化工儀表與自動化教（學）案第1-6章

..《化工儀表及自動化》緒論內容提要:化工自動化的含義化工生產過程自動化的目的化工自動化的發(fā)展情況化工儀表及自動化系統(tǒng)的分類本學科的作用★2學時★1.化工自動化的含義是化工、煉油、食品、輕工等化工類型生產過程自動化的簡稱。在化工設備上,配備上一些自動化裝置,代替操作人員的部分直接勞動,使生產在不同程度上自動地進行,這種用自動化裝置來管理化工生產過程的辦法,稱為化工自動化。2.化工生產過程自動化的目的加快生產速度,降低生產成本,提高產品產量和質量。減輕勞動強度,改善勞動條件。能夠保證生產安全,防止事故發(fā)生或擴大,達到延長設備使用壽命,提高設備利用能力的目的。生產過程自動化的實現(xiàn),能根本改變勞動方式,提高工人文化技術水平,為逐步地消滅體力勞動和腦力勞動之間的差別創(chuàng)造條件。3.化工自動化的發(fā)展情況20世紀40年代以前絕大多數(shù)化工生產處于手工操作狀況,操作工人根據(jù)反映主要參數(shù)的儀表指示情況,用人工來改變操作條件,生產過程單憑經驗進行。低效率,花費龐大,見圖。20世紀50年代到60年代人們對化工生產各種單元操作進行了大量的開發(fā)工作,使得化工生產過程朝著大規(guī)模、高效率、連續(xù)生產、綜合利用方向迅速發(fā)展。20世紀70年代以來,化工自動化技術又有了新的發(fā)展已發(fā)展為綜合自動化,應用的領域和規(guī)模越來越大；顯示了知識密集化、高技術集成化的特點；智能化程度日益增加。20世紀末,計算機、信息技術的飛速發(fā)展,引發(fā)了自動化系統(tǒng)結構的變革。4.化工儀表及自動化系統(tǒng)的分類需要測量和控制的參數(shù)是多種多樣的,主要有熱工量〔壓力、流量、液位、溫度和成分〔或物性量。化工自動化儀表按其功能分為：檢測、顯示、控制儀表和執(zhí)行器。由上述各類儀表,可以構成自動檢測、自動操縱、自動保護和自動控制四種自動化系統(tǒng)。5.本學科的作用化工生產過程自動化是一門綜合性的技術學科。它應用自動控制學科、儀器儀表學科及計算機學科的理論與技術服務于化學工程學科。對于熟悉化學工程學科的人員,如能再學習和掌握一些檢測技術和控制系統(tǒng)方面的知識,必能在推進中國的化工自動化事業(yè)中,起到事半功倍的作用。第一章檢測儀表基本知識內容提要:測量過程與測量誤差儀表的性能指標工業(yè)儀表的分類★4學時★〔3學時講授,1學時習題鞏固1.測量過程和測量誤差測量過程在實質上都是將被測參數(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。絕對誤差式中：儀表指示值,被測量的真值。由于真值無法得到式中：被校表的讀數(shù)值,標準表的讀數(shù)值相對誤差2.儀表的性能指標精確度〔簡稱精度→兩大影響因素：絕對誤差和儀表的測量范圍說明：儀表的測量誤差可以用絕對誤差Δ來表示。但是,儀表的絕對誤差在測量范圍內的各點不相同。因此,常說的"絕對誤差"指的是絕對誤差中的最大值Δmax。相對百分誤差允許誤差小結：儀表的δ允越大,表示它的精確度越低；反之,儀表的δ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。例：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解該儀表的相對百分誤差為如果將該儀表的δ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。例：某臺測溫儀表的測溫范圍為０～1000℃。根據(jù)工藝要求,溫度指示值的誤差不允許超過±７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。儀表的精度等級是衡量儀表質量優(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。1.51.01.51.0小結：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。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在儀表全部測量范圍內進行正反行程〔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。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：為儀表的靈敏度；為指針的線位移或角位移；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。分辨率：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。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系。式中,為線性度〔又稱非線性誤差；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。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：a.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。b.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。3.工業(yè)儀表的分類按儀表使用的能源分類氣動儀表、電動儀表〔常用、液動儀表常用電動儀表優(yōu)缺點：優(yōu)點：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。缺點：一般結構較復雜；易受溫度、濕度、電磁場、放射性等環(huán)境影響。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?？刂苾x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,對生產過程進行操作或控制。各類儀表的作用,如圖：按儀表的組成形式分類分為基地式儀表和單元組合儀表?；厥絻x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。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。注意：化工生產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。第二章壓力檢測內容提要:壓力單位及測壓儀表彈性式壓力計電氣式壓力計智能式變送器壓力計的選用及安裝★5學時★1.壓力單位及測壓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系,下面給出幾種單位之間的換算關系表。壓力單位帕/Pa兆帕/MPa工程大氣壓/<kgf/cm2>物理大氣壓/atm汞柱/mmHg水柱/mH2O〔磅/英寸2/〔1b/in2巴/bar帕11×1061.0197×10-59.869×10-67.501×10-31.0197×10-41.450×10-41×10-5兆帕1×106110.1979.8697.501×1031.0197×1021.450×10210工程大氣壓9.807×1049.807×10-210.9678735.610.0014.220.9807物理大氣壓1.0133×1050.101331.0332176010.3314.701.0133汞柱1.3332×1021.3332×10-41.3595×10-31.3158×10-310.01361.934×10-21.3332×10-3水柱9.806×1039.806×10-30.10000.0967873.5511.4220.09806〔磅/英寸26.895×1036.895×10-30.070310.0680551.710.703110.06895巴1×1050.11.01970.9869750.110.19714.501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。測量壓力或真空度的儀表按照其轉換原理的不同,分為四類。液柱式壓力計它根據(jù)流體靜力學原理,將被測壓力轉換成液柱高度進行測量。按其結構形式的不同有U形管壓力計、單管壓力計等優(yōu)點：這類壓力計結構簡單、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。彈性式壓力計它是將被測壓力轉換成彈性元件變形的位移進行測量的。電氣式壓力計它是通過機械和電氣元件將被測壓力轉換成電量〔如電壓、電流、頻率等來進行測量的儀表?；钊綁毫τ嬎歉鶕?jù)水壓機液體傳送壓力的原理,將被測壓力轉換成活塞上所加平衡砝碼的質量來進行測量的。優(yōu)點：測量精度很高,允許誤差可小到0.05%～0.02%。缺點：結構較復雜,價格較貴。2.彈性式壓力計彈性式壓力計是利用各種形式的彈性元件,在被測介質壓力的作用下,使彈性元件受壓后產生彈性變形的原理而制成的測壓儀表。優(yōu)點：具有結構簡單、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)千兆帕范圍內的壓力。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。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。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—調整螺絲；9—接頭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９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生擴張變形。同時,使彈簧管的自由端B產生位移。輸入壓力p越大,產生的變形也越大。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才能指示出來。警惕：在化工生產過程中,常需要把壓力控制在某一范圍內,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。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)需要靈活調節(jié)。3.電氣式壓力計電氣式壓力計是一種能將壓力轉換成電信號進行傳輸及顯示的儀表。優(yōu)點：該儀表的測量范圍較廣,分別可測7×10-5Pa至5×102MPa的壓力,允許誤差可至0.2％；由于可以遠距離傳送信號,所以在工業(yè)生產過程中可以實現(xiàn)壓力自動控制和報警,并可與工業(yè)控制機聯(lián)用。組成〔電氣式壓力計組成方框圖一般由壓力傳感器、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。幾種常見的傳感器或變送器：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換成霍爾電勢,從而實現(xiàn)壓力的測量?；魻栯妱菘捎孟率奖硎臼街?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；B為磁感應強度；I為控制電流的大小。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。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,如圖所示：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,彈簧管自由端產生位移,因而改變了霍爾片在非均勻磁場中的位置,使所產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。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生應變。當應變片產生壓縮〔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。如圖：應變片壓力傳感器示意圖1—應變筒；2—外殼；3—密封膜片壓阻式壓力傳感器如圖：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—等效電阻工作原理：壓阻式壓力傳感器利用單晶硅的壓阻效應而構成。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。當壓力發(fā)生變化時,單晶硅產生應變,使直接擴散在上面的應變電阻產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。特點：精度高、工作可靠、頻率響應高、遲滯小、尺寸小、重量輕、結構簡單；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)。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。以DDZ-Ⅲ型電動力矩平衡壓力變送器為例,如圖：DDZ-Ⅲ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5—量程調整螺釘；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—調零彈簧；13—永久磁鋼DDZ-Ⅲ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變成集中力。即f為膜片的有效面積。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的關系。當主杠桿平衡時,應有式中：、分別為、離支點O1的距離。由以上兩式：式中,為一比例系數(shù)。而式中：、分別為及電磁反饋力離支點O2的距離。代入上式：聯(lián)立、,得：式中,為轉換比例系數(shù)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,具有結構簡單、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：先將壓力的變化轉換為電容量的變化,然后進行測量。如圖：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—引線小結：電容式差壓變送器的結構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,電容式沒有杠桿傳動機構,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。4.智能式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上增加微處理器電路而形成的智能檢測儀表。特點：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。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。如圖：3051C型智能差壓變送器〔4～20mA方框圖〔圖2-93051C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?？梢越釉诂F(xiàn)場變送器的信號端子上,就地設定或檢測,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定及檢測。如圖：手持通信器的連接示意圖實現(xiàn)的功能：〔1組態(tài)〔2測量范圍的變更〔3變送器的校準〔4自診斷注意：要對智能型差壓變送器每五年校驗一次,智能型差壓變送器與手持通信器結合使用,可遠離生產現(xiàn)場,尤其是危險或不易到達的地方,給變送器的運行和維護帶來了極大的方便。5.壓力計的選用與安裝壓力計的選用：壓力計的選用應根據(jù)工藝生產過程對壓力測量的要求,結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；儀表測量范圍的確定；儀表精度級的選取例：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。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。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。①要選在被測介質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。②測量流動介質的壓力時,應使取壓點與流動方向垂直,取壓管內端面與生產設備連接處的內壁應保持平齊,不應有凸出物或毛刺。③測量液〔氣體壓力時,取壓點應在管道下〔上部,使導壓管內不積存氣〔液體?！?導壓管鋪設①導壓管粗細要合適,一般內徑為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50②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。③當被測介質易冷凝或凍結時,必須加設保溫伴熱管線。④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。切斷閥應裝設在靠近取壓口的地方?！?壓力計的安裝①壓力計應安裝在易觀察和檢修的地方。②安裝地點應力求避免振動和高溫影響。③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〔a］；對于有腐蝕性介質的壓力測量,應加裝有中性介質的隔離罐,圖〔b表示了被測介質密度ρ2大于和小于隔離液密度ρ1的兩種情況。如圖：壓力計安裝示意圖壓力計；２—切斷閥門；３—凝液管；４—取壓容器④壓力計的連接處,應根據(jù)被測壓力的高低和介質性質,選擇適當?shù)牟牧?作為密封墊片,以防泄漏。⑤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Δp＝±Hρg進行修正。式中H為高度差,ρ為導壓管中介質的密度,g為重力加速度。⑥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。第三章流量檢測內容提要:差壓式流量計轉子流量計旋渦流量計質量流量計其他流量計★8學時★基本概念：介質流量是控制生產過程達到優(yōu)質高產和安全生產以及進行經濟核算所必需的一個重要參數(shù)。流量大?。簡挝粫r間內流過管道某一截面的流體數(shù)量的大小,即瞬時流量?？偭浚涸谀骋欢螘r間內流過管道的流體流量的總和,即瞬時流量在某一段時間內的累計值。1.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,利用流體流經節(jié)流裝置時產生的壓力差而實現(xiàn)流量測量的。通常是由能將被測流量轉換成壓差信號的節(jié)流裝置和能將此壓差轉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。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。如圖3-1孔板裝置及壓力、流速分布圖注意：要準確測量出截面Ⅰ、Ⅱ處的壓力有困難,因為產生最低靜壓力p2′的截面Ⅱ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系,與測壓點及測壓方式的選擇是緊密相關的?！?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?？梢钥闯觯阂懒髁颗c壓差的確切關系,關鍵在于α的取值。流量與壓力差ΔP的平方根成正比。標準節(jié)流裝置國內外把最常用的節(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"。標準化的具體內容包括節(jié)流裝置的結構、尺寸、加工要求、取壓方法、使用條件等。例：如圖〔孔板斷面示意圖,標準孔板對尺寸和公差、粗糙度等都有詳細規(guī)定。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＝〔0.005～0.02D；總厚度H＜0.05D；錐面的斜角α＝30°～45°我國規(guī)定：標準節(jié)流裝置取壓方法分為角接取壓法、法蘭取壓法。例：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。如圖：環(huán)式取壓結構管道法蘭；2—環(huán)室；3—孔板；4—夾緊環(huán)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。

優(yōu)點缺點標準孔板應用廣泛,結構簡單,安裝方便,適用于大流量的測量流體經過孔板后壓力損失大,當工藝管道上不允許有較大的壓力損失時,便不宜采用。標準噴嘴和標準文丘里管壓力損失較孔板小結構比較復雜,不易加工標準節(jié)流裝置僅適用于測量管道直徑大于50mm節(jié)流裝置將管道中流體流量的大小轉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。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％。注意：不僅需要合理的選型、準確的設計計算和加工制造,更要注意正確的安裝、維護和符合使用條件等,才能保證差壓式流量計有足夠的實際測量精度。誤差產生的原因：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。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,導壓管的安裝亦有不同的要求,下面分類討論。如圖3-3測量液體流量時的取壓點位置如圖3-4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①測量液體的流量時,應該使兩根導壓管內都充滿同樣的液體而無氣泡,以使兩根導壓管內的液體密度相等。a>取壓點應該位于節(jié)流裝置的下半部,與水平線夾角α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。②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3-5。③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3-6所示。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,構成三閥組,如圖3-7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流量時,必須采取隔離措施。常用的兩種隔離罐形式如圖3-8所示。2.轉子流量計工作原理：以壓降不變,利用節(jié)流面積的變化來測量流量的大小,即轉子流量計采用的是恒壓降、變節(jié)流面積的流量測量方法。如圖3-9所示。轉子流量計中轉子的平衡條件是根據(jù)轉子浮起的高度就可以判斷被測介質的流量大小或將代入以上兩式：或電遠傳式轉子流量計它可以將反映流量大小的轉子高度h轉換為電信號,適合于遠傳,進行顯示或記錄。LZD系列電遠傳式轉子流量計主要由流量變送及電動顯示兩部分組成。流量變送部分如圖所示：差動變壓器結構轉換原理：若將轉子流量計的轉子與差動變壓器的鐵芯連接起來,使轉子隨流量變化的運動帶動鐵芯一起運動,那么,就可以將流量的大小轉換成輸出感應電勢的大小。電動顯示部分〔如圖：LTD系列電遠傳轉子流量計轉子流量計的指示值修正〔教材中不涉及,選學轉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℃,0.10133〔1液體流量測量時的修正如果被測介質的黏度與水的黏度相差不大,可近似認為Φ是常數(shù),則有整理后得同理可導得質量流量的修正公式為當采用耐酸不銹鋼作為轉子材料時,ρt＝7.9g/cm3,水的密度ρw＝1g/cm3,代入〔3-34與式〔3-36得當介質密度ρf變化時,密度修正系數(shù)KQ、KM的數(shù)值見下表。密度修正系數(shù)表ρtKQKMρtKQKMρtKQKM0.400.6701.5160.950.9711.0221.501.2720.8470.450.6461.4351.001.0001.0001.551.2970.8370.500.6831.3651.051.0280.9791.600.3230.8270.550.7191.3071.101.0560.9601.651.3510.8180.600.7541.2561.151.0840.9431.701.3760.8090.650.7871.2111.201.1110.9271.751.4010.8000.700.8191.1701.251.1390.9111.801.4270.7920.750.8511.1341.301.1650.8971.851.4530.7850.800.8821.1021.351.1930.8841.901.4770.7780.850.9121.0731.401.2200.8721.951.5040.7710.900.9441.0461.451.2450.8592.001.5290.764例：現(xiàn)用一只以水標定的轉子流量計來測量苯的流量,已知轉子材料為不銹鋼,ρt＝7.9g/cm3,苯的密度為ρf＝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：或查上表：將此值代入式,得即苯的實際流量為4L/s〔2氣體流量測定時的修正對被測介質的密度、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流量時,可按下式修正。注意：上式計算得到的Q１是被測介質在單位時間〔小時內流過轉子流量計的標準狀態(tài)下的容積數(shù)〔標準立方米,而不是被測介質在實際工作狀態(tài)下的容積流量。例：某廠用轉子流量計來測量溫度為27℃解已知Q0＝38Nm3/h,p1＝0.16＋0.10133＝0.26133MPa,T1＝27＋273＝300K,T0＝293K,p0＝0.10133MPa,ρ1＝ρ0＝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?！?蒸汽流量測量時的換算轉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,可按式計算。若轉子材料為不銹鋼,ρt＝7.9g/cm3當時,可以看出：若已知某飽和蒸汽〔溫度不超過200℃3.漩渦流量計特點：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?？鼫u街：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。滿足h／L＝0.281時,則所產生的渦街是穩(wěn)定的。由圓柱體形成的卡曼漩渦,其單側漩渦產生的頻率為漩渦頻率的檢測方法：熱敏檢測法、電容檢測法、應力檢測法、超聲檢測法如圖：圓柱檢出器原理圖空腔；2—圓柱棒；3—導壓孔；4—鉑電阻絲；5—隔墻4.質量流量計直接式質量流量計科氏力流量計的測量原理是基于流體在振動管中流動時,將產生與質量流量成正比的科里奧利力。如圖：科氏力流量計測量原理質量流量優(yōu)點：能夠直接測量質量流量,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。間接式質量流量計〔1測量體積流量Q的儀表與密度計配合〔如圖質量流量：〔2測量ρQ2的儀表與密度計配合質量流量：〔3測量ρQ2的儀表與測量Q的儀表配合質量流量：5.其他流量計橢圓齒輪流量計工作原理：通過橢圓齒輪流量計的體積流量使用特點：適用于高黏度介質的流量測量。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構復雜,加工成本較高。渦輪流量計1—渦輪；2—導流器；3—磁電感應轉換器；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。電磁流量計電磁流量計原理圖：能夠測量酸、堿、鹽溶液以及含有固體顆?！怖缒酀{或纖維液體的流量。感應電勢的方向由右手定則判斷,大小由下式決定而將其代入上式,得注意：只能用來測量導電液體的流量,且導電率要求不小于水的導電率,不能測量氣體、蒸汽及石油制品等的流量。要引入高放大倍數(shù)的放大器,會造成測量系統(tǒng)很復雜、成本高,并且易受外界電磁場的干擾。使用中要注意維護,防止電極與管道間絕緣的破壞。安裝時要遠離一切磁源。不能有振動。第四章物位檢測內容提要:物位檢測意義及主要類型差壓式液位計其他物位計★4學時★1.物位檢測意義及主要類型本節(jié)掌握三個內容；a.幾個概念：液位、料位、液位計、界位計。b.測量物位的兩個目的：教材Pg46。c.按其工作原理分為：直讀式物位儀表、差壓式物位儀表、浮力式物位儀表、電磁式物位儀表、核輻射式物位儀表、聲波式物位儀表、光學式物位儀表。2.差壓式液位計工作原理如圖：差壓液位變送器原理圖將差壓變送器的一端接液相,另一端接氣相因此當被測容器是敞口的,氣相壓力為大氣壓時,只需將差壓變送器的負壓室通大氣即可。若不需要遠傳信號,也可以在容器底部安裝壓力表,如圖：壓力表式液位計所示。零點遷移問題如圖：負遷移示意圖在使用差壓變送器測量液位時,一般來說實際應用中,正、負室壓力p1、p2分別為則遷移彈簧的作用：改變變送器的零點。遷移和調零：都是使變送器輸出的起始值與被測量起始點相對應,只不過零點調整量通常較小,而零點遷移量則比較大。遷移：同時改變了測量范圍的上、下限,相當于測量范圍的平移,它不改變量程的大小。例：某差壓變送器的測量范圍為0～5000Pa,當壓差由0變化到5000Pa時,變送器的輸出將由4mA變化到20mA,這是無遷移的情況,如左圖中曲線a所示。負遷移如曲線b所示,正遷移如曲線c所示。如圖：正負遷移示意圖如圖：正遷移示意圖用法蘭式差壓變送器測量液位為了解決測量具有腐蝕性或含有結晶顆粒以及黏度大、易凝固等液體液位時引壓管線被腐蝕、被堵塞的問題,應使用在導壓管入口處加隔離膜盒的法蘭式差壓變送器,如下圖所示：法蘭式差壓變送器測量液位示意圖。1—法蘭式測量頭；2—毛細管；3—變送器法蘭式差壓變送器按其結構形式：單法蘭式、雙法蘭式3.其他物位計電容式物位傳感器測量原理：通過測量電容量的變化可以用來檢測液位、料位和兩種不同液體的分界面。如圖：電容器的組成1—內電極；2—外電極兩圓筒間的電容量C當D和d一定時,電容量C的大小與極板的長度L和介質的介電常數(shù)ε的乘積成比例。液位的檢測：對非導電介質液位測量的電容式液位傳感器原理如下圖所示：非導電介質的液位測量1—內電極；2—外電極；3—絕緣套；4—流通小孔當液位為零時,儀表調整零點,其零點的電容為當液位上升為H時,電容量變?yōu)殡娙萘康淖兓癁榻Y論：電容量的變化與液位高度H成正比。該法是利用被測介質的介電系數(shù)ε與空氣介電系數(shù)ε0不等的原理進行工作,〔ε-ε0值越大,儀表越靈敏。電容器兩極間的距離越小,儀表越靈敏。料位的檢測：用電容法可以測量固體塊狀顆粒體及粉料的料位。由于固體間磨損較大,容易"滯留",可用電極棒及容器壁組成電容器的兩極來測量非導電固體料位。如圖所示為用金屬電極棒插入容器來測量料位的示意圖。1—金屬電極棒；2—容器壁電容量變化與料位升降的關系為電容物位計優(yōu)缺點：電容物位計的傳感部分結構簡單、使用方便。需借助較復雜的電子線路。應注意介質濃度、溫度變化時,其介電系數(shù)也要發(fā)生變化這種情況。核輻射物位計〔見圖4-11射線的透射強度隨著通過介質層厚度的增加而減弱,具體關系如下式。特點：適用于高溫、高壓容器、強腐蝕、劇毒、有爆炸性、黏滯性、易結晶或沸騰狀態(tài)的介質的物位測量,還可以測量高溫融熔金屬的液位?？稍诟邷?、煙霧等環(huán)境下工作。但由于放射線對人體有害,使用范圍受到一些限制。稱重式液罐計量儀〔見圖4-14該計量儀既能將液位測得很準,又能反映出罐中真實的質量儲量。稱重儀根據(jù)天平原理設計。杠桿平衡時：,由于,代入可得：如果液罐是均勻截面將此式代入,得：如果液罐的橫截面積A為常數(shù),得式中：第五章溫度檢測內容提要:概述熱電偶溫度計熱電阻溫度計溫度變送器★6學時★1.概述a.溫度檢測方法：溫度不能直接測量,只能借助于冷熱不同物體之間的熱交換,以及物體的某些物理性質隨冷熱程度不同而變化的特性來加以間接測量。b.了解分類情況。c.常用溫度計的種類及優(yōu)缺點<見表5-1>膨脹式溫度計膨脹式溫度計是基于物體受熱時體積膨脹的性質而制成的。壓力式溫度計應用壓力隨溫度的變化來測溫的儀表叫壓力式溫度計。它是根據(jù)在封閉系統(tǒng)中的液體、氣體或低沸點液體的飽和蒸汽受熱后體積膨脹或壓力變化這一原理而制成的,并用壓力表來測量這種變化,從而測得溫度。壓力式溫度計的構造由以下三部分組成溫包毛細管彈簧管〔或盤簧管輻射式溫度計輻射式高溫計是基于物體熱輻射作用來測量溫度的儀表。2.熱電偶溫度計熱電偶溫度計是以熱電效應為基礎的測溫儀表。熱電偶溫度計由三部分組成：熱電偶；測量儀表；連接熱電偶和測量儀表的導線。熱電偶〔見圖5-3熱電偶溫度計測溫系統(tǒng)示意圖；圖5-4熱電偶示意圖熱電現(xiàn)象及測溫原理〔見圖5-5~7圖5-7閉合回路：注意：如果組成熱電偶回路的兩種導體材料相同,則無論兩接點溫度如何,閉合回路的總熱電勢為零；如果熱電偶兩接點溫度相同,盡管兩導體材料不同,閉合回路的總熱電勢也為零；熱電偶產生的熱電勢除了與兩接點處的溫度有關外,還與熱電極的材料有關。也就是說不同熱電極材料制成的熱電偶在相同溫度下產生的熱電勢是不同的。插入第三種導線的問題如圖：熱電偶測溫系統(tǒng)連接圖圖〔a總的熱電勢由于將該兩式代入前式圖〔b總的熱電勢因此說明：在熱電偶回路中接入第三種金屬導線對原熱電偶所產生的熱電勢數(shù)值并無影響。不過必須保證引入線兩端的溫度相同。常用熱電偶的種類〔見表5-2工業(yè)上對熱電極材料的要求溫度每增加１℃物理穩(wěn)定性要高；化學穩(wěn)定性要高；材料組織要均勻,要有韌性,便于加工成絲；復現(xiàn)性好,便于成批生產,而且在應用上也可保證良好的互換性。熱電偶的結構〔見圖5-10普通型熱電偶：熱電極、絕緣管、保護套管、接線盒常用絕緣子材料材料工作溫度/℃橡皮、絕緣漆琺瑯玻璃管石英管瓷管純氧化鋁管80150500120014001700常用保護套管材料工作溫度/℃無縫鋼管不銹鋼管石英管瓷管Al2O3陶瓷管6001000120014001900以上補償導線的選用〔見圖5-11采用一種專用導線,將熱電偶的冷端延伸出來,這既能保證熱電偶冷端溫度保持不變,又經濟。它也是由兩種不同性質的金屬材料制成,在一定溫度范圍內〔0～100℃與所連接的熱電偶具有相同的熱電特性,其材料又是廉價金屬。在使用熱電偶補償導線時,要注意型號相配。常用熱電偶的補償導線熱電偶名稱補償導線工作端為100℃,冷端為0正極負極材料顏色材料顏色鉑銠10-鉑鎳鉻-鎳硅〔鎳鋁鎳鉻-銅鎳銅-銅鎳銅銅鎳鉻銅紅紅紅紅銅鎳銅鎳銅鎳銅鎳綠藍棕白0.645±0.0374.095±0.1056.317±0.1704.277±0.047冷端溫度的補償在應用熱電偶測溫時,只有將冷端溫度保持為０℃〔1冷端溫度保持為０℃〔2冷端溫度修正方法在實際生產中,冷端溫度往往不是0℃,而是某一溫度t〔3校正儀表零點法若采用測溫元件為熱電偶時,要使測溫時指示值不偏低,可預先將儀表指針調整到相當于室溫的數(shù)值上。注意：只能在測溫要求不太高的場合下應用?！?補償電橋法〔見圖5-13利用不平衡電橋產生的電勢,來補償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變化值。注意：由于電橋是在20℃時平衡的,所以采用這種補償電橋時須把儀表的機械零位預先調到20℃處。如果補償電橋是在0℃時平衡設計的〔DDZ-Ⅱ〔5補償熱電偶法〔見圖5-14在實際生產中,為了節(jié)省補償導線和投資費用,常用多支熱電偶而配用一臺測溫儀表。3.熱電阻溫度計在中、低溫區(qū),一般是使用熱電阻溫度計來進行溫度的測量較為適宜熱電阻溫度計是由熱電阻〔感溫元件,顯示儀表〔不平衡電橋或平衡電橋以及連接導線所組成。如圖：熱電阻溫度計測溫原理利用金屬導體的電阻值隨溫度變化而變化的特性〔電阻溫度效應來進行溫度測量的。對于呈線性特性的電阻來說,其電阻值與溫度關系如下式熱電阻溫度計適用于測量-200～+500℃工業(yè)常用熱電阻作為熱電阻的材料一般要求是：電阻溫度系數(shù)、電阻率要大；熱容量要?。辉谡麄€測溫范圍內,應具有穩(wěn)定的物理、化學性質和良好的復制性；電阻值隨溫度的變化關系,最好呈線性。工業(yè)上定型生產的熱電阻有鉑電阻和銅電阻?！?鉑電阻在0～650℃的溫度范圍內,鉑電阻與溫度的關系為由實驗求得工業(yè)上常用的鉑電阻有兩種,一種是R0＝10Ω,對應分度號為Pt10。另一種是R0＝100Ω,對應分度號為Pt100。〔2銅電阻金屬銅易加工提純,價格便宜；它的電阻溫度系數(shù)很大,且電阻與溫度呈線性關系；在測溫范圍為-50～+150℃在-50～+150℃工業(yè)上常用的鉑電阻有兩種,一種是R0＝50Ω,對應的分度號為Cu10。另一種是R0＝100Ω,對應的分度號為Cu100。4.溫度變送器DBW型溫度〔溫差變送器是DDZ-Ⅲ系列電動單元組合式檢測調節(jié)儀表中的一個主要單元。它既可與各種類型的熱電偶、熱電阻配套使用,又可與具有毫伏輸出的各種變送器配合,然后,它和顯示單元、控制單元配合,實現(xiàn)對溫度或溫差及其他各種參數(shù)進行顯示、控制。DDZ-Ⅲ型的溫度變送器與DDZ-Ⅱ型的溫度變送器進行比較,它有以下主要特點。線路上采用了安全火花型防爆措施。在熱電偶和熱電阻的溫度變送器中采用了線性化機構。在線路中,由于使用了集成電路,這樣使該變送