仪表工基础理论培训教材.docx
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仪表工基础理论培训教材
仪表工基础理论培训教材
一。
概述
二。
仪表分类
三。
仪表的信号制
四。
气动仪表基础理论
五。
误差理论及仪表的质量指标
六。
工业生产中检测仪表分类
七。
仪表校验方法基本知识
八。
仪表工程施工图及资料分类
九。
如何读PID图
十。
工程建设中常用的国家标准
十一。
仪表回路基础。
十二。
压力检测仪表
十三。
温度检测仪表
十四。
物位检测仪表
十五。
流量计量检测仪表
2009.
一。
概述
一百多年前随世界工业革命的兴起和发展，仪表工业也得到发展
，尤其是在电子工业快速发展的上世纪七十年代，大规模和超大规模
集成数字电路的出现及其在军工和航天技术方面的应用所显现出的
先进性、可靠性，为其在工业生产自动化中的应用开辟了广扩市场，
特别是计算机、计算机技术及软件技术的应用，使得DCS在各行各
业中得到快速广泛运用。
可以说在现今的工业生产中都离不开仪表及
控制系统。
仪表应用安全术语：
a.爆炸：
是物质产生的一种高速放热反应。
如气体、烟尘和粉尘。
引起爆炸的情况如下：
1〉在正常使用或因维修和泄漏原因，可燃气体或烟雾达到可
燃浓度，并且与空气充分混合时；
2〉可燃混合物与点火源接触，并持续燃烧。
b.爆炸危险
一般潜在于下列情况中，环境中承在易燃气体或烟雾、易燃液
体、可燃粉尘或者由于使用、处理和储存上述物质时产生的可燃性混合位物。
c.爆炸（易燃）混合物：
可燃（易燃）混合物是一种物质与空气、烟气和蒸汽的混合物，可以在被点燃后加速反应进行。
d.爆炸（易燃）气体：
包括瓦斯烟雾或粉尘与空气的混合物，它在大气环境下可自行
爆炸。
e.爆炸性危险气体：
是指浓缩的可燃性气体或烟雾与空气的混合物，一旦被点燃，其产生的爆炸可直接或间接地对人体产生伤害。
f.爆炸危险区域：
局部的操作使得该区域内有存在危险爆炸气体的可能，该区域便
称为危险区域。
防爆形式：
常用的防爆方式有两种。
a.本安型：
i设备内部的电路在规定的条件下，正常工作或规定
的故障状态下产生的电火花或热效应不能点燃爆炸性混合物。
b.隔爆型：
d将设备在正常运行时能产生火花电弧的部件置于隔
爆外壳内。
隔爆外壳能承受内部爆炸压力而不至于损坏，并能保证内
部的火焰气体通过间隙传播时降低能量，不足以引爆壳外的气体。
相对而言，本安型仪表价格更高些！
二．仪表分类
纵观当今世界，各种仪表名目凡多，但就仪表的驱动动力源来划
分，自动化仪表可分为三大类，它们是：
第一是液动仪表，它们以液体作为传动力；
第二是气动仪表，它们以压缩空气作动力；
第三是电动仪表，它们以电作为动力。
从动力源来源的广泛性及可靠性来分析，以及生产现场对防火防
爆的要求，使得我们现在大量可见到的和在我们厂将使用到的仪表都
集中体现为气动仪表和电动仪表两大类。
三．仪表的信号制
1。
气动仪表。
气源压力：
1.6Kgf/cm
或160Kpa
输出压力：
0.2~1.0Kgf/cm
或20~100Kpa
或0.02~0.1Mpa
2．电动仪表。
电源电压：
~220V或24VDC
输出信号：
4~20mAＤＣ
或 输出电压 １～５ＶＤＣ
气动仪表和电动仪表的输出信号范围也就是这两类仪表的工作
范围。
稍加注意我们能发现，气动和电动仪表的输出信号范围都有一个
共同问题，那就是它们都不是从“零”开始，这是为什么呢？
其实，在电动仪表的发生和发展过程中，起初我们国家采用的信
号制中，输出电流是0~10mADC，因而，输出电压便成为
0~5VDC。
比如国产的DDZI型和DDZII型仪表。
在使用过程中发
现其有一些问题，加之随国外仪表的不断引进和使用，信号之间的转
换突显，不得不迈出向IEE协会标准靠拢的步伐，改用国际通用的
信号制：
4~20mADC和1~5VDC了。
四。
气动仪表基础理论
气动仪表所使用的压缩空气—仪表风来自压缩机站，为什么要使
用气动仪表呢？
因为气动仪表具有以下优点：
工作可靠、防火、防爆、
便于维修、价格低、抗外界干扰（如磁场、温度、潮霉）能力强。
气动仪表的缺点是：
传递速度慢，传递距离短，气源装置复杂，
与工业控制计算机的联系不方便----要使用气电转换器。
气动仪表的工作压力范围是20~100Kpa。
（一）。
喷嘴—档板机构的工作原理
从气动仪表面世至今，喷嘴----档板机构就是气动仪表的必不少
的元件。
喷嘴--档板机构的基本结构如下：
其中：
P0为气源压力；
P1为背压或输出压力。
背压名称的来历或许是因为其位
于该机构之后的原因。
在图示情况下，当档板完全盖住喷嘴时，从理论上讲背压P1应
该等于气源压力P0。
但就实际来说，由于喷嘴和档板都是用金属加
工而成的，加上安装等原因，档板是不可能完全盖住喷嘴的，背压
P1只能接近於气源压力P0。
第二种情况是喷嘴与档板之间的距离较大时，空气流过喷嘴时
有一定的阻力，所以此时的背压P1实际上接近大气压力。
而当背压P1在20~100Kpa之间变化时对不同的恒节流孔和
喷嘴直径，档板的位置是不一样的，但一般也就在几丝范围内变化，
这种变化是很微小的。
在喷嘴--档板机构中，恒节流孔的直径要小。
因为只有这样在
档板远离喷嘴时，从节流孔中来的空气才能自由地从喷嘴出去，从而
使背压室压力降至零（或接近零），，确保喷嘴—档板机构在全范围内
工作。
另外，在喷嘴直径一定时，节流孔直径愈小，则机构的灵敏度愈
高，转换系数也愈大，但对喷嘴—档板之间的平行度和加工要求也愈
高。
一般来说，节流孔直径为喷嘴的1/5~1/6。
根据常规知识我们可以看到，若两过节流孔直径相同，当孔的长
度不一样时，则在相同压差下，节流孔的气阻是不一样的，长者气阻
较大，流过的气体流量也较小。
（二）。
气阻是怎样定义的？
气阻又分为几类？
气阻就是节流元件对流体的阻力（即产生的压力降）。
如果一个节流元件两端的压力差为P，流过该节流元件的气体
流量为Q,在不考虑气体重度的变化的情况下，则此节流元件的气阻
为：
R=P/Q
从节流元件的结构上分，常用的气阻有恒气阻（如各种恒节流
孔）和变气阻（如各种针型阀）；而就其工作特性而言，又可分为线
性气阻和非线性气阻。
线性气阻流量特性的线性段较长，正常工作时，
气流处於层流状态。
线性气阻的代表是长度/孔径较大的毛细管。
非
线性气阻的流量特性的线性段较短，工作时流体处於紊流状态，如薄
壁节流孔。
（三）。
什么是气容？
它又分为几类？
气路中凡是能储承或放出气体的容器称为气室或气容。
气室的气
容量C为升高或降低单位压力所需增加或放出的气体体积量。
气动仪表中所用到的气容分为两类，一是固定气容，其体积不变
；另一类是弹性气容，其体积随气室的压力变化而变化。
一个刚性罐
就是体积不变的固定气容，一个波纹管便是一个弹性气容。
（四）。
什么是节流盲室？
它起什么作用？
在可调或不可调气阻后面串联一个固定气室，就形成了节流盲
室，其如图所示：
P1————————P2
根据气体经气阻R1进入到气容C中，P2压力上升比较缓慢的
原理，可以得见，当气源信号P1输入后，P2要上升到某一数值得经
过一段时间（时间的长短与气容的容量有关）。
这就是滞时特性，从
而就构成了一个迟滞环节。
其作用是起缓冲作用，防止震蘯出现。
（五）。
什么是节流通室？
它起什么作用？
把恒气阻R1，可调气阻R2与流通气室串联起来便成了一个节
流通室。
如图所示：
P1——————P2—————P3
图中恒气阻R1和可调气阻R2的位置可以对换。
通过对R2的气
阻的调节，可以把输入压力P1按比例降下来，而得到我们所需要的
压力P2。
（六）。
气动放大器的工作原理
上图是气动放大器的示意图，根据喷嘴—档板工作原理我们可以
来看其工作过程。
气源来的压缩空气分两路，其一进入气室A中，
另一路是经节流孔之后到气室C。
当档板离喷嘴较远时，由于背压
接近于大气压力，而膜片下的气室通过排气孔与大气相通，因而气室
B的压力就是大气压力，所以膜片没有受到力的作用，不会对针形
阀产生推力，针形阀也就不会推动钢球（也称之为球阀）向下运动，
由于钢球与放大器底座之间配合严密，因而气室A中的气体也不可
能进入输出通道和气室B内，此时输出为零。
一旦档板向喷嘴靠近，
气室C中产生出背压，膜片向下运动，其力作用在针形阀上，进而
推动钢球向下运动，此时气室A内的压缩空气便通过球阀与放大器
基座间的间隙进入到输出通道和气室B，便产生输出信号。
随档板
不断地向喷嘴靠近，输出也逐渐增加，直至输出信号的压力等于气室
A的压力，也就是气源压力。
现在我们来看几种气动放大器常见的故障。
第一，因为气源不干净造成节流孔堵塞。
由于不能产生背压，因
而球阀不能打开，所以没有输出，既输出的气信号为零。
第二，膜片破裂。
由于背压室C内的压力经气室B排入大气，
所以输出为零。
但是在膜片泄漏不大的情况下，则可能有一点输出。
第三，排气孔堵塞。
此时由于气室B已经变成节流盲室，使得
气室A通过球阀进入的气体全部成为输出，即输出压力等于气源压
力。
第四，档板偏斜。
在这种情况下，由于档板靠近喷嘴时有过量的
间隙，使得背压建立不起来或建立不够，使得输出为零和或升不到最。
大。
下面进一步介绍一个气动放大器的起步压力概念。
放大器的起步
压力指的是当输出压力为20----30Kpa时所对应的喷嘴背压。
控制
气动放大器的起步压力就可以改变喷嘴档板机构的工作段，使其尽量
工作在线性段，从而就提高了放大器的互换性。
放大器的起步压力又由什么来调节呢？
当然是钢球的片簧了。
本
质上就是调节其预紧力。
预紧力大放大器的起步压力便高，放大器的
放大倍数相应要低；预紧力太小，则钢球的初始位置不易定准，放大
器容易失常。
五。
误差理论和仪表的质量指标
任何测量和计量都有误差，根据所使用的计量器具或测量器具不
同，所得到的精确度是不相同的。
那么什么叫误差呢？
误差又分为什
么类型呢？
实测的结果与真值之差就叫误差。
按照误差数值表示的方法划分
可分为绝对误差、相对误差和引用误差三种。
若按照误差出现的规律
来划分又可将误差分为系统误差、随机误差和疏忽误差三种。
按仪表
使用的条件来分可分为基本误差、附加误差。
按被测变量随时间变化
的关系分，误差可分为静态误差和动态误差。
为了说明这些念，我们先得引入真值、约定真值和相对真值的定
义。
真值是一个变量本身所具有的真实值。
它仅是一个理想的概念而
已，一般是无法得到的。
因而在计算误差时用约定真值或相对真值来
代替。
约定真值是一个接近真值的值，其与真值之差可以忽略不计。
实际测量中以在没有系统误差的情况下，将足够多次的测量值之平均
值作为约定真值。
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，可认为高一级的标准器或仪表的示值为低一级的相对
真值。
（一）。
绝对误差、相对误差和引用误差
绝对误差是测量结果与真值之差，即
绝对误差=测量值—真值
相对误差是绝对误差与被测量值之比，以百分数表示，
相对误差=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
引用误差=绝对误差/量程*100%
仪表的精度等级是根据引用误差来划分的。
例一。
用一只标准压力表检定甲、乙两块压力表，读得标准表的
指示值为100Kpa，甲、乙两表的读数各为101。
0Kpa和99.5Kpa，
求它们的绝对误差。
解：
甲表的绝对误差
X1=X–X0=101.0–100=1.0Kpa
乙表的绝度误差为
X2=X–X0=99.5–100=-0.5Kpa
例二．某压力表刻度0~100Kpa，在５０Kpa处检定值为
４９．５ＫPa。
求在５０ＫPa处仪表示值的绝对误差、示值相对误
差和示值引用误差？
解：
绝对误差＝５０－４９．５＝０．５ＫPa
相对误差＝０。
５／５０ ＊１００％＝１％
引用误差＝０．５／１００＊１００％＝０．５％
（二）。
系统误差、偶然误差和疏忽误差
系统误差又叫规律误差，其大小和符号均不改变或按一定的规律
变化，因而就容易消除或修正。
这种误差的产生可能是仪表本身有缺陷、使用仪表的方法不对、
观测者的习惯或偏向等。
偶然误差又称为随机误差，其主要特点是不易发现，不好分析，
难于修正。
产生偶然误差的因素很多，它是许多复杂因素微小变化的
共同作用所致。
疏忽误差又叫粗差，其主要特点是无规律可循，而且明显地与事
实不符。
观察者的失误或外界的偶然干扰是这类误差产生的主要因
素。
（三）。
基本误差和附加误差
仪表的基本误差是指仪表在规定的参比工作条件下，即该仪表在
标准工作条件下的最大误差。
一般来说仪表的基本误差也就是该仪表
的允许误差。
附加误差是仪表在非规定的参比工作条件下使用时产生的误差，
如电源波动附加误差、温度附加误差等。
（四）。
仪表的质量指标
仪表的质量如何，一般用仪表的准确度等级来表述。
准确度是指
测量结果和实际值的一致程度，准确度高意味着系统误差和随机误差
很小。
而准确度等级是仪表按准确度高低分成的等级，它决定了仪表
在标准条件下的误差限，也即仪表基本误差的最大允许值。
按照国家经委关于《企业能源计量器具配备和管理通则》的规定
：
（１）。
各种静态计量的衡器精确度为０．１％；
（２）。
各种动态计量的衡器用于进出厂计量精确度为
０．５%，用于内部计量精确度为（０．５～２）％；
（３）。
水流量计量精确度为２％；
（４）。
蒸汽流量计（成套）精确度为２．５％；
（５）。
煤气等气体流量计精确度为２％。
在了解了仪表的质量指标之后，介绍一下仪表量程选择的一般原
则。
对各类仪表量程的选用大多按照以下原则进行：
（1）。
温度仪表：
正常测量值为满刻度值的1/2左右；
（2）。
压力仪表：
测量稳定压力时，正常测量值为满刻度值的
1/3~2/3左右；
测量脉动压力时，正常测量值为满刻度值的
1/3~1/2左右；
测高、中压力时，正常测量值为满刻度值的
1/2左右；
（3）。
物位仪表：
正常测量值为满刻度值的65%左右；
（4）。
当测量仪表采用线性刻度时，正常测量值为满刻度值的
50%~70%左右；
（5）。
当测量仪表采用方根刻度时，正常测量值为满刻度值的
70%~85%左右。
六。
工业生产中检测仪表分类
当今，在石油，、化工、造纸、纸浆、冶金、钢铁、发电、医药、
食品加工等诸多行业中，其生产过程都离不开仪表和自动化技术，以
保证生产安全、平稳、长周期运行，生产出高质量的合格产品，取得
良好的经济效益和社会效益，促进企业的繁荣、发展。
仪表在工业生产中是极其重要的，但作为仪表方面的技术人员要
清醒地认识到，仪表在生产过程中是起保障性作用的。
仪表是工业生产的眼睛，它是为生产正常，安全平稳进行提供可
靠信息。
具体来说，那就是通过现场安装的检测元件，比如热电阻或
热电偶，压力和差压变送器，孔板，涡轮流量计、雷达液位计、有毒
有害气体检测仪、火灾报警器等把检测到的温度、压力、液位或物位、
流量、阀门位置、PH值等信息通过传输系统送到仪表显示屏或DCS
上，供操作人员使用；但是仪表又不仅仅提供信息，它还具有“脑”
的分析功能以及“手”的功能，那就是调节功能和控制功能。
一）压力测量仪表
1）。
压力计量单位
压力是垂直均匀地作用在单位面积上的力。
压力的法定计量单位是帕斯卡，简称帕，附号为Pa。
1Pa就是
1牛顿（N）的力作用在1平方米面积上所产生的压力。
1Pa=1N/m2=1Kg*m*S2=1Kg/m*s2
1Mpa=1000Kpa=Pa
在实际工作中，有时我们将看到用液柱高度来表示压力的情况。
那么，为什么可以这样做呢？
这可从压力的定义出发，因为压力是单
位面积上所受的作用力，即：
P=F/S
式中：
F----作用力，N；
S----面积，m2.
又因为：
F=hspg
式中：
p----液体密度，Kg/m3;
h----液柱高度，m:
g----重力加速度，m/s2.
所以：
p=h*s*P*g/s=h*p*g（N/m2）
由上式我们可以看到压力（P）等于液柱高度（h）、液体密度（P）、
和重力加速度（g）的乘积。
液体密度P在一定的温度下是不变的重
力加速度g为一常数，因而压力就了以用液柱高度来表示了。
这就
是说压力P是随液柱高度变化的。
由此我们可以推算出压力单位与法定压力单位Pa之转换关系：
1mmH2o=9.Pa=9.81Pa
1mmHg=9.*13.6
=133.322Pa
1物理大气压=Pa=
1巴（bar）=1000mbar
=Pa
2）.绝对压力、大气压、表压和真空度
绝对真空下的压力称为绝对零压，以绝对零压为基准表示的压力叫绝对压力。
被测流体（气体、液体）绝对压力与所处位置处大气压力的差值，
也即测量流体（气体、液体）压力用的压力表上的读数叫表压（G）。
如若被测流体的绝对压力低于大气压，则压力表所测得的压力为
负值，这个负值称之谓真空度。
绝对压力、表压、大气压、真空度之间的相互关系如下图所示：
七。
仪表工程施工图及资料类别
每个工程项目，担负项目设计的设计院应该向业主提供下述图纸和资料：
1．各装置工艺流程图，即PID与；
2．各装置公用物料流程图，即UFD图；
3．各装置公用系统管道及仪表流程图，即UID图；
4．各装置工艺管道及仪表流程图，即PID图；
5．各装置仪表选型清单及计算书；
6．DCS或PLC系统配置图；
7．DCS或PLCI/O清单；
8．火灾自动报警系统图；
9．可燃（有毒）气体检测点布点图；
10．ESDI/O表；
11．联锁因果表；
12．复杂控制回路图；
13．安装材料表；
14．典型仪表安装图。
业主、施工单位和监理单位经审察后，提出问题，汇总后，交给
设计院，设计院还应据此对相应的图纸进行修改。
八。
如何读PID图
PID图就是工艺管道及仪表流程图。
PFD图就是工艺流程图。
UFD图就是公用物料流程图。
UID图公用系统管道及仪表流程图。
读仪表PID图一般按照下述步骤进行：
一）。
看首页，它包含以下部分。
1．目录----图纸目录及图号
了解并熟悉公用gon工程及各工序所对应的图号编制方法。
2。
设备表
熟悉设备位号及设备名称，所在图号。
3．仪表符号及图例
关键是要熟悉仪表位号前两位（英文字母）的含义，了解仪表
突例表示的实物是什么？
4。
管道图例
了解其实物表示方法。
5．介质代号
了解工艺介质类别及英文标识。
6．管道标注
了解各部分的含义。
7．备注
介绍了管道标注中第四部分三个符号的含义。
8。
典型安装图例
了解关键性设备的标准安装方案。
二）。
图纸的标题栏
其中有图号及图纸名称。
三）。
图例说明
九。
仪表校验方法基本知识
当操作员对某检测点产生怀疑时，仪表维护人员就必须对该点
的仪表或一次元件进行检查，校验，以证实其是否准确，进而寻找有
关原因。
仪表维护人员在正式着手进行仪表电校验之前，应先做好准
备工作。
1）。
仪表校验前的准备
a.根据被校表的测量范围将给定值按0%、20%、40%、60%、
80%和100%的间隔，计算出各点的数值；
b.填写好校验记录表中有关项目；
c.针对被校表选用标准表、所需附件及动力源；
d.将被校表、标准表、动力源和有关附件等连接起来构成回路；
e.再次检查校验回路的正确性，予以确认；
f.按被校表的量程分别给“零点”和“满量程”信号，以检验零
位和满量程点是否准确。
当这两点的精度达到要求时，准备工
作结束。
2）.校验
a.按被校表测量值范围等分计算出的给定值，顺次由低到高、
缓慢地输入给定信号，直至满量程点。
在此过程中的每一个给
定点都应停留一下，待标准表示值稳定下来之后，将该示值相
应记录下来；然后从高向低缓慢降低给定值，直到零点，并同
样记录下各点的指示值；
b.计算出各点的绝对误差，从而初步判定被校表是否工作在正
常状态下。
若被校表各点的偏差值均在该仪表的允许误差范围
之内，则本表粗校完毕；
c.重新按a.所说的方法更加仔细地做好每一步校验，并记录下
对应的输出信息；
d.再次计算各点的偏差值，然后与仪表的允许误差相比较，如
果各个偏差值均在允许误差范围之内，则表明仪表工作正常，
没有问题，仪表校验完成。
e.将有关记录数据填写到记录表中；
f.校验人和见证人签字。
工作结束。
例一。
一台气动压力变送器的量程是0----150Kpa，试计算该表
校验时各给点的压力值和输出信号值。
解：
150Kpa/5=30Kpa
0%20%40%60%80%100%
给定压力0306090120150
输出（Mpa）0.020.0360.0520.0680.0840.100
例二。
某温度测量回路的一次元件是铜热电阻，二次仪表为动圈
式指示仪，其最大刻度值是100摄氏度，精度等级是1.5。
试
校验此动圈指示仪。
解：
经查表知，铜热电阻的R0等于欧姆，R100是欧
姆，
十。
仪表回路基础
回路的含义是：
在控制系统中，一个或多个相关仪表与功能的组
合。
在每一个回路中，至少有一个一次元件（也称为敏感元件），一
块显示表。
现举例如下：
一）。
十一。
工程建设中常用的国家标准
在石油化工工程建设中常用到的有关国家和行业标准有这样一
些，它们是：
1．GB50093—2002自动化仪表工程施工及验收规范；
2．GB50131—2007自动化仪表工程施工质量验收规范；
3。
SHB—Z01—95石油化工自控专业设计施工图深度导则；
4．SH/T3521—2007石油化工仪表工程施工技术规范；
5．SH/T3104—2000石油化工仪表安装设计规范；
6．SH/T3081—2003石油化工仪表接地设计规范；
7．HG/T20510—2000仪表供气设计规定；
8．HG/T20688—2000化工工厂初步设计文件内容深度规定。
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