热工基础原理热控安装选用.docx
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热工基础原理热控安装选用
热工基础原理
第一节热电偶测量
热电偶是目前世界上科研和生产中应用最普遍、最广泛的温度测量元件。
它具有结构简单、制作方便、测量范围宽、准确度高、热惯性小等优点。
一、热电偶测温的基本原理
两种不同的导体或半导体材料A和B组成如图1所示的回路。
如果A和B所组成的回路的两个接合点的温度T和T0不相同，则回路中就有电流产生，即回路中有电动势存在，这种现象叫热电效应。
热电效应产生的电动势叫温差电动势或叫热电动势。
理论分析表明，热电动势是由接触电势差和温差电动势两部分组成的。
1、接触电势差
使两种不同的导体或半导体A或B互相接触，设A和B内部的自由电子密度为nA和nB,且nA〉nB，导体或半导体中的自由电子相互扩散，因A中的自由电子密度较大，所以在接触面处从A扩散到B的电子数多于从B扩散到A的电子数，于是A带正电，B带负电，在A、B接触面处出现一个静电场，材料A和B之间就建立起一个稳定的电势差，即接触电势差eAB.
在单一温度下，只依靠接触电势差不能再闭合回路中产生电流。
欲在导体和半导体材料连成的闭合回路中得到稳定电流，必须在回路中的两个接触端有温度差。
2、温差电动势
对一个长度为L的金属棒的一端A加热时，试验表明，在金属棒两端之间便会形成电势差。
这一现象的产生是由于金属中的自由电子从温度为T的高温端A扩散到温度为T0的低温端A’，并在低温端堆积起来，在导体内形成电场，该电场起阻止电子热扩散的作用。
这种热扩散作用一直进行到导体内形成的电场作用与它平衡为止。
此时，在金属棒两端之间就形成电势差，称为温差电动势。
这种热扩散作用可以等效地看成是一种非静力在推动电荷运动。
若用同一种金属材料做成的两根棒连接起来组成闭合回路，并分别使他们的两端维持不同的温度，则不能在此闭合回路中建立起稳定的电流。
因为温差电动势的大小只与金属材料和两端的温度有关，与棒的形状无关。
因此在这样的同种材料两根金属棒的回路中建立了大小相等而方向相反的两个电动势，他们在回路中相互抵消，总电动势为零，故不能产生电流。
综上所述，欲在金属导体组成的闭合回路中得到稳定电流，必须在电路中间同时存在着温度梯度和电子密度梯度。
为此，需要将两种金属材料A和B串联成一闭合回路，并使他们的两个接触点保持不同的温度T和T0,在这样两根金属导线组成的闭合回路中将产生温差电动势，同时在两个接触点产生接触电势差。
整个闭合回路中的总电动势为两个温差电动势和两个接触电势差的代数和。
热电偶有正极和负极之分，其正负极就像我们平常使用的电池的正负极。
在平时接线中不能把正负极弄反。
从上面的分析，我们可以得到以下结论：
1、只有两种不同性质的材料才能组成热电偶回路，相同材料组成的闭合回路不会产生热电动势。
2、热电偶回路中热电动势的大小只与组成热电偶的材料的性质及两端接点处的温度有关，而与热电偶丝的直径、长度及沿程温度分布无关。
3、若组成热电偶的材料确定后，参考端温度已知并恒定，则热电动势只是温度的单值函数。
因此测量热电动势的大小，就可以求得温度的数值，这就是用热电偶测量温度的原理。
理解了热电偶的测温原理后，还要进一步掌握热电偶的一些基本定律。
1、均质导体定律，它要求组成热电偶的两种材料A和B必须各自都是均质的，否则就会产生附加电动势，所以对于补偿导线电缆，我们尽量不要中间做头。
2、
中间导体定律：
在热电偶回路中，插入第三种（或多种）均质导体，只要所插入的导体两端的温度相同，则热电偶回路中总电动势与插入的中间导体无关，即不影响原回路的热电动势。
利用这个定律，我们在热电偶回路中串入测量仪表，只要仪表处于稳定的环境温度中，原热电偶回路中热电势将不受接入的测量仪表影响。
3、中间温度定律：
在热电偶的测量回路中，其接点温度分别为T和T0时的热电势为EAB（T,T0），等于热电偶在接点温度为（T,Tn）和（Tn,T0）时相应的热电动势EAB（T,Tn）和EAB（Tn,T0）的代数和，其中Tn为中间温度，既
EAB（T,T0）=EAB（T,Tn）+EAB（Tn,T0）
热电偶分度表都是以0℃为参比端温度的电势值，而要实现0℃比较困难，这样利用这个定律，我们只要测量对应于环境温度的电势值，再加上环境温度对应的电势值，然后通过热电偶分度表值求得被测温度t值。
4、
连接导体定律：
如果热电偶的电极材料A、B分别与连接导线A’、B’相连接，各有关接点温度分别为T、Tn和T0，那么回路中的总热电势等于热电偶两端处于T和Tn温度条件下的热电势EAB（T,Tn）与连接导线A’、B’两端处于Tn，T0温度条件下的热电动势EA’B’（Tn，T0）的代数和，即
EABB’A’（T，Tn，T0）=EAB（T,Tn）+EA’B’（Tn，T0）
在实际测温时，为了使热电偶的参比端温度保持恒定，必须把热电偶的热电极做的很长，使参比端远离工作端，并连同测量仪表一起放到恒温或温度波动较小的地方。
但是这种方法要耗费许多贵重的热电极材料。
因此，一般是用一种补偿导线和热电偶的参比端相联接。
这种补偿导线是廉价的、又和所连接的热电偶在0~100℃范围内有相同的热电性质的两根不同材料的金属丝。
用这种金属丝来做热电偶的延长线，相当于把热电偶热电极延长而又不影响热电偶的热电动势。
补偿导线型号
配用热电偶的分度号
补偿导线
正极
负极
材料
颜色
材料
颜色
SC
S
铜
红
铜镍
绿
KC
K
铜
红
铜镍
蓝
KX
K
镍铬
红
镍硅
黑
EX
E
镍铬
红
铜镍
棕
JX
J
铁
红
铜镍
紫
TX
T
铜
红
铜镍
白
虽然任意两种导体或半导体材料都可以配对制成热电偶，但是作为使用的测温元件，我们希望能输出较大的热电动势，能用于较宽的温度范围，能成批生产，价格低廉。
国际上通用8种热电偶（S、R、B、K、N、E、J、T）。
在电厂常用的也就是K型，有时也用到E型。
不同分度号的热电偶，对应有不同型号的补偿导线，这在我们放补偿导线电缆的时候一定要引起注意，放电缆前首先确认补偿导线电缆型号正确，否则将会引起很大的温度偏差。
下表为补偿导线的型号和颜色表，我们可以根据型号其颜色判断其所属型号。
从表中我们可以看出，补偿导线的正极都为红色。
在平时的接线中我们也要养成良好的习惯，有红色的线芯，尽量做正极用，这个可以大大提高接线的正确率。
如果补偿导线正负接反，就会导致测量的温度值偏小。
偏小量是现场和电子设备间的的温度差值的两倍。
热电偶的补偿导线不同于一般的电缆，其电阻值比较大，一般用对线灯不能对线，必须用万用表量。
第二节热电阻测温
导体或半导体的电阻率与温度有关，利用此特性制成电阻温度感温件，它与测量电阻阻值的仪表配套组成电阻温度计。
热电阻是用金属导体或半导体材料制成的感温元件。
在电厂常用的也就是铂电阻，原来铜电阻也经常使用，现在一般不使用了。
铂电阻温度计主要有三种：
Pt50、Pt100、Pt300。
我们普遍使用的是Pt100，它在0℃的时候，电阻值为100Ω（R0）。
热电阻的引线有两线制、三线制及四线制三种。
1、两线制引线，在热电阻两端各引出一根导线，与指示仪表相连的接线形式为两线制，两线制简单，安装费用低，但连接导线电阻随温度的变化会引起附加误差。
2、
三线制引线：
在热电阻的一端接出两根引线，另一端接出一根引线，而与指示仪表相连的接线形式为三线制。
三线制可以消除连接导线电阻变化的影响，测量准确度高于两线制，特别是在测温范围窄、导线长、环境温度变化较大的情况下必须采用三线制。
现在在电厂一般都是采用三线制。
3、四线制引线：
在热电阻的两端各接出两根引线。
在高准确度测量时要采用四线制。
第三节．温度变送器测温
温度变送器分热电偶温度变送器和热电阻温度变送器。
现在一般使用的是一体化两线制温度变送器，有时候也有使用需要另外单独提供电源的非一体化的温度变送器。
两线制温度变送器的电源线与输出信号线的总根数共有两根，即输出信号线又同时是他的电源供电线。
对于像两线制的温度变送器和压力变送器，他的传输信号为4~20mADC标准信号，不但抗干扰能力强，传输距离远，且可以节约价格昂贵的补偿导线费用。
在工程安装中，要求信号线不要靠近供电电缆和开关设备，要求屏蔽线一端接地，一端小心隔离。
下图是TT301温度变送器的传感器接线。
它有多种接线方法。
第四节压力测量
所谓压力，是指流体对单位面积的垂直作用力，也就是物理学中所说的压强。
在国际单位制中，压力的单位名称为“帕斯卡”，简称“帕”，符号为“Pa”,1Pa为1N力垂直作用在1m2面积上所形成的压力。
物理学中所讲的流体的压强系指绝对压力，在工程技术中往往采用表压力，即超出当地大气压力的压力值，也就是一般压力计所指的数值。
1、绝对压力：
以完全真空作为零标准（参考压力）表示的压力。
2、
大气压力：
地球表面大气自重所产生的压力，又称气压。
它随海拔、地理纬度和气象情况等不同而变化。
3、表压力：
以大气压力作为零标准（参考压力）表示的压力。
当绝对压力大于大气压力时，它等于绝对压力与大气压力之差（又称正压力）。
4、负压力：
绝对压力低于大气压力时的表压力，它等于大气压力和绝对压力之差（又称疏空压力），也叫真空。
用于测量压力的表记一般有以下几种：
液体压力计：
是利用液柱对液柱低面产生的静压力与被测压力相平衡的原理，通过液柱高度来反映被测压力大小的仪表。
这种压力计结构简单，使用方便，有相当高的准确度，可作为校验低压和微压仪表的标准仪表。
弹性式压力仪表：
利用各种弹性元件弹性变形产生的弹性力与被测压力产生的力相平衡，通过测量弹性元件的弹性变形量来测量压力，这就是弹性压力计的一般工作原理。
弹性元件一般有弹簧管、膜片（膜盒）及波纹管。
压力（差压）变送器：
把压力变换为规定的标准信号而输出的压力传感器，就是压力变送器。
现在应用比较多的是电容式、电感式
对于压力测量仪表，需要接线的一般是压力（差压）开关、压力（差压）变送器、电接点压力表三种。
变送器的接线端子如图，signal是信号的意思，test是测试的意思，测试端子和信号端子有的公用一个负端，有的是分开的，接线注意两点：
正负不要接反，不要接到test的端子上。
压力开关的种类比较多，接线端子一般都有标记。
C代表COMMON,是共同的意思，是压力开关接点的公共点，NC代表NORMALCLOSE,是常闭接点的意思。
NO代表NORMALOPEN,是常开接点的意思。
一般对于压力低动作（温度低动作也是同样的）的开关，要求接常闭接点（接C和NC）。
压力高动作的开关，要求接常开接点（接C和NO）。
不过在接线的时候，建议用校灯确认下，然后再接线。
右图为一个压力开关，压力开关名牌上有其接点示意图，通过接点示意图，我们也可以判断哪个是常开，哪个是常闭，哪个是公共端。
对于电接点压力表，有的没有标志，需要用万用表或对线灯量，量的时候还需要拨动指针动作节点来判断哪个是常开接点。
有时候，透过玻璃也可以通过其内部的线的走向判断哪个是公共端，哪个是常开接点。
第五节流量测量
流量是单位时间流体流过一定截面的数量，该数量用质量表示，称为质量流量，用体积表示，称为体积流量。
流量指的是瞬时流量，在工程应用上，常常要测量一段时间内通过管道截面的流体总量，该总量称为累积流量。
在现代工业中，采用了各种各样的方法进行流量的测量，在此只介绍电厂中常用的流量测量方法和仪表。
1、
采用标准节流装置（标准孔板、标准喷嘴、文丘里管）和非标准节流装置测量压降的节流式流量计，是目前电厂使用最多的流量计。
它用差压变送器测量节流装置的差压，远传给控制系统，通过公式计算出流量，需要累积计算的，再经过累计装置（积算器）进行累计计算。
当流体的压力、温度偏离额定值时，特别是在启停锅炉及滑参数运行过程中，流体的压力和温度变化范围很大，造成流量测量误差大大超出允许误差范围，所以必须进行压力、温度补偿。
2、转子流量计又称浮子流量计，转子的不同高度代表着不同的流量，转子一般带磁性，通过测量它的不同的磁场强度，对应不同的流量。
它一般带带就地指示，带远传装置，远传装置需要提供电路的电源，如果不需要提供单独的电源，则其接线类似于一体化两线制的压力变送器。
3、
电磁流量计不同的厂家，接线方式也不一样，左图所示为E+H的一体化两线制的电磁流量计接线端子图，它的接线类似于一体化的变送器，1接正，2接负，不需要另外提供电源。
3和4只是用于脉冲输出的时候用，在电厂不是经常用到。
大多数的电磁流量计需要另外单独提供电源，如右图所示。
端子№1：
L1是指交流（AC）而言的，L+是指直流（DC）而言的，端子№2：
N是指交流（AC）而言的，L-是指直流（DC）而言的。
№20-27端子的作用在说明书中
介绍如下，从下表中，我们可以看到有输入和输出（这是每个仪表所具有的基本功能）。
状态输入可以配置：
累计量复位、错误信息复位。
状态输出是开关量输出，故障或电源故障时，继电器处于失电，我们平时在接执行机构的故障线的时候，就是接执行机构的状态输出。
电流输出就是控制系统（DCS或PLC）要用的4~20mA信号，标注HART，表示可以用HART通讯器进行通讯。
还有一种电磁流量计是分离型的，检测电极和信号检测放大变送器是分开的，其接线举例如下：
电磁流量计对接地有要求：
传感器和介质必须有相同的电势，用来保障测量精度及避免测量电极的腐蚀破坏（电化学腐蚀）。
如果不能肯定介质的正确接地与否，应该安装接地环。
第六节机械量测量
机械量测量在电厂中运用比较多的就是汽机本体或者其他大型转动机械的运行监视，例如：
位移、振动、转速、胀差、膨胀等。
现在汽轮机监视系统（TSI）运用的比较多的是涡流探头（像轴位移、轴振、偏心等，盖振除外），转速有用涡流探头的，也有用磁感应探头。
在此我介绍几种探头的接线。
下图是EPRO轴振（偏心、轴位移、胀差）监测元件、前置器、模件接线图。
下图是超速探头和模件的接线图。
下图是盖振探头和模块接线图。
再介绍下接近开关，接近开关外形类似转速探头，他的引出线有两根、三根，也有四根的，如图。
两根线的接近开关就是相当于是一个两位式的开关。
行程开关的种类各种各样，一般我们要分清楚常开和常闭接点，一般都是要求接常开接点。
就是在行程开关没有动作的时候，接到不通的那对接点，最好试动作下。
第七节．DCS系统
一、DCS介绍
DCS的硬件系统是通过网络系统将不同数目的现场控制站、操作员站和工程师站连接起来，共同完成各种采集、控制、显示、操作和管理功能。
目前，世界上有名的DCS厂家就有上百家。
不同的系统采用的计算机硬件差别很大。
我在此主要介绍现场控制站。
现场控制站是一个可独立运行的计算机监测与控制系统。
其结构如右图。
在DCS控制系统中，各种现场检测仪表（如各种传感器、变送器等）送来的过程信号均由过程控制级各单元进行实时的数据采集，滤除噪音信号，进行非线性校正及各种补偿运算，折算成相应的工程量。
同时，接受操作站发来的各种手动操作命令对生产过程进行控制。
在过程控制单元根据过程控制组态，还可进行各种闭环控制、批量控制、顺序控制等。
现场控制站分机柜、电源、控制计算机。
电源均采用双交流电源供电，互为冗余。
站内各功能模块所需的直流电源一般有+5V，±15V（或12V），24V等，一般由交流电整成直流电，供给柜内直流母线，也是采用冗余配置。
控制计算机由CPU、存储器、输入输出通道（I/O）等基本部分组成。
其中，种类最多，数量最大的就是各种I/O接口模件。
（1）模拟量输入通道（AI），生产过程中各种连续性的物理量（如温度、压力、压差、位移、转速、电流、电压）和化学量（PH值，浓度等）
（2）
模拟量输出通道（AO）,一般是输出4~20Ma的连续的直流电流信号，用来控制各种直行程或角行程的执行机构，或通过调速装置控制各种电机的转速，也可通过电—气转换器或电—液转换器来控制各种气动或液动执行机构。
（3）开关量输入通道（DI），用来输入各种限位开关、继电器等无源接点。
由DCS提供检测电压（一般为24V）。
（4）开关量输出通道（DO）,又称数字量输出通道，用于控制电磁阀门、继电器、指示灯、声报警器等只具有开、关两种状态的设备，开关量输出就是输出无源接点。
上图为一个两位式气动门的控制回路接线。
从图中我们可以看出，我们需要把电源串联进入回路。
在有的DCS或者PLC中，开关量输入、输出都有一个公共端，其接线采取如下的形式。
（5）脉冲量输入通道（PI），现场仪表中转速计、涡轮流量计等一些机械计数装置等输出的测量信号均为脉冲信号。
在ABB的DCS系统，规定进入机柜的信号线的屏蔽层原则上只在单端接地（有的转速探头两端接地），原则上应在供电方一侧接地，实际应用中，一般是热电偶信号、转速探头线在就地侧接地，其他类型的信号线的屏蔽层接到机柜内的屏蔽棒上，屏蔽层应该一进入机柜即剥出并接到屏蔽棒上，外露的屏蔽线的长度越短越好，屏蔽线之间及其他金属导体间应绝缘。
剥出的信号线在机柜内走线时应保持双绞的状态。
二、现场总线介绍
现场总线作为控制系统的发展方向，传统的DCS系统由各种工作站通过网络连接而成，操作站和信息管理站完成系统的组态、监控和运行管理，现场测控站则完成生产过程信息的采集和控制。
DCS的主要问题是开放性差，分散不够，需要用大量的电缆传递信号。
现场设备与控制器之间采用一对一的所谓I/O接线方式。
传递4~20mA（模拟量）或24VDC（开关量）信号
FCS则突破了DCS系统中通信由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案变成了基于开放、通用标准化的解决方案，现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支的通信网络。
它是用于过程自动化最底层的现场设备以及现场仪表的互连网络，是现场通信网络和控制系统的集成。
FCS能够让系统完全开放，又能实现危险性彻底分散在各回路中去。
现场总线将当今网络通信与管理的概念带入控制领域，代表了今后自动化控制体系结构发展的一种方向。
现场总线主要特征是采用数字式通讯方式取代设备级4~20mA（模拟量）24VDC（开关量）信号，使用一根电缆连接所有现场设备。
目前，在我国绝大部分过程工业都以DCS作为主流控制系统，非智能型仪表作为主导仪表；加上因认识上的原因和现场总线智能仪表尚为非主导产品，暂不能大量普及FCS。
另外，现场总线国际标准的制定进展缓慢，现场总线标准不统一影响了现场总线智能传感器的应用。
第八节执行机构电动门接线介绍
在自动控制中，执行机构接受来自调节器、计算机的自动调节信号或来自操作器的远方手动操作信号，并将其转换成调节机构动作的位移信号，从而改变被调量的大小，以满足生产过程的需要。
执行器根据所用的能源不同分为电动和气动两大类，根据输出位移量的不同，又有角位移和线位移之分。
电动执行机构按供电分为220V、380V的电动执行器，按接受信号分接受4~20Madc内部带放大器的执行机构、直接接收开关量指令控制的执行机构。
右图为电动执行机构基本原理图，现在执行机构的种类很多，接线也是各种各样的，附录五收集了部分执行机构的接线方法，供大家参考。
我这里结合厂家图纸，讲解下部分执行机构的具体的接线。
常州兰陵阀门厂的Z型电动头的接线图如下：
不可调电动门原理图：
看附录三，AUMA电动门图纸，学会直接看懂厂家图纸
气动执行机构主要有：
气动调节阀、电磁阀控制的气动阀、气动长行程执行机构。
气动执行机构常用的部件有阀门定位器、气动保位阀、阀位传送器、电磁阀。
阀门定位器分气动阀门定位器、电信号阀门定位器（又叫电-气转换器，可将4~20mA信号转换成驱动调节阀的标准信号）。
电磁阀一般装在气路上，控制气的通和断，如右图。
看附录四，PCV阀图纸。
附录1
附录三：
见文件
附录四：
见文件
附录五：
见文件
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