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自動化儀表根據能源的種類，還可以分為電動、氣動等儀表。其中氣動儀表的出現比電動儀表早，而且價格便宜，結構簡單，特別對石油化工等易燃易爆的生產現場，具有本質性的安全防爆性能，因而在相當長的一段時間里，一直處于優勢地位。

目前，我國電動儀表中并存著兩種標準信號制度，在DDZ-Ⅰ和DDZ-Ⅱ型儀表中采用0~10毫安直流電流作為標準信號，而在DDZ-Ⅲ型儀表中，采用目前上統一的4~20毫安直流電流作為標準信號。從安全防爆、減少損耗、節省能量考慮，信號電流的滿度值都希望選小一些。但太小也有困難，起點電流太小將會給兩線制儀表帶來困難，因為它將要求降低整個儀表在零信號時消耗的總電流。而在目前的元器件水平下，起點電流比4mA再小有時將發生困難。因此，目前上采用4～20mA作為標準信號。有利于識別儀表斷電、斷線等故障，且為現場變送器實現兩線制提供了可能。

儀表分類、結構、原理和常見故障、分析、判斷、處理

1、檢測與過程控制儀表（通常稱自動化儀表）分類方法很多很多：

根據能源分：氣動、電動、液動、核能等；

根據組合：基地式、單元式、綜合控制；

根據安裝：現場、盤裝、架裝；

根據是否可引入計算機：智能、非智能；

根據儀表信號形式：模擬儀表、數字儀表；

通用的分類是按儀表在測量與控制系統中的作用進行劃分：檢測儀表、顯示儀表、調節儀表、執行器。

2、溫度儀表分類

溫度參數是不能直接測量的，一般只能根據物質的某些特性值與溫度之間的函數關系，實現間接測量，溫度測量的基本原理是與這些特性值的選擇密切相關的。

工業上測溫的基本原理有：

應用熱膨脹原理測溫

應用壓力隨溫度變化的原理測溫

應用熱阻效應測溫

應用熱電效應測溫

應用熱輻射原理測溫

按工作原理分：有膨脹式、熱電阻、熱電偶以及輻射等。

按測量方式分：有接觸式和非接觸式兩類。

什么是熱電偶？

1、原理熱電偶溫度計是基于熱電效應這一原理測量溫度的；它的測溫范圍很廣，可測量-200~160O℃范圍內在在特殊情況下，可測至2800 ℃的高溫。

將兩種不同的導體或半導體連接成如圖所示的閉合回路，如果兩個接點的溫度不同（T>T0),則在回路內會產生熱電動勢，這種現象稱為賽貝克熱電效應。圖中閉合回路稱之為熱電偶。導體A和B稱之為熱電偶的熱電絲或熱偶絲。熱電偶兩個接點中，置于溫度為t的被測對象中的接點稱為測量端，又稱工作端，溫度為參考溫度t0的另一端稱之為參考端，又稱自由端或冷端。

2、特點：測量精度高，測量范圍廣，構造簡單，使用方便，不受大小和形狀的限制，外有保護套管，用起來方便。

3、熱電偶的類形

8種標準化熱電偶：

S ：鉑銠10-鉑 –20～1300℃

B ：鉑銠90-鉑銠6 300～1600 ℃

K ：鎳鉻-鎳硅 -50～1000 ℃

J ：鐵-康銅-40～750 ℃

R ：鉑銠13-鉑 -0～1600 ℃

E ：鎳鉻-康銅  -40 ～1000 ℃

T ：銅-康銅-40 ～350 ℃

4、各種熱電偶的分度表均是在參考端即溫度t0為0 ℃的條件下得到的熱電勢與溫度之間的關系，因此，熱電偶測溫時，冷端溫度必須為0 ℃，否則將產生測量誤差。而在工業上使用時，要使冷端溫度保持在0 ℃是比較困難的，所以，必須根據不同的使用條件和要求的測量精度，對熱電偶冷端溫度采用一些不同的處理辦法，常用的方法有如下幾種：

補償導線延伸法

冰點法

計算修正法

儀表零點校正法

補償電橋法

5、補償導線延伸法

熱電偶做得很長，使冷端延長到溫度比較穩定的地方。由于熱電偶本身不便于敷設，對于貴金屬熱電偶也很不經濟，因此，采用一種導線將熱電偶的冷端延伸出來，而這種導線也是由兩種不同金屬材料制成，在一定溫度范圍內（100℃以下）與所連接的熱電偶具有相同或十分相近的熱電特性，其材料也是廉價金屬，將這種導線稱為補償導線。

注意：無論是補償型還是延伸型，補償導線本身并不能補償熱電偶冷端溫度的變化，只是起到熱電偶冷端延伸作用，改變冷位置。在規定的范圍內，由于補償導線熱電特性不可能與熱電偶*相同，因而仍存在一定的誤差。

6、計算修正法

    當熱電偶冷溫度不是0 ℃而是t0時，測得的熱電偶回路中的熱電勢為E(t, t0)。可采用正式進行修正：E(t, 0)= E(t, t0)+ E(t0, 0)；只適用于實驗室或臨時性測溫的情況，而對于現場的連續測量顯然是不實用的。

7、常見故障原因及處理

什么是熱電阻？

熱電阻是中低溫區常用的一種溫度檢測器。它的主要特點是測量精度高，性能穩定。其中鉑電阻的測量精度是zui高的，可作為基準儀器。

1、測溫原理：

熱電阻溫度計是基于金屬導體或半導體電阻值與溫度成一定函數關系的原理實現溫度測量的。

2、熱電阻材料

目前，使用的金屬熱電阻材料有銅、鉑、鎳、鐵等，其中因鐵、鎳提純比較困難，其電阻與溫度的關系線性較差，純鉑絲的各種性能，純銅絲在低溫下性能也好，所以實際應用廣的是銅、鉑兩種材料，并已列入了標準化生產。

鉑電阻（PT100）   -200~850℃

銅電阻（Cu50、Cu100） -50~150℃

鎳電阻（Ni100）   -60~180℃

3、常見故障原因及處理

壓力測量

1、基本概念

在物理概念中，壓力是垂直作用在單位面積上的力。是工業生產中的重要參數之一，在壓力測量中，常有壓力、表壓力、負壓力和真空度之分。所謂壓力是指被測介質作用在容器單位面積上的全部壓力，用符號Pj表示。地面上的空氣柱所產生的平均壓力稱為大氣壓力，用Pq來表示。壓力與大氣壓力之差，稱為表壓力，有Pb來表示。即Pb=Pj-Pq。當壓力值小于大氣壓力值時，表壓力為負值（即負壓力），此負壓力值的值，稱為真空度，用Pz來表示。

2、壓力測量原理

按測量原理分為兩種：根據壓力的定義直接測量單位面積上受力的大小。

例：液柱式、彈性式

應用壓力作用于物體后所產生的各種物理效應來實現壓力。

例：電阻式：它是由金屬導體或半導體制成的電阻體，其阻值隨壓力的變化而變化。

壓電效應：當晶體受壓力作用發生機械變形時，在其相對的兩個側面上產生異性電荷的現象。

3、壓力測量儀表的分類

壓力測量原理可分為液柱式、彈性式、電阻式、電容式、電感式和振頻式等。

彈性式壓力計

將被測壓力轉換成彈性元件變形的位移。

類型：彈簧管壓力計、波紋管壓力計及膜式壓力計等。

特點：結構簡單、使用可靠、讀數清晰、價格低廉，在工業上廣泛應用。

電氣式壓力計

通過機械和電氣元件將被測壓力轉換成電量（如電壓、電流、頻率等）。

結構分類：各種壓力傳感器和壓力變送器。

   例：電容式壓力變送器

它是由檢測和變送兩個環節組成。檢測環節感受被測壓力的變化轉換成電容量的變化。變送環節則將電容變化量轉換成標準電流信號4~20mA DC輸出。

測壓點的選擇：被測介質直管段。

測量流動介質：取壓點與流動方向垂直。

測液體壓力：取壓點在管道下部。

測氣體壓力：取壓點在管道上部。

4、常見故障原因及處理

流量儀表

1、基本概念

流量是單位時間內流經某一截面的流體數量。流量可用體積流量和質量流量來表示。

體積流量：流體量以體積表示時稱為體積流量。 qv=uA

質量流量：流體量以質量表示時稱為質量流量。 qm=ρqv=ρuA

2、分類

工業上常用的流量儀表可分為兩大類

（1）速度式流量計：以測量流體在管道中的流速作為測量依據來計算的儀表。

（2）容積式流量計：它以單位時間內所排出的流體固定容積的數目作為測量依據。

流量測量儀表還可以有以下的分類：節流式流量計、轉子流量計、電磁流量計、容積式流量計、流體振動式流量計、超聲波流量計、質量流量計。

差壓式流量計

節流裝置與差壓變送器配套測量流體的流量，是目前使用廣的一種流量測量儀表。在管道中流動的流體具有動能和位能，在一定條件下這兩種能量可以相互轉換，但參加轉換的能量總和是不變的。節流元件測量流量就是利用這個原理來實現的。在節流裝置中，應用多的是孔板、噴嘴、文丘利管等。

根據能量守恒定律及流體連續原理，節流裝置的流量公式可以寫成：

Q=k√△P

轉子流量計

轉子流量計又稱面積式流量計或恒壓降式流量計，也是以液體流動時的節流原理為基礎的一種流量測量儀表。其特點是可以測量多種介質的流量，壓力損失小而且穩定，反應靈敏，量程較寬，結構簡單，價格便宜，使用維護方便。但轉子流量計的精度受測量介質的溫度、密度和粘度的影響，而且儀表必須垂直安裝。

原理：轉子流量計是由一段向上擴大的圓錐形管子和密度大于被測介質密度，且能隨被測介質流量大小上下浮動的轉子組成的。當液體自下而上流過時，轉子因受到液體沖擊而向上運動。隨著轉子的上移，轉子與錐形管之間的環形流通面積增大，液體流速減低，沖擊作用減弱，直到液體作用在轉子上向上的推力與轉子在流體中的重力相平衡。此時，轉子停留在錐管中某一高度上。如果液體流量再增大，則平衡時轉子所處的位置更高；反之則相反。因此，根據轉子懸浮的高低就可測知液體流量的大小。

3、常見故障原因及處理

物位儀表

1、概念

生產過程中罐、塔、槽等容器中存放的液體表面位置稱為液位。把料斗、堆場倉庫等儲存的固體塊、顆粒、粉料等的堆積高度和表面位置稱為料位；兩種互一相溶的物質的界面位置稱為界位。液位、料位以及界位總稱為物位。用來測量物位的儀表稱為物位儀表。

2、分類

物位測量儀表的種類很多，按液位、料位和界位來可分：

（1）液位儀表：浮力式（浮筒、浮球、浮標、沉筒）、靜壓式（壓力式、差壓式）、電容式、電感式、電阻式、超聲波式、微波式等。

（2）界位儀表：浮力式、差壓式、電極式、超聲波式等。

（3）料位儀表：重錘探測式、音叉式、超聲波式、激光式、放射性式等。

3、浮力式液位計

浮力式液位計有兩種。一種是維持浮力不變的液位計，稱為恒浮力式液位計，如浮球、浮標式液位計等。另一種是在檢測過程中浮力是發生變化的，稱為變浮力式液位計，如沉筒式液位計等。

（1）恒浮力式液位計

恒浮力式液位計是利用浮子本身的重量和所受的浮力均為定值，并使浮子始終漂浮在液面上，并隨液面的變化而變化的原理來測量液位的。

(2）變浮力式液位計

變浮力式液位計的檢測元件是沉浸在液體事的浮筒。它隨液位變化而產生浮力的變化，去推動氣動或電動元件，發出信號給顯示儀表，以指示被測液面的值。

圖示為位移平衡浮筒式液位變送原理圖。當液位發生變化時，浮筒1（又稱沉筒）本身的重力與所受的浮力的不平衡力，經杠桿2傳至扭力管3，而扭力管產生轉角彈性變形，由心軸4傳出，經推板5傳到霍爾片6，轉換成霍爾電勢，經功率放大后轉換成統一的標準電信號輸出，以遠傳給顯示儀表指示。

（3）差壓式液位計

差壓式液位是利用容器內的液位改變時，液柱產生的靜壓也相應變化的原理而工作的。

圖為差壓式液位計測量原理圖。當差壓計一端接液相，另一端接氣相時，根據液體靜力學原理，有：Pb=Pa+ρgH

式中  H---液位高度

ρ---被測介質密度

g----被測當地的重力加速度

所以有：△P=Pb-Pa=ρgH

    在一般情況下，被測介質的密度和重力加速度都是已知的，因此，差壓計測得的差壓與液位的高度H成正比，這樣就把測量液位高度的問題變成了測量差壓的問題。

(4)翻板液位計

翻板液位計的翻板是由導磁的薄鐵皮制成。垂直排列，并各自能繞框架上的小軸翻轉（如圖）。翻板一面涂紅漆，另一面涂銀灰色漆。工作時，液位計的連通管經法蘭與容器相連通，構成一連通器。連通器中間有浮標，它隨液位的變化而變化。浮標中間有一磁鋼，其位置正好與液面一致。當液位上升時，磁鋼將吸引翻板，并將它們逐個翻轉，使紅的一面在外邊；下降時，又將它們翻過來，使銀灰的一面在外邊。即以顏色表示液位高低，十分醒目。

4、常見故障原因及處理

執行器

1、概念：執行器常稱為調節閥，它由執行機構和調節機構兩部分組成。其中執行機構是調節閥的推動部分，它按控制信號的大小產生相應的推力，通過閥桿使調節閥閥蕊產生相應的位移。調節機構是調節閥的調節部分，它與調節介質直接接觸，在執行機構的推動下，改變閥蕊與閥座間的流通面積，從而達到調節流量的目的。

2、分類

執行器按其能源形式分氣動、電動、液動三大類。

氣動執行器按其執行機構形式分薄膜式、活塞式和長行程式。

電動和液動執行器按執行機構的運行方式分為直行程和角行程兩類。

目前在石化工業中普遍采用氣動執行器。   

3、執行機構

氣動薄膜執行機構是應用廣泛的執行機構，它接受0.02~0.1MPa氣動信號。它正作用和反作用兩種形式，當信號壓力增加時推桿向下移動的叫正作用執行機構。信號壓力增加時推桿向上移動的叫反作用執行機構。

氣動薄膜（有彈簧）的薄膜的有效面積越大，執行機構的推力和位移也越大。

氣動活塞式（無彈簧）執行機構隨氣缸兩側壓差而移動。因為沒有反力彈簧抵消推力，所以有很大的輸出推力，適用于高靜壓、高差壓的工藝場合。

4、調節機構

    調節機構又稱閥。種類很多，根據結構、用途來分，其基本形式是直通單座閥、直通雙座閥、蝶閥、三通閥、偏心旋轉閥、套筒閥、角形閥等。

（1）直通單座閥：閥體內只有一個閥蕊和閥座，閥桿帶動閥蕊上下移動來改變閥蕊與閥座之間的相對位置，從而改變流體流量。其主要優點是泄漏量小。

 （2）直通雙座閥：閥體內只有兩個閥蕊和閥座，閥桿帶動閥蕊上下移動來改變閥蕊與閥座之間的相對位置，從而改變流體流量。其主要優點是適用壓差比同口徑單座閥大。

（3）蝶閥：又稱翻板閥，由于閥板在閥體內旋轉的角度不同，使閥的流通面積不同，從而調節流體流量。其主要優點是適用于大口徑、大流量和濃稠漿液及懸浮粒的場合。

（4）偏心旋轉閥：又稱凸輪撓曲閥，簡稱偏心閥。球面閥蕊6連在柔臂7上與輪轂8相接，輪轂與轉軸4用鍵滑配，轉軸帶動球面閥蕊旋轉改變流體流量。工作時轉軸的運動是由氣動執行機構驅動的，推桿的運動通過曲柄傳給轉軸。其主要優點是流路阻力小，可調比大，適用大壓差、嚴密封的場合和粘度大及有顆粒介質的場合。很多場合可以取代直單、雙座閥。

（5）套筒閥：也叫籠式閥，它的閥體與一般直通單座閥相似，閥內有一個圓柱形套筒，也叫籠子。閥蕊可在套筒中上下移動，利用套筒導向。閥蕊在套筒中移動，改變了套筒的節流孔面積，形成了各種特性并實現流量的調節。由于套筒閥采用了平衡閥蕊結構，閥蕊上、下受壓相同，不平衡力小，并且閥蕊利用套筒側面導向，所以它的穩定性好，不易振蕩，閥蕊也不易人損壞。它的優點前后壓差大和液體出現閃蒸或空化的場合，穩定性好，噪聲低，可取代大部分直通單、雙座閥，但它不適用于含顆粒介質的場合。

5、調節閥的氣開、氣關

氣動執行器的氣開式與氣關式兩種形式。

氣開式：有壓力信號時閥開、無壓力信號時閥關；氣關式反之。

氣開、氣關選擇依據：工藝生產安全、節約能源以及從介質特性等。

6、閥門定位器

   閥門定位器是調節閥的主要附件，可分為氣動閥門定位器和電-氣閥門定位器。動閥門定位器接受氣動信號0.02~0.1MPa，輸出0.02~0.1MPa。電-氣閥門定位器將4~20mA DC的電信號，轉換成0.02~0.1MPa的氣壓，并按氣動閥門定位器的功能進行工作。

閥門定位器接受調節器輸出的控制信號，去驅動調節閥動作，并利用閥桿的位移進行反饋，將位移信號直接與閥位比較，改善閥桿行程的線性度，克服閥桿的各種附加摩擦力，消除被調介質在閥上產生的不平衡力的影響，從而使閥位對應于調節器的控制信號，實現正確定位。

儀表控制系統

單回控制

1、控制系統中常用的名詞術語

被控對象：自動控制系統中，工藝參數需要控制的生產過程、設備或機器等。

被控變量：被控對象內要求保持設定數值的工藝參數。如鍋爐水位。

操縱變量：受控制器操縱的，用以克服干擾的影響， 使被控變量保持設定值的物料量或能量。如鍋爐給水。

擾動量：除操縱變量外，作用于被控對象并引起被控變量變化的因素。

設定值：被控變量的預定值。

偏差：被控變量的設定值與實際值之差。

 2、分類

控制系統具有各種各樣的形式，但總的來可分為兩大類，即開環系統和閉環系統。

開環系統的輸出信號不反饋到系統的輸入端，因而也不對控制作用產生影響的系統，稱為開環控制系統。

閉環系統的輸出通過測量變送環節，又反回系統的輸入端，與給定信號比較，以偏差的形式進入調節器，對系統起控制作用，整個系統構成一個封閉的反饋回路，這種控制系統被稱為閉環控制系統。

3、簡單控制系統

簡單控制系統又稱單回路控制系統，是指由一個被控對象、一個測量變送器、一個調節器一個調節閥所組成的單回路閉合控制系統。

4、調節器

調節器是將變送器來的測量信號與給定值進行比較后，對偏差信號按一定的調節規律進行運算，并將運算的結果以統一的信號輸出，去控制執行器動作。調節器基本的調節規律有：

比例調節規律 、積分調節規律、微分調節規律、比例積分調節規律、比例微分調節規律、比例積分微分調節規律。

（1）比例調節規律

其輸出信號p與輸入偏差信號e之間成比例關系，即p=kPe

比例度與放大倍數kP成反比, kP 越大，比例作用越強。

  優點：控制及時。

   缺點：存在余差，所謂余差就是指過渡時間終了時，被控變量所達到的新的穩態值與設定值之間的差值。余差的值隨著調節器的放大倍數Kp的增大而減小，但是余差不能靠放大倍數的增大而*消除。為了消除余差，必須引進積分作用。

（2）積分調節規律

其輸出信號p與輸入偏差信號e的積分成正比。

積分時間Ti=1/ K I 越短，積分作用越強，消除余差越快， Ti太小，系統振蕩加劇。

優點：消除余差。

缺點：控制不及時,常與比例組合起來用。

（3）微分調節規律

控制器的輸出信號與偏差信號的變化速度成正比，微分時間TD越大，微分作用越強。

優點：超前控制。

缺點：其輸出不能反映偏差的大小，不能單獨用

在比例作用的基礎上增加微分作用就提高了系統的穩定性。加入適當的微分作用是有好處的，但微分作用不能加得過分，否則反應速度過快，反而會引起過分的振蕩，這是不利的。由于這時的Kp值較純比例作用時的Kp為大，所以余差比純比例作用時為小。這就是說，微分作用只能使余差減小，而不能消除余差。

5、調節器控制規律的選擇

目前工業上用的控制器主要有三種控制規律：

比例控制控制規律（P）

比例積分控制規律（PI）

比例積分微分控制規律（PID）

選擇控制規律主要根據控制器的特性和工藝要求來決定。

6、控制器正、反作用

正作用：當給定值不變，被控變量測量值增加時，控制器的輸出也增加；或者當測量值不變，給定值減小時，控制器的輸出增加的稱正作用。

反作用：反之，如果測量值增加（或給定值減?。r，控制器的輸出減小。

控制器的作用方向確定：先確定閥的氣開、氣關，再用物理分析法。

7、控制器參數的工程整定

所謂控制器參數的整定，就是按照已定的控制方案，求取使控制質量好時的控制器參數值。具體來說，就是確定合適的控制器比例度δ、積分時間Ti和微分時間Td。

參數整定方法、臨界比例度法、衰減曲線法、經驗湊試法

控制器參數的經驗數據表

8、控制系統的投運

準備工作、儀表檢查、檢查控制器的正、反作用及控制閥的氣開、氣關型式、控制閥的投運、控制器的手動和自動的切換、控制器參數的整定。

復雜控制系統

1、基本概念

通常復雜控制系統是多變量的，具有兩個以上變送器、控制器或執行器所組成的多個回路的控制系統，所以又稱為多回路控制系統。

2、分類

串級控制系統

均勻控制系統

比值控制系統：開環比值控制、單閉環比值控制、雙閉環比值控制、變比值控制。

帶邏輯提量的比值調節系統

前饋控制系統

自動選擇性調節系統

3、串級控制系統

串級控制系統是兩個調節器相串連，主調節器的輸出作為副調節器的設定，副調節器的輸出控制執行器動作，如圖所示。

串級控制系統的優點是：不僅能迅速克服作用于副回路的干擾,而且對作用于主對象上的干擾也能加速克服過程。副回路具有先調、粗調、快調的特點；主回路具的后調、細調、慢調的特點，并對于副回路沒有*克服掉的干擾影響能*加以克服。因此，在串級控制系統中，由于主、副回路相互配合、相互補充，充分發揮了控制作用，大大提高了控制質量。

4、串級控制系統中控制器正、反作用選擇

副控制器作用方向的選擇同簡單控制系統。

主控制器作用方向的選擇原則：當主、副變量增加（或減?。r，如果由工藝分析得出，為使主、副變量減?。ɑ蛟黾樱罂刂崎y的動作方向是一致的時候，主控制器應選“反”作用；反之，則應選“正”作用。

5、串級控制系統的投用

串級控制系統的投用的方法是先投副回路，后投主回路。其主要步驟為：

（1）先將主、副調節器均設置為手動，。副調節器“內、外”給定置外給定，主調節器的“內、外”給定置內給定。

（2）用副調節器手動操作，當主參數接近給定值，副參數也較平穩后，將副調節器由手動切換到自動。

（3）當主調節器偏差為零時，主調節器由手動切換到自動。

6、 串級控制系統的參數整定

串級系統參數整定的方法是先副后主、先比例次積分后微分的原則。

DCS

1、概念

DCS就是集散控制系統，是集計算機技術、控制技術、通訊技術和CRT技術為一體的綜合性高技術產品。

DCS概括起來可分為集中管理部分、分散控制監測部分和通訊部分三大部分。

集中管理部分又可分為操作站、工程師站和上位計算機。

分散控制監測部分可分為現場控制站和現場監測站。

通訊部分又叫高速數據通路，是實現分散控制和集中管理的關鍵。其連接DCS的操作站、工程師站、上位計算機、控制站和監測站等各個部分，完成數據、指令及其它信息的傳遞。

2、DCS操作站標準顯示功能

圖形顯示、系統總貌顯示、分組顯示、整定顯示、報警顯示、操作記錄和事件記錄、趨勢顯示、系統狀態顯示。

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