化工仪表及自动化 讲义

化工仪表及自动化

一．化工自动化的意义

化工生产过程，，往往是在密闭的容器和设备中，在高压.真空.高温.深冷的情况下连续进行的。此外，不少介质还具有有毒.易燃.易爆..有腐蚀的性质。因此，为使化工生产正常地，高效地进行，就必须把各项工艺参数维持在某一最佳范围内，并尽量是生产过程自动化，现代化。

化工生产过程自动化，就是在化工设备上，配置一些自动化装置，替代操作人员的部分直接劳动，使生产在不同的程度上自动地进行。这种用自动化装置来管理化工生产过程的办法，就称为化工生产过程自动化，简称化工自动化。

二．化工仪表及自动化的发展概况

化工仪表及自动化，最早出现在四十年代，那时的仪表体积大。精度低。随着科学技术的不断发展和电子技术的不断进步，从0.02MPa-0.1MPa气动仪表，发展到现在采用4－20mA电动仪表，及DCS显示、控制。

三．化工仪表及自动化系统控制

在化工生产过程中，需要测量和控制的参数多种多样的，但主要是热工量和成份量。因而化工自动化仪表按其功能不同，大致分成四大类：即检测仪表（包括各种参数的测量和变送）；显示仪表（模拟量显示和数字量显示）；调节仪表（气动，电动，DCS调节仪表）和执行器（包括气动，电动，液动等执行器）。

利用上述各类仪表，大致可以构成自动检测，自动操作，自动保护和自动调节这样四种类型的自动化系统。

化工测量仪表

一． 测量过程和测量误差

1. 测量过程

所谓测量，就是用实验的方法求出某个量的大小。

2．测量误差 测量值与真实值之间始终存在着一定差值，这一差值就是测量误差。

测量误差按其产生原因不同，可以分为三类。

（1） 系统误差 即大小和方向均不改变的误差。

（2） 疏忽误差 产生这类误差的原因，是由于测量者在测量过程中疏忽大意所致。

（3） 偶然误差 就是在同样的测量条件下，反复多次，每次结果均不相同的误差。

绝对误差＝测量值－真实值

允许误差＝满刻度ⅹ仪表精度

二.测量仪表的分类和构成

1.测量仪表的分类

（1）依据所测参数的不同，可分成压力（包括差压、负压）测量仪表，流量仪表，物位测量仪表，温度测量仪表，物质成分分析仪表等。

（2）按表达示数的方式不同，可分成指示型、记录型、信号型、远传指示型、累积型等。

（3）按使用场合的不同 ，可分成实用仪表、范型仪表、标准仪表。

2．测量仪表的构成

被测参数→ 感受元件部分→显示部分→测量值

压力测量

一． 压力就是一物体施加于另一物体单位面积上均匀、垂直的作用力。

二．压力测量单位

MPa KPa Pa

1 MPa=1000 KPa=1000000 Pa≈0.1Kg／cm2≈10mH2O

三．压力仪表的分类 ：（1）有液柱式和活塞式压力计 （2）有弹簧管式、膜片式、膜盒式

波纹管式等等压力计 。（3）用通过机械和电气元件把压力信号转化成电量的方法来测量压力的仪表：有电容式、电阻式、电感式等压力计 。

液柱式液位计

常用的有U型管压力计、单管压力计。它们一般采用水银或水为工作液，常用于测量低压、负压或压力差。

弹性式压力计

1单圈弹簧管压力表 2膜盒式压力计 3波纹管式压力计 4多圈弹簧管压力计 5电接电压力表

流量测量

1差压式流量计 2转子流量计（就地显示 、远传式流量计 ） 3靶式流量计 4电磁流量计 5椭圆齿轮流量计 6涡轮流量计

电磁流量计工作原理 是法拉第电磁感应原理，即导电液体在磁场中作切割磁力线运动时，导体中产生感应电势，其感应电势E为

E=KBVD其中：K——仪表常数；B——磁感应强度；

V——测量管道截面内的平均流速；

D——测量管道截面的内径。

测量流量时，导电性的液体以速度V流过垂直于流动方向的磁场，导电性液体的流动感出一个平均流速成正比的电压，其感应电压信号通过二个或二个以上与液体直接接触的电极检出，并通过电缆送至转换器通过智能处理，转换成标准信号4~20mA和0~1kHz输出。

浮子流量计工作原理 放在上大下小的锥形流道中的浮子受到自下而上流动的流体的作用力而移动。当此作用力与浮子的“显示重量”(浮子本身的重量减去它所受流体的浮力)相平衡时，俘子即静止。浮子静止的高度可作为流量大小的量度。由于流量计的通流截面积随浮子高度不同而异，而浮子稳定不动时上下部分的压力差相等，因此该型流量计称变面积式流量计或等压降式流量计。该式流量计的典型仪表是转子(浮子)流量计。

物位测量仪表

1玻璃液位计 它是根据连通器的原理工作的。

2 浮力式液位计 它是利用液位变化时，感测元件因沁没在液体中的体积变化而受到不同的浮力来进行液位测量的。

3差压式液位计 是利用容器内的液位改变时，由

液柱产生的静压也相应变化的原理而工作的。

4用法兰式差压变速器测量液位 为了解决测量有腐蚀性或含有结晶颗粒以及粘度大、易凝固等液体液位时，引压管线被腐蚀、被堵的问题，现在专门生产了法兰式差压变送器。

5其他液位计 A： 电容式液位计 B：放射性液位计 C： 电极式液位计 D： 超声波液位计

电动差压变送器的工作原理 工作时，高、低压侧的隔离膜片和灌充液将过程压力传递给灌充液，接着灌充液将压力传递到传感器中心的传感膜片上。传感膜片是一个张紧的弹性元件，其位移随所受压而变化（对于GP表压变送器，大气压如同施加在传感膜片的低压侧一样）。AP绝压变送器，低压侧始终保持一个参考压力。传感膜片的最大位移量为0.004英寸（0.1毫米），且位移量与压力成正比。两侧的电容极板检测传感膜片的位置。传感膜片和电容极板之间电容的差值被转换为相应的电流，电压或数字HART（高速可寻址远程发送器数据公路）输出信号。

温度测量

温度是表示物体冷热程度的物理量。通常说的某物体温度高（或低），就是指该物体热（或冷）的意思。

测温仪表的分类 A玻璃液体温度计 B压力表式温度计 C双金属温度计 D热电偶 E热电阻 F辐射式高温计

热电阻温度计的测温原理：就是利用导体（或半导体）的电阻值随着温度变化这一特性来进行温度测量的。我厂使用的热电阻为Pt100

热电偶温度计的测温原理：热电偶温度计使以热电效应为基础的测温仪表，随着温度变化产生热电动势这一特性来进行温度测量的。

化工生产过程的调节

1什么是生产过程的调节

了保持生产过程中参数规定值，就必须对工艺过程施加一个作用以消除这种偏差而使参数回到规定值来，这样的控制过程就叫生产的调节。

2人工调节和自动调节

生产过程中有人工来完成，则称为人工调节。如果有仪表及必要的装置代替人工来完成这个调节过程而使人脱离直接操作的岗位，则称为自动调节。

3自动调节的类型

（1）定值调节 这种调节要求在整个生产过程中所要控制的工艺叁数是始终恒定不变，保持为一定的值，叫定值调节。

（2）程序调节 这种调节所要控制的工艺叁数不是在整个生产过程中始终保持不变，而是按预先规定好的规律随时间而变化是时间的函数。叫程序调节。

（3）随动调节 也叫跟踪调节 这种调节所要控制的工艺叁数在生产过程中也是在不断地变化，但这种变化不是预先精确规定好的，叫随动调节。

4自动调节系统的组成

（1）调节对象 在自动调节系统中，需要调节工艺参数的生产设备就叫调节对象 （2）测量元件和变送器 它是用以感受工艺参数的测量仪表或叫测量元件 （3）调节器 它把测量元件和变送器送来的信号与工艺上需要保持的参数规定值相比较，得出偏差。根据这个偏差的大小按设计好的运算规律进行运算后，输出相应的特定信号（气压、电流等）给执行机构 （4）执行器

有电动和气动两类，化工生产中执行器主要是气动薄膜调节阀 和电动调节阀，简称调节阀。它们接受调节器的输出信号，改变阀门的开启度来改变物料或能量的大小。

基本调节规律

所谓调节器的调节规律，就是当调节器接受了偏差信号（即输入信号）后，它的输出信号（即调节信号）的变化规律。

1双位调节 双位是调节规律是最简单的调节形式，它的作用形式不是连续的，调节机构只有开和关两个位置。

2比例调节 如果能使阀门的开度与被调参数偏差成比例的话，就由可能使输出量等于输入量，从而使被调参数趋于稳定，达到平衡状态。这种阀门开度与被调参数的偏差成比例的调节规律，称为比例调节。

3积分调节 为了消除余差，就要使调节作用在余差未完全克服之前继续动作，直到余差完全消除为止。就是说，余差没有克服，调节阀就不能停止动作，也就是调节器输出的变化速度就不能为零。余差 越大调节阀应当动作越快，调节器的输出也越快。

4微分调节 微分调节就是指调节器的输出的变化与偏差变化速度成正比。 △P＝Tdde/dt △P-调节器输出的变化 Td

－微分时间 de/dt － 变差信号变化的速度。

单元组和仪表

1变送单元 用以检测各种工艺参数，如温度、压力、流量、液位等，并将它们转换成统一标准信号传送给其它单元。以称为变送器。

2调节单元 它将变送单元送来的测量信号与给定的信号相比较，得出变差信号，根据

这个偏差的情况，按一定的调节规律向执行单元发出调节信号。亦称调节器。

3显示单元 用它来显示或记录被测量或被调节参数的数值，如个种记录仪、指示仪、记录调节仪等。

4计算单元 它可以对各单元输出的统一信号进行各种数算。

5给定单元 它用来提供调节单元所需的给定值。

6转换单元 用它来实现气信号和电信号相互转换。

仪表试题

一、 问答题

1什么叫测量？通常用哪几种方法进行测量？

2什么是测量误差？分成哪几种形式？

3什么叫压力？表压力？

4 液柱式压力计的测量原理是什么？U型管压力计的玻璃管内影响？

5流量测量有哪几种？

6电磁流量计的测量原理是什么？

径不均时对压力测量有何 7浮子流量计工作原理是什么？

8物位测量仪表有哪几种？

9电动差压变送器工作原理是什么？

10热电阻温度计的测温原理是什么？11什么是生产过程的调节？

12人工调节和自动调节是什么？

13自动调节的类型有几种？

14叙述自动调节系统的组成。

15基本调节规律是什么？

16单元组和仪表分哪几个单元？

17测量仪表分哪几大类？

18测量仪表的构成？

二填空题

1.真值是一个变量本身所具有的(

)

真实值

2.计算误差时，一般用( )或( )来代替真值。

约定真值；相对真值

3 .按所测量参数的不同，化工测量仪表可分为( )，( )，( )，( )和( )仪表五大类。

压力；流量；物位；温度；成分分析

4.各种测量仪有一般均由( )，( )，( )三部分组成。

测量；传送；显示

5.按使用能源的不同，化工测量仪表可分为( )，( )，( )仪表三种类型。

电动；气动；液动

6.压力的表示方式有( )，( )，( )三种。

绝对压力；表压力；负压力(真空度)

7.压力仪表按工作原理的不同可分为( )，( )，( )三大类。

液柱式压力计；弹性式压力计；电气式压力计

8.能将各种被测参数成比例地转换成标准统一信号的仪表称为( )。

变送器

9.压力变送器主要是由( )部分和( )部分所组成。

测量；转换

10.变送器种类很多，按使用能源的不同可分为( )变送器和( )变送器。

气动；电动

11.能完成对气、液相间分界面测量的仪表称为( )。

物位计

12.依据工作原理的不同物位计可分为( )，( )，( )，( )，( )。

玻璃物位计；浮标物位计；差压物位计；电气式物位计；辐射式物位计；超声波式物位计

13.利用液体或固体( )的性质来测量温度的仪表称为( )。

热胀冷缩；膨胀或温度计

14.工业生产中常用的测量仪表有( )，( )，( )，( )，( )五种类型。

膨胀式；压力式；电阻式；热电式；辐射式

15.转子流量计安装时必须保证锥管部分( )，不可( )。

垂直；倾斜

三 ： 选择题(请将正确答案的代号填入括号内)

1.仪表的精度级别指的是仪表的( )。

A．基本误差的最大允许值； B．基本误差； C．误差

A

2.用以表示仪表精度等级的是( )。

A．绝对误差； B．相对误差； C．引用误差

C

3.气动变送器输出统一标准信号是( )kPa。

A．0～100； B．20～100； C．20～140

B

4.电动变送器输出的统一标准信号是( )。

A．4～20mADC； B．0～20mADC； C．4～20mAC

A

5.标准节流装置测量流量时，对流动介质的要求是( )。

A．介质满管流动； B．可以半管流动； C．在节流件处有相变 A

6.压力式温度计是利用( )来测量温度的。

A．气-液的饱和蒸汽压力随温度变化的性质；

B．利用其电阻值随温度变化的性质；

C．利用电势值随温度变化的性质 A 7.破坏计量器具的准确度是指( )。

A．不合格的计量器具； B．计量器具失灵； C．作弊故障使计量器具失准 C

四、判断题(正确的请在括号内打\"√\错误的打\"×\")

1.弹簧管压力表是依据液体静力学平衡原理来工作的。 ( )

×

2.用“U”型管测压力时，被测介质的压力可用已知工作液的高度差换算为法定计量单位来表示。 ( )

√

3.气动仪表输出的统一标准化信号是20～100kPa。 ( )

√

4.输出电流信号范围在4～20mADC的单元组合仪表是电动Ⅱ型系列表。×

5.单位时间内流过管道或设备某横截面积的数量即为流量。 ( )

√

6.电磁流量计适用于测量酸、碱、盐溶液的流量。 ( )

√

7.标准节流装置是在流体的层流型工况下工作的。 ( )

×

8.转子流量计中流体流动方向是自上而下流动的。 ( )

×

9.热电偶回路中总热电势等于电偶两接点接触热电势代数和。 ( )

( )

√

10.利用不平衡电桥补偿热电偶自由端温度变化的方法是唯一的方法。 ( )

×

11.XCZ-102型测温显示表是利用感温电阻体的电阻值随温度变化的特性来测温度的。 ( )

√

12.热电偶与电子自动电位差计配合使用可以完成显示和记录工作。 ( )

√

13.实现计算机分级控制是计算机控制方向。 ( )

√