河南工業(yè)大學(xué)過程控制

安全防爆在石油、化工等多個行業(yè)，大量存在含有易燃易爆材料的場合（危險區(qū)域），如原油及其衍生物、酒精、天然氣、金屬屑、粉塵、纖維、飛揚物等等。安全防爆是一項綜合性技術(shù)，與過程控制關(guān)系密切。安全防爆意義重大。當(dāng)前1頁，總共31頁。危險區(qū)分類當(dāng)前2頁，總共31頁。可燃物的燃點和閃點爆炸的形成，與可燃物的燃點、閃點密切有關(guān)。燃點指可燃物受熱發(fā)生自燃的最低溫度。達到這一溫度，可燃物質(zhì)與空氣接觸，不需要明火作用，就能自行燃燒。燃點越低，發(fā)生起火的危險性越大。如汽油的燃點為220oC。閃點是易燃物或可燃液體揮發(fā)出的蒸氣與空氣形成混合物后，遇火源發(fā)生燃燒的最低溫度。如汽油閃點39oC。安裝在危險區(qū)的電子儀表（傳感器、執(zhí)行器或控制器），其表面溫度必須受限，并避免產(chǎn)生火花。當(dāng)前3頁，總共31頁。防爆技術(shù)為了確保電子設(shè)備在危險場所安全使用，發(fā)展了多種防爆技術(shù)：隔爆型（d）本安型（i）正壓型（ｐ）油浸型（ｏ）充砂型（ｑ）各種防爆技術(shù)規(guī)范由國家標準強制規(guī)定，不同的防爆技術(shù)適用于不同的場合。當(dāng)前4頁，總共31頁。隔爆型“ｄ”把設(shè)備可能點燃爆炸性氣體混合物的部件全部封閉在一個外殼內(nèi)；其外殼能夠承受通過外殼任何接合面或結(jié)構(gòu)間隙，滲透到殼內(nèi)的可燃性混合物在內(nèi)部爆炸而不損壞；并且不會引起外部由一種、多種氣體或蒸汽形成的爆炸性環(huán)境的點燃，從而達到隔爆目的。適用于1區(qū)和2區(qū)。當(dāng)前5頁，總共31頁。本安型“ｉ”設(shè)備內(nèi)部的所有電路在標準規(guī)定條件下，產(chǎn)生的任何電火花或任何熱效應(yīng)均不能點燃規(guī)定的爆炸性氣體。從限制電路中的能量入手，通過可靠的控制電路參數(shù)將潛在的火花能量降低到可點燃規(guī)定的氣體混合物能量以下，導(dǎo)線及元件表面發(fā)熱溫度限制在規(guī)定的氣體混合物的點燃溫度之下。該防爆型式只能應(yīng)用于弱電設(shè)備中（控制器、傳感器等）。適用于0區(qū)、1區(qū)和2區(qū)。安裝在安全區(qū)（如控制室內(nèi)）的非防爆型儀表，需經(jīng)防爆安全柵與安裝在危險區(qū)的本安儀表聯(lián)接。當(dāng)前6頁，總共31頁。防爆安全柵安全柵安裝在安全場所，一方面?zhèn)鬏斝盘?，另一方面將流入危險場所的能量控制在爆炸性氣體或混合物的點火能量以下。發(fā)生故障時，安全柵能將串入到故障儀表的能量限制在安全值以內(nèi)，從而確保現(xiàn)場設(shè)備、人員和生產(chǎn)的安全。分為齊納式安全柵與隔離式安全柵兩種。當(dāng)前7頁，總共31頁。齊納式安全柵與隔離式安全柵齊納式（Zener）安全柵，通過快速熔斷絲和限壓、限流電路實現(xiàn)能量限制作用。隔離式安全柵，使用較多的是隔離變壓器式安全柵。與齊納式安全柵相比，隔離式安全柵具有如下突出優(yōu)點：隔離式安全柵的電源、信號輸入、信號輸出均通過變壓器耦合，實現(xiàn)信號的輸入、輸出完全隔離。通用性強，可以在危險區(qū)或安全區(qū)認為合適的任何一方接地；隔離式安全柵由于信號完全浮空，大大增強信號的抗干擾能力。當(dāng)前8頁，總共31頁。儀表防爆標志示例ExdⅡBT6Ex：防爆儀表d:隔爆型ⅡB：Ⅱ指工廠用儀表（Ⅰ指煤礦用儀表）。Ⅱ類又分ⅡA（丙烷等）、ⅡB（乙烯等）和ⅡC（氫氣、乙炔等）T6：85℃（根據(jù)自燃溫度T將易燃性氣體或蒸汽混合物分為450℃、300℃、200℃、135℃、100℃和85℃。）當(dāng)前9頁，總共31頁。安全防爆的其他考慮靜電處理，如油庫設(shè)施的油罐、管道、卸油臺、加油柱應(yīng)可靠接地。防雷擊處理，在易燃易爆生產(chǎn)場所應(yīng)安裝避雷設(shè)施（避雷針、SPD等）。電纜連接及布線處理。執(zhí)行器優(yōu)先選擇氣動設(shè)備。當(dāng)前10頁，總共31頁。過程控制常見被控參數(shù)常見被控參數(shù)：溫度壓力流量液位成分許多工業(yè)過程都可以直接或間接地以上述參數(shù)實現(xiàn)控制。當(dāng)前11頁，總共31頁。溫度檢測

溫度是工業(yè)過程控制系統(tǒng)中最常用、最基本的一個物理量。工業(yè)過程中常用溫標為攝氏，但美國采用華氏，換算關(guān)系：當(dāng)前12頁，總共31頁。溫度測量方法及測量元件接觸式和非接觸式常用測量元件：熱電偶熱電阻半導(dǎo)體熱敏電阻集成溫度傳感器當(dāng)前13頁，總共31頁。接觸式測溫

測溫方法：膨脹式，基于物體受熱體積膨脹性質(zhì)；熱電阻式，基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體電阻隨溫度變化的性質(zhì)；熱電偶式，基于熱電效應(yīng)。特點：簡單、可靠、精度高；測溫元件有時可能破壞被測介質(zhì)的溫度場或與被測介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；因受到耐高溫材料的限制，測溫上限有界。

當(dāng)前14頁，總共31頁。非接觸式測溫

測溫方法：利用物體輻射能隨溫度變化的特性，如紅外式測溫。特點：不會破壞被測介質(zhì)的溫度場，測溫上限原則上不受限制；可測運動體溫度，如軋鋼過程中鋼板表面溫度；易受被測物體熱輻射率及環(huán)境因素（物體與儀表間的距離、煙塵和水汽等）的影響。

當(dāng)前15頁，總共31頁。熱電偶（Thermocouple）

工業(yè)過程中使用范圍很廣的一種測溫元件。特點：其熱電動勢與溫度在小范圍內(nèi)基本上呈單值、線性關(guān)系；穩(wěn)定性好；測溫范圍寬，高溫?zé)犭娕紲y溫上限可達2800℃；精度較高。當(dāng)前16頁，總共31頁。常用熱電偶型號基本為定型生產(chǎn)，有標準化分度表。

常用型號：鉑銠30-鉑銠6熱電偶（也稱雙鉑銠熱電偶，分度號B）；測溫范圍300-1600℃。鉑銠10-鉑電偶（分度號S）；測溫范圍0-1300℃。鎳鉻-鎳硅（鎳鉻-鎳鋁，分度號K）熱電偶；測溫范圍-50-1000℃。當(dāng)前17頁，總共31頁。熱電偶冷端溫度對被測溫度的影響

只有當(dāng)熱電偶冷端溫度T0保持不變時，熱電勢才是被測溫度T的單值函數(shù)：E(T，0)=E(T，T0)+E(T0，0)所以，只有將冷端溫度保持為0℃，或者進行一定的修正才能得到準確的測量結(jié)果。該過程稱為熱電偶的冷端溫度補償。當(dāng)前18頁，總共31頁。熱電偶冷端補償例題用分度號為K的鎳鉻-鎳硅熱電偶測量溫度，在沒有采取冷端溫度補償?shù)那闆r下，顯示儀表指示值為500℃，而這時冷端溫度為60℃。試問：實際溫度應(yīng)為多少？如果熱端溫度不變，設(shè)法使冷端溫度保持在20℃，此時顯示儀表的指示值應(yīng)為多少？

當(dāng)前19頁，總共31頁。熱電偶冷端補償例題顯示儀表指示值為500時，查表可得此時顯示儀表的實際輸入電勢為20.64mV，即

冷端溫度為60℃產(chǎn)生的電勢：由23.076mV查表可得：t=557℃。即實際溫度為557℃。

當(dāng)前20頁，總共31頁。熱電偶冷端補償例題當(dāng)熱端為557℃，冷端為20℃時，由于E（20，0）=0.798mV,故有：查表可得顯示儀表指示值應(yīng)為538.4℃。

當(dāng)前21頁，總共31頁。工業(yè)上冷端補償常用方法冷端溫度修正法，包括：溫度修正法T=T‘+kT(k為修正系數(shù))熱電勢修正法（軟件查表法）冷端溫度自動補償法，包括：冷端補償電橋法pn結(jié)補償法若被測溫度較高（>1000℃

），而冷端在室溫范圍，可以忽略冷端的影響，即無需補償。當(dāng)前22頁，總共31頁。熱電阻（RTD）

在中、低溫區(qū)，熱電偶輸出的熱電動勢很?。欢谥?、低溫區(qū)，用熱電阻比用熱電偶做為測溫元件時的測量精確度更高；熱電阻特點：性能穩(wěn)定、測量精度高，一般可在-270～900℃范圍內(nèi)使用（推薦在150℃以下時選用）。當(dāng)前23頁，總共31頁。熱電阻的材料工業(yè)熱電阻的材料要求：電阻溫度系數(shù)大；電阻隨溫度的變化呈線性關(guān)系；電阻率大；熱容量?。辉跍y溫范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能。熱電阻的材料主要有鉑、銅和鎳。當(dāng)前24頁，總共31頁。不同熱電阻特點及分度號鉑在氧化介質(zhì)或高溫時，物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。分度號有Pt100、Pt10。測溫范圍-200-850℃。銅在-50-150℃穩(wěn)定性好，超過100℃易被氧化。分度號有Cu50、Cu100。測溫范圍-50-150℃。鎳在我國含量少，不常用。分度號有Ni100、Ni300和Ni500。測溫范圍-60-180℃。三種熱電阻中，鉑（特別是Pt100）使用最廣）當(dāng)前25頁，總共31頁。半導(dǎo)體熱敏電阻（Thermistor）包括正溫度系數(shù)PTC、負溫度系數(shù)NTC和臨界溫度電阻CTR三類。連續(xù)測溫中主要采用負溫度系數(shù)NTC；而PTC和CTR一般用于制作位式作用溫度開關(guān)。熱容量小，響應(yīng)快；但互換性差，熱電特性非線性大。測溫范圍-50-300℃。當(dāng)前26頁，總共31頁。集成溫度傳感器利用pn結(jié)的伏安特性與溫度之間的關(guān)系研制的一種固態(tài)傳感器。特點：體積小；熱慣性小、反應(yīng)快；測溫精度高；穩(wěn)定性好；價格低等。分為電壓型和電流型兩種，電壓型溫度系數(shù)約10mV/℃；電流型溫度系數(shù)約1μA/℃。

當(dāng)前27頁，總共31頁。集成溫度傳感器AD590兩端元件；供電電壓：直流（+4~+30V），1.5mW(+5V)；高阻抗（710MΩ）輸出；0℃時輸出273.2μA；溫度系數(shù)1μA/℃；測溫范圍-55~+150℃；使用范圍廣泛。當(dāng)前28頁，總共31頁。熱電偶、熱電阻的選型

根據(jù)工藝要求的測溫范圍和使用要求確定相應(yīng)分度號的熱電偶、熱電阻。

優(yōu)先選擇一體化熱電偶或熱電阻溫度變送器，直接輸出標準信號。根據(jù)環(huán)境條件選用不同型式的接線盒。潮濕或露天場所選用防濺式、防水式；易燃易爆場合注意防爆。當(dāng)前29頁，總共31頁。測溫元件管道安裝原則

測量流動介質(zhì)（管道內(nèi)）溫度時，應(yīng)保證傳感器與介質(zhì)充分接觸，與被測介質(zhì)成逆