儀器儀表常識(shí)

1、儀器儀表常識(shí),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(shí),一、常規(guī)儀表二、在線監(jiān)測(cè)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(cè)量值的位置可分為：就地測(cè)量?jī)x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(hào)測(cè)量?jī)x表（各類變

2、送器、位置開關(guān)等）。 按測(cè)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(cè)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(cè)報(bào)警分析儀（可燃、有毒氣體檢測(cè)）、成分分析儀。 按使用場(chǎng)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(cè)環(huán)境中存在的氣體種類，氣體傳感器是用來檢測(cè)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(cè)目標(biāo)為分類基礎(chǔ)的，也就是說，凡是用于檢測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(jiǎn)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(cè)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(cè)量氣體成分。為了提高選擇性，防止測(cè)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(duì)不同波長(zhǎng)的紅外線具有選擇性吸收的特性而工作的分析儀表。測(cè)量這種吸收光譜可判別出氣體的種

6、類；測(cè)量吸收強(qiáng)度可確定被測(cè)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(cè)儀：,粉塵檢測(cè)儀也叫粉塵監(jiān)測(cè)儀、粉塵測(cè)量?jī)x、粉塵濃度計(jì)、粉塵測(cè)試儀等，主要是檢測(cè)氣固兩相流中粉塵的含量。粉塵檢測(cè)儀按照測(cè)量原理分為：激光粉塵檢測(cè)儀，靜電式粉塵檢測(cè)儀等。按照安裝位置可分為：固定式粉塵檢測(cè)儀和便攜式粉塵檢測(cè)儀。目前市面上主要使用激光粉塵檢測(cè)儀（后向散射

7、）、靜電式粉塵檢測(cè)儀和便攜式粉塵檢測(cè)儀[手持式(PM2.5和PM10)和微電腦式]。粉塵檢測(cè)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(cè)儀（后向散射），根據(jù)粉塵濃度測(cè)量?jī)x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(cè)系統(tǒng)）主要是用激光粉塵檢測(cè)儀，也就是說精度比較高的地方都用

8、激光粉塵檢測(cè)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(chǎng)所。激光粉塵檢測(cè)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(cè)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(cè)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?jī)x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(cè)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(cè)件形式對(duì)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(cè)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(cè)氣體流動(dòng)時(shí)，迎著氣體流向的靠背管測(cè)得 氣體壓力為“全壓”，背著氣體流向的靠背管測(cè)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(cè)及過程控制系統(tǒng),在線監(jiān)測(cè)：通過裝在生產(chǎn)線和設(shè)備上的各類監(jiān)測(cè)儀表，對(duì)生產(chǎn)及設(shè)備的溫度、壓力、流量、液位、濃度等信號(hào)進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)并上傳至終端接收端，稱在線監(jiān)測(cè)。在線監(jiān)測(cè)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(tái)、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(duì)生產(chǎn)過程的控制。一般是通過在線監(jiān)測(cè)到的各物理參數(shù)，來控制一些現(xiàn)場(chǎng)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(cè)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(duì)誤差、相對(duì)誤差和引用誤差。 絕對(duì)誤差：測(cè)量值與真實(shí)值之差的絕對(duì)值。 相對(duì)誤差：絕對(duì)誤差與測(cè)量值或多次測(cè)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(duì)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(cè)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(jí)；△max為最大測(cè)量誤差；Аmax為儀表量程。）儀表精度等級(jí)=(允許絕對(duì)誤差/測(cè)量范圍)x100。儀表的等級(jí)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(cè)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(cè)得的信號(hào)變送轉(zhuǎn)換為可計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)電、氣信號(hào)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(duì)測(cè)量?jī)x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(cè)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(cè)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(chǎng)變送器與控制室儀表之間的信號(hào)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(hào)線。 三線制：電源正端用一根線，信號(hào)輸出正端用一根線，電源負(fù)端和信號(hào)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(hào)(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(cè)信號(hào)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(hào)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(cè)信號(hào)（非常微弱，比如靜電式粉塵檢測(cè)儀的檢測(cè)信號(hào)就是pC級(jí)）轉(zhuǎn)換成4-20mA電流信號(hào)或者1-5V電壓信號(hào)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(hào)的衰弱。分體式儀表由于現(xiàn)場(chǎng)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(cè)信號(hào)（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(hào)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(hào)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(hào)反饋給上位機(jī)。簡(jiǎn)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(hào)隔離器/配電隔離器,信號(hào)隔離器是將輸入單路或雙路電流或電壓信號(hào)，變送輸出隔離的單路或雙路線性的電流或電壓信號(hào)，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(hào)，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(hào)或不同信號(hào)

20、，同時(shí)對(duì)隔離后信號(hào)的供電電源進(jìn)行隔離處理，保證變換后的信號(hào)、電源、地之間絕對(duì)獨(dú)立。用途：信號(hào)在傳輸過程中會(huì)遇到各種各樣的干擾，為保證信號(hào)穩(wěn)定，使用信號(hào)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(chǎng)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(duì)輸入的電流信號(hào)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(hào)，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(hào)隔離傳送?？蛇x擇4～20mA或1～5V信號(hào)輸出，或其它所需的直流信號(hào)，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(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)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(guó)內(nèi)自控行業(yè)又稱之為集散控制系統(tǒng)。是相對(duì)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(duì)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(duì)象控制精度提高。而對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(hào)與RS485的區(qū)別：4-20mA信號(hào)是輸出信號(hào)， RS485是傳輸方式。也就是說RS485將4-20mA信號(hào)或者1-5V的電壓信號(hào)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(duì)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(jiǎn)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(duì)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。　通訊類型：A. 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(hào)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(hào)為4~20mA是指儀表對(duì)外的信號(hào)類型，信號(hào)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(hào)×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