過程裝備控制技術及應用2015第三章(3)

1、3.5 流量測量 3.5.1概述 流量是測量中的重要參數(shù)之一，是產(chǎn)品成本核算和能源科學管理 所必需的指標。因此，對流量測量方法及測量儀器的學習顯的非常重 要。 用于流量測量的儀表叫流量計。常見的流量計有： 壓差式流量計; 轉子流量計; 電磁式流量計等。 流量檢測 流量流量 檢測檢測 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 (推導法推導法) 間接法間接法 (速度速度) 測定單位時間內(nèi)排出的標測定單位時間內(nèi)排出的標 準固定體積的數(shù)量。準固定體積的數(shù)量。 測定管道內(nèi)流體平均流速，測定管道內(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、測元件輸出信號直接反映質(zhì)檢測元件輸出信號直接反映質(zhì) 量流量。量流量。 同時測量兩個相關參數(shù)，通過同時測量兩個相關參數(shù)，通過 運算求取質(zhì)量流量運算求取質(zhì)量流量 速度式速度式 差壓式差壓式 根據(jù)流體力學理論，通過截根據(jù)流體力學理論，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. 體積流量測量方法分類表體積流量測量方法分類表 b. 質(zhì)量流量測量方法分類表質(zhì)量流量測量方法分類表 3 3.5.2 3.5.2 節(jié)流式流量檢測儀表節(jié)流式流量檢測儀表 利用流體在管道中通過阻力件時在利用流體在管道中通過阻力件時在 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 流速關系測量流體流量

3、流速關系測量流體流量 孔板孔板 噴嘴噴嘴 文丘里管文丘里管 4 3.5.3 轉子(浮子)流量計 轉子轉子( (浮子浮子) )流量計是以浮子在垂直錐形管中隨著流量流量計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) )方式來進行測量的體積流方式來進行測量的體積流 量儀表。量儀表。 轉子流量計外形圖如下圖所示。轉子流量計外形圖如下圖所示。 5 3.5.4 渦街流量計 一種應用流體振動原理測量流量的儀表。一種應用流體振動原理測量流量的儀表。 它利用流體自然振動的卡門漩渦列原理進行流量測量它利用流體自然振動的卡門漩渦列原理進行流量測量 （通過測量振動頻率獲得流量信

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

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

6、外部熱源對管道內(nèi)的被測流體加熱，熱能隨流體 一起流動，通過測量因流體流動而造成的熱量一起流動，通過測量因流體流動而造成的熱量( (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)熱式流量計原理如圖所示。內(nèi)熱式流量計原理如圖所示。 10 3.5.9 差壓式質(zhì)量流量計 差壓式質(zhì)量流量計是以馬格努斯效應為基礎的流量計，實差壓式質(zhì)量流量計是以馬格努斯效應為基礎的流量計，實 際應用中利用孔板和定量泵組合實現(xiàn)質(zhì)量流量測量；常際應用中利用孔板和定量泵組合實現(xiàn)質(zhì)量流量測量；常 見的有雙孔板和四孔板與定量泵組合兩種結構見的有雙孔板和四孔板與定量泵組

7、合兩種結構 。 a.a.雙孔板結構雙孔板結構 設主管道體積流量為設主管道體積流量為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. 四孔板結構四孔板結構 設設 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。 用與上述計算相同的方法，可用與上述計算相同的方法，可 求出如下關系求出如下關系: : ， qqv: qqV: 23

8、 4 V ppKq q 14 4 V ppq q 四孔板與定量泵組合結四孔板與定量泵組合結 構不論構不論qqV，或，或qqV 均可測量。均可測量。 適于測量液體的質(zhì)量流量，測量范圍為適于測量液體的質(zhì)量流量，測量范圍為0.5250 kgh， 量程比為量程比為20 : 1，測量準確度可達，測量準確度可達0.5。 12 3.5.10 科里奧利質(zhì)量流量計 是一種利用流體在振動管中流動而產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比是一種利用流體在振動管中流動而產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比 的科里奧利力的原理來直接測量質(zhì)量流量的儀表。的科里奧利力的原理來直接測量質(zhì)量流量的儀表。 其原理和實物圖如圖所示：其原理和實物圖如圖所示： 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。物位測量的主要目的在于測量容器中物料的存儲量 ，以便對物料進行監(jiān)控。 生產(chǎn)過程中的液面情況十分復雜，除常壓，常溫，一般性介質(zhì) 水平液面情況外，還會遇到高溫，高壓，易燃易爆，粘性及多泡沫 沸騰狀的液面情況。在實際操作過程中，對液位測量的要求是多方 面的，液位測量的范圍變化也很大。針對這些不同情況，應選用不 同的液位計。 液位測量已經(jīng)有很長的歷史。在測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 量 物位檢測物位檢測 物位物位 儀表儀表 按測量按測量

10、方式分方式分 類類 能持續(xù)測量物位的變化，實時能持續(xù)測量物位的變化，實時 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)測量連續(xù)測量 定點測量定點測量 只監(jiān)測物位是否達到上限、下只監(jiān)測物位是否達到上限、下 限或某個特定位置，定點測量限或某個特定位置，定點測量 儀表一般稱為物位開關。儀表一般稱為物位開關。 采用側壁開窗口或旁通管方式，直接顯采用側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 機械式機械式 電氣式電氣式 基于流體靜力學原理，通過檢測容器內(nèi)基于流體靜力學原理，通過檢測容器內(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 變化來檢測液位。變化來檢測液位。 通過測量物位探頭與物料面接觸時的機通過測量物位探頭與物料面接觸時的機 械力實現(xiàn)物位的測量。械力實現(xiàn)物位的測量。 通過檢測置于被測介質(zhì)中的物位敏感元通過檢測置于被測介質(zhì)中的物位敏感元 件隨物位變化時電量變化檢測物位。件隨物位變化時電量變化檢測物位。15 3.6.2 直讀式物位檢測儀表 采用側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 主要用于液位

12、檢測和壓力較低 的場合液位就地指示。 16 3.6.3 靜壓式物位檢測儀表 基于流體靜力學原理，通過檢 測容器內(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 17 3.6.4 浮力式物位檢測 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、 浮筒式液位計 應用于液位檢測。 18 3.6.5 機械接觸式物位檢測 通過測量物位探頭與物料面 接觸時的機械力實現(xiàn)物位的 測量。 代表儀表： 重錘式、 旋翼式、 音叉式 主要應用于固體料位檢測 19 3.6.6 電氣式物位檢

13、測 通過檢測置于被測介質(zhì)中的 物位敏感元件隨物位變化時 電量變化檢測物位。 代表儀表：電容式物位計 可用于液位檢測，界面測量 或料位檢測。 20 3.6.7 聲學式物位檢測 利用聲波在介質(zhì)中的傳播速 度及在不同相界面之間的 反射特性來檢測物位。 代表儀表：超聲波物位計 可用于液位檢測，界面測量 或料位檢測 21 3.6.8 射線式物位檢測 通過檢測放射性同位素所放出的射 線穿過被測介質(zhì)時被吸收的程度 檢測物位。 代表儀表：射線式物位計 可應用于物位（液位、料位）的非 接觸式檢測。 其他物位檢測方法：其他物位檢測方法： 光學法、微波法、磁致伸縮式物位檢測光學法、微波法、磁致伸縮式物位檢測 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)進行測量和控制，這是間接的方法。而成分分析 儀表則可以隨時監(jiān)視原料，半成品，成品的成分及其含 量，達到直接檢測和控制的目的。 3.7 物質(zhì)成分分析 成分檢測成分檢測 成分成分 檢測檢測 按方按方 法法 按原按原 理理 實驗室分析實驗室分析 現(xiàn)場時時檢測現(xiàn)場時時檢測 電化學式電化學式 光學式光學式 磁學式磁學式 色譜式色譜式 物性測量儀表物性測量儀表 射線式射線式 電子光學式和離子光學式電子光學式和離子光學式 熱學式熱學式 24 3.7.1 熱導式檢測技術 主要用于對混合氣體中某種成分含量的分析

15、。主要用于對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。 檢測原理檢測原理 熱導式氣體分析器是利用各熱導式氣體分析器是利用各 種氣體具有不同的導熱特性，種氣體具有不同的導熱特性， 通過測量混合氣體的導熱系數(shù)通過測量混合氣體的導熱系數(shù) 的變化，間接獲得待測組分的的變化，間接獲得待測組分的 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、 導熱系數(shù)測定敏感元件導熱系數(shù)測定敏感元件 原理圖原理圖 25 3.7.2 紅外式成分檢測 紅外線氣體分析儀：紅外線氣體分析儀： 根據(jù)

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

17、物各組分的分離，吸附（溶解）力，利用色譜柱實現(xiàn)混合物各組分的分離， 同時按各組分從色譜柱排出的先后順序分別測量，并根據(jù)同時按各組分從色譜柱排出的先后順序分別測量，并根據(jù) 各組分出現(xiàn)的時間以及測量值的大小確定混合物的組成以各組分出現(xiàn)的時間以及測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儀 1 1）固態(tài)電解質(zhì)）固態(tài)電解質(zhì) 由于結構的特殊性，部分離子可以相對自由地在晶格結構由于結構的特殊性，部分離子可以相對自由地在晶格結構 內(nèi)移動，表現(xiàn)出一定的導電性能的固態(tài)無機材料內(nèi)移動，表現(xiàn)出一定的導電性能的固態(tài)無機材料 。 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 使用而構成加膜型氣敏傳感器。使用而構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 子導體子導體(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）氧化鋯氧含量檢測原理）氧化鋯氧含量檢測原理 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晶體在高溫時以正方的氟化物結構存在，具有晶體在高溫時以正方的氟化物結構存在，具有 很高的離子電導率；當溫度降至很高的離子電導率；當溫度降至10001000以下時轉化為單以下時轉化為單 斜晶結構，其離子電導率很低。斜晶結構，其離子電導率很低。 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