简析化工仪表和化工自动化

刘昱曦　郭军涛

摘要：自动化控制是一门综合性的技术学科，综合利用自动控制器仪表学科，以及 摘计算机学科的理论服务于化学工程学科更是大家所研究的目标，从化工生产自动化需要出发，探讨化工仪表的分类、性能和发展。

关键词：化工仪表 化工自动化 过程控制

化工自动化就是化工生产过程自动化，通常指将一些自动化装置安装在化工设备上，以实现化工生产流程的自动监控。而实现化工生产过程的自动化，必须依赖于高性能仪器、仪表，对生产过程进行显示、测量，并依此对生产工艺过程进行有效控制和调整。

1、化工自动化仪表的种类和性能

分类方法很多，根据不同原则可以对自动化仪表进行不同的分类。我们根据实际生产中数据采集的不同特点，从以下几方面对化工自动化仪表进行分析。

1）温度仪表。化工生产的特点是在一定温度和压力下，使原料发生一定的化学反应或变化，因此，对于生产中的温度控制是不可避免的。一般需要指示的温度范围为-200～+1800℃，方式一般为接触式测量。最常用的仪器仪表是热电阻、热电偶。由于电子技术的发展特别是现场总线技术的应用，热电阻、热电偶信号直接进入DCS或其它温度采集仪表，一体化的温度变送器（两线制）等，使温度控制实现自动化。

2）压力仪表。压力是化工生产中必不可少的，没有一定的压力，反应就会发生，生产就不能进行。而因压力往往关系到生产、设备和人身安全，因此，压力仪表是非常关键的。一般压力范围为负压到300Mpa（高压聚乙烯反应器）。

因为压力的测量原理有多种，压力仪表的种类也较多，有压力传感器、变送器和特种压力仪表等，应用的范围有高温介质、脉动介质、腐蚀介质、粘稠状、粉状、易结晶介质的压力测量，精度可达0.1级。

为了测量不同场合的压力，压力表可分为：液柱式、弹性式、活塞式（压力校验仪）3类。作为压力调节系统除采用压力变送器将信号送至DCS或其它调节器外，位移平衡式基地式调节器仍常用于现场测量和控制。

3）物位仪表。在化工生产中，往往需要对原料、半成品和成品的液位进行测量，由于测量过程与被测物料特性关系密切，所以除浮力式仪表外，物料仪表没有通用产品，按测量方式分为直读式、浮力式、静压式（差压、压力）、电接触式、电容式、超声波式、雷达式、重垂式、辐射式、激光式、音叉式、磁致伸缩式、矩阵涡流式等，其中雷达式（0.3%）、磁致伸缩式（0.05%）以及矩阵涡流式液位计（±1mm）精度高，在石化行业的应用逐步普及。

4）流量仪表。流量的测量是化工生产中最多的控制环节，也是温、压、液（位）、流四大参数中内容最丰富的一个门类。我们所说的流量，不是一般的流速，是单位时间内流经有效截面的流体的体积和质量，有时还要测量管道中一段时间内流过的累积流体的体积和质量（流量积算仪）。由于不同条件下对流量测量的要求不同，有大口径流量、微小流量；高、低温介质的流量；高粘度介质强腐蚀介质的流量；粉料、粘污介质的流量；脉动流、多相流等流量。

流量测量原理上大致分有速度法、容积法测量体积流量，直接法、推导法测量质量流量。实际上细分有节流式或压差式（孔板、喷嘴、文丘里管等）、速度式（水表、涡轮、靶式、电磁、超声波、涡街、质量流量计等）。

5）在线过程分析仪。现代化工生产自动化需要全部的工艺参数的自动化测量与控制，因此，生产过程中对温度、压力、流量、液位等工艺参数的保证，只是间接保证最终产品或中间产品的质量合格，而对过程中物料成分的直接分析和对最终产品的成分分析是生产过程控制成功与否的根据，在线过程分析仪的应用，可以实现化工生产控制和分析的完全自动化。在应用中，在线过程分析仪往往要与高精尖的分析仪器配套使用，一般包括液相色谱、气相色谱、质谱、紫外及红外光谱、核磁、电镜、原子吸收及等离子发射光谱、电化学等分析仪器。

2、化工仪器仪表的新发展

1）仪表有了可编程功能。计算机的软件进入仪表，可以代替大量的硬件逻辑电路，这叫硬件软化。特别是在控制电路中应用一些接口芯片的位控特性进行一个复杂功能的控制，其软件编程很简单（即可以用存储控制程序代替以往的顺序控制）。而如果带之以硬件，就需要一大套控制和定时电路。所以软件移植入仪器仪表可以大大简化硬件的结构，代替常规的逻辑电路。

2）仪表有了记忆功能。以往的仪表采用组合逻辑电路和时序电路，只能在某一时刻记忆一些简单状态，当下一状态到来时，前一状态的信息就消失了。但微机引入仪表后，由于它的随机存储器可以记忆前一状态信息，只要通电，就可以一直保存记忆，并且可以同时记忆许多状态信息，然后进行重现或处理。

3）仪表有了计算功能。由于自动化化仪表内含微型计算机，因此可以进行许多复杂的计算，并且具有很高的精度。在自动化仪表中可经常进行诸如乘除一个常数、确定极大和极小值、被测量的给定极限检测等多方面的运算和比较。

4）仪表有了数据处理的功能。在测量中常常会遇到线性化处理、自检自校、测量值与工程值的转换以及抗干扰问题。由于有了微处理器和软件，这些都可以很方便的用软件来处理，一方面大大减轻了硬件的负担，又增了丰富的处理功能。自动化仪表也完全可以进行检索、优化等工作。

5）仪表的测量精度高了。由于自动化仪表的中心控制系统是微型计算机，可以进行快速多次重复测量，然后求平均值。这样就可以排除一些偶然的误差与干扰。

6）仪表具有修正误差的能力。实时地修正测量值误差是较为复杂的功能。装有微处理器的仪表可以减少误差，依靠限制干扰来提高精度。

7）仪表能够实现复杂的控制功能。实现自动化以后，一些常规仪表不易实现的功能，在自动化仪表中就很容易实现。比如一台气相或液相色普仪，这种仪器利用对于复杂化学混合物进行色层分离的方法来确定样品中存在的每一种化学成分的含量。

电子技术、计算机技术的发展，也促进了常规仪表的发展，新型的数字仪表，智能化仪表，程序控制器，调节器等也不断投入使用。现在我国大、中、小型企业以及广大乡、镇企业依据不同的生产实际和需求，气动仪表、电动仪表、模拟仪表、数字仪表以及各种智能化仪表，计算机等都在进行使用，形成了气电结合、模数共存、取长补短，协同发展的局面。它们构成的各种自动化控制系统极大地推动着我们的现代化建设事业。

3、结束语

化工生产过程自动化，是一门综合性的技术学科，它是利用自动控制学科仪器、仪表学科，以及计算机学科的理论与技术，服务于化学工程学科的。现代化工工艺及设备与自动化装置已经构成了有机的整体，使仪表实现高速、高效、多功能、高机动灵活等性能，使化工生产自动化水平不断提高。