自动化仪表的分类(共14页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上自动化仪表的分类炼油化工装置中使用的自动化仪表类型繁多，因而分类的方法也不同，下面介绍几种常见的分类方法。按仪表用途不同，可分为检测仪表、显示仪表、转换和传输仪表、调节控制仪表、执行器。按仪表的组成形式不同，基地式仪表、单元组合式仪表、组装式电子综合控制装置、集中分散型控制系统。按使用能源不同，可分为气动仪表、电动仪表和液动仪表。按所测量参数不同，可分为压力仪表、温度仪表、液位仪表、流量仪表。按所使用系统不同，可分为生产系统检测仪表和安全系统检测仪表。1温度检测仪表1.1温度的相关概念表示物体或系统冷热程度的物理量称为温度.为了对物体或系统的冷热程度进行定量描述，必须确定温标。所谓温标，就是温度数值化的标尺，它规定温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。目前常用的温标有华氏温标、摄氏温标、热力学温标和国际实用温标。华氏温标规定：在标准大气压下，冰的融点为32度，水的沸点为212度，中间划分180等分，每等分为华氏1度，符号为。摄氏温标规定：在标准大气压下，冰的融点为0度，水的沸点为100度，中间划分100等分，每等分为摄氏1度，符号为。摄氏温标和华氏温标的关系如下：C=5/9（F-32）热力学温标又叫开尔文温标，它规定分子运动停止时的温度为绝对零度，符号为K。温度测量仪表原理和结构比较简单，可靠性高，在石油化工领域使用非常广泛。即可用于普通的工艺管道和容器温度测量。也用在有些关键的场合，例如反应器温度，裂解炉出口温度的测量。温度测量仪表在化工装置中分为就地指示和远传两种。就地指示包括玻璃温度计，双金属温度计，压力式温度计。该类仪表结构简单，使用可靠。还有一类非接触式温度计,如光学高温计、辐射温度计、红外辐射温度计、比色温度计等。在石油化工装置中很少使用。远传温度仪表主要有：热电偶、热电阻、温度开关等。此外，在有些安装位置有限的地方，压力式仪表（温包）也经常使用，压力式温度计有时也和气动基地式仪表配合使用。1.2热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，热电偶工作原理是基于赛贝克(seeback)效应,即两种不同成分的导体两端连接成回路，如两连接端温度不同，则在回路内产生热电流的物理现象。其优点是： 测量精度高。因直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。 测量范围广。常用的热电偶从-50+1600均可边续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269（如金铁镍铬），最高可达+2800（如钨-铼）。 构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。 (1) 测温基本原理将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，如图1所示。当导体A和B的两个接点之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一定大小的电流,这种现象称为热电效应或塞贝克（Thomas,Seebeek）效应。热电偶热电势由接触电势和温差电势组成，两导体（或半导体）接点处产生的电动势称为接触电势，接触电势是由于两种不同导体（或半导体）的自由电子密度不同而在接触处形成的。沿单一均质导体的温度梯度产生的电动势称为温差电势。温差电势是由于同一导体高、低温端的自由电子所具有的能量不同而产生的。 一个有A、B两种匀质导体组成的热电偶其产生的总热电势EAB（t，t0）只与组成热电偶的两种材质及两接点温度有关。当热电偶的一个接点温度（参比端温度）一定时，热电偶的热电势与另一接点温度成单值函数关系，这时只要测出热电势的大小，即可求得温度的数值，这就是热电偶的工作原理。(2)的种类及结构形成 常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。 标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。 热电偶的结构形式为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下： 组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固； 两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路； 补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠； 保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。(3)热电偶的补偿导线：由于热电偶的材料一般比较贵重，而测点到控制室的仪表距离都很远，为了节省热电偶的材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到控制室的仪表端子上。补偿导线的材料的热电特性，要与所配用的热电偶的热电特性近似，因此在使用时必须注意型号相配，极性不能接反，补偿导线与热电偶连接处不能超过100。1.3热电阻热电阻广泛用来测量中、低温（一般为500以下）。它的特点是准确度高；测量中、低温时，它的输出信号比热电偶要大得多，灵敏度高；同样可实现远传、自动记录和多点测量。（1）热电阻工作原理热电阻测温是基于金属导体的电阻值随着温度的变化而变化的特性进行温度测量的。热电阻的受热部分（感温元件）是用细金属丝均匀的缠绕在绝缘材料制成的骨架上，当被测介质中有温度梯度存在时，所测得的温度是感温元件所在范围内介质层中的平均温度。（2）热电阻的种类：目前工业中应用最多的是铜和铂。分度号Pt100的铂热电阻使用最多，它的0 时的电阻值是100。Pt和Cu阻值与温度关系：Pt10、Pt50、Pt100，电阻比R100/R0为1.385±0.001Cu50、Cu100，电阻比R100/R0为1.428±0.002(3)热电阻的结构特点：热电阻可以直接测量各种生产过程中从-200至+ 600范围内的液体、蒸汽和气体介质及固体表面的温度。 装配热电阻：通常由感温元件、安装固定装置和接线盒等主要部件组成，具有测量精度高，性能稳定可靠等优点。实际运用中以 Pt100 铂热电阻运用最为广泛。铠装铂热电阻：铠装热电阻是由感温元件、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，它有下列优点：体形细长，热响应时间快，抗振动，使用寿命长等优点。隔爆型热电阻：隔爆型热电阻通过特殊结构的接线盒，把接线盒内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内，生产现场不会引起爆炸。端面热电阻：端面热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝缠绕制成，紧贴在温度计端面。它与一般轴向热电阻相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量表面温度。2压力检测仪表压力是工业生产中的重要参数之一，实际上是物理概念中的压强，即垂直作用在单位面积上的力。在压力测量中，常有绝对压力、表压力、负压力或真空度之分。所谓绝对压力是指被测介质作用在容器单位面积上的全部压力，用符号pj表示。用来测量绝对压力的仪表称为绝对压力表。地面的大气压，用符号pq表示。绝对压力与大气压之差，称为表压力，用符号pb表示，即： pj-pq=pb。当绝对压力值小于大气压值时，表压力为负值（即负压力），此负压力值的绝对值，称为真空度，用符号pz表示。2.1压力仪表的分类常见的压力测量仪表按测压原理可分为三类。(1)按重力与被测压力平衡方法，直接测量单位面积上所承受力的大小。例如液柱式压力计和活塞式压力计。(2)按弹性力与被测压力平衡方法，测量弹性元件受压后形变而产生的弹性力大小例如弹簧管压力表、波纹管压力表、膜片压力表和膜盒压力表。(3)利用某些物质与压力有关的物理特性，如受压时电阻变化、受压时电压变化等。例如电容式、电阻式、电感式、应变片式和霍尔片式等压力传感器。2.2弹簧管压力表弹簧管压力表的敏感元件是截面为椭圆形的弹性C形管。在C形管承受压力p时C形管自由端唯一带动指针来指示压力。（1）普通压力表 普通压力表主要用来作为普通表适用于测量不结晶、不凝固，对钢、铜合金没有腐蚀作用的液体、蒸汽和气体介质的压力。（2）精密压力表 精密压力表主要用来作为普通压力表的校验仪表。2.3压力变送器压力变送器主要由测压元件传感器、测量电路和过程连接件等组成。它能将接收的气体、液体等压力信号转变成标准的电流电压信号420mADC，以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。1）电容式压力变送器电容式压力变送器被测介质的两种压力通入高、低两压力室，作用在敏感元件的两侧隔离膜片上，通过隔离片和元件内的填充液传送到测量膜片两侧。电容式压力变送器是由测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成一个电容器。 当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不等，通过振荡和解调环节，转换成与压力成正比的信号。电容式压力变送器的A/D转换器将解调器的电流转换成数字信号，其值被微处理器用来判定输入压力值。微处理器控制变送器的工作。另外，它进行传感器线性化。重置测量范围。工程单位换算、阻尼、开方，传感器微调等运算，以及诊断和数字通信。 压力变送器微处理器中有16字节程序的RAM，并有三个16位计数器，其中之一执行A /D转换。 D/A转换器把微处理器来的并经校正过的数字信号微调数据，这些数据可用变送器软件修改。数据贮存在EEPROM内，即使断电也保存完整。 数字通信线路为变送器提供一个与外部设备(如205型智能通信器或采用HART协议的控制系统)的连接接口。此线路检测叠加在4-20mA信号的数字信号，并通过回路传送所需信息。主要技术指标：精度：0.075%量程比100:1 表压：校验量程从2.5inH2O至2000psi 绝对压力：校验量程从0.167psia至4000psia 过程隔离膜片：不锈钢，哈氏合金CR，蒙乃尔R，钽（仅限CD，CG）及镀金蒙乃尔 设计小巧、坚固而质轻，易于安装 2）扩散硅压力变送器扩散硅压力变送器是利用单晶硅的各向异性，在n型基底上，选择不同的晶向，扩散成P型电阻，组成惠斯顿电桥，利用P-n结实现各电阻之间的电隔离。在基底的非电阻面加工出一定几何形状的应力杯。当有压力作用于应力杯一面时，用恒压或恒流源激励的惠斯顿桥输出一定的电压值。从而实现压力的感知。扩散硅压力变送器具有工作可靠、性能稳定、安装使用方便、体积小、重量轻、性能价格比高等点，能在各种正负压力测量中得到广泛应用。扩散硅压力变送器采用进口扩散硅或陶瓷芯体作为压力检测元件，传感器信号经高性能电子放大器转换成0-10mA或4-20mA统一输出信号。压力变送器可替代传统的远传压力表，霍尔元件、差动变送器，并具有DDZ-及DDZ-型变送器性能。扩散硅压力变送器能与各种型号的动圈式指示仪、数字压力表、电子电位差计配套使用，也能与各种自动调节系统或计算机系统配套使用。主要技术指标精度等级：0.075级基本误差±0.25% 非线性误差：0.3级±0.3%FS滞后误差：±0.3%FS 输出特性：恒流输出内阻大于10M二线制4-20mA输出：标准供电DC24V 防爆标志：Exia CT4-63流量检测仪表流量就是单位时间内流经某一截面的流体数量。流量可以用体积流量和质量流量来表示，单位分别用m3/h、L/h、Kg/h等。流量计是指测量流体流量的仪表，它能够指示和记录某瞬时流体的流量值。流量计有节流装置、转子流量计、靶式流量计等，其中最常用的节流装置又有孔板、喷嘴、文丘里管。3.1差压式流量计差压式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的差压、已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来测量流量的仪表。差压式流量计由一次装置(检测件)和二次装置(差压转换和流量显示仪表)组成。通常以检测件的型式对差压式流量计分类，如孔扳流量计、文丘里管流量计及均速管流量计等。3.2容积式流量计容积式流量计又称排量流量计（positive displacement flowmeter），在流量仪表中是精度最高的一类。它利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分，根据计量室逐次、重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流量体积总量。容积式流量计流量计一般不具有时间基准，为得到瞬时流量值需要另外附加测量时间的装置。3.3涡街流量计涡街流量汁是在流体中安放一根（或多根）非流线型阻流体（bluff body），流体在阻流体两侧交替地分离释放出两串规则的旋涡，在一定的流量范围内旋涡分离频率正比于管道内的平均流速，通过采用各种形式的检测元件测出旋涡频率就可以推算出流体的流量。3.4电磁流量计电磁流量计的基本原理是法拉第电磁感应定律，即导体在磁场中切割磁力线运动时在其两端产生感应电动势，导电性液体在垂直于磁场的非磁性测量管内流动，与流动方向垂直的方向上产生与流量成比例的感应电势。电磁流量计由流量传感器和转换器两大部分组成。传感器测量管上下装有激磁线圈，通激磁电流后产生磁场穿过测量管，一对电极装在测量管内壁与液体相接触，引出感应电势，送到转换器。激磁电流则由转换器提供。3.5超声波流量计超声波流量计按测量原理分类有：传播时间法；多普勒效应法；波束偏移法；相关法；噪声法3.6转子流量计转子流量计是以浮子在垂直锥形管中随着流量变化而升降，改变它们之间的流通面积来进行测量的体积流量仪表，又称转子流量计。转子流量计的流量检测元件是由一根自下向上扩大的垂直锥形管和一个沿着锥管轴上下移动的浮子组所组成。工作原理如图1所示，被测流体从下向上经过锥管1和浮子2形成的环隙3时，浮子上下端产生差压形成浮子上升的力，当浮子所受上升力大于浸在流体中浮子重量时，浮子便上升，环隙面积随之增大，环隙处流体流速立即下降，浮子上下端差压降低，作用于浮子的上升力亦随着减少，直到上升力等于浸在流体中浮子重量时，浮子便稳定在某一高度。浮子在锥管中高度和通过的流量有对应关系。3.7科里奥利质量流量计原理：如图1所示，当质量为m的质点以速度在对p轴作角速度旋转的管道内移动时，质点受到两个分量的加速度及其力。1)、法向加速度 即向心力加速度r，其量值等于2r，方向朝向P轴；2）、切向加速度t 即科里奥利加速度，其量值等于2，方向与r垂直。由于复合运动，在质点的t方向上作用着科里奥利Fc=2m，管道对质点作用着一个反向力-Fc= -2m。当密度为的流体在旋转管道中以恒定速度流动时，任何一段长度x的管道都将受到一个Fc的切向科里奥利力。 （1）式中 A管道的流通内截面积。由于质量流量计流量即为m，m=A，所以 （2）因此，直接或间接测量在旋转管道中流动流体产生的科里奥利力就可以测的得质量流量。4液位(物位)仪表物位检测是指容器（开口或封闭）中液体介质液面的高低（称为液位），两种液体的分界面的高低（称为界面）和固体块、散粒状物质的堆积高度（称为料位）。用来检测液位的仪表称液位计，检测分界面的仪表称界面计，检测固体料位的仪表称料位计，它们统称为物位计。物位检测在现代工业生产过程中具有重要地位。通过物位检测可以确定容器中被测介质的储存量，以保证生产过程物料平衡，也为经济核算提供可靠依据；通过物位检测并加以控制可以使物位维持在规定的范围内，这对于保证产品的产量和质量，保证安全生产具有重要意义。在工业生产中，物位检测对象有液位，也有料位等，有几十米高的大容器、也有几毫米的微型容器，介质的特性更是千差万别。因此，物位检测方法很多，以适应各种不同的检测要求。常见的也是最直观的物位检测是直读式方法，它是在容器上开一些窗口以便进行观测。对于液位检测，可以使用与被测容器相连通的玻璃管（或玻璃板）来显示容器内的液体高度。这种方法可靠、结果准确，但它只能使用在容器压力不高，只需现场指示的被测对象。除此之外，目前常用的物位检测方法可分为下列几种。（1）静压式物位检测 根据流体静力学原理，静止介质内某一点的静压力与介质上方自由空间压力之差与该点上方的介质高度成正比，因此可利用差压来检测液位，这种方法一般只用在液位的检测。（2）浮力式物位检测 利用漂浮于液面上浮子随液面变化位置，或者部分浸没于液体中的物质的浮力随液位而变化来检测液位，前者称为恒浮力法，后者称变浮力法，二者均用于液位的检测。（3）电气式物位检测把敏感元件做成一定形状的电极置于被测介质中，则电极之间的电气参数，如电阻、电容等，随物位的变化而改变。这种方法既可用于液位检测，也可用于料位检测。（4）声学式物位检测利用超声波在介质中的传播速度及在不同相界面之间的反射特性测物位。液位和料位的检测都可以用此方法。（5）射线式物位检测放射性同位素所放出的射线（如射线、射线等）穿过被测介质（液体或固体颗粒）因被其吸收而减弱，吸收程度与物位有关。利用这种方法可实现物位的非接触式检测。除此之外还有微波法、光学法、重锤法等。4.1静压式物位检测检测原理：静压式物位检测方法是基于液位高度变化时，由液柱产生的静压也随之变化的原理。4.2浮力式物位检测仪表浮力式物位检测的基本原理是通过测量漂浮于被测液面上的浮子（也称浮标）随液面变化而产生的位移；或利用沉浸在被测液体中的浮筒（也称沉筒）所受的浮力与液面位置的关系检测液位。前者一般称为恒浮力式检测，后者称为变浮力式检测。4.3超声波液位检测仪表声波是一种机械波，是机械振动在介质中的传播过程，当振动频率在十余赫到万余赫时可以引起人的听觉，称为闻声波；更低频率的机械波称为次声波； 20kHZ以上频率的机械波称为超声波。作为物位检测，一般应用超声波。检测原理：超声学是一门学科，已有几十年历史，其应用范围很广泛。超声波不仅用来进行各种参数的检测，而且广泛应用于加工和处理技术。超声波用于物位检测主要利用了它的以下性质。（1）和其他声波一样，超声波可以在气体、液体及固体中传播，并有各自的传播速度。例如在常温下空气中的声速约为 334ms，在水中的声速约为 1440ms，而在钢铁中约为 5000mS。声速不仅与介质有关，而且还与介质所处的状态（如温度）有关。例如理想气体的声速与绝对温度T的平方根成正比，对于空气来说影响声速的主要因素是温度，在许多固体和液体中的声速一般随温度增高而降低。（2）声波在介质中传播时会被吸收而衰减，气体吸收最强而衰减最大，液体其次，固体吸收最小而衰减最小，因此对于一给定强度的声波，在气体中传播的距离会明显比在液体和固体中传播的距离短。另外声波在介质中传播时衰减的程度还与声波的频率有关，频率越高，声波的衰减也越大，因此超声波比其他声波在传播时的衰减更明显。（3）声波传播时的方向性随声波的频率的升高而变强，发射的声束也越尖锐，超声波可近似为直线传播，具有很好的方向性。（4）当声波从一种介质向另一种介质传播时，因为两种介质的密度不同和声波在其中传播的速度不同，在分界面上声波会产生反射和折射，其反射系数R为：式中IR、 I0为反射和入射声波的声强； 、为声波的入射角和反射角； Z1、 Z2为两种介质的声阻抗，其值为Z1=11，Z2=22。在声波垂直入射时，=0、则=0，其反射系数变为设想声波从水传播到空气，在常温下它们的声阻抗约为Z1=1.44x106,Z2=4x102，代入上式则得R=0.999。这说明当声波从液体或固体传播到气体，或相反的情况下，由于两种介质的声阻抗相差悬殊，声波几乎全部被反射。声学式物位检测方法就是利用声波的这种特性，通过测量声波从发射至接收到被物位界面所反射的回波的时间间隔来确定物位的高低。超声波发射器被置于容器底部，当它向液面发射短促的脉冲时，在液面处产生反射，回波被超声接收器接收。若超声发射器和接收器到液面的距离为H，声波在液体中的传播速度为，则有如下简单关系：式中t为超声脉冲从发射到接收所经过的时间。当超声波的传播速度为已知时，利用上式便可求得物位。4.4射线式物位检测仪表放射性同位素在蜕变过程中会放射出、三种射线。射线是从放射性同位素原子核中放射出来的，它由两个质子和两个中子所组成（即实际上是氦原子核），带有正电荷，它的电离本领最强，但穿透能力最弱。射线是电子流，电离本领比射线弱，而穿透能力较射线强。射线是一种从原子核中发出的电磁波，它的波长较短，不带电荷，它在物质中的穿透能力比和射线都强，但电离本领最弱。由于射线的可穿透性，它们常被用于情况特殊或环境条件恶劣的场合实现各种参数的非接触式检测，如位移、材料的厚度及成分、流体密度、流量、物位等。物位检测是其中一个典型的应用示例。检测原理当射线射入一定厚度的介质时，部分能量被介质所吸收，所穿透的射线强度随着所通过的介质厚度增加而减弱，它的变化规律为：式中I0、I为射入介质前和通过介质后的射线强度；µ为介质对射线的吸收系数；H为射线所通过的介质厚度。介质不同，吸收射线的能力也不同。一般是固体吸收能力最强，液体其次，气体最弱。当射线源和被测介质一定时，I0和µ都为常数。测出通过介质后的射线强度I ，便可求出被测介质的厚度H。5执行器执行器在自动控制系统中的作用，就是接受调节器发出的控制信号，改变调节参数，把被调参数控制在所要求的范围内，从而达到生产过程自动化的目的。因此，执行器是自动控制系统中一个极为重要而不可缺少的组成部分。在生产现场，执行器直接控制工艺介质，尤其是高温、高压、低温、强腐蚀、易燃、易爆、易渗透、剧毒及高粘、易结晶等介质情况下，若选择或使用不当，往往会给生产过程自动化带来困难，导致调节质量下降，甚至会造成严重的生产事故。因此，对执行器的正确选用、安装和维修等各个环节都必须重视。执行器按其能源形式可分为气动、电动和液动三大类。气动执行器习惯称为气动薄膜调节阀。它以压缩空气为能源，具有结构简单、动作可靠、平稳、输出推力大、本质防爆、价格便宜、维修方便等独特的优点，大大优于液动和电动执行器。因此，气动薄膜调节阀被广泛地应用在石油、化工、冶金、电力待工业部门中。气动调节阀可以很方便地与气动仪表配套使用。当采用电动仪表或电子计算机控制时，只要用电-气阀门定位器或电-气转换器，将电量信号转换成20100Kpa的气压信号即可。5.1执行器的分类执行器分为气动执行器、电动执行器和液动执行器3大类。气动执行器按其执行机构形式分为薄膜式、活塞式和长行程式。近年来还研制了增力型薄膜调节阀。电动和液动执行器按执行机构的运行方式分为直行程和角行程两类。目前在石油化工中普遍采用的是气动执行器，电动执行器使用较少，液动执行器只有在特殊要求下才采用。气动执行器和电动执行器的规格项目气动调节阀电动调节阀动力源压缩空气公称压力:0.31.0MPa工作温度:露点：在带压条件下，低于当地最低温度10规格公称压力/MPa1.6，4.0，6.4，16.0，32.0，175.0，350.01.6，4.0，6.0，10.0工作温度/-60450-60450口径范围/mm2040020400辅助装置电/气阀门定位器气动阀门定位器气动断动器三通电磁阀锁位阀保位阀伺服放大器限位开关5.2执行器的构成执行器常称调节阀，又称控制阀。它由执行机构和调节机构（也称调节阀）两部分组成。其中执行机构是调节阀的推动部分，它按控制信号的大小产生相应的推力，通过阀杆使调节阀阀芯产生相应的位移（或转角）。调节机构是调节阀的调节部分，它与调节介质直接接触，在执行机构的推动下，改变阀芯与并座的流通面积，从而达到调节流量的目的。专心-专注-专业