1、中宁县职业教育培训中心教 案 课程名称：化工仪表及自动化任课教师：吴宁春授课班级：一年级化工班化工仪表及自动化绪论内容提要1、化工自动化的意义及目的2、化工自动化的发展概况3、化工仪表及自动化系统的分类化工自动化的意义及目的 1、加快生产速度、降低生产成本、提高产品产量和质量。 2、减轻劳动强度、改善劳动条件。3、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。 4、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20 世纪 40 年代以前 绝大多数化工生产处于手工
2、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。20 世纪 50 年代到 60 年代 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。20 世纪 70 年代以来，化工自动化技术水平得到了很大的提高20 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20 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
3、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：
4、有触点式、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
5、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：1、测量过程与测量误差2、测量仪表的品质指标3、测量系统中的常见信号类型4、检测系统中信号的传递形式5、检测仪表与测量方法的分类6、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。 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
6、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qVQ举例 测一段导线的长度直接测量绝对误差：tIxxI：仪表指示值 xt：被测量的真值由于真值无法得到相对误差：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 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 max。三、检测仪表的品质指标 %10max标 尺 下 限 值标 尺 上 限 值相对百分误差相对百分误差 tIxx或00xx：被校表的读
7、数值，x 0 ：标准表的读数值 小结：仪表的 允越大，表示它的精确度越低；反之，仪表的 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 200700，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 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
8、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%8.012074允许误差允许误差 %10标 尺 下 限 值标 尺 上 限 值 差 值仪 表 允 许 的 最 大 绝 对 误允越高。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1.51.0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
9、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。 %10标 尺 下 限 值标 尺 上 限 值最 大 绝 对 差 值变 差图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； 为指针的线位移或角位移；x 为引起 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
10、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。 xS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
11、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， f 为线性度（又称非线性误差） ；f max 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%10max仪 表 量 程ff复性就好,重复性误差就小。 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
12、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。%10max仪 表 量 程ZZ图1-3 重复性示意图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。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。按精度等级及使用场合的不同,可分为实用仪表、范型
13、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。 按照测量结果的获得过程 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
14、,其测温范围为 0200,变送器的输出为 420mA。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44.0288.1012.0112.1016.0116.092020.01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 正与 反 ,并算出正、反行程之差 变 ,分别填入下表内 (计
15、算 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44.02488.10812.0112.101216.0116.09162020.0120绝对误差 /mA正行程 正反行程 反00.0200.100.010.100.010.0900.01正反行程之差 变 0.02 0.10 0.09 0.08 0.01(3)由上表找出最大的绝对误差 max ,并计算最大的相对百分误差 max。由上表可知 4输 入 下 限 值输 入 上 限 值 输 出 下 限 值 ）温 度 值 （ 输 出 上 限 值I )(8402)(5mAI
16、 )(10.maxA去掉 max 的“ ”号及“%”号后,其数值为 0.625 ,数值在0.51.0 之间,由于该表的 max 已超过 0.5 级表所允许的 允,故该表的准确度等级为 1.0 级。 (4)计算变差 由于该变差数值在 1.0 级表允许的误差范围内,故不影响表的准确度等级。注意若变差数值 变 max 超过了绝对误差 max ,则应以 变 max 来确定仪表的准确度等级。 (5)由计算结果可知,非线性误差的最大值 f max = 0.10 ,故线性度 f 为 注意：在具体校验仪表时,为了可靠起见,应适当增加测试点与实验次数,本例题只是简单列举几个数据说明问题罢了。 2. 某台测温仪表
17、的测温范围为 2001000,工艺上要求测温误差不能大于5,试确定应选仪表的准确度等级。 解:工艺上允许的相对百分误差为 %625.01420.max %625.01420max变变%625.01420.%1max 仪 表 量 程ff %625.012015允要求所选的仪表的相对百分误差不能大于工艺上的 允,才能保证测温误差不大于5,所以所选仪表的准确度等级应为 0.5 级。当然仪表的准确度等级越高,能使测温误差越小,但为了不增加投资费用,不宜选过高准确度的仪表。 第二章 压力检测概述：在化工生产中, 压力是指由气体或液体均匀垂直地作用于单位面积上的力。 在工业生产过程中,压力往往是重要的操作
18、参数之一。 压力的检测与控制,对保证生产过程正常进行,达到高产、优质、低消耗和安全是十分重要的。 第一节 压力单位及测压仪表压力是指均匀垂直地作用在单位面积上的力。压力的单位为帕斯卡，简称帕（Pa）为了使大家了解国际单位制中的压力单位（Pa 或 MPa）与过去的单位之间的关系，下面给出几种单位之间的换算关系表。 表 示 受 力 面 积 。表 示 垂 直 作 用 力 ；表 示 压 力 ；式 中 ， SFpSp21mNPaPaM60表 3-1 各种压力单位换算表压力单位帕/Pa 兆帕/ MPa工程大气压/ (kgf/cm2)物理大气压/ atm汞柱/ mmHg水柱/ mH2O（磅/英寸2）/ （1
19、b/in2）巴/bar帕 1 1106 1.019710-59.86910-67.50110-31.019710-41.45010-4110-5兆帕 11061 10.197 9.869 7.5011031.01971021.45010210工程大气压9.8071049.80710-21 0.9678 735.6 10.00 14.22 0.9807物理大气压1.01331050.10133 1.0332 1 760 10.33 14.70 1.0133汞柱 1.33321021.333210-41.359510-31.315810-31 0.01361.93410-21.333210-3水柱
20、 9.8061039.80610-30.1000 0.09678 73.55 1 1.422 0.09806（磅/英寸6.8951036.89510-30.07031 0.06805 51.71 0.7031 1 0.068952）巴 11050.1 1.0197 0.9869 750.1 10.197 14.50 1在压力测量中，常有表压、绝对压力、负压或真空度之分。 p表P真P绝P绝大气压力线零线图2-1 绝对压力、表压、负压（真空度）的关系被测压力低于大气压力时，一般用负压或真空度来表示。测量压力或真空度的仪表按照其转换原理的不同，分为四类。1.液柱式压力计 它根据流体静力学原理，将被测
21、压力转换成液柱高度进行测量。按其结构形式的不同有 U 形管压力计、单管压力计等 优点这类压力计结构简单、使用方便 缺点其精度受工作液的毛细管作用、密度及视差等因素的影响，大 气 压 力绝 对 压 力表 压 ppp绝 对 压 力大 气 压 力真 空 度 ppp 测量范围较窄，一般用来测量较低压力、真空度或压力差。 2.弹性式压力计 它是将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量的。 3.电气式压力计 它是通过机械和电气元件将被测压力转换成电量（如电压、电流、频率等）来进行测量的仪表。 4.活塞式压力计 它是根据水压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的质量来进行测量的。 优点
22、：测量精度很高，允许误差可小到 0.05%0.02% 。 缺点：结构较复杂，价格较贵。 第二节 弹性式压力计定义：弹性式压力计是利用各种形式的弹性元件，在被测介质压力的作用下，使弹性元件受压后产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。 优点：具有结构简单、使用可靠、读数清晰、牢固可靠、价格低廉、测量范围宽以及有足够的精度等优点。 可用来测量几百帕到数千兆帕范围内的压力。 一、弹性元件 弹性元件是一种简易可靠的测压敏感元件。当测压范围不同时，所用的弹性元件也不一样。 图2-2 弹性元件示意图弹簧管式弹性元件如图(a)和(b)所示，波纹管式弹性元件如图(e)所示，薄膜式弹性元件如图(c)和(d)所示。二
23、、弹簧管压力表 分分类类使用的测压元件 单圈弹簧管压力表与多圈弹簧管压力表。 用途 普通弹簧管压力表，耐腐蚀的氨用压力表、禁油的氧气压力表等。 1弹簧管；2 拉杆；3 扇形齿轮；4 中心齿轮；5 指针；6 面板；7 游丝；8 调整螺丝；9 接头弹簧压力表弹簧压力表基本测量原理单圈弹簧管是一根弯成 270圆弧的椭圆截面的空心金属管子。管子的自由端 B 封闭，另一端固定在接头上。当通入被测的压力p 后，由于椭圆形截面在压力 p 的作用下，将趋于圆形，而弯成圆弧形的弹簧管也随之产生扩张变形。同时，使弹簧管的自由端 B 产生位移。输入压力 p 越大，产生的变形也越大。由于输入压力与弹簧管自由端 B 的
24、位移成正比，所以只要测得 B 点的位移量，就能反映压力 p 的大小。 注意：弹簧管自由端 B 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。 警惕：在化工生产过程中，常需要把压力控制在某一范围内，即当压力低于或高于给定范围时，就会破坏正常工艺条件，甚至可能发生危险。这时就应采用带有报警或控制触点的压力表。将普通弹簧管压力表稍加变化，便可成为电接点信号压力表，它能在压力偏离给定范围时，及时发出信号，以提醒操作人员注意或通过中间继电器实现压力的自动控制。1，4 静触点；2 动触点；3 绿灯；5 红灯图2-4 电接点信号压力表第三节 电气式压力计定义：电气式压力计是一种能将压力
25、转换成电信号进行传输及显示的仪表。 优点优点1. 该仪表的 测量范围较广测量范围较广 ，分别可测710 -5Pa至 5102MPa的压力，允许误差可至0.2； 2. 由于可以远距离传送信号，所以在工业生产过程中可以实现压力自动控制和报警，并可与工业控制机联用。 组成图2-5 电气式压力计组成方框图一般由压力传感器、测量电路和信号处理装置所组成。常用的信号处理装置有指示仪、记录仪以及控制器、微处理机等。 一、应变片压力传感器 应变片式压力传感器利用电阻应变原理构成。电阻应变片有金属和半导体应变片两类，被测压力使应变片产生应变。当应变片产生压缩（拉伸）应变时，其阻值减小（增加） ，再通过桥式电路获
26、得相应的毫伏级电势输出，并用毫伏计或其他记录仪表显示出被测压力，从而组成应变片式压力计。 图2-6 应变片压力传感器示意图1应变筒；2外壳；3密封膜片二、压阻式压力传感器 工作原理:压阻式压力传感器利用单晶硅的压阻效应而构成。采用单晶硅片为弹性元件，在单晶硅膜片上利用集成电路的工艺，在单晶硅的特定方向扩散一组等值电阻，并将电阻接成桥路，单晶硅片置于传感器腔内。当压力发生变化时，单晶硅产生应变，使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成比例的变化，再由桥式电路获得相应的电压输出信号。 第三节 电气式压力计特点 精度高、工作可靠、频率响应高、迟滞小、尺寸小、重量轻、结构简单； 便于实现显示数字化；
27、 可以测量压力，稍加改变，还可以测量差压、高度、速度、加速度等参数。 图3-12 压阻式压力传感器1基座；2单晶硅片；3导环；4螺母；5密封垫圈；6 等效电阻三、电容式压力变送器 工作原理 ：先将压力的变化转换为电容量的变化，然后进行测量。 图 2-8 电容式测量膜盒1中心感应膜片 (可动电极)； 2固定电极； 3测量侧；4隔离膜片第四节 智能式变送器智能型压力或差压变送器是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。 一 、智能变送器的特点性能稳定,可靠性好,测量精度高,基本误差仅为0.1%。量程范围可达 1001 ,时间常数可在 0 36s 内调整,有较宽的零点迁移
28、范围。具有温度、静压的自动补偿功能,在检测温度时,可对非线性进行自动校正。具有数字、模拟两种输出方式,能够实现双向数据通讯,可以与现场总线网络和上位计算机相连。可以进行远程通讯,通过现场通讯器,使变送器具有自修正、自补偿、自诊断及错误方式告警等多种功能,简化了调整、校准与维护过程,使维护和使用都十分方便。 二、智能变送器的结构原理从整体上来看,由硬件和软件两大部分组成。 从电路结构上来看,包括传感器部件和电子部件两部分。 举例 以美国费希尔-罗斯蒙特公司的 3051C 型智能差压变送器为例介绍其工作原理。图2-9 3051C型智能差压变送器（420mA）方框图3051C 型智能差压变送器所用的
29、手持通信器为 275 型，带有键盘及液晶显示器。可以接在现场变送器的信号端子上，就地设定或检测，也可以在远离现场的控制室中，接在某个变送器的信号线上进行远程设定及检测。 实现的功能：（1）组态（2）测量范围的变更（3）变送器的校准（4）自诊断注意 要对智能型差压变送器每五年校验一次，智能型差压变送器与手持通信器结合使用，可远离生产现场，尤其是危险或不易到达的地方，给变送器的运行和维护带来了极大的方便。 第五节 压力计的选用及安装一、压力计的选用压力计的选用应根据工艺生产过程对压力测量的要求，结合其他各方面的情况，加以全面的考虑和具体的分析， 一般考虑以下几个问题。1、仪表类型的选用2、仪表测量
30、范围的确定3、仪表精度级的选取图2-10 手持通信器的连接示意图二、压力计的安装1.测压点的选择 应能反映被测压力的真实大小。 要选在被测介质直线流动的管段部分，不要选在管路拐弯、分叉、死角或其他易形成漩涡的地方。 测量流动介质的压力时，应使取压点与流动方向垂直，取压管内端面与生产设备连接处的内壁应保持平齐，不应有凸出物或毛刺。 测量液（气）体压力时，取压点应在管道下（上）部，使导压管内不积存气（液）体。 2.导压管铺设 导压管粗细要合适，一般内径为 610mm，长度应尽可能短，最长不得超过 50m，以减少压力指示的迟缓。如超过 50m，应选用能远距离传送的压力计。 导压管水平安装时应保证有 1:101:20 的倾斜度，以利于积存于其中之液体（或气体）的排出。 当被测介质易冷凝或冻结时，必须加设保温伴热管线。 取压口到压力计之间应装有切断阀，以备检修压力计时使用。切断阀应装设在靠近取压口的地方。3. 压力计的安装压力计应安装在易观察和检修的地方。安装地点应力求避免振动和高温影响。测量蒸汽压力时，应加装凝液管，以防止高温蒸汽直接与测
