常规仪表基本知识讲座
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石油化工企业常规仪表 基本知识
李延兵
1
一、仪表回路构成； 二、现场仪表简介； 三、调节阀（执行机构） 四、DCS组成
2
一. 仪表回路构成
24VDC 4~20mADC 两线制变送器
24VDC电源
20~100KPa气信 号
24VDC电源
SVI-II
0.4~0.6M Pa气源
4~20mADC
现场
隔离安全栅
18
19
（4）质量流量计
科氏力质量流量计： 可直接测量质量流量， 与被测介质的温度、压力、 粘度、密度等参数变化无 关； U型传感器在固定频率 振动，扭曲而产生相位差， 与质量流量成正比；
20
可以水平安装、垂直、倾斜安装
21
（5）电磁流量计
❖ 用来测量导电液体的体积流量 （流速）；
不受被测介质的温度、压力、粘 度、密度流量状态变化的影响；
单法兰
26
△P=H×γ
差压式液位是利用容器内的液位改变时，液柱产生的静压 也相应变化的原理而工作的。
Pb=Pa+ρgH
式中 H------液位高度 ρ------被测介质密度 g--------被测当地的重力加速度
所以有：△P=Pb-Pa=ρgH 在一般情况下，被测介质的密度和重力加速度都是已知的， 因此，差压计测得的差压与液位的高度H成正比，这样就把测 量液位高度的问题变成了测量差压的问题。
13
❖ 通常由能将Βιβλιοθήκη Baidu测流体的流量转换成压力差信 号的孔板、喷嘴、文丘利管等节流装置和用 来测量压差并显示出流量的差压计组成。
14
带三阀组差压变送器 孔板
15
差压变送器安装：
打开平衡阀和 正,负压阀中的 一个阀,然后关 闭平衡阀,开启 另一个阀。
16
（2）转子流量计
恒压降式流量计，通过改变流通面积来实现 ； 是由一段向上扩大的圆锥形
时的R0电阻值）; ➢ 例如： PT100温度传感器是一种以铂(Pt)做成
的电阻式温度传感器，属于正电阻系数,其电阻和 温度变化的关系式如下：R=Ro(1+αT) 。 ➢ 其中α=0.00392,Ro为100Ω(在0℃的电阻值),T为 摄氏温度，因此铂做成的电阻式温度传感器，又称 为PT100。
34
模拟I/O
过程I/O
54
DCS集散控制系统
E-NET
REPEATER REPEATER
PRT 操作 站
操作 站
操作 站
PRT
PRT
操作 站
操作 站
操作 站
操作 站
PRT
PRT
操作 站
操作 站
工程师站
Dual-Redundant V-NET
操作 PRT 站
FCS BARRIERS CABINET
糠醛装置
操作站 通讯总线
控制器 通讯总线
I/O卡件
机柜间
3
电Ⅲ型仪表的特点
❖ （1）采用国际标准信号制（两线制） 现场传输信号为4~20mA，控制室联络信号
为1~5VDC，信号与电压转换信号为250Ω。 （2）采用24VDC供电； （3）常用防爆类型：本安型仪表ExiaⅡCT4； 防爆型ExdⅡCT4； 外壳防护等级：IP65
4
❖ 什么叫二线制？ ❖ 24VDC电源和4~20mA输出信号共用二根导
线，互相不影响。 ❖ 电流传输比电压传输有什么优点？ ❖ 转输距离远，一定范围内具有恒流特牲，电
流损耗小。
5
各仪表之间的关系
检测仪表 或变送器
显示仪表 记录仪
温度
压力
流量
液位
成分
重度
生产过程
输出
执行器
反馈
调节器(DCS)
6
二、现场仪表
管子和重度大于被测流体重 度能随被测介质流量大小而 做上下浮动的转子组成。
17
（3）涡街流量计
❖ 是一种速度式流量计。 在流动的流体中插入一个非流线型柱状物
（圆柱体或三角形柱体）； 工作原理：当流体流经漩涡发生体时产生
不规则的漩涡，通过测量探头检测漩涡的个 数产生一定的频率，再通过检测线路板对频 率整形、放大转换成标准信号。
用于低、中压的工艺条件下，一般作控制阀用口径 从2英寸到60英寸或更大（低负载蝶阀可以达到120 英寸）。
近年来，蝶阀的技术有了长足的进步，有低 转矩蝶阀、软硬密封蝶阀、二偏心蝶阀、三偏心蝶 阀、低噪声蝶阀等。由于蝶阀压力恢复系数（FL） 低，高压差流体流动时易产生气蚀。如果蝶阀关闭 过快，有产生水锤破坏的可能。
❖ 分度号: B、S、K、E、T
过程温度
热端 ΔT
冷端 +
mV -
两种不同金属
的结合端产生
一个与温度成
正比的小的(MV)
电压输出!
33
热电阻：应用导体的电阻值是随 温度变化而变化这一特性
➢ R=R0[1+α(t-t0)] R0:温度为0℃时的电阻值。 ➢ 分度号：PT10、PT100、Cu50、Cu100（ 0℃
37
❖直通阀（Globe Valve球形阀）
➢
直通阀是控制阀最基本的型式之一。
也是最常用的控制阀之一。它是因阀体形状
像圆球而得名。通常使用的阀芯作为阀门的
节流件。例如，单座阀、双座阀、套筒阀、 三通阀、角型阀等;
➢ 直通阀的口径一般从3/4英寸到20英寸;
38
笼式单座单座
单座
39
❖蝶阀（Butterfly Valve） 蝶阀是用于控制的最常见旋转阀之一。它适
❖ 不能用来测量气体、蒸汽和石油 制品等非导电流体的流量；
❖ 不宜测量流速过低的流量（干扰 同级别）；
22
3、液位测量仪表
❖ （1）浮力式液位计 ❖ a. 浮力不变: 维持浮力不变，浮标漂浮在液面
上,浮标的位置随着液面的高低而变化，只要 检测出浮标的位移量,便可知道液位的高低。 例如：浮球液面计(恒浮力式) 。
（3）输出方式；（线性、开方、小信 ❖ 号切除）；（4）阻尼时间常数；
52
四、PLC组成控制系统
53
工程师站(WS)
现场控制单元 (FCU)
I/O单元(最
大数为5个)
I/O
模
块
E网(E-NET)
操作站
V网(V-NET)
节点(最大数为8个)
RIO 总线(BUS)
通讯单元 过程I/O
RS-232 RS-422 RS-485
❖现场仪表：现场仪表指安装在生产 现场，用于测量各种过程参数、执 行各种控制指或转换信号并实现通 讯的仪表。
7
❖ 常见种类：常见的测量过程参数的仪表 有温度测量元件加变送器、压力仪表、 流量测量元件加变送器、液位、物位计 和各种化学成份检测仪表，常见的执行 各种控制指令的仪表有执行器、调节阀、 电磁阀等。
8
一些常用的基本概念
❖ 检测仪表-----将检测元件、变送器及显示装置 统称为检测仪表。
❖ 一次仪表-----一般为将被测量转换为便于计量 的物理量所使用的仪表。
❖ 二次仪表-----将测得的信号变送转换为可计量 的标准电、气信号并显示的仪表。即包括变 送器和显示装置。
9
仪表种类
1、压力测量仪表； 2、流量测量仪表； 3、液位测量仪表； 4、温度测量仪表； 5、分析仪表；
29
磁致伸缩液位计
工作原理 :一根磁致伸缩线穿过导管， 顶部电路 板周期发射的大电流脉冲沿磁致伸缩线传播，产生 环形电磁场。 脉冲发射的同时开始记录时间。浮球 漂浮在液面上, 内置磁钢。两个磁场交叠处，在磁 致伸缩线上产生扭应力波，以与材料相关的特定速 度，沿着磁致伸缩线向上下两个方向传播。其中向 下传播的扭力波到达传感器底部后发生反射再向上 传播。 两个扭应力波传到顶部后被压电晶体转换成 电信号，两个传播时间也被捕捉记录。通过计算可 得出液面和界面的位置，转换后输出电信号。
27
磁性浮子式液位计
◆ 就地指示、信号传输和限位控制的三位一体测量体系。 ◆ 现场显示、模拟信号变送和测量信号数字转换的全过程信息 处理方式。 ◆ 磁感应干簧电阻组合链、磁致伸缩线扭力矩和高频微波脉冲 反射波的多原理液位传感技术。
液位变化 液位计的磁场源 干簧电阻组合链传感器
28
线性变化的电阻值
磁致伸缩液位计
FCS BARRIERS CABINET
酮苯装置
FCS BARRIERS CABINET
加氢装置
FCS CABINET
储运装置
55
DCS
画 面 构 成
56
本课程结束， 谢谢！
57
12
2、流量测量仪表
❖ （1）孔板及差压变送器 基于流体运动的节流原理， 当充满管道的流体流经 孔板时，将产生局部收缩，流束集中，流速增加， 静压力降低，于是在孔板前后产生一个静压力差， 该压力差与流量存在着一定的函数关系，流量越大 ，压力差就越大。通过导压管将差压信号传递给差 压变送器，转换成4～20mA.DC标准信号，经流量 显示仪，便显示出管道内的瞬时和累积流量。
30
雷达物位计
31
4、温度测量仪表
❖ 热电偶和温度变送器：热电偶、连接热电偶 和测量线路的补偿导线、变送器组成。
➢ 断路：仪表显示最大或仪表上限; ➢ 短路：显示短路处的温度值
32
❖ EAB=E（t,0）-E(t0,0) t为自由端. ❖ 热电偶的冷端补偿
❖ 一端用两种不同的导体或半导体材料焊接 而成,称工作端.另一端称自由端.
23
恒浮力式
浮球脱落: 仪表指示值最大; 浮球漏了（结焦） 仪表指示值变小;
24
❖b. 变浮力：浮力是变化的，只要测出所受 浮力的变化，便可知道液位的高低。
沉筒破裂—仪表输出值变小; 沉筒脱落—仪表指示最大;
❖浮筒液位计，
变浮力式，筒 长即全量程。
25
（2）差压式液面计：双法兰差压液 面计（量程迁移）。
40
41
❖球阀（Ball Valve） 目前球阀除了传统的全球型阀芯球阀外， 还有V型球阀等类型的球阀。球阀按密封形式 分为软密封和硬密封。按结构分为浮动球和 固定球。主要用于要求关闭严密液体、气体、 蒸汽等介质。硬密封型还适合浆状、悬浮、 颗粒状介质的控制，一般做自动控制用的口 径3/4英寸到20英寸。
➢ 然后压力又恢复到PV以上，气 泡破裂，即产生气蚀。
➢ 可以通过多次降压，且每次压 力下降、上升都大于PV ，来避 免闪蒸、气蚀的产生。
47
48
控制阀附件
POWER
阀门定位器
电磁阀
49
定位器原理
50
6、智能变送器
51
智能变送器校验方案
❖ 一般应对以下几个参数组态进行检查： ❖ （1）工程单位；（2）测量范围上、下限；
42
43
❖偏心旋转阀（Cam flexible Valve）
偏心旋转阀在流开、流关的情况下， 都能稳定地工作，阀芯、阀座没有磨擦，密 封可靠，压力等级可达到ANSI600磅，尺寸 一般从1英寸到12英寸。
44
45
闪蒸，气蚀的发生
➢ 阀门入口压力P1下降到PV（饱 和蒸汽压）以下时，产生大量 的气泡，即产生闪蒸；
10
1、压力测量仪表
❖ 压力变送器：是由检测和变送两个环节组成 。检测环节感受被测压力的变化转换成电容 量的变化 。变送环节则将电容变化量转换成 标准电流信号4~20mA DC输出。符合H ART 通信协议。
11
压力变送器典型安装方法
Rosemount 2088系列
Rosemount 3051系列
✓断路：示指跑最大 ✓短路：表回零
350
300
250
200
150
100
50
0
35
-400 -200
0
200 400 600 800
热电阻温度计适用 于测量-200~500℃ 范围内液体、气体 、蒸汽及固体表面 的温度
36
5、控制阀组成
一般由: 执行机构（Actuator）和阀（Valve） 组成 控制阀在管道中起可变阻力的作用， 它改变工艺流体的紊流度或在层流情 况下提供一个压力降，压力降是由阀 门阻力或“摩擦”所引起的，这一压 力降低过程通常称为 “节流”。在过 程控制系统中，这个“节流”起到改 变流体流量的作用，由执行机构产生 动力，由阀门控制（调节）流量。
李延兵
1
一、仪表回路构成； 二、现场仪表简介； 三、调节阀（执行机构） 四、DCS组成
2
一. 仪表回路构成
24VDC 4~20mADC 两线制变送器
24VDC电源
20~100KPa气信 号
24VDC电源
SVI-II
0.4~0.6M Pa气源
4~20mADC
现场
隔离安全栅
18
19
（4）质量流量计
科氏力质量流量计： 可直接测量质量流量， 与被测介质的温度、压力、 粘度、密度等参数变化无 关； U型传感器在固定频率 振动，扭曲而产生相位差， 与质量流量成正比；
20
可以水平安装、垂直、倾斜安装
21
（5）电磁流量计
❖ 用来测量导电液体的体积流量 （流速）；
不受被测介质的温度、压力、粘 度、密度流量状态变化的影响；
单法兰
26
△P=H×γ
差压式液位是利用容器内的液位改变时，液柱产生的静压 也相应变化的原理而工作的。
Pb=Pa+ρgH
式中 H------液位高度 ρ------被测介质密度 g--------被测当地的重力加速度
所以有：△P=Pb-Pa=ρgH 在一般情况下，被测介质的密度和重力加速度都是已知的， 因此，差压计测得的差压与液位的高度H成正比，这样就把测 量液位高度的问题变成了测量差压的问题。
13
❖ 通常由能将Βιβλιοθήκη Baidu测流体的流量转换成压力差信 号的孔板、喷嘴、文丘利管等节流装置和用 来测量压差并显示出流量的差压计组成。
14
带三阀组差压变送器 孔板
15
差压变送器安装：
打开平衡阀和 正,负压阀中的 一个阀,然后关 闭平衡阀,开启 另一个阀。
16
（2）转子流量计
恒压降式流量计，通过改变流通面积来实现 ； 是由一段向上扩大的圆锥形
时的R0电阻值）; ➢ 例如： PT100温度传感器是一种以铂(Pt)做成
的电阻式温度传感器，属于正电阻系数,其电阻和 温度变化的关系式如下：R=Ro(1+αT) 。 ➢ 其中α=0.00392,Ro为100Ω(在0℃的电阻值),T为 摄氏温度，因此铂做成的电阻式温度传感器，又称 为PT100。
34
模拟I/O
过程I/O
54
DCS集散控制系统
E-NET
REPEATER REPEATER
PRT 操作 站
操作 站
操作 站
PRT
PRT
操作 站
操作 站
操作 站
操作 站
PRT
PRT
操作 站
操作 站
工程师站
Dual-Redundant V-NET
操作 PRT 站
FCS BARRIERS CABINET
糠醛装置
操作站 通讯总线
控制器 通讯总线
I/O卡件
机柜间
3
电Ⅲ型仪表的特点
❖ （1）采用国际标准信号制（两线制） 现场传输信号为4~20mA，控制室联络信号
为1~5VDC，信号与电压转换信号为250Ω。 （2）采用24VDC供电； （3）常用防爆类型：本安型仪表ExiaⅡCT4； 防爆型ExdⅡCT4； 外壳防护等级：IP65
4
❖ 什么叫二线制？ ❖ 24VDC电源和4~20mA输出信号共用二根导
线，互相不影响。 ❖ 电流传输比电压传输有什么优点？ ❖ 转输距离远，一定范围内具有恒流特牲，电
流损耗小。
5
各仪表之间的关系
检测仪表 或变送器
显示仪表 记录仪
温度
压力
流量
液位
成分
重度
生产过程
输出
执行器
反馈
调节器(DCS)
6
二、现场仪表
管子和重度大于被测流体重 度能随被测介质流量大小而 做上下浮动的转子组成。
17
（3）涡街流量计
❖ 是一种速度式流量计。 在流动的流体中插入一个非流线型柱状物
（圆柱体或三角形柱体）； 工作原理：当流体流经漩涡发生体时产生
不规则的漩涡，通过测量探头检测漩涡的个 数产生一定的频率，再通过检测线路板对频 率整形、放大转换成标准信号。
用于低、中压的工艺条件下，一般作控制阀用口径 从2英寸到60英寸或更大（低负载蝶阀可以达到120 英寸）。
近年来，蝶阀的技术有了长足的进步，有低 转矩蝶阀、软硬密封蝶阀、二偏心蝶阀、三偏心蝶 阀、低噪声蝶阀等。由于蝶阀压力恢复系数（FL） 低，高压差流体流动时易产生气蚀。如果蝶阀关闭 过快，有产生水锤破坏的可能。
❖ 分度号: B、S、K、E、T
过程温度
热端 ΔT
冷端 +
mV -
两种不同金属
的结合端产生
一个与温度成
正比的小的(MV)
电压输出!
33
热电阻：应用导体的电阻值是随 温度变化而变化这一特性
➢ R=R0[1+α(t-t0)] R0:温度为0℃时的电阻值。 ➢ 分度号：PT10、PT100、Cu50、Cu100（ 0℃
37
❖直通阀（Globe Valve球形阀）
➢
直通阀是控制阀最基本的型式之一。
也是最常用的控制阀之一。它是因阀体形状
像圆球而得名。通常使用的阀芯作为阀门的
节流件。例如，单座阀、双座阀、套筒阀、 三通阀、角型阀等;
➢ 直通阀的口径一般从3/4英寸到20英寸;
38
笼式单座单座
单座
39
❖蝶阀（Butterfly Valve） 蝶阀是用于控制的最常见旋转阀之一。它适
❖ 不能用来测量气体、蒸汽和石油 制品等非导电流体的流量；
❖ 不宜测量流速过低的流量（干扰 同级别）；
22
3、液位测量仪表
❖ （1）浮力式液位计 ❖ a. 浮力不变: 维持浮力不变，浮标漂浮在液面
上,浮标的位置随着液面的高低而变化，只要 检测出浮标的位移量,便可知道液位的高低。 例如：浮球液面计(恒浮力式) 。
（3）输出方式；（线性、开方、小信 ❖ 号切除）；（4）阻尼时间常数；
52
四、PLC组成控制系统
53
工程师站(WS)
现场控制单元 (FCU)
I/O单元(最
大数为5个)
I/O
模
块
E网(E-NET)
操作站
V网(V-NET)
节点(最大数为8个)
RIO 总线(BUS)
通讯单元 过程I/O
RS-232 RS-422 RS-485
❖现场仪表：现场仪表指安装在生产 现场，用于测量各种过程参数、执 行各种控制指或转换信号并实现通 讯的仪表。
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❖ 常见种类：常见的测量过程参数的仪表 有温度测量元件加变送器、压力仪表、 流量测量元件加变送器、液位、物位计 和各种化学成份检测仪表，常见的执行 各种控制指令的仪表有执行器、调节阀、 电磁阀等。
8
一些常用的基本概念
❖ 检测仪表-----将检测元件、变送器及显示装置 统称为检测仪表。
❖ 一次仪表-----一般为将被测量转换为便于计量 的物理量所使用的仪表。
❖ 二次仪表-----将测得的信号变送转换为可计量 的标准电、气信号并显示的仪表。即包括变 送器和显示装置。
9
仪表种类
1、压力测量仪表； 2、流量测量仪表； 3、液位测量仪表； 4、温度测量仪表； 5、分析仪表；
29
磁致伸缩液位计
工作原理 :一根磁致伸缩线穿过导管， 顶部电路 板周期发射的大电流脉冲沿磁致伸缩线传播，产生 环形电磁场。 脉冲发射的同时开始记录时间。浮球 漂浮在液面上, 内置磁钢。两个磁场交叠处，在磁 致伸缩线上产生扭应力波，以与材料相关的特定速 度，沿着磁致伸缩线向上下两个方向传播。其中向 下传播的扭力波到达传感器底部后发生反射再向上 传播。 两个扭应力波传到顶部后被压电晶体转换成 电信号，两个传播时间也被捕捉记录。通过计算可 得出液面和界面的位置，转换后输出电信号。
27
磁性浮子式液位计
◆ 就地指示、信号传输和限位控制的三位一体测量体系。 ◆ 现场显示、模拟信号变送和测量信号数字转换的全过程信息 处理方式。 ◆ 磁感应干簧电阻组合链、磁致伸缩线扭力矩和高频微波脉冲 反射波的多原理液位传感技术。
液位变化 液位计的磁场源 干簧电阻组合链传感器
28
线性变化的电阻值
磁致伸缩液位计
FCS BARRIERS CABINET
酮苯装置
FCS BARRIERS CABINET
加氢装置
FCS CABINET
储运装置
55
DCS
画 面 构 成
56
本课程结束， 谢谢！
57
12
2、流量测量仪表
❖ （1）孔板及差压变送器 基于流体运动的节流原理， 当充满管道的流体流经 孔板时，将产生局部收缩，流束集中，流速增加， 静压力降低，于是在孔板前后产生一个静压力差， 该压力差与流量存在着一定的函数关系，流量越大 ，压力差就越大。通过导压管将差压信号传递给差 压变送器，转换成4～20mA.DC标准信号，经流量 显示仪，便显示出管道内的瞬时和累积流量。
30
雷达物位计
31
4、温度测量仪表
❖ 热电偶和温度变送器：热电偶、连接热电偶 和测量线路的补偿导线、变送器组成。
➢ 断路：仪表显示最大或仪表上限; ➢ 短路：显示短路处的温度值
32
❖ EAB=E（t,0）-E(t0,0) t为自由端. ❖ 热电偶的冷端补偿
❖ 一端用两种不同的导体或半导体材料焊接 而成,称工作端.另一端称自由端.
23
恒浮力式
浮球脱落: 仪表指示值最大; 浮球漏了（结焦） 仪表指示值变小;
24
❖b. 变浮力：浮力是变化的，只要测出所受 浮力的变化，便可知道液位的高低。
沉筒破裂—仪表输出值变小; 沉筒脱落—仪表指示最大;
❖浮筒液位计，
变浮力式，筒 长即全量程。
25
（2）差压式液面计：双法兰差压液 面计（量程迁移）。
40
41
❖球阀（Ball Valve） 目前球阀除了传统的全球型阀芯球阀外， 还有V型球阀等类型的球阀。球阀按密封形式 分为软密封和硬密封。按结构分为浮动球和 固定球。主要用于要求关闭严密液体、气体、 蒸汽等介质。硬密封型还适合浆状、悬浮、 颗粒状介质的控制，一般做自动控制用的口 径3/4英寸到20英寸。
➢ 然后压力又恢复到PV以上，气 泡破裂，即产生气蚀。
➢ 可以通过多次降压，且每次压 力下降、上升都大于PV ，来避 免闪蒸、气蚀的产生。
47
48
控制阀附件
POWER
阀门定位器
电磁阀
49
定位器原理
50
6、智能变送器
51
智能变送器校验方案
❖ 一般应对以下几个参数组态进行检查： ❖ （1）工程单位；（2）测量范围上、下限；
42
43
❖偏心旋转阀（Cam flexible Valve）
偏心旋转阀在流开、流关的情况下， 都能稳定地工作，阀芯、阀座没有磨擦，密 封可靠，压力等级可达到ANSI600磅，尺寸 一般从1英寸到12英寸。
44
45
闪蒸，气蚀的发生
➢ 阀门入口压力P1下降到PV（饱 和蒸汽压）以下时，产生大量 的气泡，即产生闪蒸；
10
1、压力测量仪表
❖ 压力变送器：是由检测和变送两个环节组成 。检测环节感受被测压力的变化转换成电容 量的变化 。变送环节则将电容变化量转换成 标准电流信号4~20mA DC输出。符合H ART 通信协议。
11
压力变送器典型安装方法
Rosemount 2088系列
Rosemount 3051系列
✓断路：示指跑最大 ✓短路：表回零
350
300
250
200
150
100
50
0
35
-400 -200
0
200 400 600 800
热电阻温度计适用 于测量-200~500℃ 范围内液体、气体 、蒸汽及固体表面 的温度
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5、控制阀组成
一般由: 执行机构（Actuator）和阀（Valve） 组成 控制阀在管道中起可变阻力的作用， 它改变工艺流体的紊流度或在层流情 况下提供一个压力降，压力降是由阀 门阻力或“摩擦”所引起的，这一压 力降低过程通常称为 “节流”。在过 程控制系统中，这个“节流”起到改 变流体流量的作用，由执行机构产生 动力，由阀门控制（调节）流量。