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化工儀表及自動化 第三章檢測儀表與傳感器 內(nèi)容提要 概述測量過程與測量誤差儀表的性能指標工業(yè)儀表的分類壓力檢測及儀表流量檢測及儀表物位檢測及儀表溫度檢測及儀表現(xiàn)代檢測技術(shù)與傳感器的發(fā)展 1 第一節(jié)概述 用來檢測這些參數(shù)的技術(shù)工具稱為檢測儀表 用來將這些參數(shù)轉(zhuǎn)換為一定的便于傳送的信號的儀表通常稱為傳感器 當傳感器的輸出為單元組合儀表中規(guī)定的標準信號時 通常稱為變送器 5 第一節(jié)概述 一 測量過程與測量誤差 6 測量過程在實質(zhì)上都是將被測參數(shù)與其相應的測量單位進行比較的過程 而測量儀表就是實現(xiàn)這種比較的工具 測量誤差指由儀表讀得的被測值與被測量真值之間的差距 通常有兩種表示方法 即絕對誤差和相對誤差 第一節(jié)概述 絕對誤差 xi 儀表指示值 xt 被測量的真值 由于真值無法得到 x 被校表的讀數(shù)值 x0 標準表的讀數(shù)值 相對誤差 7 第一節(jié)概述 二 儀表的性能指標 8 1 精確度 簡稱精度 說明 儀表的測量誤差可以用絕對誤差 來表示 但是 儀表的絕對誤差在測量范圍內(nèi)的各點不相同 因此 常說的 絕對誤差 指的是絕對誤差中的最大值 max 相對百分誤差 允許誤差 第一節(jié)概述 儀表的 允越大 表示它的精確度越低 反之 儀表的 允越小 表示儀表的精確度越高 將儀表的允許相對百分誤差去掉 號及 號 便可以用來確定儀表的精確度等級 目前常用的精確度等級有0 005 0 02 0 05 0 1 0 2 0 4 0 5 1 0 1 5 2 5 4 0等 小結(jié) 9 第一節(jié)概述 10 舉例 例1某臺測溫儀表的測溫范圍為200 700 校驗該表時得到的最大絕對誤差為 4 試確定該儀表的精度等級 解該儀表的相對百分誤差為 如果將該儀表的 去掉 號與 號 其數(shù)值為0 8 由于國家規(guī)定的精度等級中沒有0 8級儀表 同時 該儀表的誤差超過了0 5級儀表所允許的最大誤差 所以 這臺測溫儀表的精度等級為1 0級 第一節(jié)概述 例2某臺測溫儀表的測溫范圍為 1000 根據(jù)工藝要求 溫度指示值的誤差不允許超過 試問應如何選擇儀表的精度等級才能滿足以上要求 解根據(jù)工藝上的要求 儀表的允許誤差為 如果將儀表的允許誤差去掉 號與 號 其數(shù)值介于0 5 1 0之間 如果選擇精度等級為1 0級的儀表 其允許的誤差為 1 0 超過了工藝上允許的數(shù)值 故應選擇0 5級儀表才能滿足工藝要求 11 第一節(jié)概述 12 儀表的精度等級是衡量儀表質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標之一 精度等級數(shù)值越小 就表征該儀表的精確度等級越高 也說明該儀表的精確度越高 0 05級以上的儀表 常用來作為標準表 工業(yè)現(xiàn)場用的測量儀表 其精度大多在0 5以下 儀表的精度等級一般可用不同的符號形式標志在儀表面板上 舉例 1 5 1 0 如 第一節(jié)概述 根據(jù)儀表校驗數(shù)據(jù)來確定儀表精度等級和根據(jù)工藝要求來選擇儀表精度等級 情況是不一樣的 根據(jù)儀表校驗數(shù)據(jù)來確定儀表精度等級時 儀表的允許誤差應該大于 至少等于 儀表校驗所得的相對百分誤差 根據(jù)工藝要求來選擇儀表精度等級時 儀表的允許誤差應該小于 至多等于 工藝上所允許的最大相對百分誤差 小結(jié) 13 第一節(jié)概述 2 變差 變差是指在外界條件不變的情況下 用同一儀表對被測量儀表在其全部測量范圍內(nèi)進行正反行程 即被測參數(shù)逐漸由小到大和逐漸由大到小 測量時 被測量值正行和反行所得到的兩條特性曲線之間的最大偏差 圖3 1測量儀表的變差 14 注意 儀表的變差不能超出儀表的允許誤差 第一節(jié)概述 15 3 靈敏度與靈敏限 儀表的靈敏度是指儀表指針的線位移或角位移 與引起這個位移的被測參數(shù)變化量的比值 即 式中 S為儀表的靈敏度 為指針的線位移或角位移 x為引起 所需的被測參數(shù)變化量 儀表的靈敏限是指能引起儀表指針發(fā)生動作的被測參數(shù)的最小變化量 通常儀表靈敏限的數(shù)值應不大于儀表允許絕對誤差的一半 注意 上述指標僅適用于指針式儀表 在數(shù)字式儀表中 往往用分辨力表示 第一節(jié)概述 4 分辨力 對于數(shù)字式儀表 分辨力是指數(shù)字顯示器的最末位數(shù)字間隔所代表的被測參數(shù)變化量 不同量程的分辨力是不同的 相應于最低量程的分辨力稱為該表的最高分辨力 也叫靈敏度 通常以最高分辨力作為數(shù)字電壓表的分辨力指標 分辨率與儀表的有效數(shù)字位數(shù)有關(guān) 16 第一節(jié)概述 17 5 線性度 線性度是表征線性刻度儀表的輸出量與輸入量的實際校準曲線與理論直線的吻合程度 通?？偸窍Ｍ麥y量儀表的輸出與輸入之間呈線性關(guān)系 圖3 2線性度示意圖 式中 f為線性度 又稱非線性誤差 fmax為校準曲線對于理論直線的最大偏差 以儀表示值的單位計算 第一節(jié)概述 18 6 反應時間 反應時間就是用來衡量儀表能不能盡快反映出參數(shù)變化的品質(zhì)指標 反應時間長 說明儀表需要較長時間才能給出準確的指示值 那就不宜用來測量變化頻繁的參數(shù) 儀表反應時間的長短 實際上反映了儀表動態(tài)特性的好壞 儀表的反應時間有不同的表示方法 當輸入信號突然變化一個數(shù)值后 輸出信號將由原始值逐漸變化到新的穩(wěn)態(tài)值 儀表的輸出信號由開始變化到新穩(wěn)態(tài)值的63 2 95 所用的時間 可用來表示反應時間 第一節(jié)概述 三 工業(yè)儀表的分類 19 1 按儀表使用的能源分類 氣動儀表 電動儀表 液動儀表 以電為能源 信號之間聯(lián)系比較方便 適宜于遠距離傳送和集中控制 便于與計算機聯(lián)用 現(xiàn)在電動儀表可以做到防火 防爆 更有利于電動儀表的安全使用 一般結(jié)構(gòu)較復雜 易受溫度 濕度 電磁場 放射性等環(huán)境影響 優(yōu)點 缺點 常用 第一節(jié)概述 20 2 按信息的獲得 傳遞 反映和處理的過程分類 檢測儀表 作用是獲取信息 并進行適當?shù)霓D(zhuǎn)換 顯示儀表 作用是將由檢測儀表獲得的信息顯示出來 集中控制裝置 包括各種巡回檢測儀 巡回控制儀等 控制儀表 可以根據(jù)需要對輸入信號進行各種運算 執(zhí)行器 可以接受控制儀表的輸出信號或直接來自操作員的指令 對生產(chǎn)過程進行操作或控制 第一節(jié)概述 圖3 3各類儀表的作用 21 第一節(jié)概述 22 3 按儀表的組成形式分類 基地式儀表特點是將測量 顯示 控制等各部分集中組裝在一個表殼里 形成一個整體 這種儀表比較適于在現(xiàn)場做就地檢測和控制 但不能實現(xiàn)多種參數(shù)的集中顯示與控制 這在一定程度上限制了基地式儀表的應用范圍 分為基地式儀表和單元組合儀表 第一節(jié)概述 化工生產(chǎn)中的單元組合儀表有電動單元組合儀表和氣動單元組合儀表兩種 國產(chǎn)的電動單元組合儀表簡稱DDZ儀表 氣動單元組合儀表簡稱QDZ儀表 注意 單元組合儀表是將對參數(shù)的測量及其變送 顯示 控制等各部分 分別制成能獨立工作的單元儀表 簡稱單元 例如變送單元 顯示單元 控制單元等 這些單元之間以統(tǒng)一的標準信號互相聯(lián)系 可以根據(jù)不同要求 方便地將各單元任意組合成各種控制系統(tǒng) 適用性和靈活性都很好 23 第二節(jié)壓力檢測及儀表 一 壓力單位及測量儀表 壓力是指均勻垂直地作用在單位面積上的力 壓力的單位為帕斯卡 簡稱帕 Pa 24 第二節(jié)壓力檢測及儀表 為了使大家了解國際單位制中的壓力單位 Pa或MPa 與過去的單位之間的關(guān)系 下面給出幾種單位之間的換算關(guān)系表 25 26 表3 1各種壓力單位換算表 第二節(jié)壓力檢測及儀表 27 在壓力測量中 常有表壓 絕對壓力 負壓或真空度之分 當被測壓力低于大氣壓力時 一般用負壓或真空度來表示 圖3 4絕對壓力 表壓 負壓 真空度 的關(guān)系 第二節(jié)壓力檢測及儀表 28 測量壓力或真空度的儀表按照其轉(zhuǎn)換原理的不同 分為四類 1 液柱式壓力計 它根據(jù)流體靜力學原理 將被測壓力轉(zhuǎn)換成液柱高度進行測量 按其結(jié)構(gòu)形式的不同 有U形管壓力計 單管壓力計等 優(yōu)點 這類壓力計結(jié)構(gòu)簡單 使用方便 缺點 其精度受工作液的毛細管作用 密度及視差等因素的影響 測量范圍較窄 一般用來測量較低壓力 真空度或壓力差 第二節(jié)壓力檢測及儀表 2 彈性式壓力計 它是將被測壓力轉(zhuǎn)換成彈性元件變形的位移進行測量的 3 電氣式壓力計 它是通過機械和電氣元件將被測壓力轉(zhuǎn)換成電量 如電壓 電流 頻率等 來進行測量的儀表 29 第二節(jié)壓力檢測及儀表 4 活塞式壓力計 它是根據(jù)水壓機液體傳送壓力的原理 將被測壓力轉(zhuǎn)換成活塞上所加平衡砝碼的質(zhì)量來進行測量的 優(yōu)點 缺點 測量精度很高 允許誤差可小到0 05 0 02 結(jié)構(gòu)較復雜 價格較貴 30 第二節(jié)壓力檢測及儀表 二 彈性式壓力計 31 定義 彈性式壓力計是利用各種形式的彈性元件 在被測介質(zhì)壓力的作用下 使彈性元件受壓后產(chǎn)生彈性變形的原理而制成的測壓儀表 優(yōu)點 具有結(jié)構(gòu)簡單 使用可靠 讀數(shù)清晰 牢固可靠 價格低廉 測量范圍寬以及有足夠的精度等優(yōu)點 可用來測量幾百帕到數(shù)千兆帕范圍內(nèi)的壓力 第二節(jié)壓力檢測及儀表 32 1 彈性元件 彈性元件是一種簡易可靠的測壓敏感元件 當測壓范圍不同時 所用的彈性元件也不一樣 圖3 5彈性元件示意圖 彈簧管式彈性元件如圖 a 和 b 所示 波紋管式彈性元件如圖 e 所示 薄膜式彈性元件如圖 c 和 d 所示 第二節(jié)壓力檢測及儀表 33 2 彈簧管壓力表 分類 使用的測壓元件單圈彈簧管壓力表與多圈彈簧管壓力表 用途普通彈簧管壓力表 耐腐蝕的氨用壓力表 禁油的氧氣壓力表等 1 彈簧管 2 拉桿 3 扇形齒輪 4 中心齒輪 5 指針 6 面板 7 游絲 8 調(diào)整螺絲 9 接頭 彈簧壓力表 第二節(jié)壓力檢測及儀表 基本測量原理 單圈彈簧管是一根彎成270 圓弧的橢圓截面的空心金屬管子 管子的自由端B封閉 另一端固定在接頭 上 當通入被測的壓力p后 由于橢圓形截面在壓力p的作用下 將趨于圓形 而彎成圓弧形的彈簧管也隨之產(chǎn)生擴張變形 同時 使彈簧管的自由端B產(chǎn)生位移 輸入壓力p越大 產(chǎn)生的變形也越大 由于輸入壓力與彈簧管自由端B的位移成正比 所以只要測得B點的位移量 就能反映壓力p的大小 注意 彈簧管自由端B的位移量一般很小 直接顯示有困難 所以必須通過放大機構(gòu)才能指示出來 34 第二節(jié)壓力檢測及儀表 在化工生產(chǎn)過程中 常需要把壓力控制在某一范圍內(nèi) 即當壓力低于或高于給定范圍時 就會破壞正常工藝條件 甚至可能發(fā)生危險 這時就應采用帶有報警或控制觸點的壓力表 將普通彈簧管壓力表稍加變化 便可成為電接點信號壓力表 它能在壓力偏離給定范圍時 及時發(fā)出信號 以提醒操作人員注意或通過中間繼電器實現(xiàn)壓力的自動控制 警惕 35 第二節(jié)壓力檢測及儀表 圖3 7電接點信號壓力表 1 4 靜觸點 2 動觸點 3 綠燈 5 紅燈 壓力表指針上有動觸點2 表盤上另有兩根可調(diào)節(jié)指針 上面分別有靜觸點1和4 當壓力超過上限給定數(shù)值時 2和4接觸 紅色信號燈5的電路被接通 紅燈發(fā)亮 若壓力低到下限給定數(shù)值時 2與1接觸 接通了綠色信號燈3的電路 1 4的位置可根據(jù)需要靈活調(diào)節(jié) 36 第二節(jié)壓力檢測及儀表 三 電氣式壓力計 定義 電氣式壓力計是一種能將壓力轉(zhuǎn)換成電信號進行傳輸及顯示的儀表 37 第二節(jié)壓力檢測及儀表 圖3 8電氣式壓力計組成方框圖 組成 一般由壓力傳感器 測量電路和信號處理裝置所組成 常用的信號處理裝置有指示儀 記錄儀以及控制器 微處理機等 38 第二節(jié)壓力檢測及儀表 幾種常見的傳感器或變送器 1 霍爾片式壓力傳感器 霍爾片式壓力傳感器是根據(jù)霍爾效應制成的 即利用霍爾元件將由壓力所引起的彈性元件的位移轉(zhuǎn)換成霍爾電勢 從而實現(xiàn)壓力的測量 圖3 9霍爾效應 霍爾電勢可用下式表示 式中 UH為霍爾電勢 RH為霍爾常數(shù) 與霍爾片材料 幾何形狀有關(guān) B為磁感應強度 I為控制電流的大小 39 第二節(jié)壓力檢測及儀表 注意 霍爾電勢與磁感應強度和電流成正比 提高B和I值可增大霍爾電勢UH 但兩者都有一定限度 一般I為3 20mA B約為幾千高斯 所得的霍爾電勢UH約為幾十毫伏數(shù)量級 導體也有霍爾效應 不過它們的霍爾電勢遠比半導體的霍爾電勢小得多 40 第二節(jié)壓力檢測及儀表 將霍爾元件與彈簧管配合 就組成了霍爾片式彈簧管壓力傳感器 如圖3 10所示 圖3 10霍爾片式壓力傳感器 1 彈簧管 2 磁鋼 3 霍爾片 當被測壓力引入后 在被測壓力作用下 彈簧管自由端產(chǎn)生位移 因而改變了霍爾片在非均勻磁場中的位置 使所產(chǎn)生的霍爾電勢與被測壓力成比例 利用這一電勢即可實現(xiàn)遠距離顯示和自動控制 41 42 第二節(jié)壓力檢測及儀表 2 應變片壓力傳感器 應變片式壓力傳感器利用電阻應變原理構(gòu)成 電阻應變片有金屬和半導體應變片兩類 被測壓力使應變片產(chǎn)生應變 當應變片產(chǎn)生壓縮 拉伸 應變時 其阻值減小 增加 再通過橋式電路獲得相應的毫伏級電勢輸出 并用毫伏計或其他記錄儀表顯示出被測壓力 從而組成應變片式壓力計 圖3 11應變片壓力傳感器示意圖 1 應變筒 2 外殼 3 密封膜片 第二節(jié)壓力檢測及儀表 3 壓阻式壓力傳感器 壓阻式壓力傳感器利用單晶硅的壓阻效應而構(gòu)成 采用單晶硅片為彈性元件 在單晶硅膜片上利用集成電路的工藝 在單晶硅的特定方向擴散一組等值電阻 并將電阻接成橋路 單晶硅片置于傳感器腔內(nèi) 當壓力發(fā)生變化時 單晶硅產(chǎn)生應變 使直接擴散在上面的應變電阻產(chǎn)生與被測壓力成比例的變化 再由橋式電路獲得相應的電壓輸出信號 工作原理 43 第二節(jié)壓力檢測及儀表 圖3 12壓阻式壓力傳感器 1 基座 2 單晶硅片 3 導環(huán) 4 螺母 5 密封墊圈 6 等效電阻 特點 精度高 工作可靠 頻率響應高 遲滯小 尺寸小 重量輕 結(jié)構(gòu)簡單 便于實現(xiàn)顯示數(shù)字化 可以測量壓力 稍加改變 還可以測量差壓 高度 速度 加速度等參數(shù) 44 第二節(jié)壓力檢測及儀表 4 力矩平衡式壓力變送器 力矩平衡式壓力變送器是一種典型的自平衡檢測儀表 它利用負反饋的工作原理克服元件材料 加工工藝等不利因素的影響 使儀表具有較高的測量精度 一般為0 5級 工作穩(wěn)定可靠 線性好 不靈敏區(qū)小等一系列優(yōu)點 45 舉例 以DDZ 型電動力矩平衡壓力變送器為例 圖3 13DDZ 型電動力矩平衡壓力變送器示意圖 1 測量膜片 2 軸封膜片 3 主杠桿 4 矢量機構(gòu)5 量程調(diào)整螺釘 6 連桿 7 副杠桿 8 檢測片 銜鐵 9 差動變壓器 10 反饋動圈 11 放大器 12 調(diào)零彈簧 13 永久磁鋼 DDZ 型系列為直流24V供電 輸出4 20mA DC 兩線制 安全防爆 被測壓力p作用在測量膜片1上 通過膜片的有效面積轉(zhuǎn)變成集中力Fi 即 f為膜片的有效面積 3 13 46 第二節(jié)壓力檢測及儀表 第二節(jié)壓力檢測及儀表 該變送器是按力矩平衡原理工作的 根據(jù)主 副杠桿的平衡條件可以推導出被測壓力p與輸出信號I0的關(guān)系 當主杠桿平衡時 應有 3 14 式中 分別為Fi F1離支點O1的距離 3 15 將式 3 13 代入式 3 14 有 式中 為一比例系數(shù) 47 第二節(jié)壓力檢測及儀表 而 式中 分別為F2及電磁反饋力離支點O2的距離 將式 3 18 代入式 3 17 得 3 18 3 17 3 19 3 16 聯(lián)立式 3 16 與 3 19 得 3 20 式中 為轉(zhuǎn)換比例系數(shù) 48 第二節(jié)壓力檢測及儀表 5 電容式壓力變送器 電容式壓力變送器是一種開環(huán)檢測儀表 具有結(jié)構(gòu)簡單 過載能力強 可靠性好 測量精度高等優(yōu)點 其輸出信號是標準的4 20mA DC 電流信號 工作原理 圖3 14電容式差壓變送器原理圖 1 隔離膜片 2 7 固定電極 3 硅油 4 測量膜片 5 玻璃層 6 底座 8 引線 49 先將壓力的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化 然后進行測量 第二節(jié)壓力檢測及儀表 電容式差壓變送器的結(jié)構(gòu)可以有效地保護測量膜片 當差壓過大并超過允許測量范圍時 測量膜片將平滑地貼靠在玻璃凹球面上 因此不易損壞 過載后的恢復特性很好 這樣大大提高了過載承受能力 與力矩平衡式相比 電容式?jīng)]有杠桿傳動機構(gòu) 因而尺寸緊湊 密封性與抗振性好 測量精度相應提高 可達0 2級 小結(jié) 50 第二節(jié)壓力檢測及儀表 四 智能型壓力變送器 智能型壓力或差壓變送器是在普通壓力或差壓傳感器的基礎(chǔ)上增加微處理器電路而形成的智能檢測儀表 可進行遠程通信 利用手持通信器 可對現(xiàn)場變送器進行各種運行參數(shù)的選擇和標定 其精確度高 使用與維護方便 特點 51 第二節(jié)壓力檢測及儀表 舉例 以美國費希爾 羅斯蒙特公司的3051C型智能差壓變送器為例介紹其工作原理 圖3 153051C型智能差壓變送器 4 20mA 方框圖 52 第二節(jié)壓力檢測及儀表 圖3 16手持通信器的連接示意圖 3051C型智能差壓變送器所用的手持通信器為275型 帶有鍵盤及液晶顯示器 可以接在現(xiàn)場變送器的信號端子上 就地設(shè)定或檢測 也可以在遠離現(xiàn)場的控制室中 接在某個變送器的信號線上進行遠程設(shè)定及檢測 1 組態(tài) 2 測量范圍的變更 3 變送器的校準 4 自診斷 53 第二節(jié)壓力檢測及儀表 54 第二節(jié)壓力檢測及儀表 五 壓力計的選用及安裝 1 壓力計的選用 壓力計的選用應根據(jù)工藝生產(chǎn)過程對壓力測量的要求 結(jié)合其他各方面的情況 加以全面的考慮和具體的分析 一般考慮以下幾個問題 儀表類型的選用 儀表精度級的選取 儀表測量范圍的確定 55 第二節(jié)壓力檢測及儀表 舉例 例3某臺往復式壓縮機的出口壓力范圍為25 28MPa 測量誤差不得大于1MPa 工藝上要求就地觀察 并能高低限報警 試正確選用一臺壓力表 指出型號 精度與測量范圍 解由于往復式壓縮機的出口壓力脈動較大 所以選擇儀表的上限值為根據(jù)就地觀察及能進行高低限報警的要求 由本章附錄一 可查得選用YX 150型電接點壓力表 測量范圍為0 60MPa 56 第二節(jié)壓力檢測及儀表 由于 故被測壓力的最小值不低于滿量程的1 3 這是允許的 另外 根據(jù)測量誤差的要求 可算得允許誤差為所以 精度等級為1 5級的儀表完全可以滿足誤差要求 至此 可以確定 選擇的壓力表為YX 150型電接點壓力表 測量范圍為0 60MPa 精度等級為1 5級 57 第二節(jié)壓力檢測及儀表 2 壓力計的安裝 1 測壓點的選擇應能反映被測壓力的真實大小 要選在被測介質(zhì)直線流動的管段部分 不要選在管路拐彎 分叉 死角或其他易形成漩渦的地方 測量流動介質(zhì)的壓力時 應使取壓點與流動方向垂直 取壓管內(nèi)端面與生產(chǎn)設(shè)備連接處的內(nèi)壁應保持平齊 不應有凸出物或毛刺 測量液 氣 體壓力時 取壓點應在管道下 上 部 使導壓管內(nèi)不積存氣 液 體 58 第二節(jié)壓力檢測及儀表 2 導壓管鋪設(shè) 導壓管粗細要合適 一般內(nèi)徑為6 10mm 長度應盡可能短 最長不得超過50m 以減少壓力指示的遲緩 如超過50m 應選用能遠距離傳送的壓力計 導壓管水平安裝時應保證有1 10 1 20的傾斜度 以利于積存于其中之液體 或氣體 的排出 當被測介質(zhì)易冷凝或凍結(jié)時 必須加設(shè)保溫伴熱管線 取壓口到壓力計之間應裝有切斷閥 以備檢修壓力計時使用 切斷閥應裝設(shè)在靠近取壓口的地方 59 第二節(jié)壓力檢測及儀表 3 壓力計的安裝 壓力計應安裝在易觀察和檢修的地方 安裝地點應力求避免振動和高溫影響 60 第二節(jié)壓力檢測及儀表 測量蒸汽壓力時 應加裝凝液管 以防止高溫蒸汽直接與測壓元件接觸 圖3 17 a 對于有腐蝕性介質(zhì)的壓力測量 應加裝有中性介質(zhì)的隔離罐 右圖 b 表示了被測介質(zhì)密度 2大于和小于隔離液密度 1的兩種情況 圖3 17壓力計安裝示意圖 壓力計 切斷閥門 凝液管 取壓容器 61 第二節(jié)壓力檢測及儀表 壓力計的連接處 應根據(jù)被測壓力的高低和介質(zhì)性質(zhì) 選擇適當?shù)牟牧?作為密封墊片 以防泄漏 當被測壓力較小 而壓力計與取壓口又不在同一高度時 對由此高度而引起的測量誤差應按 p H g進行修正 式中H為高度差 為導壓管中介質(zhì)的密度 g為重力加速度 為安全起見 測量高壓的壓力計除選用有通氣孔的外 安裝時表殼應向墻壁或無人通過之處 以防發(fā)生意外 62 第三節(jié)流量檢測及儀表 一 概述 介質(zhì)流量是控制生產(chǎn)過程達到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)和安全生產(chǎn)以及進行經(jīng)濟核算所必需的一個重要參數(shù) 流量大小 單位時間內(nèi)流過管道某一截面的流體數(shù)量的大小 即瞬時流量 總量 在某一段時間內(nèi)流過管道的流體流量的總和 即瞬時流量在某一段時間內(nèi)的累計值 定義 63 第三節(jié)流量檢測及儀表 質(zhì)量流量M 體積流量Q 如以t表示時間 則流量和總量之間的關(guān)系是 流量計 測量流體流量的儀表 計量表 測量流體總量的儀表 64 第三節(jié)流量檢測及儀表 1 速度式流量計 以測量流體在管道內(nèi)的流速作為測量依據(jù)來計算流量的儀表 2 容積式流量計 以單位時間內(nèi)所排出的流體的固定容積的數(shù)目作為測量依據(jù)來計算流量的儀表 3 質(zhì)量流量計 以測量流體流過的質(zhì)量M為依據(jù)的流量計 質(zhì)量流量計分直接式和間接式兩種 65 分類 第三節(jié)流量檢測及儀表 二 差壓式流量計 差壓式 也稱節(jié)流式 流量計是基于流體流動的節(jié)流原理 利用流體流經(jīng)節(jié)流裝置時產(chǎn)生的壓力差而實現(xiàn)流量測量的 通常是由能將被測流量轉(zhuǎn)換成壓差信號的節(jié)流裝置和能將此壓差轉(zhuǎn)換成對應的流量值顯示出來的差壓計以及顯示儀表所組成 66 第三節(jié)流量檢測及儀表 1 節(jié)流現(xiàn)象與流量基本方程式 1 節(jié)流現(xiàn)象 流體在有節(jié)流裝置的管道中流動時 在節(jié)流裝置前后的管壁處 流體的靜壓力產(chǎn)生差異的現(xiàn)象稱為節(jié)流現(xiàn)象 節(jié)流裝置包括節(jié)流件和取壓裝置 67 第三節(jié)流量檢測及儀表 圖3 18孔板裝置及壓力 流速分布圖 要準確測量出截面 處的壓力有困難 因為產(chǎn)生最低靜壓力p2 的截面 的位置隨著流速的不同會改變 因此是在孔板前后的管壁上選擇兩個固定的取壓點 來測量流體在節(jié)流裝置前后的壓力變化 因而所測得的壓差與流量之間的關(guān)系 與測壓點及測壓方式的選擇是緊密相關(guān)的 注意 68 第三節(jié)流量檢測及儀表 2 節(jié)流基本方程式 流量基本方程式是闡明流量與壓差之間定量關(guān)系的基本流量公式 它是根據(jù)流體力學中的伯努利方程和流體連續(xù)性方程式推導而得的 可以看出 要知道流量與壓差的確切關(guān)系 關(guān)鍵在于 的取值 流量與壓力差 P的平方根成正比 69 第三節(jié)流量檢測及儀表 2 標準節(jié)流裝置 國內(nèi)外把最常用的節(jié)流裝置 孔板 噴嘴 文丘里管等標準化 并稱為 標準節(jié)流裝置 標準化的具體內(nèi)容包括節(jié)流裝置的結(jié)構(gòu) 尺寸 加工要求 取壓方法 使用條件等 70 第三節(jié)流量檢測及儀表 圖3 19孔板斷面示意圖 如左圖 標準孔板對尺寸和公差 粗糙度等都有詳細規(guī)定 舉例 其中d D應在0 2 0 8之間 最小孔徑應不小于12 5mm 直孔部分的厚度h 0 005 0 02 D 總厚度H 0 05D 錐面的斜角 30 45 等等 需要時可參閱設(shè)計手冊 71 舉例 第三節(jié)流量檢測及儀表 標準孔板采用角接取壓法和法蘭取壓法 標準噴嘴為角接取壓法 我國規(guī)定 標準節(jié)流裝置取壓方法 角接取壓法 法蘭取壓法 分為 圖3 20環(huán)式取壓結(jié)構(gòu) 1 管道法蘭 2 環(huán)室 3 孔板 4 夾緊環(huán) 72 第三節(jié)流量檢測及儀表 環(huán)室取壓法能得到較好的測量精度 但是加工制造和安裝要求嚴格 如果由于加工和現(xiàn)場安裝條件的限制 達不到預定的要求時 其測量精度仍難保證 所以 在現(xiàn)場使用時 為了加工和安裝方便 有時不用環(huán)室而用單獨鉆孔取壓 特別是對大口徑管道 73 第三節(jié)流量檢測及儀表 74 第三節(jié)流量檢測及儀表 標準節(jié)流裝置僅適用于測量管道直徑大于50mm 雷諾數(shù)在104 105以上的流體 而且流體應當清潔 充滿全部管道 不發(fā)生相變 節(jié)流裝置將管道中流體流量的大小轉(zhuǎn)換為相應的差壓大小 但這個差壓信號還必須由導壓管引出 并傳遞到相應的差壓計 以便顯示出流量的數(shù)值 75 第三節(jié)流量檢測及儀表 3 差壓式流量計的測量誤差 在現(xiàn)場實際應用時 往往具有比較大的測量誤差 有的甚至高達10 20 76 第三節(jié)流量檢測及儀表 誤差產(chǎn)生的原因 被測流體工作狀態(tài)的變動 節(jié)流裝置安裝不正確 孔板入口邊緣的磨損 導壓管安裝不正確 或有堵塞 滲漏現(xiàn)象差壓計安裝或使用不正確 到78頁 到82頁 77 第三節(jié)流量檢測及儀表 78 導壓管要正確地安裝 防止堵塞與滲漏 否則會引起較大的測量誤差 對于不同的被測介質(zhì) 導壓管的安裝亦有不同的要求 下面分類討論 圖3 21測量液體流量時的取壓點位置 圖3 22測量液體流量時的連接圖 1 節(jié)流裝置 2 引壓導管 3 放空閥 4 平衡閥 5 差壓變送器 6 貯氣罐 7 切斷閥 第三節(jié)流量檢測及儀表 a 取壓點應該位于節(jié)流裝置的下半部 與水平線夾角 為0 45 b 引壓導管最好垂直向下 如條件不許可 導壓管亦應下傾一定坡度 至少1 20 1 10 使氣泡易于排出 c 在引壓導管的管路中 應有排氣的裝置 測量液體的流量時 應該使兩根導壓管內(nèi)都充滿同樣的液體而無氣泡 以使兩根導壓管內(nèi)的液體密度相等 79 第三節(jié)流量檢測及儀表 80 測量氣體流量時 上述的這些基本原則仍然適用 a 取壓點應在節(jié)流裝置的上半部 b 引壓導管最好垂直向上 至少亦應向上傾斜一定的坡度 以使引壓導管中不滯留液體 c 如果差壓計必須裝在節(jié)流裝置之下 則需加裝貯液罐和排放閥 如圖3 23所示 測量蒸汽的流量時 要實現(xiàn)上述的基本原則 必須解決蒸汽冷凝液的等液位問題 以消除冷凝液液位的高低對測量精度的影響 常見的接法見圖3 24所示 第三節(jié)流量檢測及儀表 圖3 23測量氣體流量時的連接圖 1 節(jié)流裝置 2 引壓導管 3 差壓變送器 4 貯液罐 5 排放閥 圖3 24測量蒸汽流量的連接圖 1 節(jié)流裝置 2 凝液罐 3 引壓導管 4 排放閥 5 差壓變送器 6 平衡閥 81 第三節(jié)流量檢測及儀表 82 差壓計或差壓變送器安裝或使用不正確也會引起測量誤差 由引壓導管接至差壓計或變送器前 必須安裝切斷閥1 2和平衡閥3 構(gòu)成三閥組 如圖3 25所示 測量腐蝕性 或因易凝固不適宜直接進入差壓計 的介質(zhì)流量時 必須采取隔離措施 常用的兩種隔離罐形式如圖3 26所示 第三節(jié)流量檢測及儀表 圖3 25差壓計閥組安裝示意圖 1 2 切斷閥 3 平衡閥 圖3 26隔離罐的兩種形式 83 第三節(jié)流量檢測及儀表 三 轉(zhuǎn)子流量計 84 1 工作原理 以壓降不變 利用節(jié)流面積的變化來測量流量的大小 即轉(zhuǎn)子流量計采用的是恒壓降 變節(jié)流面積的流量測量方法 圖3 27轉(zhuǎn)子流量計的工作原理圖 第三節(jié)流量檢測及儀表 轉(zhuǎn)子流量計中轉(zhuǎn)子的平衡條件是 3 25 由式 3 25 可得 根據(jù)轉(zhuǎn)子浮起的高度就可以判斷被測介質(zhì)的流量大小 或 將式 3 26 代入上兩式 得 或 3 26 85 第三節(jié)流量檢測及儀表 86 2 電遠傳式轉(zhuǎn)子流量計 它可以將反映流量大小的轉(zhuǎn)子高度h轉(zhuǎn)換為電信號 適合于遠傳 進行顯示或記錄 LZD系列電遠傳式轉(zhuǎn)子流量計主要由流量變送及電動顯示兩部分組成 1 流量變送部分 圖3 28差動變壓器結(jié)構(gòu) 第三節(jié)流量檢測及儀表 87 第三節(jié)流量檢測及儀表 88 2 電動顯示部分 圖3 29LTD系列電遠傳轉(zhuǎn)子流量計 第三節(jié)流量檢測及儀表 3 轉(zhuǎn)子流量計的指示值修正 轉(zhuǎn)子流量計的流量標尺上的刻度值 對用于測量液體來講是代表20 時水的流量值 對用于測量氣體來講則是代表20 0 10133MPa壓力下空氣的流量值 所以 在實際使用時 要根據(jù)具體體情況進行修正 1 液體流量測量時的修正 3 31 89 第三節(jié)流量檢測及儀表 如果被測介質(zhì)的黏度與水的黏度相差不大 可近似認為 是常數(shù) 則有 3 32 整理后得 3 34 3 33 90 第三節(jié)流量檢測及儀表 同理可導得質(zhì)量流量的修正公式為 當采用耐酸不銹鋼作為轉(zhuǎn)子材料時 t 7 9g cm3 水的密度 w 1g cm3 代入 3 34 與式 3 36 得 3 35 3 36 3 37 3 38 91 第三節(jié)流量檢測及儀表 當介質(zhì)密度 f變化時 密度修正系數(shù)KQ KM的數(shù)值見下表 表3 2密度修正系數(shù)表 92 第三節(jié)流量檢測及儀表 舉例 例4現(xiàn)用一只以水標定的轉(zhuǎn)子流量計來測量苯的流量 已知轉(zhuǎn)子材料為不銹鋼 t 7 9g cm3 苯的密度為 f 0 83g cm3 試問流量計讀數(shù)為3 6L s時 苯的實際流量是多少 解由式 3 37 計算或由表3 2可查得將此值代入式 3 33 得即苯的實際流量為4L s 93 第三節(jié)流量檢測及儀表 94 2 氣體流量測定時的修正 對被測介質(zhì)的密度 工作壓力和溫度均需進行修正 當已知儀表顯示刻度Q0 要計算實際的工作介質(zhì)流量時 可按下式修正 注意 上式計算得到的Q 是被測介質(zhì)在單位時間 小時 內(nèi)流過轉(zhuǎn)子流量計的標準狀態(tài)下的容積數(shù) 標準立方米 而不是被測介質(zhì)在實際工作狀態(tài)下的容積流量 第三節(jié)流量檢測及儀表 95 舉例 例5某廠用轉(zhuǎn)子流量計來測量溫度為27 表壓為0 16MPa的空氣流量 問轉(zhuǎn)子流量計讀數(shù)為38Nm3 h時 空氣的實際流量是多少 解已知Q0 38Nm3 h p1 0 16 0 10133 0 26133MPa T1 27 273 300K T0 293K p0 0 10133MPa 1 0 1 293Kg Nm3 將上列數(shù)據(jù)代入上式 便可得即這時空氣的流量為60 3Nm3 h 第三節(jié)流量檢測及儀表 96 3 蒸汽流量測量時的換算 轉(zhuǎn)子流量計用來測量水蒸氣流量時 若將蒸汽流量換算為水流量 可按式 3 35 計算 若轉(zhuǎn)子材料為不銹鋼 t 7 9g cm3 則有 當 時 第三節(jié)流量檢測及儀表 97 第三節(jié)流量檢測及儀表 四 橢圓齒輪流量計 98 1 工作原理 圖3 30橢圓齒輪流量計結(jié)構(gòu)原理 通過橢圓齒輪流量計的體積流量 2 使用特點 適用于高黏度介質(zhì)的流量測量 測量精度較高 壓力損失較小 安裝使用也較方便 橢圓齒輪流量計的入口端必須加裝過濾器 橢圓齒輪流量計的使用溫度有一定范圍 橢圓齒輪流量計的結(jié)構(gòu)復雜 加工成本較高 第三節(jié)流量檢測及儀表 五 渦輪流量計 99 圖3 31渦輪流量計 1 渦輪 2 導流器 3 磁電感應轉(zhuǎn)換器 4 外殼 5 前置放大器 優(yōu)點 安裝方便 測量精度高 可耐高壓 反應快 可測脈動流量 輸出信號為電頻率信號 便于遠傳 不受干擾 缺點 一般應加過濾器 安裝時 前后要有一定的直管段 第三節(jié)流量檢測及儀表 六 電磁流量計 100 能夠測量酸 堿 鹽溶液以及含有固體顆粒 例如泥漿 或纖維液體的流量 圖3 32電磁流量計原理圖 感應電勢的方向由右手定則判斷 大小由下式?jīng)Q定 3 43 而 3 44 將式 4 44 代入式 4 43 得 第三節(jié)流量檢測及儀表 101 第三節(jié)流量檢測及儀表 七 漩渦流量計 精度高 測量范圍寬 沒有運動部件 無機械磨損 維護方便 壓力損失小 節(jié)能效果明顯 圖3 33卡曼渦街 102 漩渦流量計是利用有規(guī)則的漩渦剝離現(xiàn)象來測量流體流量的儀表 第三節(jié)流量檢測及儀表 滿足h L 0 281時 則所產(chǎn)生的渦街是穩(wěn)定的 由圓柱體形成的卡曼漩渦 其單側(cè)漩渦產(chǎn)生的頻率為 103 第三節(jié)流量檢測及儀表 八 質(zhì)量流量計 104 1 直接式質(zhì)量流量計 圖3 35科氏力流量計測量原理 科氏力流量計的測量原理是基于流體在振動管中流動時 將產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力 質(zhì)量流量 第三節(jié)流量檢測及儀表 優(yōu)點 能夠直接測量質(zhì)量流量 不受流體物性 密度 黏度等 的影響 測量精度高 測量值不受管道內(nèi)流場影響 沒有上 下游直管段長度的要求 可測各種非牛頓流體以及黏滯和含微粒的漿液 缺點 它的阻力損失較大 零點不穩(wěn)定 管路振動會影響測量精度 105 第三節(jié)流量檢測及儀表 106 2 間接式質(zhì)量流量計 1 測量體積流量Q的儀表與密度計配合 圖3 36渦輪流量計與密度計配合 質(zhì)量流量 2 測量 Q2的儀表與密度計配合 圖3 37差壓流量計與密度計配合 第三節(jié)流量檢測及儀表 3 測量 Q2的儀表與測量Q的儀表配合 圖3 38差壓流量計與渦輪流量計配合 107 第一部分結(jié)束