2011.11自动化仪表基础知识培训

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自动化仪表基础知识培训

吐哈石化厂 董合林

2011.11.15

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自动化的基础检测、调节单元(与设定值)输出调节、 检测、调节单元(与设定值)输出调节、执行机构 检测——自动控制的基础 检测——自动控制的基础 比较调节仪表(控制器)——接收检测信号 接收检测信号， 比较调节仪表(控制器)——接收检测信号，与设定值做比 输出调节作用，现在，调节功能一般由DCS实现， DCS实现 较，输出调节作用，现在，调节功能一般由DCS实现，控 制器为DCS内部仪表。我厂DCS 用得是日本横河CS3000 DCS内部仪表 CS3000。 制器为DCS内部仪表。我厂DCS 用得是日本横河CS3000。 执行机构(执行器)——一般指调节阀 一般指调节阀， 执行机构(执行器)——一般指调节阀，是调节作用的具体 执行者。 执行者。

简单控制系统的方块图吐哈油田石油天然气化工厂

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典型控制回路 液位控制——通过控制出料量 液位控制——通过控制出料量

气动阀，气开 气动阀，LIC I/P

FC Failure Closed

LT

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液位控制——通过控制出料量 液位控制——通过控制出料量I/P LIC

气动阀，气关 气动阀，FO Failure Open

LT

气开、气关都可以调节流量、 气开、气关都可以调节流量、控 制液位。调节阀气开、 制液位。调节阀气开、气关阀选 择，主要根据工艺生产的需要和 安全要求来决定的； 安全要求来决定的；原则是当信 号压力中断时， 号压力中断时，应能确保工艺设 备和生产的安全。 备和生产的安全。如果阀门处于 全开位置安全性高， 全开位置安全性高，则应选用气 关阀，反之， 关阀，反之，则应选用气开式阀 。 比如燃气阀一般选择气开阀( 比如燃气阀一般选择气开阀(故 障关), ),本例中气开气关的选用 障关),本例中气开气关的选用 原则为保证有液位—— ——有液位更 原则为保证有液位——有液位更 安全。 安全。如果容器内无液体更安全 ，则选用相反的调节阀

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左气开阀、右气关阀气开阀即随着信号压力的增加而打开， 无信号时，阀处于关闭状态。 气关阀即随着信号压力的增加，阀逐渐 关闭，无信号时，阀处于全开状态。吐哈油田石油天然气化工厂

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1.1 化工检测仪表的定义

在化工生产中， 在化工生产中，为了有效地进行生产操 作和自动控制， 作和自动控制，需要对工艺生产中的 主要参数进行自动检测。 主要参数进行自动检测。用来检测这 些参数的仪表称为化工检测仪表. 些参数的仪表称为化工检测仪表 常见的检测仪表有：温度、压力、液位、 常见的检测仪表有：温度、压力、液位、 流

量。 流量。 可分类为就地指示、远传仪表( 可分类为就地指示、远传仪表(带电信 号)。吐哈油田石油天然气化工厂

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1.2常见的温度检测仪表 1.2常见的温度检测仪表

双金属温度计吐哈油田石油天然气化工厂

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双金属温度计的原理

基于固体受热膨胀原理， 测量温度通常是把两片线 膨胀系数差异相对很大的 金属片叠焊在一起，构成 双金属片感温元件(俗称 双金属温度计)。 当温度变化时，因双金 属片的两种不同材料线膨 胀系数差异相对很大而产 生不同的膨胀和收缩，导 致双金属片产生弯曲变形。

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双金属温度计的结构和特点： 双金属温度计的结构和特点： 双金属温度计的感温双金属元件的形状有平 面螺旋型和直线螺旋型两大类， 面螺旋型和直线螺旋型两大类，其测温范围 大致为-80℃—600℃,精度等级通常为1.5 大致为-80℃—600℃,精度等级通常为1.5 级左右。 级左右。

双金属温度计抗振性好， 读数方便， 双金属温度计抗振性好 ， 读数方便 ， 但精度 不太高，只能用做一般的工业用仪表。 不太高，只能用做一般的工业用仪表。

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热电阻原理

金属导体或半导体的电阻值随温度变化 的性质，将电阻值的变化转换为电信号， 从而达到测温的目的。吐哈油田石油天然气化工厂

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我厂所用的热电阻都是铂电阻Pt100,这是目 前工业最常用的，其特性曲线可近似为线性。 热点阻接线方法可能是两线、三线、或四线的 ，其中三线最常见，也是我厂应用的。

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Pt100 铂热电阻分度表(0-100℃部分) 铂热电阻分度表( ℃部分)

pt100分度表 pt100分度表℃ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ℃

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

100.00 103.90 107.79 111.67 115.54 119.40 123.24 127.07 130.89 134.70 138.50

100.39 104.29 108.18 112.06 115.93 119.78 123.62 127.45 131.27 135.08 138.88

100.78 104.68 108.75 112.45 116.31 120.16 124.01 127.84 131.66 135.46 139.26

101.17 105.07 108.96 112.83 116.70 120.55 124.39 128.22 132.04 135.84 139.64

101.56 105.46 109.35 113.22 117.08 120.93 124.77 128.60 132.42 136.22 140.02

101.95 105.85 109.73 113.61 117.47 121.32 125.16 128.98 132.80 136.60 140.39

102.34 106.24 110.12 114.99 117.85 121.70 125.54 129.37 133.18 136.98 140.77

102.73 106.63 110.51 114.38 118.24 122.09 125.92 129.75 133.56 137.36 141.15

103.12 107.02 110.90 114.77 118.62 122.47 126.31 130.13 133.94 137.74 141.53

103.51 107.40 111.28 115.15 119.01 122.86 126.69 130.51 134.32 138.12 141.91

103.90 107.79 111.67 115.54 119.40 123.24 127.07 130.89 134.70 138.50 142.29

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 90.00 100.00

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热电阻的结构 三引线(注意：三引

线中两根 在一起)

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热阻为什么采用多线接法

热电阻的接线有三线、四线制接线方法， 热电阻的接线有三线、四线制接线方法，这是从设计的角度考虑了热电 阻导线电阻引起的误差，热电阻到仪表的距离是不确定的， 阻导线电阻引起的误差，热电阻到仪表的距离是不确定的，也就是导 线的电阻是不确定的，而导线电阻直接引来温度测量误差， 线的电阻是不确定的，而导线电阻直接引来温度测量误差，对于 Pt100热电阻 热电阻1 相当 相当2.6℃,我厂中控 热电阻 相当 ℃ 我厂中控DCS到气分工段测温点的导 到气分工段测温点的导 线电阻大约有5-6 (与距离有关系),导线电阻误差不可忽视。 ),导线电阻误差不可忽视 线电阻大约有 (与距离有关系),导线电阻误差不可忽视。 两线制热电阻测量方法不能消除导线电阻误差， 两线制热电阻测量方法不能消除导线电阻误差，适合不需要精确温度测 量的场合，使用时可以预先测量出导线的电阻， 量的场合，使用时可以预先测量出导线的电阻，折合成温度后在测量 结果中扣除， 结果中扣除，当然这是一种粗略的补偿方法 。 四线制热电阻测量方法能够完全消除导线电阻的误差，适合实验室内进 四线制热电阻测量方法能够完全消除导线电阻的误差， 行精密的电阻测量使用，由于导线比较多，在工业测量中比较复杂， 行精密的电阻测量使用，由于导线比较多，在工业测量中比较复杂， 一般不采用四线制测量方法；三线制热电阻测量方法是比较常用的方 一般不采用四线制测量方法； 法，既能消除导线电阻误差，接线也比较简单，是比较专业的温度测 既能消除导线电阻误差，接线也比较简单， 量方法。消除导线电阻的前提是：三根导线是相同的材质、相同的线 量方法。消除导线电阻的前提是：三根导线是相同的材质、 相同的长度。 径、相同的长度。吐哈油田石油天然气化工厂

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热电偶测温原理什么是热电偶? 什么是热电偶– – –

两种异型金属形成的结点. 两种异型金属形成的结点 只要引自该结点的导线的另一端的温度与结点温度有所不同,该温 只要引自该结点的导线的另一端的温度与结点温度有所不同 该温 度差将会在这一点的导线间产生与温度成正比的MV电势 电势! 度差将会在这一点的导线间产生与温度成正比的 电势 温度高的一端称之为热端,反之为冷端 反之为冷端. 温度高的一端称之为热端 反之为冷端工艺温度该MV数可以由标准化的 标度表格查到!

热端

+

冷端

DT

MV

作为实用性测温技术,冷端的温度必须知道!

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铠装

热电偶的结构铠装热电偶，是将热电偶丝和绝缘材料一起紧压在金属保护管中制成 的热电偶。

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温度变送器前面所说的热电偶和热电阻都是传感器(sensor ),是温度敏感元件。 变送器(transmitter): 组成：把信号变换器与传感器做成一 体时，成为变送器。 国家标准的定义：使输出为规定标准 信号的装置称为变送器。 标准信号： DC 4-20mA 、1-5V (还有其他种类的标准信号)。电气 零点不是从零开始，不但利用了晶体 管的线性段，而且容易识别断电、断 线等故障 。 一体化温度变送器( 一体化温度变送器(右、上) 相对热阻和热偶，温度变送器精度高一些， 可靠性更强。 溶剂吸收重要的温度测点都用的变送器， DCS上仅仅用来显示的TI-XXXX的全 是热阻，而带控制作用的TIC-XXXX 的温度检测用得全是一体化温变。

信号转换器(右图) 信号转换器(右图)吐哈油田石油天然气化工厂

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一体化温度变送器测温的过程( Pt100为例 为例) 一体化温度变送器测温的过程(以Pt100为例)

1、铂热电阻的作 用：将测量温度的 变化转变为电阻值 的变化

2、温度转换器的作用：将 传感器(测量敏感元件，本 例中为热电阻)的变化转变 为标准信号(4-20mA)输出 给DCS,变送器的量程为0100℃或者说信号转换器的 量程为100Ω-135Ω。

3、指示模块(DCS内 部仪表)的作用：把 变送器所输入的标准 信号转变为示值，指 示模块的刻度量程为 0-100℃

从1到2为变送器的工作原理，即把现场0-100℃的 温度变化转变为标准信号输出

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量程设置的问题

变送器和DCS通讯仅赖于标准信号 变送器和DCS通讯仅赖于标准信号 如果变送器的量程和DCS内部指示仪表设置量程不一致会怎样 内部指示仪表设置量程不一致会怎样？ 如果变送器的量程和DCS内部指示仪表设置量程不一致会怎样？ 如果现场安装的变送器量程为0 100℃ 中控DCS指示模块的量程为 指示模块的量程为0 如果现场安装的变送器量程为0-100℃,中控DCS指示模块的量程为0200℃ 会出现怎样的结果？ 200℃,会出现怎样的结果？ 答：中控的示值会是实际测量温度的一倍。 中控的示值会是实际测量温度的一倍。

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热偶、 热偶、热阻与一体化温变的区别

热电阻RTD(RESISTENT TEMPERATURE DECTOR ) :输 ( 热电阻 出标准化电阻信号，一般为三线制。信号可以远传，灵敏度高， 出标准化电阻信号，一般为三线制。信号可以远传，灵敏度高，无需 参比温度；但是需要激励、有自热现象，影响测量精度。 参比温度；但是需要激励、有自热现象，影响测量精

度。 热电偶TC: ( thermocouple ) :输出标准化电势信号，一般为 输出标准化电势信号， 热电偶 二线制，测温范围宽，性能稳定，有足够的测量精度，输出为电信号， 二线制，测温范围宽，性能稳定，有足够的测量精度，输出为电信号， 可以远传，需参比温度。 可以远传，需参比温度。 选择热偶还是热阻主要看检测点的温度和检测精度要求， 选择热偶还是热阻主要看检测点的温度和检测精度要求，热偶主要用 于高温测量 。 一体化温变(温度变送器): ):热电阻和热电偶都是可以通过加一个信 一体化温变(温度变送器):热电阻和热电偶都是可以通过加一个信 号转换模块而变成相应的一体化测温原件，一般为二线制输出4~ 号转换模块而变成相应的一体化测温原件，一般为二线制输出 ~ 20mA标准信号。距离较远，现场环境不好、干扰源太多等情况时， 标准信号。 标准信号 距离较远，现场环境不好、干扰源太多等情况时， 可直接选用一体化温变。 可直接选用一体化温变。 三者都能远传信号至DCS:需要配置相应接口卡。石化厂气分工段用 三者都能远传信号至 ：需要配置相应接口卡。 得热电阻；反应器周围用热电偶；焚烧炉用一体化温变(以热偶为传 得热电阻；反应器周围用热电偶；焚烧炉用一体化温变( 感器);溶剂吸收用热阻，部分用一体化温变(以热阻为传感器)。 );溶剂吸收用热阻 感器);溶剂吸收用热阻，部分用一体化温变(以热阻为传感器)。

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1.3 压力检测仪表在压力测量中，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。

我们生活的空间里充满 了大气，而压力的测量 正是基于大气压进行的 。也就是说，通常是测 量和显示所测压力与大 气压间的差压。这个差 压称为表压，压力单位 的后边应该带有“G”, 但通常都被省略了。

p表大气压力线

P绝

P真

P绝绝对压力零点线

绝对压力、表压、负 压(真空度)的关系

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