配套课件-自动化仪表与过程控制.ppt
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1、智能仪表与过程控制 一 自动化仪表的基本知识 1 自动化仪表的基本知识自动化仪表的基本知识 1.31.3控制仪表的基本知识控制仪表的基本知识1.11.1自动化仪表概述自动化仪表概述1.21.2检测技术的基本知识检测技术的基本知识 热工测量系统热工测量系统:温度、压力、流量:温度、压力、流量 机械量:位移、速度、加速度机械量:位移、速度、加速度 环境量:环境量:PM2.5、气体浓度、气体浓度、PH 1.11.1自动化仪表概述自动化仪表概述PH计计电导率仪电导率仪热值仪热值仪浓度计浓度计氧化锆氧量计氧化锆氧量计位移检测仪表位移检测仪表厚度检测仪表厚度检测仪表力检测仪表力检测仪表转速传感器转速传感器
2、加速度检测仪表加速度检测仪表模拟调节器模拟调节器数字(智能)调节器数字(智能)调节器电动执行器电动执行器 气动执行器气动执行器 液动执行器液动执行器1 1、构成、构成敏感元件转换元件转换电路被测量电量1.1 传感器组成框图检测仪表:检测生产过程参数的仪表传感器:将参数转换为便于传送的信号变送器:将参数转换为便于传送的标准信号1.21.2检测技术的基本知识检测技术的基本知识2、标准信号 1)DDZ-:420mADC、15VDC 2)DDZ-:020mA DC、010vDC。3)气压信号,20-100KPa(0.02-0.1MPa)现场仪表可实现两线制 电气零点为4mA.DC,不与机械零点重合,这
3、种“活零点”有利于识别断电和断线等故障 3 3、性能指标性能指标 精确度精确度(简称精度)允许误差允许误差%100测量范围下限值测量范围上限值差值仪表允许的最大绝对误允 仪表的仪表的允允越大,表示它的精确度越低;反之,仪越大,表示它的精确度越低;反之,仪表的表的允允越小,表示仪表的精确度越高。将仪表的允越小,表示仪表的精确度越高。将仪表的允许相对百分误差去掉许相对百分误差去掉“”号及号及“”号,便可以用号,便可以用来确定仪表的精确度等级。来确定仪表的精确度等级。目前常用的精确度等级目前常用的精确度等级有有0.0050.005,0.020.02,0.050.05,0.10.1,0.20.2,0.
4、40.4,0.50.5,1.01.0,1.51.5,2.52.5,4.04.0等。等。1.51.0 变差%100测量范围下限值测量范围上限值最大绝对差值变差 灵敏度与分辨率dxdyK 数字仪表:AD转换器的位数,16位,8位 重复性与稳定性 重复性,多次测量结果的一致性 稳定性,长时间测量结果的一致性 漂移漂移l零点漂移:温度漂移、时间漂移l灵敏度漂移:温度漂移、时间漂移1.3 控制仪表的基本知识 1)DDZ-:420mADC、15VDC 2)DDZ-:020mA DC、010vDC。3)气压信号,20-100KPa(0.02-0.1MPa)现场仪表可实现两线制 电气零点为4mA.DC,不与机
5、械零点重合,这种“活零点”有利于识别断电和断线等故障 1 1、信号标准、信号标准2、仪表的型号命名 ID表示电动单元组合仪表系列产品。以汉语拼音字母表示产品大类其意义如下:B变送单元类 Z转换单元类 J计算单元类 X显示单元类 G给定单元类 T调节单元类 F辅助单元类 K执行单元类汉语拼音字母,表示各大类中的产品小类,同一字母在不同大类中有不同的含义。变送单元类中:W温度和温差;Y压力;C差压;L流量;F液位。转换单元类中:J交流毫伏;z直流毫伏;P频率;Q气电。计算单元类中:J加减;S乘除;K开方;显示单元类中:Z批示;J记录;B报警;S积算。给定单元类中:A恒流;F分流。调节单元类中:L连
6、续;D断续。辅助单元类中:D电动操作;Q气动操作:Z阴尼;F限幅;C选择。执行单元类中:J角行程;Z直行程。智能仪表与过程控制二 工业生产过程的变量检测 2.1 压力的检测及仪表2.1 2.1 压力的检测及仪表压力的检测及仪表2.1.1 压力的单位及测压仪表2.1.2 弹性式压力计2.1.3 电气式压力计2.1.4 压力计的选用及安装2.1.1 压力单位及测压仪表表示受力面积。表示垂直作用力;表示压力;式中,SFpSFp 是指均匀垂直地作用在单位面积上的力。是指均匀垂直地作用在单位面积上的力。的单位为帕斯卡,简称帕(的单位为帕斯卡,简称帕(Pa)211mNPa PaMPa61011 为了使大家
7、了解国际单位制中的压力单位(为了使大家了解国际单位制中的压力单位(Pa或或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。系表。压力压力单位单位帕帕/Pa兆帕兆帕/MPa工程大气压工程大气压/(kgf/cm2)物理大气压物理大气压/atm汞柱汞柱/mmHg水柱水柱/mH2O(磅(磅/英寸英寸2)/(1b/in2)巴巴/bar帕帕1110106 61.01971010-5-59.8691010-6 67.5011010-3-31.01971010-4-41.4501010-4-411010-5 5兆帕兆帕110106 61 1
8、10.1979.8697.50110103 31.019710102 21.45010102 210工程工程大气大气压压9.80710104 49.8071010-2-210.9678735.610.0014.220.9807物理物理大气大气压压1.013310105 50.101331.0332176010.3314.701.0133汞柱汞柱1.333210102 21.33321010-4-41.35951010-3-31.31581010-3-310.01361.9341010-2-21.33321010-3-3水柱水柱9.80610103 39.8061010-3-30.10000.0
9、967873.5511.4220.09806(磅(磅/英寸英寸2)6.89510103 36.8951010-3-30.070310.0680551.710.703110.06895巴巴110105 50.11.01970.9869750.110.19714.501表表3-1 各种压力单位换算表各种压力单位换算表大气压力绝对压力表压pppp表P真P绝P绝大气压力线大气压力线绝对压力的零线绝对压力的零线在压力测量中,常有表压、绝对压力、负压或真空度之分。在压力测量中,常有表压、绝对压力、负压或真空度之分。绝对压力大气压力真空度ppp当被测压力低于大气压力时,一般用负压或真空度来表示。当被测压力低
10、于大气压力时,一般用负压或真空度来表示。图图3-43-4绝对压力、表压、负绝对压力、表压、负压(真空度)的关系压(真空度)的关系测压仪表液柱式压力计重力与压力平衡,P=ghU形管压力计、斜管压力计弹性式压力计弹性力与被测压力平衡,形变反应力大小弹簧管压力计、波纹管压力计电气式压力计物质的物理特性与压力有关电阻应变片式、电容式、压电式、电感式、霍尔式活塞式压力计被测压力与活塞上砝码质量平衡标准表测压仪表按其转换原理的不同可分为四类。测压仪表按其转换原理的不同可分为四类。它根据流体静力学原理,将被测压力转换成液柱高度进行测量。它根据流体静力学原理,将被测压力转换成液柱高度进行测量。U形管压力计形管
11、压力计单管压力计单管压力计 这类压力计结构简单、使用方便这类压力计结构简单、使用方便 其精度受工作液的毛细管作用、密度及视差等因素的影响,其精度受工作液的毛细管作用、密度及视差等因素的影响,测量范围较窄,一般用来测量较低压力、真空度或压力差。测量范围较窄,一般用来测量较低压力、真空度或压力差。它是将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量的。它是将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量的。它是通过机械和电气元件将被测压力转换成电量(如电压、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。电流、频率等)来进行测量的仪表。它是根据水压机液体传送压力的原理,将被
12、测压力转换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。成活塞上所加平衡砝码的质量来进行测量的。测量精度很高,允许误差可小到测量精度很高,允许误差可小到0.05%0.02%。结构较复杂,价格较贵。结构较复杂,价格较贵。2.1.2 2.1.2 弹性式压力计弹性式压力计是利用各种形式的弹性元件,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。产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。具有结构简单、使用可靠、读数清晰、牢具有结构简单、使用可靠、读数清晰、牢固可靠、价格低廉
13、、测量范围宽以及有足够的固可靠、价格低廉、测量范围宽以及有足够的精度等优点。精度等优点。可用来测量几百帕到数千兆帕范围内的压可用来测量几百帕到数千兆帕范围内的压力。力。弹性元件是一种简易可靠的测压敏感元件。当测压范围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。不同时,所用的弹性元件也不一样。图图3-5 弹性元件示意图弹性元件示意图 弹簧管式弹性元件弹簧管式弹性元件波纹管式弹性元波纹管式弹性元件件薄膜式弹性元件薄膜式弹性元件 使用的测压元件使用的测压元件 单圈弹簧管压力表与多圈单圈弹簧管压力表与多圈弹簧管压力表。弹簧管压力表。用途用途 普通弹簧管压力表,耐腐蚀
14、的氨用普通弹簧管压力表,耐腐蚀的氨用压力表、禁油的氧气压力表等。压力表、禁油的氧气压力表等。1弹簧管;弹簧管;2 拉拉杆;杆;3 扇形齿轮;扇形齿轮;4 中心齿轮;中心齿轮;5 指针;指针;6 面板;面板;7 游丝;游丝;8 调整调整螺丝;螺丝;9 接头接头 在化工生产过程中,常需要把压力控在化工生产过程中,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控制触点的压力表。将普通
15、弹簧管压力表稍加变化,便可成为电接点信号压力表,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。器实现压力的自动控制。图图3-7 电接点信号压力表电接点信号压力表1,4 静触点;静触点;2 动触点;动触点;3 绿灯;绿灯;5 红灯红灯 压力表指针上有动压力表指针上有动触点触点2 2,表盘上另有两根,表盘上另有两根可调节指针,上面分别可调节指针,上面分别有静触点有静触点1 1和和4 4。当压力。当压力超过上限给定数值时,超过上限给定数值时,2
16、2和和4 4接触,红色信号灯接触,红色信号灯5 5的电路被接通,红灯发的电路被接通,红灯发亮。若压力低到下限给亮。若压力低到下限给定数值时,定数值时,2 2与与1 1接触,接触,接通了绿色信号灯接通了绿色信号灯3 3的电的电路。路。1 1、4 4的位置可根据的位置可根据需要灵活调节。需要灵活调节。2.1.3 电气式压力计是一种能将压力转换成电信号进行传输及显示的仪表。是一种能将压力转换成电信号进行传输及显示的仪表。1.该仪表的该仪表的,分别可测,分别可测710-5Pa至至5102MPa的的压力,允许误差可至压力,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由于可以远
17、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。实现压力自动控制和报警,并可与工业控制机联用。图图3-8 电气式压力计组成方框图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。装置有指示仪、记录仪以及控制器、微处理机等。是根据霍尔效应制成的,即利用霍尔元件将由压是根据霍尔效应制成的,即利用霍尔元件将由压力所引起的弹性元件的位移转换成霍尔电势,从而实现压力的测量。力所引起的弹性元件的位移转换成霍尔电势,从而实现压力的测
18、量。图图3-93-9 霍尔效应霍尔效应 可用下式表示可用下式表示 BIRUHH 式中,式中,U UH H为霍尔电势;为霍尔电势;R RH H为霍尔常为霍尔常数,与霍尔片材料、几何形状有关;数,与霍尔片材料、几何形状有关;B B为磁感应强度;为磁感应强度;I I为控制电流的大小。为控制电流的大小。一般一般I I为为3 320mA20mA,B B约为几千高斯,所得的霍尔电势约为几千高斯,所得的霍尔电势U UH H约为几十毫伏约为几十毫伏数量级。数量级。导体也有霍尔效应,不过它们的霍尔电势远比半导体的霍尔电势小导体也有霍尔效应,不过它们的霍尔电势远比半导体的霍尔电势小得多。得多。将霍尔元件与弹簧管配
19、合,就组成了霍尔片式弹簧将霍尔元件与弹簧管配合,就组成了霍尔片式弹簧管压力传感器,如图管压力传感器,如图3-103-10所示。所示。图图3-10 霍尔片式压力传感器霍尔片式压力传感器1弹簧管;弹簧管;2 磁钢;磁钢;3 霍尔片霍尔片 当被测压力引入后,在当被测压力引入后,在被测压力作用下,弹簧管被测压力作用下,弹簧管自由端产生位移,因而改自由端产生位移,因而改变了霍尔片在非均匀磁场变了霍尔片在非均匀磁场中的位置,使所产生的霍中的位置,使所产生的霍尔电势与被测压力成比例。尔电势与被测压力成比例。利用这一电势即可实利用这一电势即可实现远距离显示和自动控制。现远距离显示和自动控制。利用电阻应变原理构
20、成。电阻应变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。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),当应变片产生压缩(拉伸)应变时,其阻值减小(增加),再通过桥式电路获得相应的毫伏级电势输出,并用毫伏计或再通过桥式电路获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。其他记录仪表显示出被测压力,从而组成应变片式压力计。图图3-11 应变片压力传感器示意图应变片压力传感器示意图1应变筒;应变筒;2 外 壳;外 壳;3密封膜片密封膜片 利用单晶硅的压阻效应而
21、构成。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。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。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。图图3-12 3-12 压阻式压力传感器压阻式
22、压力传感器1基座;基座;2单晶硅片;单晶硅片;3导环;导环;4螺母;螺母;5密封垫圈;密封垫圈;6等效电阻等效电阻 精度高、工作可靠、频率响应高、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;迟滞小、尺寸小、重量轻、结构简单;便于实现显示数字化;便于实现显示数字化;可以测量压力,稍加改变,还可以可以测量压力,稍加改变,还可以测量差压、高度、速度、加速度等参数。测量差压、高度、速度、加速度等参数。4.压电式压力传感器 形变极化压电效应5.5.力矩平衡压力变送器力矩平衡压力变送器l力矩平衡原理 是一种开环检测仪表,具有结构简单、过载能力是一种开环检测仪表,具有结构简单、过载能力强
23、、可靠性好、测量精度高等优点,其输出信号是标准的强、可靠性好、测量精度高等优点,其输出信号是标准的420mA(DC)电流信号。电流信号。图图3-13 电容式差压变送器原理图电容式差压变送器原理图11隔离膜片;隔离膜片;2 2,77固定电极;固定电极;33硅油;硅油;44测量测量膜片;膜片;55玻璃层;玻璃层;66底座;底座;88引线引线先将压力的变化转换为电容量的变化,然后进行测量。先将压力的变化转换为电容量的变化,然后进行测量。电容式压力传感器电容式压力传感器11110iAACSSS 22220iAACSSS21002210001/()1/()1/()1/()iiiiCCASSSSSKSCC
24、ASSSSS1iSKP2121221iiiiiCCKSK KPCC结论结论:1212iiiiCCCC(1)相对变化值 与被测差压 成线性关系。iP(2)与介电常数 无关,可大大减小温度对变送器的影响。(3)与 有关。愈小,灵敏度越高。0S0S2.1.4 2.1.4 压力计的选用及安装压力计的选用及安装 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求,结合其他各方面的情况,加以全面的考虑和具体的分析,分析,一般考虑以下几个问题。一般考虑以下几个问题。例例3 3 某台往复式压缩机的出口压力范围为某台往复式压
25、缩机的出口压力范围为25252828MPa,测量误差不得大于,测量误差不得大于1 1MPa。工艺上。工艺上要求就地观察,并能高低限报警,试正确选用一要求就地观察,并能高低限报警,试正确选用一台压力表,指出型号、精度与测量范围。台压力表,指出型号、精度与测量范围。解解由于往复式压缩机的出口压力脉动较大,所以由于往复式压缩机的出口压力脉动较大,所以选择仪表的上限值为选择仪表的上限值为 根据就地观察及能进行高低限报警的要求,由本根据就地观察及能进行高低限报警的要求,由本章附录一,可查得选用章附录一,可查得选用YX-150-150型电接点压力表,测型电接点压力表,测量范围为量范围为0 06060MPa
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