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讲座-1-仪表基础知识讲义w学习文档_图文

讲座-1-仪表基础知识讲义w学习文档_图文

课堂纪律 1、手机打到静音或者振动状态; 2、严禁在课堂上聊天或者干无关事情; 3、有事情离开课堂和领队请假; 4、上课60分钟,休息15分钟; 5、一周培训结束进行考试;
1

热工专业包含哪些设备:
? 现场仪表(温度、压力、流量、液位、在线仪表、化学仪表、 分析仪表、氧量等)打比方是人的眼睛、耳朵;
? 现场执行器(电动门、电动调节门、气动门、气动调节门等) 打比方是人的手、脚;
? 电气控制柜(接触器、继电器、空开等) ? 控制系统(PLC、DCS、通讯、电脑等)打比方是人的大脑;
2

主要内容
? 一、四大参数的测量原理及仪表 ? 二、自动控制基础知识 ? 三、调节阀 ? 四、联锁系统的构成
3

一、四大参数的测量原理及仪表
? 现场仪表测量参数的分类: ? 现场仪表测量参数一般分为温度、压力、流
量、液位四大参数,还有其他 参数测量,比如 O2、SO2、NO等。 下面就着重介绍一下温度、 压力、流量、液位的测量原理,以及测量这四 大参数所运用的仪表。
4

1、 温度的测量与变送
? 温度是火电厂生产中既普遍而又十分重要的参数 之一。任何一个火电厂生产过程,都伴随着物质的物 理和化学性质的改变,都必然有能量的转化和交换, 而热交换则是这些能量转换中最普遍的交换形式。因 此,在火电厂工艺的过程中,温度的测量和控制,常 常是保证这些设备正常经济运行与安全运行的重要环 节。
5

1、 温度的测量与变送

?

温度测量仪表种类繁多,若按测量方式的不同,测温仪

表可分为接触式和非接触式两大类。前者感温元件与被测介质

直接接触,后者的感温元件却不与被测介质相接触。接触式测

温元件简单、可靠、测量精度较高;但是,由于测温元件要与

被测介质接触进行充分的热交换才能达到热平衡,因而产生了

滞后现象,而且可能与被测介质产生化学反应;另外高温材料

的限制,接触式测温仪表不能应用于很高温度的测量。而非接

触式测温仪表不与被测介质接触,因而其测温范围很广,其测

温上限原则上不受限限制;由于它是通过热辐射来测量温度的,

所以不会破坏被测介质的温度场,测温速度也较快,但是这种

方法受到被测介质至仪表之间的距离以及幅射通道上的水汽、

烟雾、尘埃等其它介质的影响,因此测量量精度较低。

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1、 温度的测量与变送
? 下表列出了常用测温仪表的测温原理、测温范围和主要特点。 表中所列的各种温度计,机械式的大多只能就地指示,幅射式的 精度较差,只有接触式的测温仪表精度高,且测温元件很容易与 温度变送器配用,转换成统一标准信号进行远传,以实现对温度 的自动记录和调节。因此,在生产过程控制中应用最多的是热电 偶和热电阻温度计。本节仅介绍这两种温度计。
7

8

1、 温度的测量与变送
? 1.1 热电偶温度计
? 热电偶温度计由热电偶、电测部份 (动圈仪表、电位差计或 DCS)及连接导线组成如图所示。由于热电偶的性能稳定、结构 简单、使用方便、测量范围广、有较高的准确度,且能方便地 将温度信号转换为电势信号,便于信号的远传和多点集中测量, 因而在火电厂生产中应用极为普遍。

t0

t0

2

3

1

A

B

t
热电偶温度计测量线路 1、热电偶 2、连接导线 3、电测仪表

9

1、 温度的测量与变送
热电偶是由两根不同的导体或半导体材料(如上图中的A和B)焊接 或绞接而成。焊接的一端称为热电偶的热端(测量端或工作端), 和导线连接的一端称为热电偶的冷端 (自由端)。组成热电偶的两 根导体或半导体称作热电极。把热电偶的热端插入需要测温的生 产设备中,冷端置于生产设备的外面,如果两端所处的温度不同 (譬如,热端温度为t,冷瑞温度为to),则在热电偶回路中便会产 生热电势E。该热电势E与热电偶两端的温度t和to均E有关。如果 保持t。不变,则热电势E只是被测温度t的函数。用电测仪表测
得E的数值后,便知道被测温度t的大小。
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1、 温度的测量与变送

?

由于热电极的材料不同,所产生的接触电势亦不同,因此不同热电

极材料制成的热电偶在相同温度下产生的热电势是不同的,这在各种热电

偶的分度表中可以查到。根据热电测温的基本原理,理论上似乎任意两种

导体都可以组成热电偶。但实际情况它们还必须进行严格的选择,热电极

材料应满足如下要求。

? 1.在测温范围内其热电性质要稳定,不随时间变化。

? 2.稳定性要高,即在高温下不被氧化和腐蚀。

? 3.电阻温度系数要小,导电率要高,组成热电偶后产生的热电势要大, 热电势与温度间要成线性关系,这样有利于提高仪表的测量精度。

? 4.重复性要好 (同种成分的材料制成的热电偶,其热电特性相一致的性质 称复现性),这样便于成批生产,而且在使用上也可保证良好的互换性。

? 5、材料组织要均匀,要有良好的韧性,便于加工成丝。

11

1、 温度的测量与变送

?

国际电工委员会(IEC)对其中已被国际公认,性能优良

和产量最大的七种制定了标准,即IEC584-1和IEC584-2中所规

定的:S分度(铂铑10-铂);B分度号 (铂铑30-铂铑6);K分度号

(镍铬-镍硅);E分度号(镍铬-康铜 ); T分度号 (铜-康铜);J分

度号(铁-康铜); R分度号 (铂铑13-铂)等热电偶。

?

热电偶根据测温条件和安装位置的不同,具有多种结构

型式。虽然它们的结构和外形不尽相同,但其基本结构通常均

由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等主要部分组成。

12

1、 温度的测量与变送
13

1、 温度的测量与变送

? 1.2 热电阻温度计

?

热电阻温度计由热电阻、电测仪表 (动圈仪表或平衡电桥)

和连按导线所组成,其中热电阻是感温元件,有导体的和半导

体两种。

?

热电阻温度计广泛用来测量中、低温 (一般为500℃以下)。

它的特点是准确度高,在测量中、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。

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1、 温度的测量与变送

? 热电阻的测温原理
? 金属导体的电阻值随温度的变比而变化的。一般说来,他 们之间的关系为: Rt=R0[1+α(t-t0)]

?

ΔRt=Rt-R0=αR0Δt

? 式中 Rt 温度为t℃时的电阻值;

?

R。 温度为t0℃(通常为0℃)时的电阻值;

?

α 电阻温度系数即温度变化1℃时电阻值的相对变化量,

单位是 ℃-1,;

?

Δt 温度的变化量,即t-t。=Δt

?

ΔRt 温度改变Δt时的电阻变化量。

?

15

1、 温度的测量与变送

?

由上可知,温度的变化,导致了导体电阻的变化。实验

证明,大多数金属导体在温度每升高1℃时,其电阻值要增加

0.4一0.6%,热电阻温度计就是把温度变化所引起热电阻的变

化值,通过测量电路 (电桥)转换成电压(毫伏)信号,然后由显

示仪表指示或记录被测温度。

?

热电阻温度计与热电偶温度计的测温原理是不相同的。

热电偶温度计把温度的变化通过感温元件——热电偶转换为热

电势的变化值来测量温度的;而热电阻温度计则是把温度的变

化通过感温元件——热电阻转换为电阻的变化来测量温度的。

16

1、 温度的测量与变送

?

对于制作热电阻丝的材料是有一定技术要求的,一般应

具有下列特性;电阻温度系数要大,则测量灵敏度就高;热容

量要小,则对温度变化的响应就快,即动态特性较好;电阻率

要大,则相同的电阻值下电阻体体积就小,因而热容量也小;

在整个测温范围内,具有稳定的物理和化学性质;要容易加工,

有良好的复制性,电阻与温度的关系最好近于线性或为平滑的

曲线,以便于分度和读数;价格便宜等。根据具体情况,目

前应用最广泛的是铂和铜,分度号Pt50铂电阻、分度号Pt100

铂电阻和分度号Cu50铜电阻、分度号Cu100铜电阻。相应的分

度表 (电 阻值与温度对照表)可在相关资料中查到。热电阻是

由电阻体、保护套管以及接线盒等主要部件所组成。除电阻体

外,其余部分的结构形状一般与热电偶的相应部分相同。

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1、 温度的测量与变送

?

在选用测温仪表解决现场测温问题时,首先要分析被测对象特点及

状态,然后根据现有温度计的特点及其技术指标确定选用的类型。一般应

考虑以下几个方面:

? 1.仪表的可能测温范围及常用测温范围,是否符合被测对象的温度变化 范围的要求;

? 2.仪表的精度、稳定性、响应时间是否适应测温要求;

? 3.根据测量场所有无冲击、振动及电磁场,来考虑仪表的防震、防冲击、 抗干扰性能是否良好;

? 4.仪表输出信号能否自动记录和远传;

? 5.仪表的防腐性、防爆性和连续使用期限,是否满足被测对象的要求;

? 6.电源电压、频率变化及环境温度变化对仪表示值的影响程度;

? 7.测温元件的体积大小是否适当;

? 8.仪表使用是否方便、安装维护是否容易。

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2、 压力的测量与变送

?

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

?

绝对压力、表压力、大气压力、负压力(真空度)之间的

关系如下图所示。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。

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2、 压力的测量与变送
?

P绝压

P表压 P负压

大气压力线

P绝压

表压、绝压、真空之间的关系图

20

2、 压力的测量与变送
? 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,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。
21

2、 压力的测量与变送

?

?

目前,火电厂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。

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2、 压力的测量与变送

?

主要压力检测仪表:

(1)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。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,如下图所示。 弹簧管是一端封闭并弯成270度圆孤形的空心管子 。

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2、 压力的测量与变送
?

a

b

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

24

2、 压力的测量与变送

?

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。

25

2、 压力的测量与变送

? (2)应变式压力变送器

?

应变式变送器以是以电为能源,它利用应变片作为转换

元件,将被测压力转换成应变片电阻值的变化,然后经过桥式

电路得到毫伏级的电量输出,供显示仪表显示被测压力或经放

大电路转换成统一标准信号后,再传送到记录仪和调节器等仪

表。

?

应变片有金属电阻丝应变片(金属丝粘贴在衬底上组成的

元件)和半导体应变片两类。

?

根据电阻应变原理,应变片在压力作用下产生弹性变形

dL/L(即应变e),其电阻值随之发生变化。如果已如应变片的

电阻变化与其变形(即应变)的关系,那么,通过对应变片电阻

变化的测量就可测知被测压力。

26

2、 压力的测量与变送
?
27

2、 压力的测量与变送

? (3)单晶硅谐振式传感器

?

谐振式传感器是采用超精细加工工艺在单晶硅材料上制

成两个完全一致的H型谐振梁,并以一定的频率产生振动。其

谐振频率取决于梁的长度及张力,而张力随压力的变化而变化,

实现了压力变化转换成频率信号的变化,并采用了频率差分技

术,将两个频率信号直接输出到脉冲计数器。从而使传感器具

有误差小,重复性好、分解能力和反应灵敏度高、直接输出数

字信号等特点。由于传感器良好的特性,可使变送器几乎不受

静压和温度的影响,而且具有优良的过压性能和范围较宽的量

程。

28

2、 压力的测量与变送

?
基础 振子
引伸张力

硅膜片 过程压力

变送器工作原理图

29

2、 压力的测量与变送

? (4)电容式传感器
放大电路
4~20 mA

S2

S1

ΔS

S0 S0 图2-19膜片位移原理图

原理:△P变化 变化

△C

电流的

30

2、 压力的测量与变送

? 压力表的选用应根据工艺生产过程对压力测量的要求,被测介质的性质, 现场环境条件等来考虑仪表的类型、量程和精度等级。并确定是否需要带 有远传、报警等附加装置。这样才能达到经济、合理和有效的目的。

?

1.类型的选用 仪表类型的选用必须满足工厂生产的要求。例如是否

需要远传变送、 自动记录或报警;被测介质的物理化学性质 (如腐蚀性、

温度高低、粘度大小、脏污程度、 易燃易爆等)是否对仪表提出特殊要求;

现场环境条件 (如高温、电磁场、振动等)对仪表有否特殊要求等。

?

普通压力表的弹簧管材料多采用铜合金,高压的也有采用碳钢,而氨

用压力表的弹簧管材料都采用碳钢,不允许采用铜合金。因为氨气对铜的

腐蚀极强,所以普通压力表用于氨气压力测量很快就要损坏。

?

氧气压力表与普通压力表在结构和材质上完全相同,只是氧用压力表

禁油。因为油进入氧气系统会引起爆炸。如果必须采用现有的带油污的压

力表测量氧气压力时,使用前必须用四氯化碳反复清洗,认真检查直到无

油污为止。

31

2、 压力的测量与变送

?

2.测量范围的确定

?

仪表的测量范围是根据被测压力的大小来确定的。对于弹性式压力

表,为保证弹性元件能在弹性变形的完全范围内可靠地工作,量程的上限

值应高于工艺生产中可能的最大压力值。根据“仪表自控设计技术规定",

在测量稳定压力时,最大工作压力不应超过量程的2/3;测量脉动压力时,

最大工作压力不超过量程的1/2; 测量高压压力时,最大工作压力不应超

过量程的3/5。

?

为了保证测量的准确度,所测的压力值不能太接近于仪表的下限

值 ,亦即仪表的量程不能选得太大,一般被测压力的最小值应不低于量程

的1/3。

?

按上述要求算出后,实取稍大的相邻系列值,一般可在相应的产品

目录申查到。

? 3.精度级的选取

?

仪表的精度主妥是根据生产上允许的最大测量误差来确定的。此外,

在满足工艺要求的前提下,还要考虑经济性,即尽可能选用精度较低、价

廉耐用的仪表。

32

3、 流量的测量与变送

?

在火电生产过程中,为了有效地进行生产操作和控制,经常需要测

量生产过程中各种介质 (如液体、气体和蒸汽等)的流量,以便为生产操作

和控制提供依据。同时,为了进行经济核算,也需要知道在一般时间 (如

一班、一天等)内流过的介质总量。所以,对管道内介质流量的测量和变送

是实现生产过程的控制以及进行经济核算所必需的。

?

在工程上,流量是指单位时间内流过管道某一截面的流体的体积或

质量,即瞬时流量。

?

流量的计量单位如下:

? 表示体积流量的单位常用立方米每小时 (m3/h)、升每分 (L/min)、升 每秒(L/s)等;

? 表示质量流量的单位常用吨每小时 (t/h)、千克每小时 (kg/h)、千克 每秒 (kg/s)等。

?

若流体的密度是ρ ,则体积流量Q与质量流量M的关系是:

?

M=Qρ 或 Q=M/ρ

33

3、 流量的测量与变送

?

?

应当指出,流体的密度是随工况参数而变化的。对于液体,由于压

力变化对密度的影响很小,一般可以忽略不计;但因温度变化所产生的影

响,则应引起注意。不过一般温度每变化10℃时,液体的密度变化约在1%

以内。所以,除温度变化较大,测量准确度要求较高的场合外,往往也可

以忽略不计。对于气体,由于密度受温度、压力变化影响较大,例如,在

常温附近,温度每变化10℃,密度变化约为3%。在常压附近,压力每变

10kPa,密度也约变化3%。因此,在测量气体体积流量时,必须同时测量气

体的温度和压力,并将工作状态下的体积流量换算成标准体积流量。所谓

标准体积流量,在工业上是指20℃、0.10133MPa(称标定状态)或0℃、

0.10133MPa (称标准状态)条件下的体积流量。在仪表计量上多数以标定状

态条件下的体积流量为标准体积流量。

?

流量测量的方法和仪表种类繁多,其测量原理和仪表的结构形式各

不相同。针对火电生产过程的不同要求,采用不同的流量仪表。下表中列

出了几种主要类型流量表 (或称流量计)的性能及适用场合。

34

3、 流量的测量与变送
35

3、 流量的测量与变送

? 3.1 差压式流量计

?

差压式 (也称节流式)流量计是使用历史最久,应用也最广泛的一种

流量测量仪表,同时也是目前生产中最成熟的流量测量仪表之一。它是基

于流体流动的节流原理,利用流体流经节流装置时产生的压力差与其流量

有关而实现流量测量的。

?

差压式流量计通常是由能将被测流量转换成差压信号的节流装置 (包

括节流元件和取压装置)、导压管和差压计或差压变送器及其显示仪表三部

分所组成。在单元组合仪表中,由节流装置所产生的差压信号,常通过差

压变送器转换成相应的电信号或气信号,以供显示、调节用。

36

3、 流量的测量与变送

? 节流现象及其原理

?

流体在有节流元件的管道中流动时,在节流元件前后的管璧处,流体

的静压力产生差异的现象称为节流现象,如图3-1所示。所谓节流装置就是

设置在管道中能使流体产生局部收缩的节流元件和取压装置的总称。应用

最广泛的节流元件是孔板,其次是喷嘴、文丘里管。下面以孔板为例说明

节流原理。

37

3、 流量的测量与变送
? 下图表示在孔板前后流体的流速与压力的分布情况:
38

3、 流量的测量与变送

?

?

沿管道轴向连续地向前流动的流体,由于遇到节流元件的阻挡,使

靠近管壁处的流体受到的阻挡作用最强,因而使其一部分动压能转化成静

压能,于是就出现了节流元件入口端面靠近管壁处的流体静压力P1,的升

高 (即图中P1>P2)。此压力比管道中心处压力要大,即在节流元件入口端

面处产生一径向压差。这一径向压差使流体产生径向附加速度,从而使靠

近管壁处的流体质点的流向就与管道中心轴线相倾斜,形成了流束的收缩

运动。同时,由于流体运动的惯性,使得流束收束最厉害 (即流束最小截

面)的位置不在节流孔处,而是位于节流孔之后 (即图中截面Ⅱ处),并随流

量大小而变化。以上就是流体流经节流元件时,流束为什么产生收缩的原

因。

39

3、 流量的测量与变送

?

由于节流元件的阻挡造成了流束的局部收缩,同时,又因流体始终

处于连续稳定的流动状态,因此在流束截面最小处的流速达到最大。根据

伯努利方程式和位能、动能的相互转化原理,在流束截面最小处的流体静

压力最低,同理,在孔板出口端面处,由于流速已比原来增大,因此静压

力也就较原来为低 (即图中P2<P1)。故节流元件入口侧的静压P1比其出口

侧的静压P2大,即在节流元件前后产生压差ΔP。节流元件前流体压力较高,

常称为正压,并用“+”标记;节流元件后流体静压力较低,常称为负压,

并用“—”标记。并且流量愈大,流束局部收缩和位能、动能的转化也愈显

著,即ΔP也愈大。所以只要测出元件前后的压力差ΔP就可求得流经节流元

件的流体流量。这就是节流装置测量流量基本原理。

40

3、 流量的测量与变送

?

流量基本方程式是用来阐明流量与压差之间的定量关系。它是根据

流体力学中的伯努利方程式利连续性方程式推导而得的,即式

? ?

Q=αεA0

2ΔP ρ1

M=αεA0

√ 2ρ1ΔP

? 式中 α一流量系数。它与节流元件的结构形式、取压方式、孔口截面积之 比m;雷诺数Re、孔口边缘尖锐度、管壁粗糙度等因素有关。可从有关手 册查得
? ε—— 膨胀校正系数。它与孔板前后压力的相对变化量、介质的等熵指数 m等有关。也可从有关手册查得。但对不可压缩的液体来说,常取ε=1;
? A。—— 节流元件的开孔截面积; ? ΔP —— 节流元件前后实际测得的静压差; ? ρ1—— 节流元件前流体密度

41

3、 流量的测量与变送

? 在计算时,如果把Ao用π/4d2 表示,d为工作温度下孔板孔口直径,单 位为mm,而ΔP以Mpa为单位,则上述基本流量方程式可换算为实用流量 计算公式,即:

Q=0.003998αεd2

ΔP

ρ1

M=0.003998αεd2

√ ρ1ΔP

? 式中 0.3998=3600×10-6×π/4×√2。 ? 以上流量公式表明,当αερ d等均为常数时,流量与压差的平方根成正比。
因此,由理论推导得来的流量基本方程式,应用到测量实际生产中的流体 流量时,公式中各系数应能满足在测量条件下的相对稳定,这是采用这种 流量计能否达到准确测量的前提。 ? 因为流量与压差的平方根成正比,所以,用这种流量计测量流量时,如果 不加开方器,流量标尺刻度是不均匀的。起始部分的刻度很密,后来逐渐 变疏。因此,在用差压法测量流量时,被测流量值不应接近于仪表刻度的 下限值,否则误差将会很大。一般不要让流量计运行在量程的30%以下。

42

4、 液位的测量与变送

?

在火电生产中,常遇到测量容器中介质的液位和界面的

位置问题,液位测量是这个问题的一个方面。一般液位测量有

两种目的:一种是通过液位测量来确定容器里的原料或产品的

数量,以保证生产过程中各环节得到预先计划好的原料用量或

进行经济核算;另一种是通过液位测量,了解液位是否在规定

范围内,以便及时监视或控制容器液位,保证安全生产以及产

品的质量和数量。

?

由于各种被测介质的性质不同,各种生产设备的操作条

件也不同,所以需要各种各样的液位测量仪表,以满足生产的

不同需要,下表列出了各种液位测量仪 表的主要特点和应用

场合。

43

4、 液位的测量与变送
?
44

4、 液位的测量与变送

? 4.1 浮筒式液位计

?

浮筒式液位计是一种应用浮力原理测量液位的仪

表。利用浮筒浸沉在被测液体中,当液位变化时,浮

筒被浸没程度不同,浮筒所受浮力也不同。只要测出

浮力的变化,液位的高低便确定了。它主要由浮筒、

杠杆、扭力臂及芯轴等组成。浮筒垂直地悬挂在杠杆

的一端,杠杆的另一端与扭力管、芯轴的B端垂直地

固定在一起,并由固定在外壳上的支点所支撑。扭力

管的A端通过法兰固定在仪表外壳上,芯轴的另一端 为自由端,用来输出角位移。

45

4、 液位的测量与变送
?
46

4、 液位的测量与变送

?

当液位低于浮筒时,浮筒的全部重量作用在杠杆上,因

而作用在扭力管上的扭力矩最大,使扭力管带动芯轴扭转的角

位移也最大(约7。)。此时扭力管扭转产生的弹性反力矩与钮

力矩相平衡;当液位高于浮筒下端时,作用在杠杆上的力为浮

筒重量与浮筒所受浮力之差,因此,随着液位的升高,扭力矩

将减小,扭力管带动芯轴的扭角也相应减小。在最高液位时,

扭角最小 (约2。)。

? 由上可知,扭力管扭角的变化量即芯轴角位移的变化量Δθ与 液位H成比例,其关系如下

? Δθ= -KH

? 式中 K------- 转换系数。

?

47

4、 液位的测量与变送

?

? 即液位愈高,扭角愈小。若将扭角通过芯轴变成挡板或霍尔 片的位移,并转换成相应的气信号或电信号,这样就构成了气 动或电动转换部分。

?

浮筒式液位变送器的输出信号不仅与液位高度有关,而

且还与被测介质的密度有关。因此 对于同一液位高度,当介

质种类不同或因工艺操作条件变化使介质密度改变时,仪表的

测量结果是不相同的。

48

4、 液位的测量与变送

? 4.2 差压式液位计

?

差压式液位计是应用差压计或差压变送器来测量变送器液位的,是

目前应用得最广泛的一种液位测量仪表。差压式液位汁是利用容器内液位

改变时,由液柱产生的静压也相应变化的原理而工作的,如图所示。

当差压变送器的一端接液相,另

Q入

P气

一端接气相时根据流体静力学原理, 我们知道,变送器正压室受到的压力

H
P液
+-

为: Pl=P气十Hρg 式中 H 液位高度;

P出
图4-3 差压变送器测量液位示意图

ρ 介质密度;
g 重力加速度;
排污
P气 气相压力。

49

4、 液位的测量与变送

?

差压变送器负压室压力P2=P气,则正负压室的差压为:

? ΔP=P1-P2

? 通常,被测介质的密度是已知的。因此,测得差压值就能知 道液位高度。

?

若被测容器是敞口的,气相压力为大气压力,则差压变

送器的负压室通大气就可以了,这时也可用压力变送器或压力

计来直接测量液位的高低。图示容器是受压的,则将负压室与

容器气相相连接,以平衡气相压力的静压作用。

50

4、 液位的测量与变送

?

为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及粘度大,

易疑固等液体液位及引压管线被腐蚀、被堵的问题,而专门生

产了法兰式差压变送器。变送器的法兰直接与容器上的法兰相

连接,如图所示。作为敏感元件的测量头(金属膜盒),经毛细

管与变送器的测量室相通。在膜盒、毛细管和测量室所组成的

封闭系统内充有硅油,作为传压介质,并使被测介质不进入毛

细管与变送器。

51

4、 液位的测量与变送

ρ气
H ρ

3
+ -— —==-+
2

h

1

+ -— —==-+

法兰式液位变送器测液位 1、法兰 2、毛细管 3、变送器

正迁移情况例如:压力变送器安装在低于测量位置时,进入引压管内的介质形成的液柱会始终给变送器 一个压力,使变送器的测量结果变成 被测值加液柱值 ,这时对变送器进行正迁移,使测量起始值等于 液柱值,就可以消除这种影响。 差压变送器测量液位时,如果负压侧引压管有液柱,始终给变送器一个压力,使变送器的测量结果变成
被测值减液柱值 ,这时对变送器进行负迁移,使测量起始值等于液柱值,就可以消除这种影响。

52

二、自动控制基础知识

?

调节对象:自动调节系统的工艺生产设备

?

给定值:生产中要求保持的工艺指标

?

偏差:在自动化系统中,e=x - z 给定值x大于测量值z时

为正偏差,反之为负偏差;但在单独讨论调节器时,正好相反,

即e=z - x。

? 系统的过渡过程:调节系统在受干扰作用后,在调节器的控 制下,被调参数随时间而变化的过程。如果调节正常的话,这 个过程是一个衰减振荡的过程。

? 传递函数及方框图

x + e 调节器 -

调节阀 变送器

对象 H

53

二、自动控制基础知识
控制质量指标 衰减比:表示系统的衰减程度的标志,η=B1/B2(4:1~10:1常
用) 最大偏差A 振荡周期Pu 余差C:过渡过程结束后,新稳定值与给定值之差 过渡时间T:从被调参数变化之时起,直到进入新的稳态值的
±5%所需的时间
54

二、自动控制基础知识

参数
?

Pu

100%

给定

B1

B2

A T

±5%

0% 自动控制系统的过渡过程
55

二、自动控制基础知识
? 调节器:根据偏差,按一定的运算规律产生输出信号。
? 比例P、积分I、微分D 比例P:有两种表示方式:比例带δ%和增益K,K=1/ δ% ,
K增大,系统的稳定器变差,控制质量提高。 纯比例调节时,K =输出/输入 积分I:积分时间以Ti(分)来表示,积分作用的基本目的是在 系统经受干扰后使系统输出返回设定值(即消除余差)。 Ti↑ 系统稳定性↑, Ti↓积分作用越强。 微分D:微分时间以Td(分)来表示,微分作用的基本目的是能 补偿容量的滞后,使系统稳定性改善,从而允许使用高的增益, 并提高响应速度。 Td ↑作用强,太强会振荡。
56

二、自动控制基础知识

?比例控制P:比例,输出与偏差成比例,但不能消除余差,它是以“偏差的大 小”来动作的。
Ut ? K ? e(t) ? U0
?比例积分控制PI:积分,输出与偏差对时间的积分成比例,消除余差,它以 “偏差是否存在”来动作

?

1t

? Ut

? K ? (e(t)? Ti

0 edt) ? U0

?比例积分微分控制PID:微分,输出与偏差变化的速度成比例,有超前调节的

作用,对滞后大的对象有很好的效果。

? U t

?

K ? (e(t)

?

1 Ti

t 0

edt

?

TD

de(t) ) dt

?

U0

57

二、自动控制基础知识

?调节器参数的整定

系统 δ%

Ti分 Td分

经验法(如表)

温度 20~60 3~10 0.5~3

a、流量系统PI控制 b、液位系统P控制 c、压力系统PI控制

流量 40~100 0.1~1 压力 30~70 0.4~3

d、温度系统PID控制

液位 20~80 (>10)

临界比例带法

比例调节,慢慢增大K,直至临界等幅振荡,测出Kmax和Pu

Pu
衰减曲线法 响应曲线法

控制

K

Ti

Td

P

0.5 Kmax

PI 0.45 Kmax 0.83 Pu

PID 0.6 Kmax 0.5 Pu 0.12 Pu
58

三、调节阀
?调节阀的结构原理 ?调节阀=执行机构+阀体 部件
59

?调节阀执行机构
?执行机构:调节阀的推动装 置,它按信号压力的大小产生 相应推力,使阀杆相应的位移、 阀芯动作。

三、调节阀

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9

零件名称

吊环螺母

上 膜盖









限位件

行程档块

六角螺母





防雨帽

序号 10 11 12 13 14 15 16 17 18

零件名称

下膜盖

六 角螺栓









导向套









阀杆连接部件





60

三、调节阀
?调节阀解体图
?阀体部件:调节阀的调节部分, 它直接与介质接触,由阀芯的动 作,改变调节阀节流面积,达到 调节的目的。
61

三、调节阀
? 执行机构:分气动薄膜执行机构、气动活塞执行机构和长执行机构。 ? 气动薄膜执行机构: ? 分正、反两种形式。当信号压力增加时,阀杆向下动作的叫正作用执行
机构。反之,信号增加阀杆向上的叫反作用执行机构。通常接受 20~100KPa的标准信号压力,带定位器时,最高压力为250KPa,其行程 规格有10、16、25、40、60、100mm六种。 ? 气动活塞执行机构: ? 比上述更强力的输出机构,其压力可达500KPa,而且无弹簧抵消推力, 输出力大,适用于大口径、高静压、高压差阀和蝶阀。 ? 气动长行程执行机构: ? 具有行程长、转矩大的特点,它将信号气压转变成相应的转角(0~900) 或位移(200~400mm),适合于角行程调节阀的需要,多用于大转矩的 蝶阀、闸阀、风门等。
62

三、调节阀

? 阀体部件(如图所示)
直通单座阀:泄漏量小、许用压差小、 流通能力小。
直通双座阀:许用压差大、流通能力大、 泄漏量大。不适用于高粘度、 含 悬浮颗粒的流体
套筒调节阀:稳定性好,不易引起阀芯 振动;互换性和通用性强,只要更 换套筒就可得到不同的流量系数和 流量特性;许用压差大,热膨胀影 响小,;维修方便,阀座是通过螺 纹与阀体相连的;使用寿命长;噪 音低(比单、双座阀低10分贝)

1、直通单座;2、直通双座;3、 角形;4、隔膜阀;5、蝶阀;6、 阀体分离阀;7、合流型三通调节 阀;8、分流型三通调节阀

63

三、调节阀
偏心旋转阀: ⑴流路简单,阻力小,用物含固体悬浮物和高粘度的流体调节较
为理想 ⑵流通能力较大,比同口径的单、双座阀大10~30%,可调比大,
可达100:1 ⑶阀芯球面偏心旋转运动减少了所要求的操作力矩,在流开流闭
下都能稳定操作,在高压差下能顺利使用,同时用较小的力就 能严密关闭,所以泄漏量小。 ⑷可通过改变定位器中凸轮板位置,方便地得到直线或等百分比 流量特性 ⑸体积小,重量轻,可根据现场安装位置,不更换任何零件灵活 组装
64

三、调节阀

角形阀:角形调节阀除阀体为直角形外,其他结构与直通单座阀 调节阀相似

? ⑴流路简单,死区和涡流区较小,借助介质自身的冲刷作用, 可有效地防止介质堵塞,有较好的自洁性能

? ⑵流阻小,流量系数比单座阀大,相当于双座阀的流量系数

?

它适用于高粘度、含悬浮物和颗粒状流体的场合,或用于

要求直角配管的地方,其流向一般为底进侧出。

高压调节阀:适用于高静压和高压阀调节的特殊阀门,最大公称 压力为32MPa,常见的结构有多级阀芯和单级阀芯。多级阀芯 是几个阀芯串在一起相当几个阀逐渐降压,但这种阀结构较复 杂,调节性能差,应用较少;单级阀芯多为角形单座,但在高 压差下,流体对阀芯、阀座的冲刷和气蚀严重,使用寿命短。

65

三、调节阀
蝶阀(翻板阀):流通能力大,约为同口径双座阀的1.5~ 3倍; 阻力损失小;沉积物不易积存;结构紧凑,安装空间很小。但 操作转矩大,泄漏量较大,可调范围小。 特别适用于低压差、大口径、大流量的气体和浆状液体
O型球阀:可起调节和切断作用,常用于两位式控制。它流路简 单,全开时完全形成直管通道,压力损失最小,特别适用 于 高粘度、悬浮液、纸浆等流体场合。密封可靠,泄漏量很小, 软密封球阀可达到气泡级密封。
V型球阀:流通能力大,比普通阀高2倍以上;控制特性好,为等 百分比;可调范围大,可达300:1;具有剪切作用,能严密 关闭,适用于浆料、纤维状流体场合。主要缺点是操作压力受 到限制,高压降时不适用。
66

三、调节阀
隔膜调节阀:隔膜调节阀用耐腐蚀衬里的阀体和膜片代替阀芯和 阀座,由隔膜起调节作用
优点:1、用橡胶等材料做隔膜,抗腐蚀性能好。 2、结构简单,流路阻力小,同时能严密关闭。 3、流通能较同口径的其他阀大。 4、流体被隔膜与阀门可动部件隔开,无需填料也不会外泄
缺点:1、由于隔膜和衬里材质限制,耐压、耐温较低,一般只 能用于1.6MPa、150℃以下。 2、控制特性差,可调范围小,流量特性近似快开特性,60% 行程前近似线性,60%后流量变化很小。 隔膜调节阀适用于强酸、强碱等强腐蚀介质的调节,也能用于 高粘度及悬浮颗粒流体的调节。
67

三、调节阀
?调节阀的流量特性:快开、线性、等百分比、抛物线 ?调节阀的流开、流闭

正装

反装

正装

反装

流开状态
?调节阀的气开、气关

流闭状态

执行机构

阀体部件

调节阀





气关

?





气开





气开





气关

?随信号增大,阀门开度增大的叫气开,选择调节阀的气开/关型式,应从装置和设备的安全性来考虑。

68

三、调节阀

? 调节阀的流量特性:快开、线性、等百分比、抛物线

? 调节阀为什么选等百分比阀较多?

?

q=αf △P

?

阀位变时阀前后总差压△P 也变,q也变,即流

量特性同同往上移,所以选等百分比阀较多。

? 当调节阀两端差压比较小时,对象是线性对象,则 选线性阀

1
2 3 4

? 调节阀正常可调范围一般控制在20~80%

1、快开;2、线性; 3、抛物线;4、等 百分比

69

三、调节阀

? 为了调节阀的快速响应和定位精定,使用中的调节阀一般均配 有定位器

? 目前我厂用的定位器种类非常多,从纯气动型到智能型都有, 就原理而言,只

?

有两种:长排气式和

?

节能式(西门子)

? 调节阀的流通能力

?

(c值):阀前后压差为

?

0.1MPa,介质密度为

?

1g/cm3时,每小时通

?

过阀门的流量(t/h)

70

五、联锁系统的构成

?

?

联锁保护系统是按生产装置的工艺过程和设备要求,使

相应的执行机构动作,或自动启动备用系统,或实现安全停车

的系统。联锁保护系统要既能保证生产装置和设备的正常开、

停、运转,又能在工艺过程出现异常时,按规定的程序保证安

全生产,实现紧急操作、安全停车、紧急停车或自动投入备用

设备。联锁保护系统的安全可靠运行对实现生产装置的正常生

产和设备的正常运行至关重要。

71

五、联锁系统的构成

?

?

信号报警和联锁保护系统通常由以下三部

份构成:

1 发信元件

2 执行元件

3 逻辑元件

72

五、联锁系统的构成
? 基础知识:
联锁保护动作通过继电器的输出来实现,但在DCS输出型式为三极管 的情况,为了防止反向击穿,应加上反向二极管放电。 触点常开、常闭:正常操作情况下触点断开为常开,反之为常闭 反逻辑、正逻辑:正反逻辑起源:在数字电路中,输出信号与输入信号之间 有一定的逻辑关系,例如非门,当输人信号为高电平时,输出为低电平;反之, 当输入为低电平,输出为高电平。为了方便,在逻辑电路中用符号1和0来表 示高电平和低电平两种状态,换言之即高电平是逻辑“1”,低电平是逻辑 “0”。这是一种人为的规定,亦可以反过来将高电平定为逻辑“0”,低电平 定为逻辑“1”。由于大多数数字电路采用的是正电源、硅管电路,用高电平 作逻辑1、低电平作逻辑0比较方便,所以定为用1表示高电平。正、负逻辑 只是规定不同,没有好坏之分。 如令H=1,L=0,则称之为正逻辑体制,与此相反,若令H=0,L=1,则称 之为负逻辑体制。 ? 一般满足正常条件为1(或通电为1),为正逻辑,即1动作。为非故障安 全型。通常情况下常通电,故障或动作时断电(0),为负逻辑。
73

五、联锁系统的构成

?

在联锁保护逻辑中,一次原件输入信号尽量不要单取,

容易引起误动,为了解决单取的误动作,引入了二取二,当两

个信号同时动作时,才发生联锁。但这引来了新的问题,就是

拒动,当一个信号坏掉永运不动时,二取二就不起作用。

?

工业控制中,重要联锁最好是三取二去联锁(三取中值

去控制)。这兼顾了安全,又兼顾了成本。

?

在联锁保护中,一次原件的输入,应设置旁路开关;机

泵等应设置手/自动开关。

?

联锁动作后,应设置手动复位才能重新运行。

74


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