用耐壓80100N/cm2以上的表殼表殼外部的溫升不得超過由易爆性氣體或蒸汽的引燃溫度所規(guī)定的數值表殼接合面的縫隙寬度及深度，應根據它的容積和易爆性氣體的級別采用規(guī)定的數值使用注意：*揭開儀表表殼后，將失去了防爆性能 *長期使用會逐漸降低防爆性能 第13頁，共43頁，2022年，5月20日，18點34分，星期三本質安全型防爆儀表正常狀態(tài)指在設計規(guī)定條件下的工作狀態(tài)，故障狀態(tài)指電路中非保護性元件損壞或產生短路、斷路、接地及電源故障等情況。本質安全型防爆儀表也稱安全火花型防爆儀表。這種儀表，在正常狀態(tài)下或規(guī)定的故障狀態(tài)下產生的電火花和熱效應均不會引起規(guī)定

9、的易爆性氣體混合物爆炸。本質安全型ia和ib兩個等級分別表示：ia 等級 在正常工作、一個故障和兩個故障時均不能點燃爆炸性氣體混合物的電氣設備。ib 等級 在正常工作和一個故障時不能點燃爆炸性氣體的電氣設備。第14頁，共43頁，2022年，5月20日，18點34分，星期三控制系統(tǒng)的防爆措施要使整個測量或控制系統(tǒng)的防爆性能符合安全火花防爆要求，必須滿足：1.在危險場所使用安全火花型防爆儀表2.在控制室儀表與危險場所儀表之間設置安全柵變送器安全柵控制器安全柵執(zhí)行器現場危險場所控制室非危險場所要真正實現安全火花防爆，必須注意：4方面的要求。第15頁，共43頁，2022年，5月20日，18點34分，星

10、期三（8）執(zhí)行單元：氣動執(zhí)行器、電氣閥門定位器等。1.4 過程控制儀表的型號命名按過程控制儀表在系統(tǒng)中的作用和特點可分為八類。（1）變送單元：溫度變送器、差壓變送器、液位變送器、 壓力變送器等。（2）調節(jié)單元：基型控制器、特種控制器。（3）給定單元：恒流給定器、比值給定器。（4）轉換單元：電/氣轉換器、電流轉換器。（5）計算單元：加減器、乘除器、開方器等。（6）顯示單元：積算器、記錄儀等。（7）輔助單元：安全柵、配電器、操作器等。第16頁，共43頁，2022年，5月20日，18點34分，星期三DDZ-型儀表的型號及命名DDZ-型儀表各單元的型號由三部分組成，各部分之向用短橫線隔開，格式如下。第

11、一部分由三個漢語拼音大寫字母所組成。第一個字母均為D，表示屬于電動單元組合儀表。D-第二個字母代表儀表大類，字母含意如下： B-變送單元； T-調節(jié)單元；X-顯示單元； J-計算單元；Z-轉換單元； K-執(zhí)行單元； G-給定單元； F-輔助單元。第17頁，共43頁，2022年，5月20日，18點34分，星期三在變送單元中： W-溫度和溫差；Y-壓力； C-差壓。在調節(jié)單元中：L-連續(xù)； D-斷續(xù)。在運算單元中： J-加減； S-乘除；K-開方。在顯示單元中： Z-指示； J-記錄；B-報警； S-積算。在執(zhí)行單元中： Z-直行程；J-角行程。第三個字母代表各大類中的產品小類，同一字母在不同大類

12、中有不同的含義，如：第18頁，共43頁，2022年，5月20日，18點34分，星期三例如,DBC-2310為一臺差壓變送器的型號規(guī)格。其中第一位數字“2”表示工作壓力為400kPa，第二位數字“3”表示測量范圍為0600Pa至04kPa，第三位數字“l(fā)”表示帶單平法蘭，第四位數字“0”表示序號。第二部分由四位阿拉伯數字組成，這四位數字代表產品的種類、規(guī)格和結構特征。第三部分由一個或數個漢語拼音大寫字母組成，標志產品的特殊用途。例如,安全火花防爆（A）、隔離防爆（B）、防腐（F）、船用（C）等。當具備一個以上特殊用途時，按字母順序排列。第19頁，共43頁，2022年，5月20日，18點34分，星

13、期三第三個字母表示測量參數或儀表品種QDZ型儀表的型號及命名QDZ型儀表型號格式為Q-，第二個字母代表儀表大類，字母含義同DDZ-型儀表最后一個部分是阿拉伯數字，用以表示產品系列、規(guī)格、結構特征等編號。第20頁，共43頁，2022年，5月20日，18點34分，星期三1.5 過程控制儀表的分析方法過程控制儀表的總體分析思路采用單個放大器電路分析方法采用集成運算放大器電路分析方法第21頁，共43頁，2022年，5月20日，18點34分，星期三總體分析思路從儀表整體結構上看，模擬式控制儀表有兩種構成形式： 1.儀表整機采用單個放大器， 其放大器可由若干級放大電路或不同的放大器串聯(lián)而成。 屬于這一類的

14、儀表有：DDZ-II型儀表、 大部分的變送器、氣動儀表等。 2.整機由數目不等的運算放大器電路以不同形式（主要是串聯(lián)形式）組裝而成。 采用運算放大器的儀表都屬于這一類構成形式 如：DDZ-III型系列、I系列、EK系列儀表等。 第22頁，共43頁，2022年，5月20日，18點34分，星期三采用單個放大器的儀表分析采用單個放大器的儀表一般有如下的結構：輸入部分、放大器和反饋部分。單回路負反饋KiKKf+ zi zfxy輸入部分放大器反饋部分求傳遞函數？儀表的特性如果該儀表滿足深度負反饋（K*Kf1)，則：特點：.在滿足K*Kf1的條件時，儀表的輸出與輸入關系僅取決于輸入部分的特性和反饋部分的特

15、性；2. 在滿足K*Kf1的條件時，放大器的凈輸入e趨向于零（ e 0）。第23頁，共43頁，2022年，5月20日，18點34分，星期三分析方法 1、將儀表劃分為輸入部分、放大器和反饋部分； 2、對各個部分分析，重點是輸入部分和反饋部分； 3、求出整機輸出與輸入之間的關系，得整機特性。 比較環(huán)節(jié)的確定可以從放大器的輸入端即所加位置著手；取樣環(huán)節(jié)的確定可以從儀表的輸出信號回路著手 。第24頁，共43頁，2022年，5月20日，18點34分，星期三采用運算放大器的儀表分析方法這類儀表的線路是由若干個運算放大器電路組裝而成，主要是運算放大器電路以串聯(lián)形式相聯(lián)。由于每一個運算放大器電路的輸出電阻很小

16、，而輸入電阻又都足夠大，這樣，前、后級運算放大器電路之間相互影響很小。分析這類儀表時，可以把整個儀表線路分成一個個運算放大器電路單獨地進行分析，最后再綜合得到整機的特性。第25頁，共43頁，2022年，5月20日，18點34分，星期三運算放大器的基本知識運算放大器的引出端輸入端(+、-)：+端為同相輸入端 -端為反相輸入端UT 為同相端對地的電壓UF 為反相端對地的電壓電壓差Ud 從同相端到反相端輸出端：Uo 為輸出端對地的電壓(輸出電壓)UTUFUdUoU+U電源端（U+ 、U- ）分析線路時往往把運算放大器看成是雙端輸入、單端輸出的三端器件。第26頁，共43頁，2022年，5月20日，18

17、點34分，星期三運算放大器的基本性能Uc為共模輸入電壓Ud為差模輸入電壓任何一個運算放大器，其允許承受的Uc和Ud都有一定的限制，制造廠規(guī)定了運算放大器的最大差模輸入電壓(又稱差模輸入范圍)和最大共模輸入電壓(又稱共模輸入范圍)。運算放大器的輸出電壓和電流也都有一定的限制，最大輸出電壓一般比電源電壓低12V,最大輸出電流一般為5mA或10mA，在儀表電路中需要輸出大電流時，往往采用三極管進行電流放大。如果對兩個輸入端信號進行改寫：第27頁，共43頁，2022年，5月20日，18點34分，星期三理想運算放大器的基本性能+KoRoRiUFUTIbFIbTUdUo輸入電阻：Ri Ri輸出電阻：Ro

18、Ro0開環(huán)增益：Ko Ko失調、漂移為零重要結論（理想運放在正常使用過程中滿足）：差模輸入為0：UTUF（Ud0）輸入端電流為0：IbF0，IbT0第28頁，共43頁，2022年，5月20日，18點34分，星期三基本運放電路：反相端輸入= 0UFUTUoUiR1R2R3UT = ?UT = 0UF = ?結果：1輸出電壓與輸入電壓成正比，其比例系數為R2/R1；2輸出與輸入極性相反；3反相端不接地，但UF =0，故稱反相端為“虛地”；4輸入電阻約等于輸入回路電阻R1；5輸入回路電流Ii，全部流經反饋回路，即If = Ii特點：IiIf第29頁，共43頁，2022年，5月20日，18點34分，星

19、期三基本運放電路：同相端輸入= UiUT = ?UT = UiUF = ?結果：UFUTUoUiR1R2R31輸出電壓與輸入電壓成正比，其比例系數為（1+R2/R1）；2輸出與輸入極性相同；3同相端和反相端存在共模電壓UC =Ui ；4輸入電阻等于運放本身的輸入電阻，通常為1 500M。 特點：第30頁，共43頁，2022年，5月20日，18點34分，星期三基本運放電路：差動輸入UT = ?UF = ?結果：1在滿足R1 /R3= R2 /R4 電阻匹配條件時，差動輸入放大器電路的輸出電壓僅僅取決于兩個輸入電壓之差Uid = UiT -UiF ，即這種電路只放大差動信號，不放大共模信號，且與差

20、動信號Uid 成正比，比例系數為R2/R1。輸出電壓與差動信號極性相同。 在儀表線路中，往往取得R1=R3、R2=R4，形成所謂對稱差動運放電路。2運算放大器輸入端存在共模電壓 特點：UFUTUoUiTR1R2R3UiFR4 IbT =0 IbF =0UT =UFR1 /R3= R2 /R4第31頁，共43頁，2022年，5月20日，18點34分，星期三基本運放電路：電壓跟隨器UoUiU0 = Ui 特點：輸入電阻高 輸出電阻低 它在儀表電路應用中，起隔離作用基本運放電路：反相端輸入基本運放電路：同相端輸入基本運放電路：差 動 輸入基本運放電路：電壓跟隨器U0 = Ui第32頁，共43頁，20

21、22年，5月20日，18點34分，星期三運算放大器的單電源供電運算放大器需要電源，通常有2種供電方式：單電源供電和雙電源供電UoUTUFE= Ep +EoUoUTUFEp En出于儀表總體設計的需要、便于儀表的安裝以及變送器采用二線制等原因，在儀表線路中，一般都采用單電源供電，即由一組+24V電源供電。第33頁，共43頁，2022年，5月20日，18點34分，星期三運算放大器的使用條件運算放大器不論采用單電源供電還是雙電源供電，都必須滿足以下條件：UoUTUFUU0V24V19V2V12V12V7V10V0V24V23V1V12V12V11V11V共模輸入電壓范圍輸出電壓范圍第34頁，共43頁

22、，2022年，5月20日，18點34分，星期三III型儀表中運放的供電DDZ-III型等系列儀表的信號范圍為15V，在24V單電源供電時，顯然不能滿足共模輸入范圍的要求。UoUTUFE= Ep +EoEp En為此，在儀表的電路中，采用電平移動的方法，即另加電平移動電源UB ，以便使UT 和UF 進入共模輸入范圍以內。 另加電平移動電源UB 之后，運算放大器電路在單電源供電時以UB 為基準的運算關系，跟雙電供電時以地（0V）為基準的運算關系，在形式上完全相同。在DDZ-III型儀表及其它系列儀表中，所有接收儀表的輸入電路均采用這種形式的電路。第35頁，共43頁，2022年，5月20日，18點3

23、4分，星期三分析方法 采用運算放大器的儀表分析方法是把整個儀表線路分成一個個運算放大器電路單獨地進行分析，最后再綜合得到整機的特性。因此，采用運算放大器的儀表線路分析的基礎是單個運算放大器電路的分析。 單個運算放大器電路的分析方法通常有如下兩種： 1.利用基本運算放大器電路的關系式2.利用理想運算放大器輸入端的兩個特征第36頁，共43頁，2022年，5月20日，18點34分，星期三利用基本運算放大器電路的關系式 要點：熟練靈活掌握基本運算放大器電路的關系式，就能很容易看出運算放大器電路的運算關系，并能很快地了解整個儀表的特性。當然，儀表中的實際電路，有時可能是兩種基本電路的合成，或者輸入回路電阻和反饋回路電阻包含有電容等非純阻性元件。 這時可以采用疊加法、等效電源定理、Y變換、阻抗變換法等方法進行處理，將這些比較復雜的運算放大器電路轉化為基本電路。特點：基本概念明確 物理意義清楚第37頁，共43頁，2022年，5月20日，18點34分，星期三利用理想運算放大器輸入端的兩個特征 理想運算放大器輸入端的兩個特征： （1）差模輸入電壓等于零，即Ud=0或UT=UF； （2）輸入端輸入電流等于零，即IbT=0，IbF=0。 這兩個特征是分析運算器放大電路輸入輸出關系的出發(fā)點 關鍵：求得運算放大器兩個輸入端的電位UT和UF 根據電路