1、摘 要循环流化床锅炉因其高效、清洁、低污染的特点而得到迅速的推广应用，其工作过程是一种复杂、多变化和连续的工业生产过程。为了实现蒸汽生产的优质、高效和低耗，就需提高循环流化床锅炉的计算机控制水平。本文应用集散控制系统的结构及其控制原理，利用 ABB 公司的 DCS 系统，研发设计了一套针对循环流化床锅炉汽水环节的集散控制系统，对蒸汽生产的自动化具有较高的实用价值。通过对循环流化床锅炉汽水环节工艺进行详尽的分析后，选用 AC800F 控制器对蒸汽的生产情况进行实时监控并在组态环境下进行软件编程及工艺画面组态设计，建立系统工程师站和操作员站，实现了循环流化床锅炉汽水环节中设备运行启停监控、模拟量显
2、示、模拟量调节、历史趋势显示等功能，将该系统应用于实际情况中，提高了煤炭的燃烧效率及蒸汽的质量，并使控制系统稳定连续、高效的运行，具有较大的市场价值和运用前景。关键词：循环流化床锅炉；DCS；AC800F ；自动控制；组态IIABSTRACT Circulating fluidized bed boiler is used quickly and broadly because of effectiveness、 cleanness and low pollution.Circulating fluidized bed boiler is a kind complex,multivariaty
3、 and the continual production commercial run.Enhancing the computer control level of boiler, its goal is for realize vapor production high quality,the high production and the low consumption.This article application collection control system structure and its control principle,used ABB Corporation t
4、he DCS system,the research and development designs a set to rub in view of circulating fluidized bed boilersteam and water tache stands the packing link collection control system,added cement packing production link automation to have a higher practical value.Through added circulating fluidized bed
5、boilersteam and water tache to carry on the exhaustive analysis,the controller selects AC800F to steam production line situation to carry on the real time monitoring.Carring on the programming and the craft picture configuration to practical,established system engineer to stand with the operator sta
6、nds,realizes the equipment movement to open and stops the monitoring,the simulation quantity demonstrated, the simulation quantity control,historical tendency demonstration function and so on in the steam production ,applied this system in the actual situation, got the highly combustion effective of
7、 coal and the steam production output,also might cause the seam production to rub the control system to be stable continuously, ,and had the bigger market value and the utilization prospect.Key words：Circulating fluidized bed boilers；DCS；AC800F；Automatic control；Configuration- III -目 录摘要 IABSTRACT .
8、II1 前言 .11.1 DCS 系统简介 11.2 循环流化床锅炉发展现状 21.3 DCS 系统在循环流化床锅炉的应用及其前景 22 汽水环节工艺及硬件设计 .42.1 工艺流程设计 42.2 硬件设计 62.2.1 电动机控制设计 .72.2.2 DCS 箱面总体设计 .72.2.3 一次端子排设计 .82.2.4 二次端子排设计 .93 检测原理及传感器选型 .103.1 温度传感器选择 103.2 物位传感器选择 133.3 流量传感器选择 153.4 压力传感器选择 184 集散控制系统设计与实现 204.1 DCS 总体方案设计与系统选型 204.2 I/O 确定与编辑 .224
9、.3 控制系统组态设计 244.3.1 项目树的建立 .254.3.2 硬件设备的组态 .264.3.3 现场总线网络组态 .284.4 过程站控制程序设计 294.4.1 母管压力控制设计 .294.4.2 汽包水位控制设计 .324.4.3 主蒸汽温度控制设计 .354.5 操作员站组态设计 374.5.1 主监控界面组态 .374.5.2 报警系统设置 .385 仿真调试 .39IV5.1 配置 CBF 的 IP 地址和子网地址 .395.2 配置网络闭环 395.3 联机调试 405.3.1 母管压力控制的仿真 .405.3.2 基于 Matalb 的 PID 仿真 .44结论 .55
10、参考文献 .56致谢 .57附录 .58- 1 -1 前言1.1 DCS 系统简介DCS 自 1975 年问世以来，经过了三次比较大的变革，七十年代操作站的硬件、操作系统、监视软件都是专用的由各 DCS 厂家自己开发制造的，也没有动态流程图，通讯网络基本上都是轮询方式的；八十年代有所发展，通讯网络较多使用令牌方式；九十年代操作站出现了通用系统，九十年代末通讯网络有部份遵守 TCP/IP 协议，有的开始采用以太网。总的来看，变化主要体现在 I/O 板、操作站和通讯网络。控制器相对来讲变化要小一些。操作站主要表现在由专用机变化到通用机，如 PC 机和小型机的应用。但是目前它的操作系统一般采用 UN
11、IX，也有小系统采用 NT，相比较来看 UNIX 的稳定性要好一些， NT 则有死机现象。 I/O 板主要体现在现场总线的引入 DCS 系统。从理论上讲，一个 DCS 系统可以应用于各种行业，但是各行业又有它的特殊性，所以 DCS 就出现了不同的分支，有时也由于 DCS 厂家技术人员工艺知识的局限性而引起，如 HONEYWELL 公司对石化比较熟悉，其产品在石化行业应用较多，而BILEY 的产品则在电力行业应用比较普遍。用户在选择 DCS 的时候需主要注意其技术人员是否对该生产工艺比较熟悉；然后要看该系统适用于多大规模，比如 NT操作系统的就适应于较小规模的系统；最后是价格，不同的组合价格会有
12、较大的差异，而国产的 DCS 系统价格比进口的 DCS 至少要低一半，算上备品备件则要低得更多。DCS 系统为生产过程的自动控制提供了强有力的控制手段，它采用微机智能技术，不仅具有记忆，数据运算，逻辑判断功能，还可以实现自适应，自诊断，自检测。采用分级阶段结构，是系统共分散，危险分散，提高了系统的可靠性，可实现对全系统信息进行综合管理以及对各过程控制单元，人机接口单元和操作进行管理。另外，分散控制系统具有丰富的软件包和强有力的人机接口功能，适应现代化工业生产控制操作和管理的各种要求。一般来说，DCS 由四部份组成：I/O 板、控制器、操作站、通讯网络。实际上I/O 板和控制器各 DCS 厂家的
13、技术水平都相差不远，如果说有些差别的话是控制器内的算法有多有少，算法的组合有些不一样，I/O 板的差别在于有的有智能，有些没有，但是控制器读取所有 I/O 数据都必须在一秒钟内完成一个循环；操作站差别比较大，主要差别是选用 PC 机还是选用小型机、采用 UNIX 还是采用 NT 操作系统、采用专用的还是通用的监视软件，操作系统和监视软件配合比较好时可以减少死机现象，保障 DCS 工作及生产过程的连续性。21.2 循环流化床锅炉发展现状锅炉是发电、炼油、化工等工业部门的重要能源、热源的动力设备。循环流化床燃烧技术是国际上 70 年代中期发展起来的新型燃烧技术，这项技术的应用成功使循环流化床锅炉获
14、得了迅速发展。循环流化床锅炉具有高效、低污染、燃料适应性强、负荷调节比大等一系列优点。目前国外已投运的循环流化床锅炉达几百台，100200MW （电功率）等级的循环流化床锅炉技术已经成熟，正在向 250MW 以上发展。世界上最大容量的 700TH 循环流化床锅炉已在 1996 年在法国普罗旺斯投运。同时 600MW CFBB 正在研制，应用于超临界直流锅炉。循环流化床锅炉的应用已越来越广泛。我国从 60 年代开始对循环流化床锅炉进行研究，并在 90 年代以后和外国公司联合研究并取得了较大有发展，现在循环流化床锅炉已发展成熟并在全国广泛应用。我国东方锅炉厂采用的是 FW 公司的 Pyroflow
15、 型的改进型循环流化床锅炉。北京BW 锅炉厂采用的是德国 Babcock 公司的架构和技术。哈尔滨锅炉厂有限责任公司(HBC)与美国 PPC(奥斯龙技术) 以及国内的科研单位合作也开发了自己的大型循环流化床锅炉。上海锅炉厂引进美国 ALSTOM 技术、消化吸收自行设计制造了自己的循环流化床锅。我国现在已成为世界上大型流化床循环流化床锅炉总台数最多，总装机功率最大的国家。随着工厂生产规模的扩大和对生产要求的提高，锅炉给水系统提出了更高的要求；汽包蓄水量和蒸发面积减少，加快了汽包水位的变化速度；锅炉容量的扩大，显著地提高了锅炉受热面的热负荷，使锅炉负荷变化对水位的影响加剧；锅炉出口的蒸汽温度应严格
16、控制在给定值的附近。对锅炉汽水环节的控制要求越来越高，本设计中就是要克服以上困难使循环流化床锅炉的汽水环节达到控制要求。以提高锅炉的工作效率，增加经济效益。1.3 DCS 系统在循环流化床锅炉的应用及其前景80 年代中期以来，我国大型锅炉的自动化水平有了较大提高,一些自动化新技术、新产品得到广泛应用。S 型数字仪表、智能仪表替代了故障率高、可靠性差的DDZ 型仪表，并采用了交流变频器、软起动器等新型电气传动装置。锅炉自控系统模式从仪表过程控制加常规继电器起停控制过渡到局部的计算机加 PLC 控制，直到今天的 DCS 控制。DCS 即集散型控制系统，其特点为集中操作、分散控制。经过多年的研究试验
17、，已形成锅炉现场操作站加中央控制室操作控制，从而实现对锅炉的远程操作处理与精确控制。对 DCS 中的电源模块、系统网络采用冗余配置，变送仪表采用精度高、调整方便、通讯能力强、高可靠性的智能型仪表，全面提高检测控制系统的可靠性。- 3 -DCS 是生产与管理自动化综合系统，它包括了调度管理、生产线热工参数检测控制、喂煤的计量控制、和蒸汽温度及蒸汽流量的控制和设备起停联锁控制等功能。有条件的企业，可以预留通讯接口以便挂接企业管理网。对于异地建厂的集团企业或有技术单位支持的企业，可通过电话线实现远程诊断、远程维护和远程管理等功能。在未来的几年甚至几十年里，DCS 将向信息管理系统和计算机网络控制扩展
18、，将过程控制和信息管理系统紧密结合起来，构成计算机集成过程系统(CIPS)。CIPS除了要完成传统 DCS 过程控制的功能外，还要实现运行支持和决策支持的功能，包括质量控制、过程管理、在线优化、经营管理、决策分析等。 网络是当今工厂自动化的核心，是计算机集成过程系统的基础，而工厂自动化的每一层都有适用于自己的网络。工厂级包括工厂信息管理和生产管理，负责与工厂管理计算机的连接，计算机间的管理数据交换通过工厂主干网实现。主干网采用 ISO/OSI.MAP/TOP 或 TCP/IP.Ethernet 网络协议标准。随着工厂自动化规模的不断扩大，这一级的功能也越来越强，它是 DCS 向 CIPS 发展
19、的一个重要标志。车间级(中层、监控层) 包括过程控制和过程管理，用于控制室、现场控制设备和各现场控制装置间的连接。通信网采用中速、载带工业过程数据公路的形式。这是 DCS 的实时工业控制网络，应具有高可靠性、高使用性、实时性强、有自诊断功能、有自组态功能、容易接入新站等。现场级(低层)用于连接过程控制中的传感器、执行器、智能仪表等。现场以标准的现场总线为发展目标，现已有了两个国际组织的现场总线产品，现场总线将是 DCS 发展的一个重要方向。 1 - 442.汽水环节工艺及硬件设计2.1 工艺流程设计循环流化床锅炉汽水环节工艺汽水流向为：除盐水 低温加热器 除氧器 给水泵 高温加热器 省煤器 汽
20、包 水冷壁(炉内受热面) 汽包 饱和蒸汽 低温加热器 减温器 高温过热器 过热蒸汽 图 2.1 循环流化床锅炉汽水环节工艺流程图对汽水环节的工艺流程及控制要求为：(1) 母管压力汽包锅炉的给水调节的主要任务是保持供水管内的设计压力以满足锅炉的给水需要。以下为锅炉汽水环节的水流工艺：水在进入锅炉前先进行除氧、除盐、去氯- 5 -等工艺，在此设计 2 个除氧罐，因蒸汽要循环利用所以水有 3 个来源，来自外来的脱盐水、来自 TDI 界区返回冷凝水、来自取样器冷渣机。这些水进入 2 个除氧罐之后进行除氧，除氧罐内还有未充分冷凝的蒸汽，所以要对罐以及进入罐的管子的压力进行检测和控制，用到压力传感器、温度
21、检测传感器、PID 控制阀门。除氧环节后要进行给水，给水环节为了适应不同的需要使用 3 个电机泵进行给水，这里就需要对这 3 个电机运行进行检测，主要为供水管道压力的检测，给水系统供给的水通过管道到达汽包，蒸汽在汽包内加热后从汽包出来进入中间集箱以及减温器进行冷凝，冷凝水通过循环回到给水管道进入汽包，还有一部分未冷凝的进入下级冷凝系统继续冷凝回到除氧罐中，完成循环。(2) 汽包水位W锅炉给水 D产生的蒸汽W1炉膛下降水冷壁 W2炉膛上升水冷壁图 2.2 锅炉汽包简单示意图汽包水位控制的任务是维持汽包水位在一定范围内变化。水位过高过低都会引起蒸汽品质的变化甚至造成事故。水位过高直接影响汽水分离效
22、果，以至饱和蒸汽湿度加大，甚至带水而含盐量增大，致使过热器管壁结垢导致过热器烧坏爆管；水位过低则破坏了锅炉汽水的自然循环，致使水冷壁烧坏，严重缺水时还会发生爆管、烧干炉等重大事故 。汽包水位控制的难点在于“虚假水位”现象。所谓“虚假水位”即对于锅炉汽包，当负荷升高时蒸汽流量增大导致汽包内水蒸汽压力突然降低沸腾加剧，水面下气泡容积增大从而导致水位突然升高。另一方面给水流量突然增加时，温度较低的给水从原有的饱和汽水混合物中吸取一部分热量，使水面下气泡容积减少，水位下降。这种在汽流量或给水流量变化初期，汽包水位沿着相反方向变化的现象人们称之为“ 虚假水位” 。 从控制上来讲， “虚假水位”实际上就是
23、非最小相位系统。（3）主蒸汽温度锅炉的过热器是在高温、高压条件下工作的，锅炉的出口蒸汽温度直接影响到全厂的热效率和设备的安全运行，因此汽温控制系统是锅炉的重要控制系统之一。过热器一般采用耐高温、高压的合金钢为材料以适应其工作条件，但过热器正常运行时的温度已接近钢材允许的极限温度，强度方面的安全系数也很小，因此过热汽6温要严格控制在给定值附近，中、高压锅炉过热汽温的暂时偏差不允许超过10，长期偏差不允许超过5，否则过热器会损坏。影响过热器蒸汽出口温度 的因素很多，主要有三种：锅炉蒸汽负荷（蒸汽流量 D）的扰动，烟气量扰动和过热器入口蒸汽温度的扰动（即喷水扰动） 。锅炉负荷变化时，沿过热管道整个长
24、度个点的温度几乎同时变化，其变化具有滞后、惯性和自衡能力，即温度响应有惯性并有延迟，但惯性和延迟都比较小；烟气量的扰动实际是烟气热量的变化，它是由燃料的增减，燃料的种类的变化，送风量和引风量的变化改变了传热情况，从而导致过热器争气出口温度的变化。由于烟气侧的扰动是沿过热器整个长度使烟气传热量同时发生变化，所以气温的动态特性反应较快，一般在 1020s 之间；改变过热器入口蒸汽温度可以有效的调节出口温度，这是目前广泛采用的一种气温调节方法。一般改变入口温度的方法有直接喷水、自凝式喷水和采用面式减温器。 入口蒸汽 减温器 过热器 出口蒸汽图 2.3 过热蒸汽在过热器处流向图为了更好地控制过热蒸汽温
25、度，在汽温控制系统的设计中要遵循以下几条原则：（1）如果选择改变烟气量或烟气温度作为气温调节手段时过热气温的动态特性较好，但实现较繁琐，并会对燃烧系统造成麻烦。（2）如采用喷水减温作为控制气温的手段，被控对象在调节作用下的滞后时间和时间常数太大，若只根据气温偏差来改变喷水量往往不能满足生产上的要求，因此最好在自动控制系统中加入能够比过热蒸汽温度提前反应扰动的前馈补信号，如负荷前馈信号等，使扰动发生后过热气温还没有发生明显变化时就进行调节，及早消除扰动对气温的影响，以便有效的控制气温的变化。（3）采用能及时反映温度变化的块数测量元件，选择正确的安装位置，这样控制系统能及时的发出控制信号，以提高控
26、制质量、保证系统的稳定性。（4）对过热管道长结构复杂滞后和惯性大的过热气温控制系统应采用分段控制系统。5 - 6 2.2 硬件设计本设计中主要硬件设计有电动机控制设计、DCS 柜设计、I/O 信号通道设计，其中电动机控制设计是为以后程序的编程提供设计所需信号，DCS 柜的设计配制出本设计所需控制器及卡件等设备，I/O 信号通道设计保证了现场端信号与 DCS 控制系统连接的畅通。- 7 -2.2.1 电动机控制设计交流异步电机控制原理：在设计中电机的电气部分由主回路和控制回路组成。电机的主回路由继电器KM的常开节点控制L1, L2和L3的通断，实现电机的启停动作。电机的控制回路通过手动开关S2提
27、供 L1相电源。当手动/自动转换开关S3切换到右端时，此时继电器KM线圈带电与否由手动开关S1控制，即现场的机旁手动控制，同时继电器KA1线圈断电，禁止中控操作。当手动/自动转换开关S3切换到左端时，继电器KA1线圈带电，DCS备妥，此时允许自动控制，此时继电器KM线圈带电与否由继电器KA2的常开节点控制。中控操作使继电器KA2线圈通电时，控制回路的KA2节点吸合，KM线圈接通，电机启动同时DCS应答接通。当电机出现故障时热继电器就吸合，控制回路断电，KA1和KM 线圈断电，此时DCS的备妥和应答信号断开，现场控制层和集中操作监视层作出相应的判断和报警处理。交流异步电机控制原理图如下图2.4所
28、示 7图 2.4 交流异步电机控制原理图2.2.2 DCS 箱面总体设计 下表 2.1 是本设计所需控制器型号和卡件型号及数量列表。图 2.5 所示的是DCS 箱面布置图，为实际 DCS 箱的布置，从上之下，分别为 AC800F 控制器，中间继电器和隔离模块单元，右侧为通讯模块 CI830 及输入输出卡件，柜子下端有 24V 8电源和端子排。表 2.1 控制器及卡件选择表名称 信号及规格 数量 单位 备注DO 810 个 1输出卡件AO 810 个 1DI 810 个 1输入卡件AI 810 个 2DCS AC 800F 个 1 控制器直流电源 24 V 个 1图 2.5 DCS 相面布置图2
29、.2.3 一次端子排设计本设计中所需卡建有 DI810、DO810、AI810、AO810，在此仅介绍 AO810 卡件，AO810 为模拟量输出卡件，共有 8 个通道，半段四个与后半段四个分别相通，它们有公共的接地端，可以连接 8 个外部设备，如阀门、变频电机等。- 9 -图 2.6 一次端子排设计图2.2.4 二次端子排设计二次端子排是连接 DCS 控制柜与现场端的部分，主要为端子排的设计，如下图 2.7所示。图 2.7 二次端子排设计图103.检测原理及传感器选型检测环节是控制环节的重要一环，检测到的信号的好坏直接影响到以后的工作。检测到的信号必须准确、实时、误差小。本文中有汽包水位的物
30、位检测，主蒸汽的温度检测，母管供水环节的压力检测以及主蒸汽和供水环节的水量检测。不同的检测对象应选取不同的传感器进行检测。3.1 温度传感器选择温 度 的 检 测 ， 本 论 文 中 温 度 检 测 采 用 热 电 偶 和 热 电 阻 传 感 器 进 行 温 度 测 量 ， 测温 传 感 器 原 理 与 安 装 要 求 如 下 ：一、热电偶传感器（1） 、热电偶的测温原理两种不同材料的导体或半导体连接成闭合回路，将他们的两个接触点分别置于不同温度各为 及 的热源中，则在该回路内就会产生热电动势和温差电动势。则To热电偶回路中产生的总电动势 可写成：),(oABTE),(),( oAoABoAB
31、 Tee （3.1）由于温差电动势比接触电动势小，又 T ,所以在总电动势 EAB（T, ）中，以导oTo体 A、B 在 T 端的接触电动势 所占的百分比最大，故总电动势 EAB(T,T0)的方)(eAB向取决于 的方向，因 NANB,故 A 为为正极，B 为负极。)(e（2） 、热电偶冷端的温度补偿为使热电动势与被测温度之间呈单值函数关系，需要把冷端恒温或用以下几种方法处理：1)、补偿导线为使热电偶冷端温度保持恒定（最好为 0 摄氏度）如果距离较远使用测温导线要耗费许多贵重的金属材料，因此一般是用一种导线将热电偶冷端延伸出来，这种导线在一定温度范围内（0100 摄氏度）具有和所连的热电偶相同
32、的热点性能。这样可以节省材料和开支。2)、冷端温度校正法采用的原理为中间温度定律如下公式所示：E(t,0)T,E(,0) - 11 -（3.2）3)、冰浴法实验室用，现场不容易实现。4)、补偿电桥法利用不平横电桥产生的电动势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电动势的变化值不平衡电桥（即补偿电桥）由电阻 R1、R 2、R 3(锰铜丝绕制)R CU（铜丝烧制）四个桥臂和桥路稳压电源所组成，串联在热电偶回路中。热电偶冷端与电阻 RCu 感受相同的温度。通常取 20时电桥平衡（R 1=R2=R3= ） ，此时对角线 a、b 两点0cu电位相等（即 Uab=0） ，电桥对仪表的读书无影响。当环境温度高
33、于 20时 Rcu 增加，平衡被破坏，a 点电位高于 b 点，产生一不平衡电压 Uab，它与热电动势相叠加，一起送入测量仪表。适当选择桥臂电阻和电流的数值，可使电桥产生的不平衡电压 Uab正好补偿由于冷端温度变化而引起的热电动势变化值，仪表即可指示出正确的温度。由于电桥是在 20时平衡，所以采用这种补偿电桥需把仪表的机械零位调到 20。补偿电桥法图如下所示：图 3.1 具有补偿电桥的热电偶测量线路（3） 、热电偶的安装1） 、测温元件的安装应确保检测得准确性由于接触式测温元件是与被测介质进行热交换而测温的，因此，必须使测温元件与被测介质能进行充分热交换，测温元件放置的位置的方式应有利于热交换进
34、行，不应把测温元件插至被测介质的死角区域。在管道中，测温元件的工作端应处于管道中流速最大值外；安装时，测温元件应迎着介质流向插入，至少须与被测介质流向成 90角。非不得已时，切勿与被测介质形成顺流，否则容易产生测温误差。在温度较高介质检测中，应尽量减少被测介质与壁表面之间的温差，以避免热12辐射所产生的测温误差。避免测温元件外露部分的热损失所产生的测温温差。测温元件安装与负压管道中，必须保证有密封性，以免外界冷空气入侵，而降低测温指示值。2） 、测温元件的安装应确保安全、可靠凡安装承受压力的测温元件，都必须保证其密封性。高温工作下的热电偶，其安装位置应尽可能保持热电偶垂直向下安装，以防止保护套
35、管在高温下产生变形。倘若必须水平安装时，则插入深度不易过长，且应配套安装耐火粘土或耐热合金制成的支架。在介质具有较大流速的管道中，安装测温元件时，必须倾斜安装，以免受到过大的冲蚀，最好能把测温元件安装于管道的弯曲处。当介质工作压力超过 10MPa 时，必须加装保护外套，确保安全。当有色金属管道上安装时，凡与工艺管道接触以及被测介质直接接触的部分，均须与工艺管道同材质，以符合生产的要求。3） 、测温元件的安装应便于仪表工作人员的维修、校验和抄表等日常工作4） 、在加保护外套时、为减少测温的滞后，可在套管之间加装传热良好的填充物二、热电阻传感器利用电阻随温度变化的特性制成的传感器叫热点传感器。（一
36、） 、热电阻的分类铂电阻特点是精度高。稳定性好、性能可靠。目前我国常用的工业铂电阻 BA1分度号取 R0=46 欧；BA2 分度号取 R0=100 欧；标准或实验室用铂电阻的 R0 为 10欧或 30 欧。温度范围为.190630.74 摄氏度铂是贵重金属在一些测量精度不高且温度较低的地方一般采用铜电阻，可用它来测量.50+150 摄氏度的温度（二） 、金属热电阻传感器在工业上广泛应用金属热电阻传感器进行.200+500 摄氏度范围的温度测。自特殊情况下，测量的低温端可达 3.4K，甚至更低，1K 左右。高温端可测到 1000 摄氏度。金属热电阻传感器进行温度测量的特点是精度高、适合测低温。经
37、常使用电桥作为传感器的测量电路，为了减少引线电阻温度变化引起的误差，工业用铂电阻的引线不是两根而是三根，如下图 3.2 所示。当引线电阻 R1=R2=R3时，A 表示于引线电阻无关。标准或实验室用的铂电阻的引线采用四线值 =制，既金属热电阻两端各焊两根引出线，其测量电路如图 3.3 所示。当引线电阻R1=R2=R3=R4 时，A 表的指示仍与引线电阻无关。此外，通过 A 表的各个支路的节点数为偶数，它们的接触电势恰好抵消，这样，图 3.3 所示线路不仅消除了连接引线电阻的影响，而且还可以消除测量电路中寄生电势引起的误差。此外，在测量过程中，不要使流经热电阻丝中的电流过大，以免影响测量精度。-
38、13 -图 3.2 三线式结构图 3.3 四线式结构R1、R2、R3、R4 为阴线电阻本论文的控制检测参数有温度、压力等参数，所以就选择的测温元件与测压元件做下简单介绍。所需选择的测量元件为电能量传感器与电参数传感器。测温元件有热电偶（电能量） 、热电阻传感器（电参数） ；测压元件为压电传感器（电能量） 。 3.2 物位传感器选择本设计中液位测量选择电容式液面传感器检测汽包水位。电容式液位传感器是以改变介质介电常数 为原理。因为各种介质的介电常数不同，在两电极间加以空气以外的其他介质。当它们之间的介电常数发生变化时，电容量也随之改变。如下图 3.4 既是电容液面计的原理图。14图 3.4 电容
39、液面计原理图1、2圆柱状极板在被测介质中放入两个通信圆柱状极板 1 和 2，若容器内介质的介电常数为 1，容器介质上面的气体的介电常数为 2，当容器内液面变化时两极板间的电容 C 就会发生变化。设容器中介质是非导电的（如果液体是导电的，则电极需要绝缘） ，容器中液体介质浸没电极 2 的高为 ，这是总的电容 C 等于气体介质间的电容量和液体介质间1l的电容量之和。气体介质间的电容量 和液体介质间的电容量 分别为:2C1rRlrln)(22（3.3） rlCn211（3.4）式中， 为电容中气体介质的介电常数； 为电容中液体介质的介电常数； 为电1 2 l极总长度（ ） ； 、 为液体、气体介质高
40、度 R、r 为俩同心圆电极半径。21l12l因此，总电容为两电容并联，由公式 3.5 得：- 15 -rRrl rllCln)(2n2)(211121（3.5）令 Arln2；BrRln)(221（3.6）则式 可写成下列形式：1BlAC （3.7）可见，电容 C 与深度成 比例关系。1l液位测量的特点：（1） 、稳定的液面是一个规则的表面，但当物料有流进流出时，会有波浪使液面波动。在生产过程中还可能出现沸腾（如锅炉）或起泡沫的现象，是液面变得模糊。（2） 、大型容器中常会有各处液体的温度、密度和粘度等物理量不均匀的现象。（3） 、容器中的液体呈高温、高压或含有大量杂质、悬浮物等。在实际安装时
41、，应注意此方面的补偿、计算等事项。3.3 流量传感器选择在本论文中选用差压式流量计测量母管供水流量和主蒸汽压力流量。差压式流量计是在管道中安装某种节流元件（孔板、喷嘴、文丘里管等） ，当液体流过节流元件时，在它前后面形成与流量成一定函数关系的压力差，通过测量该压力差，即可确定通过的流量。该类流量计主要由节流元件和差压计（或差压变送器）两部分组成。差压流量计使用孔板作为节流元件。在管道中插入一片中心开有锐角孔的原板（俗称孔板） ，当液体流过孔板时，流束截面变小，流动速度加快，压力下降。假定管内为连续流动的理想流体（即不可压缩的、无粘性的流体） ，由伯努利方程，当管道为水平安装时，控板上游稳定流动
42、段截面出的液体压力、平均流速和流束在收缩至最小的界面时的压力、平均流速间有如下关系：16gvcpgvc2221 （3.8）式中 1p截面处的液体压力；v板前截面处的平均流速2板后截面处的液体压力v板后截面处的平均流速由板前到板后的截面管道的阻力系数g重力加速度液体的重度1c板前截面流速分布不均匀的修正系数2板后截面流速分布不均匀的修正系数上式表明：当液体流过节流元件时，随着流速的增加，其压力必然降低。在流束截面收缩到最小处，由于流速达到最大值，因而压力降到最低点。由实验得出的孔板前后压力变化曲线，如图 3.5 所示：图 3.5 孔板前后压力变化曲线其中虚线表示管道中心处的压力，实线表示靠近管壁
43、处的压力。在孔板前面的管壁处，由于流动被突然阻挡，动能转化为压力位能，使局部压力增高到 ，超过了压力 ， 。管内液体流动的连续性方程为1p21Av - 17 -（3.9）式中 板前管道的内截面积；1A板后管道的内截面积。2由式（3N）和式 可求出流束最小截面处的流速为 )(212122 pgncv（3.10）式中 流束的收缩系数， ， 为孔板的开孔面积；02A孔板的开孔面积和管道内截面积之比， 。n 10An按照所规定的孔板前后侧所取压点的位置不同，划分了几种标准的取亚法。对于角接取压法，规定在节流装置前后端面处测取静压力，即测取 ， ，而不用 ，2p1。为此引入取压系数 ，即2p21p（3.
44、11）则 )(212122 pgncv（3.12）故理想流体的体积流量为)(2210pgAKqaV（3.13）18式中 流量系数， aK212ncKa上述分析表明，在管道内中设置节流元件是要造成局部的流速差异，得到与流速成函数关系的压差。在一定条件下流体的流量与节流元件前后压差的平方根成正比，采用压力变送器测出此压差，经开方运算后便得到流量信号。在组合仪器中有专门的职能单元，若将节流装置、差压变送器和开方器组合起来，便成为测量流量的差压流量变送器。上述流量.压差关系虽然比较简单，但流量系数 Ka 的确定却十分麻烦。大量的实验表明，只有在流体接近充分紊流时，即雷诺数 Re 大于某一界限值（约为
45、数量级）510时，Ka 才是与流动状态无关的常数。取压方式除上述在孔板前后端面处取压的“角接取压法”外，还有在离孔板前后端面各 25.4min（1 in）处管壁上取压等方式。不同的取压方式流量系数亦不同。此外，管壁的粗糙程度、孔口边缘的尖锐度、流体的粘度、温度及可压缩性都对此系数值有影响。由于工业上应用压差流量计已有很长的历史，对一些标准的节流装置做过大量的试验研究，所以积累了一套十分完整的数据资料。使用这种流量计时只要根据所采用的标准节流元件、安装方式和使用条件，查阅有关手册，便可计算出流量系数，无需重新定度。差压流量计在较好的情况下测量的不确定度为 1%2%，但实际使用时由于雷诺数及流体温
46、度、粘度、密度等的变化及孔板孔口边缘的腐蚀磨损程度不同，不确定度可取 3%。3.4 压力传感器选择本文中压力检测元件选用单圈弹簧管压力计。单圈弹簧管压力计的结构主要有弹簧管和放大机构两部分组成。单圈弹簧管的工作原理如图 3.6 所示，它是一根弯成 圆弧的具有扁圆环形截面的空心金属管。管子的自由端 B 封闭，另一端 A 固027定不动并与传压管相连。- 19 -图 3.6 单圈弹簧管工作原理当弹簧管内通入压力以后，弹簧管内部受压，其截面有变圆的趋势，即长轴 a 变小，短轴 b 变大。反之，当内部通入负压时，管子外部受压，管子截面有变扁的趋势，即长轴 a 变大，短轴 b 变小。设弹簧管未受压变形前
47、的尺寸分别为：R（圆弧的外半径） ；r（圆弧的内半径） ；b(椭圆环形截面弹簧管的短轴)；a （圆弧管的中心角） 。变形后相应的尺寸分别以 、1R、 和 表示。可以认为受压前后管子的弧长不变，即 Ra= ；ra= 。两式1r1b 1Ra1r相减可的（Rr）a=（ ） 。因为 R.r=b， = ，所以 ba= 。由于椭圆环1Rra1Rrbb形截面弹簧管内部受压时有截面变圆的趋势，即 b ，引起 a ，即弹簧管的自1a由端产生角位移a ，a= a。1以上分析得出结论：当弹簧管通入压力时，在压力作用下，椭圆环形界面的短轴增大，弹簧管的中心角变小，自由端产生位移，位移的大小与被测压力成正比，因此由测出
48、位移量的大小，可得知压力的大小。弹簧管的中心角 越大，椭圆环形界面的短轴越短，即管子越扁，在同样的压1a力作用下产生的角位移a 越大，压力计越灵敏。刚度意味着变形的难易程度。刚度大的弹簧管受压后形变小，可用于测量较高的压力。压力表的安装刚度小的弹簧管受压后形变较大，可用于测量较低的压力。刚度与管子材料的壁厚有关，管壁厚刚度大，管壁薄刚度小。磷青铜、不锈钢做的弹簧管刚度大，可用来测高压，黄铜做的弹簧管刚度小，可用来测低压。20安装压力表注意事项： 1、压力表必须经检定合格后才能安装2、压力表尽可能安装在温度为 040 摄氏度，相对湿度小于 80%，振动小、灰尘少、没有腐蚀性物质的地方。对电气式压力表还要求安装在电磁干扰最下的地方。3、在光线充足或就有良好照明的地方。以便于操作人员能清楚的观察仪表的示值和确保安全。压力表必须垂直安装。在一般情况下，安装高度与一般人的视线平行；对于高压压力表，为了安全起见，应安装的高于一般人的头部。4、安装在表盘上的压力表力求整齐美观。5、测量液体或蒸汽介质压力时，为避免液柱产生的误差，压力表应安装在与取压口同一水平的位置上，若不在同一高度，压力表的示值应进行修改。除此以外，为了保证弹性元件能在弹性形变的安全范围内可靠的工作，在选择压力计压力量程时，必须考虑应留有足够的余地。一般在被测压力波动较大的情况下，最高压力值不应
