仪表自动化理论,制作人: 杨 阳,目 录,一、概述,二、仪表分类、结构、原理 和常见仪表故障、分析、判断、处理,三、仪表工位号、字母含义,四、仪表控制系统-单回控制,五、复杂控制系统-串级控制,六、DCS-集散控制系统,返回目录,第一章 概 述,自动化仪表作为一类专门的仪表，最早出现于本世纪40年代初，当时由于石油、化工、电力等工业对自动化的需要，出现了将测量、记录、调节仪表。 自动化仪表根据能源的种类，还可以分为电动、气动等仪表。其中气动仪表的出现比电动仪表早，而且价格便宜，结构简单，特别对石油化工等易燃易爆的生产现场，具有本质性的安全防爆性能，因而在相当长的一段时间里，一直处于优势地位。但从60年代起，由于电动仪表的晶体管化和集成电路化，控制功能日益完备，在使用低电压、小电流时，可在电路上及结构上采取严密措施，限制进入易燃易爆场所的能量，从而保证在生产现场不会发生足以引起燃烧或爆炸的“危险火花”。这样，限制电动仪表使用的一个主要障碍被扫除，电信号比气压信号在传送和处理上的优越性就能得到充分的发挥。大家知道，气压信号传递速度慢，传输距离短，管线安装不便。相比之下，电信号传输、放大、变换、测量都比气压信号方便得多，特别是电动仪表容易和电子巡回检测装置和工业控制计算机配合使用，实现生产过程的全盘自动化。因此，近年来电动仪表取得了显著的优势。 目前我国电动仪表中并存着两种标准信号制度，在DDZ-和DDZ-型仪表中采用010毫安直流电流作为标准信号，而在DDZ-型仪表中，采用目前国际上统一的420毫安直流电流作为标准信号。从安全防爆、减少损耗、节省能量考虑，信号电流的满度值都希望选小一些。但太小也有困难，起点电流太小将会给两线制仪表带来困难，因为它将要求降低整个仪表在零信号时消耗的总电流。而在目前的元器件水平下，起点电流比4mA再小有时将发生困难。因此，目前国际上采用420mA作为标准信号。有利于识别仪表断电、断线等故障，且为现场变送器实现两线制提供了可能。,返回目录,第二章 仪表分类、结构、原理 和 常见仪表故障、分析、判断、处理,1、检测与过程控制仪表（通常称自动化仪表）分类方法很多很多： 根据能源分：气动、电动、液动、核能等 根据组合：基地式、单元式、综合控制 根据安装：现场、盘装、架装 根据是否可引入计算机：智能、非智能 根据仪表信号形式：模拟仪表、数字仪表 最通用的分类是按仪表在测量与控制系统中的作用进行划分： 检测仪表、显示仪表、调节仪表、执行器,见表,返回目录,表1仪表分类表,返回目录,第二章 仪表分类、结构、原理 和 常见仪表故障、分析、判断、处理,返回目录,第一节 温度仪表分类 温度参数是不能直接测量的，一般只能根据物质的某些特性值与温度之间的函数关系，实现间接测量，温度测量的基本原理是与这些特性值的选择密切相关的。 工业上测温的基本原理有： 应用热膨胀原理测温 应用压力随温度变化的原理测温 应用热阻效应测温 应用热电效应测温 应用热辐射原理测温,按工作原理分： 有膨胀式、 热电阻、热电偶以及辐射等。 按测量方式分： 有接触式和非接触式两类。,第二章 仪表分类、结构、原理 和 常见仪表故障、分析、判断、处理,返回目录,1、原理 热电偶温度计是基于热电效应这一原理测量温度的； 它的测温范围很广，可测量-200160O范围内在在特殊情况下，可测至2800 的高温。,第二节 热电偶,将两种不同的导体或半导体连接成如图所示的闭合回路，如果两个接点的温度不同（TT0),则在回路内会产生热电动势，这种现象称为赛贝克热电效应。图中闭合回路称之为热电偶。导体A和B称之为热电偶的热电丝或热偶丝。热电偶两个接点中，置于温度为t的被测对象中的接点称为测量端，又称工作端，温度为参考温度t0的另一端称之为参考端，又称自由端或冷端。,2、特点 测量精度高，测量范围广，构造简单，使用方便，不受大小和形状的限制，外有保护套管，用起来方便。,第二章 仪表分类、结构、原理 和 常见仪表故障、分析、判断、处理,返回目录,3、热电偶的类形,8种标准化热电偶： S ：铂铑10-铂 201300 B ：铂铑90-铂铑6 3001600 K ：镍铬-镍硅 -501000 J ：铁-康铜 -40750 R ：铂铑13-铂 -01600 E ：镍铬-康铜 -40 1000 T ：铜-康铜 -40 350 ,4、各种热电偶的分度表均是在参考端即温度t0为0 的条件下得到的热电势与温度之间的关系，因此，热电偶测温时，冷端温度必须为0 ，否则将产生测量误差。而在工业上使用时，要使冷端温度保持在0 是比较困难的，所以，必须根据不同的使用条件和要求的测量精度，对热电偶冷端温度采用一些不同的处理办法，常用的方法有如下几种： 补偿导线延伸法 冰点法 计算修正法 仪表零点校正法 补偿电桥法,第二章 仪表分类、结构、原理 和 常见仪表故障、分析、判断、处理,5、补偿导线延伸法 热电偶做得很长，使冷端延长到温度比较稳定的地方。由于热电偶本身不便于敷设，对于贵金属热电偶也很不经济，因此，采用一种专用导线将热电偶的冷端延伸出来，而这种导线也是由两种不同金属材料制成，在一定温度范围内（100 以下）与所连接的热电偶具有相同或十分相近的热电特性，其材料也是廉价金属，将这种导线称为补偿导线。 注意：无论是补偿型还是延伸型，补偿导线本身并不能补偿热电偶冷端温度的变化，只是起到热电偶冷端延伸作用，改变冷位置。在规定的范围内，由于补偿导线热电特性不可能与热电偶完全相同，因而仍存在一定的误差。,返回目录,6、计算修正法 当热电偶冷温度不是0 而是t0时，测得的热电偶回路中的热电势为E(t, t0)。可采用正式进行修正： E(t, 0)= E(t, t0)+ E(t0, 0) 只适用于实验室或临时性测温的情况，而对于现场的连续测量显然是不实用的,第二章 仪表分类、结构、原理 和 常见仪表故障、分析、判断、处理,第二章 仪表分类、结构、原理 和 常见仪表故障、分析、判断、处理,7、常见故障原因及处理,返回目录,返回目录,第二节 热电阻,1、测温原理： 热电阻温度计是基于金属导体或半导体电阻值与温度成一定函数关系的原理实现温度测量的。,2、热电阻材料,目前，使用的金属热电阻材料有铜、铂、镍、铁等，其中因铁、镍提纯比较困难，其电阻与温度的关系线性较差，纯铂丝的各种性能最好，纯铜丝在低温下性能也好，所以实际应用最广的是铜、铂两种材料，并已列入了标准化生产。 铂电阻（PT100） -200850 铜电阻（Cu50、Cu100） -50150 镍电阻（Ni100） -60180,热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂电阻的测量精度是最高的，可作为基准仪器。,第二章 仪表分类、结构、原理 和 常见仪表故障、分析、判断、处理,返回目录,第二章 仪表分类、结构、原理 和 常见仪表故障、分析、判断、处理,3、常见故障原因及处理,返回目录,第三节 压力测量,1、基本概念,在物理概念中，压力是垂直作用在单位面积上的力。是工业生产中的重要参数之一，在压力测量中，常有绝对压力、表压力、负压力和真空度之分。所谓绝对压力是指被测介质作用在容器单位面积上的全部压力，用符号Pj表示。地面上的空气柱所产生的平均压力称为大气压力，用Pq来表示。绝对压力与大气压力之差，称为表压力，有Pb来表示。即Pb=Pj-Pq。当绝对压力值小于大气压力值时，表压力为负值（即负压力），此负压力值的绝对值，称为真空度，用Pz来表示。,P表,P真,P绝,P绝,绝对压力的零线,大气压力线,绝对压力、表压、（真空度）的关系,第二章 仪表分类、结构、原理 和 常见仪表故障、分析、判断、处理,返回目录,2、压力测量原理,按测量原理分为两种： 根据压力的定义直接测量单位面积上受力的大小。 例：液柱式、弹性式 应用压力作用于物体后所产生的各种物理效应来实现压力。 例：电阻式：它是由金属导体或半导体制成的电阻体，其阻值随压力的变化而变化。 压电效应：当晶体受压力作用发生机械变形时，在其相对的两个侧面上产生异性电荷的现象。,3、压力测量仪表的分类,压力测量原理可分为液柱式、弹性式、电阻式、电容式、电感式和振频式等。,弹性式压力计,将被测压力转换成弹性元件变形的位移。 类型：弹簧管压力计、波纹管压力计及膜式压力计等。 特点：结构简单、使用可靠、读数清晰、价格低廉，在工业上广泛应用。,第二章 仪表分类、结构、原理 和 常见仪表故障、分析、判断、处理,返回目录,电气式压力计,通过机械和电气元件将被测压力转换成电量（如电压、电流、频率等）。 结构分类：各种压力传感器和压力变送器。 例：电容式压力变送器 它是由检测和变送两个环节组成。检测环节感受被测压力的变化转换成电容量的变化 。变送环节则将电容变化量转换成标准电流信号420mA DC输出。,测压点的选择 被测介质直管段 测量流动介质：取压点与流动方向垂直。 测液体压力：取压点在管道下部 测气体压力：取压点在管道上部,第二章 仪表分类、结构、原理 和 常见仪表故障、分析、判断、处理,返回目录,第二章 仪表分类、结构、原理 和 常见仪表故障、分析、判断、处理,4、常见故障原因及处理,返回目录,第四节 流量仪表,1、基本概念 流量是单位时间内流经某一截面的流体数量。流量可用体积流量和质量流量来表示。 体积流量：流体量以体积表示时称为体积流量。 qv=uA 质量流量：流体量以质量表示时称为质量流量。 qm=qv=uA 2、分类 工业上常用的流量仪表可分为两大类 （1）速度式流量计：以测量流体在管道中的流速作为测量依据来计算的仪表。 （2）容积式流量计：它以单位时间内所排出的流体固定容积的数目作为测量依据。,流量测量仪表还可以有以下的分类,节流式流量计 转子流量计 电磁流量计 容积式流量计 流体振动式流量计 超声波流量计 质量流量计,第二章 仪表分类、结构、原理 和 常见仪表故障、分析、判断、处理,返回目录,差压式流量计,节流装置与差压变送器配套测量流体的流量，是目前使用最广的一种流量测量仪表。在管道中流动的流体具有动能和位能，在一定条件下这两种能量可以相互转换，但参加转换的能量总和是不变的。节流元件测量流量就是利用这个原理来实现的。在节流装置中，应用最多的是孔板、喷嘴、文丘利管等。 根据能量守恒定律及流体连续原理，节流装置的流量公式可以写成： Q=kP,第二章 仪表分类、结构、原理 和 常见仪表故障、分析、判断、处理,返回目录,转子流量计 转子流量计又称面积式流量计或恒压降式流量计，也是以液体流动时的节流原理为基础的一种流量测量仪表。其特点是可以测量多种介质的流量，压力损失小而且稳定，反应灵敏，量程较宽，结构简单，价格便宜，使用维护方便。但转子流量计的精度受测量介质的温度、密度和粘度的影响，而且仪表必须垂直安装。,原理：转子流量计是由一段向上扩大的圆锥形管子和密度大于被测介质密度，且能随被测介质流量大小上下浮动的转子组成的。当液体自下而上流过时，转子因受到液体冲击而向上运动。随着转子的上移，转子与锥形管之间的环形流通面积增大，液体流速减低，冲击作用减弱，直到液体作用在转子上向上的推力与转子在流体中的重力相平衡。此时，转子停留在锥管中某一高度上。如果液体流量再增大，则平衡时转子所处的位置更高；反之则相反。因此，根据转子悬浮的高低就可测知液体流量的大小。,第二章 仪表分类、结构、原理 和 常见仪表故障、分析、判断、处理,返回目录,第二章 仪表分类、结构、原理 和 常见仪表故障、分析、判断、处理,3、常见故障原因及处理,返回目录,第五节 物位仪表 1、概念 生产过程中罐、塔、槽等容器中存放的液体表面位置称为液位。把料斗、堆场仓库等储存的固体块、颗粒、粉料等的堆积高度和表面位置称为料位；两种互一相溶的物质的界面位置称为界