过程装备控制技术及应用2015第三章(3)

1、3.5 流量测量 3.5.1概述 流量是测量中的重要参数之一，是产品成本核算和能源科学管理 所必需的指标。因此，对流量测量方法及测量仪器的学习显的非常重 要。 用于流量测量的仪表叫流量计。常见的流量计有： 压差式流量计; 转子流量计; 电磁式流量计等。 流量检测 流量流量 检测检测 体积体积 流量流量 质量质量 流量流量 直接法直接法 (容积容积) 间接法间接法 直接法直接法 (推导法推导法) 间接法间接法 (速度速度) 测定单位时间内排出的标测定单位时间内排出的标 准固定体积的数量。准固定体积的数量。 测定管道内流体平均流速，测定管道内流体平均流速， 并乘以管道截面积。并乘以管道截面积。 检

2、测元件输出信号直接反映质检测元件输出信号直接反映质 量流量。量流量。 同时测量两个相关参数，通过同时测量两个相关参数，通过 运算求取质量流量运算求取质量流量 速度式速度式 差压式差压式 根据流体力学理论，通过截根据流体力学理论，通过截 流元件前后压差反映流量。流元件前后压差反映流量。 2 a. 体积流量测量方法分类表体积流量测量方法分类表 b. 质量流量测量方法分类表质量流量测量方法分类表 3 3.5.2 3.5.2 节流式流量检测仪表节流式流量检测仪表 利用流体在管道中通过阻力件时在利用流体在管道中通过阻力件时在 阻力件两端产生的压力差与流体阻力件两端产生的压力差与流体 流速关系测量流体流量

3、流速关系测量流体流量 孔板孔板 喷嘴喷嘴 文丘里管文丘里管 4 3.5.3 转子(浮子)流量计 转子转子( (浮子浮子) )流量计是以浮子在垂直锥形管中随着流量流量计是以浮子在垂直锥形管中随着流量 变化而升降变化而升降( (改变流通面积改变流通面积) )方式来进行测量的体积流方式来进行测量的体积流 量仪表。量仪表。 转子流量计外形图如下图所示。转子流量计外形图如下图所示。 5 3.5.4 涡街流量计 一种应用流体振动原理测量流量的仪表。一种应用流体振动原理测量流量的仪表。 它利用流体自然振动的卡门漩涡列原理进行流量测量它利用流体自然振动的卡门漩涡列原理进行流量测量 （通过测量振动频率获得流量信

4、号）。（通过测量振动频率获得流量信号）。 涡街流量计外形图如下图所示。涡街流量计外形图如下图所示。 6 3.5.5 电磁流量计 电磁流量计是基于法拉第电磁感应原理制成的一种流电磁流量计是基于法拉第电磁感应原理制成的一种流 量计，其测量原理如图所示。量计，其测量原理如图所示。 电磁流量计原理和外形如图所示。电磁流量计原理和外形如图所示。 7 3.5.6 容积式流量计 利用机械测量元件，把流体连续不断地分隔为单个的利用机械测量元件，把流体连续不断地分隔为单个的 固定容积部分排出，而后通过计数单位时间或某一时固定容积部分排出，而后通过计数单位时间或某一时 间间隔内经仪表排出的流体固定容积的数目来实现

5、流间间隔内经仪表排出的流体固定容积的数目来实现流 量的计量。有椭圆齿轮、腰轮等类型。量的计量。有椭圆齿轮、腰轮等类型。 椭圆齿轮流量计原理及实物如图所示。椭圆齿轮流量计原理及实物如图所示。 8 3.5.7 超声波式流量计 超声波在流体中传播时，受到流体速度的影响而载有超声波在流体中传播时，受到流体速度的影响而载有 流速信息，通过检测接收到的超声波信号可以测知流流速信息，通过检测接收到的超声波信号可以测知流 体流速，从而求得流体流量。体流速，从而求得流体流量。 超声波流量计实物如图所示。超声波流量计实物如图所示。 9 3.5.8 热式质量流量计 利用外部热源对管道内的被测流体加热，热能随流体利用

6、外部热源对管道内的被测流体加热，热能随流体 一起流动，通过测量因流体流动而造成的热量一起流动，通过测量因流体流动而造成的热量( (温度温度) ) 变化来反映出流体的质量流量。分内热式和外热式。变化来反映出流体的质量流量。分内热式和外热式。 内热式流量计原理如图所示。内热式流量计原理如图所示。 10 3.5.9 差压式质量流量计 差压式质量流量计是以马格努斯效应为基础的流量计，实差压式质量流量计是以马格努斯效应为基础的流量计，实 际应用中利用孔板和定量泵组合实现质量流量测量；常际应用中利用孔板和定量泵组合实现质量流量测量；常 见的有双孔板和四孔板与定量泵组合两种结构见的有双孔板和四孔板与定量泵组

7、合两种结构 。 a.a.双孔板结构双孔板结构 设主管道体积流量为设主管道体积流量为q qv v，且，且 满足满足q qq qv v， 则有：则有： 流经孔板流经孔板A A的体积流量：的体积流量： q qv v-q-q 流经孔板流经孔板B B的流量：的流量： q qv v+q+q 11 b. b. 四孔板结构四孔板结构 设设 流过孔板流过孔板A A的体积流量为的体积流量为q qA; A; 则：则： 流过孔板流过孔板B B、C C、D D的体积流量如的体积流量如 图中所示。图中所示。 用与上述计算相同的方法，可用与上述计算相同的方法，可 求出如下关系求出如下关系: : ， qqv: qqV: 23

8、 4 V ppKq q 14 4 V ppq q 四孔板与定量泵组合结四孔板与定量泵组合结 构不论构不论qqV，或，或qqV 均可测量。均可测量。 适于测量液体的质量流量，测量范围为适于测量液体的质量流量，测量范围为0.5250 kgh， 量程比为量程比为20 : 1，测量准确度可达，测量准确度可达0.5。 12 3.5.10 科里奥利质量流量计 是一种利用流体在振动管中流动而产生与质量流量成正比是一种利用流体在振动管中流动而产生与质量流量成正比 的科里奥利力的原理来直接测量质量流量的仪表。的科里奥利力的原理来直接测量质量流量的仪表。 其原理和实物图如图所示：其原理和实物图如图所示： 13 3

9、 .6.1 概述 物位是液位，料位以及界位的统称。其中液位指容器内液体介 质液面的高低。物位测量的主要目的在于测量容器中物料的存储量 ，以便对物料进行监控。 生产过程中的液面情况十分复杂，除常压，常温，一般性介质 水平液面情况外，还会遇到高温，高压，易燃易爆，粘性及多泡沫 沸腾状的液面情况。在实际操作过程中，对液位测量的要求是多方 面的，液位测量的范围变化也很大。针对这些不同情况，应选用不 同的液位计。 液位测量已经有很长的历史。在测量方法按工作原理可分为直 读式，浮力式，静压式，电容式，光纤式，激光式，核辐射式。面 3.6 液 位 测 量 物位检测物位检测 物位物位 仪表仪表 按测量按测量

10、方式分方式分 类类 能持续测量物位的变化，实时能持续测量物位的变化，实时 反映物位状态。反映物位状态。 按工作按工作 原理分原理分 类类 连续测量连续测量 定点测量定点测量 只监测物位是否达到上限、下只监测物位是否达到上限、下 限或某个特定位置，定点测量限或某个特定位置，定点测量 仪表一般称为物位开关。仪表一般称为物位开关。 采用侧壁开窗口或旁通管方式，直接显采用侧壁开窗口或旁通管方式，直接显 示容器中物位的高度。示容器中物位的高度。 直读式直读式 静压式静压式 浮力式浮力式 机械式机械式 电气式电气式 基于流体静力学原理，通过检测容器内基于流体静力学原理，通过检测容器内 流体的静压力确定容器

11、内液位。流体的静压力确定容器内液位。 利用漂浮于液面上的浮子，或者部分浸利用漂浮于液面上的浮子，或者部分浸 没于液体中的物质受到的浮力随液位而没于液体中的物质受到的浮力随液位而 变化来检测液位。变化来检测液位。 通过测量物位探头与物料面接触时的机通过测量物位探头与物料面接触时的机 械力实现物位的测量。械力实现物位的测量。 通过检测置于被测介质中的物位敏感元通过检测置于被测介质中的物位敏感元 件随物位变化时电量变化检测物位。件随物位变化时电量变化检测物位。15 3.6.2 直读式物位检测仪表 采用侧壁开窗口或旁通管方式， 直接显示容器中物位的高度。 代表仪表：玻璃管（板）式液 位计 主要用于液位

12、检测和压力较低 的场合液位就地指示。 16 3.6.3 静压式物位检测仪表 基于流体静力学原理，通过检 测容器内流体的静压力确定 容器内液位。 代表仪表：压力式、吹气式、 差压式液位计 17 3.6.4 浮力式物位检测 利用漂浮于液面上的浮子， 或者部分浸没于液体中的物 质受到的浮力随液位而变化 来检测液位。 前者称为恒浮力法，后者称 变浮力法。 代表仪表：浮子式液位计、 浮筒式液位计 应用于液位检测。 18 3.6.5 机械接触式物位检测 通过测量物位探头与物料面 接触时的机械力实现物位的 测量。 代表仪表： 重锤式、 旋翼式、 音叉式 主要应用于固体料位检测 19 3.6.6 电气式物位检

13、测 通过检测置于被测介质中的 物位敏感元件随物位变化时 电量变化检测物位。 代表仪表：电容式物位计 可用于液位检测，界面测量 或料位检测。 20 3.6.7 声学式物位检测 利用声波在介质中的传播速 度及在不同相界面之间的 反射特性来检测物位。 代表仪表：超声波物位计 可用于液位检测，界面测量 或料位检测 21 3.6.8 射线式物位检测 通过检测放射性同位素所放出的射 线穿过被测介质时被吸收的程度 检测物位。 代表仪表：射线式物位计 可应用于物位（液位、料位）的非 接触式检测。 其他物位检测方法：其他物位检测方法： 光学法、微波法、磁致伸缩式物位检测光学法、微波法、磁致伸缩式物位检测 22

14、现代化工生产过程中，为了保证原材料，中间产品 ，成品的质量和产量，可以利用温度，压力，流量等过 程参数进行测量和控制，这是间接的方法。而成分分析 仪表则可以随时监视原料，半成品，成品的成分及其含 量，达到直接检测和控制的目的。 3.7 物质成分分析 成分检测成分检测 成分成分 检测检测 按方按方 法法 按原按原 理理 实验室分析实验室分析 现场时时检测现场时时检测 电化学式电化学式 光学式光学式 磁学式磁学式 色谱式色谱式 物性测量仪表物性测量仪表 射线式射线式 电子光学式和离子光学式电子光学式和离子光学式 热学式热学式 24 3.7.1 热导式检测技术 主要用于对混合气体中某种成分含量的分析

15、。主要用于对混合气体中某种成分含量的分析。 常用于分析混合气体中常用于分析混合气体中H H2 2、C0C02 2、S0S02 2等组分的百分等组分的百分 含量。含量。 检测原理检测原理 热导式气体分析器是利用各热导式气体分析器是利用各 种气体具有不同的导热特性，种气体具有不同的导热特性， 通过测量混合气体的导热系数通过测量混合气体的导热系数 的变化，间接获得待测组分的的变化，间接获得待测组分的 含量。含量。 热敏电阻丝作用：热敏电阻丝作用： 通电加热、通电加热、 导热系数测定敏感元件导热系数测定敏感元件 原理图原理图 25 3.7.2 红外式成分检测 红外线气体分析仪：红外线气体分析仪： 根据

16、气体对红外线的吸收特性来检测混合气体中某一组根据气体对红外线的吸收特性来检测混合气体中某一组 分含量的检测仪器。分含量的检测仪器。 红外线气体成分检测依据：红外线气体成分检测依据： 气体对红外线的吸收特性及产生热效应性质，气体对红外线的吸收特性及产生热效应性质， 26 3.7.3 色谱分析方法 色谱仪具备对被测样品进行全面的分析，鉴定混合物的组成色谱仪具备对被测样品进行全面的分析，鉴定混合物的组成 组分及测出各组分含量的能力。组分及测出各组分含量的能力。 色谱仪是基于介质中不同的组分相对于某一物质具有不同的色谱仪是基于介质中不同的组分相对于某一物质具有不同的 吸附（溶解）力，利用色谱柱实现混合

17、物各组分的分离，吸附（溶解）力，利用色谱柱实现混合物各组分的分离， 同时按各组分从色谱柱排出的先后顺序分别测量，并根据同时按各组分从色谱柱排出的先后顺序分别测量，并根据 各组分出现的时间以及测量值的大小确定混合物的组成以各组分出现的时间以及测量值的大小确定混合物的组成以 及各组分的浓度。及各组分的浓度。 27 3.7.4 固态电解质气敏元件及氧化锆氧检测仪 1 1）固态电解质）固态电解质 由于结构的特殊性，部分离子可以相对自由地在晶格结构由于结构的特殊性，部分离子可以相对自由地在晶格结构 内移动，表现出一定的导电性能的固态无机材料内移动，表现出一定的导电性能的固态无机材料 。 n通用固态电解质

18、：通用固态电解质： 不受被测气体性质所限制，可制成多种气敏传感器的固态不受被测气体性质所限制，可制成多种气敏传感器的固态 电解质。电解质。 注意：注意： 通用固态电解质通用固态电解质本身不具备气敏功能本身不具备气敏功能，必须与气敏膜联合，必须与气敏膜联合 使用而构成加膜型气敏传感器。使用而构成加膜型气敏传感器。 通用固态电解质的材料主要有各种通用固态电解质的材料主要有各种- -氧化铝、钠离子超离氧化铝、钠离子超离 子导体子导体(Nasicon)(Nasicon)和沸石等和沸石等 分类：分类： 通用固态电解质通用固态电解质 气敏固态电解质气敏固态电解质 28 2 2）氧化锆氧含量检测原理）氧化锆氧含量检测原理 氧化锆是一种氧离子固态电解质（具有选择性）。氧化锆是一种氧离子固态电解质（具有选择性）。 特性：特性： 纯纯ZrOZrO2 2晶体在高温时以正方的氟化物结构存在，具有晶体在高温时以正方的氟化物结构存在，具有 很高的离子电导率；当温度降至很高的离子电导率；当温度降至10001000以下时转化为单以下时转化为单 斜晶结构，其离子电导率很低。斜晶结构，其离子电导率很低。 氧化锆敏感元件氧化锆敏感元件 氧化锆敏感元件是在纯氧化锆中渗入一