儀表自動化設計總結

孫紅英，王躍芹

(濟南石油化工設計院，山東 濟南　250100)

?

儀表自動化設計總結

孫紅英，王躍芹

(濟南石油化工設計院，山東 濟南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的工況。對于不同的應用場合，要根據具體情況，遵循各種儀表的特點去選擇和設計，發揮儀表的最佳測量效果，正確指導生產。

關鍵詞：溫度儀表；壓力儀表；流量儀表；液位儀表；選型

儀表是生產的眼睛，眼睛的好壞直接關系到生產的安全和產品的質量。因此做好儀表設計，對正確指導生產尤為重要。本人從事化工儀表設計，在設計過程中對常用過程測量儀表選型方面總結了一點經驗，與大家共同分享。

1知曉工藝，了解工藝過程中介質特性

接到設計任務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做到心中有數。查找資料知曉工藝過程中各種介質的物性，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

溫度儀表根據是否遠傳分為就地溫度儀表和遠傳溫度儀表。就地溫度儀表常用的是雙金屬溫度計；遠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構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，且具有良好的機械強度，更適合在惡劣環境中使用，比如振動場合壓縮機進出口、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變成與熱電阻(偶)信號成正比的4～20mA的統一輸出信號。現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償導線，并且信號抗干擾能力強，傳輸距離大。精細化工的反應釜、蒸餾釜等的釜內溫度測量多采用帶現場指示的一體化溫度變送器，既可以滿足現場人員觀看溫度又可以遠傳至控制室顯示。

熱電阻一般常用用于測量-200～400℃的介質，熱電偶根據偶絲材質及直徑的不同可測量-200～1600℃的介質，(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介質的溫度及環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傳壓力儀表。彈性就地壓力儀表根據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上根據介質的腐蝕情況選用合適材質的壓力表。

專用壓力表的技術特性與一般壓力表一樣，但具有特殊的設計結構及材料，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、接液元件材質就不能采用銅及銅合金，主要是因為氨與銅發生反應，材質腐蝕較快。

1.2.2壓力變送器

遠傳壓力測量常用的儀表為壓力或差壓變送器，壓力(差壓)變送器根據測量原理不同分為電感式、電容式、電阻式等。根據對儀表精度要求不同可選用相應精度的變送器。選用變送器時注意介質的腐蝕性，根據介質的腐蝕性不同，接液部件選用適合介質的材質。常用壓力變送器有導壓管安裝、直接短安裝和法蘭(法蘭+毛細管)安裝三種。導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境好，檢修方便，容易觀察場所；法蘭+毛細管的壓力變送器適合介質腐蝕性大、易結晶的介質。

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

1.3　流量儀表

隨著近年來科學技術的發展，流量儀表品種越來越多，做為儀表設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流裝置配差壓變送器，速度式流量計、容積式流量計、轉子流量計、電磁流量計和質量流量計。

流量儀表在選用時應從儀表性能、流體特性、安裝條件、環境條件和經濟因素考慮。

1.3.1節流裝置

節流裝置做為傳統的流量測量裝置，經濟適用，在現場占用很大份額。一般潔凈流體的流量測量應優先選用標準節流裝置，但是標準節流裝置——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，流量測量應選用高壓透鏡墊孔板。臟污介質及顆粒纖維漿料就不能選用節流裝置進行測量。

1.3.2速度式流量計

速度式流量計中應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。渦街流量計結構簡單，內部沒有可動部件，可靠性高，維護量小，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確的一類流量計，可用于測量貴重介質及對外貿易計量和經濟核算。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、累計也可遠傳至控制室，可測量高粘度介質。但是容積式流量計結構復雜，體積笨重，價格較高，日常維護量大，測量無潤滑作用的介質時，齒輪磨損大，且容易卡。

1.3.4轉子流量計

轉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，適用介質廣，品種齊全，現場應用廣泛。轉子流量計分為玻璃管和金屬管流量計，玻璃管轉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。金屬管轉子流量計相比玻璃管轉子耐壓、耐溫高，常用于易燃、易爆、有毒等介質的中小流量測量，其品種較多，有多種安裝方式。但轉子流量計測量精度低，一般不優于1.5%，受介質密度、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定律，是一種測量導電性液體或均勻的固液兩相介質體積流量的儀表，可測量強酸、強堿、鹽、氨水、泥漿、礦漿、紙漿等介質。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、電極、殼體組成。測量管內襯絕緣材料使介質與金屬管隔離，內襯應采用耐磨、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管壁上。電極把被測介質切割磁力線所產生的流量信號引出，電極的材質必須是非磁性導電材料，常用耐酸鋼、哈氏合金、鉭、鈦等。由于電磁流量計的感應信號電壓很小，容易受噪聲的影響，這就要求傳感器、轉換器和放大器的基準電位都與被測液體相同，而液體電位又應與地電位相同。因此流量計配有接地環，其作用是通過與液體接觸，建立液體接地，同時保護內襯。接地環材質可以與電極材質一致，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，但管內流速應在一定范圍內，也可選擇口徑與工藝管道不相同的，管道介質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境，測量的介質必須是導電介質。

1.3.6質量流量計

質量流量計是國內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質量流量和對外貿易結算。精細化工行業、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，安裝和維護費用低。

流量儀表種類繁多，各種流量計適應的場合和介質也不相同，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，根據介質的腐蝕性選擇合適的測量管、浮子和安裝方式，可適應于各種儲罐、塔、釜的就地液位顯示。過程遠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、罐介質密度比較穩定的液位測量(介質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，對于易結晶、粘稠介質有更好的適用性，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的液位測量，歷史悠久，廣泛應用于石化、化肥裝置。電動浮筒液位計基于浮力原理工作的，當液位在零位時，扭力管受到浮筒重量產生扭力矩(這時扭力最大)、扭力管轉角處于“零”度；當液位逐漸上升時，浮筒在液體浮力的作用下，也隨著上升，扭力管產生的扭力矩逐漸減小，此時將其產生的轉角多由變送器轉換成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備液位，常用于0～3.0m范圍液位測量。但對介質要求很高，介質為潔凈介質，另外電動浮筒液位計體積大，浮筒、扭力管很脆弱后期維護量大。由于電動浮筒的上述缺點，在某些領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應用廣泛，可用于水池、水庫、有腐蝕、有毒、導電或非導電、、負壓、高壓介質的液位測量。高壓電容式液位計在合成氨聯醇裝置的氨冷凝器、氨分離器及烷化塔、醇化塔液位測量中被廣泛采用。對于粘稠及易結垢的介質由于電容電極容易結垢掛料，使用一段時間后會出現附加電容和電阻，出現測量誤差，因此出現了它的升級產品——射頻導納液位計。射頻導納液位計是在電容式液位計基礎上改進了電路，增加了補償電路技術，克服了掛料引起的誤差。

罐區常用液位檢測儀表型式較多，有差壓液位計、雷達液位計、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(多為進口產品)。根據介質情況、儲罐型式、測量精度選擇合適的液位計。

2結束語

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、優勢和適用范圍，因此對于不同的應用場合，要根據具體情況遵循各種儀表的特點去選擇和設計，做到從技術上要可行，經濟上要合理，管理上要方便。

參考文獻：

[1]陸德民，張振基，黃步余主編.石油化工自動控制設計手冊[S].第三版.北京：化學工業出版社，2000.

[2]HG-T 20507-2000，自動化儀表選型設計規定[S].

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

文獻標志碼：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，畢業于南京師范大學，工程師，主要從事自動化儀表設計工作。

收稿日期：2014-07-14