化工仪表及自动化第3章1.ppt

化工仪表及自动化 第三章检测仪表与传感器 内容提要 概述测量过程与测量误差仪表的性能指标工业仪表的分类压力检测及仪表压力单位及测压仪表弹性式压力计电气式压力计智能型压力变送器压力计的选用及安装 内容提要 流量检测及仪表概述差压式流量计转子流量计椭圆齿轮流量计电磁流量计漩涡流量计质量流量计流量测量仪表的选型 内容提要 物位检测及仪表概述差压式液位变速器电容式物位传感器核辐射物位计称重式液罐计量仪物位测量仪表的选型温度检测及仪表温度检测方法热电偶温度计热电阻温度计光纤温度传感器电动温度变送器 内容提要 一体化温度变送器智能式温度变送器测温仪表的选用及安装现代检测技术与传感器的发展软测量技术的发展现代传感器技术的发展显示仪表数字式显示仪表无笔无纸记录仪虚拟显示仪表 第一节概述 用来检测这些参数 四大参数 的技术工具称为检测仪表 用来将这些参数转换为一定的便于传送的信号的仪表通常称为传感器 当传感器的输出为单元组合仪表中规定的标准信号时 通常称为变送器 在化工自动化中要通过检测仪表获取生产被控变量 最常见被控变量是温度 压力 流量 物位 四大参数 检测仪表又称为检测元件 敏感元件 传感器 它直接响应被控变量 并转化成一个与之成对应关系的输出信号 这些输出信号包括位移 电压 电流 电阻 频率 气压等 由于检测仪表的输出信号种类繁多 且信号较弱不易察觉 一般都需要将其经过变送器处理 转换成标准统一的电气信号 如4 20mA或0 10mA直流电流信号 1 5V电压信号 0 02 0 1MPa气压信号 送往显示仪表 指示或记录 或同时送往控制器对被控变量进行控制 有时将检测元件 变送器及显示装置统称为检测仪表 或者将检测元件称为一次仪表 将变送器和显示装置称为二次仪表 一 测量过程与测量误差 测量过程在实质上都是将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程 而测量仪表就是实现这种比较的工具 测量误差指由仪表读得的被测值与被测量真值之间的差距 通常有两种表示方法 即绝对误差和相对误差 绝对误差 xi 仪表指示值 xt 被测量的真值 由于真值无法得到 x 被校表的读数值 x0 标准表的读数值 相对误差 二 仪表的性能指标 1 精确度 简称精度 说明 仪表的测量误差可以用绝对误差 来表示 但是 仪表的绝对误差在测量范围内的各点不相同 因此 常说的 绝对误差 指的是绝对误差中的最大值 max 相对百分误差 允许误差 仪表的 允越大 表示它的精确度越低 反之 仪表的 允越小 表示仪表的精确度越高 将仪表的允许相对百分误差去掉 号及 号 便可以用来确定仪表的精确度等级 目前常用的精确度等级有0 005 0 02 0 05 0 1 0 2 0 4 0 5 1 0 1 5 2 5 4 0等 小结 举例 例1某台测温仪表的测温范围为200 700 校验该表时得到的最大绝对误差为 4 试确定该仪表的精度等级 解该仪表的相对百分误差为 如果将该仪表的 去掉 号与 号 其数值为0 8 由于国家规定的精度等级中没有0 8级仪表 同时 该仪表的误差超过了0 5级仪表所允许的最大误差 所以 这台测温仪表的精度等级为1 0级 例2某台测温仪表的测温范围为 1000 根据工艺要求 温度指示值的误差不允许超过 试问应如何选择仪表的精度等级才能满足以上要求 解根据工艺上的要求 仪表的允许误差为 如果将仪表的允许误差去掉 号与 号 其数值介于0 5 1 0之间 如果选择精度等级为1 0级的仪表 其允许的误差为 1 0 超过了工艺上允许的数值 故应选择0 5级仪表才能满足工艺要求 8 某一标尺为0 1000oC的温度计出厂前经校验 其刻度标尺上的各点测量结果分别为 解 1 最大绝对误差 2 允许误差 按照靠系列的要求 选择等级低的为此温度计的精度等级1 0级 3 工艺要求 按照靠系列 根据工艺要求选取 要选择等级高的精度等级0 5级 所以此温度计不符合要求 那么求得 1 求出该温度计的最大绝对误差值 2 确定该温度计的精度等级 3 如果工艺上允许的最大绝对误差为8 问该温度计是否符合要求 仪表的精度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一 精度等级数值越小 就表征该仪表的精确度等级越高 也说明该仪表的精确度越高 0 05级以上的仪表 常用来作为标准表 工业现场用的测量仪表 其精度大多在0 5以下 仪表的精度等级一般可用不同的符号形式标志在仪表面板上 举例 1 5 1 0 如 根据仪表校验数据来确定仪表精度等级和根据工艺要求来选择仪表精度等级 情况是不一样的 根据仪表校验数据来确定仪表精度等级时 仪表的允许误差应该大于 至少等于 仪表校验所得的相对百分误差 根据工艺要求来选择仪表精度等级时 仪表的允许误差应该小于 至多等于 工艺上所允许的最大相对百分误差 小结 2 变差 变差是指在外界条件不变的情况下 用同一仪表对被测量在仪表全部测量范围内进行正反行程 即被测参数逐渐由小到大和逐渐由大到小 测量时 被测量值正行和反行所得到的两条特性曲线之间的最大偏差 测量仪表的变差 3 灵敏度与灵敏限 仪表的灵敏度是指仪表指针的线位移或角位移 与引起这个位移的被测参数变化量的比值 即 式中 S为仪表的灵敏度 为指针的线位移或角位移 x为引起 所需的被测参数变化量 仪表的灵敏限是指能引起仪表指针发生动作的被测参数的最小变化量 注意 上述指标仅适用于指针式仪表 在数字式仪表中 往往用分辨力表示 4 分辨力 分辨力 数字显示器的最末位数字间隔所代表的被测参数变化量 分辨率 仪表灵敏限 仪表输出能分辨和响应的最小输入变化量 分辨率是灵敏度的一种反映 对于数字式仪表而言 分辨率就是数字显示器最末位数字间隔代表被测量的变化与量程的比值 5 线性度 线性度是表征线性刻度仪表的输出量与输入量的实际校准曲线与理论直线的吻合程度 通常总是希望测量仪表的输出与输入之间呈线性关系 图3 2线性度示意图 式中 f为线性度 又称非线性误差 fmax为校准曲线对于理论直线的最大偏差 以仪表示值的单位计算 热电偶温度与热电势关系图 6 反应时间 反应时间就是用来衡量仪表能不能尽快反映出参数变化的品质指标 反应时间长 说明仪表需要较长时间才能给出准确的指示值 那就不宜用来测量变化频繁的参数 仪表反应时间的长短 实际上反映了仪表动态特性的好坏 仪表的反应时间有不同的表示方法 当输入信号突然变化一个数值后 输出信号将由原始值逐渐变化到新的稳态值 仪表的输出信号由开始变化到新稳态值的63 2 95 所用的时间 可用来表示反应时间 三 工业仪表的分类 1 按仪表使用的能源分类 气动仪表 电动仪表 液动仪表 以电为能源 信号之间联系比较方便 适宜于远距离传送和集中控制 便于与计算机联用 现在电动仪表可以做到防火 防爆 更有利于电动仪表的安全使用 一般结构较复杂 易受温度 湿度 电磁场 放射性等环境影响 优点 缺点 常用 2 按信息的获得 传递 反映和处理的过程分类 检测仪表 作用是获取信息 并进行适当的转换 显示仪表 作用是将由检测仪表获得的信息显示出来 集中控制装置 包括各种巡回检测仪 巡回控制仪等 控制仪表 可以根据需要对输入信号进行各种运算 执行器 可以接受控制仪表的输出信号或直接来自操作员的指令 对生产过程进行操作或控制 各类仪表的作用 3 按仪表的组成形式分类 基地式仪表特点是将测量 显示 控制等各部分集中组装在一个表壳里 形成一个整体 这种仪表比较适于在现场做就地检测和控制 但不能实现多种参数的集中显示与控制 这在一定程度上限制了基地式仪表的应用范围 基地式仪表单元组合仪表 化工生产中的单元组合仪表有电动单元组合仪表和气动单元组合仪表两种 国产的电动单元组合仪表简称DDZ仪表 气动单元组合仪表简称QDZ仪表 注意 单元组合仪表是将对参数的测量及其变送 显示 控制等各部分 分别制成能独立工作的单元仪表 简称单元 例如变送单元 显示单元 控制单元等 这些单元之间以统一的标准信号互相联系 可以根据不同要求 方便地将各单元任意组合成各种控制系统 适用性和灵活性都很好 第二节压力检测及仪表 一 压力单位及测量仪表 压力是指均匀垂直地作用在单位面积上的力 压力的单位为帕斯卡 简称帕 Pa 各种压力单位换算表 绝对压力 表压 真空度 负压 绝对压力 表压 真空度 负压 的关系 注意 工程上所指的压力指示值 大多是表压 测量压力或真空度的仪表按照其转换原理的不同 分为四类 1 液柱式压力计 它根据流体静力学原理 将被测压力转换成液柱高度进行测量 按其结构形式的不同 有U形管压力计 单管压力计 斜管压力计 优点 这类压力计结构简单 使用方便 缺点 其精度受工作液的毛细管作用 密度及视差等因素的影响 测量范围较窄 一般用来测量较低压力 真空度或压力差 液柱式压力计 2 弹性式压力计 它是将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量的 弹性元件受到被测压力作用而产生变形 而因弹性变形产生的弹性力与被测压力相平衡 测出弹性元件变形的位移就可测出弹性力 此类压力计有弹簧管压力计 波纹管压力计 膜式压力计等 重点 具有结构简单 使用可靠 读数清晰 牢固可靠 价格低廉 测量范围宽以及有足够的精度等优点 可用来测量几百帕到数千兆帕范围内的压力 优点 3 电气式压力计 它是通过机械和电气元件将被测压力转换成电量 如电压 电流 频率等 来进行测量的仪表 优点 应用广泛 4 活塞式压力计 它是根据水压机液体传送压力的原理 将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的质量来进行测量的 优点 缺点 测量精度很高 允许误差可小到0 05 0 02 一般作为标准型压力检测仪表来校验其他类型的测压仪表 结构较复杂 价格较贵 二 弹性式压力计 定义 弹性式压力计是利用各种形式的弹性元件 在被测介质压力的作用下 使弹性元件受压后产生弹性变形的原理而制成的测压仪表 1 弹性元件 弹性元件是一种简易可靠的测压敏感元件 当测压范围不同时 所用的弹性元件也不一样 弹性元件示意图 弹簧管式弹性元件如图 a 和 b 所示 薄膜式弹性元件如图 c 和 d 所示 波纹管式弹性元件如图 e 所示 弹性元件输入与输出的关系 2 弹簧管压力表 使用的测压元件单圈弹簧管压力表与多圈弹簧管压力表 普通弹簧管压力表 耐腐蚀的氨用压力表 禁油的氧气压力表等 燃烧爆炸必须具备的三个条件 1 有可燃物质 2 有助燃物质 3 着火点 氧用压力表在使用过程中 氧气是助燃物质 高速流动的氧气与管道摩擦会产生静电 极易达到油的着火点 这就满足了燃烧爆炸的第2 3个条件 因此 氧用压力表必须禁油 脱脂 消除燃烧爆炸的第1个条件 用途 注意 基本测量原理 单圈弹簧管是一根弯成270 圆弧的椭圆截面的空心金属管子 管子的自由端B封闭 另一端固定在接头 上 当通入被测的压力p后 由于椭圆形截面在压力p的作用下 将趋于圆形 而弯成圆弧形的弹簧管也随之产生扩张变形 同时 使弹簧管的自由端B产生位移 输入压力p越大 产生的变形也越大 由于输入压力与弹簧管自由端B的位移成正比 所以只要测得B点的位移量 就能反映压力p的大小 注意 弹簧管自由端B的位移量一般很小 直接显示有困难 所以必须通过放大机构才能指示出来 1 弹簧管 2 拉杆 3 扇形齿轮 4 中心齿轮 5 指针 6 面板 7 游丝 8 调整螺丝 9 接头 中心齿轮 在化工生产过程中 常需要把压力控制在某一范围内 即当压力低于或高于给定范围时 就会破坏正常工艺条件 甚至可能发生危险 这时就应采用带有报警或控制触点的压力表 将普通弹簧管压力表稍加变化 便可成为电接点信号压力表 它能在压力偏离给定范围时 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 电接点信号压力表 电接点信号压力表 1 4 静触点 2 动触点 3 绿灯 5 红灯 压力表指针上有动触点2 表盘上另有两根可调节指针 上面分别有静触点1和4 当压力超过上限给定数值时 2和4接触 红色信号灯5的电路被接通 红灯发亮 若压力低到下限给定数值时 2与1接触 接通了绿色信号灯3的电路 1 4的位置可根据需要灵活调节 电接点信号压力表 耐震压力表依靠内部冲灌阻尼油 硅油 甘油 和配套缓冲装置等措施以克服环境强烈震动和介质强烈脉动给压力表带来的损害 确保测量准确性 具有良好的耐震性能 适用于被测介质的压力有强烈脉冲变化或压力冲击和在生产工艺中经常突然卸荷的场合 以及环境震动较大的场所 耐震压力表 耐震压力表 三 电气式压力计 定义 电气式压力计是一种能将压力转换成电信号进行传输及显示的仪表 组成 电气式压力计组成方框图 当压力传感器输出的电信号进一步变换成标准统一信号时 又将它称为压力变送器 物理量的形式和数值范围都符合国际标准的信号 压力变送器 标准信号 几种常见的传感器或变送器 1 霍尔片式压力传感器 霍尔片式压力传感器是根据霍尔效应制成的 即利用霍尔元件 半导体 将由压力所引起的弹性元件的位移转换成霍尔电势 从而实现压力的测量 霍尔效应 霍尔电势可用下式表示 式中 UH为霍尔电势 RH为霍尔常数 与霍尔片材料 几何形状有关 B为磁感应强度 I为控制电流 稳压直流 的大小 将霍尔元件与弹簧管配合 就组成了霍尔片式弹簧管压力传感器 如图所示 霍尔片式压力传感器 1 弹簧管 2 磁钢 3 霍尔片 当被测压力引入后 在被测压力作用下 弹簧管自由端产生位移 因而改变了霍尔片在非均匀磁场中的位置 使所产生的霍尔电势与被测压力成比例 利用这一电势即可实现远距离显示和自动控制 注意 霍尔电势与磁感应强度和电流成正比 提高B和I值可增大霍尔电势UH 但两者都有一定限度 一般I为3 20mA B约为几千高斯 所得的霍尔电势UH约为几十毫伏数量级 导体也有霍尔效应 不过它们的霍尔电势远比半导体的霍尔电势小得多 2 应变片压力传感器 应变片式压力传感器利用电阻应变原理构成 电阻应变片有金属和半导体应变片两类 被测压力使应变片产生应变 当应变片产生压缩 拉伸 应变时 其阻值减小 增加 再通过桥式电路获得相应的毫伏级电势输出 并用毫伏计或其他记录仪表显示出被测压力 从而组成应变片式压力计 工作原理 金属导体或半导体材料的电阻值 R L A 电阻率 当受到轴向外力后 电阻的相对变化率为 dR R dL L dA A d 对金属材料d 很小可以忽略不计 所以 dR R dL L dA AdA A 2dD D dD D dL L dL L代入dR R dL L dA A所以dR R 1 2 材料的泊松系数 轴向应变 应变片压力传感器示意图 1 应变筒 2 外壳 3 密封膜片 应变筒 3 压阻式压力传感器 压阻式压力传感器利用单晶硅的压阻效应而构成 采用单晶硅片为弹性元件 在单晶硅膜片上利用集成电路的工艺 在单晶硅的特定方向扩散一组等值电阻 并将电阻接成桥路 单晶硅片置于传感器腔内 当压力发生变化时 单晶硅产生应变 使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成比例的变化 再由桥式电路获得相应的电压输出信号 工作原理 金属导体或半导体材料 R L A 电阻率 当受到压力后 电阻的变化率为 dR R d dL L dA A对半导体材料电阻的变化率主要是由d 引起dR R d 对半导体材料 d E dR R E K 半导体材料的压阻系数 纵向应力 E 弹性模量 纵向应变 半导体灵敏系数K E 压阻式压力传感器 1 基座 2 单晶硅片 3 导环 4 螺母 5 密封垫圈 6 等效电阻 特点 精度高 工作可靠 频率响应高 迟滞小 尺寸小 重量轻 结构简单 便于实现显示数字化 可以测量压力 稍加改变 还可以测量差压 高度 速度 加速度等参数 4 力矩平衡式压力变送器 力矩平衡式压力变送器是一种典型的自平衡检测仪表 它利用负反馈的工作原理克服元件材料 加工工艺等不利因素的影响 使仪表具有较高的测量精度 一般为0 5级 工作稳定可靠 线性好 不灵敏区小等一系列优点 举例 以DDZ 型电动力矩平衡压力变送器为例 DDZ 型系列为直流24V供电 输出4 20mA DC 两线制 安全防爆 被测压力p作用在测量膜片1上 通过膜片的有效面积转变成集中力Fi 即 f为膜片的有效面积 3 13 DDZ 型电动力矩平衡压力变送器示意图 1 测量膜片 2 轴封膜片 3 主杠杆 4 矢量机构5 量程调整螺钉 6 连杆 7 副杠杆 8 检测片 衔铁 9 差动变压器 10 反馈动圈 11 放大器 12 调零弹簧 13 永久磁钢 F1 F2 F3 1一高压容室 2一膜盒体 3一密封垫圈 4一低压容室 5一C形簧片 6一引出杠杆 7一膜盒硬芯 8一硅油 9一金属膜片 10一轴封膜片 F2 F1tan 差压变送器感测部分 该变送器是按力矩平衡原理工作的 根据主 副杠杆的平衡条件可以推导出被测压力p与输出信号I0的关系 当主杠杆平衡时 应有 3 14 式中 分别为Fi F1离支点O1的距离 3 15 将式 3 13 代入式 3 14 有 式中 为一比例系数 而 式中 分别为F2及电磁反馈力离支点O2的距离 将式 3 18 代入式 3 17 得 3 18 3 17 3 19 3 16 联立式 3 16 与 3 19 得 3 20 式中 为转换比例系数 5 电容式压力变送器 是一种开环检测仪表 具有结构简单 过载能力强 可靠性好 测量精度高等优点 其输出信号是标准的4 20mA DC 电流信号 电容式差压变送器原理图 1 隔离膜片 2 7 固定电极 3 硅油 4 测量膜片 5 玻璃层 6 底座 8 引线 根据平行板电容器的电容量表达式 C A d 电容极板间介质的介电常数A 两平行板覆盖的面积d 两板间距 电容式差压变送器的结构可以有效地保护测量膜片 当差压过大并超过允许测量范围时 测量膜片将平滑地贴靠在玻璃凹球面上 因此不易损坏 过载后的恢复特性很好 这样大大提高了过载承受能力 与力矩平衡式相比 电容式没有杠杆传动机构 因而尺寸紧凑 密封性与抗振性好 测量精度相应提高 可达0 2级 小结 常见压力传感器 工业压力变送器 数字压力变送器 通用压力变送器 隔离液位变送器 微压变送器 电容压力变送器 隔膜压力变送器 绝压变送器 微型探针压力计 暖风空调压力计 湿式压力变送器 本安压力变送器 OEM血压计 隔离压力变送器 高温压力变送器 9 已知某压力变送器测量范围为0 5 3MPa 变送器输出电流为4 20mA 请计算出输出电流Isc mA 与被测压力PX MPa 之间的静态方程式 解 因为输出电流与被测压力成正比 则有 得Isc 6 4PX 0 8 四 智能型压力变送器 智能型压力或差压变送器是在普通压力或差压传感器的基础上增加微处理器电路而形成的智能检测仪表 可进行远程通信 利用手持通信器 可对现场变送器进行各种运行参数的选择和标定 其精确度高 使用与维护方便 特点 举例 以美国费希尔 罗斯蒙特公司的3051C型智能差压变送器为例介绍其工作原理 罗斯蒙特公司3051C型智能差压变送器 4 20mA 方框图 进行温度补偿 手持通信器的连接示意图 3051C型智能差压变送器所用的手持通信器为275型 带有键盘及液晶显示器 可以接在现场变送器的信号端子上 就地设定或检测 也可以在远离现场的控制室中 接在某个变送器的信号线上进行远程设定及检测 1 组态 2 测量范围的变更 3 变送器的校准 4 自诊断 罗斯蒙特公司的3051C型智能差压变送器 手持通信器 五 压力计的选用及安装 1 压力计的选用 压力计的选用应根据工艺生产过程对压力测量的要求 结合其他各方面的情况 加以全面的考虑和具体的分析 一般考虑以下几个问题 仪表类型的选用 仪表精度级的选取 仪表测量范围的确定 重点 自动化仪表工程施工及验收规范 编号为GB50093 2002 一般压力表 国家标准GB T1226 2001 按压力容器的设计压力 P 分为 低压 中压 高压 超高压四个压力等级 具体划分如下 1 低压 代号L 0 1MPa P 1 6MPa2 中压 代号M 1 6MPa P 10MPa3 高压 代号H 10MPa P 100MPa4 超高压 代号U P 100MPa 压力容器的压力等级 压力表表示方法 Y 压力表 表壳公称直径 mm 100150 结构形式 无代号 径向Z 轴向T 径向带后边Q 带前边 Y表示压力 A表示氧气 M表示l螺纹等 XC表示磁助电接点 E表示膜合 F表示防腐 G表示隔离式 J表示精密或矩形 M表示隔膜 N表示耐震 P表示膜片 T表示弹簧管 W表示差压 Z表示真空或阻尼 X表示信号或电接点 B表示不锈钢 在后面表示防爆或标准 压力表字母意义 径向 指压力接口与压力表的度盘平行 即压力接口在度盘下方轴向 指压力接口与压力表的度盘中心轴平行 即压力接口在度盘背后带前边 指安装边在前面 安装后压力表面贴近仪表板 嵌入式带后边 指安装边在后面 安装后压力表面凸出仪表板一个压力表的厚度 压力表结构 YBF 100 径向无边表盘100mm的不锈钢耐腐压力表 举例 举例 例 某台往复式压缩机的出口压力范围为25 28MPa 测量误差不得大于1MPa 工艺上要求就地观察 并能高低限报警 试正确选用一台压力表 指出型号 精度与测量范围 解由于往复式压缩机的出口压力脉动较大 所以选择仪表的上限值为根据就地观察及能进行高低限报警的要求 由本章附录一 可查得选用YX 150A型电接点压力表 测量范围为0 60MPa 由于 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 根据测量误差的要求 可算得允许误差为所以 精度等级为1 5级的仪表完全可以满足误差要求 至此 可以确定 选择的压力表为YX 150A型电接点压力表 测量范围为0 60MPa 精度等级为1 5级 2 压力计的安装 1 测压点的选择应能反映被测压力的真实大小 要选在被测介质直线流动的管段部分 不要选在管路拐弯 分叉 死角或其他易形成漩涡的地方 测量流动介质的压力时 应使取压点与流动方向垂直 取压管内端面与生产设备连接处的内壁应保持平齐 不应有凸出物或毛刺 测量液 气 体压力时 取压点应在管道下 上 部 使导压管内不积存气 液 体 2 导压管铺设 导压管粗细要合适 一般内径为6 10mm 长度应尽可能短 最长不得超过50m 以减少压力指示的迟缓 如超过50m 应选用能远距离传送的压力计 导压管水平安装时应保证有1 10 1 20的倾斜度 以利于积存于其中之液体 或气体 的排出 当被测介质易冷凝或冻结时 必须加设保温伴热管线 取压口到压力计之间应装有切断阀 以备检修压力计时使用 切断阀应装设在靠近取压口的地方 导压管 3 压力计的安装 压力计应安装在易观察和检修的地方 安装地点应力求避免振动和高温影响 测量蒸汽压力时 应加装凝液管 以防止高温蒸汽直接与测压元件接触 图3 17 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 右图 b 表示了被测介质密度 2大于和小于隔离液密度 1的两种情况 压力计安装示意图 压力计 切断阀门 凝液管 取压容器 压力计的连接处 应根据被测压力的高低和介质性质 选择适当的材料 作为密封垫片 以防泄漏 当被测压力较小 而压力计与取压口又不在同一高度时 对由此高度而引起的测量误差应按 p H g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 为安全起见 测量高压的压力计除选用有通气孔的外 安装时表壳应向墙壁或无人通过之处 以防发生意外 第三节流量检测及仪表 一 概述 介质流量是控制生产过程达到优质高产和安全生产以及进行经济核算所必需的一个重要参数 流量 单位时间内流过管道某一截面的流体数量的大小 即瞬时流量 总量 在某一段时间内流过管道的流体流量的总和 即瞬时流量在某一段时间内的累计值 定义 质量流量M 体积流量Q 如以t表示时间 则流量和总量之间的关系是 流量计 测量流体流量的仪表 计量表 测量流体总量的仪表 1 速度式流量计 以测量流体在管道内的流速作为测量依据来计算流量的仪表 2 容积式流量计 以单位时间内所排出的流体的固定容积的数目作为测量依据来计算流量的仪表 3 质量流量计 以测量流体流过的质量M为依据的流量计 质量流量计分直接式和间接式两种 分类 二 差压式流量计 差压式 也称节流式 流量计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而实现流量测量的 通常是由能将被测流量转换成压差信号的节流装置和能将此压差转换成对应的流量值显示出来的差压计以及显示仪表所组成 1 节流现象与流量基本方程式 1 节流现象 流体在有节流装置的管道中流动时 在节流装置前后的管壁处 流体的静压力产生差异的现象称为节流现象 节流装置包括节流件和取压装置 常用的截流装置有 孔板 喷嘴 文丘里 孔板装置及压力 流速分布图 孔板 要准确测量出截面 处的压力有困难 因为产生最低静压力p2 的截面 的位置随着流速的不同会改变 因此是在孔板前后的管壁上选择两个固定的取压点 来测量流体在节流装置前后的压力变化 因而所测得的压差与流量之间的关系 与测压点及测压方式的选择是紧密相关的 孔板结构 文丘里管 文丘里 喷嘴 喷嘴 2 节流基本方程式 流量基本方程式是阐明流量与压差之间定量关系的基本流量公式 它是根据流体力学中的伯努利方程和流体连续性方程式推导而得的 可以看出 要知道流量与压差的确切关系 关键在于 的取值 流量与压力差 P的平方根成正比 测量原理 影响孔流系数C0的因素 A0 A1 雷诺数Re1 du1 取压位置 孔口的形状 加工精度 需由实验测定 2 标准节流装置 国内外把最常用的节流装置 孔板 喷嘴 文丘里管等标准化 并称为 标准节流装置 标准化的具体内容包括节流装置的结构 尺寸 加工要求 取压方法 使用条件等 孔板断面示意图 如左图 标准孔板对尺寸和公差 粗糙度等都有详细规定 举例 其中d D应在0 2 0 8之间 最小孔径应不小于12 5mm 直孔部分的厚度h 0 005 0 02 D 总厚度H 0 05D 锥面的斜角 30 45 等等 需要时可参阅设计手册 举例 标准孔板采用角接取压法和法兰取压法 标准喷嘴为角接取压法 我国规定 标准节流装置取压方法 角接取压法 法兰取压法 分为 环式取压结构 1 管道法兰 2 环室 3 孔板 4 夹紧环 环室取压法能得到较好的测量精度 但是加工制造和安装要求严格 如果由于加工和现场安装条件的限制 达不到预定的要求时 其测量精度仍难保证 所以 在现场使用时 为了加工和安装方便 有时不用环室而用单独钻孔取压 特别是对大口径管道 标准节流装置仅适用于测量管道直径大于50mm 雷诺数在104 105以上的流体 而且流体应当清洁 充满全部管道 不发生相变 节流装置将管道中流体流量的大小转换为相应的差压大小 但这个差压信号还必须由导压管引出 并传递到相应的差压计 以便显示出流量的数值 3 差压式流量计的测量误差 在现场实际应用时 往往具有比较大的测量误差 有的甚至高达10 20 误差产生的原因 被测流体工作状态的变动 节流装置安装不正确 孔板入口边缘的磨损 导压管要正确地安装 防止堵塞与渗漏 否则会引起较大的测量误差 对于不同的被测介质 导压管的安装亦有不同的要求 下面分类讨论 测量液体流量时的取压点位置 测量液体流量时的连接图 1 节流装置 2 引压导管 3 放空阀 4 平衡阀 5 差压变送器 6 贮气罐 7 切断阀 导压管安装不正确 a 取压点应该位于节流装置的下半部 与水平线夹角 为0 45 b 引压导管最好垂直向下 如条件不许可 导压管亦应下倾一定坡度 至少1 20 1 10 使气泡易于排出 c 在引压导管的管路中 应有排气的装置 测量液体的流量时 应该使两根导压管内都充满同样的液体而无气泡 以使两根导压管内的液体密度相等 测量气体流量时 上述的这些基本原则仍然适用 a 取压点应在节流装置的上半部 b 引压导管最好垂直向上 至少亦应向上倾斜一定的坡度 以使引压导管中不滞留液体 c 如果差压计必须装在节流装置之下 则需加装贮液罐和排放阀 如图3 23所示 测量蒸汽的流量时 要实现上述的基本原则 必须解决蒸汽冷凝液的等液位问题 以消除冷凝液液位的高低对测量精度的影响 常见的接法见图3 24所示 测量气体流量时的连接图 1 节流装置 2 引压导管 3 差压变送器 4 贮液罐 5 排放阀 测量蒸汽流量的连接图 1 节流装置 2 凝液罐 3 引压导管 4 排放阀 5 差压变送器 6 平衡阀 差压计或差压变送器安装或使用不正确也会引起测量误差 由引压导管接至差压计或变送器前 必须安装切断阀1 2和平衡阀3 构成三阀组 如图3 25所示 测量腐蚀性 或因易凝固不适宜直接进入差压计 的介质流量时 必须采取隔离措施 常用的两种隔离罐形式如图3 26所示 差压计阀组安装示意图 1 2 切断阀 3 平衡阀 隔离罐的两种形式 三 转子流量计 1 工作原理 以压降不变 利用节流面积的变化来测量流量的大小 即转子流量计采用的是恒压降 变节流面积的流量测量方法 转子流量计的工作原理图 转子 或称浮子 直径略小于玻璃管的内径 转子密度须大于被测流体的密度 先按理想流体推导 此时摩擦力为零 考虑到实际转子不是圆柱状 流体非理想 将上式加一校正系数 得 转子流量计中转子的平衡条件是 可得 根据转子浮起的高度就可以判断被测介质的流量大小 或 将 p代入上两式 得 或 2 电远传式转子流量计 它可以将反映流量大小的转子高度h转换为电信号 适合于远传 进行显示或记录 LZD系列电远传式转子流量计主要由流量变送及电动显示两部分组成 1 流量变送部分 差动变压器结构 2 电动显示部分 LZD系列电远传转子流量计 3 转子流量计的指示值修正 转子流量计的流量标尺上的刻度值 对用于测量液体来讲是代表20 时水的流量值 对用于测量气体来讲则是代表20 0 10133MPa压力下空气的流量值 所以 在实际使用时 要根据具体体情况进行修正 1 液体流量测量时的修正 3 31 如果被测介质的黏度与水的黏度相差不大 可近似认为 是常数 则有 整理后得 同理可导得质量流量的修正公式为 当采用耐酸不锈钢作为转子材料时 t 7 9g cm3 水的密度 w 1g cm3 代入两式得 当介质密度 f变化时 密度修正系数KQ KM的数值见下表 密度修正系数