自动化及仪表培训讲义

自动化及仪表培训讲义第一章 仪表的分类与误差第一节 仪表的分类检测和过程控制仪表的分类方法很多，根据不同的原则可以作进行相应的分类。例如按仪表使用的能源分，可以分为气动仪表和电动表和液动仪表；根据仪表的组合形式可以分为基地式仪表，单元组合仪表和综合控制装置；按仪表的安装形式可以分为现场仪表；盘装仪表和架装仪表；根据仪表有否引入微处理器又可以分为智能仪表和非智能仪表，根据仪表的信号又可以分为模拟仪表和数字仪表。检测与过程控制仪表最通用的分类是按仪表的测量和控制系统中的作用来划分的一般可发划分为检测仪表、显示仪表、调节仪表和执行器四大类，见表1 .1所示。检测仪表根据其测量变量的不同，又可以分为温度检测仪表、流量检测仪表、压力检测仪表、物位检测仪表和分析仪表。表1.1 检测与过程控制仪表分类表按功能按被测变量按工作原理或结构形式按组合形式按能源其它检测仪表压力温度流量物位成分液柱式,弹性式,活塞式膨胀式，热电偶，热电阻，光学，辐射节流式， 容积式，速度式，靶式，电磁，旋涡 转子式，直读，浮力，静压，电学，声波，辐射，光学PH，氧分析，色谱，红外，紫外单元组合单元组合单元单元单元组合单元组合电 、气电 、气电 、气电 气智能智能智能智能智能显示仪表模似和数字指示和记录动圈，自动平衡电桥，电位差计电、气单点、多点、打印， 记录调节(控制)仪表自力式组装式可编程基地式单元组合气动电动执行器执行机构薄膜、活塞、长行程、其它执行机构和阀可以进行各种组合气、电、液阀直通单座，直通双座，套筒（笼式）球阀，蝶阀，隔膜，偏心旋转，角形，三通，阀体分离直线、对数、抛物线、快开显示仪表根据记录和指示、模拟与数字等功能，又可以分为记录仪表和指示仪表、模拟仪表和数显仪表，其中记录仪表又可以分为单记录和多点记录，有纸和无纸记录等。调节仪表又可以分为基地式调节仪表和单元组合式调节仪表。第二节 仪表的一些主要技术性能在工程上，仪表的一些重要参数常用精度、绝对误差和相对误差和灵敏度等来表示，以下分别来介绍这些参数的含义真值：变量本身所具有真实的值，也是一个无法得到的值，所以在计算误差时，用约定真值和相对真值来代替。约定真值是一个接近真值的值，对一个数作 N次测量，把测量的平均值作为约定真值，而相对真值是当高一级的标准器误差仅为低一级的1/31/20时，可以把高一级标准仪器作为低一级相对真值。绝对误差是测量值与真值之差，即绝对误差=测量值真值绝对误差仪表示值 相对误差=*100%相对误差是绝对误差与被测值之比，常用绝对误差与仪表示值之比，以百分数表示，即:绝对误差仪表量程 引用误差=*100%引用误差是绝对误差与量程之比 ,即： 仪表的精度是用根据引用误差来划分的。举例：某一压力表，刻度为0100KPa，在50 KPa 处计量检定数值为49.5 KPa求在50 KPa处仪表示值的绝对误差，相对误差和示值引用误差。解：仪表示值的绝对误差=5049.5=0.5 KPa 仪表示值的相对误差0.5/50X100%=1% 仪表示值的引用误差0.5/100X100%=0.5% 仪表示值的相对误差0.5/50X100%=1%被测参数上行下行仪表示值变差:指仪表的被测变量(可以理解为输入信号)多次从不同方向达到同一数值， 仪表指示的最大差值,或者说,仪表在外界条件不变的情况下,被测参数由小到大变化(正向特性)和被测参数由大到小变化(反向特性)不一致的程度，二者之差即为仪表变差。如下图所示：仪表的精度等级是按国家统一规定的允许误差划分为若干个等级，因此仪表的精度等级与仪表的允许误差的大小有关。根据仪表的允许误差去掉“”号及“%”后的数值，可以来确定仪表的精度等级。目前我国生产的仪表，常用精度有0.1；0.2；0.3；0.5；1.0；1.5；2.5；4.0等。一般仪表的数值越小，仪表的精度越高。工业现场用的仪表，其精度大多数为0.1；0.2；0.5；1.0；1.5；2.5；4.0级。如果某台仪表允许误差为1.5%，则认为该表的精度等级为1.5级。如已求得某两台仪表的允许误差为1.5%和1.8%，则此两台仪表的精度应分别为1.5级和2.5级。仪表的精度等级一般可用不同的符号形式标志在仪表上，如：1.50.51.0由于仪表的误差还与其它使用条件有关，故还需了解基本误差附加误差的概念。仪表的基本误差是指仪表在规定的正常的工作条件（如环境温度、湿度、振动、电源电压、电场、和磁场等）下允许误差。所以一台合格的仪表，其基本误差应小于或等于允许误差。附加误差是指仪表在非正常工作条件下使用时，除基本误差外，还会产生的误差。所以仪表的质量指标并不能完全代表测量结果的质量，也就是说，一台高质量的仪表，如果使用不当，也会得出不正确的测量结果。下面将分别叙述压力、流量、液位、温度等工艺参数常用测量元件和变送器作介绍。第二章 压力的测量方法及仪表第一节 概述在石油化工生产过程中，经常会碰到压力和真空的测量问题。例如，高压聚乙烯要在150MPa或更高的压力下进行聚合；氢气和氮气要在32MPa下合成为氨；炼油厂的减压蒸馏要在很高的真空条件下进行；特别在化学反应比较强烈的场合，压力既影响物料的平衡关系，也影响化学反应速度。因此，压力的测量和控制是保证工艺要求、设备完全经济运行的必要条件。目前，我国在工程上习惯把压力理解为物理概念中的压强，即垂直单位面积上力。根据国际单位制（代号为SI）规定，压力单位为帕斯卡，简称（Pa），1帕即为1牛顿的力作用在1平方米面积上产生的压力。帕所代表的压力较小，工程上常用MPa作为压力单位，MPa与Pa之间的关系为： 1MPa=1106Pa 由于各个国家的传统习惯不同，使用的测压仪表也不同，压力的单位除了现在国际上统一的计量单位，即MPa、Kpa和Pa外，还沿用其它许多单位，如kgf/cm2、mmHg、mmH2O、atm（标准大气压）Psi等一、二十种之多，在德国和欧美一些国家，还用bar（巴）表示压力单位，它不是我国的法定的计量单位，它们之间的关系为：1bar=100Kpa。过去我国使用的压力的单位也比较多，根据1984年2月27日“国务院关于在我国统一实行法定计量单位的命令”的规定后，有些单位将不再使用。但为了了解法定计量单位中的压力单位（Pa或MPa）与过去单位之间的关系，表2-1中给出了几种单位间的换算关系。 在压力测量中，通常有绝对压力，表压力、负压、或真空度等名词。绝对压力是指介质所受的实际压力。表压是指高于大气压的绝对压力与大气压之差，即： P表=P绝-P大负压与真空度是指大气压力与低于大气压力的绝对压力之差，即：P真 =P大-P绝绝对压力、表压力、大气压力、负压力（真空度）之间的关系如图2-1所示 表2-1 压力单位换算表单位千帕 (Kpa)兆帕（Mpa）公斤力/厘米2kgf/cm2毫米汞柱（mmHg）毫米水柱（mmH2O）巴 （bar）磅/英寸2（psi）标准 大气压（atm）千帕（Kpa）110-30.7.51020.010.0.兆帕（Mpa）1000110.27.5010-31.02105101.451029.8692公斤力/厘米2 (kgf/cm2)98.0670.12509811735.61040.98114.220.9678毫米汞柱(mmHg)0.13331.33310-41.3610-3113.61.33310-319.3410-31.31610-3毫米水柱(mmH2O)9.8110-39.8110-610-473.5610-3198.110-61.42210-30.967810-4巴 （bar）1000.11.0275010.2103114.500.9869磅/英寸2（psi）6.896.8910-370.310-351.7270368.910-3168.0510-3标准大气压（atm）101.330.10131.03327601.03321041.013314.6961因为各种工艺设备和测量仪表都处于大气中，所以工程上都用表压力或真空度来表示压力的大小。我们用压力表来测量压力的数值，实际上也都是表压或真空度（绝对压力表的指示值除外）。因此，在工程上无特别说明时，所提的压力均指表压力或真空度。压力测量仪表的品种，规格甚多。常用的压力测量方法和仪表有：通过液体产生或传递压力来平衡被测压力的平衡法。属于应于这类方法的仪表有液柱式压力计和活塞式压力计；将被测压力通过一些隔离元件（如弹性元件）转换成一个集中力，并在测量过程中用一个外界力（如电磁力或气动力）来平衡这个未知的集中力，然后通过对外界力的测量而得知被测压力的机械力平衡法。力平衡式压力变送器就是属于应用此法的例子；根据弹性元件受压后产生弹性变型的大小来测量弹性力平衡法。属于这类应用方法的仪表很多，若根据所用弹性元件来分，可分为薄膜式，波纹管式，弹簧管式压力表；能过机械和电子元件将被测压力转换在成各种电量（如电压、电流、频率等）来测量的电测法。例如电容式、电阻式、电感式、应变片式和霍尔片式等变送器应于此法的压力测量仪表。目前，石油化工生产中应用中广泛的一种压力测量仪表是弹性元件。根据测压范围不同，常用的测压元件有单圈弹簧管、多圈弹簧管、膜片、膜盒、波纹管等。在被测介质压力的作用下，弹性元件发生弹性变型，而产生相应的位移，能过转换位置，可将位移转换成相应的电信号或气信号，以远传显示，报警或调节用。PPP表压P负压P绝压P绝压大气压力线图2-1 表压、绝压、真空之间的关系图第二节 压力测量仪表一、 弹簧管压力表弹簧管压力表是压力仪表的主要组成部份之一，它有着极为广泛的应用价值 ，它具有结构简单，品种规格齐全、测量范围广、便于制造和维修和价格低廉等特点。a) 结构和动作原理弹簧管压力表是单圈弹簧压力表的简称。它主要由弹簧管、齿轮传动机构（包括拉杆、扇形齿轮、中心齿轮）、示数装置（指针和分度盘）以及外壳等几部份组成，如图2-3（a）所示。弹簧管是一端封闭并弯成270。圆孤形的空心管子，如图2-3(b)所示。图2-3 弹簧管压力表1、弹簧管 2拉杆 3、扇型齿轮 3、中心齿轮 5、指针 6、面板7、游丝 8、调整螺钉 9 接头ab它的截面呈扁圆形或椭圆形，椭圆的长轴2a与图面垂直的弹簧管的中心轴O相平行。管子封闭的一端B为自由端，即位移输出端；而另一端A则是固定的，作为被测压力的输入端。当由它的固定端A通入被测压力P后，由于呈椭圆形截面的管子在压力P的作用下，将趋于圆形，弯成圆弧形的弹簧管随之产生向外挺直的扩张变形，使自由端B发生位移。此时弹簧管的中心角要随即减小，也就是自由端将由B移到B，处，如图2-3(b)上虚线所示。此位移量就相应于某一压力值。自由端B的弹性变形位移通过拉杆使扇形齿轮作逆时针偏转，使固定在中心齿轮轴上的指针也作顺时针偏转，从而在面板的刻度标尺上显示出被测压力的数值。由于弹簧管自由端位移而引起弹簧管中心角相对变化值/与被测压力P之间具有比例关系，因此弹簧管压力表的刻度标尺是均匀的。图2-3(a)中，游丝用来克服因传动机构间的间隙而产生的测量误差。改变调整螺钉的位置(即改变机械传动的放大系数)，可以实现压力表的量程调整。由上述可如，弹簧管自由端将随压力的增大而向外伸张。反之若管内压力小于管外压力，则自由端将随负压的增大而向内弯曲。所以，利用弹簧管不仅可以制成压力表，而且还可制成真空表或压力真空表。弹簧管压力表除普通型外，还有一些是具有特殊用途的，例如耐腐蚀的氨用压力表、禁油的氧用压力表等。为了能表明具体适用何种特殊介质的压力测量，常在其表壳、衬圈或表盘上涂以规定的色标，并注有特殊介质的名称，使用时应予以注意。单圈弹簧管在受压时，由于自由端的位移和转动力矩都较小，故仅能制成指示型仪表。而生产中有时需要用记录型仪表。为了能带动记录机构运动，就需要弹簧管有足够长而制成多圈(一般为2.59圈)，这样就成了多圈弹簧管压力表。(二)电接点压力表在石油化工生产中，常常要把压力控制在某一范围之内，当压力高于或低于规定范围时，就会破坏正常工艺条件，甚至可能发生危险。利用电接点压力表就可以简便地在压力偏离设定范围时及时发出信号，以提醒操作人员注意或通过中间继电器实现压力的自动控制。图2-4是电接点信号压力表的结构和工作原理示意图。它是在普通弹簧管压力表的基础上稍加改变而成。压力表指针上有动触点2，表盘上另有两个可调的指针，上面分别有静触点1和4。当压力超过上限设定值 (此数值由上限设定指针的位置确定)时，动触点2和静触点4接触，使有红灯5的电路接通而发出红光；当压力过低时，则动触点2与静蚀点1接触，使有绿灯3的电路接通而发出绿色信号。静触点1和4的位图2-4 电接点压力表1、4静触点 2动触点 3 绿灯 5、红灯置可根据需要灵活调节。三、气动压力变送器气动压力变送器以压缩空气为能源，它将被测压力转换成统一标准信号20100KPa输出。 (一)气动元件和组件气动仪表中常遇到的元件和组件有:弹性元件、阻容元件、喷嘴挡板机构和功率放大器。1弹性元件 在气动仪表中，弹性元件作为感测元件或转换元件，将压力信号转换成位移或力信号。通常用的弹性元件有:非金属膜片、金属膜片、波纹簧及弹簧等。2阻容元件 气体通过节流元件时，会受到一定的阻力，这种节流元件叫气阻。气阻在气动仪表中阻碍气体的流动，起着降压(产生压力降)和限流(改变气体流量)的作用，与电阻在电路中的作用相类似。气阻值为常数的节流元件，即指流通断面积不能调整的节流元件称为恒气阻。在气路申恒气阻用符号 表示；气阻值可以调整的节流元件，即指流通截面积可以调整的节流元件称为可调气阻。 在气路中用符号 表示：能在工作中自动地改变气阻值的节流元件叫变气阻，例如喷嘴挡板型变气阻。凡是气体流过时，能贮存或放出气体的气室称为气容。气容在气动仪表中起缓冲、防止振荡的作用，与电容在电路申的作用相类似。当气体流入或流出气室时，气室里的压力就随着变化。气容有定气容 (气室的容积是固定的)和变气容(弹性气室容积随气室里的压力而变)两种。用导管将气阻和气容联接起来，就构成了阻容耦合元件。常见的阻容耦合元件有节流盲室和节流通室，一般作为仪表的反馈环节，以获得比例、积分、微分等调带规律。将一个可调气阻和一个气容相串联即构成了节流盲室，也称阻容环节，如图2-7(a)所示:由可调气阻、流通气室和恒气阻串联而构成的环节，称为节流通室，如图2-7(b)所示。3喷嘴挡板机构 喷嘴挡板机构是气动仪表中的气动控制元件，它由恒气阻、气容和喷嘴挡板型变气阻串联而成，一般用符号 表示。其结构原理如图2-8所示。喷嘴挡板机构的作用是把挡板相对于喷嘴的微小位移转换成相应的气压信号P背作为它 的输出。喷嘴前的气室称背压室，室内压力即为喷嘴挡板机构的输出压力，故称为喷嘴背压P背当气源以140kPa的气压经恒气阻进入背压室后，再由喷嘴相挡板之间的间隙排出 (一 般排入大气)。但是这股气流经过恒气阻时，由于恒节流孔孔径很小，它将对压缩空气流造成很大的阻力，只有很少量的气流经恒节流孔进入背压室。而背压室中的压力P背是随喷嘴挡板间的相对位移而变化的。当挡板靠近喷嘴时，气阻增大，背压室内的气体不易排出，则P背上升，反之，挡板离开喷嘴时，气阻减小，背压室内气体容易排出，则P背下降。这就是说，挡板对通过恒节流孔的气流造成了第二次阻力，而且这阻力是随着挡板位置不同而变化的。喷嘴挡板之间距离h不同，就有不同的P背，从而在一定的位移范围内(h的上限值不超过喷呀内径的四分之一，一般为0.25mm)，完成了把挡板的微小位移转换成气压信号的任务。通过实验可以得到喷嘴挡板之间的距离且与喷嘴背压P背之间的特性曲线如图2-9所示。由图2-9可以看出，h和P背之间的关系是非线性的，一般工作在中间区段 (相当于P背为25130kPa之间)时，近似可以认为是线性的。由图2-9还可以看出，在正常工作时，挡板与喷听之间的相对位移量是很小的，不大于0.02mm。 4功率放大器 控制元件将挡板的微小位移转换成气压信号，但是由于受恒节流孔直径很小 (一般为0.2mm)的限制，输出流量很小，所以输出的气压信号功率很小。为了把信号远距离传送给推动执行器，常在控制元件后面串联一个功率放大器。所谓气动功率是指压力和流量的乘积。因此功率放大器能将信号压力和气量进行放大。功率放大器一般用符号 表示。(二)气动压力变送器的结构原理气动压力变送器由测量部分和转换部分组成。测量部分是将被测压力转换成相应的测量力，再由气动转换部分将测量力成比例地转换成统一气压信号201OOkPa输出。图2-10中，测量部分包括波纹管和密封膜片；转换部分包括主、副杠杆，反馈波纹管，喷嘴挡板机构和功率放大器。变送器是采用力短平衡原理工作的，其动作过程如下：被测压力引至测量波纹管，对主杠杆下端产生一个推力（测量力），于是产生使主杠杆围绕密封膜片的中心作逆时针方向偏转的测量力矩，当主杠杆作逆时针方向偏转时，带动挡板向喷嘴靠拢，喷嘴背压就上升，经放大器放大后即为压力变送器的输出，同时，输出压力进入反馈波纹管，产生一个反馈力推动副杠杆以量程螺母为支点作顺时针偏转，使挡板离开喷嘴，这种相反的作用，直至反馈力矩和测量力矩相等时，杠杆就处于平衡状态，挡板和喷嘴间距离不再变化，变送器就稳定地输出一个与被测压力或比例的气压信号。如果被测压力变化时，杠杆的平衡就被破坏，通过反馈作用，又建立新的平衡状态，压力变送器输出一个相应的气压信号。第三节 压力测量仪表的选用与安装 为使石油化工生产中的压力测量和控制达到经济、合理和有效，正确选用、正确安装压力测量仪表是十分重要的。(一)压力表的选用压力表的选用应根据工艺生产过程对压力测量的要求，被测介质的性质，现场环境条件等来考虑仪表的类型、量程和精度等级。并确定是否需要带有远传、报警等附加装置。这样才能达到经济、合理和有效的目的。1类型的选用 仪表类型的选用必须满足工艺生产的要求。例如是否需要远传变送、 自动记录或报警；被测介质的物理化学性质 (如腐蚀性、温度高低、粘度大小、脏污程度、 易燃易爆等)是否对仪表提出特殊要求；现场环境条件 (如高温、电磁场、振动等)娈否特殊要求等。普通压力表的弹簧管材料多采用铜合金，高压的也有采用碳钢，而氨用压力表的弹簧管材料都采用碳钢，不允许采用铜合金。因为氨气对铜的腐蚀极强，所以普通压力表用于氨气压力测量很快就要损坏。氧气压力表与普通压力表在结构和材质上完全相同，只是氧用压力表禁油。因为油进入氧气系统会引起爆炸。如果必须采用现有的带油污的压力表测量氧气压力时，使用前必须用四氯化碳反复清洗，认真检查直到无油污为止。2测量范围的确定 仪表的测量范围是根据被测压力的大小来确定的。对于弹性式压力表，为保证弹性元件能在弹性变形的完全范围内可靠地工作，量程的上限值应高于工艺生产中可能的最大压力值。根据化工自控设计技术规定，在测量稳定压力时，最大工作压力不应超过量程的2/3；测量脉动压力时，最大工作压力不超过量程的1/2； 测量高压压力时，最大工作压力不应超过量程的3/5。为了保证测量的准确度，所测的压力值不能太接近于仪表的下限值 ，亦即仪表的量程不能选得太大，一般被测压力的最小值应不低于量程的1/3。按上述要求算出后，实取稍大的相邻系列值，一般可在相应的产品目录申查到。3精度级的选取 仪表的精度主妥是根据生产上允许的最大测量误差来确定的。此外，在满足工艺要求的前提下，还要考虑经济性，即尽可能选用精度较低、价廉耐用的仪表。下面通过一个例子来说明压力表的选用。（例)某台往复式压缩机出口压力范围为2528MPa，测量误差不得大于lMPa。工艺要求就地观察，并能高低限报警，试正确选用一台压力麦，指出型号、精度级和测量范围。解 由于往复式压缩机的出口压力脉动较大，所以选用仪表的上限值为: 282=56MPa根据就地观察并能进行高低限报警的要求，选用电接点压力表，由相应资料 查得应选用YXC一l50型电接点压力表，测量范围为06OMPa。由于25/601/3故被测压力的最小值不低于满量程的1/3，这是允许的。另外根据对测量误差的要求，可算得允许误差为1/60100%=1.67%所以，精度等级为1.5级的仪表完全可以满足要求。至此，可以确定，选用的压力表为YXC一l50型电接点压力表，量程为06OMPa，精度级为1.5级。(二)压力表的安装当选用了一台合格的压力表后，能否在现场正常运行，与其安装是否正确关系极大，它包含了测压点的选择，导压管的敷设和仪表本身的安装等内容。1测压点的选择 选择测压点的原则是应使所选测压点能反映被测压力的真实情况。具体要求如下。(1)测压点要选在被测介质作直线流动的直管段上，不可选在拐弯、分岔、死角或能形成旋涡的地方。(2)测量流动介质的压力时，取压管应与介质流动方向垂直，管口与器壁平齐，并不应有毛刺。(3)测量液体压力时，取压点最好水平取压，使导压管内不积存气体；当测量气体压力时，取压点应在管道上方，使导压管内不会积存液体。2导压管的敷设 导压管的敷设应按如下要求进行。（1）导压管粗细要合适，一般内径为610mm，长度应尽可能短，最长不得超过50m，以减少压力指示的迟延。(2)水平安装的导压管应保持有1：101：20的倾斜度，以利于积存于其中之液体(或气体)的排出。(3)如果被测介质易冷凝或冻结时，应加装保温伴热管。(4)当测量液体压力时，在引压管路的最高处应装设集气器；当测量气体压力时，在引压管路的最低处应装设气液分离器；当被测介质可能产生沉淀物折出时，在仪表前应加装沉降器。3压力表的安装要求如下。 (1)压力表应安装在易观察和检修的地方。安装地点应力求避免振动。 (2)测量蒸汽压力时，应加装凝液管，以防高温蒸汽直接与测压元件接触，见图2-11 (a)； 对于有腐蚀性介质的压力测量，应加装有中性介质的隔离罐，图2-1l(b)表示被测介质密度1大于和小于隔离液密度2的两种情况。总之，针对被测介质的不同性质，要采取相应的防热、防腐、防冻、防堵等措施。(3)当被测压力较小;而压力表与取压口又不在同一高度时，见图2-11(C)，对由此高度差而引起的测量误差应按P=Hg进行修正。式中H为高度差。为导压管中介质的密度，g为重力加速度。(4)压力表的连接处，应根据被测压力高低 和介质性质，选择适当材料，作为密封垫片，以防泄漏。一般低于80及2MPa时，用 牛皮或橡胶垫片；350450及5Mpa以下用退火紫铜或铅垫片。但测量氧气压力时，不能使用浸油垫片及有机化合物垫片；测量乙炔压力时，不能使用铜垫片，因它们均有发生爆炸的危险。(5)取压口到压力麦之间应装有阀门，以备检修压力表时能切断通路。阀门应装在靠近取压口的地方，如图2-11所示。 (6)为安全起见，测量高压的仪表除选用表壳有通气孔外，安装时表壳应靠墙壁或无人通过之处，以防发生意外。11112111311141111111211131114111211141111111（c）压力表位于生产设备之下（a）测量蒸汽（b）测量有腐蚀性介质图2-11压力表安装示意图1、 压力表 2、截止阀 3、隔离罐 4、工艺管线 5、1被测介质密度 2、隔离液密度2、 隔阂11112111311141111221第三章 流量的测量和变送第一节 概 述在石油化工生产过程中，为了有效地进行生产操作和控制，经常需要测量生产过程中各种介质 (如液体、气体和蒸汽等)的流量，以便为生产操作和控制提供依据。同时，为了进行经济核算，也需要知道在一般时间 (如一班、一天等)内流过的介质总量。所以，对管道内介质流量的测量和变送是实现生产过程的控制以及进行经济核算所必需的。在工程上，流量是指单位时间内流过管道某一截面的流体的体积或质量，即瞬时流量。 流量的计量单位如下: 表示体积流量的单位常用立方米每小时 (m3/h)、升每分 (I/min)、升每秒(l/s)等；表示质量流量的单位常用吨每小时 (t/h)、千克每小时 (kg/h)、千克每秒 (kg/s)等。 若流体的密度是，则体积流量Q与质量流量M的关系是: M=Q 或 Q=M/ 流量测量仪表上若配以积算机构，则可以读出流体在一段时间内流过管道某一截面的总量量。总量又称累积流量。0t0t 若以t表示时间，则总量与流量之间的关系是:， Q总= Q dt M总= Mdt应当指出，流体的密度是随工况参数而变化的。对于液体，由于压力变化对密度的影响很小，一般可以忽略不计；但因温度变化所产生的影响，则应引起注意。不过一般温度每变化10时，液体的密度变化约在1%以内。所以，除温度变化较大，测量准确度要求较高的场合外，往往也可以忽略不计。对于气体，由于密度受温度、压力变化影响较大，例如，在常温附近，温度每变化10，密度变化约为3%。在常压附近，压力每变10kPa，密度也约变化3%。因此，在测量气体体积流量时，必须同时测量气体的温度和压力，并将工作状态下的体积流量换算成标准体积流量。所谓标准体积流量，在工业上是指20、0.10133MPa (称标定状态)或0、0.10133MPa (称标准状态)条件下的体积流量。在仪表计量上多数以标定状态条件下的体积流量为标准体积流量。流量测量的方法和仪表种类繁多，其测量原理和仪表的结构形式各不相同。针对石油化工生产过程的不同要求，采用不同的流量仪表。表3-1中列出了几种主要类型流量表 (或称流量计)的性能及适用场合。表3-1 几种流量计的比较流量计类型工作原理刻度特性量程比精 度适用场合差压式伯利努方程，节流装置前后差压与流量有一定的关系平方根3：112.5已标准化、耐高温高压、中大流量，应用最广；各种工况下的单相流体流量转子式浮子平衡位置的高度与流量有一定的关系，定差压，环形流通断面积变化线性10：11.52.5小 流量靶式靶上所受的流体作用力与流量有一定的关系平方根3：12.5粘稠、高温、腐蚀性介质、耐高温及较高压力椭圆齿轮式齿轮输出轴转数与流量有一定关系，容积式计量原理线性10：10.51清洁,粘性介质电磁式被测流体的流量转换成感应电势,电磁感应定律线性30：111.5导电液体 大流量涡轮式涡轮被流体冲转,其转速与流体流量存在一定关系线性30：10.51低粘度 清洁液体 耐高压 中温漩涡式漩涡发生体后放出的漩涡频率与流量成一定关系线性100：10.51液体 气体或蒸汽介质 中大流量应用较广超声波式声波传播速度与流体的流速有关,测量声波在流动介质中的传播速度来求出流体和流量线性5:111.5高粘稠, 强腐蚀介质质量式根据科里奥利原理来测量流体的质量线性100：10.11高粘稠介质,气体的测量第二节 差压式流量计差压式 (也称节流式)流量计是使用历史最久，应用也最广泛的一种流量测量仪表，同时也是目前生产中最成熟的流量测量仪表之一。它是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差与其流量有关而实现流量测量的。 差压式流量计通常是由能将被测流量转换成差压信号的节流装置 (包括节流元件和取压装置)、导压管和差压计或差压变送器及其显示仪表三部分所组成。在单元组合仪表中，由节流装置所产生的差压信号，常通过差压变送器转换成相应的电信号或气信号，以供显示、调节用。(一)节流装置的测量原理1、节流现象及其原理流体在有节流元件的管道中流动时，在节流元件前后的管璧处，流体的静压力产生差异的现象称为节流现象，如图3-1所示。所谓节流装置就是设置在管道中能使流体产生局部收缩的节流元件和取压装置的总称。应用最广泛的节流元件是孔板，其次是喷嘴、文丘里管。下面以孔板为例说明节流原理。 图3-2表示在孔板前后流体的流速与压力的分布情况。沿管道轴向连续地向前流动的流体，由于遇到节流元件的阻挡，使靠近管壁处的流体受到的阻挡作用最强，因而使其一部分动压能转化成静压能，于是就出现了节流元件入口端面靠近管壁处的流体静压力P1，的升高 (即图中P1P2)。此压力比管道中心处压力要大，即在节流元件入口端面处产生一径向压差。这一径向压差使流体产生径向附加速度，从而使靠近管壁处的流体质点的流向就与管道中3-2心轴线相倾斜，形成了流束的收缩运动。同时，由于流体运动的惯性，使得流束收束最厉害 (即流束最小截面)的位置不在节流孔处，而是位于节流孔之后 (即图中截面处)，并随流量大小而变化。以上就是流体流经节元件时，流束为什么产生收缩的原因。由于节流元件的阻挡造成了流束的局部收缩，同时，又因流体始终处于连续稳定的流动状态，因此在流束截面最小处的流速达到最大。根据伯努利方程式和位能、动能的相互转化原理，在流束截面最小处的流体静压力最低，同理，在孔板出口端面处，由于流速已比原来增大，因此静压力也就较原来为低 (即图中P2P1)。故节流元件入口侧的静压P1比其出口侧的静压P2大，即在节流元件前后产生压差P。节流元件前流体压力较高，常称为正压，并用“+”标记；节流元件后流体静压力较低，常称为负压，并用“”标记。并且流量愈大，流束局部收缩和位能、动能的转化也愈显著，即P也愈大。所以只要测出元件前后的压力差P就可求得流经节流元件的流体流量。这就是节流装置测量流量基本原理。从图3-2可以看出，由于孔板端面处，流通截面突然缩小与扩大，使流体形成局部涡流，要消耗一部分能量，同时流体流经孔板时，要克服摩擦力，所以流束恢复到截面后，流体的静压力不能恢复到原来的数值P;，而产生了压力损失P= P，1一P，3 。应当指出：在相同的流体流量下，不同的取压点所测得的压差P的大小是不相同的，所以，流量与压差间的关系，与取压点位置的选择即取压方式是紧密相关的。2流量基本方程式 流量基本方程式是用来阐明流量与压差之间的定量关系。它是根据流体力学中的伯努利方程式连续性方程式推导而得的，即式Q=A02P1M=A021P 式中 一流量系数。它与节流元件的结构形式、取压方式、孔口截面积之比m；雷诺数Re、孔口边缘尖锐度、管壁粗糙度等因素有关。可从有关手册查得 膨胀校正系数。它与孔板前后压力的相对变化量、介质的等熵指数 m等有关。也可从有关手册查得。但对不可压缩的液体来说，常取=1; A。 节流元件的开孔截面积; P 节流元件前后实际测得的静压差;1 节流元件前流体密度在计算时，如果把Ao用/4d2 表示，d为工作温度下孔板孔口直径，单位为mm，而P以Mpa为单位，则上述基本流量方程式可换算为实用流量计算公式，即：Q=0.d2P1M=0.d2 1P式中 0.3998=360010-6/42。以上流量公式表明，当 d等均为常数时，流量与压差的平方根成正比。因此，由理论推导得来的流量基本方程式，应用到测量实际生产中的流体流量时，公式中各系数应能满足在测量条件下的相对稳定，这是采用这种流量计能否达到准确测量的前提。因为流量与压差的平方根成正比，所以，用这种流量计测量流量时，如果不加开方器，流量标尺刻度是不均匀的。起始部分的刻度很密，后来逐渐变疏。因此，在用差压法测量流量时，被测流量值不应接近于仪表刻度的下限值，否则误差将会很大。一般不要让流量计运行在量程的30%以下。表3-2中列出了流量范围的选用要求。表3-2 流量范围选用要求刻度特性流量范围最大流量正常流量最小 流量平方根95%7080%30%线 性90%5070%10%(二)标准节流装置差压式流量计经过长期的研究使用，积累了较为丰富的经验和比较齐全的资料、数据。因此，国内外已把几种最常用的节流装置:孔板、喷嘴、文丘里管等标准化，并称之为标准节流装置。我国制定的国家标准，编号为GB2624-81,名称叫流量测量节流装置。所谓“标准节流装置”，就是它们的结构、尺寸和技术条件都有统一标准，有关计算数据都经系统试验而有统一图表。按统一标准规定进行设计制作的标准节流装置，不必经过个别标定就可使用。在同一流量下，当取压位置不同时，所测得差压也不同。国家标准中规定的标准节流装置的取压方式为:标准孔板可用角接取压和法兰取压；标准喷嘴只用角接取压。所谓角接取压是指上、下游取压孔位于孔板(喷嘴也相同)的前、后端面处。角接取压装置有环室取压(图3-3中上半部分)和单独钻孔取压(图3-3中下半部分)两种结构型式。节流元件上、下游的静压力分别由前夹紧环或前环室和后夹紧环或后环室取出，见图3-3所示。夹紧环或环室用法兰与节流元件等紧固在一起。在夹紧环或环室的外圆表面上，刻有表示安装方向的符号(十、一)、出厂编号、安装位号和管道内径D的设计尺寸值。单独钻孔取压装置便于加工和安装，特别是对于大口径管道更是如此；而采用环室取压的优点是压力取出口面积比较广阔，便于测出平均压差和有利于提高测量精度。法兰取压是指上、下游取压孔中心距离孔板前后端面均为25.4mm。法兰取压装置的结构如图3-4所示。法兰的外圆表面上也刻有表示安装方向的符号、出厂编号、安装位号和管道内径的设计尺寸值。图2-16 法兰取压节流装置3-43-3标准节流装置与被测管道相联接时，由于波测管道的状态差别较大，故给测量带来了较大的误差。为此，我国国家标准新规定增加标准测量管作为标准节流装置的一个组成部分，以代替靠近节流元件前后的3-5管段，上游侧长10D，下游侧长5D，内径等于被测管道内径。节流装置中的位置如图3-5所示。标准测量管前后配有联接法兰，为了保证同心，将联接法兰焊接到管道上后，再进行内表面加工。下面就节流装置的选用和安装使用条件作一简要介绍。1、节流装置的选用 选用标准节流装置时，应根据被测流体流量测量的条件和要求， 结合各种标准节流装置的特点，从测量精度要求、允许压力损失大小、必要与可能给出的直管段长度、被测流体的物理化学性质 (如腐蚀、脏污等)、结构的复杂程度和价格的高低、 安装是否方便等几方面综合考虑。一般说来，可归纳为如下几点。(1)当要求压损较小时，可采用喷嘴，文丘里管。 （2）测量某些易使节流装置腐蚀，沾污，磨损、变形的流体流量时，采用喷嘴较、孔板为好。 （3）在流量值和压差值都相同的条件下，使用喷嘴有较高的测量精度，且所需的直管段长度也较短。 (4 )在加工制造和安装方面，以孔板为最简单，喷嘴次之，文丘里管最复杂。造价高低也与此相应。因此，在一般场合下，以采用孔板为最多。 (5)如被测介质是高温、高压的，则可选用孔板和喷嘴。文丘里管只适用于低压的流体介质。2、节流装置的安装使用， 在安装和使用节流装置时，应符合下列条件。(1)节流装置不论在空间的什么位置，必须安装在直管段上，应尽量避免任何局部阻力对流束的影响，因为这种影响将引起流量系数变化。例如在节流装置前后长度为2D的一段管道的内壁上，不应有任何突出部分或明显的粗糙不平现象；在节流装置的直管段前面如有各种阀门、弯头等局部阻力时，必须保证在节流装置前后的直管段长度能满足设计要求的范围内。(见表3-3) 表3-3孔板、喷嘴和文丘里喷嘴所要求最短直管段长度(2)必须保证节流装置的开孔中心与工艺管道的轴线同心，并使节流装置的入口端面与管道中心线垂直。(3)被测流体应充满全部管道截面连续流动。(4)管道内的流束 (流动状态)应该是稳定的。(5)被测流体在通过节流装置时应不发生相变。例如，液体不蒸发和析出气体；气体不冷凝等。当流过节流装置的流体出现气液混相时，将会使测量造成很大误差。(6)标准节流装置 (孔板、喷嘴)一般都用于直径D不少于50mm（50mm700mm）的管道中。3现在许多风、水的测量都采用了匀带管测量，对匀束管的前后直管段也有要求，如表3-4所示表3-4匀束管所要求最短直管段长度第三节 电容式差压变送器节流装置将管道中流体流量的大小转换为相应的压差大小，这个压差信号经导压管接到差压变送器，实现流量的检测和变送，差压变送器分为气动和电动两大类，这里我们仅介绍在石油化工生产中应用较多的电容式差压变送器。电容式差压变送器与节流装置配合，可以连续测量和变送液体、蒸汽和气体的流量。也可测量和变送差压、压力、液位等工艺参数。电容式差压变送器以电为能源，将被测差压转换成420mA.DC的统一标准信号，送往DCS、调节器或显示仪表进行调节、指示和记录。1电容式差压变送器的结构原理 电容式差压变送器包括电容式感压组件部分和转换放大电路部分，后者壳体内装有现场指示麦。它是无杠杆的变送器。电容式感压组件的结构如图 218 所示。它采用全封闭焊接的固体化结构，由左右两块隔离膜片和位居中间的一块感压测量膜片(即可动电极)，构成两个液体密封室。内充硅油或氟油，用以传递压力。可动电极及其两边弧形固定电极组成差动电容器，分别形成电容C1和C2，无差压输入时，电容量C1=C2。电极引线通过接线柱与转换放大电路相连。当被测差压P通过正、负压侧导压口(图中未画出)引入正、负压室，作用于正、负室二侧隔离膜片上时，迫使密封室内硅油向右移动，将压力转递到中心感压测量膜片上，使膜片向右产生微小位移S(最大位移为0.1mm)，如图3-6所示。 SS0S0S2S1图3-6膜片位移原理图设中心感压测量膜片与两边固定电极之间的距离分别为S1和S2。当被测差压p=0时，感压测量膜片与两边固定电极之间的距离相等，设其间距为So，则S1=S2=So。当有差压输入，即PO时，如上所述，测量膜片产生位移S。使作为可动电极的测量膜片与两边固定电极间距离不再相等，此时有 S1=So+S S2=S0-SC1=AS1AS0+S=C2=AS2AS0-S=测量膜片与其两边弧形固定电极构成的电容C1和C2，可近似地看成是平板电容器，其电容量分别为式中：极板间介质的介电常数A固定极板的面积;由此可见C1和C2的电容量不再相等。两电容量之差为 1S0+S1S0-SC=C2-C1=A（ ）说明两电容的差值与测量膜片的位移S成非线佳关系。但若取两电容之差与两电容之和的比值，则可得差动电容的相对变化值为 1S0+S1S0-S 1S0+S+1S0-S=C2-C1C2+C1=SS0K2S（式2-7）1S0式中K2=C2-C1C2+C1式（2-7）说明 ，差动电容的变化量 与测量膜片因差压的差值p作用而引起的位移S成线性关系，So愈小，差动电容的相对变化值愈大，即变送器灵敏度愈高。若将变送器输入差压P与中心感压测量膜片位移S的关系表示为，S=K1P 式2-8式中，K1为由膜片材料和结构参数所确定的系数。将式(2-8.)代入式 (2-7)，可得差动电容的相对变化值与输入差压的关系为C2-C1C2+C1=K1K2P上述差动电容的相对变化值，通过转换放大电路的检测和转换放大，转换成标准的电流输出信号420mADC。2电容式差压变送器的使用特点 电容式差压变送器由于采用微位移式工作原理，并采用差动电容作为检测元件，故整个变送器无机械传动部件。唯一可动部分是中心感压测量膜