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仪表及自动化与计量
一． 测量仪表：

1． 仪表的基本概念：
在炼油企业、化工企业中，压力、流量、物位、温度及物质成分
分析这些参数是极其重要的。
无论自动化程度有多高，这些参数的测量是必不可少的。

2． 测量的方法：（压力、流量、物位、温度）
⑴压力的测量：
压力是垂直而均匀的作用在单位面积上的力。
它的数值由两个因素决定的：
即受力面积和垂直作用力的大小。
公式为： Ｐ＝Ｆ／Ｓ

在工程技术上衡量压力的单位有：
工程大气压：
是１公斤力垂直而均匀的作用在１平方厘米的面积
上产生的压力，单位是：公斤力／平方厘米
或是：kgf／cm2

毫米汞柱（mmHg）、毫米水柱（mmH2O）：
是在一平方厘米的面积上分别由1毫米汞柱、1毫米水
柱的重量所产生的压力。

物理大气压：
由于大气压随地点不同变化很大，所以国际上规定：
等于水银密度为13.5951克/厘米3和重力加速度为
980厘米/秒2时, 高度为760mm的汞柱作用在地面上
所产生的压力。

帕（Pa）：
帕是国际制（SI）单位，是1牛顿的力垂直而均匀的作
用在1平方米的面积上所产生的压力。
单位是：牛顿/米2----N/m2
１MPa=1000kPa=1000000Pa

换算关系：
1kgf/cm2=0.73556×103 (mmHg)
=104 (mmH2O)
=0.9678(atm)物理大气压
=0.9807×105 (Pa)

在压力测量中，常有表压、绝对压力、负压、真空度之分：
表压：即压力表的指示值是绝对压力和大气压力之差，
也就是被测点的绝对压力=表压+大气压力

负压、真空度：被测压力低于大气压，就称为
负压或真空度。

第一个压力测量方法：应用液柱测量压力
液柱测量压力是通过一定高度的液柱所产生的静压力
平衡被测压力的方法来测量压力的。

一是：U型管压力计
它是根据液体静力学原理来测量压力的。
选用U型管时，应粗细均匀，且不能太细。内径一般
为5—20mm的玻璃管。
用水银做工作液体时，内径不得小于5mm。

二是：单管压力计
它是将U型管的另一面制作成面积较大的液槽，接触
测压点来实现测定压力的。

三是：斜管压力计
它是利用单管压力计原理，只是将单管制作成带有倾斜
角度。当液槽受压时，则倾斜单管的测试液上升以读
取数据。

第二个压力测量方法：应用弹性变形测量压力
弹性式压力计是根据弹性元件的变形和所受压力成一
定的比例来测定的。
主要由两部分组成：
一是：测量元件――弹簧管
当弹簧管通入压力后，自由端就产生位移。

二是：放大指示机构
因为自由端位移较小，就要用一套传动机构将位移
放大后才能指示出被测压力的数值。

第三个压力测量方法：应用远传送和变送器测量压力
为了便于传送和控制，往往需要把被测参数转换成其他
容易传送的信号，送到远距离的控制室进行集中监测和
控制。
变送器就是完成远传这项工作的：
如图：

对 象
变送器
动力源
二次仪表
自动调节

被测参数

控制室
被测对象点测出压力，信号送到变送器，则变送器将
此信号转换成其他信号，送至控制室加以控制。

变送器分为：电动的（电传送）和气动的（气传送）。
电动的（电传送）：反应快、滞后小、传送远、便于
架设导线等优点。
但不适用于易燃易爆的场合。

气动的（气传送）：其特点恰恰相反。

压力测试点所用的电式压力表有：
一是电接点信号压力表：
当希望压力高于或低于规定范围时报警，即发出灯
光或声音信号。这种情况下，可采用电接点信号压
力表。

它是在弹簧管压力表基础上加上特殊的电接点，当
压力过低时，下面的接点接通，可接入灯光设备；
当压力过高时，上面的接点接通，可接入声音报警
设备。

这种表通常用于上、下限报警或两位式自动控制
及自动保护系统。

二是电阻式远传送压力表：
它是在弹簧管压力表中装入了一个可变的滑线电阻。

当压力变化时，压力表中齿轮就转动，从而带动可变
滑线电阻的可动触点，使阻值发生变化，用电桥精确
测出。

三是霍尔压力变送器：
霍尔压力变送器是将被测压力P，通过表中的磁铁和
磁场中的霍尔片（锗半导体薄片）产生霍尔电势的
变化，来进行测量和传送的。

霍尔元件是一种磁电转换元件。

四是膜式微压计：
它是利用膜片、膜盒作为感测元件而制成的压力计。
常用于测量几千毫米水柱以下的正压或负压。
因此也叫微压计。

当测压点P对膜盒施压时，产生弹性变形位移连杆
带动机械传动部分送到指针加以显示出来。

五是智能压力变送器：
其原理是外界压力通过变送器内的隔离膜片和填充液
作用于传感器上，当压力变化时，传感器内的电路元
素（电阻或电容）值发生改变，从而将物理信号线性
的转变为标准的4—20mA信号。

⑵流量的测量与仪表：
流量的概念及单位：
流量：是指单位时间内，流过管道或设备某一截面积的
流体的数量。

流量的单位有：
一是体积流量（Q）：
单位是 米3/小时、米3/秒
Q――体积流量（米3/秒）
Ｆ――截面积（米２）
Ｖ――平均流速（米／秒）
公式：Ｑ＝ＦＶ

二是重量流量（Ｇ）：
单位是 公斤／小时、吨／小时
Ｇ――重量流量（公斤／小时）
Ｑ――体积流量（米3/小时）
γ――流体的重度（公斤／米3 ）
公式：G=Qγ

流量计仪表：（7类）
A、 节流式流量计：
节流装置有：孔板、喷嘴、文丘利管。
孔板：

如图：
入口 出口

压力大 压力小
流体流入孔板式，造成流束收缩，而出口处流束
又扩大，产生压力损失最大（永久压力损失）。

喷嘴：
如图：
入口
出口

入口为一个特殊的曲面和一段很短的圆柱形段，
使流束在喷嘴充分收缩，减少涡流。这样，
产生永久压力损失较小。

文丘利管：
如图：

入口

入口流束从收缩到扩大都有一定型面引导，
从而减少涡流，永久压力损失最少。

节流式流量测量原理：
当流体经过管道的节流装置是（孔板、喷嘴、文丘利管），
将在节流装置处局部收缩，使流速增加，静压力降低，
于是在节流装置前后便产生压差。
流量越大，压差越大，所以通过测量压差的方法来衡量流
量的大小。

取压的方法：
理论取压法
径距取压法
法兰取压法
管接取压法
角接取压法
B、 转子流量计：
如图：

转子流量计是一个垂直的锥形玻璃管或金属管构成。
里面放有浮子，锥形管壁内开有九条斜槽，当流体流
束作用下，使浮子不断转动，通过中轴，传送出信号
到换算、指示机构。

当然在安装时，还要根据流体的重度、压力和温度
重新校证，方可使用。

C、 靶式流量计：
如图：

当流体流入后，对靶心施加压力F，此压力则与流量的
平方成正比，以此来测量流量的。

D、 椭圆齿轮流量计：（适合粘稠流体）
如图：

它是一种通过压力带动椭圆齿轮运转的容积式
流量计。

E、 腰轮流量计：
与上面相似
两个如同链条形的相互咬合,围绕各自的中心转动。

F、 涡轮流量计：
它是由蜗轮、导流器、磁感转换器、前置放大
器及外壳组成。
当流体冲击涡轮叶片时开始转动，转动使磁感
转换器动作后，产生电信号经放大器放大送至
指示机构。

G、 电磁流量计：
它是由： 变送器和转换器组成。
变送器：把流体的流量参数值变成与之有一定关系
的感应电动势。
转换器：把变送器发出的电压信号转换成统一的标
准的直流电流信号，送至显示部分。

⑶物位 ：
有：玻璃液面计、差压式液面计、浮力式液面计、
固体料面计、界面测量、储罐液体称量式液面计。

Ａ、玻璃液面计：

＋

－
Ｂ、差压式液面计：

差压变送器

通过压差测出液面高度。

Ｃ、浮力式液面计：
有：浮球式、浮筒式

指示机构

Ｄ、固体料面计：
有：电容式料面计、γ射线料面计
电容式料面计：采用平衡板电容来测量；（颗粒导电）

γ射线料面计：采用射线、检测器、二次仪表组成。

Ｅ、界面测量：
两种比重不同液体的界面位置
有：差压变送器、法兰差压变送器、浮筒液面变送器。

与测量液面相似，主要是利用比重的不同，所受的静压
不同的原理而测得的。

Ｆ、储罐液体称量式液面计：
一次仪表的变送部分，将储罐内液体重量变化转换成
相应的压力信号变化，并以编码信号送给显示部分。
二次仪表将编码信号经译码器，用数码管显示出来。

⑷温度：
温度的单位：
国际摄氏温度
冰溶点作为0度，水的沸点为100度。

国际凯氏温度
凯氏温度=273.15+摄氏温度

华氏温度
华氏温度=1.8×摄氏温度+32

温度的测量仪表：
有：膨胀体温度计、压力式温度计、热电偶温度计、电阻
温度计、热辐射式高温计。
A、 膨胀体温度计：
分为：液体温度计和固体温度计。
主要是根据膨胀系数的不同来测定的。

B、 压力式温度计：
主要由温包、毛细管和弹簧管压力计组成。
温包插入被测介质中。

是利用密封容器内介质压力随温度的变化而变化
原理进行测量的。

C、 热电偶温度计：
是广泛使用的测温元件。
有两部分组成：热电偶、指示温度的仪表。

原理是对金属导线的一端加热，会产生温差电势。
不同的金属，产生的温差电势是不同的。

工作端与自由端的温度不同，产生的毫伏信号也
不同。

电偶种类：铂铑－铂
镍铬合金－镍铝合金
镍铬合金－考铜
铂铑－铂铑

D、 电阻温度计：
适用于测量-200――500度
它是由热电阻、导线和测量电阻值的二次表组成。
原理是利用温度对电阻的阻值产生变化来测温的。

E、 热辐射式高温计：
当温度高于1600度时，其它测温计就不适用了。
通常是光学高温计（700――2000）

原理是当加热到高温时就会发出热辐射能，实际
上就是各种波长的光波。
温度越高，光的强度也越强、越亮。
所以，热辐射强度与温度存在一个定量的关系，
以此测出温度。

3． 测量仪表的组成与分类：
⑴测量仪表的分类：
在石油化工生产中使用的仪表种类繁多、结构各异，因而分
类的方法也不同。
常见的几种分类方法有以下几种：
一是根据所测量的参数不同，可分为：
压力测量仪表、流量测量仪表、物位测量仪表、温度测量
仪表、物质成分分析仪表。

二是按表达方式不同可分为：
指示型、记录型、远传指示型、累积型。

三是按使用的场所可分为：
实用仪表、范型仪表、标准仪表。

⑵测量仪表的组成：
测量仪表的种类很多，尽管各种仪表的原理、结构不同。
就其组成部分的作用来看大致有：感受元件、中间传送、
显示三部分组成。

Ⅰ、感受元件：
它直接与被测对象相联系，感受被测参数的变化，并将
感受到的被测参数的变化转换成相应的信号输出。
它有时也称作敏感元件、一次元件或传感器。

对感受元件的要求是：
输出信号必须随被测参数变化而变化；
输出信号只能随被测参数变化而变化；
（如果其它参数变化影响感受元件的输出，那么
测量过程中这些参数的变化就是测量误差的来
源。在此情况下，一般要附加补偿装置或创造
条件使这些参数的变化不影响或很少影响测量
结果）。

输出信号与被测参数之间必须是单值关系，最好是
线性关系。

Ⅱ、中间传递部分：
中间件的作用时将感受元件的输出信号根据显示部分的要
求传输给显示部分。
根据不同情况中间传递部分有下列的功能：
一是单纯起传输作用：
当感受元件输出的信号直接可以送显示件显示时，中
间件只起传输作用，如风管线、电缆等。

二是放大感受元件发出的信号：
使能满足远距离及驱动指示记录装置的需要。

三是在感受元件输出信号的形式不适合显示时：
要通过中间传送部分把信号转换成适合于显示的形式。
如：单元组合仪表中将各种感受元件的输出信号转换
成具有统一数值范围的气、电信号，这时的中间
传送部分称作变送器，这样一种型式的二次仪表
常可用来显示不同的被测参数。

Ⅲ、显示部分：
仪表最终是通过它的显示部分向观察者反映被测参数变
化的。

按显示部分的功能不同仪表有下列几种：
一是指示被测参数瞬时值的称为指示仪表；
二是记录被测参数随时间变化的称作记录仪表；
三是显示被测参数对时间的积累结果的仪表称作
积算式仪表；
四是反映被测参数是否超过允许限值的仪表称作
信号式仪表；
五是有些显示部分可以根据被测参数与给定值的偏
差情况，发出对被测对象进行调节的信号。经过
调节作用使被测参数保持在预定的数值。也就是说
显示部分附有自动调节的功能，具有这种显示部分
的仪表称作调节仪表。

4． 测量仪表的基本技术性能：
⑴、 仪表的精度：
表示指示值接近真实值的程度。

绝对误差=指示值－真实值

相对误差＝（指示值－真实值）÷真实值×100%

⑵、 非线性误差：
理论上有线性“输入－输出”特性的仪表，但由于
各种因素，实际上“输出”往往会偏离线性关系，
即：最大偏差与测量范围之比的百分数称为线性度。

⑶、 变差（滞后误差）：
仪表的上下行程的“输入－输出”特性曲线之间的
最大偏差与量程范围之比的百分数称为变差。

是由仪表运动系统中的摩擦、间隙、弹性滞后等因
素造成的

⑷、 灵敏度和灵敏限：
灵敏度是指输出与输入之间的比值。
灵敏限是使仪表能响应的最小输入信号。

5． 误差知识：
除了上面谈到的绝对误差、相对误差外，通常
还有测量误差。

测量误差有：
系统误差：系统本身造成的、不变的误差；
疏忽误差：观察者的视觉误差；
偶然误差：多次测量同一值时，偶然出现一次误差。

二． 单元组合仪表：
分为：气动单元组合仪表和电动单元组合仪表。
１、 气动单元组合仪表：
⑴ 主要包括：变送单元、调节单元、显示单元、
计算单元、定值单元、转换单元、
辅助单元。

Ａ、变送单元：
它测定各种参数，如：温度、压力、流量、液位。
并将测定值转换成标准压力信号送到其它单元。

Ｂ、调节单元：
根据测定值与给定值的偏差，实现各种调节作用。

Ｃ、显示单元：
用于指示、记录被检测或调节的参数值。

Ｄ、计算单元：
实现多种代数运算（加、减、成、除等），配合
调节单元使用。

Ｅ、定值单元：
用于提供调节单元所需的给定值，实现调节系统的
定值调节和程序调节。

Ｆ、转换单元：
它能把：
电动单元组合仪表的统一电流信号转换成标准
的压力信号（0.2－1.0公斤/厘米2 ）；

气动单元组合仪表的统一压力信号转换成标准
的电流信号（0－10毫安 或 4－20毫安）。

从而把电动和气动联系在一起。

Ｅ、辅助单元：
它配合上面的单元完成发信号、切换、遥控等辅助
作用。

⑵气动仪表的基本元件：
有：弹性元件、节流元件、气容、喷嘴挡板机构和
功率放大器 五种气动元件。

弹性元件起到一个受力平衡的作用；

节流元件起到阻碍气体流动，产生压力降和改变气体
流量的作用；

气容（气体容室）在气动调节仪表的气动管路中能
够贮存或放出气体，对气压起惯性作用。

喷嘴挡板机构是气动仪表中最基本的元件，其作用
是将挡板的微小位移转换成相应的气压信号，作为
输出。

功率放大器是将微小的信号放大后送到执行机构。

⑶气动变送器：
可用来测量各种液体、蒸汽及气体的压力、
吸力（负压）和绝对压力，并有比例地转换为统一
标准的气压信号（0.2－1.0公斤/平方厘米）。
同时，根据系统需要，送到有关单元进行显示或调节。

⑷气动调节器：
气动调节器以压缩空气为能源，并以气压作为传递信
号，根据力平衡原理可进行连续调节作用，使被调参
数维持在给定值上。

⑸显示仪表：
记录仪和调节器等。

⑹仪表的气源装置：
压缩空气的装置要求：
除去：尘埃、水分、油分、固体物质。

２、 电动单元组合仪表：
分为：DDZ－Ⅱ（二型表）和DDZ－Ⅲ（三型表）
DDZ－Ⅱ（二型表）了解即可。

DDZ－Ⅲ（三型表）：
DDZ的含义：
D：电 D：单 Z：组
（电动单元组合仪表）

I：一型 （电子管型）
II：二型 （晶体管型）
III：三型 （集成线路型）

三型表的特点：
采用了国际标准信号制；（4－20毫安）
集成电路；
供电方式不同；（24伏集中供电）
结构合理；
安全火花型防爆系统。

三型表的八个品种：
Ａ、差压型二线变送器：
用于现场测量和传送信号的仪表。

Ｂ、温度变送器：
对热电偶等毫伏信号进行放大和传送。

Ｃ、安全保持器：
用以实现安全火花型防爆的关键单元。
从电路本身采取了有效的防止电源高压与
信号之间的接触。

Ｄ、调节器：
它是一重要单元，它接收变送器或转换器的
1－5伏的直流测量信号作为输入信号与1－5伏
给定信号进行比较，对偏差进行比例、积分、微
分运算之后，输出4－20毫安直流信号到操作端。

Ｅ、指示记录仪：

Ｆ、计算单元：
主要完成比例、积分、微分等运算。

Ｇ、电－气转换器：
完成电信号与气压信号的相互转换。

H、电源箱：

三． 自动调节系统：
例如：用加热炉将某种原油料通过炉管进行火焰加热。
为确保质量，必须严格控制加热炉出口温度，这是
一个主要参数。当出口温度偏离给定值，则调节燃
料量使出口温度回到给定值。这个调整过程就称为
工艺过程。
调节过程有：
人工调节和自动调节。

1． 基本调节作用：
自动调节器是自动调节系统的核心。

自动调节器包括：
比例调节器：
当被调参数与给定值产生偏差，偏差
大小决定阀门的开关程度，对其施加
调节作用，使被调参数回到给定值，
这个作用就是比例调节。

积分调节器：
调节器输出的变化量与偏差值随时间
的积分成正比的调节规律称为积分调
节作用。

微分调节器：
是根据偏差的变化趋势即“偏差变化速度”
而动作的称作微分作用。

2． 自动调节系统：
Ａ、流体输送设备的自动调节：
主要有：
离心泵的压力、流量调节
（改变转速、调节阀开度、旁路阀调节）；

往复泵的压力、流量调节
（改变原动机转速、旁路调节、改变冲程）

压缩机的调节
（气体的流量、压力、温度等调节）

Ｂ、传热设备的自动调节：
主要是：
调节热载体的流量、换热面积及冷却器温度
的自动调节，以维持被加热介质的温度恒定。

Ｃ、精馏塔的自动调节：
主要有：
常压精馏塔的压力调节
（在回流罐上设置大气的放气口，使其随大气
压变化而变化）；

加压精馏塔的压力调节
（这个调节与塔顶馏出物即气相还是液相有关）；

精馏塔的温度调节
是利用温度、温差和回流量进行调节的。

Ｄ、复杂的调节系统：
有：
串级调节系统
均匀调节系统
比值调节系统
分程调节系统
前馈调节系统
自动选择性调节系统

四． 集散系统的操作：

集散系统的概念：

它是从分解的观点出发，把被控对象分解多个子系统，再
把独立的子系统用通信线连接起来的系统，完成直接数字
控制、顺序控制、批量控制、数据采集与处理等最佳控制
功能，将操作员和生产过程密切结合起来。

组成：
基本控制单元、操作者接口、过程接口、管理计算机和
通讯母线系统 五个主要部分。

功能：
基本控制单元：
相当于多个常规调节器，完成所有模拟调节器的全部
运算及控制功能。

有：
端子板：用于基本控制单元和过程之间的连接，并将
过程的输入信号转换成标准信号（1－5V直流）；
过程输入/输出接口：对所有信号，按CPU要求进行模
数的相互转换后，送入存储器、数据库或者
输出4—20毫安到过程单元。
存储器：包括程序存储器、数据库、工作存储器。
程序存储器（ROM）用于存储操作程序、运算公
式、动态补偿等。

数据库（RAM）以文件库的形式存储过程输入数
据、设定值、常数、运算的中间结果及输出结果。

工作存储器用于记录运算步骤、从ROM调入程序
和过程数据、设定值、运算的中间结果和最终结果。

CPU：中央处理器
显示和外围设备控制单元
通讯母线接口完成基本控制单元与外部通信母线之间的
信息交换。

内部母线系统是指存储器地址母线和双向数据母线。

操作者接口
操作工艺生产过程，监视运行状态，组态回路和调整
回路参数，使人与计算机对话的桥梁。
有：显示器、键盘、打印机等。

过程接口：
对所有信号，按CPU要求进行模数的相互转换后，
送入存储器、数据库或者输出4—20毫安到过程单元。

管理计算机
是上一级管理的计算机。（如：车间、调度等）

数据通讯母线系统
同轴电缆或光缆。

DCS的特征：
一是以微处理机为基础的“智能”技术；
二是采用数字控制技术；
三是采用屏幕显示和键盘操作技术，实现了集中监视、操作
和管理；
四是采用现代通信技术；
五是采用过程变量的采样和预处理；
六是可靠性高；
七是改变控制方案容易，只需改变组态即可实现。

DCS的构成方式：
分成三大部分：
分散过程控制装置部分；
集中操作管理系统部分；
通信系统部分。

分散过程控制装置部分：
它是相对独立的分散控制过程。其特征有：
适应性强（环境）、分散控制、实时性和
独立性。

集中操作管理系统部分：
它是集中各分散控制装置送来的信号，通过处
理，再把指令送到各分散控制装置。
其特征有：
信息量大、易操作和容错性好。

通信系统部分：
是连接分散过程控制装置和集中操作管理系统的
桥梁。其特征有：
传输速率快、误码率低、开放性和相互
操作性强。