化工仪表及自动化教案第1-6章

《化工仪表及自动化》

绪论

内容提要:

1.化工自动化的含义

2.化工生产过程自动化的目的

3.化工自动化的发展情况

4.化工仪表及自动化系统的分类

5.本学科的作用

★2学时★

1.化工自动化的含义

是化工、炼油、食品、轻工等化工类型生产过程自动化的简称。

在化工设备上，配备上一些自动化装置，代替操作人员的部分直接劳动，使生产在不同程度上自动地进行，这种用自动化装置来管理化工生产过程的办法，称为化工自动化。

2.化工生产过程自动化的目的

加快生产速度，降低生产成本，提高产品产量和质量。

减轻劳动强度，改善劳动条件。

能够保证生产安全，防止事故发生或扩大，达到延长设备使用寿命，提高设备利用能力的目的。

生产过程自动化的实现，能根本改变劳动方式，提高工人文化技术水平，为逐步地消灭体力劳动和脑力劳动之间的差别创造条件。

3.化工自动化的发展情况

20世纪40年代以前

绝大多数化工生产处于手工操作状况，操作

工人根据反映主要参数的仪表指示情况，用人工

来改变操作条件，生产过程单凭经验进行。低效

率，花费庞大，见图。

20世纪50年代到60年代

人们对化工生产各种单元操作进行了大量

的开发工作，使得化工生产过程朝着大规模、高

效率、连续生产、综合利用方向迅速发展。

20世纪70年代以来，化工自动化技术又有

了新的发展

已发展为综合自动化，应用的领域和规模越

来越大；显示了知识密集化、高技术集成化的特

点；智能化程度日益增加。

20世纪末，计算机、信息技术的飞

速发展，引发了自动化系统结构的变革。

4. 化工仪表及自动化系统的分类

需要测量和控制的参数是多种多

样的，主要有热工量（压力、流量、液位、温度）和成分（或物性）量。

化工自动化仪表按其功能分为：检测、显示、控制仪表和执行器。

由上述各类仪表，可以构成自动检测、自动操纵、自动保护和自动控制四种自动化系统。

5.本学科的作用

化工生产过程自动化是一门综合性的技术学科。它应用自动控制学科、仪器仪表学科及计算机学

科的理论与技术服务于化学工程学科。

对于熟悉化学工程学科的人员，如能再学习和掌握一些检测技术和控制系统方面的知识，必能在推进中国的化工自动化事业中，起到事半功倍的作用。

第一章 检测仪表基本知识

内容提要:

1. 测量过程与测量误差

2. 仪表的性能指标

3. 工业仪表的分类

★4学时★（3学时讲授，1学时习题巩固）

1.测量过程和测量误差

测量过程在实质上都是将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程，而测量仪表就是实现这种比较的工具。

测量误差指由仪表读得的被测值与被测量真值之间的差距。通常有两种表示方法，即绝对误差和相对误差。

绝对误差

t i x x -=?

式中：i x 仪表指示值, t x 被测量的真值。

由于真值无法得到

0x x -=?

式中：x 被校表的读数值，0x 标准表的读数值

相对误差

0x x x x y -=?=

2.仪表的性能指标

精确度（简称精度）→两大影响因素：绝对误差和仪表的测量范围

说明：仪表的测量误差可以用绝对误差Δ来表示。但是，仪表的绝对误差在测量范围内的各点不相同。因此，常说的“绝对误差”指的是绝对误差中的最大值Δmax 。

相对百分误差δ

%100max

?-?=

测量范围下限值

测量范围上限值δ

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δ

小结：仪表的δ允越大，表示它的精确度越低；反之，仪表的δ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“±”号及“％”号，便可以用来确定仪表的精确度等级。 目前常用的精确度等级有0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。

例：某台测温仪表的测温范围为200~700℃，校验该表时得到的最大绝对误差为＋4℃，试确定该仪表的精度等级。

解 该仪表的相对百分误差为

%8.0%100200

7004

+=?-+=

δ

如果将该仪表的δ去掉“＋”号与“％”号，其数值为0.8。由于国家规定的精度等级中没有0.8级仪表，同时，该仪表的误差超过了0.5级仪表所允许的最大误差，所以，这台测温仪表的精度等

级为1.0级。

例：某台测温仪表的测温范围为０～1000℃。根据工艺要求，温度指示值的误差不允许超过±７℃，试问应如何选择仪表的精度等级才能满足以上要求？

解 根据工艺上的要求，仪表的允许误差为

%7.0%1000

10007

±=?-±=

允δ

如果将仪表的允许误差去掉“±”号与“％”号，其数值介于0.5～1.0之间，如果选择精度等级为1.0级的仪表，其允许的误差为±1.0％，超过了工艺上允许的数值，故应选择0.5级仪表才能满足工艺要求。

仪表的精度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。

精度等级数值越小，就表征该仪表的精确度等级越高，也说明该仪表的精确度越高。0.05级以上的仪表，常用来作为标准表；工业现场用的测量仪表，其精度大多在0.5以下。

仪表的精度等级一般可用不同的符号形式标志在仪表面板上。 如：

小结：根据仪表校验数据来确定仪表精度等级和根据工艺要求来选择仪表精度等级，情况是不一样的。根据仪表校验数据来确定仪表精度等级时，仪表的允许误差应该大于（至少等于）仪表校验所得的相对百分误差；根据工艺要求来选择仪表精度等级时，仪表的允许误差应该小于（至多等于）工艺上所允许的最大相对百分误差。

变差：变差是指在外界条件不变的情况下，用同一仪表对被测量在仪表全部测量范围内进行正反行程（即被测参数逐渐由小到大和逐渐由大到小）测量时，被测量值正行和反行所得到的两条特性曲线之间的最大偏差。

%100?-=

测量范围下限值

测量范围上限值最大绝对差值

变差

灵敏度与灵敏限：仪表的灵敏度是指仪表指针的线位移或角位移，与引起这个位移的被测参数变化量的比值。即

x

S ??=

α

式中：S 为仪表的灵敏度；α?为指针的线位移或角位移；x ?为引起α?所需的被测参数变化量。

仪表的灵敏限是指能引起仪表指针发生动作的被测参数的最小变化量。通常仪表灵敏限的数值应不大于仪表允许绝对误差的一半。

注意：上述指标仅适用于指针式仪表。在数字式仪表中，往往用分辨力表示。

分辨率：对于数字式仪表，分辨力是指数字显示器的最末位数字间隔所代表的被测参数变化量。

11

.5

不同量程的分辨力是不同的，相应于最低量程的分辨力称为该表的最高分辨力，也叫灵敏度。通常以最高分辨力作为数字电压表的分辨力指标。分辨率与仪表的有效数字位数有关。

线性度：线性度是表征线性刻度仪表的输出量与输入量的实际校准曲线与理论直线的吻合程度。通常总是希望测量仪表的输出与输入之间呈线性关系。

%100max

??=

仪表量程

f f δ

式中，f δ为线性度（又称非线性误差）；m ax f ?为校准曲

线对于理论直线的最大偏差（以仪表示值的单位计算）。

反应时间：反应时间就是用来衡量仪表能不能尽快反映出参数变化的品质指标。反应时间长，说明仪表需要较长时间才能给出准确的指示值，那就不宜用来测量变化频繁的参数。

仪表反应时间的长短，实际上反映了仪表动态特性的好坏。 仪表的反应时间有不同的表示方法：a.当输入信号突然变化一个数值后，输出信号将由原始值逐渐变化到新的稳态值。b.仪表的输出信号由开始变化到新稳态值的63.2％（95％）所用的时间，可用来表示反应时间。

3.工业仪表的分类 按仪表使用的能源分类

气动仪表、电动仪表（常用）、液动仪表 常用电动仪表优缺点： 优点：以电为能源，信号之间联系比较方便，适宜于远距离传送和集中控制；便于与计算机联用；现在电动仪表可以做到防火、防爆，更有利于电动仪表的安全使用。

缺点：一般结构较复杂；易受温度、湿度、电磁场、放射性等环境影响。 按信息的获得、传递、反映和处理的过程分类 检测仪表：作用是获取信息，并进行适当的转换。

显示仪表：作用是将由检测仪表获得的信息显示出来。 集中控制装置：包括各种巡回检测仪、巡回控制仪等。 控制仪表：可以根据需要对输入信号进行各种运算。

执行器：可以接受控制仪表的输出信号或直接来自操作员的指令，对生产过程进行操作或控制。 各类仪表的作用，如图：

按仪表的组成形式分类

分为基地式仪表和单元组合仪表。

基地式仪表特点是将测量、显示、控制等各部分集中组装在一个表壳里，形成一个整体。这种仪表比较适于在现场做就地检测和控制，但不能实现多种参数的集中显示与控制。这在一定程度上限制了基地式仪表的应用范围。

单元组合仪表是将对参数的测量及其变送、显示、控制等各部分，分别制成能独立工作的单元仪

表（简称单元，例如变送单元、显示单元、控制单元等）。这些单元之间以统一的标准信号互相联系，可以根据不同要求，方便地将各单元任意组合成各种控制系统，适用性和灵活性都很好。

注意：化工生产中的单元组合仪表有电动单元组合仪表和气动单元组合仪表两种。国产的电动单元组合仪表简称DDZ仪表；气动单元组合仪表简称QDZ仪表。

第二章 压力检测

内容提要:

1. 压力单位及测压仪表

2. 弹性式压力计

3. 电气式压力计

4. 智能式变送器

5.

压力计的选用及安装

★5学时★

1.压力单位及测压仪表

压力是指均匀垂直地作用在单位面积上的力。

表示受力面积。表示垂直作用力；表示压力；式中，S F p S

F

p =

压力的单位为帕斯卡，简称帕（Pa ）

211m N Pa =

Pa MPa 61011?=

为了使大家了解国际单位制中的压力单位（Pa 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系表。

压力单位

帕/Pa

兆帕/ MPa 工程大

气压/

(kgf/cm2) 物理大气压/ atm 汞柱/ mmHg 水柱/ mH2O （磅/英寸2）/ （1b/in2） 巴

/bar

帕 1 1×106

1.0197×10-5 9.869×10-6 7.501×10-3 1.0197×10-4

1.450×10-4 1×10-5 兆帕 1×106

1

10.197 9.869

7.501×103 1.01

97×102 1.450×102 10 工程大气压 9.807×104 9.807×10-2 1

0.9678

735.6 10.00 14.22

0.9807 物理大气压 1.0133×105

0.10133

1.0332 1 760

10.33 14.70

1.0133

汞柱 1.3332×102 1.3332×10-4 1.3595×10-3 1.3158×10-3 1 0.0136 1.934×10-2 1.3332×10-3 水柱 9.806×103 9.806×10-3 0.1000 0.09678 73.5

5 1 1.422 0.09

806 （磅/英寸2）

6.895×103 6.895×10-3 0.07031 0.06805 51.71 0.7031 1 0.06895

巴

1×105

0.1

1.0197

0.9869

750.1

10.197

14.50

1

在压力测量中，常有表压、绝对压力、负压或真空度之分。

p 表

P 真

P 绝

P 绝

大气压力线

绝对压力的零线

大气压力绝对压力表压

p p p -=

当被测压力低于大气压力时，一般用负压或真空度来表示。

绝对压力大气压力真空度p p p -=

测量压力或真空度的仪表按照其转换原理的不同，分为四类。 液柱式压力计

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。 按其结构形式的不同有U 形管压力计、单管压力计等

优点：这类压力计结构简单、使用方便

缺点：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。

弹性式压力计

它是将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量的。 电气式压力计

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。 活塞式压力计

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。

优点：测量精度很高，允许误差可小到0.05%～0.02%。 缺点：结构较复杂，价格较贵。 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，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。

优点：具有结构简单、使用可靠、读数清晰、牢固可靠、价格低廉、测量范围宽以及有足够的精度等优点。可用来测量几百帕到数千兆帕范围内的压力。

弹性元件

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。

弹簧管式弹性元件如图(a)和(b)所示，波纹管式弹性元件如图(e)所示，薄膜式弹性元件如图(c)和(d)所示。

弹簧管压力表 分类：

使用的测压元件：单圈弹簧管压力表与多圈弹簧管压力表。

用途：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。