石油化工过程自动化及仪表培训讲义.docx

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1、自动化与仪表培训讲义自动化与仪表培训讲义第一章第一章仪表的分类与误差仪表的分类与误差第一节第一节仪表的分类仪表的分类检测和过程控制仪表的分类方法很多，根据不同的原则可以作进行相应的分类。例如按仪表使用的能源分，可以分为气动仪表和电动表和液动仪表；根据仪表的组合形式可以分为基地式仪表，单元组合仪表和综合控制装置；按仪表的安装形式可以分为现场仪表；盘装仪表和架装仪表；根据仪表有否引入微处理器又可以分为智能仪表和非智能仪表，根据仪表的信号又可以分为模拟仪表和数字仪表。检测与过程控制仪表最通用的分类是按仪表的测量和控制系统中的作用来划分的一般可发划分为检测仪表、显示仪表、调节仪表和执行器四大类，见表

2、1.1 所示。检测仪表根据其测量变量的不同，又可以分为温度检测仪表、流量检测仪表、压力检测仪表、物位检测仪表和分析仪表。表表 1.11.1检测与过程控制仪表分类表检测与过程控制仪表分类表按功能按被测变量按工作原理或结构形式按组合形式按能源其它检测仪表压力温度流量物位液柱式,弹性式,活塞式膨胀式，热电偶，热电阻，光学，辐射节流式，容积式，速度式，靶式，电磁，旋涡单元组合单元组合单元单元单元组合电、气电、气智能智能智能智能成分转子式，直读，浮力，静压，电学，声波，辐射，光学PH，氧分析，色谱，红外，紫外单元组合电、气电气智能显示仪表模似和数字指示和记录动圈，自动平衡电桥，电位差计电、气单点、多点、

3、打印，记录调节(控制)仪表自力式组装式可编程基地式单元组合气动电动执行器执行机构薄膜、活塞、长行程、其它执行机构和阀可以进行各种组合气、电、液阀直通单座，直通双座，套筒（笼式）球阀，蝶阀，隔膜，偏心旋转，角形，三通，阀体分离直线、对数、抛物线、快开显示仪表根据记录和指示、模拟与数字等功能，又可以分为记录仪表和指示仪表、模拟仪表和数显仪表，其中记录仪表又可以分为单记录和多点记录，有纸和无纸记录等。调节仪表又可以分为基地式调节仪表和单元组合式调节仪表。第二节第二节仪表的一些主要技术性能仪表的一些主要技术性能在工程上，仪表的一些重要参数常用精度、绝对误差和相对误差和灵敏度等来表示，以下分别来介绍这些

4、参数的含义真值：变量本身所具有真实的值，也是一个无法得到的值，所以在计算误差时，用约定真值和相对真值来代替。约定真值是一个接近真值的值，对一个数作 N 次测量，把测量的平均值作为约定真值，而相对真值是当高一级的标准器误差仅为低一级的 1/31/20 时，可以把高一级标准仪器作为低一级相对真值。绝对误差是测量值与真值之差，即绝对误差=测量值真值相对误差是绝对误差与被测值之比，常用绝对误差与仪表示值之比，以百分数表示，即:绝对误差相对误差=*10引用误差是绝对误差与量程之比,即：仪表的精度是用根据引用误差来划分的。举例：某一压力表，刻度为 0100KPa，在 50 KPa 处计量检定数值为 49.

5、5 KPa求在 50 KPa 处仪表示值的绝对误差，相对误差和示值引用误差。解：仪表示值的绝对误差=5049.5=0.5 KPa仪表示值的相对误差 0.5/50X100%=1%仪表示值的引用误差 0.5/100X100%=0.5%仪表示值的相对误差 0.5/50X100%=1%变差变差:指仪表的被测变量(可以理解为输入信号)多次从不同方向达到同一数值，仪表指示的最大差值,或者说,仪表在外界条件不变的情况下,被测参数由小到大变化(正向特性)和被测参数由大到小变化(反向特性)不一致的程度，二者之差即为仪表变差。如下图所示：仪表的精度等级是按国家统一规定的允许误差划分为若干个等绝 对 误差引用误差=

6、*10被测参数上下仪表示值级，因此仪表的精度等级与仪表的允许误差的大小有关。根据仪表的允许误差去掉“”号与“%”后的数值，可以来确定仪表的精度等级。目前我国生产的仪表，常用精度有 0.1；0.2；0.3；0.5；1.0；1.5；2.5；4.0 等。一般仪表的数值越小，仪表的精度越高。工业现场用的仪表，其精度大多数为 0.1；0.2；0.5；1.0；1.5；2.5；4.0 级。如果某台仪表允许误差为1.5%，则认为该表的精度等级为 1.5 级。如已求得某两台仪表的允许误差为1.5%和1.8%，则此两台仪表的精度应分别为 1.5 级和 2.5 级。仪表的精度等级一般可用不同的符号形式标志在仪表上，

7、如：由于仪表的误差还与其它使用条件有关，故还需了解基本误差附加误差的概念。仪表的基本误差是指仪表在规定的正常的工作条件（如环境温度、湿度、振动、电源电压、电场、和磁场等）下允许误差。所以一台合格的仪表，其基本误差应小于或等于允许误差。附加误差是指仪表在非正常工作条件下使用时，除基本误差外，还会产生的误差。所以仪表的质量指标并不能完全代表测量结果的质量，也就是说，一台高质量的仪表，如果使用不当，也会得出不正确的测量结果。下面将分别叙述压力、流量、液位、温度等工艺参数常用测量元件和变送器作介绍。101第二章第二章压力的测量方法与仪表压力的测量方法与仪表第一节第一节概述概述在石油化工生产过程中，经常

8、会碰到压力和真空的测量问题。例如，高压聚乙烯要在 150MPa 或更高的压力下进行聚合；氢气和氮气要在 32MPa 下合成为氨；炼油厂的减压蒸馏要在很高的真空条件下进行；特别在化学反应比较强烈的场合，压力既影响物料的平衡关系，也影响化学反应速度。因此，压力的测量和控制是保证工艺要求、设备完全经济运行的必要条件。目前，我国在工程上习惯把压力理解为物理概念中的压强，即垂直单位面积上力。根据国际单位制（代号为 SI）规定，压力单位为帕斯卡，简称（Pa），1 帕即为 1 牛顿的力作用在 1 平方米面积上产生的压力。帕所代表的压力较小，工程上常用 MPa 作为压力单位，MPa与 Pa 之间的关系为：1M

9、Pa=1106Pa由于各个国家的传统习惯不同，使用的测压仪表也不同，压力的单位除了现在国际上统一的计量单位，即 MPa、Kpa 和 Pa 外，还沿用其它许多单位，如 kgf/cm2、mmHg、mmH2O、atm（标准大气压）Psi 等一、二十种之多，在德国和欧美一些国家，还用 bar（巴）表示压力单位，它不是我国的法定的计量单位，它们之间的关系为：1bar=100Kpa。过去我国使用的压力的单位也比较多，根据 1984 年 2 月 27日“国务院关于在我国统一实行法定计量单位的命令”的规定后，有些单位将不再使用。但为了了解法定计量单位中的压力单位（Pa或 MPa）与过去单位之间的关系，表 2-

10、1 中给出了几种单位间的换算关系。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）之间的关系如图2-1 所示表表 2-12-1 压力单位换算表压力单位换算表单位千帕(Kpa)兆帕（Mpa）公斤力/厘米2kgf/cm2毫米汞柱（mmHg）毫米水柱（mmH2O）巴（bar）磅/英寸2（psi）标准 大气压（atm）千帕（Kpa）110-30.01019727.51020.010

11、.1450380.0098692兆帕（Mpa）1000110.27.5010-31.02105101.451029.8692公斤力/厘米2(kgf/cm2)98.0670.12509811735.61040.98114.220.9678毫米汞柱(mmHg)0.13331.33310-41.3610-3113.61.33310-319.3410-31.31610-3毫米水柱(mmH2O)9.8110-39.8110-610-473.5610-3198.110-61.42210-30.967810-4巴（bar）1000.11.0275010.2103114.500.9869磅/英寸2（psi）6

12、.896.8910-370.310-351.7270368.910-3168.0510-3标 准 大气压（atm）101.330.10131.03327601.03321041.013314.6961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。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

13、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。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

14、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，能过转换位置，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。第二节第二节压力测量仪表压力测量仪表一、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。a)结构和动作原理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PPP表PPP大气压力线图 2-1 表压、绝压、真空之间的关系图轮传动机构（包括拉杆、扇形齿轮、中心齿轮）、示数装置（指针和分度盘）以与外壳

15、等几部份组成，如图 2-3（a）所示。弹簧管是一端封闭并弯成 270。圆孤形的空心管子，如图 2-3(b)所示。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要随即减小，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

16、形位移通过拉杆使图 2-3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 ab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/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。图 2-3(a)中，游丝用来克服因传动机构间的间隙而产生的测量误差。改变调整螺钉的位置(即改变机械传动的放大系数)，可以实现压力表的量程调整。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

17、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。单圈弹簧管在受压时，由于自由端的位移和转动力矩都较小，故仅能制成指示型仪表。而生产中有时需要用记录型仪表。为了能带动记录机构运动，就需要弹簧管有足够长而制成多圈(一般为2.59 圈)，这样就成了多圈弹簧管压力表。(二二)电接点压力表电接点压力表在石油化工生产中，常常要把压力控制在某一范围之内，当

18、压力高于或低于规定范围时，就会破坏正常工艺条件，甚至可能发生危险。利用电接点压力表就可以简便地在压力偏离设定范围时与时发出信号，以提醒操作人员注意或通过中间继电器实现压力的自动控制。图 2-4 是电接点信号压力表的结构和工作原理示意图。它是在普通弹簧管压力表的基础上稍加改变而成。压力表指针上有动触点2，表盘上另有两个可调的指针，上面分别有静触点 1 和 4。当压力超过上限设定值(此数值由上限设定指针的位置确定)时，动触点 2和静触点 4 接触，使有红灯 5 的电路接通而发出红光；当压力过低时，则动触点 2 与静蚀点 1 接触，使有绿灯 3的电路接通而发出绿色信号。静触点 1 和 4 的位置可根

19、据需要灵活调节。三、气动压力变送器三、气动压力变送器气动压力变送器以压缩空气为能源，它将被测压力转换成统一标准信号 20100KPa 输出。(一)气动元件和组件气动仪表中常遇到的元件和组件有:弹性元件、阻容元件、喷嘴挡板机构和功率放大器。1弹性元件在气动仪表中，弹性元件作为感测元件或转换元图 2-4 电接点压力表1、4 静触点 2 动触点 3 绿灯 5、红灯件，将压力信号转换成位移或力信号。通常用的弹性元件有:非金属膜片、金属膜片、波纹簧与弹簧等。2阻容元件气体通过节流元件时，会受到一定的阻力，这种节流元件叫气阻。气阻在气动仪表中阻碍气体的流动，起着降压(产生压力降)和限流(改变气体流量)的作

20、用，与电阻在电路中的作用相类似。气阻值为常数的节流元件，即指流通断面积不能调整的节流元件称为恒气阻。在气路申恒气阻用符号表示；气阻值可以调整的节流元件，即指流通截面积可以调整的节流元件称为可调气阻。在气路中用符号表示：能在工作中自动地改变气阻值的节流元件叫变气阻，例如喷嘴挡板型变气阻。凡是气体流过时，能贮存或放出气体的气室称为气容。气容在气动仪表中起缓冲、防止振荡的作用，与电容在电路申的作用相类似。当气体流入或流出气室时，气室里的压力就随着变化。气容有定气容(气室的容积是固定的)和变气容(弹性气室容积随气室里的压力而变)两种。用导管将气阻和气容联接起来，就构成了阻容耦合元件。常见的阻容耦合元件

21、有节流盲室和节流通室，一般作为仪表的反馈环节，以获得比例、积分、微分等调带规律。将一个可调气阻和一个气容相串联即构成了节流盲室，也称阻容环节，如图 2-7(a)所示:由可调气阻、流通气室和恒气阻串联而构成的环节，称为节流通室，如图 2-7(b)所示。3喷嘴挡板机构喷嘴挡板机构是气动仪表中的气动控制元件，它由恒气阻、气容和喷嘴挡板型变气阻串联而成，一般用符号表示。其结构原理如图 2-8 所示。喷嘴挡板机构的作用是把挡板相对于喷嘴的微小位移转换成相应的气压信号 P背作为它 的输出。喷嘴前的气室称背压室，室内压力即为喷嘴挡板机构的输出压力，故称为喷嘴背压 P背当气源以 140kPa 的气压经恒气阻进

22、入背压室后，再由喷嘴相挡板之间的间隙排出(一 般排入大气)。但是这股气流经过恒气阻时，由于恒节流孔孔径很小，它将对压缩空气流造成很大的阻力，只有很少量的气流经恒节流孔进入背压室。而背压室中的压力 P背是随喷嘴挡板间的相对位移而变化的。当挡板靠近喷嘴时，气阻增大，背压室内的气体不易排出，则 P背上升，反之，挡板离开喷嘴时，气阻减小，背压室内气体容易排出，则 P背下降。这就是说，挡板对通过恒节流孔的气流造成了第二次阻力，而且这阻力是随着挡板位置不同而变化的。喷嘴挡板之间距离 h 不同，就有不同的 P背，从而在一定的位移范围内(h 的上限值不超过喷呀内径的四分之一，一般为 0.25mm)，完成了把挡

23、板的微小位移转换成气压信号的任务。通过实验可以得到喷嘴挡板之间的距离且与喷嘴背压 P 背之间的特性曲线如图 2-9 所示。由图 2-9 可以看出，h 和 P 背之间的关系是非线性的，一般工作在中间区段(相当于 P 背为 25130kPa 之间)时，近似可以认为是线性的。由图 2-9 还可以看出，在正常工作时，挡板与喷听之间的相对位移量是很小的，不大于 0.02mm。4功率放大器控制元件将挡板的微小位移转换成气压信号，但是由于受恒节流孔直径很小(一般为 0.2mm)的限制，输出流量很小，所以输出的气压信号功率很小。为了把信号远距离传送给推动执行器，常在控制元件后面串联一个功率放大器。所谓气动功率

24、是指压力和流量的乘积。因此功率放大器能将信号压力和气量进行放大。功率放大器一般用符号表示。(二)气动压力变送器的结构原理气动压力变送器由测量部分和转换部分组成。测量部分是将被测压力转换成相应的测量力，再由气动转换部分将测量力成比例地转换成统一气压信号 201OOkPa 输出。图 2-10 中，测量部分包括波纹管和密封膜片；转换部分包括主、副杠杆，反馈波纹管，喷嘴挡板机构和功率放大器。变送器是采用力短平衡原理工作的，其动作过程如下：被测压力引至测量波纹管，对主杠杆下端产生一个推力（测量力），于是产生使主杠杆围绕密封膜片的中心作逆时针方向偏转的测量力矩，当主杠杆作逆时针方向偏转时，带动挡板向喷嘴靠

25、拢，喷嘴背压就上升，经放大器放大后即为压力变送器的输出，同时，输出压力进入反馈波纹管，产生一个反馈力推动副杠杆以量程螺母为支点作顺时针偏转，使挡板离开喷嘴，这种相反的作用，直至反馈力矩和测量力矩相等时，杠杆就处于平衡状态，挡板和喷嘴间距离不再变化，变送器就稳定地输出一个与被测压力或比例的气压信号。如果被测压力变化时，杠杆的平衡就被破坏，通过反馈作用，又建立新的平衡状态，压力变送器输出一个相应的气压信号。第三节第三节压力测量仪表的选用与安装压力测量仪表的选用与安装为使石油化工生产中的压力测量和控制达到经济、合理和有效，正确选用、正确安装压力测量仪表是十分重要的。(一)压力表的选用压力表的选用应根

26、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、报警等附加装置。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艺生产的要求。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)娈否特殊要求等。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

27、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。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

28、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。下面通过一个例子来说明压力表的选用。（例)某台往复式压缩机出口压力范围为 2528MPa，测量误差不得大于 lMPa。工艺要求就地观察，并能高低限报警，试正确选用一台压力麦，指出型号、精度级和测量范围。解由于往复式压缩机的出口压力脉动较大，所以选用仪表的上限值为:282=56MPa根据就地观察并能进行

29、高低限报警的要求，选用电接点压力表，由相应资料 查得应选用 YXC 一 l50 型电接点压力表，测量范围为 06OMPa。由于 25/601/3 故被测压力的最小值不低于满量程的 1/3，这是允许的。另外根据对测量误差的要求，可算得允许误差为1/60100%=1.67%所以，精度等级为 1.5 级的仪表完全可以满足要求。至此，可以确定，选用的压力表为 YXC 一 l50 型电接点压力表，量程为06OMPa，精度级为 1.5 级。(二)压力表的安装当选用了一台合格的压力表后，能否在现场正常运行，与其安装是否正确关系极大，它包含了测压点的选择，导压管的敷设和仪表本身的安装等内容。1测压点的选择选择

30、测压点的原则是应使所选测压点能反映被测压力的真实情况。具体要求如下。(1)测压点要选在被测介质作直线流动的直管段上，不可选在拐弯、分岔、死角或能形成旋涡的地方。(2)测量流动介质的压力时，取压管应与介质流动方向垂直，管口与器壁平齐，并不应有毛刺。(3)测量液体压力时，取压点最好水平取压，使导压管内不积存气体；当测量气体压力时，取压点应在管道上方，使导压管内不会积存液体。2导压管的敷设导压管的敷设应按如下要求进行。（1）导压管粗细要合适，一般内径为 610mm，长度应尽可能短，最长不得超过 50m，以减少压力指示的迟延。(2)水平安装的导压管应保持有 1：101：20 的倾斜度，以利于积存于其中

31、之液体(或气体)的排出。(3)如果被测介质易冷凝或冻结时，应加装保温伴热管。(4)当测量液体压力时，在引压管路的最高处应装设集气器；当测量气体压力时，在引压管路的最低处应装设气液分离器；当被测介质可能产生沉淀物折出时，在仪表前应加装沉降器。3压力表的安装要求如下。(1)压力表应安装在易观察和检修的地方。安装地点应力求避免振动。(2)测量蒸汽压力时，应加装凝液管，以防高温蒸汽直接与测压元件接触，见图 2-11(a)；对于有腐蚀性介质的压力测量，应加装有中性介质的隔离罐，图 2-1l(b)表示被测介质密度1大于和小于隔离液密度2的两种情况。总之，针对被测介质的不同性质，要采取相应的防热、防腐、防冻

32、、防堵等措施。(3)当被测压力较小;而压力表与取压口又不在同一高度时，见图2-11(C)，对由此高度差而引起的测量误差应按P=Hg 进行修正。式中 H 为高度差。为导压管中介质的密度，g 为重力加速度。(4)压力表的连接处，应根据被测压力高低 和介质性质，选择适当材料，作为密封垫片，以防泄漏。一般低于 80与 2MPa 时，用 牛皮或橡胶垫片；350450与 5Mpa 以下用退火紫铜或铅垫片。但测量氧气压力时，不能使用浸油垫片与有机化合物垫片；测量乙炔压力时，不能使用铜垫片，因它们均有发生爆炸的危险。(5)取压口到压力麦之间应装有阀门，以备检修压力表时能切断通路。阀门应装在靠近取压口的地方，如

33、图 2-11 所示。(6)为安全起见，测量高压的仪表除选用表壳有通气孔外，安装时表壳应靠墙壁或无人通过之处，以防发生意外。123412342411234第三章第三章流量的测量和变送流量的测量和变送第一节第一节概概 述述在石油化工生产过程中，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与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

34、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，则体积流量 Q 与质量流量 M 的关系是:M=Q或Q=M/流量测量仪表上若配以积算机构，则可以读出流体在一段时间内流过管道某一截面的总量量。总量又称累积流量。若以 t 表示时间，则总量与流量之间的关系是:，Q总=Q dtM总=Mdt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

35、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

36、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0t0t仪表。表 3-1 中列出了几种主要类型流量表(或称流量计)的性能与适用场合。表 3-1 几种流量计的比较流 量计 类型工作原理刻 度特性量程比精度适用场合差 压式伯利努方程，节流装置前后差压与流量有一定的关系平 方根3：112.5已标准化、耐高温高压、中大流量，应用最广；各种工况下的单相流体流量转 子式浮子平衡位置的高度与流量有一定的关系，定差压，环形流通断面积变化线性10：11.52.5小 流量靶式靶上所受的流体作用力与流量有一定的关系平 方根3：12.5粘稠、高温、腐蚀性介质、耐高温与较高压力椭 圆齿 轮式齿轮输

37、出轴转数与流量有一定关系，容积式计量原理线性10：10.51清洁,粘性介质电 磁式被测流体的流量转换成感应电势,电磁感应定律线性30：111.5导电液体 大流量涡 轮式涡轮被流体冲转,其转速与流体流量存在一定关系线性30：10.51低粘度清洁液体耐高压 中温漩 涡式漩涡发生体后放出的漩涡频率与流量成一定关系线性100：10.51液体 气体或蒸汽介质 中大流量应用较广超 声 声波传播速度与流 线性5:111.高粘稠,强腐蚀介质波式体的流速有关,测量声波在流动介质中的传播速度来求出流体和流量5质 量式根据科里奥利原理来测量流体的质量线性100：10.11高粘稠介质,气体的测量第二节第二节差压式流量

38、计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置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置(包括节流元件和取压装置)、导压管和差压计或差压变送器与其显示仪表三部分所组成。在单元组合仪表中，由节流装置所产生的差压信号，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。(一)节流装置的测量原理1、节流现象与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

39、流现象，如图 3-1 所示。所谓节流装置就是设置在管道中能使流体产生局部收缩的节流元件和取压装置的总称。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。图 3-2 表示在孔板前后流体的流速与压力的分布情况。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 P1P2)。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

40、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)的位置不在节流孔处，而是位于节流孔之后(即图中截面处)，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。3-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P2t。)，则该回路内就会产生热电动势(简称热电势)，这种现象称为热电效应。为什么会产生热电势呢?，分析

41、如下。当两种不同的导体 A 和 B 接触时，由于两者有不同的电子密度ABttee图 5-2 热电偶回231图 5-1 热电偶温度计测量线路1、热电偶 2、连接导线 3、电测仪表tttAB(分别为 NA、NB，且 NANB)，则电子在两个方向上的扩散速率就不同，即从 A 跑到 B 的电子数要比从 B 跑到 A 的为多。结果 A 因失去电子带正电荷，B 因得到电子带负电荷，在 A、B 的接触面上便形成了一个从 A 到 B 的静电场(如图 5-3 所示)。这个电场将阻碍扩散作用的继续进行，同时加速电子向相反方向转移，使从 B 到 A的电子增多，最后达到动态平衡。此时，A、B 之间形成一电位差，这个电

42、位差称接触电势 eAB。其数值取决于两种不同导体的材料性质和接点的温度。温度越高，导体中的自由电子就越活跃，由A 扩散到 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，因而接触电势也增高。在导体 A、B 材料已经确定的情况下，所产生的接触电势的大小只和接点温度有关，故称为热电势，记作 eAB（t），下标符号 A 表示正极导体，B 表示负极导体。若下标次序改为 BA，则 1 前面的符号亦应作相应的改变，即：eAB(t)=-eBA(t)综上所述，由两种不同导体 A、B 形成的闭合回路中，因两接点的温度不同(tt。)，则在两接点处产生了两个大小不等、方向相反的接触电势 eAB(t)和 e

43、AB(t。)，且 eAB(t)eAB(t。)如图 5-4 所示.AeA(t,eB(teAB(t0）eAB(tNN+-图 5-3 接触电势形成静电场图 5-4,热电偶回路电势分析此外，对于同一导体 A(或 B)，由于其两端温度不同，也会产生一个相应的电位差，这个电位差称为温差电势。(图 5-4 中的 eA(t，t。)和 eB(t，t。)。但由于温差电势 远少于接触电势，因而可以忽略不计。这样，热电偶回路中总电势 EAB(t，t。)为：EAB(t，to)=eAB（t）-eAB（t0）（式 2-15）式 2-15 说明热电势 EAB(t，to)等于热电偶两接点的接触电势的代数和。当 A、B 材料确定

44、后，热电势是接点温度 t 和 to 的函数之差。若冷端温度 to 保持不变，即 eAB（t。）为常数，则热电势 EAB(t，to)就成为热端温度的单值函数了，而和热电极的长短与直径无关。这样，热端温度 t 就是被测温度，那么只要测出热电势的大小，就能判断被测温度的高低，这就是热电偶测温的基本原理。不难理解，如果组成热电偶回路的两导体材科相同，则无论两结点温度如何，回路的总电势为零；如果热电偶两结点温度相同，尽管两导体材料不同，回路的总热电势也为零。应当指出，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

45、查到。热电偶的热电势与披测温度的关系，都是规定热电偶冷端温度为零度（t0=0）进行分度的，并按热电偶的不同种类，分别列成表格形式，这些表格就称为热电偶的分度表。因此，只有冷端温度为零度时，可用测得的 EAB(t，。)去查分度表得到被测温度 t，或已知 t 查得相应的 EAB(t,0)值。然而，若冷端温度不是零度，而是大于零度（t0）,这时就不能用测得的EAB(t，t。)，去查分度表而得到 t，或己知 t 去查相应的 EAB(t，t。)值，而应根据下式进行计算。EAB(t，to)=EAB(t，0)一 EAB（to，0）(式 2-16)或EAB(t，0)=EAB(t，to)+EAB（to，0）(式

46、 2-17)式中 EAB（to，0）)为 t0冷端温度应加的校正值，相当于热端温度为 t。时，而冷端温度为 0时产生的热电势，其值可从分度表中查得。例 1 用一支镍铬-镍硅热电偶，测量转化炉的温度，已如热电偶工作端温度为 800，冷端温度为 30，求热电偶产生的热电势 EK(800，30)为多少毫伏?由电势表查得:Ek(800，0)=33.277mVEk(30，0)=1.203mV解Ek(800，0)=33.277mVEk(30，0)=1.203mV把上述数字代入（式 2-16），即得：Ek(800，30)=Ek(800，0)-Ek(30，0)=33.277mV-1.203mV=32.074m

47、V例 2有一支镍铬-镍硅热电偶在工作时，冷端温度为30，测得热电势 EAB(t，to)=39.17mV，求被测介质的实际温度?(由电势表查得:Ek(30，0)=1.203mV)解Ek(30，0)=1.203mVEAB(t，to)=39.17mVEk(t，0)=39.17mV+1.203mV=40.373 mV查 40.373mV 对应的温度为 977，即所求的被测介质的实际温度为 977。3、热电偶测温回路中接入第三种导体的问题利用热电偶测温时，必须要用电测仪表来测量热电势的数植，而电测仪表往往远离测温点，这就需要将热电偶回路的冷端断开，接入连接导线 C，形成闭合回路，如图 259 所示。那么

48、，当电偶通路中接入第三种导体 C 后，对热电偶热电势数值有无影响呢?假设接入导体 C 后，电路中构成的接点(图 2-59)处温度相同且等于 to，则测温回路总热电势为:EABC（t，to）=eAB(t)十 eBC(to)+eCA(t。)(2-18)若上述测温回路中 三个接点温度相同，均等于 t。，则回路中总的热电势等于零，即：eAB(to)+eBC(to)+eCA(to)=0或-eAB(t0)=eBC(t0)+eCA(to)（2-19）将式(2-19)代入式(2-18)，得：CtttABCttCtttt连热熔融金绝保ab图 5-5 第三种导线材料的接入图 5-6 开路热电偶的使用EABC(t，

49、t。)=eAB(t)一 eAB(t0)=EAB(t，to)(2-20)由式(2-20)说明在热电偶测温回路中接入第三种导体时，只要接入导体的两端温度相同，则对原热电偶产生的热电势数值没有影响。同理，如某回路中接入更多导体，只要接入导体的两端温度相同，也不影响热电偶所产生的热电势数值。从实用观点来看，这一性质很重要，正是由于这个性质存在，才可以在测温回路中接入各种仪表、连接导线等，而不必担心会对热电势的数值有影响。同时应用这一性质还可以采用开路热电偶对液态金属和金属壁面进行温度测量(见图 5-6)。即有时为了提高测量的准确性和方便起见，热电偶工作端不焊接在一起，而是直接把两根热电极 A、B 的端

50、头插入熔融金属或焊在被测金属上。此时，液态金属和金属壁面即为接入热电偶回路的第三种导体，只要保证两热电极 A、B 插入地方的温度一致，则对整个测温回路的总热电势数值将不产生影响。（二）电偶的种类（二）电偶的种类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