常规仪表基础教程.docx

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常规仪表基础教程

仪表专业培训教案

第一章：

自控基础

第一节：

工艺培训、歧化装置仪表概述

轻烃歧化装置设计压力测量回路43个，其中绝对压力测量回路2个；流量测量回路差压流量测量及调节回路18个；转子流量计2台；液位测量显示回路19个，其中单法兰液位变送器2台，液位变送器2台，浮筒液位变送器15台；热电偶测温回路76个，热电阻测温回路两个；共有调节回路29个，其中分程调节回路4套，串级调节回路2个。

轻烃歧化装置自控系统配有ME300（DCS）控制系统1套，再生气压缩机、富气压缩机、空压机随机PLC各1套，其中通过PLC和DCS系统的通讯，在主控室工控机上实现两个压缩机的主要参数的显示、报警，在主控室还设有压缩机急停按钮。

此外，锅炉配有燃烧器程控器2套。

分散控制（DCS）系统监测控制过程，它的主要功能有控制流程画面显示、模拟变量显示、趋势显示、自动控制、报警、连锁、报表打印等。

第二节：

工艺自控流程图

2.1化工自动化：

在化工设备上，配备一些自动化装置，代替操作人员的部份直接劳动，使生产不同程度自动进行，这种用自动化装置管理化工生产过程的办法，称为化工自动化。

2.2工艺自控流程图

在工艺流程确定以后，工艺人员和自控设计人员应共同研究确定控制方案，包括流程中各测量点的选择，控制系统的确定及有关自动信号、联锁保护系统的设计等。

根据控制方案，在流程图按流程顺序标注出相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号与联锁保护系统等。

便成了工艺自控流程图PID。

2.3图型符号

（1）测量点：

　　　不带远传的现场仪表，如压力表、双金属温度计等，

（2）连接线：

通用的仪表信号线均用细实线表示，在需要时，信号线也右接气、电、引压管采用不同表示方法以示区别；

（3）仪表的图型符号：

包括显示、控制、检测

2.4字母代号

首位字母表示被测变量，后继字母表示仪表的功能

首位字母：

F　流量　L　液位　　P压力　　T温度　　Y运行　　A在分析　E元件　H遥控

后续字母：

I指示　　C控制　　Q累积　　R趋势　　A报警　　G计/表　　S开关　　V阀

其它：

FC事故关（风开）　　FO事故开（风关）　　SC采样　　BL界区　　RF阻火器　　　　　　PSV安全阀　　

RD爆破板　　EL标高　　　PS安全阀定压　PD设计压力　　TD设计温度

2.5仪表位号

在检测、控制系统中构成回路的每个仪表（或元件）都应有自己的仪表位号。

由字母代号和阿拉伯数字编号两部份组成，其数字编号第1位数字表示工段号，第2、3位数字表示仪表序号

例如：

本装置中

FRCQ－405

第三节：

自动控制系统组成

3.1自动控制系统方框图：

在调节系统中，每个方框表示组成系统的一个部份，称为环节，把每个组成部分用一个方框画出来。

用带有箭头的线按照信号传递关系联连起来，这就是调节系统的方框图。

下面以液位调节为例。

3.2气动执行器

气动执行器的结构由执行机构和控制机构两部份组成，执行机构是执行器的推动装置，它按控制信号压力的大小产生相应的推力，推动控制机构动作，它是将信号压力的大小转换为阀杆的位移的装置;控制机构实际上是一个局部阻力可以改变的节流元件，通过阀杆上部和执行机构相连下部和阀芯相连，由于阀芯在阀体内移动，改变了阀芯和阀座间的流通面积，即改变了阀的阻力系数，被控介质的流量也就相应改变，从而达到控制工艺参数的目的。

　　3.3被控对象

在自动控制系统中，将需要控制其工艺参数的生产设备或机器叫做被控对象。

简称对象。

在

复杂生产设备中，一个设备上可能有好几个控制系统，这时的对象就不一定是生产设备的全部，可能只是与控制有关的相应部份。

3.4检测仪表与传感器

用来检测压力、温度、流量、液位等参数的技术工具称为检测仪表。

用来将这些参数转换为一定的便于传输的信号的仪表称为传感器。

当传感器的输出为单元组合仪表中规定的标准信号时，通常称为变送器。

3.5自动控制过程中的术语：

被控变量y：

生产过程中所要保持恒定的变量，在自控系统中被称为被控变量；

干扰f：

引起被控变量波动的外来因素，在自控系统中被称为干扰作用。

操纵变量：

能免克服干扰因素对被控变量的影响，起着控制作用的变量

反馈：

把系统（或环节）的输出信号直接或经过一些环节重新返回到输入端的做法叫反馈。

负反馈：

反馈的信号使原来的系统信号减弱，反之为正反馈。

闭环系统：

任何一个信号，只要沿着箭头方向前进，通过若干个环节后，最终又回到原来的起点。

第四节、歧化装置主要控制回路

4.1、控制规律

控制器有三个信号，一个给定、一个输入、一个输出，可分为正向控制器和反向控制器两种。

输入信号降低，输出信号也降低的控制器为正向控制器；反之，输入信号降低，输出信号升高的控制器叫反向调器。

控制器的输出信号随输入信号的变化规律称为调节规律。

常用的调节规律有：

双位调节、比例调节、积分调节、比例积分调节、比例微分调节、比例积分微分调节等。

（1）．双位调节：

控制器发出的最大或最小的信号、只有两个数值，并无中间值，因而称为双位调节。

它适于负荷变化不大的场合。

（2）比例调节：

输出信号与输入信号成比例关系。

其特点是，调节及时，无滞后，当有干扰时，输出马上就有变化，作用快，但余差大。

（3）积分调节：

输出的变化速度与输入偏差值成正比。

所以它能够消除偏差。

（4）微分调节：

是根据偏差的变化趋势动作的，只要偏差的变化一出现，就提前采取动作，因此也叫超前作用。

以上有几种调节作用一般不单独使用，常用的形式有：

P（比例调节）

PI（比例十积分调节）

PID（比例十积分十微分调节）

4.2T-401液位控制回路

（1）、T-401液位为单参数定值调节，它是一种最基本、最常用而又最简单的控制系统，其工艺控制图和调节系统方框图如下：

（2）、系统选择：

调节阀选风开型的，则控制器选正向比例积分型的。

（3）、调节过程定性分析：

当液面L由原稳定的控制点增加时，则变送器输出将增加，引起控制器偏差输入增加，由于控制器是正向的，则控制器的输出增加，此信号驱动调节阀开度μ增大，则排放量增大，从而使液位下降，重新使控制点稳定。

反之，当液面L由原稳定的控制点减小时，则变送器输出将减小，引起控制器偏差输入减小，由于控制器是正向的，则控制器的输出减小，此信号驱动调节阀开度μ减小，则排放量降低，从而使液位上升，重新使控制点稳定。

4.3D-404压力分程控制回路

（1）、D-404压力控制为分程控制，即被控变量只有一个，而操纵为两个，控制器的输出被分成两段，每一段对应一个参数。

（2）、D-404A压力的工艺控制图和系统方框图如下：

（3）、系统选择

PV411A选风开型

PV411B选风关型

控制器选反向功能PI型

（4）、调节过程定性分析

当D-404压力平稳时，两个阀均处于关闭状态

当压力高于给定值时，由于控制器反向，则控制器的输入增加，输出减小，当低于不灵敏区的下限值时，B阀打开，开如放空，如果压力断续上升，B阀开度将连续增加，增加放空量，最终会使罐压力下降，当压力达到或接近给定值时，控制器的输出会增大到高于不灵敏区，B阀关闭。

当压力低于给定值时，由于控制器反向，则控制器的输入减小，输出增大，当高于不灵敏区的上限值时，A阀打开，开如放空，如果压力断续下降，B阀开度将连续增加，增加充气量，最终会使罐压力上升，当压力达到或接近给定值时，控制器的输出会增大到低于不灵敏区的上限值，使B阀关闭。

4.4D-401液位及T-402进料量串级控制

1、D-401液位及T-402进料量为串级控制，两个控制器控制一个调节阀。

2、工艺控制图和调节系统方框图如下：

上图将对象分成两部份，一部份为D201出口至T402入口为副对象，它的输出变量为T402的进料量，另一部份以D201罐为主对象，它的输出变量为液位变化，干扰1表示T－401回流量和T402压力变化对FT402流量造成的影响；干扰2表示进口流量变化对液位造成的影响。

在这个系统中有两个控制器，分别接收来自对象的液位和流量测量信号，其中主控制器LC402的输出作为副控制器FC403的给定值，而FC403的输出去控制执行器以改变操纵变量，从系统的结构上看，这两个控制器是串接工作的，因此，这样的系统称为串级控制系统。

（3）、系统选型

主控制器LC402正向PI

副控制器FC403反向P（或PI）

执行器FV403风开阀

（4）、D-401液位及T-402进料流量串级控制过程

T-402第一股进料经FV-403对D-401的液位和流量串级控制，进入戊烷塔进料换热器E-407壳程与戊烷釜出料换热至87℃后进入戊烷塔T-402下部。

D-401液位及T-402进料流量由FV-403串级控制，流量2366kg/h。

当T-402的压力降低时，T-402进料量增大，会导致FT403流量变送器输出增加，副控制器FC403为反向控制器，其输出减小，FV-403开度减小，使D402的液位保持稳定。

反之，当T-402的压力增加时，T-402进料量减小，FT403流量变送器输出减小，FC403输出增加，FV403开度变大，同样保证了D402的液位保持稳定。

当D401进料量减少，液位降低时，液位变送器输出减小，由于LC402是正向控制器，导致其输出减小，使FC403的给定值降低，由于FC403是反向控制器，给定值的降低相当于输入测量值增加，其输出减小，FV-403仪表风信号减小，FV-403开度变小，导致D-401液位升高，反之当D-401液位升高时，FV-403仪表风信号增大，FV-403开度变大，D-401液位降低。

完成串级控制过程。

二型单元组合仪表

三型单元组合仪表

DCS控制系统―――――ME100　　　PARAGON500

ME200　　　　FARACON―――DB、DARW、ACQ

ME300　　　FACTORYFLOOR―――OPTO　DISPLAY

　　　　　　　　　　　　　　OPTO　　CONTROL

D－Distributedcontrolsystem

1975年霍尼韦尔和日本横河

第二章、常规化工仪表培训

用来检测压力、温度、流量、液位等参数的技术工具称为检测仪表。

用来将这些参数转换为一定的便于传输的信号的仪表称为传感器。

当传感器的输出为单元组合仪表中规定的标准信号时，通常称为变送器。

第一节、仪表技术指标及分类

一、测量过程与测量误差

测量过程在实质上都是将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程，而测量仪表就是实现这种比较的工具。

不论采用哪一种原理它们都是要将被测参数经过一次或多次的信号能量的转换，最后获得一种便于测量的信号能量形式。

1、测量误差：

仪表读得的被测值与被测量的真值之间，总是存在一定的差距，称为测量误差。

通常有两种表示方法，

绝对误差：

在理论上是指仪表指示值和被量的真值之间的差，可表示为

Δ＝χi-χt

所谓真值是客观存在的，它是无法得到的理论值，所以一般是指被校表和标准表同时对同一被测量进行测量所得到的两个读数之差。

Δ＝χ-χ0

2、相对误差：

某一点的绝对误差与标准表在这一点的指示值之比，可表示

y=Δ/χ0=χ-χ0/χ0]

二、仪表的性能指标

1、精确度（精度）

常说的绝对误差指的是绝对误差的最大值，仪表的精确度不仅与绝对误差有关，还与仪表的测量范围有关，仪表的测量范围上下限之差，称为仪表的量程。

工业上常用绝对误差折合成仪表测量范围的百分数表示，称为相对百分误差δ，即

δ＝Δmax/仪表量程

根据仪表的使用要求，规定一个在正常情况下允许的最大误差，这个允许的最大误差叫允许误差。

一般用相对误差的百分数来表示，即某一台仪表的允许误差是指在规定的正常情况下允许的相对百分误差的最大值。

事实上，国家就是利用这一办法规定仪表的精确度（精度）等级的。

将仪表的允许的相对百分误差去掉±及%号，便可以用来确定仪表的精确度等级。

目前我国生产的仪表常用的精确度等级有0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。

0.05级以上的常用来作为标准表，0.5级以下的常用来作为工业现场用的测量仪表。

2、变差

在外界条件不变的情况下用同仪表对被测量的仪表全部测量范围进行正反行程测量时，被测量正反行程所得到的两条曲线的之间的最大偏差。

造成变差的原因很多，如传动机构间存在的间隙和摩擦力，弹性元件的弹性滞后等。

大小用在同一被测测参数下，正反行程间仪表指示值的最大绝对差值与仪表量程之比的百分数表示。

仪表的变差不能超过仪表的允许误差。

3、灵敏度和灵敏限

仪表指针的线位移或角位移，与引起这个位移的被测参数变化量之比，称为仪表的灵敏度。

S＝Δα/Δχ

S－仪表的灵敏度

Δα－仪表指针的线位移或角位移

Δχ－引起Δα所需的被测参数变化量

所以仪表灵敏度在数值上等于单位被测参数变化量所引起的仪表指针移动的距离（或转角）

仪表指针发生动作的被测参数的最小变化量，叫灵敏限。

通常仪表的灵敏限的数值不大于仪表允许绝对误差的一半。

三、工业仪表分类

1、按仪表的能源分：

工业自动化仪表分为气动仪表、电动仪表和液动仪表。

电动仪表信号之间联系比较方便，适宜于远距离传送和集中控制，便于与计算机联用，也可以做到防火、防爆。

但一般结构复杂，易受温度、温度、电磁场、放射性等环境的影响。

（1）气动仪表结构简单、直观；工作比较可靠；对温度、温度、电磁场、放射性等环境的抗干扰能力强，防火、防爆，价格便宜，但信号传递速度慢，传输距离短、管线安装与管线安装与检修不便，不宜实现远距离的集中显示与控制，与计算机联用比较困难。

2、按仪表的组成型式分类

（1）基地式仪表：

这类仪表的特点是将测量、显示、控制等各部份集中组装在一个表壳里，形成一个整体。

比较适合做现场就地检测和控制，但不能实现多种参数的集中显示与控制。

（2）单元组合仪表：

将对参数的测量及其变送、显示、控制单元等各部份，分别制成能独立工作的单元仪表，这些单元间以统一的标准信号互相联系，任意组合，适合性和灵活性好。

有电动单元和气动单元组合仪表分别用DDZ和QDZ表示

控制流程图

在工艺流程确定以后，工艺人员和自控设计人员应共同研究确定控制方案，包括流程中各测量点的选择，控制系统的确定及有关自动信号、联锁保护系统的设计等。

在控制方案确定后，根据流程图按其流程顺序标注出相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号与联锁保护系统等。

便成了工艺管道及控制流程图PID。

四、计量单位

化工生产中有许多单位，可以分成两类基本单位和导出单位，导出量是由基本单位组成。

例如速度的单位（米每秒）为路程与时间之比，由米和秒导出。

由于基本量选择不同或对基本单位规定得不同，便产生了不同的单位制度。

以前广泛采用绝对单位制，工程单位制，国际度量衡会议六十年代初期提出了一种新的单位制度，是在米制的基础上发展而成的。

即国际标准单位制SI，采用了七个基本单位：

力学中有m、kg、s,热力学温度的单位采用开尔文，简称开代号K，在光学中采用发光强度的单位坎德拉，简称坎，代号为cd，在电学中采用电流的单位安培，简称安A，在化学和分子物理学中采用物质量的单位摩尔，代号mol.

第二节：

压力测量的基本概念及测量仪表

一、基本概念

压力是工业生产中的重要参数之一，为了保证生产正常运行，必须对压力进行监测和控制，但需说明的是，这里所说的压力，实际上是物理概念中的压强，即垂直作用在单位面积上的力。

工业生产中，所谓压力是指由气体或液体均匀垂直作用在于单位面积上的力，有些重要参数的测量如物位、流量往往是通过测量压力或差压来进行的。

压力表示为

P＝F/S　

P表示压力，F表示垂直作用力，S表示受力面积

国际单位制中规定压力的单位是帕斯卡，1帕为1牛顿每平方米。

即1Pa＝1N/m2

在压力测量中，常用绝对压力、表压力、负压力或真空度之分。

P真空度=P大气压力线-P绝对压力

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。

用来测量绝对压力的仪表称为绝对压力表。

地面上的空气柱所产生的平均压力称为大气压力，用符号pq表示。

用来测量大气气压力的仪表叫气压表。

绝对压力与大气压力之差。

称为表压力，用符号pb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，用符号pz表示。

用来测量真空度的仪表称为真空表。

既能测量压力值又能测量真空度的仪表叫压力真空表。

二、弹簧管压力表

按测压元件的不同有单圈和多圈弹簧管，按用途分有普通、氨压力表、禁油的氧气压力表、只是材料不同。

弹簧是测量元件，它是一根弯成270。

　圆弧的椭圆截面的空心金属管子，管子自由端封闭，另一端固定在接头上，当通入被测的压力后，由于椭圆形的弹簧管也随之产生向外挺直的扩张变形，由于变形，使弹簧管的自由端产生位移，输入压力越大，产生的变形也越大，由于输入压力与弹簧管自由端的位移成正比，所以只要测得自由端的位移量，就能反映压力的大小。

这就是基本原理。

弹簧管自由端的位移量一般很小，直接显示有困难，所以必须通过放大机构才能指示出来，具体的放大过程如下：

弹簧管自由端的位移通过拉杆使扇形齿轮作逆时针偏转，于是指针通过同轴的中心齿轮的带动而作顺时针偏转，在面板的刻度标尺上显示出被测压力的数值，由于弹簧管自由端的位移与被测压力之是具有正比关系，因此弹簧管压力表的刻度尺是线性的。

游丝用来克服因扇形齿轮和中心齿轮间的传动间隙而产生的仪表变差，改变调整螺钉的位置（即改变机械传动的放大系数），可以实现压力表量程。

电接点压力表的工作原理：

压力表的指针上有动触点，表盘上另有两根可调节的指针，上面分别有静触点，当压力超过上限给定值时，动触点和静触点接触，红色信号灯的电路接通，灯亮。

若压力低到下限时，动触点和另一个静触点接通。

三、压力、差压变送器

1.电容式压力变送器

被测介质的两种压力通入高、低两压力室，作用在δ元件（即敏感元件）的两侧隔离膜片上，通过隔离膜片和δ元件内的填充液传到预张紧的测量膜片两侧。

测量膜片与两侧绝缘体上的电极各组成一个电容器，在无压力通入或两压力均等时测量膜片处于中间位置，两侧两电容器的电容量相等，当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容就不等，通过检测，放大转换成4-20mA的二线制电流信号，压力变送器和绝对压力变送器的工作原理和差压变送器相同，所不同的是低压室压力是大气压或真空。

（介质压力通过隔离膜片和硅油传递给位于δ室中心的测量膜片，测量膜片起着弹性元件作用，随它两边的差压而变形。

测量膜片的位移，与差压成正比，最大位移为0.lmm。

由它两侧的电容极板检测，再用电子线路把测量膜片和电容极板之间的差动电容转换为二线制4～20mAdc输出信号。

）

2、智能型压力变送器

在普通压力或差压传感　器的基础上增加微处理器电路而形成的智能检测仪表。

例如，用带有温度裣的电容传感器与微处理器相结合，构成精度为0.1级的压力或差压变送器，其量程范围为100：

1，时间常数在0－36S可调，通过手持通信器可对1500m之内的现场变送器进行工作参数的设定、量程调整及向变送器加入信息数据。

其点是可进行远程通讯，利用手持通讯器可对现场变送器进行各种运行参数的选择和标定，其精确度高，使用与维护方便，通过编制各种程序使变送器具有自正、自补偿、自诊断及错误方式警告等多种功能。

简化了调整校准与维护过程。

3、差压变送器校验

（1）、工具与仪器

现场校准差压变送器一般不南非要将变送器拆下，先关闭引压管正、负压阀，打开平衡阀，卸下正、负压排气孔堵头，气压信号可以从变送器正压侧经校表接嘴进入，负压侧通大气。

工具有常用扳手150mm、200mm（6、8英寸）及仪表工配用的工具即可。

作校准用的标准器，其误差限应是被校表误差限的1/3~1/10。

压变送器需用的器具如下：

（2）、接线

现场取下仪表校准可不另接电源

A、准备及接管连接

①关闭三阀组正、负压阀，打开平衡阀。

②取下正压侧排气堵头，并在堵头位置接上校表接嘴。

③打开下方排气/排液阀，鼓气吹扫残物、残液后关死排气、排液阀。

④接上压力信号源及数字压力计。

⑤卸开变送器的输入端子（只卸一端），串上标准电流表。

如下图所示：

B、校准

①基本误差及回程误差的校准

a.将差压测量值分别置于规定测量值的0%、25%、50%、75%、100%各点。

b.记录下输出对应于各点的实际值。

c.计算基本误差。

实际输出值与公称输出值之差对输出值的范围（16mA）的百分率即为基本误差。

②回程误差的校准

a.使测量值略超过测量最高值（如105%），然后依次将商量输入值分别置于100%、75%、50%、25%、0%各点。

b.记录下回程误差。

变送器各正、反行程输出实测值之差的绝对值即为回程误差。

c.计算回程误差。

变压器各点正、反行程输出实测值之差的绝对值即为回程误差。

第三节、温度测量的基本概念及分类

　温度是表征物体冷热程度的物理量。

温度不能直接测量只能借助于冷热不同的物体间的热交换，以及物体的某些物理性质随冷热程度不同而变化的特性，来加以间接的测量。

根据测温的方式可以分为接触法和非接触法两类。

目前国际上用得较多的温标有华氏温标、摄氏温标、热力学温标和国际实用温标。

　华氏温标（oF）规定：

在标准大气压下，冰的熔点为32度，水的沸点为212度，中间划分180等分，每第分为报氏1度，符号为。

tF=9/5t+32oF

t=5/9（tF-32）

　摄氏温度（℃）规定：

在标准大气压下，冰的熔点为0度，水的沸点为100度，中间划分100等分，每第分为报氏1度，符号为℃。

　热力学温标又称开尔文温标，或称绝对温标，它规定分子运动停止时的温度为绝对零度，记符号为K。

1990年国际温标（ITS-90）简介如下。

1．温度单位

热力学温度（符号为T）是基本物理量，它的单位为开尔文（符号为K），定义为水三相点的热力学温度的1/273.16。

由于以前的温标定义中，使用了与273.15K（冰点）的差值来表示温度，因此现在仍保留这各方法。

t90=T90-273.15

根据定义，摄氏度的大小等于开尔文，温差亦可以用摄氏度或开尔文来表示。

国际温标ITS-90同时定义国际开尔文温度（符号为T90）和国际摄氏温度（符号为t90）

温度测量仪表的分类

2、膨胀式温度计

基于物体受热体积膨胀的性质制成的温度计叫作－。

它分为玻璃管液体膨胀式和固体膨胀式两大类。

对于玻璃管液体温度计视充填的工作液不同又可分为水银和有机玻璃液体温度计。

　由玻璃温包，膨胀室、毛细管、刻度标尺组成。

玻璃管温度计由于液体膨胀系数比玻璃大，当T升高时，温包里的工作液体因膨胀而沿毛细管上升，根据玻璃管刻度标尺可以测出被测介质的温度，为了防止温度过高时流体胀裂玻璃管，在毛细管顶部一般都留有膨胀室。

3、双金属温度计

其感温元件由两片线膨胀系数不同的金属片迭焊在一起制成的。

受热后两金属片的膨胀长度不相同而产生弯曲，温度超高产生的线膨胀长度差越大，因而引起弯曲的角度就越大。

工业上广泛采用指示式，其中螺旋形感温元件是用双金属片制成的，外加保护套管，一端固定，另一端（自由端）连接在芯轴上，当温度变化时，螺旋的自由端便围绕中心轴旋转，并带动固定芯轴上的指针转动，指示出温度的数值，由于将双金属片作成了螺旋管状，大大地提高了仪表的灵敏度，它结构简单，耐震动，耐冲