石油化工过程自动化及仪表培训讲义

1自动化及仪表培训讲义2第一章仪表的分类与误差第一节仪表的分类检测和过程控制仪表的分类方法很多，根据不同的原则可以作进行相应的分类。例如按仪表使用的能源分，可以分为气动仪表和电动表和液动仪表；根据仪表的组合形式可以分为基地式仪表，单元组合仪表和综合控制装置；按仪表的安装形式可以分为现场仪表；盘装仪表和架装仪表；根据仪表有否引入微处理器又可以分为智能仪表和非智能仪表，根据仪表的信号又可以分为模拟仪表和数字仪表。检测与过程控制仪表最通用的分类是按仪表的测量和控制系统中的作用来划分的一般可发划分为检测仪表、显示仪表、调节仪表和执行器四大类，见表1.1所示。检测仪表根据其测量变量的不同，又可以分为温度检测仪表、流量检测仪表、压力检测仪表、物位检测仪表和分析仪表。表1.1检测与过程控制仪表分类表按功能按被测变量按工作原理或结构形式按组合形式按能源其它检测仪表压力温度流量物位成分液柱式,弹性式,活塞式膨胀式，热电偶，热电阻，光学，辐射节流式，容积式，速度式，靶式，电磁，旋涡转子式，直读，浮力，静压，电学，声波，辐射，光学PH，氧分析，色谱，红外，紫外单元组合单元组合单元单元单元组合单元组合电、气电、气电、气电气智能智能智能智能智能显示仪表模似和数字指示和记录动圈，自动平衡电桥，电位差计电、气单点、多点、打印，记录调节(控制)仪表自力式组装式可编程基地式单元组合气动电动执行器执行机构薄膜、活塞、长行程、其它执行机构和阀可以进行各种组合气、电、液阀直通单座，直通双座，套筒（笼式）球阀，蝶阀，隔膜，偏心旋转，角形，三通，阀体分离直线、对数、抛物线、快开3显示仪表根据记录和指示、模拟与数字等功能，又可以分为记录仪表和指示仪表、模拟仪表和数显仪表，其中记录仪表又可以分为单记录和多点记录，有纸和无纸记录等。调节仪表又可以分为基地式调节仪表和单元组合式调节仪表。第二节仪表的一些主要技术性能在工程上，仪表的一些重要参数常用精度、绝对误差和相对误差和灵敏度等来表示，以下分别来介绍这些参数的含义真值：变量本身所具有真实的值，也是一个无法得到的值，所以在计算误差时，用约定真值和相对真值来代替。约定真值是一个接近真值的值，对一个数作N次测量，把测量的平均值作为约定真值，而相对真值是当高一级的标准器误差仅为低一级的1/3~1/20时，可以把高一级标准仪器作为低一级相对真值。绝对误差是测量值与真值之差，即绝对误差=测量值—真值相对误差是绝对误差与被测值之比，常用绝对误差与仪表示值之比，以百分数表示，即:引用误差是绝对误差与量程之比,即：仪表的精度是用根据引用误差来划分的。举例：某一压力表，刻度为0—100KPa，在50KPa处计量检定数值为49.5KPa求在50KPa处仪表示值的绝对误差，相对误差和示值引用误差。解：仪表示值的绝对误差=50—49.5=0.5KPa仪表示值的相对误差0.5/50X100%=1%仪表示值的引用误差0.5/100X100%=0.5%仪表示值的相对误差0.5/50X100%=1%绝对误差仪表示值相对误差=*100%绝对误差仪表量程引用误差=*100%4变差:指仪表的被测变量(可以理解为输入信号)多次从不同方向达到同一数值，仪表指示的最大差值,或者说,仪表在外界条件不变的情况下,被测参数由小到大变化(正向特性)和被测参数由大到小变化(反向特性)不一致的程度，二者之差即为仪表变差。如下图所示：仪表的精度等级是按国家统一规定的允许误差划分为若干个等级，因此仪表的精度等级与仪表的允许误差的大小有关。根据仪表的允许误差去掉“±”号及“%”后的数值，可以来确定仪表的精度等级。目前我国生产的仪表，常用精度有0.1；0.2；0.3；0.5；1.0；1.5；2.5；4.0等。一般仪表的数值越小，仪表的精度越高。工业现场用的仪表，其精度大多数为0.1；0.2；0.5；1.0；1.5；2.5；4.0级。如果某台仪表允许误差为±1.5%，则认为该表的精度等级为1.5级。如已求得某两台仪表的允许误差为±1.5%和±1.8%，则此两台仪表的精度应分别为1.5级和2.5级。仪表的精度等级一般可用不同的符号形式标志在仪表上，如：由于仪表的误差还与其它使用条件有关，故还需了解基本误差附加误差的概念。仪表的基本误差是指仪表在规定的正常的工作条件（如环境温度、湿度、振动、电源电压、电场、和磁场等）下允许误差。所以一台合格的仪表，其基本误差应小于或等于允许误差。附加误差是指仪表在非正常工作条件下使用时，除基本误差外，还会产生的误差。所以仪表的质量指标并不能完全代表测量结果的质量，也就是说，一台高被测参数上行下行仪表示值1.50.51.05质量的仪表，如果使用不当，也会得出不正确的测量结果。下面将分别叙述压力、流量、液位、温度等工艺参数常用测量元件和变送器作介绍。6第二章压力的测量方法及仪表第一节概述在石油化工生产过程中，经常会碰到压力和真空的测量问题。例如，高压聚乙烯要在150MPa或更高的压力下进行聚合；氢气和氮气要在32MPa下合成为氨；炼油厂的减压蒸馏要在很高的真空条件下进行；特别在化学反应比较强烈的场合，压力既影响物料的平衡关系，也影响化学反应速度。因此，压力的测量和控制是保证工艺要求、设备完全经济运行的必要条件。目前，我国在工程上习惯把压力理解为物理概念中的压强，即垂直单位面积上力。根据国际单位制（代号为SI）规定，压力单位为帕斯卡，简称（Pa），1帕即为1牛顿的力作用在1平方米面积上产生的压力。帕所代表的压力较小，工程上常用MPa作为压力单位，MPa与Pa之间的关系为：1MPa=1×106Pa由于各个国家的传统习惯不同，使用的测压仪表也不同，压力的单位除了现在国际上统一的计量单位，即MPa、Kpa和Pa外，还沿用其它许多单位，如kgf/cm2、mmHg、mmH2O、atm（标准大气压）Psi等一、二十种之多，在德国和欧美一些国家，还用bar（巴）表示压力单位，它不是我国的法定的计量单位，它们之间的关系为：1bar=100Kpa。过去我国使用的压力的单位也比较多，根据1984年2月27日“国务院关于在我国统一实行法定计量单位的命令”的规定后，有些单位将不再使用。但为了了解法定计量单位中的压力单位（Pa或MPa）与过去单位之间的关系，表2-1中给出了几种单位间的换算关系。在压力测量中，通常有绝对压力，表压力、负压、或真空度等名词。绝对压力是指介质所受的实际压力。表压是指高于大气压的绝对压力与大气压之差，即：P表=P绝-P大负压与真空度是指大气压力与低于大气压力的绝对压力之差，即：P真=P大-P绝7绝对压力、表压力、大气压力、负压力（真空度）之间的关系如图2-1所示表2-1压力单位换算表单位千帕(Kpa)兆帕（Mpa）公斤力/厘米2kgf/cm2毫米汞柱（mmHg）毫米水柱（mmH2O）巴（bar）磅/英寸2（psi）标准大气压（atm）千帕（Kpa）110-30.01019727.51020.010.1450380.0098692兆帕（Mpa）1000110.27.50×10-31.02×105101.45×1029.8692公斤力/厘米2(kgf/cm2)98.0670.12509811735.61040.98114.220.9678毫米汞柱(mmHg)0.13331.333×10-41.36×10-3113.61.333×10-319.34×10-31.316×10-3毫米水柱(mmH2O)9.81×10-39.81×10-610-473.56×10-3198.1×10-61.422×10-30.9678×10-4巴（bar）1000.11.0275010.2×103114.500.9869磅/英寸2（psi）6.896.89×10-370.3×10-351.7270368.9×10-3168.05×10-3标准大气压（atm）101.330.10131.03327601.0332×1041.013314.6961因为各种工艺设备和测量仪表都处于大气中，所以工程上都用表压力或真空度来表示压力的大小。我们用压力表来测量压力的数值，实际上也都是表压或真空度（绝对压力表的指示值除外）。因此，在工程上无特别说明时，所提的压力均指表压力或真空度。压力测量仪表的品种，规格甚多。常用的压力测量方法和仪表有：通过液体产生或传递压力来平衡被测压力的平衡法。属于应于这类方法的仪表有液柱式压力计和活塞式压力计；将被测压力通过一些隔离元件（如弹性元件）转换成一个集中力，并在测量过程中用一个外界力（如电磁力或气动力）来平衡这个未知的集中力，然后通过对外界力的测量而得知被测压力的机械力平衡法。力平衡式压力变送器就是属于应用此法的例子；根据弹性元件受压后产生弹性变型的大小来测量弹性力平衡法。属于这类应用方法的仪表很多，若根据所用弹性元件来分，8可分为薄膜式，波纹管式，弹簧管式压力表；能过机械和电子元件将被测压力转换在成各种电量（如电压、电流、频率等）来测量的电测法。例如电容式、电阻式、电感式、应变片式和霍尔片式等变送器应于此法的压力测量仪表。目前，石油化工生产中应用中广泛的一种压力测量仪表是弹性元件。根据测压范围不同，常用的测压元件有单圈弹簧管、多圈弹簧管、膜片、膜盒、波纹管等。在被测介质压力的作用下，弹性元件发生弹性变型，而产生相应的位移，能过转换位置，可将位移转换成相应的电信号或气信号，以远传显示，报警或调节用。第二节压力测量仪表一、弹簧管压力表弹簧管压力表是压力仪表的主要组成部份之一，它有着极为广泛的应用价值，它具有结构简单，品种规格齐全、测量范围广、便于制造和维修和价格低廉等特点。a)结构和动作原理弹簧管压力表是单圈弹簧压力表的简称。它主要由弹簧管、齿轮传动机构（包括拉杆、扇形齿轮、中心齿轮）、示数装置（指针和分度盘）以及外壳等几部份组成，如图2-3（a）所示。弹簧管是一端封闭并弯成270。圆孤形的空心管子，如图2-3(b)所示。PPP表压P负压P绝压P绝压大气压力线图2-1表压、绝压、真空之间的关系图9它的截面呈扁圆形或椭圆形，椭圆的长轴2a与图面垂直的弹簧管的中心轴O相平行。管子封闭的一端B为自由端，即位移输出端；而另一端A则是固定的，作为被测压力的输入端。当由它的固定端A通入被测压力P后，由于呈椭圆形截面的管子在压力P的作用下，将趋于圆形，弯成圆弧形的弹簧管随之产生向外挺直的扩张变形，使自由端B发生位移。此时弹簧管的中心角γ要随即减小Δγ，也就是自由端将由B移到B，处，如图2-3(b)上虚线所示。此位移量就相应于某一压力值。自由端B的弹性变形位移通过拉杆使扇形齿轮作逆时针偏转，使固定在中心齿轮轴上的指针也作顺时针偏转，从而在面板的刻度标尺上显示出被测压力的数值。由于弹簧管自由端位移而引起弹簧管中心角相对变化值Δγ/γ与被测压力P之间具有比例关系，因此弹簧管压力表的刻度标尺是均匀的。图2-3(a)中，游丝用来克服因传动机构间的间隙而产生的测量误差。改变调整螺钉的位置(即改变机械传动的放大系数)，可以实现压力表的量程调整。由上述可如，弹簧管自由端将随压力的增大而向外伸张。反之若管内压力小于管外压力，则自由端将随负压的增大而向内弯曲。所以，利用弹簧管不仅可以制成压力表，而且还可制成真空表或压力真空表。弹簧管压力表除普通型外，还有一些是具有特殊用途的，例如耐腐蚀的氨用压力表、禁油的氧用压力表等。为了能表明具体适用何种特殊介质的压力测量，常在其表壳、衬圈或表盘上涂以规定的色标，并注有特殊介质的名称，使用时应予以注意。图2-3弹簧管压力表1、弹簧管2拉杆3、扇型齿轮3、中心齿轮5、指针6、面板7、游丝8、调整螺钉9接头ab10单圈弹簧管在受压时，由于自由端的位移和转动力矩都较小，故仅能制成指示型仪表。而生产中有时需要用记录型仪表。为了能带动记录机构运动，就需要弹簧管有足够长而制成多圈(一般为2.5~9圈)，这样就成了多圈弹簧管压力表。(二)电接点压力表在石油化工生产中，常常要把压力控制在某一范围之内，当压力高于或低于规定范围时，就会破坏正常工艺条件，甚至可能发生危险。利用电接点