专题一温度压力流量仪表.ppt

第一节温度仪表,温度参数,温度是个很重要的物理量，它是国际单位制(SI)中7个基本物理量之一，也是工业生产中的主要工艺参数。物体的许多物理现象和化学性质都与温度有关，大多数生产过程均是在一定温度范围内进行的。因此，温度的测量是保证生产正常进行，确保产品质量和安全生产的关键环节。1、温标温标是表示物体冷热程度的物理量。用来度量物体温度高低的标尺叫做温度标尺，简称温标。它规定了温度的起点和测量温度的基本电位。各种温度计的分度值都是由温标决定的。目前国际上用得较多的温标有摄氏温标和国际实用温标，我国法定计量单位现已采用了这两种温标。,温度参数,1)、摄氏温标摄氏温标是根据物体受热后体积膨胀的性质建立起来的，一般用符号t表示，单位是度，记作。规定在标准大气压下冰的融点为零度(0)，将水的沸点定为100，在0一100之间划分一百等份，每一等份为摄氏1度(1)。摄氏温标是工程上通用的温度标尺。2)、国际实用温标国际温标是一个国际协议性温标。选择了一些纯物质的平衡态温度作为温标的基准点，规定了不同温度范围内的标准仪器如铂电阻、铂锗铂热电偶和光学温度汁等。建立了标准仪器的示值与国际温标关系的补插公式，应用这些公式可以求出任何两个相邻基准点温度之间的温度值。,温度测量仪表的分类,温度测量范围广，测温仪表的种类也很多。按工作原理分：有膨胀式、热电阻、热电偶以及辐射式等；按测量方式分，有接触式和非接触式两类。,玻璃管液体温度计,基于物体受热体积膨胀的性质而制成的温度计叫做膨胀式温度计。它又分为液体膨胀、气体膨胀和固体膨胀三大类。1)、测温原理当破璃温包插入被测介质中，由于被测介质的温度变化，使感温液体膨胀或收缩，因而沿毛细管上升或下降，出刻度标尺显示出温度的数值。2)、结构与分类玻璃管温度计按其结构可分为三种；棒状温度计、内标尺式温度计和外标尺式温度计。棒状温度计的标尺直接刻在玻璃管的外表面上。内标尺式温度计有乳白色的玻璃片温度标尺，该标尺放置在连通玻璃温包的毛细管后面，将毛细管和标尺一起变在玻璃管内，此温度计热惰性较大，,压力式温度计,压力式温度计的基本结构是由充有感温介质的温包、传压元件(毛细管)及压力敏感元件(弹笑管)构成的合金同组件。温包内充填的感温介质有气体、液体及蒸发液体等。测温时将温包置于被测介质中，温包内的工作物质因温度升高体积膨胀而导致压力增大。该压力变化经毛细管传给弹簧管并使其产生一定的形变然后借助齿轮或杠杆等传动机构，带动指针转动，指示出相应的温度。由此可见，温包、毛细管及弹簧管是压力式温度计的三个主要部分，其性能对该温度计的精度影响极大。,温度不能直接测量，只能借助于冷热不同的物体间热交换以及物体的某些物理性质随温度变化的特性间接测量，现场温度仪表大部分均为接触式测温仪表，主要有双金属温度计，热电阻，热电偶三种测温方法。1、双金属温度计利用两种膨胀系数不同的金属元件来测量温度的温度计称双金属温度计。它是一种固体膨胀式温度计。其结构简单、牢固，可部分取代水银温度计，用于气、液体及蒸汽的温度测量。采用双金属温度计是解决汞害的一条途径，因而近几年发展很快。双金属温度计是由两种膨胀系数不同的金属薄片叠焊在一起制成的。双金属片受热后由于两种金属片的膨胀系数不同而产生弯曲变形弯曲的程度与温度高低成比例。,双金属温度计,热电偶温度计,热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪表。它的测量范围广，结构简单，使用方便，测温准确可靠，便于信号的远传、自动记录和集中控制，因而在工业生产和科研领域中应用极为普遍。1、热电偶的测温原理热电偶温度计由热电偶、连接导线及显示仪表三部分组成。下图是最简单的热电偶温度计示意图。,热电偶温度计,测温原理按上图组成的热电偶温度计，如果将热电偶的热端加热，使得冷、热两端的温度不同，则在该热电偶回路中就会产生热电势，这种物理现象就称为热电现象(即热电效应)。在热电偶回路中产生的电势由温差电势和相接触电势两部分组成,热电偶温度计1热电偶；2导线（或补偿导线）；3显示仪表,热电偶温度计,温差电势：它是在同一导体材料的两端因其温度不同而产生的一种热电势。当同一导体两端温度不同时，由于高温端的电子能量比低温端的电子能量大，因而从高温端跑到低温端的电子比从低温端跑到高温端的电于数量要多，结果高温端因失去电子而显正电，低温端由于得到电子而显负电，从而在高、低温两端会形成一个由高温端指向低温端的静电场。该电场将阻止电于从高温端跑向低温端，同时加速电子从低温端向高温端移动，最后达到动态平衡，即从高温端跑向低温端的电子数等于从低温端他向高温端的电子数，则高、低温两端之间便形成一个电位差，会在导体内部产生电势此电势称为温差电势，此电势只与导体性质和导体两端的温度有关，而与导体长度、截面大小及沿导体长度上的温度分布无关。,热电偶温度计,接触电势：它是两种电子密度不同的导体相互接触时产生的一种热电势。当两种不同的导体A和B相接触时，假设导体A和B的电子密度分别为Na和Nb并且NaNb，则在两导体的接触面上，电子在两个方向的扩散率就不相同，由导体A扩散利导体B的电子数比从B扩散到A的电子数要多。导体A失去电子而显正电，导体B获很电子而显负电。因此，在A、B两导体的接触面上便形成一个由A到B的静电场，这个电场将阻碍扩散运动的继续进行，同时加速电子向相反方向运动，使从B到4的电子数增多，最后达到动态平衡状态。此时A、B之间也形成一电位差，这个电位差称为接触电势。此电势只与两种导体的性质相接触点的温度有关，当两种导体的材料一定，接触电势仅与其接点温度有关。温度越高，导体中的电子就越活跃，由A导体扩散到B导体的电子就越多，致使接触面处所产生的电场强度越高，因而接触电势也就越大。,热电偶温度计,工业上最常用的(已标准化)几种热电偶：1)、铂铑30铂铑6热电偶(分度号为B)2)、铂铑10铂热电偶(分度号为5)3)、镍铬镍硅热电偶(分度号为K)4)、镍铬康铜热电偶(分度号为E)5)、铜康铜热电偶(分度号为T)6)、铁康铜热电偶(分度号为J),铠装热电偶,铠装型热电偶的外径为0.25-12mm，热电极直径为0.035一1.3mm，套管壁厚为0.12-0.60mm，长度可以根据需要任意裁取或选购，最长可达100m。热电偶冷端可以用接线盒或其它形式的接插件与外部导线连接。,1接线盒；2金属套管；3固定装置；4绝缘材料；热电偶丝,热电偶的冷端补偿,热电偶的分度表均是在冷端温度为0的条件下热电势与温度(t)之间的关系，因此要求在热电偶测温时，冷端必须保持在0，否则将产生误差。但在工业上使用时，要使冷端保持在0是比较因难的，因此，要根据不同的使用条件及要求的测量精度对热电偶冷端采用一些不同的处理方法。1)、补偿导线延伸法由于热电偶一般做得比较短(除铠装热电偶外)，特别是贵金属热电偶就更短。这样热电偶的冷端离被测对象很近，使冷端温度较高且波动较大。如果把热电偶做得很长，使冷端延伸到温度比较稳定的地方，这种方法由于热电极不便于敷设，且对于贵金属热电偶很不经济。解决这个问题的方法是采用一种专用导线将热电偶的冷端延伸出来，这种导线也是由两种材料制成在一定温度范围内(100以下)与所连接的热电偶具有相同或十分相近的热电特性，其材料又是廉价金属，称为补偿导线。,热电偶的冷端补偿,2)、冰点法热电偶的分度表都是在冷端温度为0的情况下制定的，如果将冷端置于能保持温度为0的冰点槽内，则测得的热电势就代表被测的实际温度。3)、仪表零点校正法如果热电偶冷端温度比较恒定，与之配用的显示仪表机械零点调整又比较方便，则可采用此种方法实现冷端温度补偿。若冷端温度t0已知，可将显示仪表的机械零点直接调至t0处，这相当于在插入热电偶热电势之前就结显示仪表输入了一个电势E(t0，0)，因为与热电偶配套的显示仪表是根据分度表刻度的，这样在接入热电偶之后，使得输入显示仪表的电势相当于E(t,t0)E(t0,0)E(t,0)，因此显示仪表可显示热端的温度t。,热电偶的冷端补偿,4)、补偿电桥法补偿电桥法是采用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化，又称为冷端补偿器。,热电阻温度计,热电阻温度计是一种较为理想的高温测量仪表，但在测量较低温度时，由于产生的热电势较小，测量精度相应降低。因此在200500温度范围内，一般使用热电阻温度计测量效果较好。热电阻温度计是由热电阻、连接导线及显示仪表所组成，如图所示。由于热电阻输出的是电阻信号，所以热电阻温度计与热电偶温度计一样，也便于远距离显示或传送信号。但是由于热电阻温度计的感温部件热电阻的体积较大，因此热容量较大，动态持性则不如热电偶。,热电阻温度计,1、热电阻的测温原理热电阻温度计是基于金属导体或半导体电阻值与温度呈一定函数关系的原理实现温度测量的。Pt100热电阻测温原理：纯铂丝的电阻值随其外界温度变化而变化。2、金属热电阻作为电阻温度计感温元件的热电阻，分为金属热电阻和半导体热电阻两类，其中以金属热电阻应用较多。一般对热电阻材料要求如下：(1)电阻温度系数大，即灵敏度高；(2)物理化学性能稳定，能长期适应较恶劣的测温环境；(3)电阻串要大，以使电阻体积较小，减小测温的热惯性；(4)电阻与温度之间近似为线性关系；(5)价格低廉，便于复制。,热电阻温度计结构,普通热电阻结构：金属热电阻感温元件一般由电阻体、引线、绝缘子、保护套管及接线盒等组成电偶相似。热电阻通常也有普通型和铠装型等结构形式。下图为普通型热电阻的结构图：,1电阻体；2引线，3绝缘体；4一保护套管5接线盒；6固定螺纹,常用热电阻温度计,1)、铂电阻铂电阻由纯铂电阻丝绕制而成，其使用温度范围(按国际电工协会IEC标准)为200850。铂电阻的特点是精度高、性能可靠、抗氧化性好、物理化学性能稳定。另外它易提纯，复制性好，有良好的工艺性，可以制成极细的铂丝(直径可达0.02mm或更细)或极薄铂箔，与其它热电阻材料相比，有较高电阻串。因此，它是一种较为理想的热电阻材料，除作为一般工业测温元件外，还可作为标准器件。但它的缺点是电阻温度系数小，电阻与温度里非线性，高温下不宜在还原性介质中使用，而且价格较贵。,常用热电阻温度计,2)、铜电阻铜电阻一般用于50150范围的温度测量。它的特点是电阻值与温度之间基本为线性关系，电阻温度系数大，且材料易提纯，价格便宜，但它的电阻率低，易氧化，所以在温度不同，测温元件体积无特殊限制时，可以使用铜电阻温度计。,第二节流量仪表,流量仪表,概述石油生产过程中所需的物料大部分是流体，这些流体在某些动力设备(如泵、鼓风机、压缩机等)的作用下沿管道密闭输送。为正确地指导生产操作，监视设备运行状况，确保优质高产安全低耗以及进行产品的成本经济核算，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。它是石油生产过程中一个十分重要的测量参数。随着自动化水平的不断提高。流量测量和控制已由原来的保证稳定运行朝着最优化控制过渡。这样流量仪表更是成为不可缺少的检测仪表之一。,流量的定义,流量是指流经管道(或设备)某一截面的流体数量。随着工艺要求不同，它的测量又可分为瞬时流量和累积流量的测量。1)、瞬时流量单位时间内流经某一有效截面的流体数量。2)、累积流量(总量)在某段时间内流经有效截面的流体数量的总和。其总和可以用体积和质量来表示,流量测量的特点,（）、流体的流动状态直接影响流量测量的准确度。一般介质的流动多为不稳定流，为保证仪表测量的准确度，仪表的结构和管道布局的设计应能适应流态的变化，能够消除上游阻力件造成的流态扰动以及管道上界面上流速不均匀分布带来的影响。（）、不同流体的物理和化学特性对流量仪表提出了不同的要求。如温度、压力变化大、粘度高、流体有腐蚀性、多相流、脏污流、等等，都对仪表提出了相应的要求。（）、被测介质状态的变化或组分变化都会引起流量测量的误差。（）、介质处于流动的状态，任何接触测量的敏感元件都会干扰流动状态的变化和压力损失。,流量计的分类,流量计的分类流量测量的方法很多，其测量原理和所采用的仪表结构形式各不相同。）、差压式流量计：目前常用的节流元件有标准节流装置，如孔板、文丘利管、喷嘴。）、容积式流量计：椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、刮板流量计。）、速度流量计：电磁流量计、涡轮流量计、超声波流量计。）、流体动量式流量计：如靶式流量计、浮子流量计、阿牛巴流量计。）、流体振荡式流量计：涡街流量计、旋进漩涡流量计）、质量流量计：U型管式流量计。,差压式流量计主要包括两部分：节流元件及差压计工作原理：把节流装置装入管道中，当被测介质从节流装置中流过时其局部收缩，因此其流速必定增加，即动能增加，因而其静压力减小，即位能减小，所以在节流装置的前后产生一定的压力降。管道介质流量越大，介质的流速就越大，因而收缩时的压力降就越大。因此只要测出压降的大小就可以测量出介质的流量。,差压式流量计,转子流量计,在生产和科研工作中，经常遇到小管径、低雷诺数的小流量测量，而其它流量计对于小管径、小流量的测量均受到标准化或结构等方面的条件限制所以对较小管径的流量测量常采用转子流量计。它适用的管径范围为l150mm。转子流量计的主要特点是结构简单。灵敏度高，量程比宽10：1压力损失小且恒定，刻度近似线性，价格便宜，使用维护简便等。但仪表精度受被测介质密度、粘度、温度、压力等因素的影响，其精度一般在15级左右最高可达10级。,转子流量计,转子流量计是利用流动中的动量原理，将被测介质在流动中产生的与流速直接有关的力变换成另一个易于输出的变量。即流量的大小是靠浮子的上下位移来指示的。浮子流量计是由一个上粗下细的锥型管和一个能上下移动的浮子构成。锥管垂直安装，流体从下方以速度v流经锥管，流过锥管与浮子之间的环型空隙未了保证浮子的轴线的垂直且在锥型管的中心线上，一般在浮子的上部边缘处开有斜沟，在流体流过时，使浮子旋转。在流体自下而上进入锥管时，浮子给流体以阻力，而流体的推动力和浮力将浮子浮动在锥管中，当浮子的重量与浮力和流体的推动力平衡时，浮子就静止在某一位置，当被测介质的流量增大时其流速也增大，因此其推动力也增大，浮子逐渐上升，环型空隙也增大，使环型空隙的流速也减小，直到浮子的重力与浮力和推动力再次达到平衡为止。这样，就可以用浮子在锥管中的不同高度来反映被测介质流量的大小。,转子流量计,转子流量计示值的修正转子流量计的刻度是单独标定而得到的。仪表制造厂为了便于成批生产，在进行流量刻度时，是在工业标淮状态(20，一个标准大气压)下，以水或空气为介质进行刻度的。即转子流量计的标尺刻度值，对于液体流量测量是代表工业标准状态下水的流量值，对于气体流量测量是代表工业标准状态下空气的流量值。所以，在实际使用时，如果被测介质的密度和工作状态不同，必须对流量指示值按照实际被测介质的密度，温度、压力等参数的具体情况进行修正。由于转子流量计的转子有重力作用，因此转子流量计必须垂直安装，流体的流向是自下向上，在流量计的进出口没有严格的直管段要求。在安装转子流量计时要小心，防止转子流量计受损。,转子流量计,转子流量计的外壳一般是用塑料或玻璃制作而成，因此浮子流量计必须定期清洗，防止外界物体刮伤，流经流量计的流体流速应缓慢增加以减少对浮子的冲击力；在北方地区浮子流量计要作好防冻工作，增加必要的保温设施，冬季不用时应该将流量计内液体排放干净，以免流量计被冻坏。,速度式流量计,涡轮流量计是一种新型流量计，它有以下一些特点测量范围大（0.04t/h16103t/h），精度较高（一般为0.1%0.02%），快速响应特性好，有数字输出。涡轮流量计是一种速度流量仪表，由涡轮变换部分和显示仪表部分组成。其结构有：入口导流器、出口导流器、轴承、涡轮、壳体等几部分组成。工作原理：当介质流经涡轮流量计时，流体由入口导流器进入流量计，由于导流器的作用，使流体平行流经涡轮，从而流体冲击涡轮，便推动涡轮旋转。实践证明，涡轮叶片的角速度与流体的流速成正比，因而通过对叶轮转速的测量就得到体积流量的大小。,速度式流量计,叶轮的转速就是通过固定在壳体上的一个电磁线圈来测得的，这个电磁线圈叫做检磁线圈，当捡磁线圈中被通电时它就产生磁场，而叶轮是导磁的，在制作时在叶轮的外面有一些有规律的小孔，当叶轮旋转时线圈下的导磁介质的密度发生变化，从而影响线圈发出的磁场，使线圈上产生一定的脉冲，这些脉冲信号与叶轮的转速成正比。线圈的脉冲经过放大器放大，然后进入测量仪表。由此可见显示仪表其实就是一台脉冲计数器，在涠洲终端厂原油外输计量中使用的是OMNI流量计算机，它接收从BROOK涡轮流量计发出的脉冲信号和现场的温度、压力、密度、含水分析信号，然后经过计算处理，并显示体流量和净流量。,速度式流量计,涡轮流量计的优点(1)精确度高。(2)反应迅速，可测脉动流量，量程比为(10:1)(20:1)(3)由于磁电感应转换器与叶片间不需密封相齿轮传动，因而测量精度高，可耐高压4)输出为频率信号，易实现流量积算和定量控制且抗干扰能力强。缺点是制造难，成本高。因涡轮高速转动，轴承易于磨损，降低了长期运转的稳定性、缩短了使用寿命。涡轮流星计主要用于测量精确度要求高，流量变化迅速的场台或者作为标定其它流量计的标准仪表。,流体振动式流量计,旋涡流量计工作原理：在流体中若垂直流动方向放置一个柱体（圆柱体或棱柱体）时，在某一雷诺数范围内,将在柱状物的后面两侧交替产生有规律的旋涡，称为卡门旋涡，旋涡的旋转方向为内向，单侧旋涡产生的频率F和流速V和柱状物宽度D之间有以下关系：F=StXV/d，其中St为雷诺数的函数，当St和d一定时，F和V成正比，因此可通过F算出瞬时流量。,质量流量计,质量流量计可分为两大类：直接式质量流量计（由传感元件直接检测反映质量流量大小的参数，经处理得出质量流量值）和间接质量流量计（由体积流量计和密度计组合而成）。基于哥里奥利原理及技术的直接式质量流量计。其工作原理如下：两根几何形状与尺寸完全相同的U形振动检测管平行地、牢固地焊接在支承管上，两个检测管在电磁激励下，以其固有的频率作为简谐振动，当流量计中有流体通过时，U型检测管受到了电磁激励振动和哥氏力矩引起的扭振，下图为U形管振动图：,质量流量计,U形管振动中心位置的左右两侧安装两个电磁位置检测器，它们可以测出U形管振动时位置的变化状态，当质量流量越大，哥氏力越大，扭矩也越大，在一定的U形管扭转刚度下，扭振时的扭转角也越大。可见，在U形管尺寸，材质已定的条件下，扭转角与通过U形管的质量流量成比例关系。只要位置检测器能检测出U形管在振动的过程中，管的左右两侧在向上或向下通过中心线的时间差t，就可以间接地测得扭转角的大小，从而可以求得质量流量。这个t信号由传感器中两个位置检测器输出的二列波形中获得。另外，确定了一个具体的U形检测管，U形管的固有振动周期T仅为流体密度的函数，只要测得T，便可算出密度。,第三节压力仪表,压力测量,压力的基本概念液柱式压力计U型管压力计、单管压力计、斜管式微压计弹性式压力计弹簧管式、膜片（盒）式、波纹管式电气式压力测量电容式压力压差变送器、霍尔压力变送器、压电式压力传感器、固体压阻式压力压差传感器压力检测仪表的选择,压力垂直作用于物体表面上的力压强垂直作用于单位面积物体表面上的力在建筑环境与设备的测试中，并不严格区分压力和压强。通常所说的压力实际上是指压强。压差测量两个压力之差称压差表压力压力仪表指示的压力值缺省情况下，所说的压力值即指表压力表压力可正可负，为负时其绝对值称为真空度。,一、基本概念,帕(Pa)N/m2，国际单位兆帕(MPa)106Pa工程大气压，kgf/cm2，98070Pa约等于一个大气压（1.013e+5Pa)，“自来水压头是5公斤”，用的就是这个单位。mmH2O，9.81PammHg，133Pa,压力单位,二压力测量仪表的分类,1液柱式压力计2弹性式压力计3电气式压力计4活塞式压力计,液柱式压力计,分类U型管压力计单管压力计斜管式微压计特点：结构简单，使用方便，准确度比较高，常用于测量低压、负压、差压。缺点：体积大，读数不方便，玻璃管易损坏。,一U型管压力计,假设被测的介质为气体，可忽略被测介质的高度形成的静压值。根据流体静力学原理可得：,U型管内径一般为5-20mm，为了减少毛细现象，管子内径一般不少于10mm，,二单管式压力计,因为A1、A2为常数，这样可通过一次读数进行压差测量。当A2/A1很小时，h1可忽略，公式简化为：,Pd,Px,直管,h1,h2,三、斜管式微压计,P1,主要用于测量微小的压力、负压和压差。为了减少读数的相对误差，拉长液柱，将测量管倾斜放置。,弹性式压力计,原理：弹性压力表是利用各种不同形状弹性感压元件在被测压力的作用下，产生弹性变形制成的测压仪表特点：结构简单、牢固可靠、测压范围广、使用方便、造价低廉、有足够的精度，可远传常用弹性压力表：膜片（盒）式波纹管式弹簧管式,二弹性元件及其特性,1膜片式：使用时周边夹紧，测低压、微压。将两块膜片沿周边对焊起来，形成一膜盒，膜盒式微压计通常用于测量炉膛和烟道尾部负压。精度等级为2.5，最高可达1.5级。,2波纹管：开口端固定，封闭端的位移作为输出，由于波纹管的位移相对较大，故灵敏度高，常用于测量较低的压力（1.0-106Pa）精度等级1.5级。,3弹簧管：单圈弹簧管多圈弹簧管,二弹性元件及其特性,电气式压力检测,一电容式压力传感器：将弹性元件的位移转变成电信号。,二压电式压力传感器,压电效应：压电材料在受压时会在其表面产生电荷，产生的