過程控制儀表基礎(chǔ)知識(shí)

過程控制儀表基礎(chǔ)知識(shí)1.1控制儀表的信號(hào)制1.2電動(dòng)儀表信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)的使用1.3控制儀表的防爆知識(shí)1.4過程控制儀表的型號(hào)命名1.5過程控制儀表的分析方法過程控制儀表的基本知識(shí)第2頁,共38頁，2024年2月25日，星期天1.1信號(hào)制信號(hào)制即信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，是指儀表之間采用的傳輸信號(hào)的類型和數(shù)值。下限上限20kPa(0.2Kgf/cm2)100kPa(1Kgf/cm2)電流信號(hào)負(fù)載電阻４－２０mA２５０－７５０歐0-10mA０－１０００歐０－３０００歐目的：達(dá)到通用性和相互兼容性的要求，以便不同系列或不同廠家生產(chǎn)的儀表能夠共同使用在同一控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。第3頁,共38頁，2024年2月25日，星期天1.2電動(dòng)儀表信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)的使用現(xiàn)場(chǎng)與控制室儀表之間采用直流電流信號(hào)

優(yōu)點(diǎn)：直流比交流干擾少直流信號(hào)對(duì)負(fù)載的要求簡(jiǎn)單電流比電壓更利于遠(yuǎn)傳信息缺點(diǎn)：多個(gè)儀表接收同一電流信息，它們必須串聯(lián)。要求：·接收儀表輸入電阻小

·任何一個(gè)儀表在拆離信號(hào)回路之前首先要把該儀表的兩個(gè)輸入端短接，否則其它儀表將會(huì)因電流中斷而失去信號(hào)

·儀表無公共接地點(diǎn)，須浮空工作變送器發(fā)送者rrIoRL1RL2負(fù)載接受者現(xiàn)場(chǎng)控制室第4頁,共38頁，2024年2月25日，星期天控制室內(nèi)部?jī)x表之間采用直流電壓信號(hào)Io＋Vi－RL1RL2RL3現(xiàn)場(chǎng)控制室優(yōu)點(diǎn)：△任何一個(gè)儀表拆離信號(hào)回路都不會(huì)影響其它儀表的運(yùn)行。

△各個(gè)儀表具有公共接地點(diǎn)，可以共用一個(gè)直流電源。要求：接收儀表的輸入阻抗要足夠高第5頁,共38頁，2024年2月25日，星期天1.3儀表防爆的基本知識(shí)

氣動(dòng)儀表從本質(zhì)上來說具有防爆性能（不可能產(chǎn)生火花）。電動(dòng)儀表必須采取必要的防爆措施才具有防爆性能。原因：在某些生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)存在著各種易燃、易爆氣體（煉油、化工等生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)）。安裝在這種危險(xiǎn)場(chǎng)所的儀表如果產(chǎn)生火花，就容易引起爆炸，因而必須具有防爆性能。第6頁,共38頁，2024年2月25日，星期天1.防爆儀表的標(biāo)準(zhǔn)防爆儀表的分類防爆儀表的分級(jí)和分組防爆儀表的標(biāo)志標(biāo)準(zhǔn)：國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB3836.1《爆炸性環(huán)境用防爆電氣設(shè)備通用要求》標(biāo)志：iaIICT5，iaIICT6，dIIBT3……第7頁,共38頁，2024年2月25日，星期天防爆儀表的分類S特殊型n無火花型q充沙型O充油型P正壓型i本質(zhì)安全型e增安型d隔爆型

按照國(guó)標(biāo)GB3836.1規(guī)定，防爆電氣設(shè)備分為兩大類：

I類：煤礦井下用電氣設(shè)備

II類：工廠用電氣設(shè)備II類(工廠用)電氣設(shè)備又分為8種類型。其標(biāo)志如下：

第8頁,共38頁，2024年2月25日，星期天在爆炸性氣體或蒸汽中使用的儀表，引起爆炸主要有兩方面原因：2.儀表過高的表面溫度II類(工廠用)防爆儀表的分級(jí)和分組就是針對(duì)上述兩個(gè)方面進(jìn)行的。1.儀表產(chǎn)生能量過高的電火花或儀表內(nèi)部因故障產(chǎn)生的火焰通過表殼的縫隙引燃儀表外的氣體或蒸汽第9頁,共38頁，2024年2月25日，星期天防爆儀表的分級(jí)0.45>MICR0.5≥dmaxIIC0.8≥MICR≥0.450.9>dmax>0.5IIBMICR>0.8dmax≥0.9IIAMICRdmax(mm)級(jí)別根據(jù)：最大試驗(yàn)安全間隙dmax或最小點(diǎn)燃電流的比值MICR

防爆儀表的分組根據(jù)：儀表最高表面溫度450T1300T2200T3135T485100最高表面溫度T6T5溫度組別儀表的最高表面溫度=實(shí)測(cè)最高表面溫度―實(shí)測(cè)時(shí)環(huán)境溫度

+規(guī)定最高環(huán)境溫度第10頁,共38頁，2024年2月25日，星期天防爆儀表的標(biāo)志防爆儀表的防爆標(biāo)志為“Ex”；儀表的防爆等級(jí)標(biāo)志的順序?yàn)椋悍辣褪?、類別、級(jí)別、溫度組別。過程控制儀表常見的防爆等級(jí)有iaIICT5(iaIICT6)和dIIBT3二種。前者表示II類本質(zhì)安全型ia等級(jí)C級(jí)T5組；后者表示II類隔爆型B級(jí)T3組。防爆儀表的分級(jí)與分組，與易燃易爆氣體或蒸汽的分級(jí)和分組是相對(duì)應(yīng)的。

硝酸乙脂二硫化碳乙炔氫、水煤氣IIC乙醚、二乙醚二甲醚、丙烯醛、碳化氫

環(huán)氧丙烷、丁二烯、乙烯丙烯脂、二甲醚、環(huán)丙烷、市用煤氣IIB亞硝酸乙脂乙醛、三甲胺環(huán)乙烷、戊烷、己烷、庚烷、辛烷、汽油、煤油、柴油、戊醇、己醇、環(huán)乙醇乙醇、丁醇、丁烷、醋酸丁脂、醋酸戊脂、環(huán)戊烷、丙烯、乙苯、甲醇、丙醇甲烷、氨、乙烷、丙烷、丙酮、苯、甲苯、一氧化碳、丙烯酸、甲脂、苯乙烯、醋酸乙脂、醋酸、氯苯、醋酸甲脂IIAT685～100℃

T5100～135℃

T4135～200℃

T3200～300℃

T2300～400℃

T1>450℃

組別第11頁,共38頁，2024年2月25日，星期天

過程控制儀表的防爆措施過程控制儀表主要有:

隔爆型防爆儀表本質(zhì)安全型防爆儀表第12頁,共38頁，2024年2月25日，星期天隔爆型防爆儀表特點(diǎn)：儀表的電路和接線端子全部置于防爆殼體內(nèi)

防爆措施：采用耐壓80～100N/cm2以上的表殼表殼外部的溫升不得超過由易爆性氣體或蒸汽的引燃溫度所規(guī)定的數(shù)值表殼接合面的縫隙寬度及深度，應(yīng)根據(jù)它的容積和易爆性氣體的級(jí)別采用規(guī)定的數(shù)值使用注意：*揭開儀表表殼后，將失去了防爆性能

*長(zhǎng)期使用會(huì)逐漸降低防爆性能第13頁,共38頁，2024年2月25日，星期天本質(zhì)安全型防爆儀表正常狀態(tài)指在設(shè)計(jì)規(guī)定條件下的工作狀態(tài)，故障狀態(tài)指電路中非保護(hù)性元件損壞或產(chǎn)生短路、斷路、接地及電源故障等情況。本質(zhì)安全型防爆儀表也稱安全火花型防爆儀表。這種儀表，在正常狀態(tài)下或規(guī)定的故障狀態(tài)下產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)均不會(huì)引起規(guī)定的易爆性氣體混合物爆炸。本質(zhì)安全型ia和ib兩個(gè)等級(jí)分別表示：ia等級(jí)

在正常工作、一個(gè)故障和兩個(gè)故障時(shí)均不能點(diǎn)燃爆炸性氣體混合物的電氣設(shè)備。ib等級(jí)

在正常工作和一個(gè)故障時(shí)不能點(diǎn)燃爆炸性氣體的電氣設(shè)備。第14頁,共38頁，2024年2月25日，星期天控制系統(tǒng)的防爆措施要使整個(gè)測(cè)量或控制系統(tǒng)的防爆性能符合安全火花防爆要求，必須滿足：

1.在危險(xiǎn)場(chǎng)所使用安全火花型防爆儀表

2.在控制室儀表與危險(xiǎn)場(chǎng)所儀表之間設(shè)置安全柵變送器安全柵控制器安全柵執(zhí)行器現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)場(chǎng)所控制室非危險(xiǎn)場(chǎng)所要真正實(shí)現(xiàn)安全火花防爆，必須注意：4方面的要求。第15頁,共38頁，2024年2月25日，星期天（8）執(zhí)行單元：氣動(dòng)執(zhí)行器、電氣閥門定位器等。1.4過程控制儀表的型號(hào)命名按過程控制儀表在系統(tǒng)中的作用和特點(diǎn)可分為八類。（1）變送單元：溫度變送器、差壓變送器、液位變送器、壓力變送器等。（2）調(diào)節(jié)單元：基型控制器、特種控制器。（3）給定單元：恒流給定器、比值給定器。（4）轉(zhuǎn)換單元：電/氣轉(zhuǎn)換器、電流轉(zhuǎn)換器。（5）計(jì)算單元：加減器、乘除器、開方器等。（6）顯示單元：積算器、記錄儀等。（7）輔助單元：安全柵、配電器、操作器等。第16頁,共38頁，2024年2月25日，星期天DDZ-Ⅲ型儀表的型號(hào)及命名DDZ-Ⅲ型儀表各單元的型號(hào)由三部分組成，各部分之向用短橫線隔開，格式如下。第一部分由三個(gè)漢語拼音大寫字母所組成。第一個(gè)字母均為D，表示屬于電動(dòng)單元組合儀表。D□□-□□□□-□第二個(gè)字母代表儀表大類，字母含意如下：

B-變送單元；T-調(diào)節(jié)單元；X-顯示單元；

J-計(jì)算單元；Z-轉(zhuǎn)換單元；K-執(zhí)行單元；

G-給定單元；F-輔助單元。第17頁,共38頁，2024年2月25日，星期天在變送單元中：W-溫度和溫差；Y-壓力；C-差壓。在調(diào)節(jié)單元中：L-連續(xù)；D-斷續(xù)。在運(yùn)算單元中：J-加減；S-乘除；K-開方。在顯示單元中：Z-指示；J-記錄；B-報(bào)警；S-積算。在執(zhí)行單元中：Z-直行程；J-角行程。第三個(gè)字母代表各大類中的產(chǎn)品小類，同一字母在不同大類中有不同的含義，如：第18頁,共38頁，2024年2月25日，星期天例如,DBC-2310為一臺(tái)差壓變送器的型號(hào)規(guī)格。其中第一位數(shù)字“2”表示工作壓力為400kPa，第二位數(shù)字“3”表示測(cè)量范圍為0～600Pa至0～4kPa，第三位數(shù)字“l(fā)”表示帶單平法蘭，第四位數(shù)字“0”表示序號(hào)。第二部分由四位阿拉伯?dāng)?shù)字組成，這四位數(shù)字代表產(chǎn)品的種類、規(guī)格和結(jié)構(gòu)特征。第三部分由一個(gè)或數(shù)個(gè)漢語拼音大寫字母組成，標(biāo)志產(chǎn)品的特殊用途。例如,安全火花防爆（A）、隔離防爆（B）、防腐（F）、船用（C）等。當(dāng)具備一個(gè)以上特殊用途時(shí)，按字母順序排列。第19頁,共38頁，2024年2月25日，星期天第三個(gè)字母表示測(cè)量參數(shù)或儀表品種QDZ型儀表的型號(hào)及命名QDZ型儀表型號(hào)格式為Q□□-□，第二個(gè)字母代表儀表大類，字母含義同DDZ-Ⅲ型儀表最后一個(gè)部分是阿拉伯?dāng)?shù)字，用以表示產(chǎn)品系列、規(guī)格、結(jié)構(gòu)特征等編號(hào)。第20頁,共38頁，2024年2月25日，星期天1.5過程控制儀表的分析方法過程控制儀表的總體分析思路采用單個(gè)放大器電路分析方法采用集成運(yùn)算放大器電路分析方法第21頁,共38頁，2024年2月25日，星期天總體分析思路從儀表整體結(jié)構(gòu)上看，模擬式控制儀表有兩種構(gòu)成形式：

1.儀表整機(jī)采用單個(gè)放大器，其放大器可由若干級(jí)放大電路或不同的放大器串聯(lián)而成。屬于這一類的儀表有：DDZ-II型儀表、大部分的變送器、氣動(dòng)儀表等。

2.整機(jī)由數(shù)目不等的運(yùn)算放大器電路以不同形式（主要是串聯(lián)形式）組裝而成。采用運(yùn)算放大器的儀表都屬于這一類構(gòu)成形式如：DDZ-III型系列、I系列、EK系列儀表等。

第22頁,共38頁，2024年2月25日，星期天采用單個(gè)放大器的儀表分析采用單個(gè)放大器的儀表一般有如下的結(jié)構(gòu)：輸入部分、放大器和反饋部分。單回路負(fù)反饋KiKKfε+zi－zfxy輸入部分放大器反饋部分求傳遞函數(shù)？←→儀表的特性如果該儀表滿足深度負(fù)反饋（K*Kf>>1)，則：特點(diǎn)：１.在滿足K*Kf>>1的條件時(shí)，儀表的輸出與輸入關(guān)系僅取決于輸入部分的特性和反饋部分的特性；2.在滿足K*Kf>>1的條件時(shí)，放大器的凈輸入e趨向于零（e→0）。第23頁,共38頁，2024年2月25日，星期天分析方法1、將儀表劃分為輸入部分、放大器和反饋部分；

2、對(duì)各個(gè)部分分析，重點(diǎn)是輸入部分和反饋部分；

3、求出整機(jī)輸出與輸入之間的關(guān)系，得整機(jī)特性。

比較環(huán)節(jié)的確定可以從放大器的輸入端即

所加位置著手；取樣環(huán)節(jié)的確定可以從儀表的輸出信號(hào)回路著手。第24頁,共38頁，2024年2月25日，星期天采用運(yùn)算放大器的儀表分析方法這類儀表的線路是由若干個(gè)運(yùn)算放大器電路組裝而成，主要是運(yùn)算放大器電路以串聯(lián)形式相聯(lián)。由于每一個(gè)運(yùn)算放大器電路的輸出電阻很小，而輸入電阻又都足夠大，這樣，前、后級(jí)運(yùn)算放大器電路之間相互影響很小。分析這類儀表時(shí)，可以把整個(gè)儀表線路分成一個(gè)個(gè)運(yùn)算放大器電路單獨(dú)地進(jìn)行分析，最后再綜合得到整機(jī)的特性。第25頁,共38頁，2024年2月25日，星期天運(yùn)算放大器的基本知識(shí)運(yùn)算放大器的引出端輸入端(+、-)：+端為同相輸入端

-端為反相輸入端UT為同相端對(duì)地的電壓UF為反相端對(duì)地的電壓電壓差Ud從同相端到反相端輸出端：Uo為輸出端對(duì)地的電壓(輸出電壓)＋－＋UTUFUdUoU+U－電源端（U+、U-）分析線路時(shí)往往把運(yùn)算放大器看成是雙端輸入、單端輸出的三端器件。第26頁,共38頁，2024年2月25日，星期天運(yùn)算放大器的基本性能Uc為共模輸入電壓Ud為差模輸入電壓任何一個(gè)運(yùn)算放大器，其允許承受的Uc和Ud都有一定的限制，制造廠規(guī)定了運(yùn)算放大器的最大差模輸入電壓(又稱差模輸入范圍)和最大共模輸入電壓(又稱共模輸入范圍)。運(yùn)算放大器的輸出電壓和電流也都有一定的限制，最大輸出電壓一般比電源電壓低1～2V,最大輸出電流一般為5mA或10mA，在儀表電路中需要輸出大電流時(shí)，往往采用三極管進(jìn)行電流放大。如果對(duì)兩個(gè)輸入端信號(hào)進(jìn)行改寫：第27頁,共38頁，2024年2月25日，星期天理想運(yùn)算放大器的基本性能+－+－KoRoRiUFUTIbFIbTUdUo輸入電阻：Ri

Ri＝∞輸出電阻：Ro

Ro＝0開環(huán)增益：KoKo＝∞失調(diào)、漂移為零重要結(jié)論（理想運(yùn)放在正常使用過程中滿足）：差模輸入為0：UT＝UF（Ud＝0）輸入端電流為0：IbF＝0，IbT＝0第28頁,共38頁，2024年2月25日，星期天基本運(yùn)放電路：反相端輸入=0＋－＋UFUTUoUiR1R2R3UT=??UT=0UF=??結(jié)果：〈1〉輸出電壓與輸入電壓成正比，其比例系數(shù)為R2/R1；〈2〉輸出與輸入極性相反；〈3〉反相端不接地，但UF=0，故稱反相端為“虛地”；〈4〉輸入電阻約等于輸入回路電阻R1；〈5〉輸入回路電流Ii，全部流經(jīng)反饋回路，即If=Ii特點(diǎn)：IiIf第29頁,共38頁，2024年2月25日，星期天基本運(yùn)放電路：同相端輸入=UiUT=??UT=UiUF=??結(jié)果：＋－＋UFUTUoUiR1R2R3〈1〉輸出電壓與輸入電壓成正比，其比例系數(shù)為（1+R2/R1）；〈2〉輸出與輸入極性相同；〈3〉同相端和反相端存在共模電壓UC=Ui

；〈4〉輸入電阻等于運(yùn)放本身的輸入電阻，通常為1～500MΩ。特點(diǎn)：第30頁,共38頁，2024年2月25日，星期天基本運(yùn)放電路：差動(dòng)輸入U(xiǎn)T=??UF=??結(jié)果：〈1〉在滿足R1/R3=R2/R4

電阻匹配條件時(shí)，差動(dòng)輸入放大器電路的輸出電壓僅僅取決于兩個(gè)輸入電壓之差Uid=UiT-UiF

，即這種電路只放大差動(dòng)信號(hào)，不放大共模信號(hào)，且與差動(dòng)信號(hào)Uid成正比，比例系數(shù)為R2/R1。輸出電壓與差動(dòng)信號(hào)極性相同。在儀表線路中，往往取得R1=R3、R2=R4，形成所謂對(duì)稱差動(dòng)運(yùn)放電路?！?〉運(yùn)算放大器輸入端存在共模電壓特點(diǎn)：＋－＋UFUTUoUiTR1R2R3UiFR4∵IbT=0∵IbF=0UT=UFR1/R3=R2/R4第31頁,共38頁，2024年2月25日，星期天基本運(yùn)放電路：電壓跟隨器＋－＋UoUiU0=Ui

特點(diǎn)：輸入電阻高輸出電阻低它在儀表電路應(yīng)用中，起隔離作用基本運(yùn)放電路：反相端輸入基本運(yùn)放電路：同相端輸入基本運(yùn)放電路：差動(dòng)輸入基本運(yùn)放電路：電壓跟隨器U0=Ui第32頁,共38頁，2024年2月25日，星期天運(yùn)算放大器的單電源供電運(yùn)算放大器需要電源，通常有2種供電方式：?jiǎn)坞娫垂╇姾碗p電源供電＋－＋UoUTUFE=Ep+Eo＋－＋UoUTUFEp

En出于儀表總體設(shè)計(jì)的需要、便于儀表的安裝以及變送器采用二線制等原因，在儀表線路中，一般都采用單電源供電，即由一組+24V電源供電。第33頁,共38頁，2024年2月25日，星期天運(yùn)算放大器的使用條件運(yùn)算放大器不論采用單電源供電還是雙電源供電，都必須滿足以下條件：＋－＋UoUTUFU－U＋0V24V19V2V－12V12V7V－10V0V24V23V1V－12V12V11V－11V共模輸入電壓范圍輸出電壓范圍第34頁,共38頁，2024年2月25日，星期天III型儀表中運(yùn)放的供電DDZ-III型等系列儀表的信號(hào)范圍為1～5V，在24V單電源供電時(shí)，顯然不能滿足共模輸入范圍的要求。＋－＋UoUTUFE=Ep+EoEp

En為此，在儀表的電路中，采用電平移動(dòng)的方法，即另加電平移動(dòng)電源UB

，以便使UT和UF

進(jìn)入共模輸入范圍以內(nèi)。另加電平移動(dòng)電源UB之后，運(yùn)算放大器電路在單電源供電時(shí)以UB為基準(zhǔn)的運(yùn)算關(guān)系，跟雙電供電時(shí)以地（0V）為基準(zhǔn)的運(yùn)算關(guān)系，在形式上完全相同