化工仪表及自动化教案.doc
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-CAL-FENGHAI-（2020YEAR-YICAI）_JINGBIAN
化工仪表及自动化教案
化工仪表及自动化
绪论
内容提要
n化工自动化的意义及目的
n化工自动化的发展概况
n化工仪表及自动化系统的分类
化工自动化的意义及目的
n加快生产速度、降低生产成本、提高产品产量和质量。
n减轻劳动强度、改善劳动条件。
n能够保证生产安全，防止事故发生或扩大，达到延长设备使用寿命，提高设备利用率、保障人身安全的目的。
n生产过程自动化的实现，能根本改变劳动方式，提高工人文化技术水平，以适应当代信息技术革命和信息产业革命的需要。
化工自动化的发展情况
n20世纪40年代以前
Ø绝大多数化工生产处于手工操作状况，操作工人根据反映主要参数的仪表指示情况，用人工来改变操作条件，生产过程单凭经验进行。
低效率，花费庞大。
n20世纪50年代到60年代
Ø人们对化工生产各种单元操作进行了大量的开发工作，使得化工生产过程朝着大规模、高效率、连续生产、综合利用方向迅速发展。
n20世纪70年代以来，化工自动化技术水平得到了很大的提高
n20世纪70年代，计算机开始用于控制生产过程，出现了计算机控制系统
n20世纪80年代末至90年代，现场总线和现场总线控制系统得到了迅速的发展
化工仪表及自动化系统的分类
按功能不同，分四类：
检测仪表（包括各种参数的测量和变送）
显示仪表（包括模拟量显示和数字量显示）
控制仪表（包括气动、电动控制仪表及数字式控制器）
执行器（包括气动、电动、液动等执行器）
图0-1各类仪表之间的关系
1.自动检测系统
利用各种仪表对生产过程中主要工艺参数进行测量、指示或记录的部分。
作用：
对过程信息的获取与记录作用。
图0-2热交换器自动检测系统示意图
自动检测系统中主要的自动化装置
敏感元件
传感器
显示仪表
敏感元件对被测变量作出响应,把它转换为适合测量的物理量。
传感器对检测元件输出的物理量信号作进一步信号转换
显示仪表将检测结果以指针位移、数字、图像等形式,准确地指示、记录或储存。
2.自动信号和联锁保护系统
对某些关键性参数设有自动信号联锁保护装置，是生产过程中的一种安全装置。
自动信号联锁保护电路按主要构成元件不同分类：
有触点式、无触点式两类
3.自动操纵及自动开停车系统
自动操纵系统可以根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作。
自动开停车系统可以按照预先规定好的步骤,将生产过程自动地投入运行或自动停车。
4.自动控制系统
对生产中某些关键性参数进行自动控制,使它们在受到外界干扰的影响而偏离正常状态时,能自动地调回到规定的数值范围内。
本学科的作用
通过本门课程的学习,应能了解主要工艺参数（温度、压力、流量及物位）的检测方法及其仪表的工作原理及特点;
能根据工艺要求,正确地选用和使用常见的检测仪表及控制仪表;
能了解化工自动化的初步知识,理解基本控制规律,懂得控制器参数是如何影响控制质量的;
能根据工艺的需要,和自控设计人员共同讨论和提出合理的自动控制方案;
能为自控设计提供正确的工艺条件和数据;
能在生产开停车过程中,初步掌握自动控制系统的投运及控制器的参数整定;
能了解检测技术和控制技术的发展趋势和最新发展动态。
第一章检测仪表基本知识
内容提要：
测量过程与测量误差
测量仪表的品质指标
测量系统中的常见信号类型
检测系统中信号的传递形式
检测仪表与测量方法的分类
化工检测的发展趋势
一、测量过程与测量误差
测量是用实验的方法,求出某个量的大小。
举例
测一段导线的长度
直接测量
间接测量
测量实质：
是将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程。
测量误差：
由仪表读得的被测值（测量值）与被测参数的真实值之间的差距。
测量误差按其产生原因的不同,可以分为三类：
系统误差
疏忽误差
偶然误差
绝对误差：
xI：
仪表指示值xt：
被测量的真值
由于真值无法得到
x：
被校表的读数值，x0：
标准表的读数值
相对误差：
二、检测仪表的品质指标
1.测量仪表的准确度（精确度）
两大影响因素
绝对误差和仪表的标尺范围
说明：
仪表的测量误差可以用绝对误差Δ来表示。
但是，仪表的绝对误差在测量范围内的各点不相同。
因此，常说的“绝对误差”指的是绝对误差中的最大值Δmax。
三、检测仪表的品质指标
相对百分误差δ
允许误差
小结：
仪表的δ允越大，表示它的精确度越低；反之，仪表的δ允越小，表示仪表的精确度越高。
将仪表的允许相对百分误差去掉“±”号及“％”号，便可以用来确定仪表的精确度等级。
目前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。
举例：
例1-1 某台测温仪表的测温范围为200~700℃，校验该表时得到的最大绝对误差为±4℃，试确定该仪表的相对百分误差与准确度等级。
解：
该仪表的相对百分误差为
如果将该仪表的δ去掉“±”号与“％”号，其数值为0.8。
由于国家规定的精度等级中没有0.8级仪表，同时，该仪表的误差超过了0.5级仪表所允许的最大误差，所以，这台测温仪表的精度等级为1.0级。
仪表的准确度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。
准确度等级数值越小，就表征该仪表的准确度等级越高，仪表的准确度越高。
工业现场用的测量仪表，其准确度大多在0.5级以下。
仪表的精度等级一般可用不同的符号形式标志在仪表面板上。
举例
1.5
1.0
如：
注意：
在工业上应用时,对检测仪表准确度的要求,应根据生产操作的实际情况和该参数对整个工艺过程的影响程度所提供的误差允许范围来确定,这样才能保证生产的经济性和合理性。
2.检测仪表的恒定度
变差是指在外界条件不变的情况下，用同一仪表对被测量在仪表全部测量范围内进行正反行程（即被测参数逐渐由小到大和逐渐由大到小）测量时，被测量值正行和反行所得到的两条特性曲线之间的差值。
图1-1测量仪表的变差
仪表的变差不能超出仪表的允许误差，否则应及时检修。
3.灵敏度与灵敏限
仪表的灵敏度是指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的比值。
即
式中，S为仪表的灵敏度；Δα为指针的线位移或角位移；Δx为引起Δα所需的被测参数变化量。
仪表的灵敏限是指能引起仪表指针发生动作的被测参数的最小变化量。
通常仪表灵敏限的数值应不大于仪表允许绝对误差的一半。
注意：
上述指标仅适用于指针式仪表。
在数字式仪表中，往往用分辨率表示。
4.反应时间
反应时间就是用来衡量仪表能不能尽快反映出参数变化的品质指标。
反应时间长，说明仪表需要较长时间才能给出准确的指示值，那就不宜用来测量变化频繁的参数。
仪表反应时间的长短，实际上反映了仪表动态特性的好坏。
仪表的反应时间有不同的表示方法
当输入信号突然变化一个数值后，输出信号将由原始值逐渐变化到新的稳态值。
仪表的输出信号由开始变化到新稳态值的63.2％（95％）所用的时间，可用来表示反应时间。
5.线性度
线性度是表征线性刻度仪表的输出量与输入量的实际校准曲线与理论直线的吻合程度。
通常总是希望测量仪表的输出与输入之间呈线性关系。
图1-2线性度示意图
式中，δf为线性度（又称非线性误差）；Δfmax为校准曲线对于理论直线的最大偏差（以仪表示值的单位计算）。
6.重复性
重复性表示检测仪表在被测参数按同一方向作全量程连续多次变动时所得标定特性曲线不一致的程度。
若标定的特性曲线一致,重复性就好,重复性误差就小。
图1-3重复性示意图
三、检测系统中的常见信号类型
作用于检测装置输入端的被测信号，通常要转换成以下几种便于传输和显示的信号类型：
1.位移信号
2.压力信号
3.电气信号
4.光信号
四、检测系统中信号的传递形式
1.模拟信号
在时间上是连续变化的,即在任何瞬时都可以确定其数值的信号。
2.数字信号
数字信号是一种以离散形式出现的不连续信号,通常用二进制数“0”和“1”组合的代码序列来表示。
3.开关信号
用两种状态或用两个数值范围表示的不连续信号。
五、检测仪表与测量方法的分类
1.检测仪表的分类
①依据所测参数的不同,可分成压力（包括差压、负压）检测仪表、流量检测仪表、物位（液位）检测仪表、温度检测仪表、物质成分分析仪表及物性检测仪表等。
②按表达示数的方式不同,可分成指示型、记录型、讯号型、远传指示型、累积型等。
③按精度等级及使用场合的不同,可分为实用仪表、范型仪表和标准仪表,分别使用在现场、实验室和标定室。
2.测量方法的分类
按照测量结果的获得过程
直接测量
间接测量
（1）直接测量
利用经过标定的仪表对被测参数进行测量，直接从显示结果获得被测参数的具体数值的测量方法。
根据被测参数获得方式的不同，直接测量又有偏差法与平衡法（零位法）之分。
除此之外,还有一种将平衡法与偏差法结合起来的微差法
（2）间接测量
当被测量不宜直接测量时,可以通过测量与被测量有关的几个相关量后,再经过计算来确定被测量的大小。
六、化工检测的发展趋势
1.检测技术的现代化
2.检测仪表的集成化、数字化、智能化
3.软测量技术和虚拟仪器
七、例题分析
1.某台具有线性关系的温度变送器,其测温范围为0～200℃,变送器的输出为4～20mA。
对这台温度变送器进行校验,得到下列数据:
输入信号
标准温度/℃
0
50
100
150
200
输出信号/mA
正行程读数x正
正行程读数x反
4
4.02
8
8.10
12.01
12.10
16.01
16.09
20
20.01
试根据以上校验数据确定该仪表的变差、准确度等级与线性度。
解:
该题的解题步骤如下。
（1）根据仪表的输出范围确定在各温度测试点的输出标准值x标。
任一温度值的标准输出信号（mA）为
例如,当温度为50℃时,对应的输出应为
其余类推。
（2）算出各测试点正、反行程时的绝对误差Δ正与Δ反,并算出正、反行程之差Δ变,分别填入下表内（计算Δ变时可不考虑符号,取正值）。
输入信号/℃
0
50
100
150
200
输出信号/mA
正行程读数x正
反行程读数x反
标准值
4
4.02
4
8
8.10
8
12.01
12.10
12
16.01
16.09
16
20
20.01
20
绝对误差/mA
正行程Δ正
反行程Δ反
0
0.02
0
0.10
0.01
0.10
0.01
0.09
0
0.01
正反行程之差Δ变
0.02
0.10
0.09
0.08
0.01
（3）由上表找出最大的绝对误差Δmax,并计算最大的相对百分误差δmax。
由上表可知
去掉δmax的“±”号及
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