过程控制技术第2章(2).

1、 流量是现代工业生产中重要的过程参数之一。在流动介质的工艺流程中，具有气体、液体或固体粉末的物料通过管道在设备之间按比例或流速进行配比和传输，参与各种物理和化学反应，最后被制成产品。因此，流量的测量直接与产品的生产操作与控制相联系，关系到产品的数量与质量，同时，它也涉及节能、经济核算等问题。 2.4.1 流量的概念与流量计的分类流量的概念与流量计的分类 流量分为瞬时流量和累计流量。单位时间内流过工艺管道某截面的流量称为瞬时流量，简称流量；某时间段内流过工艺管道某截面的流体总量称为累积流量。流量单位可用体积表示，如立方米小时（ ），升分钟（ ）等，也可用质量表示，如千克秒（ ）、吨小时（ ）等。

2、3m / hL/mkg/sT/h 体积流量与质量流量的关系为 mvQQ其中， 为体积流量， 为质量流量， 为流体密度。 vQmQ 目前，尽管流量的测量方法很多，但是并没有一个统一的分类方法。按测量原理不同，流量计可分为：差压式、速度式、容积式、超声波式和电磁式等，具体见表 2-5。 2.4 流量检测与变送流量检测与变送表表 2-5 几种常用的流量计及其特点几种常用的流量计及其特点 类型内容差压式转子式电磁式容积式超声波测量原理伯努利方程定压降环形面积可变原理法拉第电磁感应定律测输出轴转数超声波传播时间差被测介质液体气体液体气体导电性液体气体液体液体气体测量精度2(12)(0.51.5)(0.2

3、0.5) (0.2-0.5)安装直管段需要不需上游需，下游不需不需需要压头损失较大有几乎没有有没有更换量程难改变送器刻度难改浮子重量易调量程难可以口径（mm）50100021502240010300较大生产成本中等低高较高较高2.4.2 几种常用的流量计几种常用的流量计 1. 电磁流量计（Electromagnetic Flowmeter） 电磁流量计是一种基于法拉第电磁感应原理工作、用来测量管道中导电性液体流量的仪表。它不仅可测量各种腐蚀性酸碱盐溶液流量，而且还可测量医药和食品等行业部门的流量产品，如牛奶、血浆和酒类等。 电磁流量计原理如图 2-26 所示，在不导磁的管道两侧，放有南北两极的

4、电磁铁，在与磁场垂直的方向上，置有一对与被测液体接触的电极 a 和 b。当被测的导电液体在管道内以速度 v 通过管道时，相当于一根管内径为 D 的导线切割磁力线，因而产生感应电势，并由两电极引出，其大小为 ekBDv（2-8） 其中，e为感应电动势，B为磁感应强度，D为管道内径，v为流体流速，k为常数。图2-26 电磁流量计原理图 由于流量Q与流速v和管道内径D的关系为 ，所以有 2/ 4QD v4QDvD将其带入式（2-8），当磁感强度 B 不变时，有 14kBeQk QD其中 为仪表常数。 14/ kBkD 由此可知，感应电动势 e 与流量 Q 成正比。通常 e 只有几到几十毫伏，需进行放

5、大，然后送显示仪表或控制器。 电磁流量计的特点是：使用可靠、寿命长、无测量滞后现象；如果在测量管道内装有防腐蚀衬里，可测量各种腐蚀性介质的流量。但是该流量计要求所测介质有足够的导电率，所以它不可测油类、气体和蒸汽之类物体的流量。 2. 差压流量计（Differential Pressure Flowmeter） 差压式流量计也称节流式流量计，它是流量测量仪表中应用最广泛的仪表之一，它利用流体流经节流装置时产生压力差实现流量测量。它由节流装置和差压计两部分组成，前者将被测流量转换成差压信号，后者将差压信号转换成电信号。 节流装置包括节流件和取压装置，节流件是使管道中的流体产生局部收缩的元件，应用

6、最广泛的是孔板（Pore Plate），其次为喷嘴（Nozzle）、文丘里管（Venturi Tube）等。本处以孔版为例，讨论测量原理。 图 2-27 a）为孔板流量计示意图，孔板被安装在管道内，为板块状，中央开有一个小于管道截面积的圆形孔。流体流经节流装置孔板时，流速加快，静压力降低，于是在其进出口前后形成压力差，用差压计测出该压力差。流量越大，前后差压也越大。差压计将这种差压大小转换成相应的电信号（类似上节的电容式差压变送器），并经过加工调理，变为标准的电信号输出。 图 2-27 孔板前后压力、流速图 流体在管道截面 I 前未受到节流装置影响，其静压力为 ，平均流速为 ，流体密度为 。当

7、流体接近孔板时，由于流通面积的减小，流束收缩，流速加快，流体迅速通过孔板，并在管道截面处，流束达到最小，流速达到最大，为 ，静压力减为 ，流体密度为 。随后流束逐渐扩大，流速减慢，到管道截面处时，流速 恢复为 ，由于流体在管道中流动时会产生能量损耗，此时的静压力 会小于 。具体变化过程见图 2-27 b）。 1p1v12v2p23v1v3p1p 假如流体为不可压缩，即 ，由伯努利方程和流体的连续性，有 22112222vpvp（2-9） 其中， 、 分别为流体在横截面I-I和-处的面积， 为单位时间内的流体体积。由式（2-9）和式（2-10）有1S2SvQ122221211ppvSS（2-11

8、） 由于 和 要在流束截面收缩到最小的地方测取，而该位置是随流体流速的不同而变化的，实际获取很困难。实际测量中，往往用固定取压点测得的压力差代替它们，即用紧挨孔板前后的管壁压差 ，代替 ，见图 2-27 中的 b）图。它们之间的关系可以引入一个修正系数 来建立： 。 2p2S12pp12pp21212ppppv1 122QS vS v（2-10） 12另外，引入截面收缩系数 和孔板孔对管道的面积比系数m 分别为 20SS01SmS， 其中 为孔板开口面积。带入式（2-11）后有0S1222221ppvm代人式（2-10），有 v2202QS vS v1202221ppSm 设流量系数为 221

9、m（2-12） 则体积流量为12v02 ppQS质量流量为mv0122QQSpp 体积流量或质量流量的表达式说明，流体的流量与节流元件的前后压差的平方根成正比。因此，选用差压流量变送器，即带有开方运算功能的差压变送器，可直接与节流装置配合起来（见图 2-27 a）图），实现流量与输出电流之间的线性关系，完成流量测量任务。 流量系数 是一个受很多因素影响的综合系数，其大小与节流装置的形式和尺寸、面积比系数m、取压方式、管道内壁粗糙程度以及流体流动状态等因素有关。可用实验方法确定。另外，人们对差压流量计已有大量的研究和实践，积累了不少数据资料，使用时可查阅相关手册。 3. 转子流量计（Rotame

10、ter Flowmeter） 转子流量计普遍用于小管径（50mm以下）、小流量（几升小时）的测量，但也有用于中等流量的测量，一般测量精度为 1.52.5%，压力损失较小。由于节流元件不固定地安置在管道中，而是用一个可以上下移动的转子，并且安装时需垂直，所以称作转子流量计。 转子流量计的基本结构如图 2-28 所示，它由锥形管和转子组成。当被测流体自下而上通过锥形管时，由于转子的限流作用，在转子前后出现压差 ，它对转子产生一个向上 12ppp的推力，于是转子向上运动。当该推力与转子的重力相等时，转子便悬浮在锥形管中某一位置（高度），并保持平衡。此时的力平衡方程为rfS pgV其中，S 为转子的最

11、大横截面积， 为转子材料的密度， 为被测流体密度，g 为重力加速度，V 为转子体积。 rf 测量流量时，由于S、 、 、 g 和 V 均为常数，所以转子平衡时压力差也为恒值 图 2-28 转子流量计测量原理示意图 mfrf12gVpppS（2-13） 由于转子也属节流（限流）元件，流量的计算公式也适用于该处，其体积流量为 v0f2QSp(2-14) 其中 为流量系数，见式（2-12）， 为圆锥形测量管的环形缝隙流通面积，它与转子的高度 h 有关 0S0Sk h（2-15） 将式（2-13）和式（2-15）带入式（2-14），得 rfv0ff22gVQSpkhS 显然，体积流量与转子在锥形管中的

12、高度呈近似的线性关系。因此，从转子在锥形管中的高度位置，可以确定流量的大小。由于很多场合需要被测流量的电信号，所以，可用转子带动铁芯在差动变压器中作向上或下的移动，将转子的位置信息转化为电信号，经放大调理后输出，见图 2-28 上半部分。 4. 椭圆齿轮流量计（Oval Gear Flowmeter） 椭圆齿轮流量计属于容积式流量计（Volumetric Flow-meter），它是通过测量流体经过固定小容积的次数来测量流量。椭圆齿轮流量计由金属壳体、半月形容器和一对相互啮合的椭圆齿 轮组成，其基本结构如图 2-29 所示。 当流体自左向右流过时，由于阻力存在，所以有压力损失，即进口压力 大于

13、出口压力 。在压力差作用下，齿轮 A 对齿轮轴产生一个回转力矩，作顺时针转动，但齿轮 B 合力通过轴心，力矩为零。回转力矩将 A 轮与壳体间半月形容器内的流体推至出口，且带动齿轮B转动，见图 2-29 a)；在图 2-29 b) 位置时，A 和 B 轮均有转动力矩，继续转动，并将 B 轮与壳体间的半月形容器充满流体；当转到图 2-29 c) 所示位置时，作用在 A 轮上的合力矩为零，B轮上的合力矩为最大，它做逆时针转动，将其半月牙形容器中的流体排到出口处，并带动A轮转动。如此继续下去，当椭圆齿轮流量计转动一周时，有四个半月牙形容器中的流体被排出。假如半月牙形容器的容积为V，椭圆齿轮转速为n，则

14、被测流体体积流量为 v4QnV 图 2-29 椭圆齿轮流量计测量原理示意图c)b)a) 5. 超声波流量计（SupersonicUltrasonic Flowmeter） 超声波流量计是一种非接触式流量测量方法，它通过换能器发射的超声波，穿过流动的流体，被接收换能器接收，经过信号处理，获得反映被测流体流量的信号。通常有传播时间法、旋涡法和多普勒效应法等。下面以传播时间法为例，讨论其测量原理。 由此可知，测量椭圆齿轮转速，便可知流体体积流量；累计其转数，则可知时间段内流体流过的总量。 椭圆齿轮流量计是按固定容器来计量流体流量，其量程与齿轮转速和半月牙形容器相关。当被测液体粘度较大时，由于齿轮间隙

15、中漏掉的液体较少，测量误差也随之而小，所以它很适合高粘度流体的测量，如重油、润滑油等。如果加工和安装严格按标准做，其测量精度可达0.20.5，所以该类流量计常作为精密测量或标准仪表来用。但是，这类流量计不宜用于流体中夹杂有固体颗粒的情况，因为颗粒将磨损或卡住齿轮。另外，该流量计对流体的温度也有要求，因为热胀冷缩影响齿轮的运行和精度。 传播时间法是依据声波在流体中的传播速度，在顺流时会增大、逆流时会减小的原理测量流体流速的。它有时间差法、相位差法和频率差法之分。时间差法是利用超声波因在顺流和逆流中的传播时间不同，而产生时间上的差别来测量流速和流量的。图2-30为时间差法测量原理图。 管道中，安装

16、有两对声波传播方向完全相反的超声波换能器，发射器和接收器之间的距离相同，设为L，假如超声波在静止流体中的传播速度为 ，流体的流速为v，当超声波在流体中的传播方向与流体方向一致时，传播速度为 ；当超声波在流体中的传播方向与流体方向0v0vv图 2-30 超声波时差法测量原理图图 2-31 超声波流量计的安装示意图相反时，传播速度为 ，它们从各自的发射器到达接收器的时间分别为0vv10Ltvv20Ltvv， 两者的时间差为21222000022LLLvLvtttvvvvvvv（2-16） 式中，被测流体流速 v 远远小于超声波在静止流体中的传播速度 ，所以 v 被忽略。由式（2-16）有202vv

17、tL（2-17） 0v在已知 D 和 的情况下，只要测得 ，便可获得流体流速 v ，进而知道流体体积流量 0vt202vvQvStSL其中，S 为管道横截面积。 以上从测量原理方面讨论了传播时间法的超声波流量计，超声波换能器在管道中的实际安装还要考虑不与流体接触、安装和维护的方便性等问题。图 2-31 为超声波流量计的安装示意图。由于超声波在流体中的传播方向与管轴线成 角，所以式（2-17）变为 20tg2vvtD其中D为管道直径。获得v后，乘以管横截面积即可知体积流量。 该方法的缺陷是：时间差 数值较小，不足微秒，测量时难以做到准确。另外，超声波速 受温度影响而产生变化。相位差法也有超声波速

18、度受温度影响的问题，但是，频率法测流速可以不受声速变化影响，因而被广泛使用。 t0v 频率法根据超声脉冲在顺流、逆流中的重复频率差测量流速。与时差法一样，它由顺流发射-接收器、逆流发射-接收器组成，测量时发射器发射一个脉冲，经流体传播，被接收器接收后，放大并送回发射器发射第二个脉冲，一直循环下去。两组发射-接收器的循环频率分别为 01vvfL02vvfL， 显然，顺流频率高于逆流，其差值为122vfffL于是有2Lvf（2-18） 式（2-18）表明，只要测得确定时间内两系统脉冲循环频率之差，即可获得流速，乘以管横截面积即为体积流量。 由于超声波流量计不与被测流体直接接触，它不影响被测流体的流

19、动，也不被流体磨损或腐蚀，从而保证流量计的使用寿命，所以使用范围较广，测量精度高，量程可达 201。但是，该流量计要求流体清洁、均匀，并且测量管前要有足够长的直管段，避免干扰，确保流速平缓。 还有一些流量计，如涡轮流量计、旋涡式流量计等，限于篇幅和学时，恕不逐一讨论。如果有需要，读者自己可以进一步补充学习。 2.5 物位检测与变送物位检测与变送 物位（Material Level）是工业生产中另一个重要的过程参数。通过对罐、釜、塔中的物位进行测量，可以掌握容器中所储物质的压力、体积或质量，以便及时调节流入流出容器的物料平衡，保证生产过程中各个环节所需的材料与配比。另外，通过物位的测量，还可以了

20、解生产流程是否正常、监督生产状况，确保产品的质量和数量，以及生产安全。 物位是指物质材料所处的位置高度或界面，它包括液位、料位和界位等三种。液位是液体在容器中的储存高度，料位通常指固体粉末或颗粒状物质的堆积高度，界位是两种密度不同、并且不相容的液体介质的分界面。物位检测主要是对生产过程中封闭或敞开容器中物质材料的高度进行测量。对物位高度进行检测又分为连续测量和限位测量，后者只对物料高度是否达到某一位置进行识别或确认。完成物位测量任务的仪表称为物位计（Materiel Level Meter）。 按照工作原理的不同，物位计分为：浮力式物位计、静压式物位计、电容式物位计、核辐射式物位计、超声波物位

21、计、光学式物位计和雷达式物位计等。其中，浮力式和静压式物位计仅适用于液位测量，其它物位计既可用于液位测量，又可用于料位测量。 2.5.1 差压式液位计差压式液位计 根据流体静力学理论，容器底部静止液体某一点的静压力与该点之上的液体高度成正比。所以，可以通过测量压力或压差来检测液位。静压式液位计（Liquidometer）分为差压式和压力式两类，差压式适用于封闭容器的液位检测，压力式适用于敞口容器的液位检测。 1液位测量原理 在一个密封的容器中，容器底部的液体压力不仅与液位高度有关，而且还与液面上部的气体压力有关。在图2-32中，从容器底部和顶部（液面上部）分别引出一根导压管，接至差压变送器正压

22、室和负压室。容器上部为干燥气体，设上部和底部压力分别为 和 ，变送器正负室压力分别为 和 。于是有 apbpppabph gppapp， 图 2-32 差压式液位变送器测量原理 此时差压变送器的压差为ppph g其中，h为自取压点以上的液位高度， 为流体密度，g为重力加速度。 （2-19） 当被测流体密度已知后，差压与被测液体高度成正比，即可用测量差压来获得流体高度的信息。 如果图 2-32 中的容器不是密封的，则负压室压力就是大气压，其引压管可拆除，直接通空气。也可以用压力式的静压液位计测液位。 2零点迁移问题 从式（2-19）可知，当 时， ，差压变送器输出为零点电流信号4mA，这种情况不

23、涉及零点迁移。但是，在实际中，有时会遇到零点迁移问题，即当 时， ，且 时，称为正迁移， 时，称为负迁移。零点迁移在此就是要抵消固定差压，实现 时， ，输出电流为 4mA。下面以负迁移为例，加以讨论。 0h 0h 0p 0p 0p 0p 0p 0h 假设容器中的液体具有腐蚀性或者含有固体颗粒，为了防止其腐蚀变送器或堵塞引压管，在变送器正、负压室与取压点之间，通常装有隔离罐，其内充有隔离液。带隔离罐的液位测量示意图如图 2-33 所示。 图2-33 有隔离罐的液位测量示意图 设被测液体密度为 ，隔离液密度为 ，且通常有 。此时变送器正、负压室的压力以及两者之差分别为 1221a120pphgh

24、ga2 1pph g1210()pppghhh g， 其中 为正压室隔离罐液位到变送器的高度， 为负压室隔离罐液位到变送器的高度。 0h1h（2-20） 从式（2-20）可知，当被测液位高度 时， ，变送器输出在零点信号4mA以下，这在测量仪表中无法表示。与式（2-19）相比，这就相当于在变送器中额外增加了一项固定的负压力，从而使液位计在液位为零的附近无法给出正确结果。为此，必须想办法，使液位在零点和满点时能与变送器的下、上限值相对应。即抵消固定项： ，并使 时，变送器输出为 4mA， 时，变送器输出为 20mA。完成这项抵消固定压差、实现零点对齐的方法称为零点迁移。 0h 210()0phh

25、 g 210()phh g 0h maxhh 具体实现零点迁移的方法可以通过调整仪表的迁移弹簧来实现，也可以调整仪表电路的参数来达到目的。 零点迁移改变了测量仪表的零点，与此同时，它也改变了测量的上限。这相当于测量范围的平移，但是它并不改变变送器输出信号的量程大小。本例中的零点( )，由原来的压差为负向零迁移，称为由负向零迁移（简称负迁移）；与此类似，也有正迁移的概念，只是方向不同而已。图 2-34 表示了这种正负迁移的意思。 0h 图 2-34 差压液位变送器正负迁移 2.5.2 电容式物位计电容式物位计 利用在电容的两极板之间加入被测介质，可以改变电容容量这一特点，通过介质在两极板之间液位

26、或料位的变化，获得电容量的变化， 然后将电容量的变化通过电桥电路转变为电流或电压变化，这就是电容式物位计。 1. 电容式液位传感器 现以液位检测中广泛使用的同心圆柱式电容液位计为例，讨论其测量原理。图 2-35 是由两个同轴不同直径的柱板构成的电容器置于某容器中，外柱板（外电极）开有多个小孔，以便于被测液体进入，外柱板与内柱板（内电极）之间用绝缘套固定。当容器中的液位为零时，两电极之间充满介电常数为 的空气，其电容量为 0002ln/LCD d其中，L 为两极板相互遮盖部分的长度，D 和 d 分别为外电极的内径和内电极的外径。显然，当制造定型后，D 和 d 为定值。 图2-35 非导电液体液位

27、测量 现在往容器中加以深度为h的不导电液体（介电常数为 ），则电容量 C 由两部分组成，一部分为两极间充有待测液体的分电容 ，另一部分为充满空气的分电容 1C2C12ln(/)hCD d022()ln(/)LhCD d， 由于这两部分电容以并联的形式形成圆筒形总电容，按电容并联的法则，总电容应为 0122()2ln(/)ln(/)LhhCCCD dD d于是，此时的电容 C 与未充液体时的电容 之间的变化量为 0C002()ln(/)hCCCk hD d（2-21） 即电容量的变化与液位高度 h 成正比。式（2-21）中， , 为比例系数。由 k 可知，如果液体介质的介电常数 与空气介电常数

28、差别越大，k 值也越大，仪表越灵敏；电容器两极板间距越小（d 越接近D），k 值也越大。但是，间距过小，粘滞液体容易对电极表面的粘附造成虚假液位。 02()/ln(/)kD d0 假如被测液体是可导电的，内电极可用铜或不锈钢棒料，并在外面套上塑料管或搪瓷绝缘层，固定在相应位置。如果容器是金属的，则外电极可用容器外壳代替。此时，若容器中无液体，两极之间是空气和棒上的绝缘层，电容较小；若注有高度为 h 的液体，由于液体的导电性，外电极将延伸至内电极的绝缘层，使电容量增加显著，但仍有液位与电容变化量之间成正比的关系。 2. 料位检测 当被测物体不是液体，而是固体小块状、颗粒或粉状时，用电容法也可测其

29、物位。由于固体间的磨损较大，并且不像液体无一定形状，所以通常用电极棒与容器壁（金属制）构成电容器的两极，以此测量不导电固体小块、颗粒或粉状物位，如图 2-36 所示。当然，误差和精度方面，根据固体块状和颗粒大小一般会比液体介质要稍大和差些。 3. 将电容变化转变为电流电压变化 电容物位传感器将物位的变化转变为电容量的变化，通常需将电容量的变化转变为相应的电流或电压的变化。常用的方法有交流电桥法、谐振电炉法等，下面谈谈利用高频交流电桥来实现电容到直流电流的转变。 图 2-36 电容式料位测量 图 2-37 交流电桥电容-电流转换电路 图2-37是用交流电桥将电容量变化转变为电流变化的电路。高频电源 E 经电感 和 耦合到 和 。 、 、 ，以及 与 串联组成了四个桥臂，分别称为BC、CD、DA 和 AB臂。可变电阻 可用来调整仪表零点，使电桥平衡时，即 时，电桥无电流输出。当测量工作进行时，将被测电容 接入桥臂，仅在检查仪表时才接入 ，断开 。当物位变化时， 也随之而变，不平衡电流经二级管 V 整流后输出，毫安表显示电流大小。该电流就是物位的电信号。 1L4L2L3L2L3LxC1R1C1RABCDBCDAZZZZxCxCxC2C2.5.3 雷达式物位计雷