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与DCS有关的仪表介绍

作者:自动化点击:11795 次发布时间:2023-06-12 18:55:07

在石油、化工以及其它各工业部门中,常用的自动化仪表分两种不同的类型:气动调节阀

1、气动仪表

气动仪表早在二、三十年代就已经问世了,四十年代以后在工业过程中得到广泛应用,使用的是0.21.0kgf/cm2的统一气信号。

气动单元有:

1)气动变送单元(气动差压变送器、气动沉筒式液位变送器、气远传转子流量计等)

2)气动调节单元(气动调节器)

3)气动显示单元(气动记录仪、气动色带指示仪、气动积算器)

4)气动计算单元和其它单元(气动加减器、气动乘除器、气动比值器、电-气转换器等)

5)气动执行器(气动阀、气动调节阀、阀门定位器)

至今,气动仪表除了气动执行器(气动阀、气动调节阀、阀门定位器)仍在使用外,其余已基本不选用。

2、电动仪表

电动仪表经历了DDZ-I型、DDZ-Ⅱ型、DDZ-Ⅲ型的发展。

DDZ-I型采用分立元件,仪表笨重,体积大,使用的时间不长,但为其后的Ⅱ型仪表的设计提供了借鉴,积累了使用电动仪表的经验。电动调节阀

DDZ-II型仪表以晶体管作为主要放大元件,不但扩充了品种,而且改善了仪表性能、缩小了仪表体积、减轻了仪表重量,开发了隔爆技术。

DDZ-Ⅲ型仪表不仅采用了最新的集成电路作为线路中的核心组件,而且采取了安全火花型防爆措施。

    信号制: DDZ-II型仪表以010mA的直流电流作为统一的标准信号,DDZ-Ⅲ型采用了国际标准的420mA直流电流信号制。

    供电: DDZ-II型仪表以220VAC供电, DDZ-Ⅲ型采用24VDC供电。

按照使用的场所,我们常常把它们区分为:

1、一次仪表:压力、物位、流量、温度等现场测量变送仪表和执行单元类。

2、二次仪表:调节、操作、显示、报警、运算、转换、隔离、配电等控制室仪表。

线制:我们常称II型仪表为四线制仪表,称Ⅲ型仪表为二线制仪表(目前Ⅲ型仪表也有三线的)。

  电动仪表的品种分类:

  电动仪表共有八大类:一次仪表可分为变送单元类和执行单元类,二次仪表可分为调节单元类、转换单元类、计算单元类、显示单元类、给定单元类、辅助单元类

随着计算机技术在工业应用中的大规模普及,二次仪表的地位日趋减弱,调节、计算、给定等单元类仪表的功能均可由计算机来完成,甚至显示、报警功能也能在计算机系统内实现。所以,很多控制室内已看不到常规的盘装仪表。热电阻

部分转换单元类和辅助单元类仪表的功能是计算机无法替代的,如电量变送器、手动操作器、安全栅、配电器、直流电源、隔离器等。

一次仪表在控制回路中始终处于首要地位,没有了一次仪表,其余的任何二次仪表都会失去意义。

    一次仪表中的执行单元类,包括了电动角行程执行器、电动直行程执行器、电气转换器、气动阀、气动调节阀和阀门定位器。

电动执行器在锅炉、热电等行业中应用得比较普遍,而气动执行器因其安全防爆的特点,在化工行业中是首选的。

一次仪表中的变送单元类仪表可分为温度、压力、差压、流量、液位、浓度等六大类。

一、温度

  1、应用热敏电阻原理测温:热电阻

热电阻是根据金属导体的电阻值随目标温度变化而变化的原理,热电阻测温主要应用于非高温场合。一般:

  ⑴测温范围在:-50100℃时选择铜热电阻(WZG),分度号为Cu50

  ⑵测温范围在:-200400℃时选择铂热电阻(WZP),分度号为Pt100

2、应用热电效应测温:热电偶

热电偶测温主要应用于高温场合,其热电势值随温度变化而变化。通常:

⑴测温范围在:0600 ℃时选择镍铬-铜镍热电偶(WRE),分度号为E

    ⑵测温范围在:01000 ℃时选择镍铬-镍硅热电偶(WRK),分度号为K

    ⑶测温范围在:01300 ℃时选择铂铑10—铂热电偶(WRS),分度号为S,或选择铂铑13 -铂热电偶(WRR),分度号为R

⑷测温范围在:01600 ℃时选择铂铑30—铂铑6热电偶(WRB),分度号为B

        选定了测温元件的分度号后,还必须确定:一体化温度模块

   a)安装方式,主要有无固定装置、固定螺纹、活动法兰、固定法兰、锥形固定螺纹等几种。如安装在锅炉炉墙上测炉膛温度的热电偶常采用无固定装置的方式,安装在管道上的测温元件常采用固定螺纹的方式,安装在开口容器顶上的测温元件常采用活动法兰的方式,安装在设备和容器上的测温元件采用固定法兰的方式 ,安装在蒸汽管道上的测温元件常采用锥形固定螺纹的方式(防止因振动而导致松动,产生测温不准)。

   b)接线盒的形式,条件较好的场所普通式,潮湿或露天的场所应选防水式、防溅式,易燃易爆的场所应选防爆式。

 c)保护管的选择,保护管的选择是很重要的一环,它分为保护管的直径、保护管的材质及保护管的插入深度。保护管的直径基本上是由测温元件的类型和安装方式决定的,主要有Φ8mm、Φ12mm、Φ16mm、Φ20mm等几种;保护管的材质分为碳钢20#、不锈钢1Cr18Ni9Ti、黄铜、Cr25Ti高铝管、刚玉管、氧化铝管、瓷管等,选定材质主要是根据测量介质是否有腐蚀性、测温范围是多少等。关于保护管的插入深度,热电阻及热电偶均有数档的标准长度,要结合测量对象的实际情况、安装方式等因素综合考虑。

      Pt100热电阻和热电偶可根据实际需要选择单支或双支,但象Cu50热电阻只有单支产品。

二、压力/差压

  1BPS扩散硅压力变送器工作原理是:介质压力通过不锈钢隔离膜片、密封硅油,传输到扩散硅膜片上。在膜片两边因差压产生一个应力,使膜片的一侧压缩,另一侧拉伸,两个应变电阻片位于压缩区内,另两个应变电阻位于拉伸区,它们连接成一个全动态惠斯登电桥,惠斯登电桥检测出电阻的变化后,经过放大、变换,输出与输入信号成线性关系的4-20mADC标准信号。流量计

2、电容式压力/差压变送器:被测介质的两种压力进入高、低两压力室,作用在敏感元件两侧的隔离膜片上,通过隔离膜片和敏感元件内的填充液传送到预张紧的测量膜片两侧。测量膜片与两侧绝缘体上的电极各组成一个电容器,在无压力进入或两侧压力相等时,测量膜片处于中间位置,两侧电容器的电容量相等。当两侧压力不一致时,致使测量膜片产生位移,其位移量和压力差成正比,两侧电容量不等,通过检测、放大,转换成420mADC标准信号。

3、单晶硅谐振压力/差压变送器

  单晶硅谐振变送器是九十年代中期最新推出的产品,采用真正的数字化传感器—单晶硅

谐振式传感器,产品具有更高的精度(可达0.075%)和稳定性,温度、静压的影响和零漂

可忽略不计,还可实现双向通讯功能(BRAIN/HART协议,FF现场总线),是目前世界上最先进的变送器。典型的如日本横河的EJA智能变送器。对于结晶、结疤、堵塞、粘稠及腐蚀性介质,应选择法兰式变送器。

三、流量

    目前已定型并经实践使用,证明可靠的流量仪表主要有:

 1)差压式流量计;2)可变面积式流量计(转子流量计);3)速度式流量计; 4)容积式流量计;5)质量流量计;6)楔形流量计;6)明渠流量计等。

1、差压式流量计

差压式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的差压、已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来测量流量的仪表。按检测件的型式,差压式流量计可分为:

1)标准孔板;2)标准喷嘴;3)经典文丘里管;4)文丘里喷嘴;5)非标孔板;6)道尔管;7)罗洛斯管;8)弯管;9)可换孔板节流装置;10)临界流节流装置等。典型的差压式流量计有:

 ⑴孔板流量计

   孔板流量计由环室、节流孔板、导压管、三阀组和差压变送器等主要部件组成,适用于一般流体的流量测量,也是应用得最普遍的一种流量计。         

标准节流孔板是国际通用的,结构易于复制,简单,牢固,性能稳定可靠,使用期限长,价格低廉,流量值毋需进行标定。但它的最大弱点是压损比较大,而且因为环节较多,影响了孔板流量计测量精度的提高。

     ⑵文丘里管流量计

    在各类节流装置中,孔板和喷嘴是压损较大的节流件,各种流量管(文丘里管、道尔管、罗洛斯管等)则是低压损的节流装置,它们压损仅为孔板的20%,甚至低达5%-10%流量计

    文丘里管流量计应用在要求低压损下的精确测量,被测介质必须是干净的气体或液体。

但是因为廓形节流件(如喷嘴,文丘里管等)的加工复杂,批量生产比较困难,结构笨重、价格高,所以未能大量应用。

⑶阿牛巴流量计

        阿牛巴流量计则以低压损著称。它是根据皮托管测速原理发展起来的一种

  新型差压流量检测元件,其输出为差压信号,与差压变送器等配套使用。其最大特点是使用过程中的磨损、腐蚀以及粘附的油污灰尘等因素对阿牛巴流量计系数影响不大,能够保持长期输出非常稳定的差压信号,保证输出差压信号与管道流量的映射关系。

    阿牛巴不仅适用于圆形管道,也适用于矩形管道及埋设在地面以下任何深度的管道。

总的来说,差压式流量计的应用范围极广泛,至今尚无任何一类流量计可与之相比,全部单相流体,包括液、气、蒸汽皆可测量。差压式流量计主要存在以下缺点:
  1)测量的重复性、精确度在流量计中属于中等水平,由于众多因素的影响错综复杂,精确度难以提高。
  2)范围度窄,由于仪表信号(差压)与流量为平方关系,一般范围度仅3:1-4:1

3)现场安装条件要求较高,如需较长的直管段(指孔板,喷嘴)

4)检测件与差压变送仪表之间的引压管为薄弱环节,易产生泄漏、堵塞、冻结及信号失真等故障。
  5)压损大(指孔板,喷嘴)

2、转子流量计(可变面积式流量计)

        转子流量计作为直观流动指示或测量精度要求不高的中低等精度仪表。被测流体可以是单相液体或气体,通常不适用于液体中含有磁性物资、纤维、微粒固体或气体中含有液滴的场合。

3、速度式流量计

     ⑴ 靶式流量计靶式流量计是速度式流量计的一个品种,它是应用杠杆原理通过测应力的方法,经高精度的传感器获取与流量变化一致的测量信号。流量计

靶式流量计的应用范围和适应性也很广泛,一般工业过程中的流体介质,包括液、气和蒸汽,口径范围(DN15以上),各种工作状态(高、低温,常压、高压)皆可应用。
  靶式流量计可解决困难的流量测量问题,如测量含有杂质(微粒)之类的脏污流体、原油、污水、浆液、烧碱液,沥青等。

⑵涡轮流量计

    涡轮流量计是叶轮式流量计的主要品种,在各种流量计中,涡轮流量计、容积式流量计和科氏质量流量计是三类重复性、精确度最佳的产品,而涡轮流量计又有自己的特点,

如结构简单、加工零部件少、重量轻、维修方便、流通能力大(同样口径可通过的流量大)和可适应高参数(高温、高压和低温)等。

    涡轮流量计广泛应用于以下一些测量对象:石油、有机液体、无机液、液化气、天然气、煤气和低温流体等。对流体的要求为洁净(或基本洁净)、单相或低粘度的,对于腐蚀性介质,使用材质选择要注意,含杂质多及磨蚀性介质不推荐使用,如循环冷却水、河水、排污水、燃油等;也不能用于流量急剧变化的场所,如锅炉供水系统、有空气锤的供气系统等。

    一般,涡轮流量计多用于因经济关系重大而要求高精确度的场合,例如作为大口径输油(输气)管线的贸易结算仪表,至于输送量不大或作为过程控制用的流量测量,选用中等精度仪表即可。

⑶涡街流量计

        涡街流量计是在流体中安放一根(或多根)非流线型阻流体,流体在阻流体两侧交

  替地分离释放出两串规则的旋涡,在一定的流量范围内旋涡分离频率正比于管道内的平均流速,通过采用各种形式的检测元件测出旋涡频率,从而推算出流体的流量。

        涡街流量计适用的流体种类多,如液体、气体、蒸气和部分混相流体。但对于流体的脏污性质要注意,含固体微粒的流体会对旋涡发生体造成冲刷,磨损旋涡发生体;不适用于高粘度、低流速、小口径及强振动的场合。

        涡街流量计的基本性能处于中等偏上水平,购置费低于质量式、电磁式、容积式等流量仪表,但由于应用时间短,尚属发展中的流量计,无论其理论基础或实践经验尚较差。

4、电磁流量计

    电磁流量计是利用法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电液体体积流量的仪表。流量计

电磁流量计的测量通道是一段无阻流检测件的光滑直管,因不易阻塞,适用于测量含有固体颗粒或纤维的液固二相流体,如纸浆、矿浆、泥浆和污水等,也可测量各种强酸、强碱、盐、氨水等。                                                                 

电磁流量计不产生压力损失,对于要求低阻力损失的大管径供水管道最为适合。使用电磁流量计的前提是被测液体必须是导电的,它不能测量电导率很低的液体,如石油制品和有机溶剂等。不能测量气体、蒸汽和含较多较大气泡的液体。
   通用型电磁流量计由于衬里材料和电气绝缘材料的限制,不能用于较高温度的液体。

选用电磁流量计时,电极对测量介质的耐腐是选择材料首先考虑的因素,其次考虑是否会产生钝化等表面效应。电磁流量计电极的耐腐蚀性要求很高,常用金属材料有含钼耐酸Icr18Ni12Mo2Ti,哈氏合金(耐蚀镍基合金)BC、钛、钽、铂铱合金,几乎可覆盖全部化学液。

5、超声波流量计

    超声波流量计,是利用超声波脉冲在通过流体的顺逆两方向上传播速度之差的原理,来测量管内流体流量的仪表。

    超声流量计可作非接触测量,可实现对水、污水、油等各种导电或不导电的均质流体进行非接触测量。

 超声波流量计无需停流截管安装,只要在既设管道外部安装即可,这是它在工业用流量仪表中具有的独特优点。

    超声波流量计适用于大型圆形管道和矩形管道,可测量非导电性液体,用于大口径、超大口径时有明显价格优势,

  在无阻挠流量测量方面是对电磁流量计的一种补充。超声波流量计多数情况下测量精度不高,国内生产现有品种不能用于管径小于DN25mm的管道,小口径仪表价格较贵。

6、质量流量计

    质量流量计是利用流体在直线运动的同时处于一旋转系中,产生与质量流量成正比的科里奥利力原理制成的一种直接式质量流量仪表,有很高的测量精确度。可测量流体范围广泛,包括高粘度液的各种液体、含有固形物的浆液、含有微量气体的液体、有足够密度的中高压气体。

    质量流量计不能用于测量低密度介质和低压气体,不能用于较大管径,压力损失较大,大部分型号的重量和体积较大,价格昂贵,国内价格约为电磁流量计的28倍。

另外,粘度较高的液体,要求较准确的流量测量,可采用椭圆齿轮流量计;洁净的气体或液体,特别是有润滑性的油品,要求较高精度的测量时,可采用腰轮流量计或刮板流量计等。

四、液位液位计

     ⑴单法兰液位变送器

    一种直接安装在管道或容器上的现场变送器。由于隔离膜片直接与液相介质相接触,无须将正压侧用导压管引出,因此可以测量非密闭场合下高温、高粘度、易结晶、易沉淀和强腐蚀性等介质的液位。

⑵双法兰液位变送器

适用于密闭场合下的下列工况:
  1、 被测介质对变送器接头和敏感元件有腐蚀作用时;
  2、 需要将高温被测介质与变送器隔离时;                            

3、 被测介质由引压管引出,由于环境温度变化,易固化或结晶时;
  4、 被测介质中有固体悬浮物或高粘度易堵塞变送器接头和压力容室时;
  5、 被测介质易冷凝或挥发,以致导管内的液柱经常变化,从而使变送器的零点漂移不定等。

      ⑶ 电动浮筒液位变送器

    被测介质液位的变化引起内筒位置的变化,该变化被传递到扭力管组件上,使扭力管与芯轴同步转动,同时固定在扭力管芯轴上的磁铁发生旋转位移,改变了由霍尔效应传感器检测的磁场,该传感器将磁场信号转换为电信号。浮筒液位(界位)变送器可用来测量液位、界位或密度,输出420mA标准直流信号。

    浮筒液位变送器适用于真空对象和易汽化的液体,不适用于液位波动大而频繁的场合,也不宜安装在有剧烈震动的环境中。

⑷浮球液位变送器

    浮球液位变送器是以磁浮球为测量元件,通过磁耦合(干簧管吸合断开)作用,使传感器内电阻成线性变化,再由转换器将这个电阻变化转化成420mA标准电流信号输出。

    浮球液位变送器适用于污水处理及各类常压和承压容器内介质液位的测量,尤其对于地下贮槽、贮罐的液位测量最为理想。

       ⑸投入式液位变送器

    非密闭场合液体液位的检测。适用介质:与316不锈钢兼容的液体及模糊状物。

⑹超声波(雷达)液位变送器液位计

        超声波液位计是利用压电陶瓷产生超声波,超声波遇到物体或液体的界面产生反射,液位计测量反射时间来计算液、物位,实现对物位和液位的非接触测量和控制。适用于各种恶劣和危险环境下的液体和浆体。

⑺重锤探测料位计

    特别适用于水泥、冶金、煤炭、化工、饲料、码头、粮食等行业各种料仓的粉末状、块状、颗粒状的物位检测与控制。  

五、浓度

  常见的在线浓度测量仪表有:

   ⑴氧化锆氧分析仪

    氧化锆氧分析仪是一种以氧化锆电池作为传感器的在线分析仪器,用于连续测量温度范围在 0 1800℃的各种工业锅炉、窑炉、加热炉烟气中的氧含量,进而控制最佳空燃比,实现优化燃烧,达到节能、延长炉龄、保护环境的目的,可广泛应用于电力、冶金、建材、轻工、石化等行业。

pH

      酸碱度对氧化、还原、结晶、生化等过程都有很重要的影响,所以许多工业生产都涉及到酸度的测定。

      工业pH计主要用于化工、氯碱、造纸、环保、水质处理以及制药等部门的pH在线测量。

 ⑶氢分析器

      主要用于大型氮肥厂测量合成氨生产流程中的氢气浓度。


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