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仪表自动化基础知识2目录第一章测量仪表基础知识第二章集散控制系统第三章可编程控制器第四章调节阀第五章自动控制系统第六章信号报警及联锁系统第一章测量仪表基础知识3第一节压力测量仪表1.1.1概述：在化工生产中，工艺条件要求很不一样，有的要求在高压下进行，如氢气和氮气、合成氨气的压力为32MPa，高压聚乙烯的压力为150MPa。压力过高要发生严重事故，压力过低则产品的质量、产量达不到指标。有的产品则要在真空中进行，如液体烧碱要在几十个KPa的真空下蒸发，真空度不够，蒸发速度缓慢，生产效率变低，可见压力测量对化工生产有一定的重要性。测量压力的仪表常称为压力表或压力计。测量真空度的仪表称为真空表或负压计。有的压力表既有压力刻度标尺，又有真空度刻度标尺，称为联成计。一、压力的基本概念压力就是垂直作用在物体单位面积上的力，在物理学中称为压强。它由受力的面积和垂直作用力的大小决定，方向指向受压物体，可用下式表示P=F/S或中P-----压力，帕（Pa）F-----垂直作用力，牛（N）S-----受力面积，米2（m2）二、压力的单位及不同单位制的换算压力以及以后所述的流量测量中的计量单位，除了长度、质量和时间三个基本单位外，其它如压力、力、密度、粘度等等均为导出单位。我国法定计量单位，以国际单位制为主，又允许某些并用单位。过去工厂所用仪表多是工程单位制、绝对单位制，现在应改为法定单位。在国际单位制中，压力的单位是帕斯卡，简称帕（符号为Pa），这是一个导出单位，定义为：1帕=1牛顿/米2即1牛顿的力垂直均匀作用在1米2的面积上所形成的压力值叫1帕，它的基本单位表示如下：1帕=1牛顿/米2=1公斤*米*秒-2/米2=1公斤*米-1*秒-2过去经常用的压力单位还有：物理大气压、工程大气压、毫米汞柱、毫米水柱等。各种压力单位按照定义相换算，例如：1工程大气压=1公斤力/厘米2=1公斤*9.80665米*秒-2/10-4米2=9.80665*104帕三、大气压力、表压力、绝对压力、负压力（真空度）在压力测量中常有大气压力、表压力、绝压力、负压力（真空度）之分。4绝对压力是指介质所受的实际压力。大气压力是指由于空气柱的重力作用在底面积上所产生的压力，我们所处的环境中，到处都是大气压力的作用。工程上所用的压力指示值，多为表压力，它是绝对压力和大气压力之差。即为p表压=p绝对压-p大气压大气压力即物理大气压，又称标准大气压，常以P0表示，符号为atm。一个标准大气压等于101325Pa。绝对压力=表压与大气压之和，过去工程上计算压力时，常以kgf/cm2为计算单位，常用表压力加1表示被测压力的绝对压力。当被测压力低于大气压力时，则称为负压力和真空，它是大气压力与绝对压力之差。P负压（真空度）常以表压的负值来表示，如上述P负压=81325Pa，则表压为-81325Pa。过去工程上常用的mmHg或mmH2O来表示负压，它们与法定单位的换算关系为：1mmHg=133.3224Pa常简化为133Pa。由于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或真空来表示压力的大小。用压力表测量得到的压力数值，实际上也都是表压（或真空度），因此，以后所提到的压力，如无特别说明，均为表压（或真空度）。两个压力相比较的差值为压力差。压力差常称为压差或差压，应该指出的是P-是指较P+为低的压力，不一定是指负压力。四、压力的测量与压力计的选择压力测量原理可分为液柱式、弹性式、电阻式、电容式、电感式和振频式等等。压力计测量压力范围宽广，可以从超真空如133*10-13Pa直到超大高压280MPa。压力计从结构上可分为实验室型和工业应用型。压力计的品种繁多，因此根据被测压力对象很好地选用压力计就显得十分重要。1、就地压力显示当压力在2.6KPa到69MPa时，可采用膜片式压力表、波纹管压力表和波登管压力表，如接近大气压的低压测量时，可用膜片式压力表或波纹管式压力表，2、远距离压力显示若需要进行远距离压力显示时，一般用气动或电动压力变送器，也可用电气压力传感器。当压力范围为140~280MPa时，则应采用高压压力传感器。当5高真空测量时可采用热电真空计。3、多点压力测量进行多点压力测量时，可采用多点巡回压力检测仪。若被测压力达到极限值需报警时，则应选用附带报警装置的各类压力计。正确选择压力除上述几点考虑以下几点（1）量程的选择根据被测压力的大小确定仪表量程。对于弹性式压力表，在测稳定压力时，最大压力值应不超过满量程的3/4；测波动压力时，最大压力值不超过满量程的2/3。最低测量压力应不低于全量程的1/3。（2）精度的选择根据生产允许的最大测量误差，以经济、实惠的原则确定仪表的精度选编。一般工业用压力表1.5或2.5级已足够，科研或精密测量用0.5级或0.35级的精密压力表或标准压力表。（3）使用环境信介质性能的考虑环境条件恶劣，如高温、腐蚀、潮湿、振动等，被测介质的性能，如温度的高低、腐蚀性、易结晶、易燃、易爆等等，以此来确定压力的种类和型号。（4）压力表外形尺寸的选择现场就地指示的压力表一般表面直径为100mm，在标准较高或照明条件差的场合用表面直径为200~250mm的，盘装压力表直径为150mm，或用矩形压力表。三、压力传感器压力传感器是压力检测系统的重要组成部分。由各种压力敏感元件将被测压力信号转换成容易测量的电信号作输出，给显示仪表显示压力值，或供控制和报警用。1、应变式压力传感器应变式压力传感器是把压力的变化转化的电阻的变化来进行测量的，应变片是由金属导体或半导体制成的电阻体，其阻值随压力所产生的应变而变化，对于金属变化率为△R/R的表达式为：△R/R≈（1+2μ）ε式中μ——材料的泊松系数ε——应变量图2—1—9P178（仪表工手册）6在图中应变筒中的上端与外壳2固定在一起，下边与密封膜片3紧密接触，两片康铜丝应变片R1和R2用特殊胶合剂粘贴在应变筒的外壁上，R1沿应变筒的轴向粘贴作为测量片，R2沿应变筒的径向粘贴作为温度补偿片，必须注意，应变片和筒体之间不能产生相对滑动，并且要保持电绝缘，当测量压力P作用于膜片而合应变筒作轴向受压变形时，沿轴向贴置的应变片R1也将产生轴向贴放压缩应变，于是R1的阻值变小；而沿径向产生向贴放的应变片R2，由于应变筒的径向产生了拉伸变形，也将产生拉伸应变，于是R2的阻值变大。应变片R1、R2与另两个固定电阻R3、R4组成一个桥式电路，由于R1和R2的阻值变化使桥路失去平衡，从而获得不平衡电压作为传感器的输出信号，本传感器桥器的电源为10V（直流最大的输出为5mV直流信号，再经前置放大成为电动单元组合仪表的输入信号。BPR-2型压力传感器有0~1MPa、0~10MPa、0~30MPa等多种量程可供选用，选择时测量上限一般不超过仪表量程的80%为宜，本传感器主要适用于变化快的压力测量，其非线性及滞后误差小于1%2、压电式压力传感器压电式压力传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应，目前广泛使用的压电材料有石英和钛酸钡等，当这些晶体受压力作用发生机械变形时，在其相对的两个侧面上产生异性电荷，这种现象称为“压电效应”。晶体上所产生的电荷的大小与外部施加的压力成正比，即：q=np式中q----压电量（电荷数）n----压电常数p----外部施加的压力这种压力传感器的特点是：体积小，结构简单，不需要外加电源，灵敏度和响应频率高，适用与动态压力的测量，广泛地应用于空气动力学、爆炸力学、发动机内部燃烧压力的测量等等。其测量范围可从0~700Pa到0~70MPa，精确度可达0.1%。压电式传感器的结构如图所示。图中，由受压薄壁筒给出预载力，并将一绕性材料制成非常薄的膜片进行密封。预载筒外的空腔可以连接冷却系统，以保证传感器工作在环境温度一定的条件下，这样就避免了因温度变化所造成的预载力变化而引起测量误差。3、光导纤维压力传感器光导纤维压力传感器与传统的压力传感器相比，有其独特的特点：利用光波传导压力信息，不受电磁干扰，电器绝缘好，乃腐蚀，无点火花，可以在高7压、易燃易爆的环境中测量压力、流量、液位等。它灵敏度高，体积小，可绕性好，可插入狭窄的空间中进行测量，因此而得到重视，并且得到迅速发展。如图所示为Y型光导纤维压力传感器结构原理图。它由金属膜片环、Y型光导纤维、光源、光接受器及支架等组成。膜片与Y型光导纤维端面间距离约为0.1mm。这种传感器能测0~35MPa动态压力，也可测量低压，输出压力较大。当被测压力作用于膜片杯时，膜片发生位移，从而改变了光导纤维与膜片之间的距离，使光导纤维接受到反射光量变化，这光量由光电元件接受器接受，并且转换成电量，经放大器放大后，显示被侧压力值。传感器要求光源稳定，否则要采取补偿措施，以消除光源波动对测量结果的影响。四、压力变送器需要在控制室内显示压力的仪表，一般选用压力变送器或压力传感器。对于爆炸危险场所，常选用气动压力变送器、防爆型电动Ⅱ型或Ⅲ型压力变送器；对于微压力的测量，可采用微差压变送器；对粘稠、易堵、易结晶和腐蚀强的测量介质，宜选用带法兰的膜片式压力变送器，在大气腐蚀场所及强腐蚀性等介质测量中，还可选用1151系列或820系列压力变送器。QBY气动压变是QDZ系列气动单元组合仪表中的一个品种，它用测量生产过程中各种液体、蒸汽以及气体的压力、负压和绝对压力。气体压力变送器的结构除了测量部分外，转换部分与气动差压变送器相同。压力变送器测量部分的测压敏感元件所产生的测量力的大小范围约为50~100N，最高不超过150N。根据这一要求，敏感元件的选择依据由测压范围而定。测量0~2.5MPa低压的敏感元件一般是用黄铜或不锈钢制成的波纹管，其结构原理如图所示。当被测压力p进入测量室后，经测量波纹管转换成测量力，通过推杆作用在主杠杆上，传递到气动转换部分。测量中，高压的敏感元件一般采用铬钢制成的包端管，它的测量原理是利用包端管末端产生的径向分力，通过推杆2作用在主杠杆3的下端，带动变送器的气动转换部分动作。图2-1-14为绝对压变测量部分的结构原理图，主要有两个不锈钢波纹管组成。波纹管1为测量波纹管，波纹管2为补偿波纹管，被抽成真空，两个波纹管的有效面积相等。即A1=A2。当被测压力P1进入测量波纹管1时，在被测压力P1与大气压力P2的压作用下，测量波纹管产出一个推力：F1=P1A1-P2A2由于补偿波纹管已被抽成真空，所以它仅仅受到周围大气压P2的作用，它所产生的压缩力为：F2=P2A28则作用在主杠杆4上的合力为F=F1+F2=P1A1-P2A1+P2A2=P1A1从上式知，测量力F与被测压力P1成正比，而与大气压力P2无关，所以测得的压力为绝对压力，无论大气压力如何变化，大气压力对波纹管1与对波纹管2作用所产生的力总是相互抵消的，这就补偿了由于大气压力变化而引起的测量误差，它的测量范围最小约为1.4KPa，最大可达220KPa。第二节物位测量仪表1.2.1概述在化工生产中，对某些设备内的物位进行测量和调节也是十分重要的。它能为正常生产和质量管理以及经济核算，提高经济效益提供可靠的依据。在连续生产过程中，维持某些设备内的稳定（如锅炉、蒸发器、吸收塔)等,对保证生产安全、优质、高产等也是必不可少的。一、物位测量的概念我们把存在于罐、塔、槽以及自然界中的江、湖、水库等中的液体或水积存的相对高度或表面位置叫做液位；把存在于料斗、罐、储仓，堆场等处的固体块、颗粒、粉料等堆积的相对高度或表面位叫做料位；把在同一容器中，两种密度不同且互不相溶的液体之间或液体和固体之间的分界面（亦称相界面）位置叫做界位。上述液位、料位、界位总称为物位。用来对物位进行测量、报警和自动调节的自动化仪表称物位测量仪表。二、物位测量仪表的分类按工作原理分，物位测量仪表可分成直读式（包括玻管式、玻板式两类，而玻板式又可分为透光式和折光式两种），浮力式（包括恒浮力式，变浮力式两类，而恒浮力式又可分为浮标式与浮球式，其中浮球式还可分为内浮式和外浮式）、静压式（包括压力式和差压式）、电磁式（包括电阻式、电容式、电感应式等）、声波式、核辐射式等。1.