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仪表操作规程

第一部分基础知识

仪表在工业生产过程中主要用于检测和控制。

仪表的分类上按不同的标准可以进行不同的分类。

按功能可分为：

显示仪表、监测仪表、控制仪表、执行器（机构）。

按测量对象可分为：

温度、压力、物位、流量、分析仪表等。

显示监测仪表包括：

指示仪、记录仪、报警器、累计仪等。

控制仪表是指调节器，按组合方式一般可分为基地式和单元式。

按能源种类一般可分为气动式和电动式。

执行器（机构）是指调节控制阀。

第一章仪表主要品质要求

一、我们先熟悉几个概念：

真值：

是一个变量本身所具有的真实值。

它是一个理想的概念，一般无法得到。

所以在计算误差时，一般用约定真值或相对真值来代替。

约定真值：

是一个近似真值的值。

它与真值之差可以忽略不计。

实际测量中可以是在没有系统误差的情况下，足够多次测量值的平均值。

相对真值：

是当高一级标准器的误差仅为低一级的1/3～1/20时，可以认为高一级的标准器或仪表示值为低一级的相对真值。

绝对误差：

是测量结果与真值之差，即：

测量值-真值。

相对误差：

是绝对误差与被测量值之比。

常用绝对误差与仪表示值之比以百分数表示，即：

绝对误差/仪表示值*100%。

引用误差：

是绝对误差与量程之比以百分数表示，即：

绝对误差/量程*100%。

二、几个品质要求的定义：

1.精确度：

是指测量结果和实际值的一致程度，精确度高意味着系统误差和随机误差都很小，可称为准确度。

精确度等级：

是仪表按精确度高低分成的等级，它决定仪表在标准条件下的误差限，也就是仪表基本误差的最大允许值；其表达式为：

（测量值—实际值）/（上限值—下限值）*100%

如果某台仪表的最大允许引用误差为1.5%，那么该仪表的准确度等级为1.5级。

2.灵敏度：

是仪表对被测参数变化的灵敏程度。

它是指仪表在达到稳定状态以后，仪表输出变化Δα与引起输出信号变化的被测参数（输入信号）变化量Δχ之比；即，灵敏度=Δα/Δχ。

因此，仪表的灵敏度可以用一个比值和输出、被测量（输入）两个量的单位来表示。

3.非线性误差：

也称为线性度，是实际值与理论值之差和量程的比值，即：

（实际值-理论值）/量程，是由于制造过程而引起的误差。

4.差变：

由于参数向上或向下变化时，而产生的测量值与实际值间的迟滞误差，即：

（正向值—反向值）/量程*100%。

5.动态误差：

是仪表测量时，显示值与参数实际值由于时间的滞后而产生的误差（跟踪变化过程中）。

第二章模拟仪表

按工作组合方式可分为基地式：

检测、显示、控制、调节等功能放在一起。

单元组合式：

用统一的信号联系工作的模式。

比较而言，单元组合式仪表的通用性好，是当今应用的首选。

按动作能源的种类可分为：

气动和电动两种。

气动仪表：

现在是气动Ⅲ型（QDⅢ型），信号范围是20—100Kpa。

电动仪表：

现在是电动Ⅲ型，（DDⅢ型），是集成电路控制，供电统一24V，本安型，信号范围是4—20mA。

以前是电动Ⅱ型，是晶体管控制的，供电220V，隔爆型，信号范围为0—10mA，现在已经基本淘汰使用了。

第三章仪表数字电路基础知识

第一节常见常用的门电路

门电路是最基本的逻辑元件，它的应用极为广泛。

所谓“门”，就是一种开关，在一定条件下它能允许信号通过，条件不满足，信号就通不过。

因此，门电路的输入信号与输出信号之间存在一定的逻辑关系，所以门电路又称逻辑门电路。

表1逻辑门电路

逻辑门

与门

或门

非门

与非门

或非门

图形

符号

逻辑式

变量

F=A·B

F=A+B

基本的逻辑门电路有“与”门、“或”门、“非”门、“与非”门和“或非”门等等。

在分析逻辑电路时只有两种相反的工作状态，并用“1”和“0”来代表。

例如：

开关接通为“1”，断开为“0”。

电灯亮为“1”，暗为“0”。

信号的高电平为“1”，低电平为“0”等等。

“1”是“0”的反面，“0”也是“1”的反面。

用逻辑关系式表示，则为

或0=

例：

在图（a）的照明电路中，开关A和B串联，只有当A“与”B同时接通时（条件），电灯才亮（结果）。

这两个串联开关所组成的就是一个“与”门电路。

在图（b）的照明电路中，开关A和B并联，只有当A“或”B接通时，电灯就亮。

这两个并联开关所组成的就是一个“或”门电路。

在图（c）的照明电路中，联动开关有两个触点，任一个接通，另一个就断开，故用A和

表示。

当A接通时，

断开，电灯就不亮。

若A断开，

接通，电灯就亮。

这个开关所组成的就是一个“非”门电路。

第二节常见图例与符号

触点信号（常开）

触点信号（常闭）

手动复位按钮（常开），停止驱动后，开关不自动复位

手动复位按钮（常闭），停止驱动后，开关不自动复位

自动复位按钮（常开），停止驱动后，开关自动复位

自动复位按钮（常闭），停止驱动后，开关自动复位

DCS内部软设置的自动复位按钮（常开），停止驱动后，开关自动复位

报警指示灯

ESD或DCS内部软信号连接

第三节逻辑图基础

一、双稳态触发器

1、图形符号

2、双稳态触发器真值表

保持

避免

二、三取二逻辑

1、图形符号

≥2

三取二

2、逻辑图

3、真值表

第二部分工业四大参数

第一章压力检测仪表

检测压力的仪表称为压力表或压力计。

根据生产工艺的不同要求，分为：

指示型、记录型、远传变送型、指示报警型、指示调节型等。

一、压力的基本概念

压力指均匀而垂直作用于单位面积上的力。

表达式为：

P=F/A。

二、压力检测的基本原理

1、利用液体压力平衡原理。

2、利用弹性形变原理。

3、利用物质的某一物理效应与压力的关系来检测压力。

针对本厂的使用情况，主要介绍弹性式压力表；

第一节弹性式压力表

按照测量范围的不同，常用的弹性元件有膜片、波纹管、弹簧管等；应用弹性元件测压的原理是基于弹性元件的弹性特性。

当其在轴向受力时，会产生拉伸或压缩位移。

工业生产中以单圈弹簧管结构应用较多，它的测压原理：

单圈弹簧管是弯成270°圆弧形的空心管,截面为椭圆形。

一端固定，另一端为自由端，γ为弹簧管中心角的初始角,△γ为中心角的变化量,R、r分别为外径和内径，a、b为弹簧管截面的长半轴和短半轴。

当通入被测压力P时，由于椭圆形截面在压力P的作用下，将趋向圆形，其自由端延伸产生角位移，弹簧管中心角减小△γ。

根据弹性形变的原理可知：

△γ/γ=[P（1-μ²）R²（1-b²/a²）α]/E。

μ、E--材料的泊松系数和弹性模量；h—壁厚；k—弹簧管的几何参数为Rh/a²；α、β—与a/b的值有关的参数。

正确地选择和安装是保证压力表在生产过程中测量结果安全可靠的重要环节。

压力表的选择需要考虑测量范围、精度等级、使用环境及介质性能四个方面。

一、测量范围的选择

根据“化工自控设计技术规定”，在测量稳定压力时，最大工作压力不应超过测量上限的2/3。

测量脉动压力时，最大工作压力不应超过测量上限的1/2。

测量高压时，最大工作压力不应超过测量上限的3/5。

一般被测压力的最小值不应低于仪表测量上限的1/3。

从而确保仪表输入与输出之间的线性关系，提高仪表测量结果的精确度和灵敏度。

二、精确等级的选择

仪表的精度等级是根据引用误差来划分的。

一般选择精度等级的数值加％、±后应小于或等于工艺要求仪表允许最大引用误差。

三、仪表类型的选择

根据被测介质的性质是否有特别要求，是否需要信号远传、记录或报警以及现场环境条件等对仪表类型进行选择。

如果要求就地压力指示，一般选用压力表即可。

对特殊介质要选用专用压力表；对于常用的水、汽、油等介质可采用普通弹簧管压力表。

如果要求压力信号远传，一般选用压力传感器或变送器。

对粘稠、易凝、易结晶等介质，首选法兰式结构传感器或变送器。

压力仪表的安装正确与否，直接影响测量结果准确性和仪表使用寿命。

四、弹簧管压力表的安装

1、压力表的安装位置

（1）、要选在被测介质流动的直管段部分，不要选在管线拐弯、驻、死角或其它易形成旋涡的地方。

（2）、测量流动介质的压力时，应使取压点与流动方向垂直，取压管内端面与生产设备连续处的内壁应保持水平，不应有凸出物或毛刺。

（3）、测量液体压力时，取压点应在管道下部，使导压管内不积存气体，测量气体压力时，取压点应在管道上方，使导压管内不积存液体。

2、导压管敷设

（1）、导压管内径一般为6—10mm，长度尽可能短，以减少压力指示的迟滞。

（2）、导压管水平安装时，应保证有1：

10—1：

20的倾斜度，以利于积存其液体或气体排出。

（3）、当被测介质易冷凝或冻结时，必须加设保温管线。

（4）、测量液体压力时，在引压系统最高处，应装设集气器，测量气体压力时，在引压系统最低处应装水分离器，当被测介质有可能产生沉淀物析出时，在仪表前应加装沉降器。

3、压力表的安装

（1）、压力表应安装在易观察和检修的地方。

（2）、应尽量避免温度变化对仪表的影响，测量高温气体应加装“U”型隔离管线或回转冷凝器。

（3）、测量有腐蚀性或粘度较大，沉淀、杂质等介质压力时，要对压力表采取相应的保护措施，以防腐蚀、堵塞等，安装适当的隔离器。

（4）、在有振动的情况下，使用仪表，应加装减振器。

（5）、当被测压力波动剧烈、频繁时应装缓冲器或阻尼器。

（6）、仪表的连接处，应根据被测力的高低和介质性质选择适当的材料作为密封垫片，以防止泄漏。

（7）、被测压力较小，而压力表与取压口又不在同一高度，有一定的误差，需要进行补偿。

（8）、仪表必须垂直安装。

（9）、为安全起见测量的高压仪表除选用表壳有通气孔的外，安装时表壳应向墙壁或无人处，以防止发生意外。

五、弹簧管压力表故障分析

故障现象

可能原因

处理方法

压力表无指示

导压管上的切断阀未打开

打开切断阀

导压管堵塞

拆下导压管，用钢丝疏通，用压缩空气或蒸汽吹洗干净

弹簧管接头内污物淤积过多而堵塞

取下指针和刻度盘，拆下机芯，将弹簧管放到清洗盘清洗，并用钢丝疏通

弹簧管裂开

更换新的弹簧管

中心齿轮与扇形齿轮磨损过大，以致不能啮合

更换两齿轮

指针抖动大

被测介质压力波动大

关小阀门开度

压力计的安装位置震动大

固定压力计或在许可的情况下把压力计移到震动较小的地方，也可装减震器

压力表指针有跳动或呆滞现象

指针与表面玻璃或刻度盘相碰有摩擦

矫正指针，加厚玻璃下面的垫圈或将指针轴孔铰大一些

中心齿轮轴弯曲

取下齿轮在铁镦上用木锤矫正敲直

两齿轮啮合处有污物

拆下两齿轮进行清洗

连杆与扇形齿轮间的活动螺丝不灵活

用锉刀锉薄连杆厚度

压力去掉后，指针不能恢复到零点

指针打弯

用镊子矫正

游丝力矩不足

脱开中心齿轮与扇形齿轮的啮合，逆时针旋动中心轴以增大游丝反力矩

指针松动

校验后敲紧

传动齿轮有摩擦

调整传动齿轮啮合间隙

压力指示值

误差不均匀

弹簧管变形失效

更换弹簧管

弹簧管自由端与扇形齿轮、连杆传动比调整不当

重新校验调整

指示偏高

传动比失调

重新调整

指示偏低

传动比失调

重新调整

弹簧管有渗漏

补焊或更换新的弹簧管

指针或传动机构有摩擦

找出摩擦部位并加以消除

导压管线有泄漏

逐段检查管线，找出泄漏之处给予排除

指针不能指示到上限刻度

传动比小

把活节螺丝向里移

机芯固定在机座位置不当

松开螺丝将机芯向反时针方向转动一点

弹簧管焊接位置不当

重新焊接

六、弹簧管压力表的校验

一般采用活塞式压力校验器和标准压力表来进行校验。

1、活塞式压力平稳放置，油杯的油位为1/2～2/3。

2、安装被校压力表和标准压力表。

3、均匀增压至刻度上限保持三分钟，然后均匀降压至零，注意指针上下行程时的平稳性。

4、缓慢增压到校验点（0%、25%、50%、75%、100%）进行读数，轻敲表壳后再读数，同样方法增压到每一个校验点，至满量程缓慢降压至每一个校验点，用所得的一系列数据来计算基本误差和变差。

5、若误差在精度要求的范围内，则校验合格贴标签，若不合格，则按下述调整：

1）、具有定值系统误差，即每一个校验点的指示值都偏低或偏高，且偏差量相同，可按正确指示重新装指针。

2）、具有负误差或正误差，且误差绝对值随指针偏转角增大而增大，可调动调整螺钉，改变“L”长度，增大指针，偏转角度小，量程减小，否则量程也增大，若误差值较小，调整螺钉不易掌握，可试调游丝的初始弹力。

3）、若全量程前半部分误差为正，并逐渐减小，后半部分误差为负，并逐渐增大，指针转角达不到全量程，量程中间误差最小，或者在量程前半部分出现递减的负误差，后半部分出现递增的正误差，指针偏转角超出全量程，量程中间误差也最小，可先加压至量程的50%，并调整连杆与扇形齿轮轴线交角为90度，然后调整螺钉改变“L”的长度，使误差达到要求。

第二节压力变送器

压力变送器是采用弹性元件与各种电信号的转换元件组合，可以将弹性元件受压变形产生的位移转换为电信号进行远传显示与控制仪表配合实现压力参数的控制。

压力传感器是压力检测系统的重要组成部分；由各种压力敏感元件将被测压力信号转换成容易测量的电信号输出。

主要有：

应变式压力传感器和压电式压力传感器以及光导纤维压力传感器。

应变式压力传感器是一种通过测量各种弹性元件的应变来间接测量压力的传感器。

压电式传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应，改变可变电容的电容量，用测量电容的方法测出电容量，实现压力—电容的转换。

对于微压力的测量，采用微差压变送器。

对粘稠、易堵、易结晶和腐蚀的介质，宜选用带法兰的膜片式压力变送器。

安装注意事项同压力表安装一样。

第二章物位测量

测量液位、界位或料位的仪表称为物位计，本厂现用的有多种。

第一节浮力式液位计

一、恒浮力法液位测量

它是利用漂浮于液面上的浮子升降位移反映液位的变化，当浮子静止在液面上时，平衡关系为：

W-F=G。

当我们忽略绳子的重力及摩擦力等因素影响时，W和G可以为是常数，因此浮力停留在任何高度液面上时，F也为常数，故此法为恒浮力法。

其实际运用中主要是带杠杆的浮子式液位计和依靠浮子电磁性能传递信号的液位计和磁翻板转式液位计以及浮球式液位计。

二、变浮力法液位测量

将一个截面相同，重力为W的圆筒形金属浮筒悬挂在弹簧上，浮筒的重力被弹簧的弹性力所平衡。

当浮筒部分浸液达到新的平衡时，满足以下关系：

CX=W-AНρg

C-弹簧刚度；X-弹簧压缩位移；A-浮筒截面积；H-浮筒浸没高度。

当液位变化时，浮筒所变的浮力发生变化，浮筒发生位移：

C（X-ΔX）=W-A（H+ΔH-ΔX）ρg

最终可以得到：

ΔX=AρgΔH/C+Aρg=KΔΗ

因此:

变浮力法测量液位是通过检测元件把液位的变化转换为力的变化,然后再将力的变化转换为机械位移,并转换为标准信号,以便远传和显示。

工业生产中应用变浮力原理测量液位的液位计，主要还有扭力管式液位计和轴封膜片式浮筒液位计，这里我们介绍一下扭力管式浮筒液位计，它在本厂中有多处使用。

浮筒浸没在被测液体中检测液位变化，浮筒杠杆吊在扭力管一端，扭力管另一端固定。

当被测液位变化时浮筒所受浮力变化，扭力管产生角位移，与液位变化一一对应。

当液位低于浮筒下端时，此时作用力为F=W（W等于浮筒的重力），此时杠杆作用在扭力管上的扭力矩最大，产生最大的扭角Δθmax；当液位浸没整个浮筒时，作用在扭力管上的扭力矩最小，扭角Δθmin。

当液位高度为H时，浮筒浸没深度为H-X，作用在杠杆上的力Fx=W-A（H-X）ρg

A-浮筒的截面积。

我们知道浮筒上移的距离与液位高度成正比；即X=KH，Fx=W-AH（1-K）ρg

因此浮筒所受浮力的变化量为：

ΔF=Fx-F=-A（1-K）ρgH；

由此可以得出:

液位H与ΔF成正比关系。

这样,角位移可以通过机械传动放大机构带动指针就地指示液位高度,也可转换成标准信号传输或同时实现现场指示和远传需要。

第二节压力式液位计

主要分静压式和差压式液位计。

静压式液位计是根据液位高度产生的静压实现液位测量的，一般为敞口器。

工业生产中应用的有压力表测液位和法兰式变送器测液位。

差压式液位计是对于密封容器而言的（不需要考虑容器顶部的压力），关系式：

H=ΔP/ρg。

差压变送器正压室接容器底部，负压室接其上部，当介质密度确定后，即可知容器中液位高度。

在工业生产中，由于周围环境的影响，差压仪表取压点不一定在容器底部，这就要求做信号迁移，有三种情况：

当被测介质粘度小，无腐蚀、无结晶，并且气相部分不冷凝，变送器安装高度与容器下部取压位置同一高度，称无迁移。

当变送器安装位置低于下部取压点的高度时，这时液位高度与差压的关系式：

ΔP=Hρg+hρg为了避光输出信号失真，必须调整差压ΔP的零点，使其输出4mA标准信号为正迁移。

为了防止容器中具有腐蚀的介质进入变送器，造成腐蚀现象，在变送器的正、负取压管线上从分别装有隔离罐，内充隔离液，密度ρ；（ρ；>ρ）。

这时需要考虑隔离液产生的差压关系式：

ΔP=Hρg-（h2-h1）ρ；g=Hρg-Δhρ；G。

当H为零时，变送器传输的信号小于4mA,满液位时，信号大于20mA，为了使变送器正常工作，调整变送器的测量范围：

Δhρ。

g～Hρg-Δhρ。

g即可。

当被测介质粘性很大，易沉淀、易结晶或腐蚀性很强的情况下，为了避免导压管的堵塞或仪表受腐蚀，使用法兰式差压液位变送器进行正常的液位测量。

其分两类：

单法兰和双法兰式。

同样，法兰式液位计也存在“零点迁移”问题，但只与取压点有关与仪表安装位置无关。

第三节电容式液位计

电容式液位计由电容物位传感器和检测电路组成。

一、测量原理

它由两个长度为L，半径分别为R和r的圆筒形金属导体组成内外电极。

中间隔的绝缘物质构成圆筒形电容器；电容表达式为：

C；=2πε；L/㏑R/rε；-绝缘物质的介电常数。

当有液位H时，电容发生变化，表达式为：

Cχ=2πεxH/（㏑R/r）+2πε；（L-H）/（㏑R/r）

εx-被测液体的介电常数ΔC=Cx-C；=2πH（εx-ε；）/（㏑R/r）=KH。

为了提高灵敏度，应使r接近R，来增大系数K值，所以一般不采用容器壁做外电极，而是采用直径较小的竖管做外电极；这种方法只适用于流动性较好的介质。

如果被测介质为导电液体，内极要采用绝缘材料覆盖，可采用金属容器壁与导电液体一起做外电极。

第四节超声波物位计

超声波一般是指频率高于20KHz以上的弹性振动，这种振动以波动的形式在介质中的传播过程就形成超声波。

根据声波从发时至接收到反射波的时间间隔与物位高度之间的关系，可以进行物位的测量。

基本原理的关系式：

H=Vt/2

v是超声波在介质中传播速度

t为由发射到接收经历的时间

液介式测量方法，探头固定安装在液体中最低液位处，探头发出的超声波脉冲在液体由探头传至液面，反射后再从液面返回到同一探头接收。

第三章温度检测仪表

在工业生产中，比较常见的测温方法有：

1、利用物质膨胀与温度关系测温。

如双金属温度计，压力式温度计和玻璃管式液体温度计。

2、利用导体或半导体的电阻与温度关系测温。

如铂电阻温度计。

3、利用热电效应测温如热电偶温度计。

第一节膨胀式温度计

根据选择物体和工作原理不同可分：

液体膨胀式，固体膨胀式和压力式温度计。

液体膨胀式温度计由感温包，工作液体、毛细管、刻度尺及膨胀室组成，主要依靠温包内工作液受热膨胀沿毛细管上升。

变化反应在刻度尺上。

其灵敏度取决于感温包的大小和工作液的膨胀系数。

固体膨胀式温度计工业中使用最多的是双金属温度计。

它的原理是：

感温元件是由两片膨胀系数不同的金属片叠焊在一起制成的。

受热后形变不同，引起双金属片向形变小的一侧弯曲。

工业上广泛应用的双金属温度计是将感温元件制成螺旋形，一端固定，另一端连在刻度盘指针的芯轴心上，温度变化时，双金属片产生角位移，带动指针指示出相应的温度。

其特点是结构简单、耐振动、价格低等。

压力式温度计是根据在封闭系统中介质受热膨胀引起压力变化这一原理制成的，并用压力表来测量这种变化，从而测量温度。

主要由温包、毛细管、弹簧管等构成。

按照感温介质的不同分液体压力式、气体压力式和蒸气压力式三类。

第二节热电偶温度传感器

热电偶温度传感器将被测温度转化为毫伏级热电势信号输出，通过连接导线与显示仪表相连组成测温体系，实现远距离温度传输。

热电偶的测温原理是基于热电效应，长度相同的两种不同导体或半导体，连接成闭合回路，如果两个接点的温度不同，则在回路中产生热电势。

产生的热电势是由温差电势和接触电势两部分组成。

热电偶测温，应用了中间温度定律；即热电势等于热电偶在两种温度时的热电势。

工业用热电极材料应满足以下要求：

热电极的物理性能和化学性能稳定性要高；材料组织要均匀、有韧性、复现性好，便于成批生产及互换等。

热电偶结构类型较多，当前应用最广泛的有普通型热电偶及铠装热电偶：

1、普通型热电偶由热电极、绝缘子、保护套管及接线盒部分组成。

2、铠装热电偶是将热电偶丝与绝缘材料及金属套管复合拉伸工艺加工而成可弯曲的坚实组合体。

具有一定的可绕性，安装使用方便，测量端有接壳、绝缘、露端等形式。

在工业生产中，要使冷端保持在0℃是比较困难的，所以要根据不同的使用条件及要求的测量精度，对冷端温度采用不同的处理方法：

1、补偿导线延伸法

在一定温度范围内（100℃以下）与所连接的热电偶具有相同或相近的热电特征，其材料较廉价，称为补偿导线。

补偿导线有正负之分，使用时型号匹配和极性对应。

2、补偿电桥法

补偿电桥法是采用不平衡电桥产生的直流毫伏信号来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化。

热电偶温度传感器的安装：

热电偶接触式温度计，为了确保测量的准确性，首先，根据管道或设备工作压力大小，工作温度介质腐蚀性要求等方面，合理确定热电偶的结构形式和安装方式。

其次，正确选择测温点。

热电偶工作端应处于管道流速大处。

最后，要合理确定其插入深度。

第三节热电阻温度计

工业上常用热电阻温度计来测量-200～600℃之间的温度。

在特殊情况下，低温可测至1K，高温达1200℃。

1、测温原理

基于金属导体或半导体电阻值与温度呈一定函数关系的原理实现测温的，实验证明，大多数金属导体当温度每升高1℃，其阻值均增0.36℅～0.68℅，具有以上的电阻温度系数。

而半导体则相反。

2、类型

有普通型和铠装两种。

普通热电阻温度计由电阻体、绝缘套管、保护管、接线盒和连接电阻体与接线盒引出线几个部件组成。

铠装型是将电阻体与引出线焊接好后，装入金属小套管，再充以绝缘材料，最后密封，加工成为组合体。

3、安装

1）、铠装热电阻应

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