過程檢測與控制技

1、二組二組任務(wù)一：了解流量控制系統(tǒng)的組成與工作原理任務(wù)二：學(xué)習(xí)流量傳感器的原理與選擇任務(wù)四：流量控制系統(tǒng)的安裝與調(diào)試 隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，自動化技術(shù)在工業(yè)，農(nóng)業(yè)，科技及人們?nèi)粘Ｉ钪邪l(fā)揮著重要的作用。過程控制通常是指連續(xù)生產(chǎn)過程的自動控制，是自動化技術(shù)最重要的組成部分之一。其應(yīng)用范圍覆蓋石油、化工、制藥、生物、醫(yī)療、水利、電力、冶金、輕工、紡織、建材、核能、環(huán)境等許多領(lǐng)域，在國民經(jīng)濟中占有極其重要事務(wù)地位。過程控制的主要任務(wù)是對生產(chǎn)過程的有關(guān)的參數(shù)進行控制。使其保持恒定或按一定規(guī)律變化，在保證總質(zhì)量和生產(chǎn)的前提下，使連續(xù)型生產(chǎn)過程自動地進行下去。連續(xù)生產(chǎn)過程中，流量是一個很重要的參數(shù)。 計量

2、對工業(yè)生產(chǎn)的很重要。流量計量是計量科學(xué)技術(shù)的組成部分之一，它與國民經(jīng)濟、國防建設(shè)、科學(xué)研究有密切的關(guān)系。做好這一工作，對保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、促進科學(xué)技術(shù)的發(fā)展都具有重要的作用，特別是在能源危機、工業(yè)生產(chǎn)自動化程度愈來愈高的當今時代，流量計在國民經(jīng)濟中的地位與作用更加明顯。 流量是指單位時間內(nèi)流過管道任一截面的流體的數(shù)量，也叫瞬時流量。 總量是指在一段時間(如一班、天、一月)內(nèi)流過管道的流體數(shù)量，也叫累積流量流量設(shè)定值偏差流量控制器控制輸出控制閥管道內(nèi)液體流量擾動f流量變送器無紙記錄儀流量測量值-+流量控制系統(tǒng)的組成被控變量流量控制系統(tǒng)的組成如上圖所示，該控制系統(tǒng)由流量監(jiān)測與變送裝置（流

3、量計），流量控制器，執(zhí)行器（控制閥），被控對象（管道內(nèi)液體流量）等環(huán)節(jié)組成。 3.2.1 流量測量儀表的分類流量通常表示方法：1）質(zhì)量流量Qm2)工作狀態(tài)下的體積流量Qv3）標準狀態(tài)下的體積流量Qvn按測量目的分類：1.測量瞬時流量2.測量總量按測量原理的分類：1.力學(xué)原理2.聲學(xué)原理3.熱學(xué)原理4.光學(xué)原理5.電學(xué)原理6.原子物理原理7.其他原因按測量方法分類：1.測量積流量：容積法, 速度法2.測質(zhì)量流量：直接法,間接法1.容積式流量計：容積式流量計，又稱定排量流量計，簡稱PD流量計，在流量儀表中是精度最高的一類。它利用機械測量元件把流體連續(xù)不斷地分割成單個已知的體積部分，根據(jù)測量室逐次重

4、復(fù)地充滿和排放該體積部分流體的次數(shù)來測量流體體積總量。(1)工作原理從原理上講是一臺從流體中吸收少量能量的水力發(fā)動機，這個能量用來克服流量檢測元件和附件轉(zhuǎn)動的摩擦力，同時在儀表流入與流出兩端形成壓力降。典型的容積式流量計（橢圓齒輪式）的工作原理如圖1所示。兩個橢圓齒輪具有相互滾動進行接觸旋轉(zhuǎn)的特殊形狀。P1和p2分別表示入口壓力和出口壓力，顯然p1p2，圖1（a）下方齒輪在兩側(cè)壓力差的作用下，產(chǎn)生逆時針方向旋轉(zhuǎn)，為主動輪；上方齒輪因兩側(cè)壓力相等，不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，是從動輪，由下方齒輪帶動，順時針方向旋轉(zhuǎn)。在圖1(b)位置時，兩個齒輪均在差壓作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。選裝到圖1(c)位置時，上

5、方齒輪變?yōu)橹鲃虞?，下方齒輪則成為從動輪，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)到與圖1(a)相同位置，完成一個循環(huán)。一次循環(huán)動作排出四個由齒輪與殼壁間圍成的新月形空腔的流體體積，該體積稱作流量計的循環(huán)體積。設(shè)流量計循環(huán)體積為，一定時間內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)動次數(shù)為N，則在該時間內(nèi)流過流量計的流體體積為V，則 V=N （1）橢圓齒輪的轉(zhuǎn)動通過磁性密封聯(lián)軸器及傳動減速機構(gòu)傳遞給計數(shù)器直接指示出流經(jīng)流量計的總量。若附加發(fā)信裝置后，再配以電顯示儀表可實現(xiàn)遠傳只是瞬時流量或累積流量。雖然有許多分割方法形成各種形式的容積式流量計，但大部分都有相似的基本特征。容積式流量計產(chǎn)生誤差的主要原因是分割單個流體體積的活動測量件和靜止測量室之間的縫隙泄漏量所形

6、成。產(chǎn)生泄漏的原因之一是為克服活動件摩阻力；之二是受儀表水力學(xué)阻力形成壓力降的作用。(2)特點：優(yōu)點編輯計量精度高；安裝管道條件對計量精度沒有影響；可用于高粘度液體的測量；范圍度寬；直讀式儀表無需外部能源可直接獲得累計，總量，清晰明了，操作簡便。缺點編輯結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大；被測介質(zhì)種類、口徑、介質(zhì)工作狀態(tài)局限性較大；不適用于高、低溫場合；大部分儀表只適用于潔凈單相流體；產(chǎn)生噪聲及振動。（3）分類與結(jié)構(gòu)：為了適應(yīng)生產(chǎn)中對流量測量的各種不同介質(zhì)和不同工作條件的要求，產(chǎn)生了各種不同型式的容積式流量計有轉(zhuǎn)子式,刮板式,旋轉(zhuǎn)活塞式,往復(fù)活塞式,圓盤式,轉(zhuǎn)筒式,膜式其中比較常見的有齒輪型、刮板型和旋轉(zhuǎn)活塞

7、型等三種型式，現(xiàn)分別介紹如下1齒輪型容積式流量計這種流量計的殼體內(nèi)裝有兩個轉(zhuǎn)子，直接或間接地相互嚙合，在流量計進口與出口之間的壓差作用下產(chǎn)生轉(zhuǎn)動通過齒輪的旋轉(zhuǎn)，不斷地將充滿在齒輪與殼體之間的“計量空間”中的流體排出通過測量齒輪轉(zhuǎn)動次數(shù)，可得到通過流量計的流體量圖1中示出是橢圓齒輪型容積流量計(也稱奧巴爾容積流量計)的示意圖圖1 橢圓齒輪流量計工作示意圖由圖可見，該流量計由兩橢圓齒輪相互嚙合進行工作，其工作過程簡述如下：圖中P1表示流量計進口流體壓力；表示出口流體壓力，顯然壓力P1大于P2在圖1(a)中，下面轉(zhuǎn)子雖然受到流體的壓差作用，但不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，而上面齒輪在兩例差壓作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩而轉(zhuǎn)

8、動由于兩個齒輪互相嚙合，故各自以O(shè)1，O2為軸心按箭頭方向旋轉(zhuǎn)，同時齒輪O1將半月形計量空間的流體排向出口在圖1(a)狀態(tài)時，上齒輪為主動輪，下齒輪為從動輪在圖1(b)位置時，兩個齒輪均在流體差壓作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，并在該力矩作用下沿箭頭方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)變到圖1(c)所示的位置這時齒輪位置與圖1(a)相反，下齒輪為主動輪，上齒輪為從動輪下齒輪在進出口流體差壓作用下旋轉(zhuǎn)，又一次將它與殼體之間的半月型“計量空間”中的流體排出如此連續(xù)不斷運動，橢圓齒輪每轉(zhuǎn)一周，就排出四份“計量空間”流體體積因此，只要讀出齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)，就可以計算出排出的液體量參考圖22，可計算出排出的流體總量為V=4nv式中 n-齒輪的轉(zhuǎn)

9、動次數(shù)；a，b-橢圓齒輪的長半袖，短半鈾；- 橢圓齒輪的厚度另一種齒輪型容積式流量計是腰輪容積流量計，也稱羅茨型容積流量計這種流量計的工作原理和工作過程與橢圓齒輪型基本相同，同樣是依靠進，出口流體壓力差產(chǎn)生運動，每旋轉(zhuǎn)一周排出四份“計量空間”的流體體積量所不同的是在腰輪上沒有齒，它們不是直接相互嚙合轉(zhuǎn)動，而是通過按裝在殼體外的傳動齒輪組進行傳動上述兩種轉(zhuǎn)子型式的容積流量計，可用于各種液體流量的測量，尤其是用于油流量的準確測量在高壓力、大流量的氣體流量測量中，這類流量計也有應(yīng)用由于橢圓齒輪容積流量計直接依靠測量輪嚙合，因此對介質(zhì)的清潔要求較高，不允許有固體顆粒雜質(zhì)通過流量計2刮板式容積流量計刮板

10、式流量計也是一種較常見的容積式流量計在這種流量計的轉(zhuǎn)子上裝有兩對可以徑向內(nèi)外滑動的刮板，轉(zhuǎn)子在流量計進、出口差壓作用下轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)動一周排出四份“計量空間”的流體體積與前一類流量計相同，只要測出轉(zhuǎn)動次數(shù)，就可以計算出排出流體的體積量較常見的凸輪式刮板流量計結(jié)構(gòu)如圖24所示圖中殼體的內(nèi)腔是一圓形空筒，轉(zhuǎn)子也是一個空心圓筒形物體，徑向有一定寬度，徑向在各為90的位置開四個槽，刮板可以槽內(nèi)自由滑動四塊刮板由兩根連桿連結(jié)，相互垂直，在空間交叉在每一刮板的一端裝有一小滾珠，四個滾珠均在一固定的凸輪上滾動使刮板時仲時縮當相鄰兩刮板均伸出至殼體內(nèi)壁時，就形成計量空間的標準體積刮板在計量區(qū)段運動時，只隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)

11、而不滑動，以保證其標準容積恒定當離開計量區(qū)段時，刮板縮入槽內(nèi)，流體從出口排出同時，后一刮板又與其另一相鄰刮板形成第二個“計量空間”，同樣動作轉(zhuǎn)子運動一周，排出四份“計量空間”體積的流體 編輯浮子流量計引是以浮子在垂直錐形管中隨著流量變化而升降，改變它們之間的流通面積來進行測量的體積流量儀表，又稱轉(zhuǎn)子流量計。在美國、日本常稱作變面積流量計（Variable Area Flowmeter）或面積流量計。浮子流量計原理設(shè)想發(fā)軔于19世紀60年代，20實際初出現(xiàn)商品。從應(yīng)用臺樹所占比例來看，1985年英國抽樣調(diào)查72家企業(yè)17000臺流量儀表中浮子流量計占19.2%。我國浮子流量計產(chǎn)量1996年估計在

12、15萬-17萬臺之間，其中95%左右為玻璃管浮子流量計。原理浮子流量計的流量檢測元件是由一根自下向上擴大的垂直錐形管和一個沿著錐管軸上下移動的浮子組所組成。工作原理：被測流體從下向上經(jīng)過錐管1和浮子2形成的環(huán)隙3時，浮子上下端產(chǎn)生差壓形成浮子上升的力，當浮子所受上升力大于浸在流體中浮子重量時，浮子便上升，環(huán)隙面積隨之增大，環(huán)隙處流體流速立即下降，浮子上下端差壓降低，作用于浮子的上升力亦隨著減少，直到上升力等于浸在流體中浮子重量時，浮子便穩(wěn)定在某一高度。浮子在錐管中高度和通過的流量有對應(yīng)關(guān)系。分類編輯時常上定型產(chǎn)品和特殊型儀表從不同角度可作不同分類，如：按錐形管材料分為透明錐形管和金屬錐形管。按

13、有否遠傳信號輸出分為就地指示型和遠傳信號輸出型，后者又分為觸電信號和電信號兩種。按被測流體分為液體用、氣體用和蒸汽。按被測流體通過浮子流量計的量分為全流型和分流型。按錐形管材料分類類型（1）透明錐形管浮子流量計透明錐形管材料用得最多的是玻璃，無導(dǎo)向結(jié)構(gòu)儀表測量氣體時操作不慎，玻璃管易被擊碎；還有用透明工程塑料如聚苯乙烯、聚碳酸酯、有機玻璃等制成，具有不易擊碎之優(yōu)點。（2）金屬管錐形管浮子流量計與透明錐形管浮子流量計相比，可用于較高的介質(zhì)溫度和壓力，且無玻璃管浮子流量計錐管被擊碎的潛在危險。圖3所示典型結(jié)構(gòu)是錐形管與殼體制成一體結(jié)構(gòu)，也有錐管套入殼體的分離結(jié)構(gòu)，改變流量規(guī)格只要調(diào)換不同圓錐角的錐

14、管，使用較為靈便。按有否遠傳信號輸出分類類型（1）就地指示型浮子流量計有些透明管浮子流量計以就地指示為主，裝有接近開關(guān)，作流量上下限報警信號輸出。有些就地指示型金屬管浮子流量計外形與遠傳信號輸出相同，只是將浮子位移通過磁耦合傳出，經(jīng)連桿凸輪等線性化機構(gòu)處理后就地指示。（2）遠傳信號輸出型浮子流量計遠傳信號輸出型儀表的轉(zhuǎn)換部分將浮子位移量轉(zhuǎn)換成電流或氣壓模擬量信號輸出，分別成為電遠傳浮子流量計和氣遠傳浮子流量計。按被測流體分類類型分為液體用、氣體用和蒸汽用3種。實際上大部分浮子流量計同一儀表可用于液體也可用于氣體，結(jié)構(gòu)上是通用的。只是我國浮子流量計行業(yè)標準等（如JB/T 6844-93）規(guī)定流量

15、上限Qmax必須符合（1，1.6，2.5，4或6）10nL/h的要求（n為正負整數(shù)或零），為液體（以水為代表）設(shè)計的儀表用于氣體（以空氣為代表）時，不符合上述要求，只能為氣體另行設(shè)計浮子和錐管，就分成液體和氣體兩種系列。國外有些制造廠同一儀表并列液、氣兩種流體的流量范圍，當然流量值就不可能都是圓整值；國內(nèi)有些型號儀表也采用本辦法。但是液體用和氣體用設(shè)計還是有區(qū)別的，例如氣體儀表浮子設(shè)計得較輕，防浮子振蕩跳動的阻尼件結(jié)構(gòu)各異等。測量蒸汽只能用專門設(shè)計的金屬管浮子流量計或在標準型儀表上加裝附加構(gòu)件，例如增加帶散熱片的液體阻尼件，以減少浮子跳動；與指示轉(zhuǎn)換部分連接處隔以散熱片。按被測流體通過浮子流量

16、計的量分類類型1）全流型即被測流體全部流過浮子流量計的儀表2）分流型相對于全流型只有部分被測流體流過浮子等流量檢測部分。分流型浮子流量計由裝載主管道上標準孔板（或均速管）和較小口徑浮子流量計組合而成，應(yīng)用與管徑大于200mm的較大口徑流量和只要就地指示的場所，價格低廉。分流型浮子流量計結(jié)構(gòu)上分為分離型和一體型兩種。一體型儀表將孔板和浮子流量計組裝在短管段上，直接裝到待測管道，原理與結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，安裝方便。有適用于水平和垂直管道兩種結(jié)構(gòu)，但均只能安裝在便于讀取儀表示值的場所。主管道管徑通常為50-300mm，孔板的孔徑比（）在0.3-0.7之間，差壓在0.6-100KPa之間，浮子流量計

17、口徑為10-25mm。分流型浮子流量計的選用流速可比全流型高，液體流速可達2.5-3m/s，甚至高達4-5m/s。由于分流管中置有限流小孔板，起到補償主孔板流量和差壓間平方根非線性關(guān)系，流量示值基本是線性的，有較寬的范圍度，一般為10：1。精確度為2.5%-4%FS。浮子流量計使用于小管徑和低流速。常用儀表口徑40-50mm以下，最小口徑做到1.5-4mm。適用于測量低流速小流量，以液體為例，口徑10mm以下玻璃管浮子流量計滿度流量的名義管徑，流速只在0.2-0.6m/s之間，甚至低于0.1m/s；金屬管浮子流量計和口徑大于15mm的玻璃管浮子流量計稍高些，流速在0.5-1.5m/s之間。浮子

18、流量計可用于較低雷諾數(shù)，選用粘度不敏感形狀的浮子，流通環(huán)隙處雷諾數(shù)只要大于40或500，雷諾數(shù)變化流量系數(shù)即保持常數(shù)，亦即流體粘度變化不影響流量系數(shù)。這數(shù)值遠低于標準孔板等節(jié)流差壓式儀表最低雷諾數(shù)104-105的要求。大部分浮子流量計沒有上游直管段要求，或者說對上游直管段要求不高。浮子流量計有較寬的流量范圍度，一般為10：1，最低為5：1，最高為25：1。流量檢測元件的輸出接近于線性。壓力損失較低。玻璃管浮子流量計結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉。只要在現(xiàn)場指示流量者使用方便，缺點是有玻璃管易碎的風(fēng)險，尤其是無導(dǎo)向結(jié)構(gòu)浮子用于氣體。金屬管浮子流量計無錐管破裂的風(fēng)險。與玻璃管浮子流量計相比，使用溫度和壓力范圍

19、寬。大部分結(jié)構(gòu)浮子流量計只能用于自下向上垂直流的管道安裝。浮子流量計應(yīng)用局限于中小管徑，普通全流型浮子流量計不能用于大管徑，玻璃管浮子流量計最大口徑100mm，金屬管浮子流量計為150mm，更大管徑只能用分流型儀表。使用流體和出廠標定流體不同時，要作流量示值修正。液體用浮子流量計通常以水標定，氣體用空氣標定，如實際使用流體密度、粘度與之不同，流量要偏離原分度值，要作換算修正。渦輪流量計 智能液體渦輪流量計是采用先進的超低功耗單片微機技術(shù)研制的渦輪流量傳感器與顯示積算一體化的新型智能儀表，具有機構(gòu)緊湊、讀數(shù)直觀清晰、可靠性高、不受外界電源干擾、抗雷擊、成本低等明顯優(yōu)點。工作原理流體流經(jīng)傳感器殼體

20、，由于葉輪的葉片與流向有一定的角度，流體的沖力使葉片具有轉(zhuǎn)動力矩，克服摩擦力矩和流體阻力之后葉片旋轉(zhuǎn)，在力矩平衡后轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，在一定的條件下，轉(zhuǎn)速與流速成正比，由于葉片有導(dǎo)磁性，它處于信號檢測器（由永久磁鋼和線圈組成）的磁場中，旋轉(zhuǎn)的葉片切割磁力線，周期性的改變著線圈的磁通量，從而使線圈兩端感應(yīng)出電 電磁流量計（Electromagnetic Flowmeters，簡稱EMF）是20世紀5060年代隨著電子技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的新型流量測量儀表。 電磁流量計是應(yīng)用電磁感應(yīng)原理， 根據(jù)導(dǎo)電流體通過外加磁場時感生的電動勢來測量導(dǎo)電流體流量的一種儀器。工作原理電磁流量計是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律進行

21、流量測量的流量計。電磁流量計的優(yōu)點是壓損極小，可測流量范圍大。最大流量與最小流量的比值一般為20：1以上，適用的工業(yè)管徑范圍寬，最大可達3m，輸出信號和被測流量成線性，精確度較高，可測量電導(dǎo)率5s/cm的酸、堿、鹽溶液、水、污水、腐蝕性液體以及泥漿、礦漿、紙漿等的流體流量。但它不能測量氣體、蒸汽以及純凈水的流量。當導(dǎo)體在磁場中作切割磁力線運動時，在導(dǎo)體中會產(chǎn)生感應(yīng)電勢，感應(yīng)電勢的大小與導(dǎo)體在磁場中的有效長度及導(dǎo)體在磁場中作垂直于磁場方向運動的速度成正比。同理，導(dǎo)電流體在磁場中作垂直方向流動而切割磁感應(yīng)力線時，也會在管道兩邊的電極上產(chǎn)生感應(yīng)電勢。 智能旋進旋渦氣體流量計 采用最新微處理技術(shù),具有

22、功能強、流量范圍寬、操作維修簡單,安裝使用方便等優(yōu)點,主要技術(shù)指標達到國外同類產(chǎn)品先進水平。 補充差壓式流量計應(yīng)用范圍特別廣泛、歷史悠久的一種系列化流量計，在封閉管道的流量測量中各種對象都有應(yīng)用。轉(zhuǎn)子流量計安裝要求：實際的系統(tǒng)工作壓力不得超過流量計的工作壓力。應(yīng)保證測量部分的材料、內(nèi)部材料和浮子材質(zhì)與測量介質(zhì)相容；環(huán)境溫度和過程溫度不得超過流量計規(guī)定的最大使用溫度；轉(zhuǎn)子流量計必須垂直地安裝在管道上，并且介質(zhì)流向必須由下向上；流量計法蘭的額定尺寸必須與管道法蘭相同。為避免管道引起的變形，配合的法蘭必須在自由狀態(tài)對中，以消除應(yīng)力；為避免管道振動和最大限度減小流量計的軸向負載，管道應(yīng)有牢固的支架支撐；截流閥和控制流量都必須在流量計的下游。支管段要求在上游側(cè)5DN，下游