Preface

1

1

Calculus

5

1.1

Introduction to calculus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

1.2

The concept of di erentiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

1.3

The concept of integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

1.4

How derivatives and integrals relate to one another . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

1.5

Symbolic versus numerical calculus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

1.6

Numerical di erentiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

1.7

Numerical integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

2

Physics

55

2.1

Terms and Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

56

2.2

Metric prefixes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

57

2.3

Areas and volumes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

57

2.3.1

Common geometric shapes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

58

2.4

Unit conversions and physical constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

60

2.4.1

Unity fractions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

61

2.4.2

Conversion formulae for temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

64

2.4.3

Conversion factors for distance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

65

2.4.4

Conversion factors for volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

65

2.4.5

Conversion factors for velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

65

2.4.6

Conversion factors for mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

65

2.4.7

Conversion factors for force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

65

2.4.8

Conversion factors for area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

65

2.4.9

Conversion factors for pressure (either all gauge or all absolute) . . . . . . . .

66

2.4.10

Conversion factors for pressure (absolute pressure units only) . . . . . . . . .

66

2.4.11

Conversion factors for energy or work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

66

2.4.12

Conversion factors for power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

66

2.4.13

Terrestrial constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

67

2.4.14

Properties of water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

67

2.4.15

Miscellaneous physical constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

68

2.4.16

Weight densities of common materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

69

2.5

Dimensional analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

71

vi

CONTENTS

2.6

The International System of Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . 72

2.7

Conservation Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . 73

2.8

Classical mechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 73

2.8.1

Newton’s Laws of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 74

2.8.2

Work, energy, and power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 75

2.8.3

Mechanical springs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 91

2.8.4

Rotational motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 93

2.9

Simple machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 99

2.9.1

Levers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 99

2.9.2

Pulleys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 101

2.9.3

Inclined planes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 104

2.9.4

Gears . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 106

2.9.5

Belt drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 117

2.9.6

Chain drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 120

2.10

Elementary thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 121

2.10.1

Heat versus Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 122

2.10.2

Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 123

2.10.3

Heat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 125

2.10.4

Heat transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 126

2.10.5

Specific heat and enthalpy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 137

2.10.6

Phase changes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 144

2.10.7

Phase diagrams and critical points . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 152

2.10.8

Saturated steam table . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 155

2.10.9

Thermodynamic degrees of freedom . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 158

2.10.10 Applications of phase changes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 159

2.11

Fluid mechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 170

2.11.1

Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 170

2.11.2

Pascal’s Principle and hydrostatic pressure . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 175

2.11.3

Fluid density expressions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 180

2.11.4

Manometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 182

2.11.5

Systems of pressure measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 186

2.11.6

Negative pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 189

2.11.7

Buoyancy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 191

2.11.8

Gas Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 197

2.11.9

Fluid viscosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 199

2.11.10 Reynolds number . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 201

2.11.11 Law of Continuity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 205

2.11.12 Viscous flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 207

2.11.13 Bernoulli’s equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 208

2.11.14 Torricelli’s equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 218

2.11.15 Flow through a venturi tube . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 219

CONTENTS

vii

3

Chemistry

225

3.1

Terms and Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

228

3.2

Atomic theory and chemical symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

230

3.3

Periodic table of the elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

236

3.4

Electronic structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

241

3.5

Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

249

3.5.1

Emission spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

253

3.5.2

Absorption spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

256

3.6

Formulae for common chemical compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

258

3.7

Molecular quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

262

3.8

Stoichiometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

265

3.8.1 Balancing chemical equations by trial-and-error . . . . . . . . . . . . . . . . .

266

3.8.2 Balancing chemical equations using algebra . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

268

3.8.3

Stoichiometric ratios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

271

3.9

Energy in chemical reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

273

3.9.1 Heats of reaction and activation energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

274

3.9.2 Heats of formation and Hess’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

278

3.10

Periodic table of the ions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

281

3.11

Ions in liquid solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

282

3.12

pH . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

284

4

DC electricity

291

4.1

Electrical voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

292

4.2

Electrical current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

298

4.2.1 Electron versus conventional flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

301

4.3

Electrical sources and loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

306

4.4

Electrical power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

312

4.5

Electrical resistance and Ohm’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

313

4.6

Series versus parallel circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

316

4.7

Kirchho ’s Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

320

4.8

Circuit fault analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

324

4.9

Bridge circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

327

4.9.1

Component measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

328

4.9.2

Sensor signal conditioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

330

4.10

Null-balance voltage measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

336

4.11

Electromagnetism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

340

4.12

Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

346

4.13

Inductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

350

5

AC electricity

355

5.1

RMS quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

356

5.2

Resistance, Reactance, and Impedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

360

5.3

Series and parallel circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

361

5.4

Transformers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

361

5.4.1

Basic principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

362

5.4.2

Loading e ects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

365

viii

CONTENTS

5.4.3

Step ratios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . 367

5.4.4

Transformer impedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 369

5.5

Phasors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 371

5.5.1

Circles, sine waves, and cosine waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 372

5.5.2

Phasor expressions of phase shifts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 377

5.5.3

Phasor expressions of impedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 386

5.5.4

Phasor arithmetic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 390

5.5.5

Phasors and circuit measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 394

5.6

The s variable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 402

5.6.1

Meaning of the s variable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 403

5.6.2

Impedance expressed using the s variable . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 406

5.7

Transfer function analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 411

5.7.1

Example: LR low-pass filter circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 412

5.7.2

Example: RC high-pass filter circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 418

5.7.3

Example: LC “tank” circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 423

5.7.4

Example: RLC band-pass filter circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 428

5.7.5

Summary of transfer function analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 437

5.8

Polyphase AC power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 439

5.8.1

Delta and Wye configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 447

5.8.2

Power in three-phase circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 451

5.8.3

Grounded three-phase circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 454

5.8.4

Symmetrical components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 457

5.9

Phasor analysis of transformer circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 466

5.9.1

Phasors in single-phase transformer circuits . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 468

5.9.2

Phasors in three-phase transformer circuits . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 474

5.10

Transmission lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 475

5.10.1

Open-ended transmission lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 477

5.10.2

Shorted transmission lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 479

5.10.3

Properly terminated transmission lines . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 481

5.10.4

Discontinuities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 483

5.10.5

Velocity factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 483

5.10.6

Cable losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 484

5.11

Antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 485

5.11.1

Maxwell and Hertz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 489

5.11.2

Antenna size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 491

5.11.3

Antenna orientation and directionality . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 492

6 Introduction to industrial instrumentation

497

6.1

Example: boiler water level control system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 500

6.2

Example: wastewater disinfection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 505

6.3

Example: chemical reactor temperature control . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 507

6.4

Other types of instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 510

6.4.1

Indicators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 511

6.4.2

Recorders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 514

6.4.3

Process switches and alarms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 520

6.5

Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 529

CONTENTS

ix

6.6

Review of fundamental principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

530

7

Instrumentation documents

531

7.1

Process Flow Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

533

7.2

Process and Instrument Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

535

7.3

Loop diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

537

7.4

Functional diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

540

7.5

Instrument and process equipment symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

543

7.5.1

Line types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

544

7.5.2

Process/Instrument line connections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

545

7.5.3

Instrument bubbles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

545

7.5.4

Process valve types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

546

7.5.5

Valve actuator types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

547

7.5.6

Valve failure mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

548

7.5.7

Liquid level measurement devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

549

7.5.8

Flow measurement devices (flowing left-to-right) . . . . . . . . . . . . . . . .

550

7.5.9

Process equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

552

7.5.10

Functional diagram symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

553

7.5.11

Single-line electrical diagram symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

554

7.5.12

Fluid power diagram symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

556

7.6

Instrument identification tags . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

558

8

Instrument connections

563

8.1

Pipe and pipe fittings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

563

8.1.1

Flanged pipe fittings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

564

8.1.2

Tapered thread pipe fittings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

571

8.1.3

Parallel thread pipe fittings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

574

8.1.4

Sanitary pipe fittings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

575

8.2

Tube and tube fittings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

579

8.2.1

Compression tube fittings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

580

8.2.2

Common tube fitting types and names . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

585

8.2.3

Bending instrument tubing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

588

8.2.4

Special tubing tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

590

8.3

Electrical signal and control wiring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

592

8.3.1

Connections and wire terminations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

593

8.3.2

DIN rail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

602

8.3.3

Cable routing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

605

8.3.4

Signal coupling and cable separation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

613

8.3.5

Electric field (capacitive) de-coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

617

8.3.6

Magnetic field (inductive) de-coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

623

8.3.7

High-frequency signal cables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

626

8.4

Fiber optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

628

8.4.1

Fiber optic data communication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

629

8.4.2

Fiber optic sensing applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

632

8.4.3

Fiber optic cable construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

637

8.4.4

Multi-mode and single-mode optical fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

640

x

CONTENTS

8.4.5 Fiber optic cable connectors, routing, and safety . . . . . . . . . . .

. . . . . 642

8.4.6 Fiber optic cable testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . 645

8.5

Review of fundamental principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 651

9

Discrete process measurement

655

9.1

“Normal” status of a switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 656

9.2

Hand switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 661

9.3

Limit switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 663

9.4

Proximity switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 665

9.5

Pressure switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 670

9.6

Level switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 675

9.6.1

Float-type level switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 676

9.6.2 Tuning fork level switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 678

9.6.3

Paddle-wheel level switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 679

9.6.4

Ultrasonic level switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 680

9.6.5

Capacitive level switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 681

9.6.6

Conductive level switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 682

9.7

Temperature switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 684

9.8

Flow switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 688

9.9

Review of fundamental principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 690

10

Discrete control elements

691

11 Relay control systems

749

CONTENTS

xi

12 Programmable Logic Controllers

767

12.1

PLC examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

768

12.2

Input/Output (I/O) capabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

777

12.2.1

Discrete I/O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

779

12.2.2

Analog I/O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

786

12.2.3

Network I/O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

788

12.3

Logic programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

789

12.3.1

Relating I/O status to virtual elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

790

12.3.2

Memory maps and I/O addressing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

798

12.4

Ladder Diagram (LD) programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

804

12.4.1

Contacts and coils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

806

12.4.2

Counters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

824

12.4.3

Timers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

829

12.4.4

Data comparison instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

834

12.4.5

Math instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

837

12.4.6

Sequencers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

840

12.5

Structured Text (ST) programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

850

12.6

Instruction List (IL) programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

850

12.7

Function Block Diagram (FBD) programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

850

12.8

Sequential Function Chart (SFC) programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

850

12.9

Human-Machine Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

851

12.10How to teach yourself PLC programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

857

12.11Review of fundamental principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

860

13 Analog electronic instrumentation

863

13.1

4 to 20 mA analog current signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

863

13.2

Relating 4 to 20 mA signals to instrument variables . . . . . . . . . . . . . . . . . .

867

13.2.1

Example calculation: controller output to valve . . . . . . . . . . . . . . . . .

870

13.2.2

Example calculation: flow transmitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

871

13.2.3

Example calculation: temperature transmitter . . . . . . . . . . . . . . . . .

873

13.2.4

Example calculation: pH transmitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

876

13.2.5

Example calculation: reverse-acting I/P transducer signal . . . . . . . . . . .

878

13.2.6

Example calculation: PLC analog input scaling . . . . . . . . . . . . . . . . .

880

13.2.7

Graphical interpretation of signal ranges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

883

13.2.8

Thinking in terms of per unit quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

885

13.3

Controller output current loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

888

13.4

4-wire (“self-powered”) transmitter current loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

891

13.5

2-wire (“loop-powered”) transmitter current loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

893

13.6

4-wire “passive” versus “active” output transmitters . . . . . . . . . . . . . . . . . .

895

13.7

Troubleshooting current loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

896

13.7.1

Using a standard milliammeter to measure loop current . . . . . . . . . . . .

898

13.7.2

Using a clamp-on milliammeter to measure loop current . . . . . . . . . . . .

900

13.7.3

Using “test” diodes to measure loop current . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

901

13.7.4

Using shunt resistors to measure loop current . . . . . . . . . . . . . . . . . .

903

13.7.5

Troubleshooting current loops with voltage measurements . . . . . . . . . . .

904

13.7.6

Using loop calibrators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

908

xii

CONTENTS

13.7.7

NAMUR signal levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . 915

13.8

Review of fundamental principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 916

14 Pneumatic instrumentation

917

14.1

Pneumatic sensing elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 923

14.2

Self-balancing pneumatic instrument principles . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 925

14.3

Pilot valves and pneumatic amplifying relays . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 930

14.4

Analogy to opamp circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 940

14.5

Analysis of practical pneumatic instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 952

14.5.1

Foxboro model 13A di erential pressure transmitter . . . . . . . . . .

. . . . 953

14.5.2

Foxboro model E69 “I/P” electro-pneumatic transducer . . . . . . . .

. . . . 958

14.5.3

Fisher model 546 “I/P” electro-pneumatic transducer . . . . . . . . .

. . . . 963

14.5.4

Fisher-Rosemount model 846 “I/P” electro-pneumatic transducer . . .

. . . . 968

14.6

Proper care and feeding of pneumatic instruments . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 971

14.7

Advantages and disadvantages of pneumatic instruments . . . . . . . . . . . .

. . . . 972

14.8

Review of fundamental principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 973

15 Digital data acquisition and networks

975

15.1

Digital representation of numerical data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 979

15.1.1

Integer number formats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 980

15.1.2

Fixed-point number formats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 983

15.1.3

Floating-point number formats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 984

15.1.4

Example of industrial number formats . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 986

15.2

Digital representation of text . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 989

15.2.1

Morse and Baudot codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 990

15.2.2

EBCDIC and ASCII . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 991

15.2.3

Unicode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 993

15.3

Analog-digital conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 993

15.3.1

Converter resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 994

15.3.2

Converter sampling rate and aliasing . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 998

15.4

Analog signal conditioning and referencing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1001

15.4.1

Instrumentation amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1002

15.4.2

Analog input references and connections . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1011

15.5

Digital data communication theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1024

15.5.1

Serial communication principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1026

15.5.2

Physical encoding of bits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1029

15.5.3

Communication speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1032

15.5.4

Data frames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1034

15.5.5

Channel arbitration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1042

15.5.6

The OSI Reference Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1048

15.6

EIA/TIA-232, 422, and 485 networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1051

15.6.1

EIA/TIA-232 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1052

15.6.2

EIA/TIA-422 and EIA/TIA-485 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1056

15.7

Ethernet networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1063

15.7.1

Repeaters (hubs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1064

15.7.2

Ethernet cabling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1067

CONTENTS

xiii

15.7.3

Switching hubs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1071

15.8 Internet Protocol (IP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1073

15.8.1

IP addresses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1075

15.8.2

Subnetworks and subnet masks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1079

15.8.3

Routing tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1083

15.8.4

IP version 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1084

15.8.5

ARP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1085

15.8.6

DNS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1086

15.8.7

Command-line diagnostic utilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1086

15.9 Transmission Control Protocol (TCP) and User Datagram Protocol (UDP) . . . . .

1090

15.10The HART digital/analog hybrid standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1093

15.10.1 Basic concept of HART . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1094

15.10.2 HART physical layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1099

15.10.3 HART multidrop mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1106

15.10.4 HART multi-variable transmitters and burst mode . . . . . . . . . . . . . . .

1107

15.11Modbus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1108

15.11.1 Modbus overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1109

15.11.2 Modbus data frames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1113

15.11.3 Modbus function codes and addresses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1115

15.11.4 Modbus relative addressing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1117

15.11.5 Modbus function command formats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1120

15.11.6 Floating-point values in Modbus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1128

15.12Review of fundamental principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1131

16 FOUNDATION Fieldbus instrumentation

1135

16.1 FF design philosophy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1136

16.2 H1 FF Physical layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1142

16.2.1

Segment topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1143

16.2.2

Coupling devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1147

16.2.3

Electrical parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1150

16.2.4

Cable types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1152

16.2.5

Segment design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1155

16.3 H1 FF Data Link layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1157

16.3.1

Device addressing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1159

16.3.2

Communication management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1160

16.3.3

Device capability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1169

16.4 FF function blocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1169

16.4.1

Analog function blocks versus digital function blocks . . . . . . . . . . . . . .

1170

16.4.2

Function block location . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1171

16.4.3

Standard function blocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1176

16.4.4

Device-specific function blocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1178

16.4.5

FF signal status . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1179

16.4.6

Function block modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1181

16.5 H1 FF device configuration and commissioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1182

16.5.1

Configuration files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1183

16.5.2

Device commissioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1185

xiv

CONTENTS

16.5.3

Calibration and ranging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . 1194

16.6

H1 FF segment troubleshooting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1202

16.6.1

Cable resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1202

16.6.2

Signal strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1203

16.6.3

Electrical noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1203

16.6.4

Using an oscilloscope on H1 segments . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1204

16.6.5

Message re-transmissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1206

16.7

Review of fundamental principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1206

17 Wireless instrumentation

1209

17.1

Radio systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1209

17.1.1

Antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1210

17.1.2

Decibels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1212

17.1.3

Antenna radiation patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1219

17.1.4

Antenna gain calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1222

17.1.5

E ective radiated power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1224

17.1.6

RF link budget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1226

17.1.7

Link budget graph . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1232

17.1.8

Fresnel zones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1233

17.2

WIRELESSHART . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1235

17.2.1

Introduction to WIRELESSHART . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1236

17.2.2

WIRELESSHART network protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1239

17.2.3

WIRELESSHART network gateway device . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1243

17.2.4

WirelessHART device commissioning and configuration . . . . . . . .

. . . . 1248

17.3

Review of fundamental principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1252

18 Instrument calibration

1255

18.1

Calibration versus re-ranging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1255

18.2

Zero and span adjustments (analog instruments) . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1256

18.3

Calibration errors and testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1258

18.3.1

Typical calibration errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1259

18.3.2

As-found and as-left documentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1264

18.3.3

Up-tests and Down-tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1265

18.3.4

Automated calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1266

18.4

Damping adjustments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1269

18.5

LRV and URV settings, digital trim (digital transmitters) . . . . . . . . . . .

. . . . 1273

18.6

An analogy for calibration versus ranging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1279

18.7

Calibration procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1280

18.7.1

Linear instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1282

18.7.2

Nonlinear instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1283

18.7.3

Discrete instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1284

18.8

Instrument turndown . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1285

18.9

NIST traceability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1286

18.10Practical calibration standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1289

18.10.1 Electrical standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1291

18.10.2 Temperature standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1293

CONTENTS

xv

18.10.3 Pressure standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1300

18.10.4 Flow standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1305

18.10.5 Analytical standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1306

18.11Review of fundamental principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1310

19 Continuous pressure measurement

1311

19.1

Manometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1312

19.2

Mechanical pressure elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1318

19.3

Electrical pressure elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1324

19.3.1

Piezoresistive (strain gauge) sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1325

19.3.2

Di erential capacitance sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1330

19.3.3

Resonant element sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1338

19.3.4

Mechanical adaptations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1341

19.4

Force-balance pressure transmitters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1342

19.5

Di erential pressure transmitters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1345

19.5.1

DP transmitter construction and behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1346

19.5.2

DP transmitter applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1353

19.5.3

Inferential measurement applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1359

19.6

Pressure sensor accessories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1362

19.6.1

Valve manifolds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1363

19.6.2

Bleed (vent) fittings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1369

19.6.3

Pressure pulsation damping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1372

19.6.4

Remote and chemical seals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1375

19.6.5

Filled impulse lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1385

19.6.6

Purged impulse lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1387

19.6.7

Heat-traced impulse lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1391

19.6.8

Self-purged impulse lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1394

19.6.9

Water traps and pigtail siphons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1397

19.6.10 Mounting brackets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1399

19.6.11 Heated enclosures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1400

19.7

Process/instrument suitability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1402

19.8

Review of fundamental principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1404

20 Continuous level measurement

1407

20.1

Level gauges (sightglasses) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1407

20.1.1

Basic concepts of sightglasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1408

20.1.2

Interface problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1411

20.1.3

Temperature problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1413

20.2

Float .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1414

20.3

Hydrostatic pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1420

20.3.1

Pressure of a fluid column . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1421

20.3.2

Bubbler systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1426

20.3.3

Transmitter suppression and elevation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1430

20.3.4

Compensated leg systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1434

20.3.5

Tank expert systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1442

20.3.6

Hydrostatic interface level measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1447

xvi

CONTENTS

20.4

Displacement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . 1453

20.4.1

Buoyant-force instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1454

20.4.2

Torque tubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1459

20.4.3

Displacement interface level measurement . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1466

20.5

Echo .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1470

20.5.1

Ultrasonic level measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1472

20.5.2

Radar level measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1477

20.5.3

Laser level measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1489

20.5.4

Magnetostrictive level measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1490

20.6

Weight

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1494

20.7

Capacitive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1499

20.8

Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1501

20.9

Level sensor accessories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1506

20.10Review of fundamental principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1510

21 Continuous temperature measurement

1513

21.1

Bi-metal temperature sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1515

21.2

Filled-bulb temperature sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1517

21.3

Thermistors and Resistance Temperature Detectors (RTDs) . . . . . . . . . .

. . . . 1521

21.3.1

Temperature coe cient of resistance (α) . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1522

21.3.2

Two-wire RTD circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1524

21.3.3

Four-wire RTD circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1525

21.3.4

Three-wire RTD circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1526

21.3.5

Proper RTD sensor connections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1529

21.3.6

Self-heating error . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1532

21.4

Thermocouples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1533

21.4.1

Dissimilar metal junctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1534

21.4.2

Thermocouple types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1536

21.4.3

Connector and tip styles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1537

21.4.4

Manually interpreting thermocouple voltages . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1541

21.4.5

Reference junction compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1543

21.4.6

Law of Intermediate Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1547

21.4.7

Software compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1551

21.4.8

Extension wire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1553

21.4.9

Side-e ects of reference junction compensation . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1558

21.4.10 Burnout detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1564

21.5

Non-contact temperature sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1565

21.5.1

Concentrating pyrometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1566

21.5.2

Distance considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1569

21.5.3

Emissivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1574

21.5.4

Thermal imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1574

21.6

Temperature sensor accessories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1578

21.7

Process/instrument suitability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1582

21.8

Review of fundamental principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1583

CONTENTS

xvii

22 Continuous fluid flow measurement

1585

22.1

Pressure-based flowmeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1586

22.1.1

Venturi tubes and basic principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1592

22.1.2

Volumetric flow calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1598

22.1.3

Mass flow calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1601

22.1.4

Square-root characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1604

22.1.5

Orifice plates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1613

22.1.6

Other di erential producers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1629

22.1.7

Proper installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1637

22.1.8

High-accuracy flow measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1642

22.1.9

Equation summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1649

22.2

Laminar flowmeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1652

22.3

Variable-area flowmeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1653

22.3.1

Rotameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1654

22.3.2

Weirs and flumes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1657

22.4

Velocity-based flowmeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1665

22.4.1

Turbine flowmeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1666

22.4.2

Vortex flowmeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1675

22.4.3

Magnetic flowmeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1679

22.4.4

Ultrasonic flowmeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1691

22.4.5

Optical flowmeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1699

22.5

Positive displacement flowmeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1703

22.6

Standardized volumetric flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1706

22.7

True mass flowmeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1712

22.7.1

Coriolis flowmeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1715

22.7.2

Thermal flowmeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1730

22.8

Weighfeeders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1734

22.9

Change-of-quantity flow measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1737

22.10Insertion flowmeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1740

22.11Process/instrument suitability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1746

22.12Review of fundamental principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1747

23 Continuous analytical measurement

1753

23.1

Conductivity measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1755

23.1.1

Dissociation and ionization in aqueous solutions . . . . . . . . . . . . . . . .

1756

23.1.2

Two-electrode conductivity probes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1757

23.1.3

Four-electrode conductivity probes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1760

23.1.4

Electrodeless conductivity probes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1763

23.2

pH measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1765

23.2.1

Colorimetric pH measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1765

23.2.2

Potentiometric pH measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1767

23.3

Chromatography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1788

23.3.1

Manual chromatography methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1789

23.3.2

Automated chromatographs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1790

23.3.3

Species identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1792

23.3.4

Chromatograph detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1793

xviii

CONTENTS

23.3.5

Measuring species concentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . 1795

23.3.6

Industrial applications of chromatographs . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1798

23.3.7

Chromatograph sample valves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1801

23.3.8

Improving chromatograph analysis time . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1804

23.4

Introduction to optical analyses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1809

23.5

Dispersive spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1816

23.6

Non-dispersive Luft detector spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1819

23.6.1

Single-beam analyzer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1822

23.6.2

Dual-beam analyzer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1823

23.6.3

Luft detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1826

23.6.4

Filter cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1830

23.7

Gas Filter Correlation (GFC) spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1833

23.8

Laser spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1838

23.9

Fluorescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1842

23.10Chemiluminescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1851

23.11Analyzer sample systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1855

23.12Safety gas analyzers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1860

23.12.1 Oxygen gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1864

23.12.2 Lower explosive limit (LEL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1865

23.12.3 Hydrogen sulfide gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1866

23.12.4 Carbon monoxide gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1867

23.12.5 Chlorine gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1868

23.13Review of fundamental principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1870

24 Machine vibration measurement

1875

24.1

Vibration physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1875

24.1.1

Sinusoidal vibrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1876

24.1.2

Non-sinusoidal vibrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1881

24.2

Vibration sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1887

24.3

Monitoring hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1892

24.4

Mechanical vibration switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1895

24.5

Review of fundamental principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1896

25 Electric power measurement and control

1899

25.1

Introduction to power system automation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1900

25.2

Electrical power grids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1912

25.3

Interconnected generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1916

25.4

Single-line electrical diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1920

25.5

Circuit breakers and disconnects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1926

25.5.1

Low-voltage circuit breakers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1928

25.5.2

Medium-voltage circuit breakers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1931

25.5.3

High-voltage circuit breakers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1938

25.5.4

Reclosers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1946

25.6

Electrical sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1948

25.6.1

Potential transformers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1949

25.6.2

Current transformers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 1953

CONTENTS

xix

25.6.3

Transformer polarity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1960

25.6.4

Instrument transformer safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1967

25.6.5

Instrument transformer test switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1969

25.6.6

Instrument transformer burden and accuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1977

25.7

Introduction to protective relaying . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1989

25.8

ANSI/IEEE function number codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1996

25.9

Instantaneous and time-overcurrent (50/51) protection . . . . . . . . . . . . . . . . .

2000

25.10Di erential (87) current protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2008

25.11Directional overcurrent (67) protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2027

25.12Distance (21) protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2029

25.12.1 Zone overreach and underreach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2030

25.12.2 Line impedance characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2033

25.12.3 Using impedance diagrams to characterize faults . . . . . . . . . . . . . . . .

2036

25.12.4 Distance relay characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2042

25.13Auxiliary and lockout (86) relays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2053

25.14Review of fundamental principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2056

26 Signal characterization

2059

26.1

Flow measurement from di erential pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2060

26.2

Flow measurement in open channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2067

26.3

Material volume measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2069

26.4

Radiative temperature measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2077

26.5

Analytical measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2078

26.6

Review of fundamental principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2081

27 Control valves

2083

27.1

Sliding-stem valves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2084

27.1.1

Globe valves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2085

27.1.2

Gate valves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2094

27.1.3

Diaphragm valves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2094

27.2

Rotary-stem valves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2096

27.2.1

Ball valves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2097

27.2.2

Butterfly valves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2097

27.2.3

Disk valves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2098

27.3

Dampers and louvres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2099

27.4

Valve packing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2102

27.5

Valve seat leakage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2111

27.6

Control valve actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2112

27.6.1

Pneumatic actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2113

27.6.2

Hydraulic actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2121

27.6.3

Self-operated valves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2122

27.6.4

Electric actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2126

27.6.5

Hand (manual) actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2130

27.7

Valve failure mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2131

27.7.1

Direct/reverse actions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2132

27.7.2

Available failure modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2134

xx

CONTENTS

27.7.3

Selecting the proper failure mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . 2135

27.8

Actuator bench-set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . 2137

27.9

Pneumatic actuator response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 2142

27.10Valve positioners . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 2146

27.10.1 Force-balance pneumatic positioners . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 2151

27.10.2 Motion-balance pneumatic positioners . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 2155

27.10.3 Electronic positioners . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 2158

27.11Split-ranging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 2163

27.11.1 Complementary valve sequencing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 2164

27.11.2 Exclusive valve sequencing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 2167

27.11.3 Progressive valve sequencing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 2169

27.11.4 Valve sequencing implementations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 2172

27.12Control valve sizing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 2179

27.12.1 Physics of energy dissipation in a turbulent fluid stream . . . . . . . .

. . . . 2180

27.12.2 Importance of proper valve sizing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 2185

27.12.3 Gas valve sizing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 2190

27.12.4 Relative flow capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 2191

27.13Control valve characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 2192

27.13.1 Inherent versus installed characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 2193

27.13.2 Control valve performance with constant pressure . . . . . . . . . . .

. . . . 2195

27.13.3 Control valve performance with varying pressure . . . . . . . . . . . .

. . . . 2198

27.13.4 Characterized valve trim . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 2201

27.14Control valve problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 2207

27.14.1 Mechanical friction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 2208

27.14.2 Flashing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 2213

27.14.3 Cavitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 2217

27.14.4 Choked flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 2224

27.14.5 Valve noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 2226

27.14.6 Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 2228

27.14.7 Chemical attack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 2233

27.15Review of fundamental principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 2234

28 Variable-speed motor controls

2239

28.1

DC motor speed control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 2241

28.2

AC motor speed control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 2249

28.3

AC motor braking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 2254

28.3.1

DC injection braking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 2255

28.3.2

Dynamic braking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 2256

28.3.3

Regenerative braking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 2258

28.3.4

Plugging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 2260

28.4

Motor drive features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 2261

28.5

Use of line reactors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 2262

28.6

Metering pumps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 2266

28.7

Review of fundamental principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 2268

CONTENTS

xxi

29 Closed-loop control

2269

29.1

Basic feedback control principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2270

29.2

Diagnosing feedback control problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2277

29.3 On/o control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2279

29.4

Proportional-only control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2281

29.5

Proportional-only o set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2288

29.6

Integral (reset) control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2294

29.7

Derivative (rate) control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2299

29.8 Summary of PID control terms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2301

29.8.1

Proportional control mode (P) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2301

29.8.2

Integral control mode (I) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2302

29.8.3

Derivative control mode (D) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2303

29.9 P, I, and D responses graphed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2303

29.9.1

Responses to a single step-change . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2304

29.9.2

Responses to a momentary step-and-return . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2305

29.9.3

Responses to two momentary steps-and-returns . . . . . . . . . . . . . . . . .

2307

29.9.4

Responses to a ramp-and-hold . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2308

29.9.5

Responses to an up-and-down ramp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2309

29.9.6

Responses to a multi-slope ramp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2310

29.9.7

Responses to a multiple ramps and steps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2311

29.9.8

Responses to a sine wavelet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2312

29.9.9

Note to students regarding quantitative graphing . . . . . . . . . . . . . . . .

2314

29.10Di erent PID equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2318

29.10.1 Parallel PID equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2319

29.10.2 Ideal PID equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2320

29.10.3 Series PID equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2321

29.11Pneumatic PID controllers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2322

29.11.1 Proportional control action . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2323

29.11.2 Automatic and manual modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2327

29.11.3 Derivative control action . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2329

29.11.4 Integral control action . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2330

29.11.5 Fisher MultiTrol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2333

29.11.6 Foxboro model 43AP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2336

29.11.7 Foxboro model 130 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2338

29.11.8 External reset (integral) feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2341

29.12Analog electronic PID controllers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2343

29.12.1 Proportional control action . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2344

29.12.2 Derivative and integral control actions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2346

29.12.3 Full-PID circuit design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2350

29.12.4 Single-loop analog controllers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2353

29.12.5 Multi-loop analog control systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2356

29.13Digital PID controllers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2359

29.13.1 Stand-alone digital controllers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2360

29.13.2 Direct digital control (DDC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2365

29.13.3 SCADA and telemetry systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2372

29.13.4 Distributed Control Systems (DCS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2377

xxii

CONTENTS

29.13.5 Fieldbus control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . 2383

29.14Practical PID controller features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 2386

29.14.1 Manual and automatic modes . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 2387

29.14.2 Output and setpoint tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 2388

29.14.3 Alarm capabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 2390

29.14.4 Output and setpoint limiting . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 2390

29.14.5 Security . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 2391

29.15Digital PID algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 2392

29.15.1 Introduction to pseudocode . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 2392

29.15.2 Position versus velocity algorithms . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 2398

29.16Note to students . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 2403

29.16.1 Proportional-only control action . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 2404

29.16.2 Integral-only control action . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 2405

29.16.3 Proportional plus integral control action . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 2406

29.16.4 Proportional plus derivative control action . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 2407

29.16.5 Full PID control action . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 2408

29.17Review of fundamental principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 2409

30 Process dynamics and PID controller tuning

2411

30.1

Process characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 2412

30.1.1

Self-regulating processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 2413

30.1.2

Integrating processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 2416

30.1.3

Runaway processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 2423

30.1.4

Steady-state process gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 2428

30.1.5

Lag time . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 2433

30.1.6

Multiple lags (orders) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 2439

30.1.7

Dead time . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 2446

30.1.8

Hysteresis . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 2451

30.2

Before you tune . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . 2455

30.2.1

Identifying operational needs . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 2456

30.2.2

Identifying process and system hazards . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 2458

30.2.3

Identifying the problem(s) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 2459

30.2.4

Final precautions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 2460

30.3 Quantitative PID tuning procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 2461

30.3.1

Ziegler-Nichols closed-loop (“Ultimate Gain”) . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 2462

30.3.2

Ziegler-Nichols open-loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 2467

30.4

Heuristic PID tuning procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 2470

30.4.1

Features of P, I, and D actions . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 2472

30.4.2

Tuning recommendations based on process dynamics . . . . .

. . . . . . . . . 2473

30.4.3

Recognizing an over-tuned controller by phase shift . . . . . .

. . . . . . . . . 2474

30.4.4

Recognizing a “porpoising” controller . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 2478

30.5 Tuning techniques compared . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 2479

30.5.1

Tuning a “generic” process . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 2480

30.5.2

Tuning a liquid level process . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 2485

30.5.3

Tuning a temperature process . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 2489

30.6

Note to students . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 2493

CONTENTS

xxiii

30.6.1

Electrically simulating a process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2494

30.6.2

Building a “Desktop Process” unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2495

30.6.3

Simulating a process by computer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2499

30.7

Review of fundamental principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2500

31 Basic process control strategies

2503

31.1

Supervisory control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2504

31.2

Cascade control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2506

31.3

Ratio control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2514

31.4

Relation control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2522

31.5

Feedforward control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2524

31.5.1

Load Compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2525

31.5.2

Proportioning feedforward action . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2536

31.6

Feedforward with dynamic compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2543

31.6.1

Dead time compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2544

31.6.2

Lag time compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2550

31.6.3

Lead/Lag and dead time function blocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2556

31.7

Limit, Selector, and Override controls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2567

31.7.1

Limit controls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2570

31.7.2

Selector controls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2575

31.7.3

Override controls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2584

31.8

Techniques for analyzing control strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2589

31.8.1

Explicitly denoting controller actions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2589

31.8.2

Determining the design purpose of override controls . . . . . . . . . . . . . .

2597

31.9

Review of fundamental principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2599

32 Process safety and instrumentation

2601

32.1

Classified areas and electrical safety measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2602

32.1.1

Classified area taxonomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2603

32.1.2

Explosive limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2605

32.1.3

Protective measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2608

32.2

Concepts of probability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2615

32.2.1

Mathematical probability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2617