Kuphaldt - Lessons In Industrial Instrumentation

2613 Pages·46.393 MB·English

by  Tony R.

Lessons In Industrial Instrumentation
By Tony R. Kuphaldt
Version 1.22 – Last update January 8, 2012
i
c 2008-2012, Tony R. Kuphaldt
(cid:13)
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Contents
Preface 3
1 Calculus 7
1.1 Introduction to calculus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2 The concept of differentiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3 The concept of integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4 How derivatives and integrals relate to one another . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.5 Numerical differentiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.6 Numerical integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2 Physics 53
2.1 Terms and Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.2 Metric prefixes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.3 Unit conversions and physical constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.3.1 Conversion formulae for temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.3.2 Conversion factors for distance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.3.3 Conversion factors for volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.3.4 Conversion factors for velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.3.5 Conversion factors for mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.3.6 Conversion factors for force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.3.7 Conversion factors for area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.3.8 Conversion factors for pressure (either all gauge or all absolute) . . . . . . . . 60
2.3.9 Conversion factors for pressure (absolute pressure units only) . . . . . . . . . 60
2.3.10 Conversion factors for energy or work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.3.11 Conversion factors for power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.3.12 Terrestrial constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.3.13 Properties of water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.3.14 Miscellaneous physical constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.3.15 Weight densities of common materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.4 Dimensional analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.5 The International System of Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.6 Conservation Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.7 Classical mechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.7.1 Newton’s Laws of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
iii
iv CONTENTS
2.7.2 Work, energy, and power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.7.3 Mechanical springs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.7.4 Rotational motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
2.8 Elementary thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
2.8.1 Heat versus Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
2.8.2 Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
2.8.3 Heat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
2.8.4 Heat transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
2.8.5 Specific heat and enthalpy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
2.8.6 Phase changes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
2.8.7 Phase diagrams and critical points . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
2.8.8 Thermodynamic degrees of freedom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
2.8.9 Applications of phase changes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
2.9 Fluid mechanics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
2.9.1 Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
2.9.2 Pascal’s Principle and hydrostatic pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
2.9.3 Fluid density expressions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
2.9.4 Manometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
2.9.5 Systems of pressure measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
2.9.6 Buoyancy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
2.9.7 Gas Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
2.9.8 Fluid viscosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
2.9.9 Reynolds number . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
2.9.10 Law of Continuity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
2.9.11 Viscous flow. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
2.9.12 Bernoulli’s equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
2.9.13 Torricelli’s equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
2.9.14 Flow through a venturi tube . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
3 Chemistry 181
3.1 Terms and Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
3.2 Atomic theory and chemical symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
3.3 Periodic table of the elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
3.4 Electronic structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
3.5 Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
3.5.1 Emission spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
3.5.2 Absorption spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
3.6 Formulae for common chemical compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
3.7 Molecular quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
3.8 Stoichiometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
3.8.1 Balancing chemical equations by trial-and-error . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
3.8.2 Balancing chemical equations using algebra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
3.8.3 Stoichiometric ratios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
3.9 Energy in chemical reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
3.10 Periodic table of the ions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
3.11 Ions in liquid solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
CONTENTS v
3.12 pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
4 DC electricity 237
4.1 Electrical voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
4.2 Electrical current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
4.2.1 Electron versus conventional flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
4.3 Electrical resistance and Ohm’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
4.4 Series versus parallel circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
4.5 Kirchhoff’s Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
4.6 Electrical sources and loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
4.7 Resistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
4.8 Bridge circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
4.8.1 Component measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
4.8.2 Sensor signal conditioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
4.9 Electromagnetism. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
4.10 Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
4.11 Inductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
5 AC electricity 287
5.1 RMS quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
5.2 Resistance, Reactance, and Impedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
5.3 Series and parallel circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
5.4 Phasor mathematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
5.4.1 Crank diagrams and phase shifts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
5.4.2 Complex numbers and phase shifts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
5.4.3 Phasor expressions of impedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
5.4.4 Euler’s Relation and crank diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
5.4.5 The s variable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
5.5 Polyphase AC power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
5.5.1 Delta and Wye configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
5.5.2 Power in three-phase circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
5.5.3 Grounded three-phase circuits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
5.6 Transmission lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
5.6.1 Open-ended transmission lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
5.6.2 Shorted transmission lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
5.6.3 Properly terminated transmission lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
5.6.4 Discontinuities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
5.6.5 Velocity factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
5.6.6 Cable losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
5.7 Antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
5.7.1 Maxwell and Hertz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
5.7.2 Antenna size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
5.7.3 Antenna orientation and directionality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
vi CONTENTS
6 Introduction to Industrial Instrumentation 345
6.1 Example: boiler water level control system. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
6.2 Example: wastewater disinfection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
6.3 Example: chemical reactor temperature control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
6.4 Other types of instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
6.4.1 Indicators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
6.4.2 Recorders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
6.4.3 Process switches and alarms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
6.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
7 Instrumentation documents 375
7.1 Process Flow Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
7.2 Process and Instrument Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
7.3 Loop diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
7.4 Functional diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
7.5 Instrument and process equipment symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
7.5.1 Line types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
7.5.2 Process/Instrument line connections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
7.5.3 Instrument bubbles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
7.5.4 Process valve types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
7.5.5 Valve actuator types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
7.5.6 Valve failure mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
7.5.7 Liquid level measurement devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
7.5.8 Flow measurement devices (flowing left-to-right) . . . . . . . . . . . . . . . . 394
7.5.9 Process equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
7.5.10 Functional diagram symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
7.5.11 Single-line electrical diagram symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
7.5.12 Fluid power diagram symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400
7.6 Instrument identification tags . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402
8 Instrument connections 407
8.1 Pipe and pipe fittings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
8.1.1 Flanged pipe fittings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408
8.1.2 Tapered thread pipe fittings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
8.1.3 Parallel thread pipe fittings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418
8.1.4 Sanitary pipe fittings. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419
8.2 Tube and tube fittings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
8.2.1 Compression tube fittings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
8.2.2 Common tube fitting types and names . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428
8.2.3 Bending instrument tubing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
8.2.4 Special tubing tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
8.3 Electrical signal and control wiring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
8.3.1 Connections and wire terminations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
8.3.2 DIN rail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
8.3.3 Cable routing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448
8.3.4 Signal coupling and cable separation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456
CONTENTS vii
8.3.5 Electric field (capacitive) de-coupling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
8.3.6 Magnetic field (inductive) de-coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
8.3.7 High-frequency signal cables. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470
9 Discrete process measurement 473
9.1 “Normal” status of a switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474
9.2 Hand switches. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476
9.3 Limit switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478
9.4 Proximity switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
9.5 Pressure switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485
9.6 Level switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490
9.6.1 Float-type level switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491
9.6.2 Tuning fork level switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493
9.6.3 Paddle-wheel level switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494
9.6.4 Ultrasonic level switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495
9.6.5 Capacitive level switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496
9.6.6 Conductive level switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497
9.7 Temperature switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499
9.8 Flow switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503
10 Discrete control elements 505
10.1 On/off valves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506
10.2 Fluid power systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508
10.3 Solenoid valves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518
10.3.1 2-way solenoid valves. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519
10.3.2 3-way solenoid valves. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522
10.3.3 4-way solenoid valves. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526
10.3.4 Normal energization states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 531
10.4 On/off electric motor control circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534
10.4.1 AC induction motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535
10.4.2 Motor contactors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 540
10.4.3 Motor protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542
10.4.4 Motor control circuit wiring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 551
11 Relay control systems 557
11.1 Control relays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 559
11.2 Relay circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563
12 Programmable Logic Controllers 571
12.1 PLC examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 572
12.2 Input/Output (I/O) capabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 581
12.2.1 Discrete I/O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583
12.2.2 Analog I/O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 590
12.2.3 Network I/O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 592
12.3 Logic programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593
12.3.1 Relating I/O status to virtual elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594
viii CONTENTS
12.3.2 Memory maps and I/O addressing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 602
12.4 Ladder Diagram (LD) programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 608
12.4.1 Contacts and coils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 610
12.4.2 Counters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 628
12.4.3 Timers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633
12.4.4 Data comparison instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 638
12.4.5 Math instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 641
12.4.6 Sequencers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644
12.5 Structured Text (ST) programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654
12.6 Instruction List (IL) programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654
12.7 Function Block Diagram (FBD) programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654
12.8 Sequential Function Chart (SFC) programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654
12.9 Human-Machine Interfaces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 655
12.10How to teach yourself PLC programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 661
13 Analog electronic instrumentation 665
13.1 4 to 20 mA analog current signals. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 665
13.2 Relating 4 to 20 mA signals to instrument variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . 668
13.2.1 Example calculation: controller output to valve . . . . . . . . . . . . . . . . . 671
13.2.2 Example calculation: flow transmitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 672
13.2.3 Example calculation: temperature transmitter . . . . . . . . . . . . . . . . . 674
13.2.4 Example calculation: pH transmitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 677
13.2.5 Example calculation: reverse-acting I/P transducer signal . . . . . . . . . . . 679
13.2.6 Example calculation: PLC analog input scaling . . . . . . . . . . . . . . . . . 681
13.2.7 Graphical interpretation of signal ranges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 684
13.2.8 Thinking in terms of percent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 686
13.3 Controller output current loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 689
13.4 4-wire (“self-powered”) transmitter current loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 691
13.5 2-wire (“loop-powered”) transmitter current loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 693
13.6 Troubleshooting current loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 695
13.6.1 Using a standard milliammeter to measure loop current . . . . . . . . . . . . 697
13.6.2 Using a clamp-on milliammeter to measure loop current . . . . . . . . . . . . 699
13.6.3 Using “test” diodes to measure loop current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 700
13.6.4 Using shunt resistors to measure loop current . . . . . . . . . . . . . . . . . . 702
13.6.5 Troubleshooting current loops with voltage measurements . . . . . . . . . . . 703
13.6.6 Using loop calibrators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 707
13.6.7 NAMUR signal levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 714
14 Pneumatic instrumentation 715
14.1 Pneumatic sensing elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 721
14.2 Self-balancing pneumatic instrument principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723
14.3 Pilot valves and pneumatic amplifying relays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 728
14.4 Analogy to opamp circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 738
14.5 Analysis of practical pneumatic instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 749
14.5.1 Foxboro model 13A differential pressure transmitter . . . . . . . . . . . . . . 750
14.5.2 Foxboro model E69 “I/P” electro-pneumatic transducer . . . . . . . . . . . . 755
CONTENTS ix
14.5.3 Fisher model 546 “I/P” electro-pneumatic transducer . . . . . . . . . . . . . 760
14.5.4 Fisher-Rosemount model 846 “I/P” electro-pneumatic transducer . . . . . . . 764
14.6 Proper care and feeding of pneumatic instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 767
14.7 Advantages and disadvantages of pneumatic instruments . . . . . . . . . . . . . . . . 768
15 Digital data acquisition and networks 771
15.1 Digital representation of numerical data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 775
15.1.1 Integer number formats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 776
15.1.2 Fixed-point number formats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 778
15.1.3 Floating-point number formats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 779
15.1.4 Example of industrial number formats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 781
15.2 Digital representation of text . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 783
15.2.1 Morse and Baudot codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 784
15.2.2 EBCDIC and ASCII . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 785
15.2.3 Unicode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 787
15.3 Analog-digital conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 787
15.3.1 Converter resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 788
15.3.2 Converter sampling rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 793
15.4 Analog signal conditioning and referencing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 795
15.4.1 Instrumentation amplifiers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 796
15.4.2 Analog input references and connections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 805
15.5 Digital data communication theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 818
15.5.1 Serial communication principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 820
15.5.2 Physical encoding of bits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 823
15.5.3 Communication speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 826
15.5.4 Data frames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 828
15.5.5 Channel arbitration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 836
15.5.6 The OSI Reference Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 842
15.6 EIA/TIA-232, 422, and 485 networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 845
15.6.1 EIA/TIA-232 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 846
15.6.2 EIA/TIA-422 and EIA/TIA-485 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 850
15.7 Ethernet networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 857
15.7.1 Repeaters (hubs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 858
15.7.2 Ethernet cabling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 861
15.7.3 Switching hubs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 865
15.8 Internet Protocol (IP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 867
15.8.1 IP addresses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 868
15.8.2 Subnetworks and subnet masks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 872
15.8.3 Routing tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 876
15.8.4 IP version 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 877
15.8.5 DNS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 878
15.8.6 Command-line diagnostic utilities. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 879
15.9 Transmission Control Protocol (TCP) and User Datagram Protocol (UDP) . . . . . 882
15.10The HART digital/analog hybrid standard. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 884
15.10.1Basic concept of HART . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 885
15.10.2HART physical layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 890