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仪表基础知识讲义


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主要内容
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一、四大参数的测量原理及仪表 二、自动控制基础知识 三、调节阀 四、联锁系统的构成

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一、四大参数的测量原理及仪 表
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现场仪表测量参数的分类: 现场仪表测量参数一般分为温度、压力、 流量、液位四大参数。 下面就着重介绍一 下这四大参数的测量原理,以及测量这四 大参数所运用的仪表。

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1、 温度的测量与变送
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温度是化工生产中既普遍而又十分重要的参 数之一。任何一个化工生产过程,都伴随着物质 的物理和化学性质的改变,都必然有能量的转化 和交换,而热交换则是这些能量转换中最普遍的 交换形式。因此,在很多煤化工反应的过程中, 温度的测量和控制,常常是保证这些反应过程正 常进行与安全运行的重要环节;它对产品产量和 质量的提高都有很大的影响。

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1、 温度的测量与变送
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温度测量仪麦种类繁多,若按测量方式的不同,测 温仪表可分为接触式和非接触式两大类。前者感温元件与 被测介质直接接触,后者的感温元件却不与被测介质相接 触。接触式测温元件简单、可靠、测量精度较高;但是, 由于测温元件要与被测介质接触进行充分的热交换才能达 到热平衡,因而产生了滞后现象,而且可能与被测介质产 生化学反应;另外高温材料的限制,接触式测温仪表不能 应用于很高温度的测量。而非接触式测温仪表不与被测介 质接触,因而其测温范围很广,其测温上限原则上不受限 限制;由于它是通过热辐射来测量温度的,所以不会破坏 被测介质的温度场,测温速度也较快,但是这种方法受到 被测介质至仪表之间的距离以及幅射通道上的水汽、烟雾、 尘埃等其它介质的影响,因此测量量精度较低。

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1、 温度的测量与变送
下表列出了常用测温仪麦的测温原理、测温范围和主要特 点。表中所列的各种温度计,机械式的大多只能就地指示, 幅射式的精度较差,只有电的测温仪表精度高,且测温元件 很容易与温度变送器配用,转换成统一标准信号进行远传, 以实现对温度的自动记录和调节。因此,在生产过程控制中 应用最多的是热电偶和热电阻温度计。本节仅介绍这两种温 度计。
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1、 温度的测量与变送
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1.1 热电偶温度计 热电偶温度计由热电偶、电测部份 (动圈仪表、电位差计 或DCS)及连接导线组成如图所示。由于热电偶的性能稳定、 结构简单、使用方便、测量范围广、有较高的准确度,且 能方便地将温度信号转换为电势信号,便于信号的远传和 多点集中测量,因而在石油化工生产中应用极为普遍。
t0 t0 1 A B

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t

热电偶温度计测量线路 1、热电偶 2、连接导线 3、电测仪表
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1、 温度的测量与变送
热电偶是由两根不同的导体或半导体材料(如上图中的A和B) 焊接或绞接而成。焊接的一端称为热电偶的热端(测量端或 工作端),和导线连接的一端称为热电偶的冷端 (自由端)。组 成热电偶的两根导体或半导体称作热电极。把热电偶的热端 插入需要测温的生产设备中,冷端置于生产设备的外面,如 果两端所处的温度不同(譬如,热端温度为t,冷瑞温度为to), 则在热电偶回路中便会产生热电势E。该热电势E与热电偶 两端的温度t和to均E有关。如果保持t。不变,则热电势E只 是被测温度t的函数。用电测仪表测得E的数值后,便知道被 测温度t的大小。

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1、 温度的测量与变送
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由于热电极的材料不同,所产生的接触电势亦不同,因此不同 热电极材料制成的热电偶在相同温度下产生的热电势是不同的,这在 各种热电偶的分度表中可以查到。根据热电测温的基本原理,理论上 似乎任意两种导体都可以组成热电偶。但实际情况它们还必须进行严 格的选择,热电极材料应满足如下要求。 1.在测温范围内其热电性质要稳定,不随时间变化。 2.稳定性要高,即在高温下不被氧化和腐蚀。 3.电阻温度系数要小,导电率要高,组成热电偶后产生的热电势要 大,热电势与温度间要成线性关系,这样有利于提高仪表的测量精度。 4.复现性要好 (同种成分的材料制成的热电偶,其热电特性相一致的 性质称复现性),这样便于成批生产,而且在使用上也可保证良好的 互换性。 5、材料组织要均匀,要有良好的韧性,便于加工成丝。
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1、 温度的测量与变送
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国际电工委员会(IEC)对其中已被国际公认,性能 优良和产量最大的七种制定了标准,即IEC584-1和 IEC584-2中所规定的:S分度(铂铑10-铂);B分度号 (铂铑 30-铂铑6);K分度号(镍铬-镍硅);E分度号(镍铬-康铜 ); T分度号 (铜-康铜);J分度号(铁-康铜); R分度号 (铂铑 13-铂)等热电偶。 热电偶根据测温条件和安装位臵的不同,具有多种 结构型式。虽然它们的结构和外形不尽相同,但其基本结 构通常均由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等主要部 分组成。

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1、 温度的测量与变送

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1、 温度的测量与变送
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1.2 热电阻温度计 热电阻温度计由热电阻、电测仪表 (动圈仪表或平衡 电桥)和连按导线所组成,其中热电阻是感温元件,有导 体的和半导体两种。 热电阻温度计广泛用来测量中、低温 (一般为500℃ 以下)。它的特点是准确度高,在测量中、低温时,它的 输出信号比热电偶要大得多,灵敏度高,同样可实现远传、 自动记录和多点测量。

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热电阻的测温原理 金属导体的电阻值随温度的变比而变化的。一般说来, 他们之间的关系为: Rt=R0[1+α(t-t0)] ΔRt=Rt-R0=αR0Δt 式中 Rt 温度为t℃时的电阻值; R。 温度为t0℃(通常为0℃)时的电阻值; α 电阻温度系数即温度变化1℃时电阻值的相对变化 量,单位是 ℃-1,; Δt 温度的变化量,即t-t。=Δt ΔRt 温度改变Δt时的电阻变化量。

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1、 温度的测量与变送
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由上可知,温度的变化,导致了导体电阻的变化。 实验证明,大多数金属导体在温度每升高1℃时,其电阻 值要增加0.4一0.6%,热电阻温度计就是把温度变化所引 起热电阻的变化值,通过测量电路 (电桥)转换成电压(毫 伏)信号,然后由显示仪表指示或记录被测温度。 热电阻温度计与热电偶温度计的测温原理是不相同 的。热电偶温度计把温度的变化通过感温元件——热电偶 转换为热电势的变化值来测量温度的;而热电阻温度计则 是把温度的变化通过感温元件——热电阻转换为电阻的变 化来测量温度的。

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对于制作热电阻丝的材料是有一定技术要求的,一 般应具有下列特性;电阻温度系数要大,则测量灵敏度就 高;热容量要小,则对温度变化的响应就快,即动态特性 较好;电阻率要大,则相同的电阻值下电阻体体积就小, 因而热容量也小;在整个测温范围内,具有稳定的物理和 化学性质;要容易加工,有良好的复制性,电阻与温度的 关系最好近于线性或为平滑的曲线,以便于分度和读数; 价格便宜等。根据具体情况,目前应用最广泛的是铂和 铜,分度号Pt50铂电阻、分度号Pt100铂电阻和分度号 Cu50铜电阻、分度号Cu100铜电阻。相应的分度表 (电 阻 值与温度对照表)可在相关资料中查到。热电阻是由电阻 体、保护套管以及接线盒等主要部件所组成。除电阻体外, 其余部分的结构形状一般与热电偶的相应部分相同。

1、 温度的测量与变送

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1、 温度的测量与变送
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在选用测温仪表解决现场测温问题时,首先要分析被测对象特 点及状态,然后根据现有温度计的特点及其技术指标确定选用的类型。 一般应考虑以下几个方面: 1.仪表的可能测温范围及常用测温范围,是否符合被测对象的温 度变化范围的要求; 2.仪表的精度、稳定性、响应时间是否适应测温要求; 3.根据测量场所有无冲击、振动及电磁场,来考虑仪表的防震、 防冲击、抗干扰性能是否良好; 4.仪表输出信号能否自动记录和远传; 5.仪表的防腐性、防爆性和连续使用期限,是否满足被测对象的 要求; 6.电源电压、频率变化及环境温度变化对仪表示值的影响程度; 7.测温元件的体积大小是否适当; 8.仪表使用是否方便、安装维护是否容易。
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2、 压力的测量与变送
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在压力测量中,通常有绝对压力,表压力、负压、 或真空度等名词。绝对压力是指介质所受的实际压力。表 压是指高于大气压的绝对压力与大气压之差,即: P表=P绝-P大 负压与真空度是指大气压力与低于大气压力的绝对压 力之差,即: P真 =P大-P绝 绝对压力、表压力、大气压力、负压力(真空度)之 间的关系如下图所示。因为各种工艺设备和测量仪表都处 于大气中,所以工程上都用表压力或真空度来表示压力的 大小。我们用压力表来测量压力的数值,实际上也都是表 压或真空度(绝对压力表的指示值除外)。因此,在工程 上无特别说明时,所提的压力均指表压力或真空度。
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2、 压力的测量与变送
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P表压

大气压力线

P绝压

P负压

P绝压

表压、绝压、真空之间的关系图

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2、 压力的测量与变送
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压力测量仪表的品种,规格甚多。常用的压力测量方 法和仪表有:通过液体产生或传递压力来平衡被测压力的 平衡法。属于应于这类方法的仪表有液柱式压力计和活塞 式压力计;将被测压力通过一些隔离元件(如弹性元件) 转换成一个集中力,并在测量过程中用一个外界力(如电 磁力或气动力)来平衡这个未知的集中力,然后通过对外 界力的测量而得知被测压力的机械力平衡法。力平衡式压 力变送器就是属于应用此法的例子;根据弹性元件受压后 产生弹性变型的大小来测量弹性力平衡法。属于这类应用 方法的仪表很多,若根据所用弹性元件来分,可分为薄膜 式,波纹管式,弹簧管式压力表;能过机械和电子元件将 被测压力转换在成各种电量(如电压、电流、频率等)来 测量的电测法。例如电容式、电阻式、电感式、应变片式 和霍尔片式等变送器应于此法的压力测量仪表。
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2、 压力的测量与变送
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目前,石油化工生产中应用中广泛的一种压力测量 仪表是弹性元件。根据测压范围不同,常用的测压元件有 单圈弹簧管、多圈弹簧管、膜片、膜盒、波纹管等。在被 测介质压力的作用下,弹性元件发生弹性变型,而产生相 应的位移,能过转换位臵,可将位移转换成相应的电信号 或气信号,以远传显示,报警或调节用。

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2、 压力的测量与变送
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主要压力检测仪表: (1)弹簧管压力表 弹簧管压力表是压力仪表的主要组成部份之 一,它有着极为广泛的应用价值 ,它具有结构简单, 品种规格齐全、测量范围广、便于制造和维修和价格 低廉等特点。弹簧管压力表是单圈弹簧压力表的简称。 它主要由弹簧管、齿轮传动机构(包括拉杆、扇形齿 轮、中心齿轮)、示数装臵(指针和分度盘)以及外 壳等几部份组成,如下图所示。弹簧管是一端封闭并 弯成270度圆孤形的空心管子 。

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2、 压力的测量与变送
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a

b

弹簧管压力表 1、弹簧管 2拉杆 3、扇型齿轮 3、中心齿轮 5、指针 6、面板 7、游丝 8、调整螺钉 9 接头

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2、 压力的测量与变送
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它的截面呈扁圆形或椭圆形,椭圆的长轴2a与图面 垂直的弹簧管的中心轴O相平行。管子封闭的一端B为自由 端,即位移输出端;而另一端A则是固定的,作为被测压 力的输入端。当由它的固定端A通入被测压力P后,由于呈 椭圆形截面的管子在压力P的作用下,将趋于圆形,弯成 圆弧形的弹簧管随之产生向外挺直的扩张变形,使自由端 B发生位移。此时弹簧管的中心角γ 要随即减小Δ γ ,也 就是自由端将由B移到B,处,如图2-3(b)上虚线所示。此 位移量就相应于某一压力值。自由端B的弹性变形位移通 过拉杆使扇形齿轮作逆时针偏转,使固定在中心齿轮轴上 的指针也作顺时针偏转,从而在面板的刻度标尺上显示出 被测压力的数值。由于弹簧管自由端位移而引起弹簧管中 心角相对变化值Δ γ /γ 与被测压力P之间具有比例关系, 因此弹簧管压力表的刻度标尺是均匀的。
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2、 压力的测量与变送
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由上述可如,弹簧管自由端将随压力的增大而向外 伸张。反之若管内压力小于管外压力,则自由端将随负压 的增大而向内弯曲。所以,利用弹簧管不仅可以制成压力 表,而且还可制成真空表或压力真空表。 弹簧管压力表除普通型外,还有一些是具有特殊用 途的,例如耐腐蚀的氨用压力表、禁油的氧用压力表等。 为了能表明具体适用何种特殊介质的压力测量,常在其表 壳、衬圈或表盘上涂以规定的色标,并注有特殊介质的名 称,使用时应予以注意。

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2、 压力的测量与变送
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(2)应变式压力变送器 应变式变送器以是以电为能源,它利用应变片作 为转换元件,将被测压力转换成应变片电阻值的变化,然 后经过桥式电路得到毫伏级的电量输出,供显示仪表显示 被测压力或经放大电路转换成统一标准信号后,再传送到 记录仪和调节器等仪表。 应变片有金属电阻丝应变片(金属丝粘贴在衬底上 组成的元件)和半导体应变片两类。 根据电阻应变原理,应变片在压力作用下产生弹性 变形dL/L(即应变e) ,其电阻值随之发生变化。如果已 如应变片的电阻变化与其变形(即应变)的关系,那么,通 过对应变片电阻变化的测量就可测知被测压力。
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2、 压力的测量与变送
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2、 压力的测量与变送
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(3)单晶硅谐振式传感器
谐振式传感器是采用超精细加工工艺在单晶硅材料 上制成两个完全一致的H型谐振梁,并以一定的频率产生 振动。其谐振频率取决于梁的长度及张力,而张力随压力 的变化而变化,实现了压力变化转换成频率信号的变化, 并采用了频率差分技术,将两个频率信号直接输出到脉冲 计数器。从而使传感器具有误差小,重复性好、分解能力 和反应灵敏度高、直接输出数字信号等特点。由于传感器 良好的特性,可使变送器几乎不受静压和温度的影响,而 且具有优良的过压性能和范围较宽的量程。

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2、 压力的测量与变送
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基础

振子

硅膜片

引伸张力 过程压力

变送器工作原理图

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2、 压力的测量与变送
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(4)电容式传感器
放大电 路

4~20 mA △C 电流

S2 ΔS S0 S0

S1

原理:△P变化 的变化

图2-19膜片位移原理图

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2、 压力的测量与变送
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压力表的选用应根据工艺生产过程对压力测量的要求,被测 介质的性质,现场环境条件等来考虑仪表的类型、量程和精度等级。 并确定是否需要带有远传、报警等附加装臵。这样才能达到经济、合 理和有效的目的。 1.类型的选用 仪表类型的选用必须满足工兰生产的要求。 例如是否需要远传变送、 自动记录或报警;被测介质的物理化学性 质 (如腐蚀性、温度高低、粘度大小、脏污程度、 易燃易爆等)是否 对仪表提出特殊要求;现场环境条件 (如高温、电磁场、振动等)对 仪表有否特殊要求等。 普通压力表的弹簧管材料多采用铜合金,高压的也有采用碳 钢,而氨用压力表的弹簧管材料都采用碳钢,不允许采用铜合金。因 为氨气对铜的腐蚀极强,所以普通压力表用于氨气压力测量很快就要 损坏。 氧气压力表与普通压力表在结构和材质上完全相同,只是氧 用压力表禁油。因为油进入氧气系统会引起爆炸。如果必须采用现有 的带油污的压力表测量氧气压力时,使用前必须用四氯化碳反复清洗, 认真检查直到无油污为止。
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2、 压力的测量与变送
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2.测量范围的确定 仪表的测量范围是根据被测压力的大小来确定的。对于弹性 式压力表,为保证弹性元件能在弹性变形的完全范围内可靠地工作, 量程的上限值应高于工艺生产中可能的最大压力值。根据"化工自控 设计技术规定",在测量稳定压力时,最大工作压力不应超过量程的 2/3;测量脉动压力时,最大工作压力不超过量程的1/2; 测量高压 压力时,最大工作压力不应超过量程的3/5。 为了保证测量的准确度,所测的压力值不能太接近于仪表的 下限值 ,亦即仪表的量程不能选得太大,一般被测压力的最小值应 不低于量程的1/3。 按上述要求算出后,实取稍大的相邻系列值,一般可在相应 的产品目录申查到。 3.精度级的选取 仪表的精度主妥是根据生产上允许的最大测量误差来确定的。 此外,在满足工艺要求的前提下,还要考虑经济性,即尽可能选用精 度较低、价廉耐用的仪表。
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3、 流量的测量与变送
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在化工生产过程中,为了有效地进行生产操作和控制,经常需 要测量生产过程中各种介质 (如液体、气体和蒸汽等)的流量,以便 为生产操作和控制提供依据。同时,为了进行经济核算,也需要知道 在一般时间 (如一班、一天等)内流过的介质总量。所以,对管道内 介质流量的测量和变送是实现生产过程的控制以及进行经济核算所必 需的。 在工程上,流量是指单位时间内流过管道某一截面的流体的 体积或质量,即瞬时流量。 流量的计量单位如下: 表示体积流量的单位常用立方米每小时 (m3/h)、升每分 (I/min)、 升每秒(l/s)等; 表示质量流量的单位常用吨每小时 (t/h)、千克每小时 (kg/h)、 千克每秒 (kg/s)等。 若流体的密度是ρ ,则体积流量Q与质量流量M的关系是: M=Qρ 或 Q=M/ρ

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3、 流量的测量与变送
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应当指出,流体的密度是随工况参数而变化的。对于液体, 由于压力变化对密度的影响很小,一般可以忽略不计;但因温度变化 所产生的影响,则应引起注意。不过一般温度每变化10℃时,液体的 密度变化约在1%以内。所以,除温度变化较大,测量准确度要求较高 的场合外,往往也可以忽略不计。对于气体,由于密度受温度、压力 变化影响较大,例如,在常温附近,温度每变化10℃,密度变化约为 3%。在常压附近,压力每变10kPa,密度也约变化3%。因此,在测量 气体体积流量时,必须同时测量气体的温度和压力,并将工作状态下 的体积流量换算成标准体积流量。所谓标准体积流量,在工业上是指 20℃、0.10133MPa(称标定状态)或0℃、0.10133MPa (称标准状态)条 件下的体积流量。在仪表计量上多数以标定状态条件下的体积流量为 标准体积流量。 流量测量的方法和仪表种类繁多,其测量原理和仪表的结构形 式各不相同。针对石油化工生产过程的不同要求,采用不同的流量仪 表。下表中列出了几种主要类型流量表 (或称流量计)的性能及适用场 合。
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3、 流量的测量与变送

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3、 流量的测量与变送
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3.1 差压式流量计
差压式 (也称节流式)流量计是使用历史最久,应用也最广泛的 一种流量测量仪表,同时也是目前生产中最成熟的流量测量仪表之一。 它是基于流体流动的节流原理,利用流体流经节流装臵时产生的压力 差与其流量有关而实现流量测量的。 差压式流量计通常是由能将被测流量转换成差压信号的节流装 臵 (包括节流元件和取压装臵)、导压管和差压计或差压变送器及其显 示仪表三部分所组成。在单元组合仪表中,由节流装臵所产生的差压 信号,常通过差压变送器转换成相应的电信号或气信号,以供显示、 调节用。

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3、 流量的测量与变送
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节流现象及其原理 流体在有节流元件的管道中流动时,在节流元件前后的管璧处, 流体的静压力产生差异的现象称为节流现象,如图3-1所示。所谓节 流装臵就是设臵在管道中能使流体产生局部收缩的节流元件和取压装 臵的总称。应用最广泛的节流元件是孔板,其次是喷嘴、文丘里管。

下面以孔板为例说明节流原理。

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3、 流量的测量与变送
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下图表示在孔板前后流体的流速与压力的分布情况:

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3、 流量的测量与变送
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沿管道轴向连续地向前流动的流体,由于遇到节流元件的阻挡, 使靠近管壁处的流体受到的阻挡作用最强,因而使其一部分动压能转 化成静压能,于是就出现了节流元件入口端面靠近管壁处的流体静压 力P1,的升高 (即图中P1>P2)。此压力比管道中心处压力要大,即 在节流元件入口端面处产生一径向压差。这一径向压差使流体产生径 向附加速度,从而使靠近管壁处的流体质点的流向就与管道中心轴线 相倾斜,形成了流束的收缩运动。同时,由于流体运动的惯性,使得 流束收束最厉害 (即流束最小截面)的位臵不在节流孔处,而是位于节 流孔之后 (即图中截面Ⅱ处),并随流量大小而变化。以上就是流体流 经节元件时,流束为什么产生收缩的原因。

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3、 流量的测量与变送
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由于节流元件的阻挡造成了流束的局部收缩,同时,又因流体 始终处于连续稳定的流动状态,因此在流束截面最小处的流速达到最 大。根据伯努利方程式和位能、动能的相互转化原理,在流束截面最 小处的流体静压力最低,同理,在孔板出口端面处,由于流速已比原 来增大,因此静压力也就较原来为低 (即图中P2<P1)。故节流元件入 口侧的静压P1比其出口侧的静压P2大,即在节流元件前后产生压差 ΔP。节流元件前流体压力较高,常称为正压,并用“+”标记;节流元 件后流体静压力较低,常称为负压,并用“—”标记。并且流量愈大, 流束局部收缩和位能、动能的转化也愈显著,即ΔP也愈大。所以只要 测出元件前后的压力差ΔP就可求得流经节流元件的流体流量。这就是 节流装臵测量流量基本原理。

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3、 流量的测量与变送
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流量基本方程式是用来阐明流量与压差之间的定量关系。它是 根据流体力学中的伯努利方程式利连续性方程式推导而得的,即式
Q=αεA0 M=αεA0

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2ΔP ρ1 √ 2ρ1ΔP

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式中 α一流量系数。它与节流元件的结构形式、取压方式、孔口截面 积之比m;雷诺数Re、孔口边缘尖锐度、管壁粗糙度等因素有关。可 从有关手册查得 ε—— 膨胀校正系数。它与孔板前后压力的相对变化量、介质的等熵 指数 m等有关。也可从有关手册查得。但对不可压缩的液体来说,常 取ε=1; A。—— 节流元件的开孔截面积; ΔP —— 节流元件前后实际测得的静压差; ρ1———— 节流元件前流体密度

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3、 流量的测量与变送
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在计算时,如果把Ao用π/4d2 表示,d为工作温度下孔板孔口直 径,单位为mm,而ΔP以Mpa为单位,则上述基本流量方程式可换算 为实用流量计算公式,即:
Q=0.003998αεd2 M=0.003998αεd2

ΔP ρ1

√ ρ1ΔP

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式中 0.3998=3600×10-6×π/4×√2。 以上流量公式表明,当αερ d等均为常数时,流量与压差的平方根成 正比。因此,由理论推导得来的流量基本方程式,应用到测量实际生 产中的流体流量时,公式中各系数应能满足在测量条件下的相对稳定, 这是采用这种流量计能否达到准确测量的前提。 因为流量与压差的平方根成正比,所以,用这种流量计测量流量时, 如果不加开方器,流量标尺刻度是不均匀的。起始部分的刻度很密, 后来逐渐变疏。因此,在用差压法测量流量时,被测流量值不应接近 于仪表刻度的下限值,否则误差将会很大。一般不要让流量计运行在 量程的30%以下。
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4、 液位的测量与变送
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在石油化工生产中,常遇到测量容器中介质的液位 和界面的位臵问题,液位测量是这个问题的一个方面。一 般液位测量有两种目的:一种是通过液位测量来确定容器 里的原料或产品的数量,以保证生产过程中各环节得到预 先计划好的原料用量或进行经济核算;另一种是通过液位 测量,了解液位是否在规定范围内,以便及时监视或控制 容器液位,保证安全生产以及产品的质量和数量。 由于各种被测介质的性质不同,各种生产设备的操 作条件也不同,所以需要各种各样的液位测量仪表,以满 足生产的不同需要,下表列出了各种液位测量仪 表的主要 特点和应用场合。

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4、 液位的测量与变送
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4、 液位的测量与变送
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4.1 浮筒式液位计
浮筒式液位计是一种应用浮力原理测量液位 的仪表。利用浮筒浸沉在被测液体中,当液位变 化时,浮筒被浸没程度不同,浮筒所受浮力也不 同。只要测出浮力的变化,液位的高低便确定了。 它主要由浮筒、杠杆、扭力臂及芯轴等组成。浮 筒垂直地悬挂在杠杆的一端,杠杆的另一端与扭 力管、芯轴的B端垂直地固定在一起,并由固定在 外壳上的支点所支撑。扭力管的A端通过法兰固定 在仪表外壳上,芯轴的另一端为自由端,用来输 出角位移。
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4、 液位的测量与变送
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当液位低于浮筒时,浮筒的全部重量作用在杠杆上, 因而作用在扭力管上的扭力矩最大,使扭力管带动芯轴扭 转的角位移也最大(约7。)。此时扭力管扭转产生的弹性 反力矩与钮力矩相平衡;当液位高于浮筒下端时,作用在 杠杆上的力为浮筒重量与浮筒所受浮力之差,因此,随着 液位的升高,扭力矩将减小,扭力管带动芯轴的扭角也相 应减小。在最高液位时,扭角最小 (约2。)。 由上可知,扭力管扭角的变化量即芯轴角位移的变化量 Δθ与液位H成比例,其关系如下 Δθ= -KH 式中 K------- 转换系数。

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4、 液位的测量与变送
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即液位愈高,扭角愈小。若将扭角通过芯轴变成挡板或 霍尔片的位移,并转换成相应的气信号或电信号,这样就 构成了气动或电动转换部分。 浮筒式液位变送器的输出信号不仅与液位高度有关, 而且还与被测介质的密度有关。因此 对于同一液位高度, 当介质种类不同或因工艺操作条件变化使介质密度改变时,

仪表的测量结果是不相同的。

48

4、 液位的测量与变送
?
?

4.2 差压式液位计
差压式液位计是应用差压计或差压变送器来测量变送器液位的, 是目前应用得最广泛的一种液位测量仪表。差压式液位汁是利用容器 内液位改变时,由液柱产生的静压也相应变化的原理而工作的,如图

所示。
当差压变送器的一端接液相,另 一端接气相时根据流体静力学原理, Q入 P气 我们知道,变送器正压室受到的压力
H

为: Pl=P气十Hρg
+ -

P液

式中 H

液位高度;

P出
图4-3 差压变送器测量液位示意图 排污

ρ 介质密度; g P气 重力加速度; 气相压力。 49

4、 液位的测量与变送
? ? ?

?

差压变送器负压室压力P2=P气,则正负压室的差压 为: ΔP=P1-P2 通常,被测介质的密度是已知的。因此,测得差压值就 能知道液位高度。 若被测容器是敞口的,气相压力为大气压力,则差 压变送器的负压室通大气就可以了,这时也可用压力变送 器或压力计来直接测量液位的高低。图示容器是受压的, 则将负压室与容器气相相连接,以平衡气相压力的静压作 用。

50

4、 液位的测量与变送
?

为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及粘度 大,易疑固等液体液位及引压管线被腐蚀、被堵的问题, 而专门生产了法兰式差压变送器。变送器的法兰直接与容 器上的法兰相连接,如图所示。作为敏感元件的测量头 (金属膜盒),经毛细管与变送器的测量室相通。在膜盒、 毛细管和测量室所组成的封闭系统内充有硅油,作为传压 介质,并使被测介质不进入毛细管与变送器。

51

4、 液位的测量与变送

3

ρ气

ρ

H

+ -— —==2 +

h + -— —==+

1

正迁移情况

法兰式液位变送器测液位 1、法兰 2、毛细管 3、变送器

52

二、自动控制基础知识
?

? ?

?

?

调节对象:自动调节系统的工艺生产设备 给定值:生产中要求保持的工艺指标 偏差:在自动化系统中,e=x - z 给定值x大于测量值z 时为正偏差,反之为负偏差;但在单独讨论调节器时,正 好相反,即e=z - x。 系统的过渡过程:调节系统在受干扰作用后,在调节器 的控制下,被调参数随时间而变化的过程。如果调节正常 的话,这个过程是一个衰减振荡的过程。 传递函数及方框图
x + e 调节器 调节阀 变送器
53

对象

H

二、自动控制基础知识
控制质量指标 衰减比:表示系统的衰减程度的标志,η=B1/B2(4:1~10:1 常用) 最大偏差A 振荡周期Pu 余差C:过渡过程结束后,新稳定值与给定值之差 过渡时间T:从被调参数变化之时起,直到进入新的稳态值 的±5%所需的时间
?

54

二、自动控制基础知识
?
参数 100%

Pu
±5%

B1 给定

B2

A
T

0% 自动控制系统的过渡过程

55

二、自动控制基础知识
?

调节器:根据偏差,按一定的运算规律产生输出信号。

比例P、积分I、微分D 比例P:有两种表示方式:比例度δ%和增益K,K=1/ δ% , K增大,系统的稳定器变差,控制质量提高。 纯比例调节时,K =输出/输入 积分I:积分时间以Ti(分)来表示,积分作用的基本目的是 在系统经受干扰后使系统输出返回设定值(即消除余差)。 Ti↑系统稳定性↑, Ti↓积分作用越强。 微分D:微分时间以Td(分)来表示,微分作用的基本目的 是能补偿容量的滞后,使系统稳定性改善,从而允许使用 高的增益,并提高响应速度。 Td ↑作用强,太强会振荡。
?

56

二、自动控制基础知识
比例控制P:比例,输出与偏差成比例,但不能消除余差,它是以“偏 差的大小”来动作的。
?

比例积分控制PI:积分,输出与偏差对时间的积分成比例,消除余差, 它以“偏差是否存在”来动作
? ?

U t ? K ? e(t) ? U 0

1 t U t ? K ? (e(t) ? ? edt) ? U 0 Ti 0

比例积分微分控制PID:微分,输出与偏差变化的速度成比例,有超前 调节的作用,对滞后大的对象有很好的效果。
?

U t ? K ? (e(t) ?

1 Ti

?

t

0

edt ? TD

de(t) ) ? U0 dt

57

二、自动控制基础知识
?

调节器参数的整定

系统

δ%

Ti分

Td分

经验法(如表) 温度 20~60 3~10 0.5~3 a、流量系统PI控制 b、液位系统P控制 c、压力系统PI控制 流量 40~100 0.1~1 d、温度系统PID控制 临界比例度法 压力 30~70 0.4~3 比例调节,慢慢增大K,直至临界等幅振荡,测出Kmax和Pu
Pu

衰减曲线法 响应曲线法

液位 20~80 (>10) Ti Td 控制 K P PI 0.5 Kmax 0.45 Kmax 0.83 Pu
58

三、调节阀
调节阀的结构原理 ?调节阀=执行机构+阀 体部件
?

59

三、调节阀
?

调节阀执行机构

执行机构:调节阀的推动 装臵,它按信号压力的大小 产生相应推力,使阀杆相应 的位移、阀芯动作。
?

序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9

零 件 名 称 吊 环 螺 母 上 膜 托 限 位 膜 盖 片 盘 件

序 号 10 11 12 13 14 15 16 17 18

零 件 名 称 下 推 支 导 指 标 铭 向 膜 盖 杆 架 套 针 尺 牌 六 角 螺 栓

行 程 档 块 六 角 螺 母 弹 防 雨 簧 帽

阀杆连接部件

60

三、调节阀
?
?

调节阀解体图

阀体部件:调节阀的调节部 分,它直接与介质接触,由阀 芯的动作,改变调节阀节流面 积,达到调节的目的。

61

三、调节阀
? ? ?

? ?

? ?

执行机构:分气动薄膜执行机构、气动活塞执行机构和长执行机构。 气动薄膜执行机构: 分正、反两种形式。当信号压力增加时,阀杆向下动作的叫正作用 执行机构。反之,信号增加阀杆向上的叫反作用执行机构。通常接受 20~100KPa的标准信号压力,带定位器时,最高压力为250KPa,其 行程规格有10、16、25、40、60、100mm六种。 气动活塞执行机构: 比上述更强力的输出机构,其压力可达500KPa,而且无弹簧抵消 推力,输出力大,适用于大口径、高静压、高压差阀和蝶阀。 气动长行程执行机构: 具有行程长、转矩大的特点,它将信号气压转变成相应的转角 (0~900)或位移(200~400mm),适合于角行程调节阀的需要, 多用于大转矩的蝶阀、闸阀、风门等。

62

三、调节阀
阀体部件(如图所示) 直通单座阀:泄漏量小、许用压差小、 流通能力小。 直通双座阀:许用压差大、流通能力 大、泄漏量大。不适用于高粘度、 含悬浮颗粒的流体 套筒调节阀:稳定性好,不易引起阀 芯振动;互换性和通用性强,只 要更换套筒就可得到不同的流量 系数和流量特性;许用压差大, 1、直通单座;2、直通双座;3、 热膨胀影响小,;维修方便,阀 角形;4、隔膜阀;5、蝶阀;6、 座是通过螺纹与阀体相连的;使 阀体分离阀;7、合流型三通调 用寿命长;噪音低(比单、双座 节阀;8、分流型三通调节阀 阀低10分贝)
?

63

三、调节阀
偏心旋转阀: ⑴流路简单,阻力小,用物含固体悬浮物和高粘度的流体调 节较为理想 ⑵流通能力较大,比同口径的单、双座阀大10~30%,可调 比大,可达100:1 ⑶阀芯球面偏心旋转运动减少了所要求的操作力矩,在流开 流闭下都能稳定操作,在高压差下能顺利使用,同时用较 小的力就能严密关闭,所以泄漏量小。 ⑷可通过改变定位器中凸轮板位臵,方便地得到直线或等百 分比流量特性 ⑸体积小,重量轻,可根据现场安装位臵,不更换任何零件 灵活组装
64

三、调节阀
角形阀:角形调节阀除阀体为直角形外,其他结构与直通单 座阀调节阀相似 ? ⑴流路简单,死区和涡流区较小,借助介质自身的冲刷作 用,可有效地防止介质堵塞,有较好的自洁性能 ? ⑵流阻小,流量系数比单座阀大,相当于双座阀的流量系 数 ? 它适用于高粘度、含悬浮物和颗粒状流体的场合,或 用于要求直角配管的地方,其流向一般为底进侧出。 高压调节阀:适用于高静压和高压阀调节的特殊阀门,最大 公称压力为32MPa,常见的结构有多级阀芯和单级阀芯。 多级阀芯是几个阀芯串在一起相当几个阀逐渐降压,但这 种阀结构较复杂,调节性能差,应用较少;单级阀芯多为 角形单座,但在高压差下,流体对阀芯、阀座的冲刷和气 蚀严重,使用寿命短。
65

三、调节阀
蝶阀(翻板阀):流通能力大,约为同口径双座阀的1.5~ 3 倍;阻力损失小;沉积物不易积存;结构紧凑,安装空间 很小。但操作转矩大,泄漏量较大,可调范围小。 特别适用于低压差、大口径、大流量的气体和浆状液体 O型球阀:可起调节和切断作用,常用于两位式控制。它流 路简单,全开时完全形成直管通道,压力损失最小,特别 适用 于高粘度、悬浮液、纸浆等流体场合。密封可靠,泄 漏量很小,软密封球阀可达到气泡级密封。 V型球阀:流通能力大,比普通阀高2倍以上;控制特性好, 为等百分比;可调范围大,可达300:1;具有剪切作用, 能严密关闭,适用于浆料、纤维状流体场合。主要缺点是 操作压力受到限制,高压降时不适用。
66

三、调节阀
隔膜调节阀:隔膜调节阀用耐腐蚀衬里的阀体和膜片代替阀 芯和阀座,由隔膜起调节作用 优点:1、用橡胶等材料做隔膜,抗腐蚀性能好。 2、结构简单,流路阻力小,同时能严密关闭。 3、流通能较同口径的其他阀大。 4、流体被隔膜与阀门可动部件隔开,无需填料也不会外 泄 缺点:1、由于隔膜和衬里材质限制,耐压、耐温较低,一 般只能用于1.6MPa、150℃以下。 2、控制特性差,可调范围小,流量特性近似快开特性, 60%行程前近似线性,60%后流量变化很小。 隔膜调节阀适用于强酸、强碱等强腐蚀介质的调节,也能 用于高粘度及悬浮颗粒流体的调节。
67

三、调节阀
调节阀的流量特性:快开、线性、等百分比、抛物线 ?调节阀的流开、流闭
?

正装 流开状态
?

反装

正装 流闭状态

反装

调节阀的气开、气关

?

执行机构 正 正 反 反

阀体部件 正 反 正 反

调节阀 气关 气开 气开 气关

随信号增大,阀门开度增大的叫气开 ? 选择调节阀的气开/关型式,应从装臵和设备的安全性来考虑
?

68

三、调节阀
? ? ? ?

?

?

调节阀的流量特性:快开、线性、等百分比、抛 物线 调节阀为什么选等百分比阀较多? 1 q=αf △P 2 阀位变时阀前后总差压△P 也变,q也变,即 3 流量特性同同往上移,所以选等百分比阀较多。 4 当调节阀两端差压比较小时,对象是线性对象, 1、快开;2、线 则选线性阀 性;3、抛物线; 调节阀正常可调范围一般控制在20~80% 4、等百分比

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三、调节阀
? ?

? ? ? ?

?
? ?

为了调节阀的快速响应和定位精定,使用中的调节阀一般 均配有定位器 目前我厂用的定位器种类非常多,从纯气动型到智能型都 有,就原理而言,只 有两种:长排气式和 节能式(西门子) 调节阀的流通能力 (c值):阀前后压差为 0.1MPa,介质密度为 1g/cm3时,每小时通 过阀门的流量(t/h)
70

五、联锁系统的构成
?

?

联锁保护系统是按生产装臵的工艺过程和设备要求, 使相应的执行机构动作,或自动启动备用系统,或实现安 全停车的系统。联锁保护系统要既能保证生产装臵和设备 的正常开、停、运转,又能在工艺过程出现异常时,按规 定的程序保证安全生产,实现紧急操作、安全停车、紧急 停车或自动投入备用设备。联锁保护系统的安全可靠运行 对实现生产装臵的正常生产和设备的正常运行至关重要。

71

五、联锁系统的构成
? ?

信号报警和联锁保护系统通常由以下 三部份构成: 1 发信元件 2 执行元件 3 逻辑元件

72

五、联锁系统的构成
?

基础知识:

联锁保护动作通过继电器的输出来实现,但在DCS输出型式为三极管的 情况,为了防止反向击穿,应加上反向二极管放电。 触点常开、常闭:正常操作情况下触点断开为常开,反之为常闭 反逻辑、正逻辑:正反逻辑起源:在数字电路中,输出信号与输入信号 之间有一定的逻辑关系,例如非门,当输人信号为高电平时,输出为低 电平;反之,当输入为低电平,输出为高电平。为了方便,在逻辑电路 中用符号1和0来表示高电平和低电平两种状态,换言之即高电平是逻 辑“1”,低电平是逻辑“0”。这是一种人为的规定,亦可以反过来将高 电平定为逻辑“0”,低电平定为逻辑“1”。由于大多数数字电路采用 的是正电源、硅管电路,用高电平作逻辑1、低电平作逻辑0比较方便, 所以定为用1表示高电平。正、负逻辑只是规定不同,没有好坏之分。 如令H=1,L=0,则称之为正逻辑体制,与此相反,若令H=0,L=1, 则称之为负逻辑体制。 ? 一般满足正常条件为1(或通电为1),为正逻辑,即1动作。为非 故障安全型。通常情况下常通电,故障或动作时断电(0),为负逻 辑。

73

五、联锁系统的构成
?

?

?

?

在联锁保护逻辑中,一次原件输入信号尽量不要单 取,容易引起误动,为了解决单取的误动作,引入了二取 二,当两个信号同时动作时,才发生联锁。但这引来了新 的问题,就是拒动,当一个信号坏掉永运不动时,二取二 就不起作用。 工业控制中,重要联锁最好是三取二去联锁(三取 中值去控制)。这兼顾了安全,又兼顾了成本。 在联锁保护中,一次原件的输入,应设臵旁路开关; 机泵等应设臵手/自动开关。 联锁动作后,应设臵手动复位才能重新运行。

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五、联锁系统的构成

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五、联锁系统的构成

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