儀表基礎知識培訓講義

關于儀表基礎知識培訓講義第一頁，共三十六頁，2022年，8月28日各種測量儀表的工作原理儀表控制原理及復雜回路介紹第二頁，共三十六頁，2022年，8月28日各種測量儀表的工作原理工作原理部分四、溫度測量儀表的工作原理一、壓力測量儀表的工作原理二、流量測量儀表的工作原理三、物位測量儀表的工作原理第三頁，共三十六頁，2022年，8月28日一、壓力測量儀表的工作原理

工作原理部分

壓力是垂直均勻地作用在單位面積上的力，法定計量單位是帕斯卡（Pa）。

1Pa=1N/m2=1Kg/m*S21、壓力、絕對壓力、大氣壓、表壓和真空度

如果被測流體的絕對壓力地獄大氣壓，則壓力表所測得的壓力為負壓，其值稱為真空度。

絕對真空下的壓力稱為絕對零壓，以絕對零壓為基準來表示的壓力為絕對壓力。

測量流體壓力用的壓力表上的讀數(shù)叫表壓，它是流體絕對壓力與該處大氣壓力的差值。第四頁，共三十六頁，2022年，8月28日工作原理部分2、絕壓、大氣壓、表壓、真空度之間的相互關系如下圖：0絕對零壓P11P2P2絕壓P2表壓P1負壓(真空度)P1絕壓大氣壓P第五頁，共三十六頁，2022年，8月28日工作原理部分3、壓力變送器工作原理

壓力變送器是以電為能源，它利用變送器膜盒上的應變片作為轉換元件，將被測壓力轉換成應變片電阻值的變化，然后經(jīng)過橋式電路得到毫伏級的電量輸出，供顯示儀表顯示被測壓力或經(jīng)放大電路轉換成統(tǒng)一標準信號后，再傳送到DCS等顯示。

第六頁，共三十六頁，2022年，8月28日

孔板是標準節(jié)流裝置中最為簡單的一種，也最便宜，制作加工好后無須標定就可投入使用。但在相同的差壓下，其壓損也最大。若是測量腐蝕性或磨蝕性流體，由于入口邊緣的變形，流量系數(shù)會發(fā)生變化，體現(xiàn)在孔板上比較明顯。工作原理部分二、流量測量儀表工作原理1、孔板+差變流量是指單位時間內(nèi)流過管道某一截面的流體數(shù)量

流體通過孔板內(nèi)孔后，會產(chǎn)生前后差壓。差壓變送器就是通過這個前后差壓的變化來計算出流量的變化。第七頁，共三十六頁，2022年，8月28日工作原理部分

基本的流量計算方程式為：Q=0.01252a?d*dSQRT（?P/ρ1）

Q：工作狀態(tài)下的體積流量

a：流量系數(shù)

?：流體膨脹系數(shù)

d：工作狀態(tài)下的節(jié)流孔直徑

ρ1：工作狀態(tài)下的流體密度

一般情況下，標準孔板只測量口徑50mm以上，300mm以下的管道流量。第八頁，共三十六頁，2022年，8月28日工作原理部分

孔板取壓要求：

氣體：一般要求變送器安裝位置高于取壓點

液體：一般要求變送器安裝位置低于取壓點

差壓變送器的檢測元件采用膜盒組件，在使用的差壓即使差壓超過范圍時，即單向過載，膜盒不容易損壞。膜盒內(nèi)充滿硅油，除用于傳遞壓力之外，還有阻尼作用，使儀表輸出平穩(wěn)。范圍內(nèi)，具有很好的靈敏度和線性，測量范圍廣，靜壓誤差小。

差壓變送器的正、負壓室膜盒可能存在有效面積不相等或長期使用出現(xiàn)變形，在同樣的壓力下，會產(chǎn)生一個附加的測量力，造成零位偏移。第九頁，共三十六頁，2022年，8月28日工作原理部分2、1工作原理

電磁流量計由變送器和轉換器兩部分組成，兩者之間用連接線（勵磁線、信號線）相互連接。變送器是基于電磁感應定律工作的。NSvBEx2、電磁流量計第十頁，共三十六頁，2022年，8月28日工作原理部分Ex=Bdv*10??B：磁感應強度

d：兩電極間距離

v：被測介質(zhì)平均流速

被測介質(zhì)流量Q與d、v有關

Q=Π/4d*d*v

則Q=Ex/KK：為一常數(shù)

如上圖，被測介質(zhì)垂直與磁勵線方向流動，因而在介質(zhì)流動和磁力線都垂直的方向產(chǎn)生一感應電勢Ex。第十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日工作原理部分

采用電磁流量計，要求測量介質(zhì)溫度不能太高，一般不超過120℃，壓力不超過1.6MPa，流速不得低于0.3m/s；被測介質(zhì)必須是導電介質(zhì)，不能用于氣體、蒸汽、石油制品等非導電性流體。被測介質(zhì)不能含氣泡。

電磁流量計是一段光滑的管道，無活動及阻流部件，基本上無壓力損失；流量計輸出與流量成線性關系，可測量2.5mm的管道；合理選材可以測量腐蝕性的介質(zhì)；安裝要求比較低（前5D，后3D）；精度高。2、2選型優(yōu)點2、3適用缺點第十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日工作原理部分3、質(zhì)量流量計

質(zhì)量流量計是通過激勵線圈使管子產(chǎn)生振動，流動的液體在振動管子內(nèi)產(chǎn)生科氏力，由于測量管進出測所受的力方向相反，所以管子會產(chǎn)生扭曲，在通過電磁檢測器或光電檢測器，將測量管的扭曲轉變成電信號，以進入變送器進一步處理。

質(zhì)量流量計一般分三個部分：①傳感器；②變送器；③顯示器3.1工作原理第十三頁，共三十六頁，2022年，8月28日工作原理部分3.2質(zhì)量流量計優(yōu)點①、能夠直接測量質(zhì)量流量，不受溫度、壓力、粘度、密度等因素影響，測量精度高。②、沒有可動部件，雖然檢測管有振動，但振幅很小，不會對測量產(chǎn)生影響③、管道內(nèi)無障礙物，便于清洗。④、除一般介質(zhì)外，還可測量高粘度的流體、漿液，并可測氣體⑤、安裝時不需要前后直管段⑥、還可以獲得介質(zhì)密度信號第十四頁，共三十六頁，2022年，8月28日工作原理部分4、超聲波流量計4.2探頭安裝方式

超聲波在流體中的傳播速度，順流方向和逆流方向是不一樣的，其傳播的時間差和流體的流速成正比。所以只要測出了超聲波在兩個方向上傳播的時間差，便可以知道流體的流速，再乘上管道截面積，便可得流體流量。

超聲波流量計傳感器可以安裝在管道外側，可以不與介質(zhì)接觸；也可以安裝在管道內(nèi)。前者安裝時不需將管道截斷，不需開孔，比較方便，但由于管道的不確定性，測量精度較差。4.1工作原理第十五頁，共三十六頁，2022年，8月28日（6）經(jīng)濟性。工作原理部分5、流量儀表選型需要考慮因素（1）被測流體的種類（氣體、液體、粉塵）、操作條件（壓力、溫度）、流動工況（層流、脈動流）、物理性質(zhì)（密度、粘度、腐蝕性）；（2）儀表功能；（3）流量范圍；（4）流體的測量精度要求；（5）現(xiàn)場安裝和使用條件；第十六頁，共三十六頁，2022年，8月28日三、物位測量儀表

工作原理部分1、浮筒式液位計

浮筒隨著液位高低，浮力出現(xiàn)相應變化，影響扭力管所受的力矩，通過電子元器件反映出來。2、浮球式液位計

浮球液位計實際上是一種杠桿系統(tǒng)，杠桿的一端連浮球，另一端連平衡錘；隨著液位的高低，浮球所受的浮力是不變的，只是它的位置隨液位的變化而變化。如果介質(zhì)密度有變化，浮球沒入介質(zhì)中部分體積會有變化，體現(xiàn)在液位上也會有一定的偏差。第十七頁，共三十六頁，2022年，8月28日3、超聲波液位計工作原理部分

超聲波液位計是應用回聲測距法的原理制成的一種儀表。聲波從發(fā)射至接收到反射回波的時間間隔與物位高度成正比。

超聲波液位計無可動部件，結構簡單；它不受光線、粉塵、濕度、粘度的影響，與介電常數(shù)、電導率等參數(shù)無關；可以液體、粉塵、固體等，范圍比較廣。由于為不接觸測量儀表，適用于腐蝕性、有毒等介質(zhì)測量。

超聲波液位計缺點是不耐高溫，聲速受介質(zhì)溫度和壓力的影響。另外，相對造價比較高第十八頁，共三十六頁，2022年，8月28日四、溫度儀表工作原理部分1、熱電偶熱電偶是由兩根不同的導體或半導體材料焊接或絞接而成。焊接的一端稱為熱電偶的熱端(測量端或工作端)，和導線連接的一端稱為熱電偶的冷端(自由端)。組成熱電偶的兩根導體或半導體稱作熱電極。把熱電偶的熱端插入需要測溫的生產(chǎn)設備中，冷端置于生產(chǎn)設備的外面，如果兩端所處的溫度不同(譬如，熱端溫度為t，冷瑞溫度為to)，則在熱電偶回路中便會產(chǎn)生熱電勢E。該熱電勢E與熱電偶兩端的溫度t和to均E有關。第十九頁，共三十六頁，2022年，8月28日工作原理部分在單支溫度顯示時，熱偶或熱阻指示值的準確性基本無法直觀確認，基本上可以通過相連或相關的溫度進行參考，或者根據(jù)操作經(jīng)驗值進行判斷。儀表人員一般在進行準確性判斷時，最簡單有效的方法是拿同類型的熱偶或熱阻在同一測溫點進行比對。2、熱電阻電阻溫度計是借金屬絲的電阻隨溫度的變化而變化的原理制成。熱電阻溫度計廣泛用來測量中、低溫(一般為500℃以下)。它的特點是準確度高，在測量中、低溫時，它的輸出信號比熱電偶要大得多，靈敏度高，同樣可實現(xiàn)遠傳、自動記錄和多點測量。第二十頁，共三十六頁，2022年，8月28日工作原理部分

狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)一般由固定安裝在轉軸附近的傳感器（探頭）、前置器和狀態(tài)監(jiān)視儀三部分組成。五、旋轉機械狀態(tài)檢測系統(tǒng)

所謂旋轉機械狀態(tài)檢測，是指用各種儀器或儀表，對反映旋轉機械運行狀態(tài)的參數(shù)進行測量和監(jiān)視，從而了解其運行狀態(tài)。目前長期監(jiān)測的狀態(tài)參數(shù)主要有：軸的徑向振動值，軸向位移值、轉速等。

狀態(tài)監(jiān)測中采用的傳感器分為接觸式和非接觸式傳感器兩種。目前使用比較廣泛的是非接觸式傳感器，主要是采用電渦流式趨近傳感器。第二十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日儀表控制原理及復雜回路舉例儀表控制原理第二十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日一、控制原理

儀表控制原理1、簡單控制系統(tǒng)。

簡單控制系統(tǒng)是指單閉環(huán)控制，是指控制器與被控對象之間既有順向控制又有反向聯(lián)系的自動控制。冷物料熱物料蒸汽TCTT上圖就是一個單回路控制。圖中控制器接受檢測元件及變送器來的測量信號，并與設定值相比較得到偏差信號，再根據(jù)偏差的大小和方向，調(diào)整蒸汽閥門的開度，改變蒸汽流量，使熱物料出口溫度回到設定值上。

第二十三頁，共三十六頁，2022年，8月28日儀表控制原理控制系統(tǒng)方塊圖如下：

控制器

拭行器

換熱器

測量變送TspT擾動

調(diào)節(jié)器的正反作用：如果將調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號定義為測量值減去給定值，那么，當偏差增加時，其輸出也增加的調(diào)節(jié)器稱為“正作用”調(diào)節(jié)器；反之，調(diào)節(jié)器的輸出信號隨偏差的增加而減小的稱為“反作用”調(diào)節(jié)器。

調(diào)節(jié)閥的正反作用：閥的正反作用由它的氣開、氣關形式來確定。氣開閥為“正作用”，氣關閥為“反作用”。1、1正反作用第二十四頁，共三十六頁，2022年，8月28日儀表控制原理一般而言，選擇調(diào)節(jié)器的正、反作用目的是使調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、對象三個環(huán)節(jié)組合起來，能在控制系統(tǒng)中起負反饋作用。首先由操縱變量對被控變量的影響來確定對象的作用方向，然后由工藝安全角度來確定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關形式，最后由對象、調(diào)節(jié)閥、調(diào)節(jié)器三個環(huán)節(jié)組合后為負來確定調(diào)節(jié)器的正、反作用。比例調(diào)節(jié)依據(jù)“偏差”大小來動作，它的輸出與輸入偏差的大小成比例。比例調(diào)節(jié)及時、有力，但有余差。它用比例度δ來表示其作用的強弱，δ越小，放大倍數(shù)Kc愈強，調(diào)節(jié)作用愈強。比例作用太強時，會引起振蕩。1、2PID調(diào)節(jié)第二十五頁，共三十六頁，2022年，8月28日儀表控制原理積分調(diào)節(jié)依據(jù)“偏差是否存在”來動作，它的輸出與偏差對時間的積分成比例，只有當余差消失時，積分作用才會停止。其作用是消除余差。但積分作用使最大動偏差增大，延長了調(diào)節(jié)時間。它用T來表示其作用的強弱，T愈小，積分作用愈強，但積分作用太強時，也會引起振蕩。微分調(diào)節(jié)依據(jù)“偏差變化速度”來動作，它的輸出與輸入偏差變化的速度成比例，其效果是阻止被控變量的一切變化，有超前調(diào)節(jié)的作用，對滯后大的對象有很好的效果。它使調(diào)節(jié)過程偏差減少，時間縮短，余差也減小（但不能消除）。它用Td來表示其作用的強弱，Td愈大，作用愈強，但Td太大，也會引起振蕩。第二十六頁，共三十六頁，2022年，8月28日儀表控制原理2、串級控制

串級控制系統(tǒng)是由其結構上的特征而得名。它是由主、副兩個調(diào)節(jié)器串接工作的。主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值，副調(diào)節(jié)器的輸出去操縱調(diào)節(jié)閥，以實現(xiàn)對主變量的定值控制

。典型方塊圖如下：主調(diào)節(jié)器拭行器副對象副測量變送給定值擾動1副調(diào)節(jié)器主對象主測量變送擾動2

串級控制系統(tǒng)的目的是為了高精度地穩(wěn)定主變量，對主變量要求比較高，一般不允許有余差，所以主調(diào)節(jié)器一般選擇比例積分控制規(guī)律，當對象滯后比較大時，也可以引入適當?shù)奈⒎肿饔谩?.1串級控制簡述第二十七頁，共三十六頁，2022年，8月28日儀表控制部分

串級控制系統(tǒng)對副變量的要求不嚴。在控制過程中，副變量不斷跟隨主調(diào)節(jié)器的輸出變化而變化，所以，副調(diào)節(jié)器一般采用比例控制規(guī)律就行了，必要時引入適當?shù)姆e分作用，而微分作用一般是不需要的。2.2串級控制系統(tǒng)中主副調(diào)節(jié)器正、反作用的確定

副調(diào)節(jié)器的作用方向與副對象特性、調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關形式有關，其選擇方法與簡單控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器正、反作用的選擇方法相同。

主調(diào)節(jié)器的作用方向的選擇可按下述方法進行：當主、副變量增加（或減少）時，如果要求調(diào)節(jié)閥的動作方向是一致的，則主調(diào)節(jié)器應選“反”作用；反之，則應選“正”作用。第二十八頁，共三十六頁，2022年，8月28日儀表控制部分2.3例子進料T2CT1C出料冷卻水

根據(jù)工藝安全性，可以判斷調(diào)節(jié)閥為氣關型，副調(diào)節(jié)器的正、反作用可以通過單回路來進行判斷。由于T2C溫度升高時要求補充冷卻水，即加大閥門開度，而閥門為氣關型，如果輸入閥門的信號增加，閥門反而關小，因此要求輸出閥門的信號是變?。贿@樣就可以判斷T2C調(diào)節(jié)器為反作用。

而主調(diào)節(jié)器T1C指示增加時也是要求閥門打開多補充冷水進行降溫，因此也可以判斷是反作用。第二十九頁，共三十六頁，2022年，8月28日儀表控制部分3、分程控制

分程控制系統(tǒng)就是一個調(diào)節(jié)器同時控制兩個或兩個以上的調(diào)節(jié)閥，每一個調(diào)節(jié)閥根據(jù)工藝的要求在調(diào)節(jié)器輸出的信號范圍內(nèi)動作。設置分程控制可以改善調(diào)節(jié)閥的工作條件，滿足開停車時小流量和正常生產(chǎn)時的大流量要求，使之都能有較好的調(diào)節(jié)質(zhì)量以及滿足正常生產(chǎn)和事故狀態(tài)下的穩(wěn)定性和安全性。

例如，一加熱爐，要求用瓦斯與燃料油加熱，使原油出口保持恒定。為節(jié)省燃料，盡量采用瓦斯供熱，只有在瓦斯氣量不足時才用燃料油。瓦斯燃料油第三十頁，共三十六頁，2022年，8月28日儀表控制部分

這樣的情況可以考慮用分程控制方式，利用爐溫來同時控制兩個閥門，可以設定爐溫低時兩個閥門都打開，當爐溫較高時逐漸關小燃料油閥，直至全關；若溫度還高，逐漸關小瓦斯閥，直到溫度達到要求為止。1001000A閥B閥閥開度%調(diào)節(jié)器輸出信號%50兩閥的工作信號段可以進行下列劃分：第三十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日儀表控制部分二、重要控制回路分析

1.壓縮機（C302A/B）的壓力遞推控制

為保證壓縮機入口壓力穩(wěn)定，采用壓力遞推控制方案如下：V302V3011V30350-100%

0-50%

PY302B

50-100%

0-50%

PY316B

50-100%

0-50%

PY302E

PY302C

PY316D

PY316C

PY317C

PY317BPV302C

PV302B

PV317

PV316A/B

PIC302

PIC316

PIC317

LS

第三十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日儀表控制部分正常操作時，PV302C關閉，當V301壓力繼續(xù)上升時，則PV302C打開，維持V301壓力恒定，當V302壓力較低時，則PIC316輸出下降，經(jīng)過反向放大器PY316D后變?yōu)榇笾?，輸入到低值選擇器PY302B，因此低值選擇器只能選上PIC302，壓縮機一級出口返回入口量由壓力調(diào)節(jié)器PIC302控制，當V302壓力較高時，PIC316輸出高，經(jīng)反向放大器PY316D變?yōu)樾≈?，輸入低選PY302B后被選上