儀器儀表常識

1、儀器儀表常識,青島聚創(chuàng)環(huán)保設(shè)備有限公司 技術(shù)部 王民 2016.11.19,儀器儀表基礎(chǔ)知識,一、常規(guī)儀表二、在線監(jiān)測和過程控制系統(tǒng)三、名詞解析,一、常規(guī)儀表,常規(guī)儀表的分類： 按讀取測量值的位置可分為：就地測量儀表（如就地壓力表、溫度計(jì)、液位計(jì)、流量計(jì)等）和遠(yuǎn)傳信號測量儀表（各類變

2、送器、位置開關(guān)等）。 按測量參數(shù)性質(zhì)可分為：分析、流量、物位（液位）、壓力、溫度、電量、機(jī)械量等 。分析儀表 分析儀表：測量物質(zhì)的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)及某些物理特性的儀表。 按分析目的分為：安全檢測報(bào)警分析儀（可燃、有毒氣體檢測）、成分分析儀。 按使用場所分：離線分析儀（分析室儀器）、在線分析儀（COD分析儀、PH計(jì)、F離子分析儀等）。 按物性分：液體類分析儀、固體類分析儀、氣體類分析儀。

3、在線分析儀表中輔助裝置：取樣裝置、預(yù)處理裝置、恒溫控制器。,水質(zhì)分析儀表,水質(zhì)分析儀表：硅酸根分析儀、磷酸根分析儀、聯(lián)氨分析儀、溶解氧分析儀、PH分析儀、電導(dǎo)率分析儀、酸堿度分析儀、濁度分析儀、余氯分析儀等。在線工業(yè)PH計(jì)接線：,分析儀表,氣體分析儀：主要利用氣體傳感器來檢測環(huán)境中存在的氣體種類，氣體傳感器是用來檢測氣體的成份和含量的傳感器。一般認(rèn)為，氣體傳感器的定義是以檢測目標(biāo)為分類基礎(chǔ)的，也就是說，凡是用于檢測氣體成份和濃

4、度的傳感器都稱作氣體傳感器，不管它是用物理方法，還是用化學(xué)方法。比如，檢測氣體流量的傳感器不被看作氣體傳感器，但是熱導(dǎo)式氣體分析儀卻屬于重要的氣體傳感器，盡管它們有時(shí)使用大體一致的檢測原理。常用的有熱導(dǎo)式氣體分析儀、電化學(xué)式氣體分析儀和紅外線吸收式分析儀等。熱導(dǎo)式氣體分析儀：一種物理類的氣體分析儀表。它根據(jù)不同氣體具有不同熱傳導(dǎo)能力的原理，通過測定混合氣體導(dǎo)熱系數(shù)來推算其中某些組分的含量。這種分析儀表簡單可靠,適用的氣體種類較多,是一

5、種基本的分析儀表。除通常用來分析氫氣、氨氣、二氧化碳、二氧化硫和低濃度可燃性氣體含量外，還可作為色譜分析儀中的檢測器用以分析其他成分。電化學(xué)式氣體分析儀：一種化學(xué)類的氣體分析儀表。它根據(jù)化學(xué)反應(yīng)所引起的離子量的變化或電流變化來測量氣體成分。為了提高選擇性，防止測量電極表面沾污和保持電解液性能，一般采用隔膜結(jié)構(gòu)。紅外線吸收式分析儀：根據(jù)不同組分氣體對不同波長的紅外線具有選擇性吸收的特性而工作的分析儀表。測量這種吸收光譜可判別出氣體的種

6、類；測量吸收強(qiáng)度可確定被測氣體的濃度。紅外線分析儀的使用范圍寬，不僅可分析氣體成分，也可分析溶液成分，且靈敏度較高，反應(yīng)迅速,能在線連續(xù)指示,也可組成調(diào)節(jié)系統(tǒng)。,粉塵檢測儀：,粉塵檢測儀也叫粉塵監(jiān)測儀、粉塵測量儀、粉塵濃度計(jì)、粉塵測試儀等，主要是檢測氣固兩相流中粉塵的含量。粉塵檢測儀按照測量原理分為：激光粉塵檢測儀，靜電式粉塵檢測儀等。按照安裝位置可分為：固定式粉塵檢測儀和便攜式粉塵檢測儀。目前市面上主要使用激光粉塵檢測儀（后向散射

7、）、靜電式粉塵檢測儀和便攜式粉塵檢測儀[手持式(PM2.5和PM10)和微電腦式]。粉塵檢測儀哪種更準(zhǔn)確？ 目前為止可以做CMC（生產(chǎn)許可證）而且必須做的只有激光粉塵檢測儀（后向散射），根據(jù)粉塵濃度測量儀檢定規(guī)程規(guī)定用稱重法來檢定。 激光＞便攜式＞靜電式 （便攜式也有激光的，也有稱重的，稱重的應(yīng)該是最準(zhǔn)確的） 目前CEMS系統(tǒng)（煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)）主要是用激光粉塵檢測儀，也就是說精度比較高的地方都用

8、激光粉塵檢測儀，尤其是往環(huán)保局上傳的，但是它也有缺點(diǎn)：1.價(jià)格高。2.安裝、維護(hù)不方便。3.不能安裝在振動(dòng)較大的場所。激光粉塵檢測儀比較大點(diǎn)的公司主要的有安榮信科技（北京）有限公司、深圳市彩虹谷科技有限公司。 便攜式粉塵檢測儀主要是方便，廣泛應(yīng)用于疾病預(yù)防控制中心、學(xué)校、工廠、及其他科研中心或?qū)嶒?yàn)室。靜電式粉塵檢測儀主要是用在鋼鐵廠、電廠、水泥廠、化肥廠以及其他一些化工廠。主要優(yōu)點(diǎn)：1.價(jià)格便宜。2.維護(hù)方便。3.可以隨意

9、更改數(shù)據(jù)。4.代替人工檢漏等等。,流量儀表,按照目前最流行、最廣泛的分類法,即分為: 容積式流量計(jì)、差壓式流量計(jì)、浮子流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)、流體振蕩流量計(jì)（包括渦街流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì) ) 、插入式流量計(jì)。差壓流量計(jì)由一次裝置(檢測件）和二次裝置（差壓轉(zhuǎn)換器和流量顯示儀表）組成。通常以檢測件形式對差壓式流量計(jì)分類，如孔板流量計(jì)、文丘里流量計(jì)、均速管流量計(jì)、皮托管原理式-畢托巴流量計(jì)等；現(xiàn)在市面上差

10、壓變送器主要有羅斯蒙特、EJA、ABB等。現(xiàn)在檢測氣體的流量，尤其是電廠，使用的比較多的差壓流量計(jì)就是 我們經(jīng)常所說的風(fēng)速風(fēng)量。如右圖所示： 工作原理：當(dāng)被測氣體流動(dòng)時(shí)，迎著氣體流向的靠背管測得 氣體壓力為“全壓”，背著氣體流向的靠背管測得的氣體壓力 為“靜壓”，全壓和靜壓只差稱為“差壓”，風(fēng)速越大，差壓越 大；風(fēng)速與差壓的關(guān)系符合伯努利方程。 伯努利方程：p+1/2ρv2+ρgh

11、=C 式中p為流體中某點(diǎn)的壓強(qiáng)，v為流體該點(diǎn)的流速，ρ為流體密度， g為重力加速度，h為該點(diǎn)所在高度。 所以風(fēng)速的計(jì)算公式為：V=K 標(biāo)定設(shè)備：標(biāo)準(zhǔn)皮托管和差壓儀（德圖400）或U型管。,二、在線監(jiān)測及過程控制系統(tǒng),在線監(jiān)測：通過裝在生產(chǎn)線和設(shè)備上的各類監(jiān)測儀表，對生產(chǎn)及設(shè)備的溫度、壓力、流量、液位、濃度等信號進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測并上傳至終端接收端，稱在線監(jiān)測。在線監(jiān)測式儀表我們需要了解客戶的最終

12、用戶（什么類型的廠）、什么位置（量程、是否適合）、多少臺、離控制室多遠(yuǎn)、是否直接接PLC等。 系統(tǒng)組成如右圖所示：過程控制：顧名思義就是對生產(chǎn)過程的控制。一般是通過在線監(jiān)測到的各物理參數(shù)，來控制一些現(xiàn)場的儀表已達(dá)到我們所需要達(dá)到的要求。比如液位的控制：由上面兩張圖可以看出，在工業(yè)生產(chǎn)中，智能化或自動(dòng)化儀表逐漸代替了人工，大大節(jié)約了人力物力，提高了工作效率。,三、名詞解析,1.誤差/精度誤差：測量值與真實(shí)值

13、之間的差異稱為誤差。誤差是不可避免的，只能減小。 按照誤差的數(shù)值表示來分，分為絕對誤差、相對誤差和引用誤差。 絕對誤差：測量值與真實(shí)值之差的絕對值。 相對誤差：絕對誤差與測量值或多次測量的平均值的比值。 引用誤差：儀表某一刻度點(diǎn)讀數(shù)的絕對誤差比上儀表量程上限Am ，并用百分?jǐn)?shù)表示。精度：精度是測量值與真值的接近程度。 精度 是反映儀表誤差大小的術(shù)語。 δ=（△max）/（Аmax）

14、15;100% （δ為精度等級；△max為最大測量誤差；Аmax為儀表量程。）儀表精度等級=(允許絕對誤差/測量范圍)x100。儀表的等級有：0.05，0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5。,2.一次儀表/二次儀表,一次儀表：帶有感受元件，用以感受被測介質(zhì)參數(shù)的變化，并將這些參數(shù)轉(zhuǎn)化為便于計(jì)量的物理量所使用的儀表。 二次儀表：將測得的信號變送轉(zhuǎn)換為可計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)電、氣信號并顯示的儀表。即包括變送器和顯示裝置。

15、 在生產(chǎn)過程中，對測量儀表往往采用按換能次數(shù)來定性的稱呼，能量轉(zhuǎn)換一次的稱一次儀表，轉(zhuǎn)換兩次的稱二次儀表。以熱電偶測量溫度為例，熱電偶本身將熱能轉(zhuǎn)換成電能，故稱一次儀表，若再將電能用電位計(jì)(或毫伏計(jì))轉(zhuǎn)換成指針移動(dòng)的機(jī)械能時(shí)，進(jìn)行第二次能量轉(zhuǎn)換就稱為二次儀表。換能的次數(shù)超過兩次的往往都按兩次稱呼，如孔板測量流量，孔板本身為一次儀表，差壓變送器沒有稱呼，而指示儀表則叫做二次儀表。,3.二線制、三線制、四線制,二線制：電源、負(fù)載串聯(lián)

16、在一起，有一公共點(diǎn)，而現(xiàn)場變送器與控制室儀表之間的信號聯(lián)絡(luò)及供電僅用兩根電線，這兩根電線既是電源線又是信號線。 三線制：電源正端用一根線，信號輸出正端用一根線，電源負(fù)端和信號負(fù)端共用一根線。 四線制：兩根線負(fù)責(zé)電源的供應(yīng)，另外兩根線負(fù)責(zé)輸出被轉(zhuǎn)換放大的信號(如電壓、電流、等)。,4.一體化（式）/分體式儀表,一體化（式）儀表：將傳統(tǒng)意義上的傳感器與變送器合二為一，實(shí)現(xiàn)檢測信號的收集、放大與整理。 分體式儀表：比較傳統(tǒng)的

17、儀表，就地儀表與信號處理單元分開，比如溫度、物位計(jì)等，也就是說一次儀表和二次儀表是分開的。一體式儀表將檢測信號（非常微弱，比如靜電式粉塵檢測儀的檢測信號就是pC級）轉(zhuǎn)換成4-20mA電流信號或者1-5V電壓信號傳輸?shù)蕉蝺x表或者PLC或DCS在上位機(jī)顯示，大大減少了信號的衰弱。分體式儀表由于現(xiàn)場環(huán)境比較惡劣、比較危險(xiǎn)或者安裝位置不理想（不方便調(diào)試或者維護(hù)等），我們常常將檢測信號（一般較大）經(jīng)過屏蔽電纜傳送到變送器，經(jīng)過變送器的處理直

18、接顯示或者傳輸?shù)絇LC或DCS在上位機(jī)顯示。,5.上位機(jī)/下位機(jī),上位機(jī)是指：人可以直接發(fā)出操控命令的計(jì)算機(jī)，一般是PC，屏幕上顯示各種信號變化（液壓，水位，溫度等）。下位機(jī)是直接控制設(shè)備獲取設(shè)備狀況的的計(jì)算機(jī)，一般是PLC/單片機(jī)之類的。上位機(jī)發(fā)出的命令首先給下位機(jī)，下位機(jī)再根據(jù)此命令解釋成相應(yīng)時(shí)序信號直接控制相應(yīng)設(shè)備。下位機(jī)不時(shí)讀取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)（一般模擬量），轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號反饋給上位機(jī)。簡言之如此，真實(shí)情況千差萬別不離其宗。上下

19、位機(jī)都需要編程，都有專門的開發(fā)系統(tǒng)。 在概念上 控制者和提供服務(wù)者是上位機(jī) 被控制者和被服務(wù)者是下位機(jī) 也可以理解為主機(jī)和從機(jī)的關(guān)系,6.信號隔離器/配電隔離器,信號隔離器是將輸入單路或雙路電流或電壓信號，變送輸出隔離的單路或雙路線性的電流或電壓信號，并提高輸入、輸出、電源之間的電氣隔離性能。工作原理：首先將PLC接受的信號，通過半導(dǎo)體器件調(diào)制變換，然后通過光感或磁感器件進(jìn)行隔離轉(zhuǎn)換，然后再進(jìn)行解調(diào)變換回隔離前原信號或不同信號

20、，同時(shí)對隔離后信號的供電電源進(jìn)行隔離處理，保證變換后的信號、電源、地之間絕對獨(dú)立。用途：信號在傳輸過程中會(huì)遇到各種各樣的干擾，為保證信號穩(wěn)定，使用信號隔離器尤為重要。配電式隔離器（通常稱配電器）的作用是為原工業(yè)現(xiàn)場提供一種兩線制傳輸方式，既要為變送器等一次儀表提供24V配電電源，同時(shí)又要對輸入的電流信號進(jìn)行采集、放大、運(yùn)算、和進(jìn)行抗干擾處理后，再輸出隔離的電流和電壓信號，供后面的二次儀表或其它儀表使用。 它的特性有給變送器提供驅(qū)動(dòng)電

21、壓16.5～28V。將變送器4～20mA信號隔離傳送?？蛇x擇4～20mA或1～5V信號輸出，或其它所需的直流信號，模塊化表芯設(shè)計(jì)，無需零點(diǎn)和滿度調(diào)節(jié)。帶有工作電源指示燈。有單通道，一路輸入一路輸出，雙通道，一路輸入二路輸出，輸入回路短路保護(hù)。,7.PLC/DCS,PLC:可編程邏輯控制器，是一種采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類

22、型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。DCS:DCS是分布式控制系統(tǒng),在國內(nèi)自控行業(yè)又稱之為集散控制系統(tǒng)。是相對于集中式控制系統(tǒng)而言的一種新型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，它是在集中式控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展、演變而來的。區(qū)別： 1.PLC系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)差異不大，只是在功能的著重點(diǎn)上的不同，DCS著重于閉環(huán)控制及數(shù)據(jù)處理。PLC著重于邏輯控制及開關(guān)量的控制，也可實(shí)現(xiàn)模擬量控制。 2.對各種工藝控制方案更新是DCS的一項(xiàng)最基本的功能，當(dāng)某個(gè)方案發(fā)生變

23、化后，工程師只需要在工程師站上將更改過的方案編譯后，執(zhí)行下裝命令就可以了，下裝過程是由系統(tǒng)自動(dòng)完成的，不影響原控制方案運(yùn)行。系統(tǒng)各種控制軟件與算法可以將工藝要求控制對象控制精度提高。而對于PLC構(gòu)成的系統(tǒng)來說，工作量極其龐大，首先需要確定所要編輯更新的是哪個(gè)PLC，然后要用與之對應(yīng)的編譯器進(jìn)行程序編譯，最后再用專用的機(jī)器(讀寫器)專門一對一的將程序傳送給這個(gè)PLC，在系統(tǒng)調(diào)試期間，大量增加調(diào)試時(shí)間和調(diào)試成本，而且極其不利于日后的維護(hù)。在

24、控制精度上相差甚遠(yuǎn)。這就決定了為什么在大中型控制項(xiàng)目中(500點(diǎn)以上)，基本不采用全部由PLC所連接而成的系統(tǒng)的原因。,8.總線制/分（多）線制,總線制：就地儀表與控制器或上位機(jī)等通過其相應(yīng)的編址模塊與控制器或上位機(jī)之間采用總線(專線)相連。用線少、造價(jià)低、施工方便。分（多）線制：就地儀表與控制器或上位機(jī)等通過多芯電纜與控制器或上位機(jī)之間采用一對一專線相連。缺點(diǎn)：用線多、造價(jià)高?？偩€的串聯(lián)（手牽手）接法：總線的并聯(lián)接法：

25、這里的串聯(lián)接法和我們所說的不同實(shí)際上它就是沒有分支的并聯(lián)。,9. 4-20mA與RS485的區(qū)別,4-20mA信號與RS485的區(qū)別：4-20mA信號是輸出信號， RS485是傳輸方式。也就是說RS485將4-20mA信號或者1-5V的電壓信號傳輸?shù)缴衔粰C(jī)等。RS485 有 2線 Data+ Data- 半雙工加 gnd 的話，3線也有 T+ T- R+ R- 4線，全雙工全雙工是指在發(fā)送數(shù)據(jù)的同

26、時(shí)也能夠接收數(shù)據(jù)，兩者同步進(jìn)行，這好像我們平時(shí)打電話一樣，說話的同時(shí)也能夠聽到對方的聲音。目前的網(wǎng)卡一般都支持全雙工。 半雙工，所謂半雙工就是指一個(gè)時(shí)間段內(nèi)只有一個(gè)動(dòng)作發(fā)生，舉個(gè)簡單例子，一條窄窄的馬路，同時(shí)只能有一輛車通過，當(dāng)目前有兩量車對開，這種情況下就只能一輛先過，等到頭兒后另一輛再開，這個(gè)例子就形象的說明了半雙工的原理。接口協(xié)議指的是需要進(jìn)行信息交換的接口間需要遵從的通信方式和要求。接口協(xié)議的種類非常多。接口協(xié)議不僅要規(guī)定物理

27、層的通信，還需要規(guī)定語法層和語義層的要求。 USB、網(wǎng)線插頭、DB-9插頭等?！⊥ㄓ嶎愋停篈. MPI通信　B. 串口通信　C. PROFIBUS通信　D. 工業(yè)以太網(wǎng)　E. ASI通信　F. PPI通信　G. 遠(yuǎn)程無線通信　通訊協(xié)議：　　TCP、UDP、S7、profibus、pofinet、MPI、PPI、MODBUS==,10.開關(guān)量/模擬量,開關(guān)量：是指非連續(xù)性信號的采集和輸出，包括遙信采集和遙控輸出。它有1和0兩

28、種狀態(tài)，這是數(shù)字電路中的開關(guān)性質(zhì)，而電力上是指電路的開和關(guān)或者說是觸點(diǎn)的接通和斷開。模擬量：是指變量在一定范圍連續(xù)變化的量；也就是在一定范圍（定義域）內(nèi)可以取任意值（在值域內(nèi)）。繼電器：是一種電控制器件，是當(dāng)輸入量（激勵(lì)量）的變化達(dá)到規(guī)定要求時(shí)，在電氣輸出電路中使被控量發(fā)生預(yù)定的階躍變化的一種電器。它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路）之間的互動(dòng)關(guān)系。通常應(yīng)用于自動(dòng)化的控制電路中，它實(shí)際上是用小電

29、流去控制大電流運(yùn)作的一種“自動(dòng)開關(guān)”。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。,11.儀表功率,儀表的功率：儀表耗電量是指儀表本身的耗電量，是指內(nèi)部電路、顯示屏等用電量，而輸出信號為4~20mA是指儀表對外的信號類型，信號形式，要想知道儀表的耗電量，查詢一下儀表說明書或問一下廠家。儀表的功率也就是耗電量=輸出信號×24V（輸出功率）+無用功率比如右圖我們常見的手機(jī)充電器：輸入功率：100×0.8