2.第二章+石油化工过程测量仪表.ppt

1、第二章 石油化工过程测量仪表,第一节 概述 第二节 温度检测及仪表 第三节 流量检测及仪表 第四节 压力检测及仪表 第五节 物位检测及仪表,第一节 概述,一、参数的测量 参数检测：将被测参数经过一次或多次能量的交换，获得一种便于显示和传递的信号的过程。,传感器又称为检测元件或敏感元件，它直接响应被测变量，经能量转换并转化成一个与被测变量成对应关系的便于传送的输出信号，如mV、V、mA、Hz、位移、力等等。 传感器的输出信号种类多，一般需要将其转换成如010mA、420mA等标准统一的模拟量信号或者满足特定标准的数字量信号，这种检测仪表称为变送器。,二、检测仪表的性能,1. 准确度与误差 准确度

2、：测量值与 的接近程度。 绝对误差：仪表测得的测量值xi与被测真值xt之差。 相对误差：绝对误差与被测量真值之比。 实际相对误差：绝对误差与被测量真值之比； 示值相对误差：绝对误差与仪表指示值之比； 引用相对误差：绝对误差与仪表满刻度值之比。 允许误差：最大引用相对误差。 精确度（简称精度）：仪表检测微小参数变化的能力。我国生产的仪表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,被测真值,真实值,例1：某台测温仪表的测温范围是200700，校验该表时得到的最大绝对误差为+4 ，试确定该仪表的精确等级 解：

3、该仪表的相对百分误差为 = (+4)/(700-200)*100% = +0.8% 该仪表的误差超过了0.5级仪表所允许的最大误差，因此该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01000 ，根据工艺要求，温度指示值的误差不允许超过7 ，试问应如何选择仪表的精度等级才能满足以上要求？ 解：根据工艺要求，仪表的允许误差为 = (7 )/(1000-0)*100% = 0.7% 如果选择精度等级为1.0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。,二、检测仪表的性能,2.变差 变差：在外界条件不变的情况下，使用同一仪表对相同的被

4、测参数进行正、反行程测量，被测量值正行和反行所得到的两条特征曲线之间的最大偏差：,注意：仪表的变差不能超出仪表的允许误差,二、检测仪表的性能,3. 灵敏度、灵敏限与分辨力 灵敏度：仪表指针的线位移或角位移，与引起该位移的被测参数变化量之比值，即 灵敏限：能引起仪表指针发生位移的被测参数的最小变化量。通常仪表的灵敏限的数值应不大于仪表允许绝对误差的一半。 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。 灵敏度和灵敏限一般适用于指针式仪表；而分辨力一般适用于数字式仪表。,二、检测仪表的性能,4. 线性度 通常情况下，希望测量仪表的输出量和输入量之间呈线性关系 几乎所有的仪表都无法达到这

5、样的效果 线性度：测量仪表在全量程范围内输出量和输入量的对应关系与理论直线的吻合程度。 其中fmax为校准曲线对于理论直线的最大偏差,被测变量,仪表显示值,二、检测仪表的性能,5. 反应时间 反应时间：显示值变化相对于实际值变化的滞后时间。这是用来衡量仪表能不能尽快反映出参数变化的品质指标。 一般将仪表的输出信号（即指示值）由开始变化到新稳态值的63.2%或95%所用的时间来表示反应时间。,三、工业仪表的分类,按被测参数分类： 温度、压力、流量、物位测量仪表和成分分析仪表等； 按使用性质分类 ： 标准表。准确度高，一般用来校准工业用表和准确测量； 工业用表。准确度较低，生产上用于测量被测参数；

6、 按显示方式分类： 指示仪、记录仪、计算仪、调节仪。调节仪除了显示被测参数外，还具有调节被测参数的作用； 按显示方式分类： 基地式仪表是将测量、显示、控制等各部分集中组装在一个表壳内，形成一个整体。这种仪表适用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 单元组合仪表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，如变送单元、显示单元、控制单元等）。分电动单元组合和气动单元组合仪表，分别简称DDZ、QDZ,第二节 温度检测与仪表,温度是化工过程中最普遍而重要的操作参数 所有的过程都是在一定的温度条件下进行的； 温度决定一些反应能否进行和反应方

7、向； 温度决定一些反应的进程程度； 温度显示反应的能量变化。 温度不能直接测量。温度的测量都是借助于冷热不同的物体之间的热交换，以及通过温度传递到敏感元件后，其物理性质随温度变化而进行的。,温度计的分类,按测量范围分： 高温计（600以上）、温度计（600以下） 按用途分： 标准仪表、实用仪表 按工作原理分： 膨胀式温度计、压力式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计、辐射高温计 按测量方式分： 接触式温度计、非接触式温度计,常用温度计的种类及适用温度,温标 摄氏温度。将标准大气压下纯水的冰点为0度，沸点为100度，在0100之间分100等分，每一等分为1摄氏度，用符号t表示，单位为 华氏温度。将

8、标准大气压下纯水的冰点为32度，沸点为212度，在32212之间180等分，每一等分为1华氏度，符号为 摄氏温度与华氏温度之间的关系为：,一、膨胀式温度计,玻璃液体温度计（液体膨胀式） 利用液体受热膨胀并沿玻璃毛细管延伸而直接显示温度,t = t0,t t0,双金属温度计（固体膨胀式） 不同金属受热膨胀不同，双金属片在受热情况下发生弯曲而显示温度,二、压力式温度计,利用液体蒸发或气体膨胀而引起的压力变化进行测量。根据在封闭系统中的液体、气体或低沸点液体的饱和蒸汽受热后体积膨胀或压力变化这一原理制成，并用压力表来测量这种变化从而得到温度。 组成部分： 温包：直接与被测介质相接触来感受温度变化的元

9、件。用于传热、容纳膨胀介质；要求其具有高强度、低膨胀系数、高热导率、抗腐蚀性等 毛细管：传递压力变化；其直径越细、长度越长，则传递压力滞后现象越严重 弹簧管：压力表使用的弹性元件显示压力（温度）。,三、辐射式高温计,辐射式高温计是基于物体热辐射作用来测量温度的仪表。目前它已被广泛用来测量高于800的温度。,在化工生产中，使用最多的是利用热电偶和热电阻这两种感温元件来测量温度,四、热电偶温度计,1.热电偶工作原理 以热电效应为基础，由两种不同材料的导体A和B焊接而成 不同金属具有不同的电子密度； 两种金属接触面因为电子扩散作用而产生电场热电现象； 电子在扩散作用和电场力作用下最终达到平衡；,+

10、+,- -,扩散作用,电场作用,金属A,金属B,四、热电偶温度计,1.热电偶工作原理 接触电势差仅与两金属材料及接触点温度有关，温度越高金属中自由电子越活跃，由A迁移到B的自由电子就越多，致使接触面处所产生的电场强度也增加，因而接触电动势也增高。由于这个电势太小，在热电偶材料确定后只和温度有关，故称热电势。 如果组成热电偶回路的两种导体材料相同，则无论两接点温度如何，闭合回路的总热电势为零；如果热电偶两接点温度相同，尽管两导体材料不同，闭合回路的总热电势也为零。,+ +,- -,扩散作用,电场作用,金属A,金属B,2. 热电偶的材质与选择,热电偶的材质要求： 单位温度变化的热电势大，且尽量接近

11、线性关系； 热电性质稳定； 化学稳定性好：高温下抗氧化，抗腐蚀； 具有较好的延展性，易于加工； 复现性好，便于批量生产和互换。 不同材质的热电偶有不同的特性，应根据实际需要选择 测量范围、放大系数（以分度值表示）、测量精度、抗腐蚀能力、价格等。,3. 热电偶的结构,热电极 工作部分，组成热电偶的两根热偶丝。正负热电极的材料不同。 绝缘子 防止电极与电极、套管短路。材料的选取由使用温度范围而定。 保护套管 保护热电极不受化学腐蚀和机械损伤。材料要求耐高温、耐腐蚀、能承受温度剧变、有较好气密性、高热导系数。 接线盒 供热电极和补偿导线连线之用。,4、关于分度号的讨论,热电偶的分度号有主要有S、R、

12、B、N、K、E、J、T等几种。 S、R、B属于贵金属热电偶，N、K、E、J、T属于廉金属热电偶 T、S分度号的特点是抗氧化性能强，宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，长期使用温度1400短期1600。在所有热电偶中，S分度号的精确度等级最高，通常用作标准热电偶； R分度号与S分度号相比除热电动势大15%左右，其它性能几乎完全相同 B分度号在室温下热电动势极小，故在测量时一般不用补偿导线。它的长期使用温度为1600，短期1800。可在氧化性或中性气氛中使用，也可在真空条件下短期使用。 N分度号的特点是1300下高温抗氧化能力强，热电动势的长期稳定性及短期热循环的复现性好，耐核辐照及耐低温性能也好，可

13、以部分代替S分度号热电偶； K分度号的特点是抗氧化性能强，宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，长期使用温度1000，短期1200。在所有热电偶中使用最广泛； E分度号的特点是在常用热电偶中，其热电动势最大，即灵敏度最高。宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，使用温度0-800； J分度号的特点是既可用于氧化性气氛(使用温度上限750)，也可用于还原性气氛(使用温度上限950)，并且耐H2及CO气体腐蚀，多用于炼油及化工； T分度号的特点是在所有廉金属热电偶中精确度等级最高，通常用来测量300以下的温度。,5. 热电偶的补偿,热电偶的导线补偿 用廉价材料将冷端延伸到温度相对稳定的控制室内； 冷端温度补偿

14、将冷端浸泡在恒温0 的冰水中 ； 更多情况下采用冷端温度修正方法,+,-,补偿导线,测量电路,热电偶,补偿导线应与热电偶的电极材料配合使用； 补偿导线的材质不同，接线时应特别注意不能接错。,6. 热电偶回路,不同金属连接在一起都构成热电偶作用； 热电偶回路电动势为各接点热电势的总和； 对于有外接导线的热电偶回路，其总电动势为热端与冷端热电动势之差。,热电偶测量的关键是如何保证冷端的温度,例：用镍铬-铜镍热电偶测量某加热炉的温度。测得的热电势E(t,t1)=66982V，而自由端的温度t1=30，求被测的实际温度。 解：由附录2（P307）可以查得 E(30,0)=1801V,则E(t,0)=E

15、(t,30)+E(30,0)=66982+1801=68783V 再查附录3可以查得68783V对应的温度为900 ,例：用分度号为K的镍铬-镍硅热电偶测量温度，在没有采取冷端温度补偿的情况下，显示仪表指示值为500，而这时冷端温度为60 。试问：实际的温度应为多少？如果热端温度不变，设法使冷端温度保持在20 ，此时显示仪表的指示值应为多少？ 解: （1）显示仪表指示值为500 时，查表可得此时显示仪表的实际输入电势为20.64mV，由于这个电势是由热电偶产生的，即：E(t,60)=20.64mV 同样，查表可得， E(60,0)=2.436mV，则 E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0

16、)=20.64+2.436=23.076mV 由23.076mV查表可得：t=557 为实际温度。 （2）当热端为557 ，冷端为20 时，由于E(20,0)=0.798mV, 故有：E(t,t0)=E(t,0)-E(t0,0)=23.076-0.798=22.278mV， 由此电势，查表可得显示仪表指示值应为538.4 ,五、热电阻温度计,热电偶温度计的缺点：在工业应用中，热电偶一般适用于测量500以上的较高温度。对于500以下的中、低温度，热电偶输出的热电势很小，这对二次仪表的放大器、抗干扰措施等的要求就很高，否则难以实现精确测量；而且，在较低的温度区域，冷端温度的变化所引起的相对误差也非

17、常突出，而不易得到全补偿。 所以测量中、低温度，一般使用热电阻温度测量仪表较为合适。,热电阻的测温原理,热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。因此，只要测出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出被测温度。 目前，主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。,金属热电阻：金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示：,半导体热敏电阻：半导体热敏电阻的阻值和温度的关系为：,两种热电阻的比较： 热敏电阻的温度系数更大，常温下的电阻值更高（通常在数千欧以上），但互换性较差，非线性严重，测温范围只有50300左右，大量用于家电和汽车用温度检测和控制。 金属热电阻

18、一般适用于测量200500范围内的温度测量，其特点测量准确、稳定性好、性能可靠，在过程控制领域中的应用极其广泛。,工业上常用的金属热电阻,从电阻随温度的变化来看，大部分金属导体都有这种性质，但并不是都能用作测温热电阻，作为热电阻的金属材料一般要求： 尽可能大而且稳定的温度系数、电阻率要大、在使用的温度范围内具有稳定的化学和物理性能、材料的复制性好、电阻值随温度变化要有单值函数关系（最好呈线性关系）。,我国最常用的铂热电阻有R010、R0100和R01000等几种，它们的分度号分别为Pt10、Pt100和Pt1000； 铜热电阻有R050和R0100两种，分度号分别为Cu50和Cu100 其中

19、Pt100 和 Cu50 的应用更为广泛,热电阻的信号连接方式,热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件，通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它二次仪表上。常用的引线方式有三种：,二线制：在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号。这种引线方式最简单,但由于连接导线必然存在引线电阻r，r的大小与导线的材质和长度等因素有关。,很明显，图中的,因此，这种引线方式只适用于测量精度要求较低的场合。,三线制：在热电阻根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制。这种方式通常与电桥配套使用，可以较好地消除引线电阻的影响，是工业过程中最常用的引线方式。,事实上电桥上R1R2

20、Rt、R3，经过设计可以使两个桥臂上的电流相等，均为I，且I几乎不受Rt的影响,三线制的连接，每根线上同样也存在导线电阻r,此时，UiUAC？,可以起到调零的作用,四线制：在热电阻根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流Is，把Rt转换为电压信号Ui，再通过另两根引线把Ui引至二次仪表。可见这种引线方式可以完全消除引线电阻的影响，主要用于高精度的温度检测。,五、热电阻温度计,测量原理 利用金属电阻随温度变化的规律进行测量；即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。因此，只要测量金属在不同温度下电阻值的变化，就可以测量出被测温度。 工业热电阻温度计主要有两种材质：

21、铂电阻：0650C，Pt10，Pt100 铜电阻：-50+150C，Cu50，Cu100 结构：普通型，铠装型，薄膜型,六、电动温度计的二次仪表（温度变送器）,功能： 对信号进行放大和转换 信号的线性化。 组成部分： 输入电桥。冷端温度补偿、调整零点 放大器。放大热电势 反馈电路。控制变送器的输出信号与被测温度呈线性关系 电源电路。,热电偶或热电阻,输入电桥,放大电路,反馈电路,电源电路,被测温度,七、温度检测仪表的选用,工业上常见的温度检测仪表主要有:,双金属温度计 热电偶 热电阻 辐射式温度计等,使用热电阻、热电偶时还应该根据相应的要求确定合适的分度号,测温元件的安装注意事项,确保测温元件

22、与被测材料有充分的接触； 保持接线盒清洁干燥； 防止热量散失； 使用规定的补偿导线，并确保正确接线； 一次仪表与二次仪表间的信号线尽量不要有接头； 信号线尽量单独穿管敷设。,课后习题,补充：用K分度的热电偶测量某设备的温度，测得的热电势为20mV，冷端（室温）为25，求设备的温度？如果改用E分度热电偶来测温时，在相同条件下，E分度的热电偶测得的电动势为多少？,第三节 流量检测与仪表,流量检测方法就测量原理而言可分为直接测量法和间接测量法 直接测量法可以直接测量出管道中的体积流量或质量流量； 间接测量法则是通过测量出流体的(平均)流速，结合管道的截面积、流体的密度及工作状态等参数计算得出。,流量

23、通常是指单位时间内流经管道某截面的流体数量，即瞬时流量；在某段时间内流过流体的总和，称为总量或累积流量。流量和总量可以用体积表示(体积流量Q)，也可以用质量表示(质量流量M)。 若流体的密度是，则体积流量与质量流量M之间关系是：M = Q。若以t表示时间，则流量与总量之间的关系是,除了椭圆齿轮流量计、科里奥利力质量流量计用于直接测量体积流量之外，其它均基于间接法来流量测量,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。如压差式流量计、转子流量计、电磁流量计、涡轮流量计、堰式流量计等 容积式流量计 以单位时间内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。如椭圆齿

24、轮流量计、活塞式流量计等 质量流量计 以测量流体通过的质量为依据的流量计。如量热式、角动量式、陀螺式和科里奥利式等,流量测量仪表的分类,一、速度式流量计,根据测速方法可以分为以下几类： 压差流量计（节流式流量计） 转子流量计 电磁流量计 超声波流量计 涡轮流量计 堰式流量计,1. 压差流量计,（1）节流原理 流体由于有压力而具有静压能，由于有流动速度而具有动能。两种形式的能量在一定条件下可以相互转化的。,压差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。由将被测流量转换成压差信号的节流装置和将压差转换成对应的流量值显示出来的差压计及显示仪表组成。 在管道

25、中安置一个固定阻力件，它的中间开一个比管道截面小的孔，当流体流过该阻力件时，由于流体流束的收缩而使流速加快、静压力降低，其结果是在阻力件前后产生一个较大的压差。,孔板装置及压力、流速分布图,（1）节流原理（续）,压差的大小与流体流速大小有关，流速越大压差越大。因此只要测出压差就可以推算出流速，进而可以计算出流体的流量。,孔板装置及压力、流速分布图,1：流速v1，静压力p1 靠近孔板时，由于节流装置的阻挡，靠近管壁处的流体受节流装置的阻挡作用最大，使一部分动能转化为静压能，从而使得节流装置入口端靠近管壁处的静压力升高并要比管道中心处的压力要大，即在节流装置入口端面处产生径向压差，该压差使得流体产

26、生径向速度与流体的轴向速度一起使得流体的流向与管道中心轴线相倾斜，形成了流束的收缩运动。,由于惯性作用，流束的最小截面不再孔板的孔处，而是通过孔板后仍继续收缩，到截面2处达到最小。 2：流速v2（最大） 随后流速逐渐扩大至截面3后完全复原，流速降低到原来的数值v3=v1 3：流速v3,（1）节流原理（再续）,由于节流装置造成流束的局部收缩，使流体的流速发生变化，即动能发生变化。与此同时，表征流体静压能的静压力也要变化。,孔板装置及压力、流速分布图,1：流体具有静压力p1 由于流速增加，静压力降低。到了截面 2，流速增加到最大值，静压力就降低到最小 值p2 2：流体具有最小的静压力p2 截面2再

27、往后，随着流束的恢复，静压力 也逐渐恢复。 由于在孔板端面处，流通截面突然缩小 与扩大，使得流体形成局部涡流，要消耗一 部分能量，同时流体流经孔板时要克服摩擦 力，所以流体的静压力不能恢复到原来的数 值p1，从而产生了压损p1-p3,（2）流量方程 根据流体力学中的伯努利方程，可以推导得出节流式流量计的流量方程，也就是差压和流量之间的定量关系式：,为流量系数 为可膨胀性系数 A0为节流件的开孔面积 为节流装置前的流体密度 P节流装置前后实际测得的压差,主要与节流装置的型式、取压方式、流体的流动状态（如雷诺数）和管道条件等因素有关。因此，是一个影响因素复杂的综合性参数，也是节流式流量计能否准确测

28、量流量的关键所在，雷诺数大于某一数值（界限雷诺数）时，值可认为是一常数。对于标准节流装置，可以从有关手册中查出；对于非标准节流装置，其值要由实验方法确定。 可膨胀性系数用来校正流体的可压缩性，它与节流件前后压力的相对变化量、流体的等熵指数等因素有关，其取值范围小于等于1。对于不可压缩性流体，1；对于可压缩性流体，则1。应用时可以查阅有关手册而得,（3）标准节流装置,节流装置包括节流件、取压装置和符合要求的前后直管段 标准节流装置是指节流件、取压装置都标准化，前后直管段符合规定要求，可以直接投入使用。标准孔板要求： d/D 应在0.20.75之间 d不小于12.5mm 直孔厚度h应在0.005D

29、到0.02D之间 孔板的总厚度H应在h和0.05D之间 圆锥面的斜角应在3045之间 标准喷嘴和标准文丘里管的结构参数的规定 也可以查阅相关的设计手册。 国家规定标准的取压方式有角接取压、 法兰取压和DD/2取压。,（4）节流式流量计的使用特点和要求,标准孔板应用广泛，它具有结构简单、安装方便的特点，适用于大流量的测量。 孔板测量的压损大，当不允许有较大的管道压损时，便不宜采用。在一般场合下，仍采用孔板为多。 标准喷嘴和标准文丘里管的压力损失较孔板为小，但结构比较复杂，不易加工。 标准节流装置仅适用于测量管道直径大于50mm，雷诺数在104105以上的流体； 流体应当清洁，充满全部管道，不发生

30、相变； 为保证流体在节流装置前后为稳定的流动状态，在节流装置的上、下游必须配置一定长度的直管段（与管径、节流件的开孔面积以及管路上的弯头数都有关系） 节流装置经过长时间的使用，会因物理磨损或者化学腐蚀，造成几何形状和尺寸的变化，从而引起测量误差，因此需要及时检查和维修，必要时更换新的节流装置,（5）节流式流量计误差产生的原因,实际工况与设计要求不符，如：温度、压力、湿度以及相应的流体重度、粘度、雷诺数等参数数值发生变化，则会造成较大的误差。为了消除这种误差，必须按新工艺重新设计计算，或加以必要的修正。 节流装置安装不正确。在安装时，特别要注意节流装置的安装方向。 在使用中，要保持节流装置的清洁

31、。如在节流装置处防止有沉淀、结焦、堵塞等现象。 节流装置的磨损，应注意日常检查、维修，必要时应换用新的孔板。 导压管安装不正确，或有诸塞、渗漏现象 孔板本身原因。如直角边缘不锐利 、 d太大 、正取压孔离端面太远 、 h太大 、负取压孔离端面太远 、安装不好，孔板弯曲等等,压差计的安装和使用 P49,2. 转子流量计,在工业生产中经常遇到小流量的测量，因其流体的流速低，这就要求测量仪表有较高的灵敏度，才能保证一定的精度。转子流量计特别适宜于测量管径50mm以下管道的流量，测量的流量可小到每小时几升。,孔板流量计：,节流面积不变,流量变化,压差发生变化,转子流量计：,压差不变,流量变化,转子流量

32、计主要由两个部分组成： 1、由下往上逐渐扩大的锥形管（通常用透明玻璃，锥度403o） 2、放在锥形管内可自由运动的转子。 （1）工作原理 被测流体由锥形管下端进入，流经转子与锥形管之间的环隙，再从上端流出。当流体流过的时候，位于锥形管中的转子受到向上的一个力，使其浮起。当这个力正好等于转子重量减去流体对转子的浮力，此时转子就停浮在一定的高度上。若流体流量突然由小变大时，作用在转子上的向上的力就加大，转子上升，环隙增大，即流通面积增大。随着环隙的增大，使流体流速变慢，流体作用在转子上的向上力也就变小。这样，转子在一个新的高度上重新平衡。这样，转子在锥形管中平衡位置的高低h与被测介质的流量大小相对

33、应。,节流面积发生变化,转子的平衡关系：,其中V为转子的体积；t和f分别为转子和流体的密度；g为重力加速度；P为转子前后的压差；A为转子的最大截面积,转子和锥形管间的环隙面积相当于节流式流量计的节流孔面积，但它是变化的，并与转子所处的高度h成近似的线性关系，这与差压法测量流量时情况相反。转子流量计的流量公式可以表示为：,式中：为仪表常数；h为转子浮起的高度。,流量与转子高度h成线性关系 式中的其它参数为常数,转子流量计的锥形管一般采用透明材料制成，在锥形管上刻有流量读数，用户只要根据转子高度来读取读数。 转子流量计一般只适用于就地指示。对配有电远传装置的转子流量计，也可以把反应流量大小的转子高

34、度h转换为电信号，传送到其它仪表进行显示、记录或控制。,（2）流量方程,由于转子流量计在生产的时候，是在工业基准状态（20，0.10133Mpa）下用水或空气进行刻度的。如果工作状态不同（温度不同、被测介质不同等），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。分液体、气体流量测量时的修正。,1、液体流量测量时的修正,如果某转子流量计的转子高度为h，如果介质为20的水，则流量qv0与h的关系满足：,式中：qv0为用水标定时的流量刻度 w为水的密度， t为转子的密度,如果介质不是水，则流量qvf与h的关系满足：,qvf和f分别为被测介质的实际流量和密度,如果被测介质

35、的粘度和水的粘度相差不大，可以近似认为是常数，则有,刻度流量,实际流量,修正系数,（3）流量修正,例：现有一只以水标定的转子流量计用来测量苯的流量，已知转子的材料为不锈钢（密度7.9g/cm3），苯的密度为0.83g/cm3 ，请问流量计读数为3.6L/s时，苯的实际流量是多少？,解：,修正公式,因此,定义： 体积流量密度修正系数 质量流量密度修正系数 当介质密度w变化时，密度修正系数KQ、KM的数值可查表P59,本例题还可这样解：,气体流量测量时的修正,假设实际被测气体的密度为f，因此被测流体流量Qf与指示值Q0的关系是：,通常，气体流量需要把它转化成工业基准状态（T020293K，P01.

36、0133105Pa），记被测时的压力和温度分别为：Pf、Tf，所以被测流体对应标准状态的体积流量为：,此时的密度f还是实际密度，由于测量的困难，也需要把它转化成标态下的密度更为方便：,于是有修正公式,温度单位是绝对温标，压力为绝对压力。 （P0=1.0133*105Pa，T0=273K） 0 空气标准状态密度（1.293kg/m3） f0 被测介质标准状态密度 Q0 显示流量 Qf0 实际流量（标准状态）,例：某厂用转子流量计来测量温度为27 ，表压为0.16MPa的空气流量，问转子流量计读数为38Nm3/h时，空气的实际流量是多少？ 解：已知Q0=38Nm3/h，p1=0.16+0.1013

37、3=0.26133MPa T1=27+273=300K，T0=293K p0=0.10133MPa，0= 1=1.293kg/Nm3,转子流量计主要适合于检测中小管径、较低雷诺数的中小流量； 流量计结构简单，使用方便，工作可靠，仪表前直管段长度要求不高； 流量计的基本误差约为仪表量程的土2，量程比可达10：1 流量计的测量精度易受被测介质密度、粘度、温度、压力、纯净度、安装质量等的影响。,（4）转子流量计的特点,3. 涡轮流量计,基本工作原理,流体冲击涡轮叶片，使涡轮旋转，涡轮的旋转速度随流量的变化而变化，通过涡轮外的磁电转换装置可将涡轮的旋转转换成电脉冲。,流量方程,特点和要求,流量与涡轮转

38、速之间成线性关系，量程比一般为1O：1； 涡轮流量计的测量精度较高，可达到0.5级以上； 反应迅速，可测脉动流量； 主要用于中小口径的流量检测； 仅适用洁净的被测介质，通常在涡轮前要安装过滤装置； 流量计水平安装，前后需一定长度的直管段，一般上游侧和下游侧的直管段长度要求在10D和5D以上； 常温下用水标定，当介质的密度和粘度发生变化时需重新标定或进行补偿,基本工作原理,导体切割磁力线，会产生电动势,适用场合,可以检测具有一定电导率的酸、碱、盐溶液，腐蚀性液体以及含有固体颗粒的的液体测量，但不能检测气体、蒸汽和非导电液体的流量。,流量公式,当导电的流体在磁场中以垂直方向流动而切割磁力线时，就会

39、在管道两边的电极上产生感应电势，感应电势的大小与磁场的强度、流体的速度和流体垂直切割磁力线的有效长度成正比：,式中：Ex为感应电势；K为比例系数；B为磁场强度；D为管道直径；v为垂直于磁力线的流体流动速度。,在管道直径D已经确定，磁场强度B维持不变时，流体的体积流量与磁感应电势成线性关系。利用上述原理制成的流量检测仪表称为电磁流量计。,4. 电磁流量计,测量导管内无可动或突出管道内部的部件，因而压力损失极小； 只要是导电的，被测流体可以是含有颗粒、悬浮物等，也可以是酸、碱、盐等腐蚀性物质； 流量计的输出电流与体积流量成线性关系，并且不受液体的温度、压力、密度、粘度等参数的影响； 电磁流量计的量

40、程比一般为10:1，精度较高的量程比可达100:1；测量口径范围大，可以从lmm到2m以上，特别适用于lm以上口径的水流量测量；测量精度一般优于0.5级； 电磁流量计反应迅速，可以测量脉动流量； 主要缺点： 被测流体必须是导电的，不能小于水的电导率 不能测量气体、蒸汽和石油制品等的流量 由于衬里材料的限制，一般使用温度为0200； 因电极嵌装在测量导管上的，使工作压力限制(一般0.25MPa）,电磁流量计的特点,电磁流量计的安装,可以水平安装，也可以垂直安装，但要求液体充满管道； 远离磁场； 变送器前后管道有时带有较大的杂散电流，一般要把变送器前后11.5m处和变送器外壳连接在一起，共同接地。

41、,5. 漩涡流量计,基本工作原理,把一个漩涡发生体（非流线型对称物体）垂直插在管道中，当流体绕过漩涡发生体时会在其左右两侧后方交替产生旋转方向相反的漩涡，形成漩涡列，该漩涡列就称为“卡门涡街”。只有当两列漩涡的间距h与同列中相邻漩涡的间距l满足hl0.281条件时，卡门涡列才是稳定的。且单列漩涡产生的频率f与流体流速v成正比，与柱体的特征尺寸d（漩涡发生体的迎面最大宽度）成反比，即：,流量方程,St称为斯特劳哈尔数（无因次数），St主要与漩涡发生体的形状和雷诺数有关。在雷诺数为5000150000的范围内，St基本上为一常数。,特点和要求,涡街流量计输出信号（频率）不受流体物性和组分变化的影响

42、，在一定的雷诺数范围内，几乎不受流体的温度、压力、密度、粘度等变化的影响，故用水或空气标定的漩涡流量计可用于其他液体和气体的流量测量而不需标定； 管道内无可动部件，使用寿命长，压力损失小；测量精度高（约为士0.51），量程比20:1； 尤其适用于大口径管道的流量测量。但是流量计安装时要求有足够的直管段长度，上游和下游的直管段分别要求不少于2OD和5D，漩涡发生体的轴线应与管路轴线垂直。,二、容积式流量计,容积式流量计主要包括两类： 齿轮式流量计 一对紧密啮合的齿轮与壳体之间形成固定的间隙空间，齿轮每旋转一周，有固定流体通过间隙输送通过。流体通过量与齿轮转数成正比。 活塞式流量计 利用活塞的每一

43、次往复运动输送定量的流体。 计量泵：用外力推动容积式流量计即可定量输送流体 容积式流量计的最大特点是对被测流体的粘度不敏感，常用于测量重油等粘稠流体。,6. 椭圆齿轮流量计直接测量,基本工作原理,“一碗一碗”计量,转子每旋转一周，就排出四个由椭圆齿轮与外壳围成的半月形空腔的流体体积(4V)。在V一定的情况下，只要测出流量计的转速n就可以计算出被测流体的流量,流量方程,特点和要求,计量精度高，一般可达0.20.5级，有的甚至能达到0.1级 安装直管段对计量精度影响不大，量程比一般为10:1 一般只适用于10150mm的中小口径。 容积式流量计对被测流体的粘度变化不敏感，特别适合于测量高粘度的流体

44、（例如重油、树脂等）甚至糊状物的流量，但要求被测介质干净，不含固体颗粒，所以一般情况下，流量计前要装过滤器。 由于受零件变形的影响，容积式流量计一般不宜在高温或低温下使用。,三、质量流量计,间接式质量流量计 分别测量体积流量和密度再用乘法计算出质量流量。 直接式质量流量计 利用科氏力的作用使弯曲的弹性管道两侧产生震动相位差 质量流量计结构比较复杂，只用于压力变化较大的可压缩流体。,7 科里奥利力质量流量计,基本工作原理 （实验）,将充水软管（水不流动）两端悬挂，使其中段下垂成U形，静止时，U形的两管处于同一平面，并垂直于地面，左右摆时，两管同时弯曲，仍然保持在同一曲面,若将软管与水源相接，使水

45、由一端流入，从另一端流出（如图b和c）。当U形管受外力作用向右左摆动时，它将发生扭曲。扭曲的方向总是出水侧的摆动要早于入水侧；,随着质量流量的增加，这种现象变得更加明显，出水侧摆动相位超前于入水侧更多。,这就是科氏力质量流量的检测原理，它利用两管的振动（摆动）相位差来反映流经该U形管的质量流量,作业,1、怎样操作仪表三阀组，需注意什么？ 2、使用压差式流量计测量流量，造成测量误差的原因是什么？ 3、一转子流量计用标准状态下的水进行标定，量程范围为1001000L/h，转子材质为不锈钢（密度7.90g/cm3），现用来测量密度为0.791g/cm3的甲醇，问(1)体积流量密度校正系数K0是多少？

46、(2)流量计测甲醇的量程范围是多少？ 4、P100/22,第四节 压力检测与仪表一、压力的表示与单位,压力的表示： 绝对压力 单位面积所受到的力 相对压力（表压） 绝对压力与大气压之差 真空度 大气压与绝对压力之差,绝对压力,绝对压力,真空度,表压,标准大气压,绝对压力零线,压力：化工生产中，由气体或液体均匀垂直地作用于单位面积上的力。,由于各种工艺设备和检测仪表通常是处于大气之中，本身就承受着大气压力，因此一般的压力检测仪表所指示的压力通常采用表压或者真空度表示。除特殊说明之外，以后所提及的压力均指表压。,压力（压强）的单位,压强（俗称压力）：单位面积所受到的垂直作用力。 工程上的“压力”与

47、力学中的“压力”不是同一个概念。,二、压力计的分类与工作原理,工业压力计通常按敏感元件的类型进行分类： 液柱式压力计一般采用充有水或水银等液体的玻璃U形管或单管进行测量。 弹性式压力计根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成位移进行测量的。常用的弹性元件有弹簧管、膜片和波纹管等。 活塞式压力计根据液压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞面积上所加平衡砝码的质量来进行测量。 电气式压力计利用敏感元件将被测压力直接转换成各种电量进行测量的仪表，如电阻、电荷量等 。,1. 液柱式压力计,原理：将被测压力转换成液柱高度进行测量。一般采用水 或水银等作为工作液 优点：结构简单、使用方便 缺点：

48、受工作液密度、视差等影响较大，测量范围较窄 适用：常用于测量较低压力、真空度、压力差等,U型管压力计,2、弹性式压力计,原理：采用弹性元件将压力大小转换为弹性元件的位移量，再通过机械传动、放大，推动指针偏移 根据敏感元件形式的不同分为3类： 薄膜式压力计、波纹管式压力计、弹簧管式压力计,（1）弹簧管和弹簧管压力表,弹簧管是横截面呈椭圆形或扁圆形，弯成圆弧状（中心角常为270）的空心管子。管子一端封闭，另一端开口。闭口端作为自由端，开口端作为固定端。,被测压力介质从开口端进入并充满弹簧管的整个内腔，由于弹簧管的非圆横截面，使它有变成圆形并伴有伸直的趋势而产生力矩，其结果使弹簧管的自由端产生位移，

49、同时改变其中心角。位移量（中心角改变量）和所加压力有如下的函数关系：,式中0为弹簧管中心角的初始角；为受压后中心角的改变量；R为弹簧管弯曲圆弧的外半径；h为管壁厚度；a、b为弹簧管椭圆形截面的长、短半轴。,弹簧管自由端位移量一般很小，需要通过放大机构才能指示出来,为加大弹簧管自由端的位移量，可采用多圈弹簧管。,单圈弹簧管压力表是工业现场使用最普遍的就地指示式压力检测仪表（也有电接点输出的弹簧管压力表） 。,弹簧管压力表结构简单、使用方便、价格低廉、测量范围宽，可以测量负压、微压、低压、中压和高压。,一般的工业用弹簧管压力表的精度等级为1.5级或2.5级，但根据制造的要求，其精度等级最高可达0.

50、15级。,（1）弹簧管和弹簧管压力表（续）,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调节螺钉 9接头 图 弹簧管压力表,3. 活塞式压力计,原理：将被测压力转换成活塞上所加的平衡砝码的质量来进行测量 优点：精确度高，允许误差可以小到0.050.02 缺点：结构复杂，价格高 适用：常用作标准仪表，检验其它类型的压力计,4、电气式压力计,电气式压力计，实际上是将弹性元件、液柱式压力计所产生的微小位移或活塞式压力计所产生的力转换为电信号输出的一类压力计。 电气式压力计通常两部分组成： 一次仪表（压力探头）：将压力转换为微弱电参数测量 二次仪表：将微弱电参数转换为标准电信号

51、变送,电气式压力计一次探头,常用电参数有： 常见压力变换器（压力探头）有： 应变式压力变换器； 压电电阻式压力变换器； 电感式压力变换器； 电容式压力变换器； 霍尔片式压力变换器。,电阻,电感,电容,电压等,（1）电阻应变式压力计一次探头,敏感元件的电阻为：R=L/S 当电阻体受外力作用时，电阻体的长度、截面积或电阻率会发生变化，即其阻值也会发生变化。这种因尺寸变化引起阻值变化称为应变效应。应变片多以金属材料或半导体材料为主，一般和弹性元件一起使用。,压力变化,弹性变形,电阻变化,（2）电容式压力计一次探头,将压力变化转换成电容器的变化，然后进行测量。 电容器的电容量：C=S/d 当S或d发生

52、变化时，电容量发生变化。,（3）霍尔式压力计一次探头,根据霍尔效应制成，利用霍尔元件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。,N,S,电气压力计前置放大器,传感元件的参量变化通常是非常微弱的，不能进行远距离传送，需要进行初步放大。 电阻和电容传感器一般采用电桥放大，以电压方式输出； 电感式传感器一般采用振荡电路放大，以频率方式输出； 电压传感器一般采用直流放大器，以电压或电流方式输出。,电气压力计二次仪表,作用：将传感器信号转换为标准通讯信号。 DDZ 型仪表标准通讯信号为：420mA。 智能型压力传感器在二次仪表中另外附加一些功能，如：模/数转换与数据通讯，工程单位

53、转换，信号（变化）阻尼，故障诊断等。,三、压力计的选型,主要考虑三个方面： （1）仪表量程 仪表量程是指该仪表可按规定的精确度对被测量进行测量的范围。仪表量程的选择需根据被测参数的大小来确定： 测量稳定压力：最大工作压力PImax不超过上限值Pmax的2/3 测量脉动压力：最大工作压力PImax不超过上限值Pmax的1/2 测量高压压力：最大工作压力PImax不超过上限值Pmax的3/5 最小工作压力Pimin不低于上限值Pmax的1/3,这只是一般经验要求，不是绝对的！,量程,精度,类型（材质）,（2）仪表精度,例：一压力容器在正常工作时压力范围为0.40.6MPa，要求使用弹簧管压力表进行

54、检测并使测量误差不大于被测压力的4，试确定该表的量程和精度等级 解：由题意可知，被测对象的压力比较稳定，设仪表量程为0AMPa ，则根据工作压力的要求有：,由题意，被测压力的允许最大绝对误差为：max=0.4*4%=0.016 MPa 这就要求所选仪表的相对百分误差为： 0.016/（1-0）*100%=1.6% 按照仪表的精度等级，可选择1.5级的压力表。,仪表精度根据生产允许的最大误差来确定，即要求实际被测压力允许的最大绝对误差应小于仪表的基本误差。在选择时应坚持节约的原则，只要测量精度能满足生产的要求，就不必追求用过高精度的仪表。,例、某台往复式压缩机的出口压力范围为2528MPa，测量

55、误差不得大于1MPa。工艺上要求就地观察，并有高低限报警的要求。试正确选用一台压力表，指出型号、精度与测量范围。 解：由于往复式压缩机出口压力脉动较大，所以选择仪表的上限值为 根据本章附录一，可查得选用YX-150型电接点压力表，测量范围为060MPa。 根据测量误差要求，允许误差为 因此选用1.5级的YX-150型电接点压力表,正确选用仪表类型是保证仪表正常工作及安全生产的前提。主要应考虑以下几个方面:,仪表材料：压力检测仪表的敏感元件往往与被测介质直接接触，故仪表材料选择要考虑仪表的工作条件。 对腐蚀性较强的介质应使用像不锈钢之类的弹性元件或敏感元件; 氨用压力表不允许仪表材料采用铜或铜合

56、金，因为氨气对铜的腐蚀性极强; 氧用压力表要禁油，因为油进入氧气系统极易引起爆炸。 输出信号类型 只需观察压力变化，需选用直接指示型仪表,如弹簧管压力表、液柱式压力计； 需将压力信号传到控制室或其他电动仪表，选用具有电信号输出的仪表； 需检测快速变化的压力信号，选用电气式压力检测仪表，如压阻式压力传感器； 如果控制系统要求能进行数字量通信，则选用智能式压力检测仪表。 使用环境：对爆炸性较强的环境，应选择防爆型压力仪表；对于温度特别高或特别低的环境，应选择温度系数小的敏感元件以及其他变换元件。,上述选型原则也适用于差压、流量、液位等其它检测仪表的选型,（3）仪表类型,四、压力计的安装,测压点的选

57、择选在被测介质直线流动的管段部分，应能反映被测压力的真实情况。 测量流动介质时，应使取压点与介质流动方向垂直，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； 测量液体压力时，取压点应在管道下部，使导压管不积存气体； 测量气体压力时，取压点应在管道上方，使导压管不积存液体。,导压管的铺设 导压管粗细要合适，一般内径610mm，长度应尽可能短，最长不超过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 引压管的管路应保持垂直，或者与水平线之间不小于1:10的倾斜度，以利于积存的液体（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

58、压力计之间应有切断阀，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。,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，测量有腐蚀性介质压力时应加装有中性介质的隔离罐。 压力计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，以防泄露； 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=Hg，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。,常见压力传感器外形,请各位班长到教材科领取实验指导书： 过程控制系统与装置 实验指导书,课后习题,P101/3134 补充：1、校验一台量程为0250mmH2O的差压变送器，差压由0上升至100mmH2O时，差压变送器的读数为98mmH2O。当从250mmH2O下降至100mmH2O时，读数为103m