化工儀表及自動化教案

化工儀表及自動化教案（總87頁）

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化工儀表及自動化

緒論

內(nèi)容提要

化工自動化的意義及目的

化工自動化的發(fā)展概況

化工儀表及自動化系統(tǒng)的分類

化工自動化的意義及目的

加快生產(chǎn)速度、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量C

減輕勞動強度、改善勞動條件。

能夠保證生產(chǎn)安全，防止事故發(fā)生或擴大，達到延長設(shè)備使用壽命，提

高設(shè)備利用率、保障人身安全的目的。

生產(chǎn)過程自動化的實現(xiàn)，能根本改變勞動方式，提高工人文化技術(shù)水

平，以適應(yīng)當代信息技術(shù)革命和信息產(chǎn)業(yè)革命的需要C

化工自動化的發(fā)展情況

20世紀40年代以前

絕大多數(shù)化工生產(chǎn)處于手工操作狀況，操作工人根據(jù)反映主要參

數(shù)的儀表指示情況，用人工來改變操作條件，生產(chǎn)過程單憑經(jīng)驗

進行。低效率，花費龐大。

20世紀50年代到60年代

人們對化工生產(chǎn)各種單元操作進行了大量的開發(fā)工作，使得化工

生產(chǎn)過程朝著大規(guī)模、高效率、連續(xù)生產(chǎn)、綜合利用方向迅速發(fā)

展。

20世紀70年代以來，化工自動化技術(shù)水平得到了很大的提高

20世紀70年代，計算機開始用于控制生產(chǎn)過程，出現(xiàn)了計算機控制系

統(tǒng)

20世紀80年代末至90年代，現(xiàn)場總線和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)得到了迅速

的發(fā)展

化工儀表及自動化系統(tǒng)的分類

按功能不同，分四類：

檢測儀表（包括各種參數(shù)的測量和變送）

顯示儀表（包括模擬量顯示和數(shù)字量顯示）

控制儀表（包括氣動、電動控制儀表及數(shù)字式控制器）

執(zhí)行器（包括氣動、電動、液動等執(zhí)行器）

22

檢測儀表及

變送器顯

示

儀

表

工業(yè)生產(chǎn)過程

執(zhí)行器控制器

圖07各類儀表之間的關(guān)系

1.自動檢測系統(tǒng)

利用各種儀表對生產(chǎn)過程中主要工藝參數(shù)進行測量、指示或記錄的部分。

作用：對過程信息的獲取與記錄作用。

圖0-2熱交換器自動檢測系統(tǒng)示意圖

自動檢測系統(tǒng)中主要的自動化裝

敏感元件傳感器顯ZF儀表

敏感元件對被測變量作出響應(yīng)，把它轉(zhuǎn)換為適合測量的物理量。

33

傳感器對檢測元件輸出的物理量信號作進一步信號轉(zhuǎn)換

顯示儀表將檢測結(jié)果以指針位移、數(shù)字、圖像等形式,準確地指示、記錄或儲

存。

2.自動信號和聯(lián)鎖保護系統(tǒng)

對某些關(guān)鍵性參數(shù)設(shè)有自動信號聯(lián)鎖保護裝置，是生產(chǎn)過程中的一種安全

裝置。

自動信號聯(lián)鎖保護電路按主要構(gòu)成元件不同分類：有觸點式、無觸點式兩

類

3.自動操縱及自動開停車系統(tǒng)

自動操縱系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)先規(guī)定的步驟自動地對生產(chǎn)設(shè)備進行某種周期性

操作。

自動開停車系統(tǒng)可以按照預(yù)先規(guī)定好的步驟，將生產(chǎn)過程自動地投入運行或

自動停車。

4.自動控制系統(tǒng)

對生產(chǎn)中某些關(guān)鍵性參數(shù)進行自動控制,使它們在受到外界干擾的影響而偏

離正常狀態(tài)時,能自動地調(diào)回到規(guī)定的數(shù)值范圍內(nèi)。

本學(xué)科的作用

通過本門課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)能了解主要工藝參數(shù)（溫度、壓力、流量及物位）

的檢測方法及其儀表的工作原理及特點；

能根據(jù)工藝要求,正確地選用和使用常見的檢測儀表及控制儀表；

能了解化工自動化的初步知識，理解基本控制規(guī)律，懂得控制器參數(shù)是如何

影響控制質(zhì)量的；

能根據(jù)工藝的需要,和自控設(shè)計人員共同討論和提出合理的自動控制方案；

能為自控設(shè)計提供正確的工藝條件和數(shù)據(jù)；

能在生產(chǎn)開停車過程中，初步掌握自動控制系統(tǒng)的投運及控制器的參數(shù)整定;

能了解檢測技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展趨勢和最新發(fā)展動態(tài)C

44

第一章檢測儀表基本知識

內(nèi)容提要：測量過程與測量誤差

測量儀表的品質(zhì)指標

測量系統(tǒng)中的常見信號類型

檢測系統(tǒng)中信號的傳遞形式

檢測儀表與測量方法的分類

化工檢測的發(fā)展趨勢

一、測量過程與測量誤差

測量是用實驗的方法,求出某個量的大小。

（5^測一段導(dǎo)線的長度

Q=qV

--------

直接測量

間接測量

測量實質(zhì)：是將被測參數(shù)與其相應(yīng)的測量單位進行比較的過程。

測量誤差：由儀表讀得的被測值（測量值）與被測參數(shù)的真實值之間的差

距。

測量誤差按其產(chǎn)生原因的不同，可以分為三類:系統(tǒng)誤差

疏忽誤差

偶然誤差

絕對誤差：

\=Xj-xt

55

Xi：儀表指示值Xt：被測量的真值

由于真值無法得到

A=x-x0

X：被校表的讀數(shù)值，&：標準表的讀數(shù)值

相對誤差:

A=——=---1或

二、檢測儀表的品質(zhì)指標

1.測量儀表的準確度（精確度）

II兩大影響因素

絕對誤差和儀表的標尺范圍

說明：儀表的測量誤差可以用絕對誤差△來表示。但是，儀表的絕對誤差在測

量范圍內(nèi)的各點不相同。因此，常說的“絕對誤差”指的是絕對誤差中的最大

值△max。

三、檢測儀表的品質(zhì)指標

相對百分誤差

6

3=----------------^5--------X100%

標尺上限值-標尺下限值

允許誤差

e儀表允許的最大絕對誤差值10,

M=一標尺上限值-標尺下限值'In0A0%

小結(jié)：儀表的3允越大，表示它的精確度越低；反之，儀表的3允越小，

表示儀表的精確度越高。將儀表的允許相對百分誤差去掉“士”號及“％”

號，便可以用來確定儀表的精確度等級。目前常用的精確度等級

，，，，，，，，，，°

舉例：例17某臺測溫儀表的測溫范圍為200~700℃,校驗該表時得到的

最大絕對誤差為±4℃,試確定該儀表的相對百分誤差與準確度等級。

66

解：該儀表的相對百分誤差為

十4

3=—=——X100%=±0.8%

700-200

如果將該儀表的6去掉“士”號與“％”號，其數(shù)值為°由于國家規(guī)定的

精度等級中沒有級儀表，同時，該儀表的誤差超過了級儀表所允許的最大誤

差，所以，這臺測溫儀表的精度等級為級。

儀表的準確度等級是衡量儀表質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標之一c準確度等級數(shù)值

越小，就表征該儀表的準確度等級越高，儀表的準確度越高c工業(yè)現(xiàn)場用的測

量儀表，其準確度大多在級以下。

儀表的精度等級一般可用不同的符號形式標志在儀表面板上。

注意：在工業(yè)上應(yīng)用時,對檢測儀表準確度的要求,應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)操作的實際

情況和該參數(shù)對整個工藝過程的影響程度所提供的誤差允許范圍來確定,這樣才

能保證生產(chǎn)的經(jīng)濟性和合理性。

2.檢測儀表的恒定度

變差是指在外界條件不變的情況下，用同一儀表對被測量在儀表全部測量

范圍內(nèi)進行正反行程（即被測參數(shù)逐漸由小到大和逐漸由大到?。y量時，被

測量值正行和反行所得到的兩條特性曲線之間的差值。

變差二最大絕對差值,的％

標尺上限值-標尺下限值

最大絕對差值

圖1T測量儀表的變差

77

儀表的變差不能超出儀表的允許誤差，否則應(yīng)及時檢修C

3.靈敏度與靈敏限

儀表的靈敏度是指儀表指針的線位移或角位移，與引起這個位移的被測參

數(shù)變化量的比值。即=生

式中，s為儀表的靈敏度；△。為指針的線位移或角位移；Ax為引起△口所需

的被測參數(shù)變化量。

儀表的靈敏限是指能引起儀表指針發(fā)生動作的被測參數(shù)的最小變化量。通

常儀表靈敏限的數(shù)值應(yīng)不大于儀表允許絕對誤差的一半。

注意：上述指標僅適用于指針式儀表。在數(shù)字式儀表中，往往用分辨率表

7Jso

4.反應(yīng)時間

反應(yīng)時間就是用來衡量儀表能不能盡快反映出參數(shù)變化的品質(zhì)指標。反應(yīng)

時間長，說明儀表需要較長時間才能給出準確的指示值，那就不宜用來測量變

化頻繁的參數(shù)。

儀表反應(yīng)時間的長短，實際上反映了儀表動態(tài)特性的好壞。

儀表

的當輸入信號突然變化一個數(shù)值后，輸出信號將

反應(yīng)

時由原始值逐漸變化到新的穩(wěn)態(tài)值。

間有

不

同的

表儀表的輸出信號由開始變化到新穩(wěn)態(tài)值的％

示方

法

(95%)所用的時間，可用來表示反應(yīng)時間。

5.線性度

線性度是表征線性刻度儀表的輸出量與輸入量的實際校準曲線與理論直線

的吻合程度。通?？偸窍Ｍ麥y量儀表的輸出與輸入之間呈線性關(guān)系。

88

被測變量

圖1-2線性度示意圖

%=贏T?%

式中，。尸為線性度（又稱非線性誤差）；△和ax為校準曲線對于理論直

線的最大偏差（以儀表示值的單位計算）。

6.重復(fù)性

重復(fù)性表示檢測儀表在被測參數(shù)按同一方向作全量程連續(xù)多次變動時所得

標定特性曲線不一致的程度。若標定的特性曲線一致,重復(fù)性就好,重復(fù)性誤差

就小。

多=靠ST曄

被測變量

圖1-3重復(fù)性示意圖

三、檢測系統(tǒng)中的常見信號類型

99

作用于檢測裝置輸入端的被測信號，通常要轉(zhuǎn)換成以下幾種便于傳輸和顯

示的信號類型：

1.位移信號

2.壓力信號

3.電氣信號

4.光信號

四、檢測系統(tǒng)中信號的傳遞形式

1.模擬信號

在時間上是連續(xù)變化的，即在任何瞬時都可以確定其數(shù)值的信號。

2.數(shù)字信號

數(shù)字信號是一種以離散形式出現(xiàn)的不連續(xù)信號，通常用二進制數(shù)“0”和

“1”組合的代碼序列來表示。

3.開關(guān)信號

用兩種狀態(tài)或用兩個數(shù)值范圍表示的不連續(xù)信號。

五、檢測儀表與測量方法的分類

1.檢測儀表的分類

①依據(jù)所測參數(shù)的不同，可分成壓力（包括差壓、負壓）檢測儀表、流量檢

測儀表、物位（液位）檢測儀表、溫度檢測儀表、物質(zhì)成分分析儀表及物性檢測

儀表等。

②按表達示數(shù)的方式不同，可分成指示型、記錄型、訊號型、遠傳指示型、

累積型等。

③按精度等級及使用場合的不同,可分為實用儀表、范型儀表和標準儀表，

分別使用在現(xiàn)場、實驗室和標定室。

2.測量方法的分類

按照測量結(jié)果的獲得過程直接測量

間接測■

（1）直接測量

利用經(jīng)過標定的儀表對被測參數(shù)進行測量，直接從顯示結(jié)果獲得被測參數(shù)

的具體數(shù)值的測量方法。

根據(jù)被測參數(shù)獲得方式的不同，直接測量又有偏差法與平衡法（零位法）

之分。

1010

(2)間接測量

當被測量不宜直接測量時,可以通過測量與被測量有關(guān)的幾個相關(guān)量后,再

經(jīng)過計算來確定被測量的大小。

六、化工檢測的發(fā)展趨勢

1.檢測技術(shù)的現(xiàn)代化

2.檢測儀表的集成化、數(shù)字化、智能化

3.軟測量技術(shù)和虛擬儀器

七、例題分析

1.某臺具有線性關(guān)系的溫度變送器,其測溫范圍為。?200℃,變送器的輸

出為4?20mA。對這臺溫度變送器進行校驗，得到下列數(shù)據(jù)：

輸入信號~標準溫度/℃650100150200

輸出信號正行程讀數(shù)x4820

/mA正

正行程讀數(shù)x

反

試根據(jù)以上校驗數(shù)據(jù)確定該儀表的變差、準確度等級與線性度。-

解:該題的解題步驟如下。

(1)根據(jù)儀表的輸出范圍確定在各溫度測試點的輸出標準值x標。任一溫度

值的標準輸出信號(mA)為

溫度值(輸出上限值-輸出下限值)

"輸入上限值-輸入下限值十

例如，當溫度為50℃時,對應(yīng)的輸出應(yīng)為

50(20-4)

+4=8(/nA)

200-0

其余類推。

(2)算出各測試點正、反行程時的絕對誤差△正與△反，并算出正、反行程

之差△變，分別填入下表內(nèi)(計算△變時可不考慮符號,取正值)o

1111

輸入信號/℃050100150200

輸出信號正行程讀數(shù)x4820

/mA正

反行程讀數(shù)x48121620

反

標準值

絕對誤差正行程△正000

/mA反行程△反

正反行程之差△變

(3)由上表找出最大的絕對誤差△max，并計算最大的相對百分誤差bmax。

由上表可知

Amax=0.10(/724)

/ax=-^xl00%,

=0.625%

max2Q_4

去掉bmax的“土”號及“%”號后，其數(shù)值為，數(shù)值在?之間，由于該表的

5max已超過級表所允許的6允,故該表的準確度等級為級。

(4)計算變差

5X100%=0.625%

變20-4

由于該變差數(shù)值在級表允許的誤差范圍內(nèi),故不影響表的準確度等級。注意

若變差數(shù)值△變max超過了絕對誤差A(yù)max,則應(yīng)以△變max來確定儀表的準確

度等級。

(5)由計算結(jié)果可知,非線性誤差的最大值△/max=,故線性度5f為

0.10

x100%=0.625%

20-4

注意：在具體校驗儀表時,為了可靠起見,應(yīng)適當增加測試點與實驗次數(shù),本

例題只是簡單列舉幾個數(shù)據(jù)說明問題罷了。

1212

2.某臺測溫儀表的測溫范圍為200-1000℃,工藝上要求測溫誤差不能大

于±5℃,試確定應(yīng)選儀表的準確度等級。

解:工藝上允許的相對百分誤差為

+5

3公=—=----xl00%=0.625%

允1000-200

要求所選的儀表的相對百分誤差不能大于工藝上的6允,才能保證測溫誤差

不大于士5℃,所以所選儀表的準確度等級應(yīng)為級。當然儀表的準確度等級越高,

能使測溫誤差越小，但為了不增加投資費用，不宜選過高準確度的儀表。

第二章壓力檢測

概述：

在化工生產(chǎn)中，壓力是指由氣體或液體均勻垂直地作用于單位面積上的

力。

在工業(yè)生產(chǎn)過程中,壓力往往是重要的操作參數(shù)之一。

壓力的檢測與控制，對保證生產(chǎn)過程正常進行，達到高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低消耗和

安全是十分重要的。

第一節(jié)壓力單位及測壓儀表

壓力是指均勻垂直地作用在單位面積上的力。

F

p=-

S

式中，p表示壓力；尸表示垂直作用力；S表示受力面積。

壓力的單位為帕斯卡，簡稱帕（C）

lPa=lN/m2

1313

!MPa=lxlO6Pa

為了使大家了解國際單位制中的壓力單位（Pa或MPa）與過去的單位之間

的關(guān)系，下面給出幾種單位之間的換算關(guān)系表。

表37各種壓力單位換算表

壓力帕/Pa兆帕/工程大氣物理大氣汞柱/水柱/(磅/英寸巴

單位MPa壓/壓/atmmmHgmH202)//bar

（kgf/cm2）(1b/in2)

帕11X106X10-5X10-6X10-X10-4X10-41X

310-5

兆帕1X1061X103X102X10210

工程X104X10-21

大氣

壓

物理X1051760

大氣

壓

汞柱X102X10-4X10-3X10-31X10-2X10-

3

水柱X103X10-31

（磅/X103X10-31

英寸

2）

巴1X1051

在壓力測量中，常有表壓、絕對壓力、負壓或真空度之分。

〃表壓二〃絕對壓力一，大氣壓力

1414

圖27絕對壓力、表壓、負壓（真空度）的關(guān)系

當被測壓力低于大氣壓力時，一般用負壓或真空度來表示。

〃真空度二〃大氣壓力一〃絕對壓力

測量壓力或真空度的儀表按照其轉(zhuǎn)換原理的不同，分為四類。

1.液柱式壓力計

它根據(jù)流體靜力學(xué)原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換成液柱高度進行測量。

按其結(jié)構(gòu)形式的不同有U形管壓力計、單管壓力計等

優(yōu)點這類壓力計結(jié)構(gòu)簡單、使用方便

缺點其精度受工作液的毛細管作用、密度及視差等因素的影響，測量范圍

較窄，一般用來測量較低壓力、真空度或壓力差。

2.彈性式壓力計

它是將被測壓力轉(zhuǎn)換成彈性元件變形的位移進行測量的C

3.電氣式壓力計

它是通過機械和電氣元件將被測壓力轉(zhuǎn)換成電量（如電壓、電流、頻率

等）來進行測量的儀表。

4.活塞式壓力計

它是根據(jù)水壓機液體傳送壓力的原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換成活塞上所加平衡

徐碼的質(zhì)量來進行測量的。

優(yōu)點：測量精度很高，允許誤差可小到%?%。

缺點：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，價格較貴。

第二節(jié)彈性式壓力計

定義：彈性式壓力計是利用各種形式的彈性元件，在被測介質(zhì)壓力的作用

下，使彈性元件受壓后產(chǎn)生彈性變形的原理而制成的測壓儀表。

優(yōu)點：具有結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠、讀數(shù)清晰、牢固可靠、價格低廉、測量

范圍寬以及有足夠的精度等優(yōu)點。

1515

可用來測量幾百帕到數(shù)千兆帕范圍內(nèi)的壓力。

一、彈性元件

彈性元件是一種簡易可靠的測壓敏感元件。當測壓范圍不同時，所用的彈

性元件也不一樣。

彈簧管式彈性元件如圖⑸和(b)所示，波紋管式彈性元件如圖(e)所示，薄

膜式彈性元件如圖⑹和(d)所示。

二、彈簧管壓力表

使用的測壓元件一＞單圈彈簧管壓力表與多

圈彈簧管壓力表。

用途普通彈簧管壓力表，耐腐蝕

1的氨用壓力表、禁油的氧氣壓力表等。

基本測■原理

單圈彈簧管是一根彎成270。圓弧的橢圓截面的空心金屬管子。管子的自

由端8封閉，另一端固定在接頭9上。當通入被測的壓力P后，由于橢圓形截

1616

面在壓力Q的作用下，將趨于圓形，而彎成圓弧形的彈簧管也隨之產(chǎn)生擴張變

形。同時，使彈簧管的自由端8產(chǎn)生位移。輸入壓力夕越大，產(chǎn)生的變形也越

大。由于輸入壓力與彈簧管自由端8的位移成正比，所以只要測得8點的位移

量，就能反映壓力夕的大小。

注意：彈簧管自由端8的位移量一般很小，直接顯示有困難，所以必須通

過放大機構(gòu)才能指示出來。

警惕：在化工生產(chǎn)過程中，常需要把壓力控制在某一范圍內(nèi)，即當壓力低

于或高于給定范圍時，就會破壞正常工藝條件，甚至可能發(fā)生危險。這時就應(yīng)

采用帶有報警或控制觸點的壓力表。將普通彈簧管壓力表稍加變化，便可成為

電接點信號壓力表，它能在壓力偏離給定范圍時，及時發(fā)出信號，以提醒操作

人員注意或通過中間繼電器實現(xiàn)壓力的自動控制。

圖2-4電接點信號壓力表

1,4j靜觸點；2i@動觸點；3j@綠燈；5

第三節(jié)電氣式壓力計

定義：電氣式壓力計是一種能將壓力轉(zhuǎn)換成電信號進行傳輸及顯示的儀表。

/1.該儀表的測量范圍較廣，分別可測7X1(f5pa至5X10?MPa的壓

力，允許誤差可至％;

優(yōu)點V

2.由于可以遠距離傳送信號，所以在工業(yè)生產(chǎn)過程中可以實

現(xiàn)壓力自動控制和報警，并可與工業(yè)控制機聯(lián)用。

組成

1717

指

1T器

壓力電什里示

—?-傳感器測量線路

記

儀

錄

器

控

制

L輔助電源

圖2-5電氣式壓力計組成方框圖

一般由壓力傳感器、測量電路和信號處理裝置所組成。常用的信號處理裝

置有指示儀、記錄儀以及控制器、微處理機等。

一、應(yīng)變片壓力傳感器

應(yīng)變片式壓力傳感器利用電阻應(yīng)變原理構(gòu)成。電阻應(yīng)變片有金屬和半導(dǎo)體

應(yīng)變片兩類，被測壓力使應(yīng)變片產(chǎn)生應(yīng)變。當應(yīng)變片產(chǎn)生壓縮（拉伸）應(yīng)變

時，其阻值減小（增加），再通過橋式電路獲得相應(yīng)的毫伏級電勢輸出，并用

毫伏計或其他記錄儀表顯示出被測壓力，從而組成應(yīng)變片式壓力計。

1一應(yīng)變

筒；2一外

殼；3—密

封膜片

圖2-6應(yīng)變片壓力傳感器示意圖

二、壓阻式壓力傳感器

工作原理:壓阻式壓力傳感器利用單晶硅的壓阻效應(yīng)而構(gòu)成。

采用單晶硅片為彈性元件，在單晶硅膜片上利用集成電路的工藝，在單晶

硅的特定方向擴散一組等值電阻，并將電阻接成橋路，單晶硅片置于傳感器腔

內(nèi)。

當壓力發(fā)生變化時，單晶硅產(chǎn)生應(yīng)變，使直接擴散在上面的應(yīng)變電阻產(chǎn)生

與被測壓力成比例的變化，再由橋式電路獲得相應(yīng)的電壓輸出信號。

第三節(jié)電氣式壓力計

特點

精度高、工作可靠、頻率響應(yīng)高、遲滯小、尺寸小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單；

便于實現(xiàn)顯示數(shù)字化；

1818

可以測量壓力，稍加改變，還可以測量差壓、高度、速度、加速度等參

數(shù)。

(b)結(jié)構(gòu)

圖372壓阻式壓力傳感器

1—基座；2—單晶硅片；3—導(dǎo)環(huán)；4—螺

母；5—密封墊圈；6一等效電阻

三、電容式壓力變送器

工作原理先將壓力的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，然后進行測量。

1i@中心感應(yīng)膜

片(可動電

極)；

2ia固定電極；

3i@測量側(cè)；

4i且隔離膜片

圖2-8電容式測量膜盒

第四節(jié)智能式變送器

智能型壓力或差壓變送器是在普通壓力或差壓傳感器的基礎(chǔ)上增加微處理

器電路而形成的智能檢測儀表。

一、智能變送器的特點

①性能穩(wěn)定,可靠性好,測量精度高,基本誤差僅為

②量程范圍可達100：1,時間常數(shù)可在0?36s內(nèi)調(diào)整,有較寬的零點遷移范

圍。

③具有溫度、靜壓的自動補償功能,在檢測溫度時,可對非線性進行自動校正。

1919

④具有數(shù)字、模擬兩種輸出方式,能夠?qū)崿F(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通訊,可以與現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)

和上位計算機相連。

⑤可以進行遠程通訊，通過現(xiàn)場通訊器，使變送器具有自修正、自補償、自診斷

及錯誤方式告警等多種功能,簡化了調(diào)整、校準與維護過程，使維護和使用都十

分方便。

二、智能變送器的結(jié)構(gòu)原理

從整體上來看,由硬件和軟件兩大部分組成。

從電路結(jié)構(gòu)上來看,包括傳感器部件和電子部件兩部分。

舉例以美國費希爾-羅斯蒙特公司的3051c型智能差壓變送器為例介紹其

工作原理。

r

傳感膜頭電子線路板

4?20mA信號,

至磔系統(tǒng)

模/數(shù)信號轉(zhuǎn)換

傳感膜頭內(nèi)存微處理器數(shù)/模

?傳感器線性化

?修正系數(shù)信號轉(zhuǎn)換

?重設(shè)盤程

溫度傳感器?膜頭信息

理尼

?診斷

?工程單位數(shù)字通訊

O?通訊?Bell202

?FSK

電容傳感器(頻移調(diào)制)

____I［電子板模塊內(nèi)存

?量程值本機垃程和

零點調(diào)整

8I?變送落組態(tài)

HART手操器

圖2-93051c型智能差壓變送器(4?20mA)方框圖

3051c型智能差壓變送器所用的手持通信器為275型，帶有鍵盤及液晶顯

示器。可以接在現(xiàn)場變送器的信號端子上，就地設(shè)定或檢測，也可以在遠離現(xiàn)

場的控制室中，接在某個變送器的信號線上進行遠程設(shè)定及檢測。

實現(xiàn)的功能

(1)組態(tài)

(2)測量范圍的變更

(3)變送器的校準

(4)自診斷

2020

圖270手持通信器的連接示意圖

注意要對智能型差壓變送器每五年校驗一次，智能型差壓變送器與手持通信

器結(jié)合使用，可遠離生產(chǎn)現(xiàn)場，尤其是危險或不易到達的地方，給變送器的運

行和維護帶來了極大的方便。

第五節(jié)壓力計的選用及安裝

一、壓力計的選用

壓力計的選用應(yīng)根據(jù)工藝生產(chǎn)過程對壓力測量的要求，結(jié)合其他各方面的

情況，加以全面的考慮和具體的分析，一般考慮以下幾個問題。

1、儀表類型的選用

2、儀表測量范圍的確定

3、儀表精度級的選取

二、壓力計的安裝

1.測壓點的選擇應(yīng)能反映被測壓力的真實大小。

①要選在被測介質(zhì)直線流動的管段部分，不要選在管路拐彎、分叉、死角

或其他易形成漩渦的地方。

②測量流動介質(zhì)的壓力時，應(yīng)使取壓點與流動方向垂直，取壓管內(nèi)端面與

生產(chǎn)設(shè)備連接處的內(nèi)壁應(yīng)保持平齊，不應(yīng)有凸出物或毛刺。

③測量液（氣）體壓力時，取壓點應(yīng)在管道下（上）部，使導(dǎo)壓管內(nèi)不積

存氣（液）體。

2.導(dǎo)壓管鋪設(shè)

①導(dǎo)壓管粗細要合適，一般內(nèi)徑為6?10mm,長度應(yīng)盡可能短，最長不得

超過50叫以減少壓力指示的遲緩。如超過50m,應(yīng)選用能遠距離傳送的壓力

計。

②導(dǎo)壓管水平安裝時應(yīng)保證有1:10?1:20的傾斜度，以利于積存于其中

之液體（或氣體）的排出。

③當被測介質(zhì)易冷凝或凍結(jié)時，必須加設(shè)保溫伴熱管線。

2121

④取壓口到壓力計之間應(yīng)裝有切斷閥，以備檢修壓力計時使用。切斷閥應(yīng)

裝設(shè)在靠近取壓口的地方。

3.壓力計的安裝

①壓力計應(yīng)安裝在易觀察和檢修的地方。

②安裝地點應(yīng)力求避免振動和高溫影響。

③測量蒸汽壓力時，應(yīng)加裝凝液管，以防止高溫蒸汽直接與測壓元件接觸

［圖377(a)］；對于有腐蝕性介質(zhì)的壓力測量，應(yīng)加裝有中性介質(zhì)的隔離

罐，右圖(b)表示了被測介質(zhì)密度p2大于和小于隔離液密度p1的兩種情

況。

時時

(a)測量蒸汽時(b)測量有腐蝕性介質(zhì)時

圖2Tl壓力計安裝示意圖

1i2壓力計；2i2切斷

閥門；

④壓力計的連接處，應(yīng)根據(jù)被測壓力的高低和介質(zhì)性質(zhì)，選擇適當?shù)牟?/p>

料，作為密封墊片，以防泄漏。

⑤當被測壓力較小，而壓力計與取壓口又不在同一高度時，對由此高度而

引起的測量誤差應(yīng)按△p=±，Qg進行修正。式中，為高度差，。為導(dǎo)壓管中

介質(zhì)的密度，g為重力加速度。

⑥為安全起見，測量高壓的壓力計除選用有通氣孔的外，安裝時表殼應(yīng)向

墻壁或無人通過之處，以防發(fā)生意外。

例題分析

2222

1.某臺往復(fù)式壓縮機的出口壓力范圍為25?28MPa,測量誤差不得大于

1MPao工藝上要求就地觀察，并能高低限報警，試正確選用一臺壓力表，指出

型號、精度與測量范圍。

解由于往復(fù)式壓縮機的出口壓力脈動較大，所以選擇儀表的上限值為

Pi=Pmaxx2=28X2=56MPa

根據(jù)就地觀察及能進行高低限報警的要求，由本章附錄，可查得選用YX-

150型電接點壓力表，測量范圍為。?60MPa。

由于空＞1,故被測壓力的最小值不低于滿量程的1/3,這是允許的。另

j603

外，

根據(jù)測量誤差的讓灰朧弱丸慚需為

60

所以，精度等級為級的儀表完全可以滿足誤差要求。至此，可以確定，選擇的

壓力表為YXT50型電接點壓力表，測量范圍為。?60MPa,精度等級為級。

2.如果某反應(yīng)器最大壓力為，允許最大絕對誤差為土?，F(xiàn)用一臺測量范圍

為。?，準確度為級的壓力表來進行測量，問能否符合工藝上的誤差要求？若

采用一臺測量范圍為。?，準確度為級的壓力表，問能符合誤差要求嗎？試說

明其理由。

解：對于測量范圍為0?，準確度為級的壓力表，允許的最大絕對誤差為

X%=(MPa)

因為此數(shù)值超過了工藝上允許的最大絕對誤差數(shù)值，所以是不合格的。對于測量

范圍為。?，準確度亦為級的壓力表，允許的最大絕對誤差為

X%=(MPa)

因為此數(shù)值小于工藝上允許的最大絕對誤差,故符合對測量準確度的要求,可

以采用。

該例說明了選一臺量程很大的儀表來測量很小的參數(shù)值是不適宜的。

第三章流量檢測

概述

2323

介質(zhì)流量是控制生產(chǎn)過程達到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)和安全生產(chǎn)以及進行經(jīng)濟核算所必

需的一個重要參數(shù)。

定義

流量大小:單位時間內(nèi)流過管道某一截面的流體數(shù)量的大小，即瞬時流

量。

總■:在某一段時間內(nèi)流過管道的流體流量的總和，即瞬時流量在某一段

時間內(nèi)的累計值。

質(zhì)?流■“

M=Qp或

體積流P

如以t表示時間，則流量和總量之間的關(guān)系是

Q總"總二工""

流量計:測量流體流量的儀表。

計?表:測量流體總量的儀表。

1.速度式流量計以測量流體在管道內(nèi)的流速作為測量依據(jù)來計算流量的

儀表。

2.容積式流量計以單位時間內(nèi)所排出的流體的固定容積的數(shù)目作為測量

依據(jù)來計算流量的儀表。

3.質(zhì)量流量計以測量流體流過的質(zhì)量M為依據(jù)的流量計。質(zhì)量流量計分

直接式和間接式兩種。

第一節(jié)差壓式流量計

差壓式（也稱節(jié)流式）流量計是基于流體流動的節(jié)流原理，利用流體流經(jīng)

節(jié)流裝置時產(chǎn)生的壓力差而實現(xiàn)流量測量的。

通常是由能將被測流量轉(zhuǎn)換成壓差信號的節(jié)流裝置和能將此壓差轉(zhuǎn)換成對

應(yīng)的流量值顯示出來的差壓計以及顯示儀表所組成。

一、節(jié)流現(xiàn)象與流量基本方程式

流體在有節(jié)流裝置的管道中流動時，在節(jié)流裝置前后的管壁處，流體的靜

壓力產(chǎn)生差異的現(xiàn)象稱為節(jié)流現(xiàn)象。

節(jié)流裝置就是在管道中放置的一個局部收縮元件,應(yīng)用最廣泛的是孔板,其

次是噴嘴、文丘里管。

注意：.要準確測量出截面I、II處的壓力有困難，因為產(chǎn)生最低靜壓力

P2'的截面II的位置隨著流速的不同會改變。因此是在孔板前后的管壁上選擇

兩個固定的取壓點，來測量流體在節(jié)流裝置前后的壓力變化c因而所測得的壓

差與流量之間的關(guān)系，與測壓點及測壓方式的選擇是緊密相關(guān)的。

2424

圖37孔板裝置及壓力、流速分布

2.節(jié)流基本方程式

流量基本方程式是闡明流量與壓差之間定量關(guān)系的基本流量公式。它是根

據(jù)流體力學(xué)中的伯努利方程和流體連續(xù)性方程式推導(dǎo)而得的C

可以看出要知道流量與壓差的確切關(guān)系，關(guān)鍵在于Q的取值。流量與壓力差

△P的平方根成正比。

二、標準節(jié)流裝置

國內(nèi)外把最常用的節(jié)流裝置、孔板、噴嘴、文丘里管等標準化，并稱為

“標準節(jié)流裝置”。

采用標準節(jié)流裝置進行設(shè)計計算時都有統(tǒng)一標準的規(guī)定、要求和計算所需

要的通用化實驗數(shù)據(jù)資料。

1.節(jié)流裝置的選用

①在加工制造和安裝方面，以孔板為最簡單，噴嘴次之,文丘里管最復(fù)雜。造

價高低也與此相對應(yīng)。實際上,在一般場合下,以采用孔板為最多。

②當要求壓力損失較小時,可采用噴嘴、文丘里管等。

③在測量某些易使節(jié)流裝置腐蝕、沾污、磨損、變形的介質(zhì)流量時,采用噴

嘴較采用孔板為好。

④在流量值與壓差值都相同的條件下，使用噴嘴有較高的測量精度,而且所

需的直管長度也較短。

2525

⑤如被測介質(zhì)是高溫、高壓的，則可選用孔板和噴嘴。文丘里管只適用于低

壓的流體介質(zhì)。

2.節(jié)流裝置的安裝使用

①必須保證節(jié)流裝置的開孔和管道的軸線同心,并使節(jié)流裝置端面與管道

的軸線垂直。

②在節(jié)流裝置前后長度為兩倍于管徑（2D）的一段管道內(nèi)壁上,不應(yīng)有凸出

物和明顯的粗糙或不平現(xiàn)象。

③任何局部阻力（如彎管、三通管、閘閥等）均會引起流速在截面上重新

分布,引起流量系數(shù)變化。所以在節(jié)流裝置的上、下游必須配置一定長度的直

管。

④標準節(jié)流裝置（孔板、噴嘴），一般都用于直徑D250mm的管道中。

⑤被測介質(zhì)應(yīng)充滿全部管道并且連續(xù)流動。

⑥管道內(nèi)的流束（流動狀態(tài)）應(yīng)該是穩(wěn)定的。

⑦被測介質(zhì)在通過節(jié)流裝置時應(yīng)不發(fā)生相變。

三、力矩平衡式差壓變送器

變送器是單元組合式儀表中不可缺少的基本單元之一。

所謂單元組合式儀表，這是將對參數(shù)的檢測及其變送、顯示、控制等各部分,

分別做成只完成某一種功能而又能各自獨立工作的單元儀表（簡稱單元,例如變

送單元、顯示單元、控制單元等）。

分類

按使用的能源不同,單元組合式儀表有氣動單元組合式儀表（QDZ型）和電動

單元組合式儀表（DDZ型）。

差壓變送器可以將差壓信號Ap轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一標準的氣壓信號或電流信號,可

以連續(xù)地測量差壓、液位、分界面等工藝參數(shù)。當它與節(jié)流裝置配合時,可以用

來連續(xù)測量液體、蒸汽和氣體的流量。

力矩平衡式差壓變送器是一種典型的自平衡檢測儀表，它利用負反饋的工

作原理克服元件材料、加工工藝等不利因素的影響，使儀表具有較高的測量準

確度（一般為級）、工作穩(wěn)定、可靠、線性好、不靈敏區(qū)小、溫度誤差小等一系

列優(yōu)點。

舉例

以DDZ-III型壓力變送器為例

DDZ-川型差壓變送器將差壓信號轉(zhuǎn)換為4?20mA的直流電流信號。

在差壓△o作用下，產(chǎn)生一個測試力，即

%=/即⑶5）

2626

1—測量氣室；2—測量膜片；3—支

4一主杠桿；5—推板；6一矢量板；

7一拉桿；8一支撐簧片；9一動鐵心

10一差動變送器；11一副杠桿；

12一放大器；13—永久磁鋼；

14—可動線圈；15一調(diào)零彈簧

該變送器是按力矩平衡原理工作的。根據(jù)主、副杠桿的平衡條件可以推導(dǎo)

出被測壓力與輸出信號/o的關(guān)系。

當主杠桿平衡時，應(yīng)有

式中4、/2分別為E離支點〃的

將式(3-5)代入式(3-6),有

K=1f、P=K\Np(3-7)

I

K、=人于

式中,4為一比例系數(shù)。

而為二耳tan8=用Aptan9(3-8)

F2l3=F^l4(3-9)

b4分別為反及電磁力離副杠桿十字支撐簧片的距離。

F電=耳1。(3-

將式(3-10)代入式(3-9),得

FZ=：K3=K￡(3-11)

,3

2727

聯(lián)立式(3-8)與(3-11),得

/()=KAptan0

K(3-20)

式中，"二看為轉(zhuǎn)換比例系數(shù)。

四、差壓式流■計的測■誤差

在現(xiàn)場實際應(yīng)用時，往往具有比較大的測量誤差，有的甚至高達10%?

20%。

注意不僅需要合理的選型、準確的設(shè)計計算和加工制造，更要注意正確

的安裝、維護和符合使用條件等，才能保證差壓式流量計有足夠的實際測量精

度。

誤差產(chǎn)生的原因

被測流體工作狀態(tài)的變動。

節(jié)流裝置安裝不正確。

孔板入口邊緣的磨損。

導(dǎo)壓管安裝不正確，或有堵塞、滲漏現(xiàn)象

差壓計安裝或使用不正確

導(dǎo)壓管要正確地安裝，防止堵塞與滲漏，否則會引起較大的測量誤差。對于不

同的被測介質(zhì)，導(dǎo)壓管的安裝亦有不同的要求，下面分類討論。

圖3-3測量液體流量時的取壓點

3

節(jié)流裝置；2ja引壓導(dǎo)

管

放空閥；4j2平衡閥；

差壓變送器；6j@貯氣

(a)(b)

圖3-4測量液體霸時的連接圖

（1）測量液體的流量時，應(yīng)該使兩根導(dǎo)壓管內(nèi)都充滿同樣的液體而無氣

泡，以使兩根導(dǎo)壓管內(nèi)的液體密度相等。

①取壓點應(yīng)該位于節(jié)流裝置的下半部，與水平線夾角a為。。?45°。

②引壓導(dǎo)管最好垂直向下，如條件不許可，導(dǎo)壓管亦應(yīng)下傾一定坡度（至

少1：20?1：10）,使氣泡易于排出。

③在引壓導(dǎo)管的管路中，應(yīng)有排氣的裝置。

（2）測量氣體流量時，上述的這些基本原則仍然適用。

①取壓點應(yīng)在節(jié)流裝置的上半部。

②引壓導(dǎo)管最好垂直向上，至少亦應(yīng)向上傾斜一定的坡度，以使引壓導(dǎo)管

中不滯留液體。

③如果差壓計必須裝在節(jié)流裝置之下，則需加裝貯液罐和排放閥，如圖3-

5所示。

（3）測量蒸汽的流量時，要實現(xiàn)上述的基本原則，必須解決蒸汽冷凝液的

等液位問題，以消除冷凝液液位的高低對測量精度的影響。常見的接法見圖3-

6所示。

圖3-6測量蒸汽流量的連接圖

圖3-5測量氣體流量時的連接圖

1iz節(jié)流裝置；2ia凝液罐；3i2引

1i@節(jié)流裝置；2i2引壓導(dǎo)管；3

壓導(dǎo)管；4ja排放閥；5i。差壓變送

i且差壓變送器；4j且貯液罐；5iOJOTT7Ml

差壓計或差壓變送器安裝或使用不正確也會引起測量誤差。

由引壓導(dǎo)管接至差壓計或變送器前，必須安裝切斷閥1、2和平衡閥3,如

圖3-7所示。

測量腐蝕性（或因易凝固不適宜直接進入差壓計）的介質(zhì)流量時，必須采取

隔離措施。常用的兩種隔離罐形式如圖3-8所示。

2929

P\Pi

x14

3

―N——

n

圖3-7差壓計閥組安裝示意圖

(a)PX<P{(b)px>p{

1,2i2切斷閥；3j@圖3-26隔離罐的兩種形式

第二節(jié)轉(zhuǎn)子流量計

一、工作原理

轉(zhuǎn)子流量計采用的是恒壓降、變節(jié)流面積的流量測量方法。

圖3-9轉(zhuǎn)子流量計的工作原理圖

轉(zhuǎn)子流量計中轉(zhuǎn)子的平衡條件是

丫g―P,，g=（P「P2）A(3-13)

由式（3-25）可得

2=p「PiA(3-14)

3030

根據(jù)轉(zhuǎn)子浮起的高度就可以判斷被測介質(zhì)的流量大小

或°一曲后X"

M=載12pf2

二、電遠傳式轉(zhuǎn)子流?計

它可以將反映流量大小的轉(zhuǎn)子高度力轉(zhuǎn)換為電信號，適合于遠傳，進行顯

示或記錄。

LZD系列電遠傳式轉(zhuǎn)子流量計主要由流量變送及電動顯示兩部分組成。

1.流量變送部分

圖370差動變壓器結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)換原理

若將轉(zhuǎn)子流量計的轉(zhuǎn)子與差動變壓器的鐵芯連接

起來，使轉(zhuǎn)子隨流量變化的運動帶動鐵芯一起運動，那

么，就可以將流量的大小轉(zhuǎn)換成輸出感應(yīng)電勢的大小。

2.電動顯示部分

圖371LTD系列電遠傳轉(zhuǎn)子流量計

3131

第三節(jié)漩渦流?計

精度高、測量范圍寬、沒有運動部件、無機械磨損、維護方便、壓力損失

小、節(jié)能效果明顯。

圖372卡門渦列

⑸圓柱渦列；（b）三角柱渦列

漩渦流量計是利用有規(guī)則的漩渦剝離現(xiàn)象來測量流體流量的儀表。

滿足h/L=時，則所產(chǎn)生的渦街是穩(wěn)定的。由圓柱體形成的卡曼漩渦，其

單側(cè)漩渦產(chǎn)生的頻率為V

漩渦頻率的檢測方法

圖3-13圓柱檢出器原理圖

1i@空腔；2i@圓柱棒；3i2導(dǎo)