儀表自動化設(shè)計總結(jié)

孫紅英，王躍芹

(濟(jì)南石油化工設(shè)計院，山東 濟(jì)南　250100)

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儀表自動化設(shè)計總結(jié)

孫紅英，王躍芹

(濟(jì)南石油化工設(shè)計院，山東 濟(jì)南250100)

摘要：簡要介紹各種常用過程測量儀表工作性能、特點及各種儀表適應(yīng)的工況。對于不同的應(yīng)用場合，要根據(jù)具體情況，遵循各種儀表的特點去選擇和設(shè)計，發(fā)揮儀表的最佳測量效果，正確指導(dǎo)生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：溫度儀表；壓力儀表；流量儀表；液位儀表；選型

儀表是生產(chǎn)的眼睛，眼睛的好壞直接關(guān)系到生產(chǎn)的安全和產(chǎn)品的質(zhì)量。因此做好儀表設(shè)計，對正確指導(dǎo)生產(chǎn)尤為重要。本人從事化工儀表設(shè)計，在設(shè)計過程中對常用過程測量儀表選型方面總結(jié)了一點經(jīng)驗，與大家共同分享。

1知曉工藝，了解工藝過程中介質(zhì)特性

接到設(shè)計任務(wù)后首先對整個工藝流程有個大致了解，再對照工藝包或流程敘述對重要控制參數(shù)做到心中有數(shù)。查找資料知曉工藝過程中各種介質(zhì)的物性，以便做出正確選型。

1.1　儀表選型

對于不同的工藝，所涉及到的儀表種類也不盡相同，一般常用的過程測量儀表有溫度儀表、壓力儀表、流量儀表和液位儀表。下面就上述幾種儀表性能及適用場所做簡要分析。

1.1.1溫度儀表

溫度儀表根據(jù)是否遠(yuǎn)傳分為就地溫度儀表和遠(yuǎn)傳溫度儀表。就地溫度儀表常用的是雙金屬溫度計；遠(yuǎn)傳的溫度儀表常用的有熱電阻、熱電偶、熱電阻溫度變送器和熱電偶溫度變送器。

1.1.2熱電阻和熱電偶

熱電阻和熱電偶在結(jié)構(gòu)型式上又分為裝配式和鎧裝式。一般場合采用裝配式熱電阻或熱電偶即可。鎧裝熱電阻(偶)易彎曲，抗震性好，且具有良好的機(jī)械強(qiáng)度，更適合在惡劣環(huán)境中使用，比如振動場合壓縮機(jī)進(jìn)出口、高塔等。

1.1.3溫度變送器

熱電阻(偶)溫度變送器是將溫度轉(zhuǎn)變成與熱電阻(偶)信號成正比的4～20mA的統(tǒng)一輸出信號?，F(xiàn)場多采用一體化溫度變送器，一體化溫度變送器可省去昂貴的補(bǔ)償導(dǎo)線，并且信號抗干擾能力強(qiáng)，傳輸距離大。精細(xì)化工的反應(yīng)釜、蒸餾釜等的釜內(nèi)溫度測量多采用帶現(xiàn)場指示的一體化溫度變送器，既可以滿足現(xiàn)場人員觀看溫度又可以遠(yuǎn)傳至控制室顯示。

熱電阻一般常用用于測量-200～400℃的介質(zhì)，熱電偶根據(jù)偶絲材質(zhì)及直徑的不同可測量-200～1600℃的介質(zhì)，(以上所說的溫度范圍是長期使用時的)。選用檢測元件時可根據(jù)介質(zhì)的溫度及環(huán)境選用合適的測溫元件。

1.2　壓力儀表

壓力儀表分為就地壓力儀表和遠(yuǎn)傳壓力儀表。彈性就地壓力儀表根據(jù)彈性敏感元件的不同分為彈簧管、膜盒、膜片、波紋管和專用壓力表。

1.2.1壓力表

在壓力大于40kPa時宜選用彈簧管或波紋管壓力表；壓力在-40～0～40kPa時宜選用膜盒壓力表；壓力在-100～0～2400kPa時宜選用壓力表真空表；壓力在-100kPa～0時宜選用彈簧管真空表。在把握上述原則的基礎(chǔ)上根據(jù)介質(zhì)的腐蝕情況選用合適材質(zhì)的壓力表。

專用壓力表的技術(shù)特性與一般壓力表一樣，但具有特殊的設(shè)計結(jié)構(gòu)及材料，使壓力表更適合于各種特殊場合及用途。例如氨用壓力表，檢測元件、接液元件材質(zhì)就不能采用銅及銅合金，主要是因為氨與銅發(fā)生反應(yīng)，材質(zhì)腐蝕較快。

1.2.2壓力變送器

遠(yuǎn)傳壓力測量常用的儀表為壓力或差壓變送器，壓力(差壓)變送器根據(jù)測量原理不同分為電感式、電容式、電阻式等。根據(jù)對儀表精度要求不同可選用相應(yīng)精度的變送器。選用變送器時注意介質(zhì)的腐蝕性，根據(jù)介質(zhì)的腐蝕性不同，接液部件選用適合介質(zhì)的材質(zhì)。常用壓力變送器有導(dǎo)壓管安裝、直接短安裝和法蘭(法蘭+毛細(xì)管)安裝三種。導(dǎo)壓管安裝的壓力變送器是最常用的一種安裝方式；短安裝壓力變送器適合環(huán)境好，檢修方便，容易觀察場所；法蘭+毛細(xì)管的壓力變送器適合介質(zhì)腐蝕性大、易結(jié)晶的介質(zhì)。

壓力變送器還可以用來測量常壓罐的液位，根據(jù)P=ρgh，知道密度、重力加速度，根據(jù)上述公式就可測出液位的高度。

1.3　流量儀表

隨著近年來科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，流量儀表品種越來越多，做為儀表設(shè)計人員在眾多品種中揚長避短，選擇最適宜的儀表是非常重要的。目前常用的流量儀表主要有節(jié)流裝置配差壓變送器，速度式流量計、容積式流量計、轉(zhuǎn)子流量計、電磁流量計和質(zhì)量流量計。

流量儀表在選用時應(yīng)從儀表性能、流體特性、安裝條件、環(huán)境條件和經(jīng)濟(jì)因素考慮。

1.3.1節(jié)流裝置

節(jié)流裝置做為傳統(tǒng)的流量測量裝置，經(jīng)濟(jì)適用，在現(xiàn)場占用很大份額。一般潔凈流體的流量測量應(yīng)優(yōu)先選用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，但是標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置——孔板對安裝直管段要求比較高，量程比小，且永久壓損較大。近幾年發(fā)展起來的V型錐、平衡流量計也是差壓工作原理，對直管段要求比孔板低，壓損也小，測量精度要高，但價格要比同口徑的孔板流量計要高。合成氨裝置的氨合成工段、高壓醇烷化工段的高壓氣體壓力高，流量測量應(yīng)選用高壓透鏡墊孔板。臟污介質(zhì)及顆粒纖維漿料就不能選用節(jié)流裝置進(jìn)行測量。

1.3.2速度式流量計

速度式流量計中應(yīng)用最廣泛的是渦街流量計。渦街流量計利用卡門渦街原理進(jìn)行工作的，可用來測量蒸汽、潔凈氣體、液體的大中體積流量。渦街流量計結(jié)構(gòu)簡單，內(nèi)部沒有可動部件，可靠性高，維護(hù)量小，壓力損失小，量程范圍大，精度高。高粘度、低流速脈動流的介質(zhì)不適合使用此種類型儀表，儀表安裝時避開管道有振動、泵的出口及電磁干擾大的場所，測量液體介質(zhì)時管道需滿管。

1.3.3容積式流量計

容積式流量計是全部流量計中屬于最準(zhǔn)確的一類流量計，可用于測量貴重介質(zhì)及對外貿(mào)易計量和經(jīng)濟(jì)核算。容積式流量計在油品測量方面用途最廣。常用的流量計有橢圓齒輪、腰輪、雙轉(zhuǎn)子流量計。該類型儀表對直管段沒有要求，可就地顯示、累計也可遠(yuǎn)傳至控制室，可測量高粘度介質(zhì)。但是容積式流量計結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積笨重，價格較高，日常維護(hù)量大，測量無潤滑作用的介質(zhì)時，齒輪磨損大，且容易卡。

1.3.4轉(zhuǎn)子流量計

轉(zhuǎn)子流量計又名可變面積式流量計，主要用于中小口徑流量測量，適用介質(zhì)廣，品種齊全，現(xiàn)場應(yīng)用廣泛。轉(zhuǎn)子流量計分為玻璃管和金屬管流量計，玻璃管轉(zhuǎn)子流量計一般用于低壓，溫度低于100℃，無毒、無燃燒、透明且不粘附的介質(zhì)。金屬管轉(zhuǎn)子流量計相比玻璃管轉(zhuǎn)子耐壓、耐溫高，常用于易燃、易爆、有毒等介質(zhì)的中小流量測量，其品種較多，有多種安裝方式。但轉(zhuǎn)子流量計測量精度低，一般不優(yōu)于1.5%，受介質(zhì)密度、粘度影響。

1.3.5電磁流量計

電磁流量計的測量原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律，是一種測量導(dǎo)電性液體或均勻的固液兩相介質(zhì)體積流量的儀表，可測量強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、鹽、氨水、泥漿、礦漿、紙漿等介質(zhì)。它是繼差壓、浮子及容積式之后用量較大的流量測量儀表。傳感器由測量管、勵磁系統(tǒng)、電極、殼體組成。測量管內(nèi)襯絕緣材料使介質(zhì)與金屬管隔離，內(nèi)襯應(yīng)采用耐磨、耐腐蝕材料，多采用陶瓷、PFA、PTFE、聚氨酯等。電極安裝在與磁場垂直的測量管的兩側(cè)管壁上。電極把被測介質(zhì)切割磁力線所產(chǎn)生的流量信號引出，電極的材質(zhì)必須是非磁性導(dǎo)電材料，常用耐酸鋼、哈氏合金、鉭、鈦等。由于電磁流量計的感應(yīng)信號電壓很小，容易受噪聲的影響，這就要求傳感器、轉(zhuǎn)換器和放大器的基準(zhǔn)電位都與被測液體相同，而液體電位又應(yīng)與地電位相同。因此流量計配有接地環(huán)，其作用是通過與液體接觸，建立液體接地，同時保護(hù)內(nèi)襯。接地環(huán)材質(zhì)可以與電極材質(zhì)一致，一般可選與管道材料耐腐蝕性相同的材料。選擇流量表時一般情況考慮安裝方便不選擇異徑管，但管內(nèi)流速應(yīng)在一定范圍內(nèi)，也可選擇口徑與工藝管道不相同的，管道介質(zhì)流速低的可選用口徑較小的流量計。電磁流量計必須在滿管條件下工作，也要防止管道振動，盡量避開電磁干擾大的環(huán)境，測量的介質(zhì)必須是導(dǎo)電介質(zhì)。

1.3.6質(zhì)量流量計

質(zhì)量流量計是國內(nèi)近幾年推行的流量測量儀表，儀表測量精度高，一般用于需精確測量介質(zhì)質(zhì)量流量和對外貿(mào)易結(jié)算。精細(xì)化工行業(yè)、油庫油品計量、油品充裝使用較多。流量計不受流體物性影響，無上下游直管段要求，但價格高，體積和重量大。

對于大口徑的流量測量儀表盡量選用插入式流量計，可減少儀表造價，并且儀表重量和體積也減少很多，安裝和維護(hù)費用低。

流量儀表種類繁多，各種流量計適應(yīng)的場合和介質(zhì)也不相同，熟悉各種流量計的工作性能及適用范圍，才能選出合適的儀表。

1.4　液位儀表

液位儀表分為就地顯示儀表和遠(yuǎn)傳儀表。就地顯示儀表一般采用磁翻板液位計，磁翻板液位計有多種安裝型式，根據(jù)介質(zhì)的腐蝕性選擇合適的測量管、浮子和安裝方式，可適應(yīng)于各種儲罐、塔、釜的就地液位顯示。過程遠(yuǎn)傳液位測量儀表常用的有差壓液位變送器、電動浮筒液位計、電容液位計。

1.4.1差壓液位計

差壓液位計是過程液位測量中常用儀表，有單法蘭差壓液位計、雙法蘭差壓液位計、普通差壓液位計，適用于各種塔、釜、槽、罐介質(zhì)密度比較穩(wěn)定的液位測量(介質(zhì)密度變化大的不適用)。雙法蘭差壓液位計安裝簡單，且不需要保溫伴熱，對于易結(jié)晶、粘稠介質(zhì)有更好的適用性，但價格比單法蘭和普通差壓液位計高。對于高溫、高壓設(shè)備的液位測量差壓液位計不適用。

1.4.2電動浮筒液位計

電動浮筒液位做為一種傳統(tǒng)的液位測量，歷史悠久，廣泛應(yīng)用于石化、化肥裝置。電動浮筒液位計基于浮力原理工作的，當(dāng)液位在零位時，扭力管受到浮筒重量產(chǎn)生扭力矩(這時扭力最大)、扭力管轉(zhuǎn)角處于“零”度；當(dāng)液位逐漸上升時，浮筒在液體浮力的作用下，也隨著上升，扭力管產(chǎn)生的扭力矩逐漸減小，此時將其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角多由變送器轉(zhuǎn)換成4～20mA DC信號，此信號正比于被測量液位。電動浮筒液位計可用來測量高溫高壓設(shè)備液位，常用于0～3.0m范圍液位測量。但對介質(zhì)要求很高，介質(zhì)為潔凈介質(zhì)，另外電動浮筒液位計體積大，浮筒、扭力管很脆弱后期維護(hù)量大。由于電動浮筒的上述缺點，在某些領(lǐng)域漸漸被新型的磁致伸縮液位計取代。

1.4.3電容式液位計

電容式液位計在化肥、化工及污水處理行業(yè)應(yīng)用廣泛，可用于水池、水庫、有腐蝕、有毒、導(dǎo)電或非導(dǎo)電、、負(fù)壓、高壓介質(zhì)的液位測量。高壓電容式液位計在合成氨聯(lián)醇裝置的氨冷凝器、氨分離器及烷化塔、醇化塔液位測量中被廣泛采用。對于粘稠及易結(jié)垢的介質(zhì)由于電容電極容易結(jié)垢掛料，使用一段時間后會出現(xiàn)附加電容和電阻，出現(xiàn)測量誤差，因此出現(xiàn)了它的升級產(chǎn)品——射頻導(dǎo)納液位計。射頻導(dǎo)納液位計是在電容式液位計基礎(chǔ)上改進(jìn)了電路，增加了補(bǔ)償電路技術(shù)，克服了掛料引起的誤差。

罐區(qū)常用液位檢測儀表型式較多，有差壓液位計、雷達(dá)液位計、磁致伸縮液位計、伺服液位計。伺服液位計是目前精度最高，性能最可靠，價格最貴的儀表(多為進(jìn)口產(chǎn)品)。根據(jù)介質(zhì)情況、儲罐型式、測量精度選擇合適的液位計。

2結(jié)束語

通過以上對常用過程測量儀表選型的簡單論述，我們對溫度、壓力、流量和液位儀表有了基本的了解。每種儀表都有自己的工作原理、特點、優(yōu)勢和適用范圍，因此對于不同的應(yīng)用場合，要根據(jù)具體情況遵循各種儀表的特點去選擇和設(shè)計，做到從技術(shù)上要可行，經(jīng)濟(jì)上要合理，管理上要方便。

參考文獻(xiàn)：

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Summary of Instrumentation Design

SUNHong-ying，WANGYue-qin

(Jinan Petrochemical Engineering Design Institute，Jinan，250100)

Abstract：This article introduces working performance，characteristics and suitability of various measurement instruments. Suitable instruments shall be selected according to different conditions.

Key words：temperature instrument；pressure instrument；flow instrument；level instrument；selection

中圖分類號：TH86

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1003-6490(2015)01-0068-03

作者簡介：孫紅英(1976-)女，山東德州人，畢業(yè)于南京師范大學(xué)，工程師，主要從事自動化儀表設(shè)計工作。

收稿日期：2014-07-14