過程自動(dòng)化基本概念

1、過程自動(dòng)化基本概念一、概述一、概述 物位是指各種容器中液體介質(zhì)界面的高低，兩種不溶液體介質(zhì)的分界面高低和固體粉末狀顆粒物料的堆積高度等的總稱。例1：污水處理廠進(jìn)水泵房，潛水泵控制根據(jù)集水井液位控制。例2：精餾塔塔底液位控制。 1、靜電容液位指示計(jì)2、超聲波液位指示計(jì)3、靜電容液位開關(guān)4、電纜浮球液位開關(guān)5、浮球連續(xù)式液位指示計(jì) 6、連桿浮球液位開關(guān)7、側(cè)裝式浮球液位開關(guān)8、流動(dòng)開關(guān)9、壓力式液位指示計(jì) 10、小型浮球液位開關(guān)11、磁性浮子式液面計(jì)12、光電液位開關(guān) 圖3-27 各種液位測(cè)量方法物位檢測(cè)儀表按工作原理可分為物位檢測(cè)儀表按工作原理可分為：1 1、直讀式物位儀表、直讀式物位儀表 根據(jù)

2、流體力學(xué)的連通性原理測(cè)量液位 2 2、浮子式物位儀表、浮子式物位儀表 根據(jù)浮子高度隨液位高低變化而改變(恒浮力)，或液體對(duì)浸沉在液體中的浮子（或浮筒）的浮力隨液位高度變化的原理測(cè)量液位（變浮力）。 3 3、差壓式物位儀表、差壓式物位儀表 根據(jù)液位或物料堆積高度變化對(duì)某點(diǎn)上產(chǎn)生的靜（差）壓力的變化的原理測(cè)量物位。 4 4、 電學(xué)式物位儀表電學(xué)式物位儀表 把物位變化轉(zhuǎn)換成各種電量變化而測(cè)量物位。 5 5、聲學(xué)式物位儀表、聲學(xué)式物位儀表 根據(jù)物位變化引起聲阻變化、聲波的遮斷和反射距離不同而測(cè)量物位。 6 6、核輻射式物位儀表、核輻射式物位儀表 根據(jù)同位素射線的核輻射透過物料時(shí)，其強(qiáng)度隨物質(zhì)層的厚度變

3、化而變化的原理。二、差壓式物位計(jì)二、差壓式物位計(jì) 1 1、原理、原理 靜壓力式液位計(jì)只能用于測(cè)量敞口式或常壓容器，對(duì)于有壓密封容器，其底部的液體壓力不但與液體高度有關(guān)，還與液面上方氣相介質(zhì)壓力有關(guān)。在工業(yè)過程中，普遍用差壓式液位計(jì)來測(cè)量?jī)?chǔ)槽式反應(yīng)罐內(nèi)的液位。 圖3-33 差壓式液位計(jì)測(cè)量原理圖圖3-33 差壓式液位計(jì)測(cè)量原理圖正壓室：負(fù)壓室：式中： 、 分別為液面上方氣相壓力 和容器底部的壓力。 H液位高度 液體介質(zhì)密度 重力加速度AwppgHpwppwpApg正、負(fù)室壓差為： (3-23) gHpppwA 由上式可知：差壓式液位計(jì)所測(cè)壓差只與液位高度成正比，而與液體上方的氣相介質(zhì)的壓力無關(guān)。

4、當(dāng)用差壓式液位計(jì)測(cè)量敞口容器液位時(shí)，只要把差壓式液位計(jì)的負(fù)壓室通大氣即可。圖3-33 差壓式液位計(jì)測(cè)量原理圖2、測(cè)量液位時(shí)的零點(diǎn)遷移、測(cè)量液位時(shí)的零點(diǎn)遷移 使用差壓式液位計(jì)測(cè)量液位時(shí)，若安裝位置條件不同，將造成液位H與壓差 之關(guān)系不象式 那么簡(jiǎn)單，可能存在儀表零點(diǎn)遷移問題。pgHp（1 1）、無遷移）、無遷移 當(dāng)測(cè)量裝置如圖3-33所示時(shí)，差壓計(jì)的正壓室取壓口正好與容器的最低位（H=0）處在同一水平位置上。液位H與壓差 之關(guān)系為(1) H=0， =0，變送器輸出為起點(diǎn)值。(2) H= ， = ，變送器輸出為滿量程。(3) H=0 ， 在0 之間線性變化。此時(shí)，無需對(duì)差壓變送器的零點(diǎn)進(jìn)行遷移。p

5、gHppmaxHpmaxpmaxHpmaxp（2 2）、正遷移）、正遷移 當(dāng)儀表安裝高度與容器最低液位不在同一水平位置時(shí)，如圖3-34所示，這時(shí)正負(fù)壓室的壓力差為：正壓室：負(fù)壓室：正、負(fù)室壓差為： (3-24)AwppghgHp1wppghgHppp1式中， 差壓計(jì)正壓室到液位起點(diǎn)處的垂直高度。1h圖3-34 正遷移測(cè)量安裝圖（2 2）、正遷移）、正遷移 當(dāng)儀表安裝高度與容器最低液位不在同一水平位置時(shí)，如圖3-34所示，這時(shí)正負(fù)壓室的壓力差為：正壓室：負(fù)壓室：正、負(fù)室壓差為： (3-24)AwppghgHp1wppghgHppp1式中， 差壓計(jì)正壓室到液位起點(diǎn)處的垂直高度。1h （2 2）、正

6、遷移）、正遷移 由式(3-24)可知，當(dāng)H=0時(shí)， 0。對(duì)比無遷移情況，相當(dāng)于在正壓室多了一項(xiàng)壓力，其固定壓差為 ，此即為正遷移，這樣在液位在0 變化時(shí)，差壓變送器的輸出不再是標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。為了使儀表輸出反映被測(cè)量液位，必須抵消掉正壓室的固定壓差的作用。 ghp1mingh1maxH 方法方法：在變送器中加一調(diào)零遷移彈簧，遷移彈簧的作用是將變送器的測(cè)量從起點(diǎn)遷移到某一正數(shù)值，同時(shí)改變測(cè)量范圍的上下限值，實(shí)現(xiàn)測(cè)量范圍的平移，但不改變其量程的大小。方法方法：（3 3）、負(fù)遷移）、負(fù)遷移 在實(shí)際測(cè)量中，有時(shí)為了不讓被測(cè)容器內(nèi)的液體或氣體進(jìn)入變送器而造成導(dǎo)壓管線結(jié)晶、堵塞、腐蝕儀表，或?yàn)榱吮３重?fù)壓室凝液高

7、度恒定，常在變送器的正、負(fù)壓室與取壓點(diǎn)間分別加裝隔離罐，并充以密度為 的中性隔離液，如圖3-35所示。時(shí)正負(fù)壓室的壓力差為：2圖3-35 負(fù)遷移測(cè)量安裝圖正壓室：負(fù)壓室：正、負(fù)室壓差為： (3-25) 由式(3-25)可知，當(dāng)H=0時(shí)， 0。對(duì)比無遷移情況，相當(dāng)于在負(fù)壓室多了一項(xiàng)壓力，其固定壓差為 ，此即為負(fù)遷移，這樣在液位在0 變化時(shí)，差壓變送器的輸出不再是標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。為了使儀表輸出反映被測(cè)量液位，必須抵消掉負(fù)壓室的固定壓差的作用。GpghgHp211Gpghp22ghhgHppp2121)(ghh212)(ghh212)(maxH（3 3）、負(fù)遷移）、負(fù)遷移 方法方法：調(diào)整負(fù)遷移彈簧，其作用

8、是將變送器的測(cè)量從起點(diǎn)遷移到某一負(fù)數(shù)值，同時(shí)改變測(cè)量范圍的上下限值，實(shí)現(xiàn)測(cè)量范圍的平移，但不改變其量程的大小。圖3-36 不同零點(diǎn)遷移情況下的特性曲線【例】如圖335所示，用差壓變送器檢測(cè)液位。已知 =1200kg/ ， =950kg/ , =1.0m, =5.0m, 液位變化的范圍是0，已知當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹?，求差壓變送器的量程和遷移量。解： 當(dāng)液位在03m變化時(shí)，差壓的變化量為： Pa根據(jù)差壓變送器的量程系列，可選擇差變的量程為40KPa.當(dāng)H=0時(shí)，有 121h2h3m3m2s352808 . 912000 . 31maxgH【例】 所以差變要進(jìn)行負(fù)遷移，遷移量為，遷移后該差變的測(cè)量范圍為

9、 。37240899500105212.).(g)hh(p【例】若采用DDZ-型儀表，則當(dāng)變送器輸出為4mA時(shí)，表示H=0, 當(dāng)I=20mA時(shí)，H=4030/35.28=3.4m, 即實(shí)際可測(cè)量液位為：0。若要求時(shí)差變輸出為20mA, 應(yīng)如何處理？答：零點(diǎn)負(fù)遷移后，進(jìn)行量程調(diào)整，使得當(dāng)差壓為-1.96 KPa時(shí)，輸出為20mA?！纠咳⒙晫W(xué)式物位檢測(cè)三、聲學(xué)式物位檢測(cè) 聲波是一種機(jī)械波，是機(jī)械振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播過程，當(dāng)震動(dòng)頻率在十余赫茲到萬余赫茲時(shí)可以引起人的聽覺，稱為聲波；更低頻率的機(jī)械波稱為次聲波；20k赫茲以上的機(jī)械波稱為超聲波，物位檢測(cè)一般使用超聲波。 圖3-37 聲學(xué)式物位測(cè)量裝置

10、圖3-37 聲學(xué)式物位測(cè)量裝置(1) 聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)被吸收而衰減，氣體吸收最強(qiáng)而衰減最大，液體次之,固體吸收最小而衰減最小。聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)衰減的程度還與聲波的頻率有關(guān)，頻率越高，衰減也越大。因此超聲波比其他聲波在傳播時(shí)的衰減更明顯。(2) 聲波傳播時(shí)的方向性隨聲波的頻率的升高而變強(qiáng)，發(fā)射的聲速也越尖銳，超聲波可近似為直線傳播，具有很好的方向性。 (1)(3) 當(dāng)聲波從一種介質(zhì)向另一種介質(zhì)傳播時(shí)，因?yàn)閮煞N介質(zhì)的密度不同和聲波在其中傳播的速度不同，在分界面上會(huì)產(chǎn)生反射和折射。當(dāng)聲波從液體或固體傳播到氣體，或相反的情況下，由于兩種介質(zhì)的聲阻抗相差懸殊，聲波幾乎全部被反射。 (3)聲學(xué)式物位

11、測(cè)量原理：通過測(cè)量聲波從發(fā)射至接收到被物位界面所反射的回波的時(shí)間間隔來確定物位的高低。 (3-26)式中：v: 超聲波的傳播速度，t: 為超聲波從發(fā)射到接收所經(jīng)過的時(shí)間。vtH21(3) 圖3-38 超聲波物位計(jì)示意圖 (A) 清潔液體液位測(cè)量 (B) 污濁液體液位測(cè)量 超聲波的發(fā)射與接收超聲波的發(fā)射與接收 超聲波的發(fā)射與接收根據(jù)壓電效應(yīng)，通過換能器實(shí)現(xiàn)，換能器的核心是壓電晶體。 圖3-39 聲波發(fā)射 圖3-40 聲波接收 測(cè)量方法測(cè)量方法 根據(jù)測(cè)量介質(zhì)不同，超聲波物位測(cè)量可分為：氣體、液體和固體三種類型。換能器：用兩個(gè)探頭，發(fā)射一個(gè)、接收一個(gè)；或公用一個(gè)。 影響測(cè)量精度的因素： t：可以通過

12、電路準(zhǔn)確測(cè)量 v：與介質(zhì)密度有關(guān)，而密度是溫度和壓力的函數(shù)。因而必須進(jìn)行補(bǔ)償。方法有：溫度補(bǔ)償溫度補(bǔ)償 如果聲波在被測(cè)介質(zhì)中的傳播速度主要隨溫度而變，聲速與溫度的關(guān)系為已知，而且假設(shè)聲波所穿越的介質(zhì)的溫度處處相等，則可以在超聲換能器附近安裝一個(gè)溫度傳感器，根據(jù)已知的聲速與溫度之間的函數(shù)關(guān)系，自動(dòng)進(jìn)行聲速的補(bǔ)償。設(shè)置校正具設(shè)置校正具 在被測(cè)介質(zhì)中安裝兩組換能器探頭，一組用作測(cè)量探頭，另一組用作構(gòu)成速效校正用的探頭。 A、固定校具： 校正的方法是將校正用的探頭固定在校正具（一般是金屬圓同）的一端，校正具的另一端是一塊反射板（圖3-41）。由于校正探頭到反射板的距離 為已知的固定長(zhǎng)度 ，測(cè)出聲脈沖從

13、校正探頭到反射板的往返時(shí)間 ，則可得聲波在介質(zhì)中的傳播速度為：0L0T圖3-41 應(yīng)用固定校正具檢測(cè)液位原理圖設(shè)置校正具設(shè)置校正具 因?yàn)樾Ｕ筋^和測(cè)量探頭是在同一個(gè)介質(zhì)中，如果兩者的傳播速度相等，即 =v，則代入（3-26）式可得 0vttLH00 由上式可知，只要測(cè)出時(shí)間T和 ，就能獲得料位的高度H，從而消除了聲速變化引起的測(cè)量誤差。 0T適用于容器中介質(zhì)的聲速個(gè)處相同適用于容器中介質(zhì)的聲速個(gè)處相同 。ootLv20圖3-41 應(yīng)用固定校正具檢測(cè)液位原理圖B、活動(dòng)校具主要用于聲速沿高度方向變化的介質(zhì) 。圖3-42 應(yīng)用活動(dòng)校正具檢測(cè)液位原理圖四、四、 射線式物位檢測(cè)射線式物位檢測(cè) 放射性同位

14、素在蛻變過程中會(huì)放射出、三種射線。射線是從放射性同位素原子核中放射出來的，它由兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子所組成（即實(shí)際上是氦原子核），帶有正電荷，它的電離本領(lǐng)最強(qiáng)，但穿透能力最弱。射線是電子流，電離本領(lǐng)比射線弱，而穿透能力較射線強(qiáng)。射線是一種從原子核中發(fā)出的電磁波，它的波長(zhǎng)較短，不帶電荷，它在物質(zhì)中的穿透能力比和射線都強(qiáng)，但電離本領(lǐng)最弱。 由于射線的可穿透性，它們常被用于情況特殊或環(huán)境條件惡劣的場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)各種參數(shù)的非接觸式檢測(cè)，如位移，材料的厚度及成分，流體密度，流量，物位等。物位檢測(cè)是其中一個(gè)典型的應(yīng)用示例。 四、四、 射線式物位檢測(cè)射線式物位檢測(cè)1 1、檢測(cè)原理、檢測(cè)原理 當(dāng)射線射入一定厚度的介質(zhì)時(shí)

15、，部分能量被介質(zhì)所吸收，所穿透的射線強(qiáng)度隨著所通過的介質(zhì)厚度增加而減弱，它的變化規(guī)律為： HeII0（327）1、檢測(cè)原理、檢測(cè)原理式中 ，I為射入介質(zhì)前和通過介質(zhì)后的射線強(qiáng)度；為介質(zhì)對(duì)射線的吸收系數(shù)；H為射線所通過的介質(zhì)厚度。介質(zhì)不同，吸收射線的能力也不同。一般是固體吸收能力最強(qiáng)，液體其次，氣體最弱。當(dāng)射線源和被測(cè)介質(zhì)一定時(shí)， 和 都為常數(shù)。測(cè)處通過介質(zhì)后的射線強(qiáng)度I，便可求出被測(cè)介質(zhì)的厚度H。 0I0I1、檢測(cè)原理、檢測(cè)原理2 2、 檢測(cè)系統(tǒng)組成檢測(cè)系統(tǒng)組成 射線式物位檢測(cè)系統(tǒng)主要由射線源，射線探器和電子線路等部分組成（見圖343）。(1)(1)射線源射線源 主要從射線的種類、射線的強(qiáng)度以

16、及使用的時(shí)間等方面考慮選擇合適的放射性同位素和所使用的量。 由于在物位檢測(cè)中一般需要射線穿透的距離較長(zhǎng)，因此常采用穿透能力較強(qiáng)的射線。能產(chǎn)生射線的放射性同位素主要是 （鈷）和 （銫），它們的半衰期分別為年和33年。 60oC137SC 圖3-43 射線式液位檢測(cè)原理圖2 2、 檢測(cè)系統(tǒng)組成檢測(cè)系統(tǒng)組成 射線式物位檢測(cè)系統(tǒng)主要由射線源，射線探器和電子線路等部分組成（見圖343）。(1)(1)射線源射線源 主要從射線的種類、射線的強(qiáng)度以及使用的時(shí)間等方面考慮選擇合適的放射性同位素和所使用的量。 由于在物位檢測(cè)中一般需要射線穿透的距離較長(zhǎng)，因此常采用穿透能力較強(qiáng)的射線。能產(chǎn)生射線的放射性同位素主要是

17、 （鈷）和 （銫），它們的半衰期分別為年和33年。 60oC137SC（2 2）探測(cè)器）探測(cè)器 射線探測(cè)器的作用是將其接收到的 射線強(qiáng)度轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，并輸給下一級(jí)電路。作為射線的檢測(cè)，常用的探測(cè)器是閃爍計(jì)數(shù)管，此外，還有電離室，正比計(jì)數(shù)管等。 放射源的強(qiáng)度取決于所使用的放射性同位素的質(zhì)量。質(zhì)量越大，所釋放的射線強(qiáng)度也越大，這對(duì)提高測(cè)量精度，提高儀器的反映速度有利，但同時(shí)也給防護(hù)帶來了困難，因此必須是兩者兼顧，在保證測(cè)量滿足要求的前提下盡量減少其強(qiáng)度，以簡(jiǎn)化防護(hù)和保證安全。2 2、 檢測(cè)系統(tǒng)組成檢測(cè)系統(tǒng)組成 閃爍計(jì)數(shù)管主要是由閃爍體和光電倍增兩部分組成。閃爍體是一種能將射線的能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽艿奈镔|(zhì)，而光電倍增管的作用為接受閃爍體發(fā)射的光子將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮?，并將這些電子倍增放大為可測(cè)量的電脈沖。對(duì)于不同射線的探測(cè)，所用的閃爍體是不同的。探測(cè) 射線的閃爍體為碘化鈉晶體。（3 3）電子線路）電子線路 將探測(cè)器輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的標(biāo)