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绪 论
化 工 仪 表 及 自 动 化
一、化工生产过程的特点
化工生产过程通常具有高温、高压、深冷、易燃、易爆、有独、有腐蚀性等特点，它的组成是由生产设备、自动化仪表设备来构成。工艺操作人员，除了要掌握必要的工艺生产专业知识外，还必须了解生产中一些动力装置的正确操作方法，熟悉和掌握化工生产中控制装置的性能和使用。具有控制系统开、停车的能力，判断和分析系统故障的简单方法。确保工艺生产的正常进行，完成工艺岗位的操作任务。
20世纪80年代开始，随着计算机技术、通讯技术、显示技术等各种高新技术的发展，仪表也得到了飞速的发展。目前集控制、管理于一体的集散控制系统（DCS）、可编程控制器（PLC）、现场总线（Field Bus）在工业中得到了广泛的应用。
（1）按仪表的功能不同，可分为检测仪表、显示仪表、控制仪表和执行器。
（2）按仪表使用的能源不同，可分为气动仪表和电动仪表。
（3）按结构不同，可分为基地式仪表、单元组合仪表、组件组装式仪表。
（4）按信号形式不同，可分为模拟仪表和数字仪表。
（5）按形态分，可分为实体仪表和虚拟仪表
二、过程控制仪表的分类
按照生产过程的类型，过程控制系统一般可分为自动检测、自动报警与联锁保护系统、顺序控制，自动控制系统四大类 。
三、过程控制系统的分类
自动联锁保护
顺序控制系统
自动控制系统
工业生产过程
自动检测系统
信号报警系统
报警设定值
动作设定值
给定值
操纵指令
压力温度
流量
物位
温度
四、教学内容
1 过程检测仪表
2 过程控制装置
3 过程控制系统概述
4 复杂控制系统
5 集散控制系统简介
—复杂控制系统—
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1 过程检测仪表
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1 过程检测仪表
教学内容：
1.1 过程检测仪表的分类
1.2 压力、物位检测仪表
1.3 流量检测仪表
1.4 温度检测仪表
1.5 变送器
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1.1 过程检测仪表的分类
1.1.1 过程检测仪表的结构：相应的测量仪表由三部分组成如图所示：
被测
变量
传感器
测量的基本过程
被测对象
变送器
显示装置
传感器又称为检测元件或敏感元件，它直接响应被测变量，经能量转换并转化成一个与被测变量成对应关系的便于传送的输出信号，如mV、V、mA、Ω、Hz、位移、力等等。
由于传感器的输出信号种类很多，而且信号往往很微弱，一般都需要经过变送环节的进一步处理，把传感器的输出转换成如0～10mA、4～20mA等标准统一的模拟量信号或者满足特定标准的数字量信号，这种检测仪表称为变送器。
有些时候，传感器可以不经过变送环节，直接通过显示装置把被测量显示出来。
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1.1.2 过程检测仪表的分类
（1）根据所测参数的不同：分成压力（差压、负压）测量仪表、流量测量仪表、物位（液位）测量仪表、温度测量仪表、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：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：分成实用仪表、范型仪表和标准仪表，分别使用在现场、实验室、标定室。
（4）按检测仪表与被测介质接触的情况分类 : 可分为接触式检测仪表与非接触式检测仪表。
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1.2 压力、物位检测仪表
（1）压力的定义及表示方法
压力：化工生产中，由气体或液体均匀垂直地作用于单位面积上的力。
化工生产中，通常遇到压力和真空度的测量。若压力不符合要求，不仅会影响生产效率，降低产品质量，还会造成严重生产事故。化学反应中，压力既影响物料平衡关系，也影响化学反应速度。所以，压力的测量与控制，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。
1.2.1 压力检测仪表概述
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三种压力表示方法
绝对压力 pa
表压力 p
负压或真空度 ph
pa
绝对压力零线
p
ph
pa
大气压p0
1.01325×105Pa
绝对压力是指物体所受的实际压力。
表压是指一般压力表所测得的压力，它是高于大气压力的绝对压力与大气压力之差，即
真空度是指大气压与低于大气压的绝对压力之差，有时也称为负压，即
由于各种工艺设备和检测仪表通常是处于大气之中，本身就承受着大气压力，因此工程上通常采用表压或者真空度来表示压力的大小，一般的压力检测仪表所指示的压力也是表压或者真空度。
除特殊说明之外，以后所提及的压力均指表压。
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（2）常用压力检测仪表
目前工业上常用的压力检测方法和压力检测仪表很多，根据敏感元件和转换原理
的不同，一般分为四类：
(1)液柱式压力检测： 一般采用充有水或水银等液体的玻璃U形管或单管进行测量。
(2)弹性式压力检测： 它是根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成位移进行
测量的。常用的弹性元件有弹簧管、膜片和波纹管等。
(3)电气式压力检测： 它是利用敏感元件将被测压力直接转换成各种电量进行测量的仪
表，如电阻、电荷量等。
(4)活塞式压力检测： 它是根据液压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞面积
上所加平衡砝码的质量来进行测量。
活塞式压力计的测量精度较高，允许误差可以小到0.05％～0.02％，它普遍被用作标准
仪器对压力检测仪表进行检定。
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1.2.2 弹簧管压力表
1.弹性元件:弹性式压力检测是用弹性元件把压力转换成弹性元件位移的一种检测方法。
平薄膜 波纹膜 波纹管 单圈弹簧管 多圈弹簧管
膜 片受压力作用产生位移，可直接带动传动机构指示。但是膜片的位移较小，灵敏度低，指示精度不高，一般为2.5级。膜片更多的是和其他转换元件合起来使用，通过膜片和转换元件把压力转换成电信号；
波纹管的位移相对较大，一般可在其顶端安装传动机构，带动指针直接读数。其特点是灵敏高（特别是在低压区），常用于检测较低的压力（1.0～106Pa），但波纹管迟滞误差较大，精度一般只能达到1.5级；
弹簧管结构简单、使用方便、价格低廉，它使用范围广，测量范围宽，可以测量负压、微压、低压、中压和高压，因此应用十分广泛。根据制造的要求，仪表精度最高可达0.15级。
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2.弹簧管和弹簧管压力表
弹簧管是横截面呈非圆形（椭圆形或扁圆形），弯成圆弧状（中心角常为270°）的空心管子。
管子的一端为封闭，另一端为开口。闭口端作为自由端，开口端作为固定端。
被测压力介质从开口端进入并充满弹簧管的整个内腔，由于弹簧管的非圆横截面，使它有变成圆形并伴有伸直的趋势而产生力矩，其结果使弹簧管的自由端产生位移，同时改变其中心角。位移量（中心角改变量）和所加压力有如下的函数关系：
式中θ0为弹簧管中心角的初始角；Δθ为受压后中心角的改变量；R为弹簧管弯曲圆弧的外半径；h为管壁厚度；a、b为弹簧管椭圆形截面的长、短半轴。
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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－调节螺钉 9－接头
图3-18 弹簧管压力表
弹簧管自由端B的位移量一般很小，需要通过放大机构才能指示出来,为了加大弹簧管自由端的位移量，也可采用多圈弹簧管，其原理与单圈弹簧管相似。
单圈弹簧管压力表是工业现场使用最普遍的就地指示式压力检测仪表（也有电接点输出的弹簧管压力表）
弹簧管压力表结构简单、使用方便、价格低廉、测量范围宽，可以测量负压、微压、低压、中压和高压.
一般的工业用弹簧管压力表的精度等级为1.5级或2.5级，但根据制造的要求，其精度等级最高可达0.15级。
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3.电接点信号压力表
为了实现报警，可以在弹性式压力表上增加附加机构，如图所示，在单圈弹簧管压力表的表盘上装两个电极分别对应被测压力的低限和高限。
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1. 压力计的选用
三个方面——选用时应根据生产工艺对压力检测的要求、被测介质的特性、现场使用的环境等条件本着节约的原则合理地考虑仪表的量程、精度、类型（材质）等。
⑴量程
仪表的量程是指该仪表可按规定的精确度对被测量进行测量的范围
关键：根据操作中需要测量的参数的大小来确定。同时必须考虑到被测对象可能发生的异常超压情况，对仪表的量程选择必须留有足够的余地。
在测量稳定压力时：一般压力表最大量程选择在接近或大于正常压力测量值的1.5倍。
在测量脉动压力时：一般压力表最大量程选择在接近或大于正常压力测量值的2倍。
在测量高压时：一般压力表最大量程应大于最大压力测量值的1.7倍。
在测量机泵出口处压力时：一般压力表最大量程选择为机泵出口处最大压力值。
为保证压力测量的精度，一般被测压力的最小值应大于仪表刻度上限的。
仪表的量程等级：1、1.6、2.5、4.0、6.0kPa以及它们10n倍。
在选用仪表量程时，应采用相应规程或者标准中的数值。
这只是一个一般经验要求，不是绝对的！！
1.2.3 压力表的使用
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⑵仪表精度
——根据生产允许的最大误差来确定，即要求实际被测压力允许的最大绝对误差应小于仪表的基本误差。
——在选择时应坚持节约的原则，只要测量精度能满足生产的要求，就不必追求用过高精度的仪表。
例：有一压力容器在正常工作时压力范围为0.4～0.6MPa，要求使用弹簧管压力表进行检测，并使测量误差不大于被测压力的±4％，试确定该表的量程和精度等级。
解：由题意可知，被测对象的压力比较稳定，设仪表量程为 0～AMPa ，则
根据工作压力的要求：
根据仪表的量程系列，可选用量程范围为0～1.0MPa的弹簧管压力表。
由题意，被测压力的允许最大绝对误差为：Δmax=±0.4*4%=±0.016 MPa
这就要求所选仪表的相对百分误差为： 0.016/（1-0）*100%=1.6%
按照仪表的精度等级，可选择1．5级的压力表。
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⑶仪表类型
正确选用仪表类型是保证仪表正常工作及安全生产的前提。主要应考虑以下几个方面:
仪表的材料
压力检测(检测仪表)的特点是压力敏感元件往往要与被测介质直接接触，因此在选择仪表材料的时候要综合考虑仪表的工作条件。
输出信号类型
只需观察压力变化的，可选如弹簧管压力表、液柱式压力计那样的直接指示型的仪表；
如需将压力信号远传到控制室或其他电动仪表，则可选用电气式压力检测仪表或其他具有电信号输出的仪表；
如果要检测快速变化的压力信号，则可选用电气式压力检测仪表，如压阻式压力传感器；
如果控制系统要求能进行数字量通信，则可选用智能式压力检测仪表。
例如：对腐蚀性较强的介质应使用像不锈钢之类的弹性元件或敏感元件；
氨用压力表则要求仪表的材料不允许采用铜或铜合金，因为氨气对铜的腐蚀性极强；
又如氧用压力表在结构和材质上可以与普通压力表完全相同，但要禁油，因为油进入氧气系统极易引起爆炸。
使用环境
对爆炸性较强的环境，在使用电气压力仪表时，应选择防爆型压力仪表；对于温度特别高或特别低的环境，应选择温度系数小的敏感元件以及其他变换元件。
上述选型原则也适用于差压、流量、液位等其它检测仪表的选型
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2. 压力计的安装
分三种情况介绍：
一般压力检测仪表的安装
特殊压力检测仪表的安装（高温、高压、腐蚀等）
压力变送器的安装
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一般压力测量仪表的安装
无论选用何种压力仪表和采用何种安装方式，在安装过程中都应注意以下几点：
压力仪表必须经检验合格后才能安装
压力仪表的连接处，应根据被测压力的高低和被测介质性质，选择适当的材料作为密封垫圈，以防泄漏
压力仪表尽可能安装在室温，相对湿度小于80％，振动小，灰尘少，没有腐蚀性物质的地方，对于电气式压力仪表应尽可能避免受到电磁干扰
压力仪表应垂直安装。一般情况下，安装高度应与人的视线齐平，对于高压压力仪表，其安装高度应高于一般人的头部
测量液体或蒸汽介质压力时，应避免液柱产生的误差，压力仪表应安装在与取压口同一水平的位置上，否则必须对压力仪表的示值进行修正
导压管的粗细合适，一般为6～10mm，长度尽可能短，否则会引起测量迟缓
压力仪表与取压口之间应安装切断阀，以便维修
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测量特殊介质时的压力测量仪表安装
测量高温（60℃以上）流体介质的压力时，为防止热介质与弹性元件直接接触，压力仪表之前应加装U形管或盘旋管等形式的冷凝器，避免因温度变化对测量精度和弹性元件产生的影响。如图(a)、(b)
(a)
(b)
测量高压流体介质的压力时，安装时压力仪表表壳应朝向墙壁或者无人通过之处，以防发生以外。
测量腐蚀性介质的压力时，除选择具有防腐能力的压力仪表之外，还应加装隔离装置，利用隔离罐中的隔离液将被测介质和弹性元件隔离开来，如图(c)、(d)
(c)
(d)
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1
2
2
3
3
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测量波动剧烈（如泵、压缩机的出口压力）的压力时，应在压力仪表之前加装针形阀和缓冲器，必要时还应加装阻尼器，如图(e)
(e)
4
测量粘性大或易结晶的介质压力时，应在取压装置上安装隔离罐，使罐内和导压管内充满隔离液，必要时可采取保温措施，如图(f)
(f)
蒸汽
测量含尘介质压力时，最好在取压装置后安装一个除尘器，如图(g)。
(g)
5
总之，针对被测介质的不同性质，要采取相应的防热、防腐、防冻、防堵和防尘等措施
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差压变送器的安装
三个方面的内容：
取压口的选择
引压管的安装
变送器本身的安装
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差压变送器取压口的选择
液体、气体、蒸汽？？
被测介质为液体时，取压口应位于管道下半部与管道水平线成0～45°角内，目的是保证引压管内没有气泡，两根引压管内液柱产生的附加压力可以相互抵消；
问：能否从底部引出？为什么？
45°
45°
(a)液体
被测介质为气体时，取压口应位于管道上半部与管道垂直中心线成0～45°角内，其目的时为了保证引压管中不积聚和滞留液体。
45°
45°
(b)气体
被测介质为蒸汽时，取压口应位于管道上半部与管道水平线成0～45°角内。最常见的接法是从管道水平位置接出，并分别安装凝液罐，这样两根引压管内部都充满冷凝液，而且液位高度相同。
45°
45°
(c)蒸汽
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差压变送器引压管的安装
引压管应按最短距离敷设，引压管的弯曲处应该是均匀的圆角，曲率半径一般不小于引压管外径的10倍。引压管的管路应保持垂直，或者与水平线之间不小于1:10的倾斜度，必要时要加装气体、凝液、微粒收集器等设备，并定期排除收集物。
引压管内径与引压管长度
引压管内径 引压管
mm 长度 m
被测介质
＜1.6
1.6～4.5
4.5～9
水、水蒸气、干气体
7～9
10
13
湿气体
13
13
13
低中粘度油品
13
19
25
脏液体
25
25
33
*
在测量液体介质时，变送器只能安装在取样口之上时，在引压管的管路中应有排气装置，如图(a)所示，这样，即使有少量气泡，也不会对测量精度造成影响。
在测量气体介质时，如果差压变送器只能安装在取样口之下时，必须加装如图(b)所致的贮液罐和排放阀，克服因滞留液对测量精度产生影响。
测量蒸汽时的引压管管路则如图(c)所示。
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(a) (b) (c)
1－取压口 2－放空阀 3－贮气罐 4－贮液罐
5－排放阀 6－凝液罐 7－差压变送器
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差压变送器本身的安装
差压变送器通常必须安装切断阀1、2和平衡阀3，构成三阀组
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1、2－切断阀 3－平衡阀
在启用差压变送器时，应先开平衡阀3，使正、负压室连通，受压相同，然后再打开切断阀1、2，最后再关闭平衡阀3，变送器即可投入运行。
差压变送器需要停用检修时，应先打开平衡阀，然后再关闭切断阀1、2。
当切断阀1、2关闭，平衡阀3打开时，即可以对仪表进行零点校验。
变送器是用来测量差压的，但如果正、负引压管上的两个切断阀不能同时打开或者关闭时，就会造成差压变送器单向受很大的静压力，有时会使仪表产生附加误差，严重时会使仪表损坏。
为了防止差压计单向受很大的静压力，必须正确使用平衡阀。
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一、 概述
几个概念
在容器中液体介质的高低叫液位，
容器中固体或颗粒状物质的堆积高度叫料位
测量液位的仪表叫液位计，测量料位的仪表叫料位计
测量两种密度不同液体介质的分界面的仪表叫界面计
在物位检测中，有时需要对物位进行连续检测，有时只需要测量物位是否达到某一特定位置，用于定点物位测量的仪表称为物位开关
物位检测的作用
控制、计量、报警等。
检测方法分类
直读式物位仪表：玻璃管液位计、玻璃板液位计等。
差压式物位仪表：利用液柱或物料堆积对某定点产生压力的原理而工作。
浮力式物位仪表：利用浮子高度或浮力随液位高度而变化的原理工作。
电磁式物位仪表：使物位的变化转换为一些电量的变化，如电容
核辐射物位仪表：利用射线透过物料时其强度随物质层的厚度而变化的原理
声波式物位仪表：由于物位的变化引起声阻抗的变化、声波的遮断和声波反射距离的不同，测出这些变化就可测知物位。根据工作原理分为声波遮断式、反射式和阻尼式。
光学式物位仪表：利用物位对光波的遮断和反射原理工作
……
1.2.4 物位检测仪表
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直读式物位仪表：玻璃管液位计、玻璃板液位计等。
差压式物位仪表：利用液柱或物料堆积对某定点产生压力的原理而工作。
浮力式物位仪表：利用浮子高度或浮力随液位高度而变化的原理工作。
电磁式物位仪表：使物位的变化转换为一些电量的变化，如电容
核辐射物位仪表：利用射线透过物料时其强度随物质层的厚度而变化的原理
声波式物位仪表：由于物位的变化引起声阻抗的变化、声波的遮断和声波反射距离的不同，测出这些变化就可测知物位。根据工作原理分为声波遮断式、反射式和阻尼式。
光学式物位仪表：利用物位对光波的遮断和反射原理工作
……
1.2.4.1物位检测仪表的类型
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1.2.4.2差压式液位计
（1）差压式液位计的工作原理
如图1—7 所示 ΔP=ρgH 测出差压ΔP的大小，便知液位H的高低。
图1-7 差压式液位计原理图
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（2）差压式液位计的使用
零点迁移
ΔP=ρ1gH
ΔP=ρ1gH -ρ2g（h2-h1）
ΔP=ρ1gH +ρ1gh1
零点迁移的目的：使H＝0时，变送器输出为Iomin为零（如电动仪表中4mA）
无迁移
负迁移
迁移量：
-ρ2g（h2-h1）
正迁移
迁移量：
ρ1gh1
由于安装的位置不同会造成
液位为零差压不为零的问题。
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例 3.2
已知ρ1=1200kg/m3，ρ2=950kg/m3，h1=1m，h2=5m，
液位变化范围0—2.5米，求：变送器的量程和迁移量。
解
Hmaxρ1g=2.5*1200*9.8=29400Pa
变送器量程可选为：40kPa
当H=0时，-ρ2g（h2-h1）=-4*950*9.8=-37.24 kPa
变送器需要进行负迁移，迁移量为－37.24 kPa
结论：
差压式液位变送器，事实上就是一个差压变送器，无非液位变送器的输出与液位高度H成线性关系
因此，差压式液位变送器的安装与前面所述的差压变送器的安装是完全相同的。
为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及粘度大、易凝固等液体液位时，引压管线容易出现被腐蚀、被堵塞的问题，应使用在导压管人口处加隔离膜盒的法兰式差压变送器（压力信号的远传装置），分单法兰式及双法兰式两种。

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