联合站安全监测系统传感器设计_课程设计论文.doc

课课 程程 设设 计计 课程课程 安全检测技术课程设计 题目题目 联合站安全监测系统传感器设计十四 （质量流量计设计） 安全检测技术安全检测技术课程设计任务书课程设计任务书 题 目联合站安全监测系统传感器设计十四（质量流量计设计） 学生姓名 学号 专业班级 设 计 内 容 与 要 求 课程设计主要完成某联合站安全监测系统硬件设计中质量流量计 的选型、应用及接线等。要求运用已学过各类传感器的知识，完成安 全监测系统中传感器的原理、选型、厂家产品参数、接线等内容，将 书本传感器的理论知识与厂家具体产品对应起来，使得可以真正理论 联系实际。 要求熟悉相关传感器的原理与硬件结构，学会计算机监测系统硬 件设计的步骤和方法，具有初步设计小型计算机安全监测系统硬件方 案中传感器部分的能力。 课程设计内容及基本要求如下： 1.熟悉联合站工艺流程、监控目标及监控要求。 2.学会常用的各种传感器（温度、流量、压力、液位等）参数及 使用，了解其工作原理。 3.课程设计中以质量流量计为主，详细介绍所选流量传感器的工 作原理、硬件组成、测量电路、使用时的注意事项。详细介绍所选流 量传感器的厂家产品参数、接线、特点等参数。 4.完成监测系统硬件方案设计，画出原理图。 5.课程设计时间一周，完成课程设计报告。 起止时间2013 年 6 月 17 日 至 2013 年 6 月 23 日 指导教师签名年 月 日 系（教研室）主任 签名 年 月 日 学生签名年 月 日 课程设计 i 目目 录录 1 绪论1 1.1 联合站设计的目的和意义.1 1.2 樊二联合站工艺流程.2 1.3 樊二联合站工艺流程分析.3 1.4 樊二联合站主要工艺设备.5 2 质量流量计原理与选型6 2.1 质量流量计.6 2.1.1 质量流量计的工作原理.6 2.1.2 质量流量计的分类.6 2.1.3 质量流量计的测量方法.6 2.2 热式气体质量流量计.12 2.2.1 产品概述.12 2.2.2 热式气体质量流量计工作原理.12 2.2.3 热式气体质量流量计分类.12 2.3 质量流量计选型.13 2.3.1 科里奥利质量流量计简介.14 2.3.2 dmf-1-6-d 质量流量计参数14 2.3.3 dmf-1-6-d 质量流量计的安装15 3 其他传感器选型18 3.1 温度传感器.18 3.2 压力变送器.18 3.3 电涡流位移传感器20 4 结论22 参考文献23 附录24 课程设计 1 1 绪论绪论 1.1 联合站设计的目的和意义联合站设计的目的和意义 油田联合站的主要作用是接收各转油站来油，对油气水进行分离、净化、加热， 将处理合格后的的原油、净化污水、净化天然气向下一级油库输送。所以联合站工 艺流程的每一步都关系到是否能有效的利用石油资源、提高能源的开发率和利用率， 使联合站能够安全高效的运行。 联合站的研究具有重大的现实意义和应用前景。根据联合站的功能和规模，搞 好优化设计，不断提高联合站设计水平、争取达到开发方案的优化、油田总体布局 优化、工艺流程优化、自动控制系统优化、联合站总图优化、配套系统优化，以合 理有效的利用石油能源，提高能源的开发率和利用率，使联合站能够安全高效的生 产。 联合站是油田油气集输过程中的重要生产环节，是集油气分离、原油脱水、原 油计量、稳定外输、油田注水、污水处理、消防即热力系统等为一体的综合生产过 程。功能是：将分散在油田各处的油井产物加以收集；分离成原油、伴生天然气和 采出水；进行必要的净化、加工处理、使之成为油田商品、以及这些商品的储存和 外输。同时油气集输系统还为油藏工程提供油藏动态的基础信息，如：各油井汽水 产量、汽油比、气液比、井油压和回压、井流温度等参数及随生产延续各种参数的 变化情况等，使油藏工作者能加深对油藏的认识，适时调整油田开发设计和各油井 的生产制度。因而气油集输系统不但将油井生产的原料集中、加工成油田产品，而 且还为不断加深对油藏的认识、适时调整油藏开发设计方案、正确经济地开发油藏 提供科学依据。 在石油的开采、储运等生产过程中，动态监测是生产管理的重要工作内容，也 是保证油田正常、安全、经济运行的重要手段，在西方发达国家自动化数据采集与 控制（scada）已经成为生产的配套设施。动态监测的主要内容包括泄漏监测、压 力超高保护、温度异常、含水超标等。油田被称为“没有围墙的工厂” ，油井、集输 站、联合站星罗棋布，偏远分散，而石油的整个生产流程又通过管道连接起来，成 为一个压力系统，可谓牵一发而动全身，特别是泄漏事故时有发生，给油田造成巨 大的经济损失和环境污染。因此，实现油田生产系统的动态监测，对于及时发现泄 漏等故障、优化生产运行参数、减少盗油犯罪案件的发生、提高油田的现代化管理 水平等具有重要的意义。 联合站站内包括有原油处理系统，转油系统，原油稳定系统，污水处理系统， 注水系统，天然气处理系统等。它是油气集中处理联合作业站的简称。主要包括油 气集中处理（原油脱水、天然气净化、原油稳定、轻烃回收）等、油田注水、污水 课程设计 2 处理、供变电和辅助生产设施等部分。 本设计以定边采油厂樊二联合站为例。樊二联合站主要接收各区块卸车来含水 油，接转站、增压点、单井来油。具有来油计量、原油加热、原油脱水、原油储存、 原油外输及污水处理和回注等功能。 联合站原油计量监控系统的应用具有重要意义，计量结果直接影响油田的效益 和信誉，这套监控系统的研发具有以下重要意义： 1）将人工计量改为自动连续计量，人工取样化验改为自动连续检测，能够提供 更及时、准确的信息。 2）实现计量站无人值守，减员增效，彻底改变计量站生产作业制度，改善了生 产过程自动化生产管理水平。 3）在现场生产自动化的基础上，实现中控室信息处理自动化，提高了联合站生 产过程自动化生产管理水平。 4）为保证油气田生产安全、平稳、优化运行提供了有力手段。外输过程必须在 安全生产的前提下安排优化运行，以求得最好的经济效益。 1.2 樊二联合站工艺流程樊二联合站工艺流程 樊二联合站主要是将油田开采出来的原油和天然气进行收集、储存、输送和初 步加工、处理，负责将油井采出的石油气、液混合物经过管道输入油气处理站进行 气、液分离和脱水处理或深加工等一系列复杂的工艺过程。下面主要就联合站的集 输系统和污水系统的工艺流程进行分析。 油气集输系统： 油气集输系统工艺流程图如图1-1所示： 伴生气 增压点 来油 井场 来油 总机关 收 球 装 置 分离缓 冲器 气 液 分 离 器 双容积 拉运来含水油 净化油罐 外输至樊一 联 净化油装车 输油 泵 溢流沉降罐 换热器 接转站 来油 流量计 水去污水处理 课程设计 3 图图1-1 集输系统工艺流程图集输系统工艺流程图 污水系统： 含油污水处理系统工艺流程图如图2-2所示： 图图 1-2 污水处理系统工艺流程图污水处理系统工艺流程图 联合站原油生产工艺流程与工艺分析如下： 1）集输系统：各个井组来油通过管汇，由管道依次进入收球筒、换热器、缓冲 罐、沉降罐、净化罐等，最后经外输油泵进入樊一联合站。 2）污水系统：由沉降罐分离出的污水经过调节水罐，气浮装置，三级过滤器器， 超滤膜组件，净化水罐，最后进入注水井。 1.3 樊二联合站工艺流程分析樊二联合站工艺流程分析 以下将对该工艺流程中的换热器、双容积单量、沉降罐、外输泵、外输流量计、 分离器等工艺进行简单分析。 （1）换热器工艺分析 单量换热器运输带有一定压力的高温水蒸气，并为其提供一个密闭的空间，目 的是将井场来的低温原油通过温度交换加热至高温原油，从而提高原油在管线内的 流动性。 作为输送具有一定压力的容器，要保证设备的安全运行必须正确使用。首先是 使用的压力不能超过容器的设计压力。否则会使容器超压爆炸，为防止此类事故的 发生，在容器上都设置安装了安全泄压装置或超压报警装置，以便在容超压时处理 或报警；输送介质的温度变化与选择必须要在容器原设计温度允许范围内；而且， 换热器出厂时都带有产品合格证，容器上所有焊接缺陷一般都已经过处理，但在投 纤维球过滤器 调节水罐 气浮装置 纤维球过滤器 核桃壳过滤器 超滤膜组件 净化水罐 注水泵 溢流放空污水 原水 污泥 去注水井 课程设计 4 产一段时间后，焊缝中往往会产生延迟性、裂纹或其他缺陷，所以换热器必须定期 检查、维护，保证设备正常运行，生产正常进行。 （2）双容积量油分离器工艺分析 双容积单量是一种容积式流量计，是直接测量体积流量的流量计，用来测量不 含固体杂质的液体、油、冷凝液等的体积流量，尤其是高粘度液体的体积流量。 双容积量油分离器的工作原理是双容积量油分离器内的液体从上室靠自重往下 室流动时，阀的下部出口被凡尔堵死。液面到达上液位时，上液位继电器动作发出 讯号启动牵引电磁铁带动阀杆上移，中部进口被凡尔堵死，阻止上室液体继续往下 室流动。同时，三通阀下部出口开启，双容积下室液体被齿轮泵排出直至下液位时， 下液位继电器动作发出讯号，牵引电磁铁电路被切断，阀杆下落下部出口关闭，阻 止下室液体的排出，中部进口被打开，双容积上室液体继续往下室流动，完成1次计 量。重复上述过程，单位时间内所完成的计量次数由控制仪器记录，达到计量油井 产量的目的。 （3）沉降罐工艺分析 沉降罐是依靠重力作用完成油水分离的目的，是原油集输生产中的重要环节， 常用的脱水方法主要有热化学脱水，电化学脱水和破乳沉降脱水等。该联合站主要 采用的是破乳沉降脱水法。 原油破乳沉降脱水是利用破乳剂具有高效能的表面活性的特性，使其吸附在油、 水界面上，降低界面膜的表面自由能，形成“油包水”（w/o）型的乳化液。该乳化 液的性质很不稳定，它的界面膜在外力作用下极易破裂，从而使乳化液微粒内相的 水突破界面膜进入外相，达到油、水分离的目的。 （4）外输泵工艺分析 在油田输油生产中，将原油从首站输送到末站，或由一套生产装置输送到另一 套生产置，是经常进行的一项单元操作。一般而言，要想让液体从能量低的地方流 向能量高的地方是不可能的，这就需要借助于机械设备的动能来完成，即把机械设 备产生的动能传递给液体。泵就是用来抽吸、输送液体，并向其提供能量的一种通 用机械，是油田原油集输生产中不可缺少的重要动力设备之一。外输泵工艺流程图 如图2-3所示。 采用离心泵将原油外输，当离心泵启动后，泵轴带动叶轮一起作高速旋转运动， 迫使预先充灌在叶片间石油旋转，在惯性离心力的作用下，石油自叶轮中心向外周 作径向运动。石油在流经叶轮的运动过程获得了能量，静压能增高，流速增大。当 石油离开叶轮进入泵壳后，由于壳内流道逐渐扩大而减速，部分动能转化为静压能， 最后沿切向流入排出管路。所以蜗形泵壳不仅是汇集由叶轮流出石油的部件，而且 又是一个转能装置。当石油自叶轮中心甩向外周的同时，叶轮中心形成低压区，在 贮槽液面与叶轮中心总势能差的作用下，致使石油被吸进叶轮中心。依靠叶轮的不 课程设计 5 断运转，石油便连续地被吸入和排出。石油在离心泵中获得的机械能量最终表现为 静压能的提高。 由于输油泵一般设计在厂房内，输送的原油属可燃易挥发性液体，而且输油泵 长时间运行，其端面密封装置及其他部件可能会被磨损而导致泄漏。如果厂房通风 效果不良，厂房内便会存在部分油品蒸汽，这会给消防安全带来隐患。 图图1-3 外输泵工艺流程外输泵工艺流程 （5）分离器工艺分析 “分离”是油田原油生产的主要生产工艺和方法，其目的是为了将油井生产的油 气水混合物（井矿物） ，利用离心力、重力等方法将其分离成气液两相，在含沙的混 合物中，还要除去固体混合物的一种生产技术。 在油、气、水的分离过程中，由于开发的方法不同，分离的方式也不同。油、 气、水分离，一般分为一级分离和多级分离两种，多级分离又分为二级分离到四级 分离三种。目前油田采用较多的是三级和四级分离。在油、气、水分离过程中，关 键要控制压力容器压力和液面。控制压力的目的，一是为了保证分离质量，二是为 了克服液体和管道的摩擦力，三是为了设备本身的安全。控制液面主要是防止原油 进入气相管道或天然气进入液相管道，以提高油、气分离的质量。同时，分离器集 液部分必须有足够的液体沉降空间，以保证游离水能充分沉降容器的底部形成水污， 以利排除。 1.4 樊二联合站主要工艺设备樊二联合站主要工艺设备 表表 1-1 设备装备表设备装备表 编 号名 称单 位数 量 1气液分离器具1 2溢流沉降罐座4 3输油泵台1 4热交换器台1 p-4 p-5 v-1v-2v-3v-4v-5 e-1e-2 i-1 i-2 p-7 p-5 p-8 p-9 p-10 p-11p-4 p-12 p-13p-5 p-16 p-17 p-18 p-19p-4 p-20p-5 课程设计 6 5脱水器具1 6净化油罐座1 以上罗列的设备基本可以满足联合站正常工作需要。 2 质量流量计原理与选型质量流量计原理与选型 2.1 质量流量计质量流量计 流体的体积是流体温度、压力和密度的函数。在工业生产和科学研究中，仅测 量体积流量是不够的，由于产品质量控制、物料配比测定、成本核算以及生产过程 自动调节等许多应用场合的需要，还必须了解流体的质量流量。质量流量计采用感 热式测量，是一种重要的流量测量仪表。质量流量计以科氏力为基础，在传感器内 部有两根平行的 t 型振管，中部装有驱动线圈，两端装有拾振线圈，质量流量计直 接测量通过流量计的介质的质量流量，还可测量介质的密度及间接测量介质的温度。 2.1.1 质量流量计的工作原理质量流量计的工作原理 质量流量计是采用感热式测量，通过分体分子带走的分子质量多少从而来测量 流量，因为是用感热式测量，所以不会因为气体温度、压力的变化从而影响到测量 的结果 。质量流量计是一个较为准确、快速、可靠、高效、稳定、灵活的流量测量 仪表，在石油加工、化工等领域将得到更加广泛的应用，相信将在推动流量测量上 显示出巨大的潜力。质量流量计是不能控制流量的，它只能检测液体或者气体的质 量流量，通过模拟电压、电流或者串行通讯输出流量值。但是，质量流量控制器， 是可以检测同时又可以进行控制的仪表。质量流量控制器本身除了测量部分，还带 有一个电磁调节阀或者压电阀，这样质量流量控制本身构成一个闭环系统，用于控 制流体的质量流量。质量流量控制器的设定值可以通过模拟电压、模拟电流，或者 计算机、plc 提供。 2.1.2 质量流量计的分类质量流量计的分类 质量流量计可分为两类：一类是直接式，即直接输出质量流量；另 一类为间接式或推导式，如应用超声流量计和密度计组合，对它们的输出再进行乘 法运算以得出质量流量。 2.1.3 质量流量计的测量方法质量流量计的测量方法 质量流量计的测量方法，可分为间接测量和直接测量两类。间接式测量方法通 过测量体积流量和流体密度经计算得出质量流量，这种方式又称为推导式；直接式 测量方法则由检测元件直接检测出流体的质量流量。 课程设计 7 间接式质量流量测量方法，一般是采用体积流量计和密度计或两个不同类型的 体积流量计组合，实现质量流量的测量。常见的组合方式主要有 3 种。 （1）节流式流量计与密度计的组合 由前述知，节流式流量计的差压信号正比于，如图 2-1 所示，密度计p 2 v q 连续测量出流体的密度，将两仪表的输出信号送入运算器进行必要运算处理，即 可求出质量流量为： （2- 1） 靶式流量计的输出信号与也成正比关系，故同样可按上述方法与密度计组 2 v q 合构成质量流量计。密度计可采用同位素、超声波或振动管式等连续测量密度的仪 表。 图图 2-1 节流式流量计与密度计组合节流式流量计与密度计组合 （2）体积流量计与密度计的组合 如图 2-2 所示，容积式流量计或速度式流量计，如涡轮流量计、电磁流量计等， 测得的输出信号与流体体积流量成正比，这类流量计与密度计组合，通过乘法运 v q 算，即可求出质量流量为： （2- 2） （3）体积流量计与体积流量计的组合 如图 2-3 所示，这种质量流量检测装置通常由节流式流量计和容积式流量计或 速度式流量计组成，它们的输出信号分别正比于和通过除法运算，即可求出质量流 量为： （2- 3） 课程设计 8 图图 2-2 体积流量计和密度计组合体积流量计和密度计组合 图图 2-3 节流式流量计和其他体积流量计组合节流式流量计和其他体积流量计组合 除上述几种组合式质量流量计外，在工业上还常采用温度、压力自动补偿式质 量流量计。由于流体密度是温度和压力的函数，而连续测量流体的温度和压力要比 连续测量流体的密度容易，因此，可以根据已知被测流体密度与温度和压力之间的 关系，同时测量流体的体积流量以及温度和压力值，通过运算求得质量流量或自动 换算成标准状态下的体积流量。但这种测量方式不适合高压或温度变化范围大的情 形，因为在此条件下自动补偿检测出来的温度、压力很困难。 直接式质量流量计的输出信号直接反映质量流量，其测量不受流体的温度、压 力、密度变化的影响。直接式质量流量计有许多种形式。 （1）热式质量流量计 热式质量流量计的基本原理是利用外部热源对管道内的被测流体加热，热能随 流体一起流动，通过测量因流体流动而造成的热量（温度）变化来反映出流体的质 量流量。 如图 2-4 所示，在管道中安装一个加热器对流体加热，并在加热器前后的对称 点上检测温度。设为流体的定压比热，为测得的两点温度差，则根据传热规 p ct 律，对流体的加热功率与两点间温差的关系可表示为：p （2- 4） 由上式可写出质量流量的方程式： （2- 5） 课程设计 9 图图 2-4 热式质量流量计结构示意图热式质量流量计结构示意图 当流体成分确定时，流体的定压比热为已知常数。因此由上式可知，若保持加 热功率恒定，则测出温差便可求出质量流量；若采用恒定温差法，即保持两点pt 温差不变，则通过测量加热的功率也可以求出质量流量。由于恒定温差法较为tp 简单、易实现，所以实际应用较多。这种流量计多用于较大气体流量的测量。 为避免测温和加热元件因与被测流体直接接触而被流体玷污和腐蚀，可采用非 接触式测量方法，即将加热器和测温元件安装在薄壁管外部，而流体由薄壁管内部 通过。非接触式测量方法，适用于小口径管道的微小流量测量。当用于大流量测量 时，可采用分流的方法，即仅测量分流部分流量，再求得总流量，以扩大量程范围。 图 2-5 为热式质量流量计的外观图。 图图 2-5 热式质量流量计外观图热式质量流量计外观图 （2）差压式质量流量计 差压式质量流量计是以马格努斯效应为基础的流量计，实际应用中利用孔板和 定量泵组合实现质量流量测量。常见的有双孔板和四孔板与定量泵组合两种结构。 双孔板结构形式如图 2-6 所示，在主管道上安装结构和尺寸完全相同的两个孔 板 a 和 b，在分流管道上装置两个流向相反、流量固定为的定量泵，差压计连接q 课程设计 10 在孔板 a 入口和孔板 b 出口处。设主管道体积流量为，且满足，则由图可 v q v qq 知，流经孔板 a 的体积流量，流经孔板 b 的流量为，根据差压式流量qqvqqv 测量原理，孔板 a 和 b 处压差分别为： （2- 6） （2- 7） 式中，为常数；为流体的密度。由上式可得：k （2- 8） 可见，孔板 a、b 前后的压差与流体质量流量成正比，测 31 ppp vm qq 出压差便可以求出流体质量流量。p 图图 2-6 双孔板差压式质量流量计结构原理图双孔板差压式质量流量计结构原理图 由于双孔板质量流量计的定量泵流量必须大于主管道流量，并且要用两个定量 泵，在主管道流量较大时比较困难。因此，提出采用一个定量泵和四个孔板组合的 改进方案。如图 2-7 所示，从主管道流入的流量分成两路，并在支路安装相同的 v q 孔板 a、c 和 b、d，两个支路间安装一个定量泵，流量为。设流过孔板 a 的体积q 流量为，流过孔板 b、c、d 的体积流量如图 2-7 中所示。用与上述计算相同的 a q 方法，在时，可求出如下关系： v qq （2- 9） 如果，则变成如下关系： v qq （2- 10） 可见，四孔板与定量泵组合结构不论或均可测量。 v qq v qq 这种测量方法，适于测量液体的质量流量，测量范围为 0.5250 kg/h，量程比 为 20：1，测量准确度可达 0.5。 课程设计 11 图图 2-7 四孔板差压式质量流量计结构原理图四孔板差压式质量流量计结构原理图 （3）科里奥利质量流量计 科里奥利质量流量计（简称科氏力流量计）是一种利用流体在振动管中流动而 产生与质量流量成正比的科里奥利力的原理来直接测量质量流量的仪表。 科氏力流量计结构有多种形式，一般由振动管与转换器组成。振动管（测量管 道）是敏感器件，有 u 形、 形、环形、直管形及螺旋形等几种形状，也有用双管 等方式，但基本原理相同。下面以 u 形管式的质量流量计为例介绍。 图 2-8 所示为 u 形管式科氏力流量计的测量原理示意图。u 形管的两个开口端 固定，流体由此流入和流出。u 形管顶端装有电磁激振装置，用于驱动 u 形管，使 其铅垂直于 u 形管所在平面的方向以 o-o 为轴按固有频率振动。 图图 2-8 科氏力流量计测量原理科氏力流量计测量原理 u 形管的振动迫使管中流体在沿管道流动的同时又随管道作垂直运动，此时流 体将受到科氏力的作用，同时流体以反作用力作用于 u 形管。由于流体在 u 形管两 侧的流动方向相反，所以作用于 u 形管两侧的科氏力大小相等方向相反，从而使 u 形管受到一个力矩的作用，管端绕 rr 轴扭转而产生扭转变形，该变形量的大小 课程设计 12 与通过流量计的质量流量具有确定的关系。因此，测得这个变形量，即可测得管内 流体的质量流量。 设 u 形管内流体流速为，u 形管的振动可视为绕 o-o 为轴的瞬时转动，转动u 角速度为若流体质量为，则其上所作用的科氏力为：m （2-2fmu 11） 式中，、均为矢量，是按正弦规律变化的。fu u 形管所受扭力矩为： （2- 1 12 2 24mfrf rfrm ur 12） 式中，为 u 形管跨度半径。 12 ffff 12 rrr 因为质量流量和流速可分别写为：，式中 为时间，则上式/ m qm t/ul tt 可写为： （2-13）4 m mrlq 设 u 型管的扭转弹性模量为，在扭力矩作用下，u 型管产生的扭转角为 s km 。故有： （2- 14） 因此，由上两式得： （2- 4 s m k q rl 15） u 型管在振动过程中，角是不断变化的，并在管端越过振动中心位置 z-z 时 达到最大。若流量稳定，则此最大角是不变的。由于角的存在，两直管端、 1 p 将不能同时越过中心位置 z-z，而存在时间差。由于角很小，设管端在振动 2 pt 中心位置时的振动速度为，（），则： p u p ul （2- 2 sin2 p rr t ul 16） 从而： 课程设计 13 （2- 17） 将上式代入式（2-15），得： （2- 18） 对于确定的流量计，式中的和 是已知的，故质量流量与时间差成正比。 s kr m qt 如图 2-8 所示，只要在振动中心位置 z-z 处安装两个光电或磁电位移传感器，测出 时间差，即可由式（2-18）求得质量流量。t 科氏力流量计能直接测得气体、液体和浆液的质量流量，也可以用于多相流测 量，且不受被测介质物理参数的影响。测量精度较高，量程比可达 l00：1。 2.2 热式气体质量流量计热式气体质量流量计 2.2.1 产品概述产品概述 热式气体质量流量计是利用热扩散原理测量气体流量的仪表。传感器由两个基 准级热电阻(rtd)组成。一个是速度传感器 rh，一个是测量气体温度变化的温度传 感器 rmg。当这两个 rtd 置于被测气体中时，其中传感器 rh 被加热，另一个传 感器 rmg 用于感应被测气体温度。随着气体流速的增加，气流带走更多热量，传 感器 rh 的温度下降。 根据热效应的金氏定律,加热功率 p、温度差t（trh-trmg）与质量流量 q 有确定的数学关系式。p/t=k1+k2 f(q)k3 k1、k2、k3是与气体物理性质有关的 常数。 热式气体质量流量计独特的温度差测量方式克服了采用恒温差原理的热式气 体质量流量计测量煤气流量时因煤气中含水、油和杂质而造成的很大的零点漂移， 导致无法测量的弊端。它也可以用于测量湿气体的质量流量，如矿井下瓦斯抽放、 送风，排风系统中的风量（速）的实时检测。 2.2.2 热式气体质量流量计工作原理热式气体质量流量计工作原理 热式流量计是基于热扩散原理而设计的流量仪表.即利用流体流过发热物体时,发 热物体的热量散失多少与流体的流量呈一定的比例关系.该系列流量计的传感器有两 只标准级的 rtd,一只用来做热源,一只用来测量流体温度,当流体流动时,两者之间的 温度差与流量的大小成线性关系,再通过微电子控制技术,将这种关系转换为测量流量 信号的线性输出。 2.2.3 热式气体质量流量计分类热式气体质量流量计分类 热式气体质量流量计按安装方式分为：插入式和管段式。 插入式传感器可在线安装、在线维护。安装过程是首先在管道外壁上焊接带有 课程设计 14 外螺纹的底座，在底座上安装1 寸不锈钢球阀，而后用专用工具将管道打直径为 22mm的孔，打孔完毕后卸下专用工具，最后将传感器安装在阀门上并将传感器插入 到管内中心(传感器的插入位置出厂时已确定)。插入式传感器适用管道直径： dn806000mm。 图图2-9插入式热式气体质量流量计插入式热式气体质量流量计 管段式热式气体质量流量计出厂时已配备和现场管道内径相同的工艺管道。与 现场管道的连接方式为法兰连接或螺纹连接。法兰标准符合国标 gb/t9119-2000。 管段式传感器适用管道直径：dn152000mm。 图图 2-10 管段式热式气体质量流量计管段式热式气体质量流量计 2.3 质量流量计选型质量流量计选型 本次设计质量流量计采用的是北京首科实华自动化设备有限公司的 dmf-1-6-d 大型质量流量计。 dmf 系列质量流量计是根据里奥利原理，实现流体质量流量的直接精密测量， 而无任何压力、温度、粘度、密度等换算或修正。其结构是由传感器单元和变送器 单元两部分构成。科里奥质量流量计能够直接测量流体的质量，具有高精度 （0.1%0.2%） ，应用范围广（可测量各种非牛顿流体、各种浆液、悬浮液、高粘度 流体等） ，安装要求低（对仪表的前后直管段要求不高） ，运行可靠、稳定，维修率 课程设计 15 低等特点。 2.3.1 科里奥利质量流量计简介科里奥利质量流量计简介 科里奥质量流量计是一种直接而精密地测量流体质量流量的新颖仪表，以结构 主体采用两根并排的 u 形管，让两根管的回弯部分相向微微振动起来，则两侧的直 管会跟着振动，即它们会同时靠拢或同时张开，即两根管的振动是同步的，对称的。 如果在管子同步振动的同时，将流体导入管内，使之沿管内向前流动，则管子 将强迫流体与之一起上下振动。流体为了反抗这种强迫振动，会给管子一个与其流 动方向垂直的反作用力，在这种被叫做科里奥利效应力的作用下，管子的震动不同 步了，入口段管与出口段管在振动的时间先后商会出现差异， （差异是由于入口段和 出口段流体流向是相反的） ，这叫做相位时间差。这种差异与流过管子的流体质量流 量的大小成正比。如果通过电路能检测出这种时间差异的大小，则就能将质量流量 的大小给确定了。这种流量计被称作科里奥利直接质量流量计，它与世界上目前在 用的几十种常规容积式流量计的最大不同是它测的质量的大小，使用的单位是 kg/h。用质量（如千克）作单位的流量计比用容积（如立升或立方米）作单位的容 积式流量计要准确和恒定。因为质量是遵循守恒定律的。 2.3.2 dmf-1-6-d 质量流量计参数质量流量计参数 表表 2-1dmf-1-6-d 质量流量计参数质量流量计参数 产品型号 仪表通径 （mm） 测量范围（t/h） 工作压力 （mpa） 连接形式 （mm） dmf-1-6-d15036360,5050002法兰 dn150 详细资料： 适用范围：适用于液体、气体的质量流量测量 测量管材料：304 或 316l 不锈钢 介质温度：-50+150，-50250，-50350 环境温度：-20+70 流量测量精度：0.20%流量（零点稳定性/流量值）*100%流量 密度测量范围：0.52.5g/cm 密度测量精度：0.002g/cm 重复性：0.1%流量(零点稳定性/流量值)*100%流量 输出信号：420ma 负载电阻500，010khz 瞬时脉冲信号，485 通讯信号 传感器防爆标志：exib（ib）bt2-t5 防爆合格证号：ce072066 变送器防爆标志：exd（ib）blbt5 课程设计 16 防爆合格证号：ce092053 图图 2-11dmf-1-6-d 质量流量计质量流量计 2.3.3 dmf-1-6-d 质量流量计的安装质量流量计的安装 1安装场所的选择 （1）系统压力问题 当测量液化的气体或热溶剂以及有析出气体趋向的介质时，为防止气蚀的产生， 必须保证安装在管线中的传感器有足够的被压。一定的被压要求还可以使介质始终 充满传感器测量管，避免出现半管而导致测量不准。 被压是指传感器下游端口出流体的压力，一般常在距离传感器下游端口 3l（l 为传感器长度）之内的管道处测量。要保证背压，一是将传感器装在靠近泵出口侧， 或装在上升管道的较低部位来测液体，而且流量计下游上升管道的高度应不低于 2m（视介质的密度而定） ，二是上升管道的下游侧不得有同样长或稍短的下降管道， 以保证流体上升时产生的静压不被回降时抵消。 在测量易挥发的液体时，如液化气、溶剂等，cmf 必须安装在压力大于该液体 饱和蒸汽压处，表前最好不加带节流性质的元件。如果必须加应远离 cmf。由于液 体达到其饱和蒸汽状态还受温度变化的影响，因此 cmf 应安装在远离高温源的地 方。另外要避免阳光直接照射。 在测量易挥发液体的整个系统中，如果工艺条件允许的话，应尽量减少阻力件 （如弯头、缩管、阀等） ，避免压力损失过大，保证系统压力。同时管道采取保温遮 光的办法，避免温度变化所产生影响。总之要防止系统压力低于流体的饱和蒸汽压， 即液体蒸发汽化压力，该汽化压力使液体开始沸腾，产生气化现象使 cmf 不能正 课程设计 17 常工作。 （2）避免电磁干扰和射频干扰 若装在大电机、射频发送器、变压器、大功率电开关等附近，传感器中测量管 的自激谐振动会受到干扰，而且检测器检测出来的微弱信号也可能被淹没在干扰信 号中。另外，连接仪表各部分的电缆的走线也不要覆盖在这些可能产生干扰的设备 上面，或是靠近。也不要靠近高压供电电缆。 （3）避免振动的影响 若需要在管线振动大的地点安装小口径流量计，可在流量计的进出端用软管连 接，并将流量计本身固定在坚实稳定的基础或减振板上。若需要在这种管线上安装 大口径流量计，有时要用膨胀节来消振，但必须在膨胀节与传感器之间加装带有坚 固支撑的短接，否则，由于管道的伸缩造成附加应力，致使流量计测量不准。若传 感器需要在同一管线串联安装，应特别注意防止由于共振产生的相互影响。它们之 间的距离至少应大于传感器长度的 3 倍。或在两台传感器之间加装软连接。在相邻 两条管线上并联安装两台传感器时，也要注意保持两者之间的距离，防止产生相互 影响。 （4）危险场所的安装 易燃易爆场所采用防爆类型仪表 腐蚀环境所有部件和电缆必须是抗腐蚀的 低温、高温环境仪表的工作范围要符合要求 （5）露天安装 要防止雨水从传感器、变送器的接线孔渗入。 （6）信号传输电缆长度的限制 一般情况下，变送器及二次仪表都安装在安全区，也有一些直接在室内。由于 信号传输的要求，仪表都强调要采用专用电缆,而且专用电缆最长限制在 1501000m 之间。 （7）流场分布从优原则 虽然 cmf 没有安装直管段的要求，但是如果有条件还是在其前保持一定的直 管段为好。尤其在流速较高的情况下，表前的突然节流可能会造成空化和液体的喷 泄。不仅会影响 cmf 的正常工作，而且还可能导致仪表的损坏。 （8）其他注意事项 测量液体介质，特别是易汽化的液体或含有少量气体的液体介质时，应把传感 器安装在管道的较低处，而不是安在最高处，以防止夹杂气体在测量管中聚集而导 致测量误差。测量气体介质，特别是非干燥气体或在高压下易液化的气体介质时， 应把传感器安装在管道的较高处，而不是安在最低处，以防止液体在测量管中聚集 而影响测量准确度。 课程设计 18 2传感器安装方式的选择 传感器的安装一般分为垂直安装和水平安装两种方式。传感器安装方式应依据 被测流体的类型和传感器自身结构加以选择。 （1）垂直安装 直管型传感器无论测量什么介质都适合，弯管型传感器“u”型和“s”型可以； 在测量非干燥气体、含有少量气体的液体以及含有固体颗粒的浆液时， “”和三 角型不适合。在垂直管道安装时，要保证测量管充满介质。 要选择在上升垂直管道的最下段部位安装 cmf。如图图 2-12 所示： 图图 2-12 因条件所限，cmf 只能安装在下流向管道时，在 cmf 下游必须安装孔板，以 保证测量总是满管状态。否则，会因不能完全充满而产生气体，影响测量精度，甚 至造成 cmf 不能起动运行。 同时在孔板后面要安装截止阀，以保证进行零点调整。如图 2-13 所示： 图图 2-13 （2）水平安装 在平行管道安装时，cmf 要低位安装，因为在管路高空处，容易聚集空气。 因条件所限，cmf 只能 安装高位平行管段时，在 cmf 后侧要加装孔板。且在 cmf 前高点处加排气装置，以便在仪表投用和调校期间排出管道气体。 课程设计 19 3 其他传感器选型其他传感器选型 3.1 温度传感器温度传感器 温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。温度传感器是温 度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类， 按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。 本次设计压力变送器采用的是天泰公司的 ts408 经典式温度传感器。 图图 3-1 温度传感器温度传感器 1技术参数 按 iec751 国际标准， 温度系数 tcr=0.003851，pt100（r0=100） 、 pt1000（r0=1000）为统一设计型铂电阻。 表表3-1 阻值（）分 度 号0时标准电阻值 r0100时标准电阻值 r100 pt100100.00138.51 pt10001000.01385.1 2产品特点： 1）高精度、稳定性好 2）良好的焊接工艺,防震、防潮 3）测温量程宽 4）产品结构设计合理，连接接口灵活方便，体积小，重量轻，安装位置任意 5）壳体保护材料多样化，适应多种介质测量 课程设计 20 3.2 压力变送器压力变送器 压力传感器是使用最为广泛的一种传感器。传统的压力传感器以机械结构型的 器件为主，以弹性元件的形变指示压力，但这种结构尺寸大、质量轻，不能提供电 学输出。随着半导体技术的发展，半导体压力传感器也应运而生。其特点是体积小、 质量轻、准确度高、温度特性好。特别是随着 mems 技术的发展，半导体传感器向 着微型化发展，而且其功耗小、可靠性高。 本次设计压力变送器采用的是天泰公司的 ts200-t2 数字式压力变送器。 图图 3-2 压力变送器压力变送器 ts200-t2数字式压力变送器主要技术参数： a.测量范围：-0.100.01100mpa； b.过 载：2-10倍满量程压力； c.压力类型：表压或绝压或密封表压型； d.精 确 度：0.25%fs(典型)，0.5%fs(最大) （扩散硅） ； e.稳 定 性：0.1%fs/年(典型)， 0.2%fs/年(最大) ； f.零点漂移：0.03%fs/(100kpa)， 0.02%fs/(100kpa)； g.满度漂移：0.03%fs/(100kpa)，0.02%fs/(100kpa)； h.介质温度：-3085，-30150 ； i.贮存温度：-40120； j.供电电源： 1036vdc； k.输出信号：420madc ， 0/15/10vdc（非标定制） ，rs485 、rs232； l.负载电阻：(u-15)/0.02 ，(u-15)/0.02 ， 5k； m.过程连接：m20 1.5 外螺纹；m272 外螺纹；卡箍连接； n.外壳防护：电缆线和接插件连接均为 ip65； o.稳 定 性：0.2%fs/年。 ts200-t2 数字式压力变送器产品特点： a.量程覆盖范围宽； b.全不锈钢结构，压力接口形式多样，具有齐平膜、钽膜片等多种形式； 课程设计 21 c.输出信号形式多样，现场可调校； d.内含微处理器- 数字补偿、控制、通讯； e.rs-232（485） 、usb 数字输出，可直接与计算机相联； f.通过中文控制软件及 usb 、rs232（485）接口可与计算机直接通讯； g.多种压力单位可选，也可自定义单位； h.零点及满刻度输出设定； i.采样速度从每秒10点到每50分钟1个点； j.串行 rs485总线环路可挂接最多63个传感器； k.反极性保护和瞬间过电流过跨压保护，符合 emi 防护要求； l.防爆型产品符合 gb3836.4标准的 exiact6要求。 3.3 电涡流位移传感器电涡流位移传感器 tz20型电涡流传感器是由 tz 型前置放大器和电涡流探头组合构成，它是一种 趋近式传感系统。由于其长期工作可靠性好，灵敏度高，抗干扰能力强，采用非接 触测量，响应速度快，耐高温，能在油、汽、水等恶劣环境下长期连续工作,检测不 受油污、蒸汽等介质的影响，已广泛应用于电力、石化、冶金、钢铁、航空航天等 大中型企业，对各种旋转机械的轴位移、振动、转速、胀差、偏心、油膜厚度等进 行在线监测和安全保护，为精密诊断系统提供了全息动态特性，有效地对设备进行 保护。电涡流位移传感器系统主要包括探头、延伸电缆、前置器和附件。线性范围 宽、动态响应好、抗干扰能力强。 电涡流传感器是以高频电涡流效应为原理的非接触式位移传感器。前置器内产 生的高频电流从振荡器流入探头线圈中，线圈就产生了一个高频电磁场。当被测金 属的表面靠近该线圈时，由于高频电磁场的作用，在金属表面产生感应电流，即电 涡流。该电流产生一个交变磁场，方向与线圈磁场相反，这二个磁场相互迭加就改 变了原线圈的阻抗。所以探头与被测金属表面距离的变化可通过探头线圈阻抗的变 化来测量。前置器根据探头线圈阻抗的变化输出一个与距离成正比的直流电压。泰 泽公司生产的系列探头头部直径有 3、5、8、11、14、18、25、35、36、50、60等规格，线性量程 从0.5mm 至50mm，与菲力浦、本特利产品兼容。温漂低于0.05%/，机械连接具有 高强度、优良的抗拉、扭性能，高频同轴电缆及美观的金属铠装保护。前置器是一 个电子信号处理器，它把由探头感应出来的探头端面与被测金属体的间距线性转化 为电压或电流信号，送二次仪表或计算机系统。附加 pps 工程塑料绝缘，安装方便。 容错性设计：任意接线错误前置器不会损坏。电子线路深度负反馈技术，极高的工