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1、,儀表基礎(chǔ)知識講座,各種測量儀表的工作原理,儀表控制原理及復(fù)雜回路介紹,各種測量儀表的工作原理,工作原理部分,四、溫度測量儀表的工作原理,一、壓力測量儀表的工作原理,二、流量測量儀表的工作原理,三、物位測量儀表的工作原理,一、壓力測量儀表的工作原理,工作原理部分,壓力是垂直均勻地作用在單位面積上的力，法定計量單位是帕斯卡（Pa）。 1 Pa=1 N/m2=1 Kg/m*S2,1、壓力、絕對壓力、大氣壓、表壓和真空度,如果被測流體的絕對壓力地獄大氣壓，則壓力表所測得的壓力為負(fù)壓，其值稱為真空度。,絕對真空下的壓力稱為絕對零壓，以絕對零壓為基準(zhǔn)來表示的壓力為絕對壓力。,測量流體壓力用的壓力表上的讀

2、數(shù)叫表壓，它是流體絕對壓力與該處大氣壓力的差值。,工作原理部分,2、絕壓、大氣壓、表壓、真空度之間的相互關(guān)系 如下圖：,0,絕對零壓,P1,1,P2,大氣壓,P,工作原理部分,3、壓力變送器工作原理,壓力變送器是以電為能源，它利用變送器膜盒上的應(yīng)變片作為轉(zhuǎn)換元件，將被測壓力轉(zhuǎn)換成應(yīng)變片電阻值的變化，然后經(jīng)過橋式電路得到毫伏級的電量輸出，供顯示儀表顯示被測壓力或經(jīng)放大電路轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號后，再傳送到DCS等顯示。,孔板是標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置中最為簡單的一種，也最便宜，制作加工好后無須標(biāo)定就可投入使用。但在相同的差壓下，其壓損也最大。若是測量腐蝕性或磨蝕性流體，由于入口邊緣的變形，流量系數(shù)會發(fā)生變化，體

3、現(xiàn)在孔板上比較明顯。,工作原理部分,二、流量測量儀表工作原理,1、孔板+差變,流量是指單位時間內(nèi)流過管道某一截面的流體數(shù)量,流體通過孔板內(nèi)孔后，會產(chǎn)生前后差壓。差壓變送器就是通過這個前后差壓的變化來計算出流量的變化。,工作原理部分,基本的流量計算方程式為：,Q=0.01252ad*d SQRT（P/1）,Q：工作狀態(tài)下的體積流量 a：流量系數(shù) ：流體膨脹系數(shù) d：工作狀態(tài)下的節(jié)流孔直徑 1：工作狀態(tài)下的流體密度,一般情況下，標(biāo)準(zhǔn)孔板只測量口徑50mm以上，300mm以下的管道流量。,工作原理部分,孔板取壓要求：,氣體：一般要求變送器安裝位置高于取壓點,液體：一般要求變送器安裝位置低于取壓點,差

4、壓變送器的檢測元件采用膜盒組件，在使用的差壓即使差壓超過范圍時，即單向過載，膜盒不容易損壞。膜盒內(nèi)充滿硅油，除用于傳遞壓力之外，還有阻尼作用，使儀表輸出平穩(wěn)。范圍內(nèi)，具有很好的靈敏度和線性，測量范圍廣，靜壓誤差小。,差壓變送器的正、負(fù)壓室膜盒可能存在有效面積不相等或長期使用出現(xiàn)變形，在同樣的壓力下，會產(chǎn)生一個附加的測量力，造成零位偏移。,工作原理部分,2、1 工作原理,電磁流量計由變送器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成，兩者之間用連接線（勵磁線、信號線）相互連接。,變送器是基于電磁感應(yīng)定律工作的。,2、電磁流量計,工作原理部分,Ex=Bdv*10 B：磁感應(yīng)強度 d：兩電極間距離 v：被測介質(zhì)平均流速,被測

5、介質(zhì)流量Q與d、v有關(guān) Q=/4d*d*v 則Q=Ex/K K：為一常數(shù),如上圖，被測介質(zhì)垂直與磁勵線方向流動，因而在介質(zhì)流動和磁力線都垂直的方向產(chǎn)生一感應(yīng)電勢Ex。,工作原理部分,采用電磁流量計，要求測量介質(zhì)溫度不能太高，一般不超過120，壓力不超過1.6MPa，流速不得低于0.3m/s；被測介質(zhì)必須是導(dǎo)電介質(zhì)，不能用于氣體、蒸汽、石油制品等非導(dǎo)電性流體。被測介質(zhì)不能含氣泡。,電磁流量計是一段光滑的管道，無活動及阻流部件，基本上無壓力損失；流量計輸出與流量成線性關(guān)系，可測量2.5mm的管道；合理選材可以測量腐蝕性的介質(zhì)；安裝要求比較低（前5D，后3D）；精度高。,2、2 選型優(yōu)點,2、3 適

6、用缺點,工作原理部分,3、質(zhì)量流量計,質(zhì)量流量計是通過激勵線圈使管子產(chǎn)生振動，流動的液體在振動管子內(nèi)產(chǎn)生科氏力，由于測量管進(jìn)出測所受的力方向相反，所以管子會產(chǎn)生扭曲，在通過電磁檢測器或光電檢測器，將測量管的扭曲轉(zhuǎn)變成電信號，以進(jìn)入變送器進(jìn)一步處理。,質(zhì)量流量計一般分三個部分：傳感器；變送器；顯示器,3.1 工作原理,工作原理部分,3.2 質(zhì)量流量計優(yōu)點,、能夠直接測量質(zhì)量流量，不受溫度、壓力、粘度、密度等因素影響，測量精度高。,、沒有可動部件，雖然檢測管有振動，但振幅很小，不會對測量產(chǎn)生影響,、管道內(nèi)無障礙物，便于清洗。,、除一般介質(zhì)外，還可測量高粘度的流體、漿液，并可測氣體,、安裝時不需要前

7、后直管段,、還可以獲得介質(zhì)密度信號,工作原理部分,4、超聲波流量計,4.2 探頭安裝方式,超聲波在流體中的傳播速度，順流方向和逆流方向是不一樣的，其傳播的時間差和流體的流速成正比。所以只要測出了超聲波在兩個方向上傳播的時間差，便可以知道流體的流速，再乘上管道截面積，便可得流體流量。,超聲波流量計傳感器可以安裝在管道外側(cè)，可以不與介質(zhì)接觸；也可以安裝在管道內(nèi)。前者安裝時不需將管道截斷，不需開孔，比較方便，但由于管道的不確定性，測量精度較差。,4.1 工作原理,（6）經(jīng)濟(jì)性。,工作原理部分,5、流量儀表選型需要考慮因素,（1） 被測流體的種類（氣體、液體、粉塵）、操作條件（壓力、溫度）、流動工況（

8、層流、脈動流）、物理性質(zhì)（密度、粘度、腐蝕性）；,（2）儀表功能；,（3）流量范圍；,（4）流體的測量精度要求；,（5）現(xiàn)場安裝和使用條件；,三、物位測量儀表,工作原理部分,1、浮筒式液位計,浮筒隨著液位高低，浮力出現(xiàn)相應(yīng)變化，影響扭力管所受的力矩，通過電子元器件反映出來。,2、浮球式液位計,浮球液位計實際上是一種杠桿系統(tǒng)，杠桿的一端連浮球，另一端連平衡錘；隨著液位的高低，浮球所受的浮力是不變的，只是它的位置隨液位的變化而變化。如果介質(zhì)密度有變化，浮球沒入介質(zhì)中部分體積會有變化，體現(xiàn)在液位上也會有一定的偏差。,3、超聲波液位計,工作原理部分,超聲波液位計是應(yīng)用回聲測距法的原理制成的一種儀表。聲

9、波從發(fā)射至接收到反射回波的時間間隔與物位高度成正比。,超聲波液位計無可動部件，結(jié)構(gòu)簡單；它不受光線、粉塵、濕度、粘度的影響，與介電常數(shù)、電導(dǎo)率等參數(shù)無關(guān)；可以液體、粉塵、固體等，范圍比較廣。由于為不接觸測量儀表，適用于腐蝕性、有毒等介質(zhì)測量。,超聲波液位計缺點是不耐高溫，聲速受介質(zhì)溫度和壓力的影響。另外，相對造價比較高,四、溫度儀表,工作原理部分,1、熱電偶,熱電偶是由兩根不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料焊接或絞接而成。焊接的一端稱為熱電偶的熱端(測量端或工作端)，和導(dǎo)線連接的一端稱為熱電偶的冷端 (自由端)。,組成熱電偶的兩根導(dǎo)體或半導(dǎo)體稱作熱電極。把熱電偶的熱端插入需要測溫的生產(chǎn)設(shè)備中，冷端置于生產(chǎn)

10、設(shè)備的外面，如果兩端所處的溫度不同(譬如，熱端溫度為t，冷瑞溫度為to)，則在熱電偶回路中便會產(chǎn)生熱電勢E。該熱電勢E與熱電偶兩端的溫度t和to均E有關(guān)。,工作原理部分,在單支溫度顯示時，熱偶或熱阻指示值的準(zhǔn)確性基本無法直觀確認(rèn)，基本上可以通過相連或相關(guān)的溫度進(jìn)行參考，或者根據(jù)操作經(jīng)驗值進(jìn)行判斷。儀表人員一般在進(jìn)行準(zhǔn)確性判斷時，最簡單有效的方法是拿同類型的熱偶或熱阻在同一測溫點進(jìn)行比對。,2、熱電阻,電阻溫度計是借金屬絲的電阻隨溫度的變化而變化的原理制成。熱電阻溫度計廣泛用來測量中、低溫 (一般為500以下)。它的特點是準(zhǔn)確度高，在測量中、低溫時，它的輸出信號比熱電偶要大得多，靈敏度高，同樣可

11、實現(xiàn)遠(yuǎn)傳、自動記錄和多點測量。,工作原理部分,狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)一般由固定安裝在轉(zhuǎn)軸附近的傳感器（探頭）、前置器和狀態(tài)監(jiān)視儀三部分組成。,五、旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)檢測系統(tǒng),所謂旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)檢測，是指用各種儀器或儀表，對反映旋轉(zhuǎn)機械運行狀態(tài)的參數(shù)進(jìn)行測量和監(jiān)視，從而了解其運行狀態(tài)。目前長期監(jiān)測的狀態(tài)參數(shù)主要有：軸的徑向振動值，軸向位移值、轉(zhuǎn)速等。,狀態(tài)監(jiān)測中采用的傳感器分為接觸式和非接觸式傳感器兩種。目前使用比較廣泛的是非接觸式傳感器，主要是采用電渦流式趨近傳感器。,儀表控制原理及復(fù)雜回路舉例,儀表控制原理,一、控制原理,儀表控制原理,1、簡單控制系統(tǒng)。,簡單控制系統(tǒng)是指單閉環(huán)控制，是指控制器與被控對象之間既

12、有順向控制又有反向聯(lián)系的自動控制。,上圖就是一個單回路控制。圖中控制器接受檢測元件及變送器來的測量信號，并與設(shè)定值相比較得到偏差信號，再根據(jù)偏差的大小和方向，調(diào)整蒸汽閥門的開度，改變蒸汽流量，使熱物料出口溫度回到設(shè)定值上。,儀表控制原理,控制系統(tǒng)方塊圖如下：,調(diào)節(jié)器的正反作用：如果將調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號定義為測量值減去給定值，那么，當(dāng)偏差增加時，其輸出也增加的調(diào)節(jié)器稱為“正作用”調(diào)節(jié)器；反之，調(diào)節(jié)器的輸出信號隨偏差的增加而減小的稱為“反作用”調(diào)節(jié)器。,調(diào)節(jié)閥的正反作用：閥的正反作用由它的氣開、氣關(guān)形式來確定。氣開閥為“正作用”，氣關(guān)閥為“反作用”。,1、1 正反作用,儀表控制原理,一般而言，選

13、擇調(diào)節(jié)器的正、反作用目的是使調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、對象三個環(huán)節(jié)組合起來，能在控制系統(tǒng)中起負(fù)反饋作用。首先由操縱變量對被控變量的影響來確定對象的作用方向，然后由工藝安全角度來確定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式，最后由對象、調(diào)節(jié)閥、調(diào)節(jié)器三個環(huán)節(jié)組合后為負(fù)來確定調(diào)節(jié)器的正、反作用。,比例調(diào)節(jié)依據(jù)“偏差”大小來動作，它的輸出與輸入偏差的大小成比例。比例調(diào)節(jié)及時、有力，但有余差。它用比例度來表示其作用的強弱， 越小，放大倍數(shù)Kc愈強，調(diào)節(jié)作用愈強。比例作用太強時，會引起振蕩。,1、2 P I D調(diào)節(jié),儀表控制原理,積分調(diào)節(jié)依據(jù)“偏差是否存在”來動作，它的輸出與偏差對時間的積分成比例，只有當(dāng)余差消失時，積分作用才會停

14、止。其作用是消除余差。但積分作用使最大動偏差增大，延長了調(diào)節(jié)時間。它用T來表示其作用的強弱，T愈小，積分作用愈強，但積分作用太強時，也會引起振蕩。,微分調(diào)節(jié)依據(jù)“偏差變化速度”來動作，它的輸出與輸入偏差變化的速度成比例，其效果是阻止被控變量的一切變化，有超前調(diào)節(jié)的作用，對滯后大的對象有很好的效果。它使調(diào)節(jié)過程偏差減少，時間縮短，余差也減?。ǖ荒芟Ｋ肨d來表示其作用的強弱，Td愈大，作用愈強，但Td太大，也會引起振蕩。,儀表控制原理,2、串級控制,串級控制系統(tǒng)是由其結(jié)構(gòu)上的特征而得名。它是由主、副兩個調(diào)節(jié)器串接工作的。主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值，副調(diào)節(jié)器的輸出去操縱調(diào)節(jié)閥，以實

15、現(xiàn)對主變量的定值控制 。典型方塊圖如下：,串級控制系統(tǒng)的目的是為了高精度地穩(wěn)定主變量，對主變量要求比較高，一般不允許有余差，所以主調(diào)節(jié)器一般選擇比例積分控制規(guī)律，當(dāng)對象滯后比較大時，也可以引入適當(dāng)?shù)奈⒎肿饔谩?2.1 串級控制簡述,儀表控制部分,串級控制系統(tǒng)對副變量的要求不嚴(yán)。在控制過程中，副變量不斷跟隨主調(diào)節(jié)器的輸出變化而變化，所以，副調(diào)節(jié)器一般采用比例控制規(guī)律就行了，必要時引入適當(dāng)?shù)姆e分作用，而微分作用一般是不需要的。,2.2 串級控制系統(tǒng)中主副調(diào)節(jié)器正、反作用的確定,副調(diào)節(jié)器的作用方向與副對象特性、調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式有關(guān)，其選擇方法與簡單控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器正、反作用的選擇方法相同。,主

16、調(diào)節(jié)器的作用方向的選擇可按下述方法進(jìn)行：當(dāng)主、副變量增加（或減少）時，如果要求調(diào)節(jié)閥的動作方向是一致的，則主調(diào)節(jié)器應(yīng)選“反”作用；反之，則應(yīng)選“正”作用。,儀表控制部分,2.3 例子,根據(jù)工藝安全性，可以判斷調(diào)節(jié)閥為氣關(guān)型，副調(diào)節(jié)器的正、反作用可以通過單回路來進(jìn)行判斷。由于T2C溫度升高時要求補充冷卻水，即加大閥門開度，而閥門為氣關(guān)型，如果輸入閥門的信號增加，閥門反而關(guān)小，因此要求輸出閥門的信號是變??；這樣就可以判斷T2C調(diào)節(jié)器為反作用。,而主調(diào)節(jié)器T1C指示增加時也是要求閥門打開多補充冷水進(jìn)行降溫，因此也可以判斷是反作用。,儀表控制部分,3、分程控制,分程控制系統(tǒng)就是一個調(diào)節(jié)器同時控制兩個或兩個以上的調(diào)節(jié)閥，每一個調(diào)節(jié)閥根據(jù)工藝的要求在調(diào)節(jié)器輸出的信號范圍內(nèi)動作。設(shè)置分程控制可以改善調(diào)節(jié)閥的工作條件，滿足開停車時小流量和正常生產(chǎn)時的大流量要求，使之都能有較好的調(diào)節(jié)質(zhì)量以及滿足正常生產(chǎn)和事故狀態(tài)下的穩(wěn)定性和安全性。,例如，一加熱爐，要求用瓦斯與燃料油加熱，使原油出口保持恒定。為節(jié)省燃料，盡量采用瓦斯供熱，只有在瓦斯氣量不足時才用燃料油。,儀表控制部分,這樣的情況可以考慮用分程控制方式，