Instrumentation and process control

INSTRUMENTATION AND PROCESS CONTROL - Sixth Edition......Page 1
 ACKNOWLEDGEMENTS......Page 3
 CONTENTS......Page 4
 DIGITAL RESOURCES......Page 7
 INTRODUCTION......Page 8
 BOOK FEATURES......Page 10
  USING QUICK RESPONSE (QR) CODES......Page 12
  INSTRUCTOR’S RESOURCE GUIDE......Page 13
 ABOUT THE AUTHORS......Page 14
  SECTION OBJECTIVES......Page 15
  ADDITIONAL ACTIVITIES......Page 16
    Instrumentation and Industry......Page 17
    Training......Page 20
   INDUSTRY AND STANDARDS ORGANIZATIONS......Page 21
    Private Organizations......Page 23
   REVIEW QUESTIONS......Page 24
    Variables......Page 25
    Control Elements......Page 26
    Performance Characteristics......Page 27
     Static Characteristics......Page 28
     Dynamic Characteristics......Page 30
     Closed Loops......Page 31
     ON/OFF Control......Page 32
     Time Proportional ON/OFF Control......Page 33
    Instrument Calibration......Page 34
   KEY TERMS......Page 35
   REVIEW QUESTIONS......Page 36
   INSTRUMENTATION SYMBOLS AND NUMBERING......Page 37
     Level Measurement......Page 38
     Flow Measurement......Page 40
     Temperature Controller......Page 41
     Recirculation Tank Temperature Measurement......Page 42
   REVIEW QUESTIONS......Page 43
  SECTION OBJECTIVES......Page 45
  ADDITIONAL ACTIVITIES......Page 46
    Fahrenheit and Rankine Scales......Page 47
    Fahrenheit and CelsiusConversions......Page 48
    Conduction......Page 49
     Forced Convection......Page 50
    Heat Capacity......Page 51
    Specific Heat......Page 53
   REVIEW QUESTIONS......Page 54
   THERMAL EXPANSION......Page 55
   LIQUID-IN-GLASS THERMOMETERS......Page 56
   BIMETALLIC THERMOMETERS......Page 57
   PRESSURE-SPRING THERMOMETERS......Page 59
    Liquid-Filled Pressure-SpringThermometers......Page 60
    Bulb Location......Page 61
    Response Time......Page 63
   REVIEW QUESTIONS......Page 64
     Seebeck Effect......Page 65
     Thomson Effect......Page 66
     Law of Intermediate Temperatures......Page 67
    Measurement with a Cold Junction......Page 68
     Cold Junction Compensation......Page 69
    Thermocouple Construction......Page 70
    Thermocouple Wires......Page 71
     Constantan Thermocouples......Page 74
     Sheathed Thermocouple Construction......Page 75
     Thermopiles......Page 76
     Thermocouple Pyrometers......Page 77
     Null-Current Thermocouples......Page 78
    RTD Construction......Page 79
    NTC Thermistors......Page 80
    PTC Thermistors......Page 81
   SEMICONDUCTOR THERMOMETERS......Page 82
   KEY TERMS......Page 83
   REVIEW QUESTIONS......Page 84
    Spectral Response......Page 85
    Reflectivity......Page 86
    Transmissivity......Page 87
   IR THERMOMETER CONSTRUCTION......Page 88
     Two-Color (Ratio) IR Thermometers......Page 89
    Infrared Windows......Page 91
   DISAPPEARING FILAMENT PYROMETERS......Page 92
   THERMAL IMAGERS......Page 93
   KEY TERMS......Page 94
   REVIEW QUESTIONS......Page 95
   THERMOWELLS......Page 96
    Thermowell Construction......Page 97
     Process Connections......Page 99
     Thermowell Vibration......Page 101
    Thermocouple Extension Wires......Page 102
    Noise Reduction......Page 103
    Galvanic Reaction......Page 104
   PRACTICAL RTD MEASUREMENTS......Page 105
    Three-Wire RTD Bridge......Page 106
   CALIBRATION......Page 107
    Dry Well and Microbath Calibrators......Page 108
    Transmitter Calibration......Page 109
   REVIEW QUESTIONS......Page 111
  SECTION OBJECTIVES......Page 113
  ADDITIONAL ACTIVITIES......Page 114
    Fluid Pressure......Page 115
     Atmospheric Pressure......Page 116
     Hydrostatic Pressure......Page 117
    Pascal’s Law......Page 118
     Differential Pressure......Page 120
    Units of Pressure Measurement......Page 121
   KEY TERMS......Page 122
   REVIEW QUESTIONS......Page 123
     U-Tube Manometer Sizing......Page 124
    Inclined-Tube Manometers......Page 125
    Barometers......Page 127
    Diaphragms......Page 128
    Capsules......Page 129
    Bellows......Page 130
   KEY TERMS......Page 132
   REVIEW QUESTIONS......Page 133
    Resistance......Page 134
     Temperature Compensation......Page 135
    Capacitance......Page 136
    Inductance......Page 137
    Piezoelectric......Page 138
   KEY TERMS......Page 140
   REVIEW QUESTIONS......Page 141
     Wet Legs......Page 142
     Wet Leg Pressure Adjustment......Page 143
     Moisture Condensation......Page 144
     Measuring Liquids......Page 145
     Sensing Lines......Page 146
     Sealing Fluids......Page 148
   GAUGE CALIBRATION......Page 150
    Deadweight Testers......Page 151
   REVIEW QUESTIONS......Page 152
  SECTION OBJECTIVES......Page 153
  ADDITIONAL ACTIVITIES......Page 154
    Level and Volume......Page 155
    Gauge Glasses......Page 156
     Reflex Gauge Glasses......Page 157
    Cable and Weight Systems......Page 158
     Pressure Connections......Page 159
     Modified Pressure Cells......Page 160
    Bubblers......Page 162
     Tape Floats......Page 163
     Float-and-Dial Instruments......Page 164
    Displacers......Page 165
   KEY TERMS......Page 167
   REVIEW QUESTIONS......Page 168
    Capacitance......Page 169
    Single-Point Capacitance Probes......Page 170
    Capacitance Level Measurement......Page 172
   CONDUCTIVITY AND INDUCTIVE PROBES......Page 173
    Optical Liquid-Level Sensors......Page 175
   MAGNETOSTRICTIVE SENSORS......Page 176
   THERMAL DISPERSION SENSORS......Page 177
   REVIEW QUESTIONS......Page 178
    Ultrasonic Point LevelMeasurement......Page 179
    Tuning Forks......Page 180
    Pulsed Radar......Page 181
    Radar Applications......Page 182
   LASERS......Page 183
   REVIEW QUESTIONS......Page 184
    Continuous Level Measurement......Page 185
    Strain Gauge Load Cells......Page 186
    Hydraulic Load Cells......Page 187
    Piping Restraints......Page 188
   REVIEW QUESTIONS......Page 190
    Flow Properties......Page 191
   LOAD CELL CALIBRATION......Page 192
    Try Cocks......Page 194
    Gauge Glass Blowdown......Page 195
     Seal Connections......Page 196
     Transmitter Calibration......Page 197
   REVIEW QUESTIONS......Page 199
  SECTION OBJECTIVES......Page 201
  ADDITIONAL ACTIVITIES......Page 202
    Flow Rate and Total Flow......Page 203
    Density and Specific Gravity......Page 204
     Laminar and Turbulent Flow......Page 205
    Compressibility......Page 206
   GAS LAWS......Page 207
    Gay-Lussac’s Law......Page 208
    Combined Gas Law......Page 209
   REVIEW QUESTIONS......Page 210
    Orifice Plates......Page 211
    Venturi Tubes......Page 212
    Pitot Tubes......Page 213
   OPERATING PRINCIPLES......Page 214
    Differential Pressure Measurements......Page 215
     Pressure and Temperature Correction......Page 217
   KEY TERMS......Page 218
   REVIEW QUESTIONS......Page 219
    Rotameters......Page 220
    Modified Rotameters......Page 221
     Bypass Meters......Page 222
    Rotameter Sizing Tables......Page 223
   POSITIVE-DISPLACEMENT FLOWMETERS......Page 224
   TURBINE METERS......Page 226
   PADDLE WHEEL METERS......Page 227
    Parshall Flumes......Page 228
   REVIEW QUESTIONS......Page 230
   MAGNETIC FLOWMETERS......Page 231
    Transit Time Ultrasonic Meters......Page 232
    Vortex Shedding Meters......Page 233
     Coriolis Meter Operation......Page 234
    Thermal Mass Meters......Page 235
    Belt Weighing Systems......Page 236
   KEY TERMS......Page 237
   REVIEW QUESTIONS......Page 238
     Taps......Page 239
    Differential Instrument Locations......Page 240
    Boiler Airflow Measurement......Page 241
    Integrators......Page 242
    Flow Switches......Page 243
     Rotameter Switches......Page 244
   REVIEW QUESTIONS......Page 245
  SECTION OBJECTIVES......Page 247
  ADDITIONAL ACTIVITIES......Page 248
   ANALYZERS......Page 249
    Sample Transportation Lags......Page 250
    Thermal Conductivity Analyzers......Page 251
    Radiant-Energy Absorption Analyzers......Page 252
     Nondispersive Infrared (NDIR) Analyzers......Page 254
     Tunable Diode Laser AbsorptionSpectroscopy......Page 255
     Paramagnetic Oxygen Analyzers......Page 256
     Zirconium Oxide Oxygen Analyzers......Page 258
    Hydrogen-Specific Gas Analyzers......Page 260
    Opacity Analyzers......Page 261
   KEY TERMS......Page 262
   REVIEW QUESTIONS......Page 263
   HUMIDITY ANALYZERS......Page 265
    Psychrometric Charts......Page 266
    Hygrometers......Page 268
     Thermohygrometers......Page 269
    Dewpoint Analyzers......Page 270
    Near Infrared (NIR) Moisture Analyzers......Page 271
    Microwave Moisture Analyzers......Page 272
   KEY TERMS......Page 274
   REVIEW QUESTIONS......Page 275
    Hydrometers......Page 276
     Continuous Hydrometers......Page 277
    Vibrating U-Tube (Coriolis) Density Analyzers......Page 278
    Nuclear Radiation Density Analyzers......Page 279
    Hydrostatic Pressure Density Analyzers......Page 280
    Slurry Density Analyzers......Page 281
    Absolute and Kinematic Viscosity......Page 282
    Falling Piston Viscosity Analyzers......Page 283
    Orifice Viscosity Analyzers......Page 284
    Rheometers......Page 285
   REFRACTIVE INDEX ANALYZERS......Page 286
   KEY TERMS......Page 289
   REVIEW QUESTIONS......Page 290
    Conductivity Analyzers......Page 291
     Electrodeless Conductivity Cells......Page 293
    pH Analyzers......Page 294
     pH Electrodes......Page 295
    Oxidation-Reduction Potential (ORP) Analyzers......Page 296
    Chromatography......Page 297
     Liquid Chromatographic Analyzers......Page 298
    Infrared Spectroscopy......Page 299
     Fourier Transform Infrared (FTIR)Analyzers......Page 300
   KEY TERMS......Page 301
   REVIEW QUESTIONS......Page 302
  SECTION OBJECTIVES......Page 303
  ADDITIONAL ACTIVITIES......Page 304
    Mechanical Switch Output......Page 305
    Electrical Proximity Sensors......Page 307
     Sensor Output Circuits......Page 308
    Ultrasonic Proximity Sensors......Page 310
    Photoelectric Proximity Sensors......Page 311
     Through-Beam Mode......Page 312
     Photoelectric Operating States......Page 313
     Optical Speed Measuring......Page 314
   KEY TERMS......Page 315
   REVIEW QUESTIONS......Page 316
    Actuation Directions......Page 317
    Frequency Measurement......Page 318
    Speed Sensing Alarms......Page 320
    Web Guiding......Page 321
    Continuous Web Loop Control......Page 322
   SAFETY LIGHT CURTAINS......Page 323
   REVIEW QUESTIONS......Page 324
  SECTION OBJECTIVES......Page 325
  ADDITIONAL ACTIVITIES......Page 326
     Analog Data......Page 327
    Current Transmission......Page 328
    Voltage Transmission......Page 330
    Frequency Transmission......Page 331
    Transmission to Measurement Conversions......Page 332
   KEY TERMS......Page 333
   REVIEW QUESTIONS......Page 334
    Decimal Numbers......Page 335
    Binary Numbers......Page 336
    Octal Numbers......Page 337
    Hexadecimal (Hex) Numbers......Page 338
    Decimal Conversions......Page 339
   KEY TERMS......Page 340
   REVIEW QUESTIONS......Page 341
   NETWORK PRINCIPLES......Page 342
    Network Configurations......Page 343
     Ring Networks......Page 344
    Network Addressing......Page 345
    Network Protocols......Page 346
    Transistor-Transistor Logic (TTL) Circuits......Page 347
    Source and Sink Circuits......Page 348
    Parallel Circuits......Page 349
     RS-232 Communication......Page 350
   CABLE AND WIRING STANDARDS......Page 352
    Optical Fiber......Page 353
   KEY TERMS......Page 355
   REVIEW QUESTIONS......Page 356
   FIELDBUS SYSTEMS......Page 357
     Physical Layers......Page 358
     Industrial Ethernet......Page 359
   FIELDBUS IMPLEMENTATIONS......Page 360
    FOUNDATION......Page 361
    Profibus......Page 363
    HART......Page 364
     DeviceNet......Page 365
     Smart Distributed System (SDS)......Page 367
    AS Interface (ASI)......Page 368
    BACnet......Page 369
     Network Variables......Page 370
   KEY TERMS......Page 372
   REVIEW QUESTIONS......Page 373
    Frequency and Broadcast Power......Page 374
    Interference......Page 376
    Antenna Types......Page 377
    Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS)......Page 378
    Wireless Standards......Page 379
   SECURITY AND ENCRYPTION......Page 380
    WPA2......Page 381
    Cellular Communications......Page 382
     Virtual Static IP (VSIP)......Page 383
   KEY TERMS......Page 384
   REVIEW QUESTIONS......Page 385
    Calculating Impedance......Page 386
    Current Repeaters......Page 387
   ELECTROMAGNETIC INTERFERENCE (EMI)......Page 388
   CONNECTORS......Page 389
   TRANSMITTERS......Page 390
    Smart Transmitters......Page 391
   REVIEW QUESTIONS......Page 393
  SECTION OBJECTIVES......Page 395
  ADDITIONAL ACTIVITIES......Page 396
   AUTOMATIC CONTROL......Page 397
    Self-Regulation......Page 398
    Load Changes......Page 399
    Process Gain......Page 400
     Nonlinear Process Gain......Page 401
    Lags......Page 402
    Measurement Signal Conditioning......Page 406
     Transmitter Dynamic Gain......Page 407
    Setpoints......Page 409
    Control Loops......Page 411
    Control Actions......Page 412
     Direct Action......Page 413
    Setpoint Tracking......Page 414
    Alarms......Page 416
   KEY TERMS......Page 417
   REVIEW QUESTIONS......Page 418
    ON/OFF Control......Page 419
    Proportional Control......Page 420
     Output Bias......Page 424
     Offset......Page 426
     Open Loop Response Diagram......Page 428
    Integral (I) Control......Page 429
    Derivative (D) Control......Page 432
    Adaptive Gain Control......Page 434
    Feedforward Control......Page 436
     Expert Systems......Page 438
     Fuzzy Input Calculations......Page 439
    Neural Networks......Page 440
   KEY TERMS......Page 442
   REVIEW QUESTIONS......Page 444
   TUNING COEFFICIENTS......Page 445
   TUNING PERFORMANCE STANDARDS......Page 446
    Other Standards......Page 447
   TUNING METHODS......Page 449
    Setpoint Step Change Method......Page 450
    Tuning Map Method......Page 453
     Ziegler-Nichols Closed Loop Tuning......Page 454
     Ziegler-Nichols Open Loop Tuning......Page 455
   KEY TERMS......Page 457
   REVIEW QUESTIONS......Page 458
   DIGITAL CONTROLLERS......Page 459
    Direct Computer Control Systems......Page 460
    Distributed Control Systems (DCSs)......Page 461
    Programmable Logic Controllers (PLCs) ......Page 462
    Null-Balance......Page 463
    Analog Output......Page 464
    PC-Based Display Systems......Page 465
   CONFIGURATION FORMATS......Page 466
    Function Blocks......Page 467
    Structured Text......Page 469
    Sequential Function Charts......Page 470
   KEY TERMS......Page 472
   REVIEW QUESTIONS......Page 473
  SECTION OBJECTIVES......Page 475
  ADDITIONAL ACTIVITIES......Page 476
   CONTROL VALVES......Page 477
     Valve Flow Characteristics......Page 478
     Piping Resistance Effects......Page 479
     Flashing and Cavitation......Page 480
     Critical Pressure Ratio......Page 481
     Valve Sizing......Page 482
    Sliding Stem Valves......Page 483
     Globe Valves......Page 484
     Split Body Valves......Page 487
    Rotary Shaft Valves......Page 488
     Ball Valves......Page 489
     Eccentric Cam Valves......Page 490
    Direct-Acting Valves (Solenoids)......Page 491
   KEY TERMS......Page 493
   REVIEW QUESTIONS......Page 494
     Spring-Loaded Pressure Regulators......Page 495
     Air-Loaded Pressure Regulators......Page 497
     Differential Pressure Regulators......Page 498
    Temperature Self-Operating Regulators......Page 500
    Opposed-Blade Dampers......Page 501
    Damper Construction......Page 502
   KEY TERMS......Page 503
   REVIEW QUESTIONS......Page 504
   ACTUATORS......Page 505
     Actuator Pressure and Force......Page 506
    Pneumatic Rotary Piston Actuators......Page 509
    Damper Actuators......Page 510
    Spring-Return Solenoid Actuators......Page 511
    Double-Acting Solenoid Actuators......Page 512
    Current-to-Pneumatic (I/P) Transducers......Page 514
    Air Supply......Page 515
     Relays......Page 516
    Linear Actuator Positioners......Page 517
    Rotary Actuator Positioners......Page 518
    Split Range Operation......Page 519
     Compressor-Discharge Pressure Control......Page 520
    Flow Characteristic Change......Page 521
   KEY TERMS......Page 522
   REVIEW QUESTIONS......Page 523
    Blowers, Fans, and Compressors......Page 524
    Pumps......Page 525
   ELECTRIC POWER CONTROLLERS......Page 526
    Electromechanical Relays......Page 527
     Output Circuits......Page 529
   KEY TERMS......Page 531
   REVIEW QUESTIONS......Page 532
  SECTION OBJECTIVES......Page 533
  ADDITIONAL ACTIVITIES......Page 534
    Personal Protective Equipment......Page 535
    Electrical Personal Protection......Page 536
    Safety Valves......Page 537
    Relief Valves......Page 539
    Valve Construction......Page 540
     Fire......Page 542
    Fuel Safety Shutoff Valves......Page 543
    Conservation Vents......Page 544
   RUPTURE DISCS......Page 545
     Conventional Metal Rupture Discs......Page 546
     Operating Ratio......Page 547
    Flame Detectors......Page 549
   ALARM SYSTEMS......Page 551
    First-Out Alarms......Page 552
    Combustible Gas Detectors......Page 553
    Toxic Gas Detectors......Page 554
   KEY TERMS......Page 556
   REVIEW QUESTIONS......Page 558
     Divisions......Page 560
     Groups......Page 561
    Electrical Enclosures......Page 562
     Enclosures for Hazardous (Classified)Locations......Page 564
     Conduit Seals......Page 565
    Intrinsically Safe Systems......Page 566
     Intrinsic Barriers......Page 568
   KEY TERMS......Page 569
   REVIEW QUESTIONS......Page 570
    Risks......Page 571
    Event Likelihood......Page 572
   TECHNOLOGY OPTIONS......Page 573
    Programmable Electronic Systems......Page 574
     Safety PLC System Testing......Page 575
   KEY TERMS......Page 576
   REVIEW QUESTIONS......Page 577
  SECTION OBJECTIVES......Page 579
  ADDITIONAL ACTIVITIES......Page 580
   INSTRUMENT SYMBOLS......Page 581
    Batch Processes......Page 582
   SPLIT RANGE CONTROLS......Page 583
    Heating and Cooling Services......Page 584
    Priority Usage Selections......Page 586
    Throttling Range Increase......Page 587
   HIGH AND LOW SELECTORS......Page 588
    Low Selectors......Page 589
    Storage Tank Level and Flow Control......Page 590
   LIMIT CONTROLS......Page 591
    Gap Action Control......Page 593
   CASCADE CONTROL......Page 594
    Internal Functions......Page 597
    Secondary Controller Local Setpoint......Page 601
    Secondary Controller Manual Operation......Page 603
   REVIEW QUESTIONS......Page 606
   HEAT EXCHANGERS......Page 607
    Cooling Service......Page 608
    Steam-Controlled Heat Exchangers......Page 609
    Condensate-Level-Controlled Heat Exchangers......Page 611
   JACKETED REACTORS......Page 612
    Circulated Water Temperature Control......Page 613
   REVIEW QUESTIONS......Page 616
   SMOOTH TRANSFER OF PRESSURE CONTROL......Page 617
    Pump-Up Level Control......Page 620
     Float-Switch Level Sensors......Page 621
     Pump-Down Control Circuits......Page 623
   REVIEW QUESTIONS......Page 625
   RATIO CONTROLLERS......Page 626
     Ratio Controller Local Setpoint......Page 627
    Mixing Ratio Control......Page 630
    Splitting Ratio Control......Page 632
    Basic Air-Fuel Ratio  Control Systems......Page 634
    Lead-Lag Air-Fuel Ratio  Control Systems......Page 636
    Oxygen Trim Control......Page 637
   REVIEW QUESTIONS......Page 641
    Condensate Conductivity Monitoring......Page 642
    Flow High and Low Level Selector System......Page 643
    Boiler Drum Level and Feedwater Flow Control......Page 645
     Normal Operational Sequences......Page 648
   KEY TERMS......Page 650
   REVIEW QUESTIONS......Page 651
   Chapter 3 - Piping and Instrumentation Diagrams......Page 653
   Chapter 8 - Practical Temperature Measurement and Calibration......Page 654
   Chapter 12 - Practical Pressure Measurement and Calibration......Page 655
   Chapter 17 - Practical Level Measurement and Calibration......Page 656
   Chapter 22 - Practical Flow Measurement......Page 657
   Chapter 26 - Electrochemical and Composition Analyzers......Page 658
   Chapter 30 - Digital Numbering Systems and Codes......Page 659
   Chapter 34 - Practical Transmission and Communication......Page 660
   Chapter 38 - Digital and Electric Controllers......Page 661
   Chapter 42 - Variable-Speed Drives and Electric Power Controllers......Page 662
   Chapter 46 - General Control Techniques......Page 663
   Chapter 50 - Analysis and Multivariable Control......Page 664
  Table of Contents......Page 665
   Instrument Tag Identification......Page 666
   Selected Instrumentation Symbols......Page 667
   Selected Primary Element Symbols......Page 668
   Instrumentation Line Symbols......Page 670
   Periodic Table of the Elements......Page 671
   Hazardous Locations......Page 672
  A......Page 673
  B......Page 674
  C......Page 675
  D......Page 677
  F......Page 679
  G......Page 680
  H......Page 681
  J......Page 682
  M......Page 683
  N......Page 684
  O......Page 685
  P......Page 686
  R......Page 688
  S......Page 689
  T......Page 691
  V......Page 693
  Z......Page 694
  B......Page 695
  D......Page 696
  F......Page 697
  I......Page 698
  N......Page 699
  P......Page 700
  R......Page 701
  T......Page 702
  W......Page 703
  Z......Page 704