過程裝備控制技術(shù)及應(yīng)用2015第三章(3)

1、3.5 流量測(cè)量 3.5.1概述 流量是測(cè)量中的重要參數(shù)之一，是產(chǎn)品成本核算和能源科學(xué)管理 所必需的指標(biāo)。因此，對(duì)流量測(cè)量方法及測(cè)量?jī)x器的學(xué)習(xí)顯的非常重 要。 用于流量測(cè)量的儀表叫流量計(jì)。常見的流量計(jì)有： 壓差式流量計(jì); 轉(zhuǎn)子流量計(jì); 電磁式流量計(jì)等。 流量檢測(cè) 流量流量 檢測(cè)檢測(cè) 體積體積 流量流量 質(zhì)量質(zhì)量 流量流量 直接法直接法 (容積容積) 間接法間接法 直接法直接法 (推導(dǎo)法推導(dǎo)法) 間接法間接法 (速度速度) 測(cè)定單位時(shí)間內(nèi)排出的標(biāo)測(cè)定單位時(shí)間內(nèi)排出的標(biāo) 準(zhǔn)固定體積的數(shù)量。準(zhǔn)固定體積的數(shù)量。 測(cè)定管道內(nèi)流體平均流速，測(cè)定管道內(nèi)流體平均流速， 并乘以管道截面積。并乘以管道截面積。 檢

2、測(cè)元件輸出信號(hào)直接反映質(zhì)檢測(cè)元件輸出信號(hào)直接反映質(zhì) 量流量。量流量。 同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)相關(guān)參數(shù)，通過同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)相關(guān)參數(shù)，通過 運(yùn)算求取質(zhì)量流量運(yùn)算求取質(zhì)量流量 速度式速度式 差壓式差壓式 根據(jù)流體力學(xué)理論，通過截根據(jù)流體力學(xué)理論，通過截 流元件前后壓差反映流量。流元件前后壓差反映流量。 2 a. 體積流量測(cè)量方法分類表體積流量測(cè)量方法分類表 b. 質(zhì)量流量測(cè)量方法分類表質(zhì)量流量測(cè)量方法分類表 3 3.5.2 3.5.2 節(jié)流式流量檢測(cè)儀表節(jié)流式流量檢測(cè)儀表 利用流體在管道中通過阻力件時(shí)在利用流體在管道中通過阻力件時(shí)在 阻力件兩端產(chǎn)生的壓力差與流體阻力件兩端產(chǎn)生的壓力差與流體 流速關(guān)系測(cè)量流體流量

3、流速關(guān)系測(cè)量流體流量 孔板孔板 噴嘴噴嘴 文丘里管文丘里管 4 3.5.3 轉(zhuǎn)子(浮子)流量計(jì) 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子( (浮子浮子) )流量計(jì)是以浮子在垂直錐形管中隨著流量流量計(jì)是以浮子在垂直錐形管中隨著流量 變化而升降變化而升降( (改變流通面積改變流通面積) )方式來進(jìn)行測(cè)量的體積流方式來進(jìn)行測(cè)量的體積流 量?jī)x表。量?jī)x表。 轉(zhuǎn)子流量計(jì)外形圖如下圖所示。轉(zhuǎn)子流量計(jì)外形圖如下圖所示。 5 3.5.4 渦街流量計(jì) 一種應(yīng)用流體振動(dòng)原理測(cè)量流量的儀表。一種應(yīng)用流體振動(dòng)原理測(cè)量流量的儀表。 它利用流體自然振動(dòng)的卡門漩渦列原理進(jìn)行流量測(cè)量它利用流體自然振動(dòng)的卡門漩渦列原理進(jìn)行流量測(cè)量 （通過測(cè)量振動(dòng)頻率獲得流量信

4、號(hào)）。（通過測(cè)量振動(dòng)頻率獲得流量信號(hào)）。 渦街流量計(jì)外形圖如下圖所示。渦街流量計(jì)外形圖如下圖所示。 6 3.5.5 電磁流量計(jì) 電磁流量計(jì)是基于法拉第電磁感應(yīng)原理制成的一種流電磁流量計(jì)是基于法拉第電磁感應(yīng)原理制成的一種流 量計(jì)，其測(cè)量原理如圖所示。量計(jì)，其測(cè)量原理如圖所示。 電磁流量計(jì)原理和外形如圖所示。電磁流量計(jì)原理和外形如圖所示。 7 3.5.6 容積式流量計(jì) 利用機(jī)械測(cè)量元件，把流體連續(xù)不斷地分隔為單個(gè)的利用機(jī)械測(cè)量元件，把流體連續(xù)不斷地分隔為單個(gè)的 固定容積部分排出，而后通過計(jì)數(shù)單位時(shí)間或某一時(shí)固定容積部分排出，而后通過計(jì)數(shù)單位時(shí)間或某一時(shí) 間間隔內(nèi)經(jīng)儀表排出的流體固定容積的數(shù)目來實(shí)現(xiàn)

5、流間間隔內(nèi)經(jīng)儀表排出的流體固定容積的數(shù)目來實(shí)現(xiàn)流 量的計(jì)量。有橢圓齒輪、腰輪等類型。量的計(jì)量。有橢圓齒輪、腰輪等類型。 橢圓齒輪流量計(jì)原理及實(shí)物如圖所示。橢圓齒輪流量計(jì)原理及實(shí)物如圖所示。 8 3.5.7 超聲波式流量計(jì) 超聲波在流體中傳播時(shí)，受到流體速度的影響而載有超聲波在流體中傳播時(shí)，受到流體速度的影響而載有 流速信息，通過檢測(cè)接收到的超聲波信號(hào)可以測(cè)知流流速信息，通過檢測(cè)接收到的超聲波信號(hào)可以測(cè)知流 體流速，從而求得流體流量。體流速，從而求得流體流量。 超聲波流量計(jì)實(shí)物如圖所示。超聲波流量計(jì)實(shí)物如圖所示。 9 3.5.8 熱式質(zhì)量流量計(jì) 利用外部熱源對(duì)管道內(nèi)的被測(cè)流體加熱，熱能隨流體利用

6、外部熱源對(duì)管道內(nèi)的被測(cè)流體加熱，熱能隨流體 一起流動(dòng)，通過測(cè)量因流體流動(dòng)而造成的熱量一起流動(dòng)，通過測(cè)量因流體流動(dòng)而造成的熱量( (溫度溫度) ) 變化來反映出流體的質(zhì)量流量。分內(nèi)熱式和外熱式。變化來反映出流體的質(zhì)量流量。分內(nèi)熱式和外熱式。 內(nèi)熱式流量計(jì)原理如圖所示。內(nèi)熱式流量計(jì)原理如圖所示。 10 3.5.9 差壓式質(zhì)量流量計(jì) 差壓式質(zhì)量流量計(jì)是以馬格努斯效應(yīng)為基礎(chǔ)的流量計(jì)，實(shí)差壓式質(zhì)量流量計(jì)是以馬格努斯效應(yīng)為基礎(chǔ)的流量計(jì)，實(shí) 際應(yīng)用中利用孔板和定量泵組合實(shí)現(xiàn)質(zhì)量流量測(cè)量；常際應(yīng)用中利用孔板和定量泵組合實(shí)現(xiàn)質(zhì)量流量測(cè)量；常 見的有雙孔板和四孔板與定量泵組合兩種結(jié)構(gòu)見的有雙孔板和四孔板與定量泵組

7、合兩種結(jié)構(gòu) 。 a.a.雙孔板結(jié)構(gòu)雙孔板結(jié)構(gòu) 設(shè)主管道體積流量為設(shè)主管道體積流量為q qv v，且，且 滿足滿足q qq qv v， 則有：則有： 流經(jīng)孔板流經(jīng)孔板A A的體積流量：的體積流量： q qv v-q-q 流經(jīng)孔板流經(jīng)孔板B B的流量：的流量： q qv v+q+q 11 b. b. 四孔板結(jié)構(gòu)四孔板結(jié)構(gòu) 設(shè)設(shè) 流過孔板流過孔板A A的體積流量為的體積流量為q qA; A; 則：則： 流過孔板流過孔板B B、C C、D D的體積流量如的體積流量如 圖中所示。圖中所示。 用與上述計(jì)算相同的方法，可用與上述計(jì)算相同的方法，可 求出如下關(guān)系求出如下關(guān)系: : ， qqv: qqV: 23

8、 4 V ppKq q 14 4 V ppq q 四孔板與定量泵組合結(jié)四孔板與定量泵組合結(jié) 構(gòu)不論構(gòu)不論qqV，或，或qqV 均可測(cè)量。均可測(cè)量。 適于測(cè)量液體的質(zhì)量流量，測(cè)量范圍為適于測(cè)量液體的質(zhì)量流量，測(cè)量范圍為0.5250 kgh， 量程比為量程比為20 : 1，測(cè)量準(zhǔn)確度可達(dá)，測(cè)量準(zhǔn)確度可達(dá)0.5。 12 3.5.10 科里奧利質(zhì)量流量計(jì) 是一種利用流體在振動(dòng)管中流動(dòng)而產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比是一種利用流體在振動(dòng)管中流動(dòng)而產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比 的科里奧利力的原理來直接測(cè)量質(zhì)量流量的儀表。的科里奧利力的原理來直接測(cè)量質(zhì)量流量的儀表。 其原理和實(shí)物圖如圖所示：其原理和實(shí)物圖如圖所示： 13 3

9、 .6.1 概述 物位是液位，料位以及界位的統(tǒng)稱。其中液位指容器內(nèi)液體介 質(zhì)液面的高低。物位測(cè)量的主要目的在于測(cè)量容器中物料的存儲(chǔ)量 ，以便對(duì)物料進(jìn)行監(jiān)控。 生產(chǎn)過程中的液面情況十分復(fù)雜，除常壓，常溫，一般性介質(zhì) 水平液面情況外，還會(huì)遇到高溫，高壓，易燃易爆，粘性及多泡沫 沸騰狀的液面情況。在實(shí)際操作過程中，對(duì)液位測(cè)量的要求是多方 面的，液位測(cè)量的范圍變化也很大。針對(duì)這些不同情況，應(yīng)選用不 同的液位計(jì)。 液位測(cè)量已經(jīng)有很長(zhǎng)的歷史。在測(cè)量方法按工作原理可分為直 讀式，浮力式，靜壓式，電容式，光纖式，激光式，核輻射式。面 3.6 液 位 測(cè) 量 物位檢測(cè)物位檢測(cè) 物位物位 儀表儀表 按測(cè)量按測(cè)量

10、方式分方式分 類類 能持續(xù)測(cè)量物位的變化，實(shí)時(shí)能持續(xù)測(cè)量物位的變化，實(shí)時(shí) 反映物位狀態(tài)。反映物位狀態(tài)。 按工作按工作 原理分原理分 類類 連續(xù)測(cè)量連續(xù)測(cè)量 定點(diǎn)測(cè)量定點(diǎn)測(cè)量 只監(jiān)測(cè)物位是否達(dá)到上限、下只監(jiān)測(cè)物位是否達(dá)到上限、下 限或某個(gè)特定位置，定點(diǎn)測(cè)量限或某個(gè)特定位置，定點(diǎn)測(cè)量 儀表一般稱為物位開關(guān)。儀表一般稱為物位開關(guān)。 采用側(cè)壁開窗口或旁通管方式，直接顯采用側(cè)壁開窗口或旁通管方式，直接顯 示容器中物位的高度。示容器中物位的高度。 直讀式直讀式 靜壓式靜壓式 浮力式浮力式 機(jī)械式機(jī)械式 電氣式電氣式 基于流體靜力學(xué)原理，通過檢測(cè)容器內(nèi)基于流體靜力學(xué)原理，通過檢測(cè)容器內(nèi) 流體的靜壓力確定容器

11、內(nèi)液位。流體的靜壓力確定容器內(nèi)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 沒于液體中的物質(zhì)受到的浮力隨液位而沒于液體中的物質(zhì)受到的浮力隨液位而 變化來檢測(cè)液位。變化來檢測(cè)液位。 通過測(cè)量物位探頭與物料面接觸時(shí)的機(jī)通過測(cè)量物位探頭與物料面接觸時(shí)的機(jī) 械力實(shí)現(xiàn)物位的測(cè)量。械力實(shí)現(xiàn)物位的測(cè)量。 通過檢測(cè)置于被測(cè)介質(zhì)中的物位敏感元通過檢測(cè)置于被測(cè)介質(zhì)中的物位敏感元 件隨物位變化時(shí)電量變化檢測(cè)物位。件隨物位變化時(shí)電量變化檢測(cè)物位。15 3.6.2 直讀式物位檢測(cè)儀表 采用側(cè)壁開窗口或旁通管方式， 直接顯示容器中物位的高度。 代表儀表：玻璃管（板）式液 位計(jì) 主要用于液位

12、檢測(cè)和壓力較低 的場(chǎng)合液位就地指示。 16 3.6.3 靜壓式物位檢測(cè)儀表 基于流體靜力學(xué)原理，通過檢 測(cè)容器內(nèi)流體的靜壓力確定 容器內(nèi)液位。 代表儀表：壓力式、吹氣式、 差壓式液位計(jì) 17 3.6.4 浮力式物位檢測(cè) 利用漂浮于液面上的浮子， 或者部分浸沒于液體中的物 質(zhì)受到的浮力隨液位而變化 來檢測(cè)液位。 前者稱為恒浮力法，后者稱 變浮力法。 代表儀表：浮子式液位計(jì)、 浮筒式液位計(jì) 應(yīng)用于液位檢測(cè)。 18 3.6.5 機(jī)械接觸式物位檢測(cè) 通過測(cè)量物位探頭與物料面 接觸時(shí)的機(jī)械力實(shí)現(xiàn)物位的 測(cè)量。 代表儀表： 重錘式、 旋翼式、 音叉式 主要應(yīng)用于固體料位檢測(cè) 19 3.6.6 電氣式物位檢

13、測(cè) 通過檢測(cè)置于被測(cè)介質(zhì)中的 物位敏感元件隨物位變化時(shí) 電量變化檢測(cè)物位。 代表儀表：電容式物位計(jì) 可用于液位檢測(cè)，界面測(cè)量 或料位檢測(cè)。 20 3.6.7 聲學(xué)式物位檢測(cè) 利用聲波在介質(zhì)中的傳播速 度及在不同相界面之間的 反射特性來檢測(cè)物位。 代表儀表：超聲波物位計(jì) 可用于液位檢測(cè)，界面測(cè)量 或料位檢測(cè) 21 3.6.8 射線式物位檢測(cè) 通過檢測(cè)放射性同位素所放出的射 線穿過被測(cè)介質(zhì)時(shí)被吸收的程度 檢測(cè)物位。 代表儀表：射線式物位計(jì) 可應(yīng)用于物位（液位、料位）的非 接觸式檢測(cè)。 其他物位檢測(cè)方法：其他物位檢測(cè)方法： 光學(xué)法、微波法、磁致伸縮式物位檢測(cè)光學(xué)法、微波法、磁致伸縮式物位檢測(cè) 22

14、現(xiàn)代化工生產(chǎn)過程中，為了保證原材料，中間產(chǎn)品 ，成品的質(zhì)量和產(chǎn)量，可以利用溫度，壓力，流量等過 程參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和控制，這是間接的方法。而成分分析 儀表則可以隨時(shí)監(jiān)視原料，半成品，成品的成分及其含 量，達(dá)到直接檢測(cè)和控制的目的。 3.7 物質(zhì)成分分析 成分檢測(cè)成分檢測(cè) 成分成分 檢測(cè)檢測(cè) 按方按方 法法 按原按原 理理 實(shí)驗(yàn)室分析實(shí)驗(yàn)室分析 現(xiàn)場(chǎng)時(shí)時(shí)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)時(shí)檢測(cè) 電化學(xué)式電化學(xué)式 光學(xué)式光學(xué)式 磁學(xué)式磁學(xué)式 色譜式色譜式 物性測(cè)量?jī)x表物性測(cè)量?jī)x表 射線式射線式 電子光學(xué)式和離子光學(xué)式電子光學(xué)式和離子光學(xué)式 熱學(xué)式熱學(xué)式 24 3.7.1 熱導(dǎo)式檢測(cè)技術(shù) 主要用于對(duì)混合氣體中某種成分含量的分析

15、。主要用于對(duì)混合氣體中某種成分含量的分析。 常用于分析混合氣體中常用于分析混合氣體中H H2 2、C0C02 2、S0S02 2等組分的百分等組分的百分 含量。含量。 檢測(cè)原理檢測(cè)原理 熱導(dǎo)式氣體分析器是利用各熱導(dǎo)式氣體分析器是利用各 種氣體具有不同的導(dǎo)熱特性，種氣體具有不同的導(dǎo)熱特性， 通過測(cè)量混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)通過測(cè)量混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù) 的變化，間接獲得待測(cè)組分的的變化，間接獲得待測(cè)組分的 含量。含量。 熱敏電阻絲作用：熱敏電阻絲作用： 通電加熱、通電加熱、 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定敏感元件導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定敏感元件 原理圖原理圖 25 3.7.2 紅外式成分檢測(cè) 紅外線氣體分析儀：紅外線氣體分析儀： 根據(jù)

16、氣體對(duì)紅外線的吸收特性來檢測(cè)混合氣體中某一組根據(jù)氣體對(duì)紅外線的吸收特性來檢測(cè)混合氣體中某一組 分含量的檢測(cè)儀器。分含量的檢測(cè)儀器。 紅外線氣體成分檢測(cè)依據(jù)：紅外線氣體成分檢測(cè)依據(jù)： 氣體對(duì)紅外線的吸收特性及產(chǎn)生熱效應(yīng)性質(zhì)，氣體對(duì)紅外線的吸收特性及產(chǎn)生熱效應(yīng)性質(zhì)， 26 3.7.3 色譜分析方法 色譜儀具備對(duì)被測(cè)樣品進(jìn)行全面的分析，鑒定混合物的組成色譜儀具備對(duì)被測(cè)樣品進(jìn)行全面的分析，鑒定混合物的組成 組分及測(cè)出各組分含量的能力。組分及測(cè)出各組分含量的能力。 色譜儀是基于介質(zhì)中不同的組分相對(duì)于某一物質(zhì)具有不同的色譜儀是基于介質(zhì)中不同的組分相對(duì)于某一物質(zhì)具有不同的 吸附（溶解）力，利用色譜柱實(shí)現(xiàn)混合

17、物各組分的分離，吸附（溶解）力，利用色譜柱實(shí)現(xiàn)混合物各組分的分離， 同時(shí)按各組分從色譜柱排出的先后順序分別測(cè)量，并根據(jù)同時(shí)按各組分從色譜柱排出的先后順序分別測(cè)量，并根據(jù) 各組分出現(xiàn)的時(shí)間以及測(cè)量值的大小確定混合物的組成以各組分出現(xiàn)的時(shí)間以及測(cè)量值的大小確定混合物的組成以 及各組分的濃度。及各組分的濃度。 27 3.7.4 固態(tài)電解質(zhì)氣敏元件及氧化鋯氧檢測(cè)儀 1 1）固態(tài)電解質(zhì)）固態(tài)電解質(zhì) 由于結(jié)構(gòu)的特殊性，部分離子可以相對(duì)自由地在晶格結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)的特殊性，部分離子可以相對(duì)自由地在晶格結(jié)構(gòu) 內(nèi)移動(dòng)，表現(xiàn)出一定的導(dǎo)電性能的固態(tài)無機(jī)材料內(nèi)移動(dòng)，表現(xiàn)出一定的導(dǎo)電性能的固態(tài)無機(jī)材料 。 n通用固態(tài)電解質(zhì)

18、：通用固態(tài)電解質(zhì)： 不受被測(cè)氣體性質(zhì)所限制，可制成多種氣敏傳感器的固態(tài)不受被測(cè)氣體性質(zhì)所限制，可制成多種氣敏傳感器的固態(tài) 電解質(zhì)。電解質(zhì)。 注意：注意： 通用固態(tài)電解質(zhì)通用固態(tài)電解質(zhì)本身不具備氣敏功能本身不具備氣敏功能，必須與氣敏膜聯(lián)合，必須與氣敏膜聯(lián)合 使用而構(gòu)成加膜型氣敏傳感器。使用而構(gòu)成加膜型氣敏傳感器。 通用固態(tài)電解質(zhì)的材料主要有各種通用固態(tài)電解質(zhì)的材料主要有各種- -氧化鋁、鈉離子超離氧化鋁、鈉離子超離 子導(dǎo)體子導(dǎo)體(Nasicon)(Nasicon)和沸石等和沸石等 分類：分類： 通用固態(tài)電解質(zhì)通用固態(tài)電解質(zhì) 氣敏固態(tài)電解質(zhì)氣敏固態(tài)電解質(zhì) 28 2 2）氧化鋯氧含量檢測(cè)原理）氧化鋯氧含量檢測(cè)原理 氧化鋯是一種氧離子固態(tài)電解質(zhì)（具有選擇性）。氧化鋯是一種氧離子固態(tài)電解質(zhì)（具有選擇性）。 特性：特性： 純純ZrOZrO2 2晶體在高溫時(shí)以正方的氟化物結(jié)構(gòu)存在，具有晶體在高溫時(shí)以正方的氟化物結(jié)構(gòu)存在，具有 很高的離子電導(dǎo)率；當(dāng)溫度降至很高的離子電導(dǎo)率；當(dāng)溫度降至10001000以下時(shí)轉(zhuǎn)化為單以下時(shí)轉(zhuǎn)化為單 斜晶結(jié)構(gòu)，其離子電導(dǎo)率很低。斜晶結(jié)構(gòu)，其離子電導(dǎo)率很低。 氧化鋯敏感元件氧化鋯敏感元件 氧化鋯敏感元件是在純氧化鋯中滲入一