【正文】 化工儀表及自動化緒論內容提要n 化工自動化的意義及目的n 化工自動化的發(fā)展概況n 化工儀表及自動化系統(tǒng)的分類化工自動化的意義及目的 n 加快生產(chǎn)速度、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質量。 n 減輕勞動強度、改善勞動條件。n 能夠保證生產(chǎn)安全，防止事故發(fā)生或擴大，達到延長設備使用壽命，提高設備利用率、保障人身安全的目的。 n 生產(chǎn)過程自動化的實現(xiàn)，能根本改變勞動方式，提高工人文化技術水平，以適應當代信息技術革命和信息產(chǎn)業(yè)革命的需要。 化工自動化的發(fā)展情況n 20世紀40年代以前216。 絕大多數(shù)化工生產(chǎn)處于手工操作狀況，操作工人根據(jù)反映主要參數(shù)的儀表指示情況，用人工來改變操作條件，生產(chǎn)過程單憑經(jīng)驗進行。低效率，花費龐大。n 20世紀50年代到60年代216。 人們對化工生產(chǎn)各種單元操作進行了大量的開發(fā)工作，使得化工生產(chǎn)過程朝著大規(guī)模、高效率、連續(xù)生產(chǎn)、綜合利用方向迅速發(fā)展。n 20世紀70年代以來，化工自動化技術水平得到了很大的提高n 20世紀70年代，計算機開始用于控制生產(chǎn)過程，出現(xiàn)了計算機控制系統(tǒng)n 20世紀80年代末至90年代，現(xiàn)場總線和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展化工儀表及自動化系統(tǒng)的分類按功能不同，分四類： 檢測儀表 (包括各種參數(shù)的測量和變送) 顯示儀表 (包括模擬量顯示和數(shù)字量顯示) 控制儀表 (包括氣動、電動控制儀表及數(shù)字式控制器) 執(zhí)行器(包括氣動、電動、液動等執(zhí)行器) 圖01 各類儀表之間的關系利用各種儀表對生產(chǎn)過程中主要工藝參數(shù)進行測量、指示或記錄的部分。 作用：對過程信息的獲取與記錄作用。 圖02 熱交換器自動檢測系統(tǒng)示意圖自動檢測系統(tǒng)中主要的自動化裝置敏感元件傳感器顯示儀表敏感元件對被測變量作出響應,把它轉換為適合測量的物理量。 傳感器對檢測元件輸出的物理量信號作進一步信號轉換顯示儀表將檢測結果以指針位移、數(shù)字、圖像等形式,準確地指示、記錄或儲存。 對某些關鍵性參數(shù)設有自動信號聯(lián)鎖保護裝置，是生產(chǎn)過程中的一種安全裝置。 自動信號聯(lián)鎖保護電路按主要構成元件不同分類：有觸點式、無觸點式兩類 自動操縱系統(tǒng)可以根據(jù)預先規(guī)定的步驟自動地對生產(chǎn)設備進行某種周期性操作。 自動開停車系統(tǒng)可以按照預先規(guī)定好的步驟,將生產(chǎn)過程自動地投入運行或自動停車。 對生產(chǎn)中某些關鍵性參數(shù)進行自動控制,使它們在受到外界干擾的影響而偏離正常狀態(tài)時,能自動地調回到規(guī)定的數(shù)值范圍內。 本學科的作用通過本門課程的學習,應能了解主要工藝參數(shù) (溫度、壓力、流量及物位)的檢測方法及其儀表的工作原理及特點。能根據(jù)工藝要求,正確地選用和使用常見的檢測儀表及控制儀表。能了解化工自動化的初步知識,理解基本控制規(guī)律,懂得控制器參數(shù)是如何影響控制質量的。能根據(jù)工藝的需要,和自控設計人員共同討論和提出合理的自動控制方案。能為自控設計提供正確的工藝條件和數(shù)據(jù)。能在生產(chǎn)開停車過程中,初步掌握自動控制系統(tǒng)的投運及控制器的參數(shù)整定。能了解檢測技術和控制技術的發(fā)展趨勢和最新發(fā)展動態(tài)。第一章 檢測儀表基本知識內容提要：測量過程與測量誤差 測量儀表的品質指標測量系統(tǒng)中的常見信號類型 檢測系統(tǒng)中信號的傳遞形式檢測儀表與測量方法的分類化工檢測的發(fā)展趨勢一、測量過程與測量誤差測量是用實驗的方法,求出某個量的大小。 舉例測一段導線的長度直接測量間接測量 測量實質：是將被測參數(shù)與其相應的測量單位進行比較的過程。 測量誤差：由儀表讀得的被測值 (測量值)與被測參數(shù)的真實值之間的差距。 測量誤差按其產(chǎn)生原因的不同,可以分為三類： 系統(tǒng)誤差 疏忽誤差偶然誤差絕對誤差： xI：儀表指示值 xt：被測量的真值由于真值無法得到 x：被校表的讀數(shù)值，x0 ：標準表的讀數(shù)值 相對誤差： 二、檢測儀表的品質指標（精確度） 兩大影響因素絕對誤差和儀表的標尺范圍說明：儀表的測量誤差可以用絕對誤差Δ來表示。但是，儀表的絕對誤差在測量范圍內的各點不相同。因此，常說的“絕對誤差”指的是絕對誤差中的最大值Δmax。三、檢測儀表的品質指標相對百分誤差δ允許誤差小結：儀表的δ允越大，表示它的精確度越低；反之，儀表的δ允越小，表示儀表的精確度越高。將儀表的允許相對百分誤差去掉“177?！碧柤啊埃ァ碧?，便可以用來確定儀表的精確度等級。，，，，。舉例：例11　某臺測溫儀表的測溫范圍為200~700℃，校驗該表時得到的最大絕對誤差為177。4℃，試確定該儀表的相對百分誤差與準確度等級。 解： 該儀表的相對百分誤差為 如果將該儀表的δ去掉“177?！碧柵c“％”號。，同時，所以。 儀表的準確度等級是衡量儀表質量優(yōu)劣的重要指標之一。準確度等級數(shù)值越小，就表征該儀表的準確度等級越高，儀表的準確度越高。工業(yè)現(xiàn)場用的測量儀表。 儀表的精度等級一般可用不同的符號形式標志在儀表面板上。 舉例如：注意：在工業(yè)上應用時,對檢測儀表準確度的要求,應根據(jù)生產(chǎn)操作的實際情況和該參數(shù)對整個工藝過程的影響程度所提供的誤差允許范圍來確定,這樣才能保證生產(chǎn)的經(jīng)濟性和合理性。 變差是指在外界條件不變的情況下，用同一儀表對被測量在儀表全部測量范圍內進行正反行程（即被測參數(shù)逐漸由小到大和逐漸由大到小）測量時，被測量值正行和反行所得到的兩條特性曲線之間的差值。 圖11 測量儀表的變差儀表的變差不能超出儀表的允許誤差，否則應及時檢修。 儀表的靈敏度是指儀表指針的線位移或角位移，與引起這個位移的被測參數(shù)變化量的比值。即式中，S為儀表的靈敏度；Δα為指針的線位移或角位移；Δx為引起Δα所需的被測參數(shù)變化量。 儀表的靈敏限是指能引起儀表指針發(fā)生動作的被測參數(shù)的最小變化量。通常儀表靈敏限的數(shù)值應不大于儀表允許絕對誤差的一半。 注意：上述指標僅適用于指針式儀表。在數(shù)字式儀表中，往往用分辨率表示。 反應時間就是用來衡量儀表能不能盡快反映出參數(shù)變化的品質指標。反應時間長，說明儀表需要較長時間才能給出準確的指示值，那就不宜用來測量變化頻繁的參數(shù)。 儀表反應時間的長短，實際上反映了儀表動態(tài)特性的好壞。 儀表的反應時間有不同的表示方法 當輸入信號突然變化一個數(shù)值后，輸出信號將由原始值逐漸變化到新的穩(wěn)態(tài)值。 ％（95％）所用的時間，可用來表示反應時間。線性度是表征線性刻度儀表的輸出量與輸入量的實際校準曲線與理論直線的吻合程度。通?？偸窍Ｍ麥y量儀表的輸出與輸入之間呈線性關系。 圖12 線性度示意圖式中，δf為線性度（又稱非線性誤差）；Δfmax為校準曲線對于理論直線的最大偏差（以儀表示值的單位計算）。 重復性表示檢測儀表在被測參數(shù)按同一方向作全量程連續(xù)多次變動時所得標定特性曲線不一致的程度。若標定的特性曲線一致,重復性就好,重復性誤差就小。 圖13 重復性示意圖三、檢測系統(tǒng)中的常見信號類型作用于檢測裝置輸入端的被測信號，通常要轉換成以下幾種便于傳輸和顯示的信號類型： 四、檢測系統(tǒng)中信號的傳遞形式1. 模擬信號在時間上是連續(xù)變化的, 即在任何瞬時都可以確定其數(shù)值的信號。2. 數(shù)字信號數(shù)字信號是一種以離散形式出現(xiàn)的不連續(xù)信號,通常用二進制數(shù)“0”和“1”組合的代碼序列來表示。3. 開關信號用兩種狀態(tài)或用兩個數(shù)值范圍表示的不連續(xù)信號。五、檢測儀表與測量方法的分類①依據(jù)所測參數(shù)的不同,可分成壓力 (包括差壓、負壓)檢測儀表、流量檢測儀表、物位 (液位)檢測儀表、溫度檢測儀表、物質成分分析儀表及物性檢測儀表等。②按表達示數(shù)的方式不同,可分成指示型、記錄型、訊號型、遠傳指示型、累積型等。③按精度等級及使用場合的不同,可分為實用儀表、范型儀表和標準儀表,分別使用在現(xiàn)場、實驗室和標定室。 按照測量結果的獲得過程 直接測量 間接測量 （1）直接測量 利用經(jīng)過標定的儀表對被測參數(shù)進行測量，直接從顯示結果獲得被測參數(shù)的具體數(shù)值的測量方法。 根據(jù)被測參數(shù)獲得方式的不同，直接測量又有偏差法與平衡法（零位法）之分。 除此之外,還有一種將平衡法與偏差法結合起來的微差法 （2）間接測量 當被測量不宜直接測量時,可以通過測量與被測量有關的幾個相關量后,再經(jīng)過計算來確定被測量的大小。 六、化工檢測的發(fā)展趨勢、數(shù)字化、智能化七、例題分析1. 某臺具有線性關系的溫度變送器,其測溫范圍為 0～200℃,變送器的輸出為 4～20mA。對這臺溫度變送器進行校驗,得到下列數(shù)據(jù): 輸入信號標準溫度/℃050100150200輸出信號/mA正行程讀數(shù)x正正行程讀數(shù)x反4820試根據(jù)以上校驗數(shù)據(jù)確定該儀表的變差、準確度等級與線性度。解:該題的解題步驟如下。 (1)根據(jù)儀表的輸出范圍確定在各溫度測試點的輸出標準值x標。任一溫度值的標準輸出信號(mA)為 例如,當溫度為50℃時,對應的輸出應為 其余類推。 (2)算出各測試點正、反行程時的絕對誤差Δ正與Δ反 ,并算出正、反行程之差Δ變 ,分別填入下表內(計算Δ變時可不考慮符號,取正值)。 輸入信號/℃050100150200輸出信號/mA正行程讀數(shù)x正反行程讀數(shù)x反標準值448812162020絕對誤差/mA正行程Δ正反行程Δ反 000正反行程之差Δ變 (3)由上表找出最大的絕對誤差Δmax ,并計算最大的相對百分誤差δmax。由上表可知 去掉δmax的“177?！碧柤啊?”號后, ,～,。 (4)計算變差 ,故不影響表的準確度等級。注意若變差數(shù)值Δ變max超過了絕對誤差Δmax ,則應以Δ變max來確定儀表的準確度等級。 (5)由計算結果可知,非線性誤差的最大值Δfmax = ,故線性度δf為 注意：在具體校驗儀表時,為了可靠起見,應適當增加測試點與實驗次數(shù),本例題只是簡單列舉幾個數(shù)據(jù)說明問題罷了。 2. 某臺測溫儀表的測溫范圍為200～1000℃,工藝上要求測溫誤差不能大于177。5℃,試確定應選儀表的準確度等級。 解:工藝上允許的相對百分誤差為 要求所選的儀表的相對百分誤差不能大于工藝上的δ允,才能保證測溫誤差不大于177。5℃,。當然儀表的準確度等級越高,能使測溫誤差越小,但為了不增加投資費用,不宜選過高準確度的儀表。 第二章 壓力檢測概述：在化工生產(chǎn)中, 壓力是指由氣體或液體均勻垂直地作用于單位面積上的力。 在工業(yè)生產(chǎn)過程中,壓力往往是重要的操作參數(shù)之一。 壓力的檢測與控制,對保證生產(chǎn)過程正常進行,達到高產(chǎn)、優(yōu)質、低消耗和安全是十分重要的。 第一節(jié) 壓力單位及測壓儀表壓力是指均勻垂直地作用在單位面積上的力。壓力的單位為帕斯卡，簡稱帕（Pa）為了使大家了解國際單位制中的壓力單位（Pa或MPa）與過去的單位之間的關系，下面給出幾種單位之間的換算關系表。 表31 各種壓力單位換算表壓力單位帕/Pa兆帕/ MPa工程大氣壓/ (kgf/cm2)物理大氣壓/ atm汞柱/ mmHg水柱/ mH2O（磅/英寸2）/ （1b/in2）巴/bar帕111061051061031041041105兆帕1106110310210210工程大氣壓1041021物理大氣壓1051760汞柱1021041031031102103水柱1031031（磅/英寸2）1031031巴11051在壓力測量中，常有表壓、絕對壓力、負壓或真空度之分。 p表P真P絕P絕大氣壓力線 零線圖21　絕對壓力、表壓、負壓（真空度）的關系當被測壓力低于大氣壓力時，一般用負壓或真空度來表示。測量壓力或真空度的儀表按照其轉換原理的不同，分為四類。 它根據(jù)流體靜力學原理，將被測壓力轉換成液柱高度進行測量。 按其結構形式的不同有U形管壓力計、單管壓力計等 優(yōu)點這類壓力計結構簡單、使用方便 缺點其精度受工作液的毛細管作用、密度及視差等因素的影響，測量范圍較窄，一般用來測量較低壓力、真空度或壓力差。 它是將被測壓力轉換成彈性元件變形的位移進行測量的。 它是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）來進行測量的儀表。 它是根據(jù)水壓機液體傳送壓力的原理，將被測壓力轉換成活塞上所加平衡砝碼的質量來進行測量的。 優(yōu)點：測量精度很高，%～%。 缺點：結構較復雜，價格較貴。 第二節(jié) 彈性式壓力計定義：彈性式壓力計是利用各種形式的彈性元件，在被測介質壓力的作用下，使彈性元件受壓后產(chǎn)生彈性變形的原理