过程检测与控制技

1、二组二组任务一：了解流量控制系统的组成与工作原理任务二：学习流量传感器的原理与选择任务四：流量控制系统的安装与调试 随着科学技术的迅猛发展，自动化技术在工业，农业，科技及人们日常生活中发挥着重要的作用。过程控制通常是指连续生产过程的自动控制，是自动化技术最重要的组成部分之一。其应用范围覆盖石油、化工、制药、生物、医疗、水利、电力、冶金、轻工、纺织、建材、核能、环境等许多领域，在国民经济中占有极其重要事务地位。过程控制的主要任务是对生产过程的有关的参数进行控制。使其保持恒定或按一定规律变化，在保证总质量和生产的前提下，使连续型生产过程自动地进行下去。连续生产过程中，流量是一个很重要的参数。 计量

2、对工业生产的很重要。流量计量是计量科学技术的组成部分之一，它与国民经济、国防建设、科学研究有密切的关系。做好这一工作，对保证产品质量、提高生产效率、促进科学技术的发展都具有重要的作用，特别是在能源危机、工业生产自动化程度愈来愈高的当今时代，流量计在国民经济中的地位与作用更加明显。 流量是指单位时间内流过管道任一截面的流体的数量，也叫瞬时流量。 总量是指在一段时间(如一班、天、一月)内流过管道的流体数量，也叫累积流量流量设定值偏差流量控制器控制输出控制阀管道内液体流量扰动f流量变送器无纸记录仪流量测量值-+流量控制系统的组成被控变量流量控制系统的组成如上图所示，该控制系统由流量监测与变送装置（流

3、量计），流量控制器，执行器（控制阀），被控对象（管道内液体流量）等环节组成。 3.2.1 流量测量仪表的分类流量通常表示方法：1）质量流量Qm2)工作状态下的体积流量Qv3）标准状态下的体积流量Qvn按测量目的分类：1.测量瞬时流量2.测量总量按测量原理的分类：1.力学原理2.声学原理3.热学原理4.光学原理5.电学原理6.原子物理原理7.其他原因按测量方法分类：1.测量积流量：容积法, 速度法2.测质量流量：直接法,间接法1.容积式流量计：容积式流量计，又称定排量流量计，简称PD流量计，在流量仪表中是精度最高的一类。它利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分，根据测量室逐次重

4、复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流体体积总量。(1)工作原理从原理上讲是一台从流体中吸收少量能量的水力发动机，这个能量用来克服流量检测元件和附件转动的摩擦力，同时在仪表流入与流出两端形成压力降。典型的容积式流量计（椭圆齿轮式）的工作原理如图1所示。两个椭圆齿轮具有相互滚动进行接触旋转的特殊形状。P1和p2分别表示入口压力和出口压力，显然p1p2，图1（a）下方齿轮在两侧压力差的作用下，产生逆时针方向旋转，为主动轮；上方齿轮因两侧压力相等，不产生旋转力矩，是从动轮，由下方齿轮带动，顺时针方向旋转。在图1(b)位置时，两个齿轮均在差压作用下产生旋转力矩，继续旋转。选装到图1(c)位置时，上

5、方齿轮变为主动轮，下方齿轮则成为从动轮，继续旋转到与图1(a)相同位置，完成一个循环。一次循环动作排出四个由齿轮与壳壁间围成的新月形空腔的流体体积，该体积称作流量计的循环体积。设流量计循环体积为，一定时间内齿轮转动次数为N，则在该时间内流过流量计的流体体积为V，则 V=N （1）椭圆齿轮的转动通过磁性密封联轴器及传动减速机构传递给计数器直接指示出流经流量计的总量。若附加发信装置后，再配以电显示仪表可实现远传只是瞬时流量或累积流量。虽然有许多分割方法形成各种形式的容积式流量计，但大部分都有相似的基本特征。容积式流量计产生误差的主要原因是分割单个流体体积的活动测量件和静止测量室之间的缝隙泄漏量所形

6、成。产生泄漏的原因之一是为克服活动件摩阻力；之二是受仪表水力学阻力形成压力降的作用。(2)特点：优点编辑计量精度高；安装管道条件对计量精度没有影响；可用于高粘度液体的测量；范围度宽；直读式仪表无需外部能源可直接获得累计，总量，清晰明了，操作简便。缺点编辑结构复杂，体积庞大；被测介质种类、口径、介质工作状态局限性较大；不适用于高、低温场合；大部分仪表只适用于洁净单相流体；产生噪声及振动。（3）分类与结构：为了适应生产中对流量测量的各种不同介质和不同工作条件的要求，产生了各种不同型式的容积式流量计有转子式,刮板式,旋转活塞式,往复活塞式,圆盘式,转筒式,膜式其中比较常见的有齿轮型、刮板型和旋转活塞

7、型等三种型式，现分别介绍如下1齿轮型容积式流量计这种流量计的壳体内装有两个转子，直接或间接地相互啮合，在流量计进口与出口之间的压差作用下产生转动通过齿轮的旋转，不断地将充满在齿轮与壳体之间的“计量空间”中的流体排出通过测量齿轮转动次数，可得到通过流量计的流体量图1中示出是椭圆齿轮型容积流量计(也称奥巴尔容积流量计)的示意图图1 椭圆齿轮流量计工作示意图由图可见，该流量计由两椭圆齿轮相互啮合进行工作，其工作过程简述如下：图中P1表示流量计进口流体压力；表示出口流体压力，显然压力P1大于P2在图1(a)中，下面转子虽然受到流体的压差作用，但不产生旋转力矩，而上面齿轮在两例差压作用下产生旋转力矩而转

8、动由于两个齿轮互相啮合，故各自以O1，O2为轴心按箭头方向旋转，同时齿轮O1将半月形计量空间的流体排向出口在图1(a)状态时，上齿轮为主动轮，下齿轮为从动轮在图1(b)位置时，两个齿轮均在流体差压作用下产生旋转力矩，并在该力矩作用下沿箭头方向旋转，转变到图1(c)所示的位置这时齿轮位置与图1(a)相反，下齿轮为主动轮，上齿轮为从动轮下齿轮在进出口流体差压作用下旋转，又一次将它与壳体之间的半月型“计量空间”中的流体排出如此连续不断运动，椭圆齿轮每转一周，就排出四份“计量空间”流体体积因此，只要读出齿轮的转数，就可以计算出排出的液体量参考图22，可计算出排出的流体总量为V=4nv式中 n-齿轮的转

9、动次数；a，b-椭圆齿轮的长半袖，短半铀；- 椭圆齿轮的厚度另一种齿轮型容积式流量计是腰轮容积流量计，也称罗茨型容积流量计这种流量计的工作原理和工作过程与椭圆齿轮型基本相同，同样是依靠进，出口流体压力差产生运动，每旋转一周排出四份“计量空间”的流体体积量所不同的是在腰轮上没有齿，它们不是直接相互啮合转动，而是通过按装在壳体外的传动齿轮组进行传动上述两种转子型式的容积流量计，可用于各种液体流量的测量，尤其是用于油流量的准确测量在高压力、大流量的气体流量测量中，这类流量计也有应用由于椭圆齿轮容积流量计直接依靠测量轮啮合，因此对介质的清洁要求较高，不允许有固体颗粒杂质通过流量计2刮板式容积流量计刮板

10、式流量计也是一种较常见的容积式流量计在这种流量计的转子上装有两对可以径向内外滑动的刮板，转子在流量计进、出口差压作用下转动，每转动一周排出四份“计量空间”的流体体积与前一类流量计相同，只要测出转动次数，就可以计算出排出流体的体积量较常见的凸轮式刮板流量计结构如图24所示图中壳体的内腔是一圆形空筒，转子也是一个空心圆筒形物体，径向有一定宽度，径向在各为90的位置开四个槽，刮板可以槽内自由滑动四块刮板由两根连杆连结，相互垂直，在空间交叉在每一刮板的一端装有一小滚珠，四个滚珠均在一固定的凸轮上滚动使刮板时仲时缩当相邻两刮板均伸出至壳体内壁时，就形成计量空间的标准体积刮板在计量区段运动时，只随转子旋转

11、而不滑动，以保证其标准容积恒定当离开计量区段时，刮板缩入槽内，流体从出口排出同时，后一刮板又与其另一相邻刮板形成第二个“计量空间”，同样动作转子运动一周，排出四份“计量空间”体积的流体 编辑浮子流量计引是以浮子在垂直锥形管中随着流量变化而升降，改变它们之间的流通面积来进行测量的体积流量仪表，又称转子流量计。在美国、日本常称作变面积流量计（Variable Area Flowmeter）或面积流量计。浮子流量计原理设想发轫于19世纪60年代，20实际初出现商品。从应用台树所占比例来看，1985年英国抽样调查72家企业17000台流量仪表中浮子流量计占19.2%。我国浮子流量计产量1996年估计在

12、15万-17万台之间，其中95%左右为玻璃管浮子流量计。原理浮子流量计的流量检测元件是由一根自下向上扩大的垂直锥形管和一个沿着锥管轴上下移动的浮子组所组成。工作原理：被测流体从下向上经过锥管1和浮子2形成的环隙3时，浮子上下端产生差压形成浮子上升的力，当浮子所受上升力大于浸在流体中浮子重量时，浮子便上升，环隙面积随之增大，环隙处流体流速立即下降，浮子上下端差压降低，作用于浮子的上升力亦随着减少，直到上升力等于浸在流体中浮子重量时，浮子便稳定在某一高度。浮子在锥管中高度和通过的流量有对应关系。分类编辑时常上定型产品和特殊型仪表从不同角度可作不同分类，如：按锥形管材料分为透明锥形管和金属锥形管。按

13、有否远传信号输出分为就地指示型和远传信号输出型，后者又分为触电信号和电信号两种。按被测流体分为液体用、气体用和蒸汽。按被测流体通过浮子流量计的量分为全流型和分流型。按锥形管材料分类类型（1）透明锥形管浮子流量计透明锥形管材料用得最多的是玻璃，无导向结构仪表测量气体时操作不慎，玻璃管易被击碎；还有用透明工程塑料如聚苯乙烯、聚碳酸酯、有机玻璃等制成，具有不易击碎之优点。（2）金属管锥形管浮子流量计与透明锥形管浮子流量计相比，可用于较高的介质温度和压力，且无玻璃管浮子流量计锥管被击碎的潜在危险。图3所示典型结构是锥形管与壳体制成一体结构，也有锥管套入壳体的分离结构，改变流量规格只要调换不同圆锥角的锥

14、管，使用较为灵便。按有否远传信号输出分类类型（1）就地指示型浮子流量计有些透明管浮子流量计以就地指示为主，装有接近开关，作流量上下限报警信号输出。有些就地指示型金属管浮子流量计外形与远传信号输出相同，只是将浮子位移通过磁耦合传出，经连杆凸轮等线性化机构处理后就地指示。（2）远传信号输出型浮子流量计远传信号输出型仪表的转换部分将浮子位移量转换成电流或气压模拟量信号输出，分别成为电远传浮子流量计和气远传浮子流量计。按被测流体分类类型分为液体用、气体用和蒸汽用3种。实际上大部分浮子流量计同一仪表可用于液体也可用于气体，结构上是通用的。只是我国浮子流量计行业标准等（如JB/T 6844-93）规定流量

15、上限Qmax必须符合（1，1.6，2.5，4或6）10nL/h的要求（n为正负整数或零），为液体（以水为代表）设计的仪表用于气体（以空气为代表）时，不符合上述要求，只能为气体另行设计浮子和锥管，就分成液体和气体两种系列。国外有些制造厂同一仪表并列液、气两种流体的流量范围，当然流量值就不可能都是圆整值；国内有些型号仪表也采用本办法。但是液体用和气体用设计还是有区别的，例如气体仪表浮子设计得较轻，防浮子振荡跳动的阻尼件结构各异等。测量蒸汽只能用专门设计的金属管浮子流量计或在标准型仪表上加装附加构件，例如增加带散热片的液体阻尼件，以减少浮子跳动；与指示转换部分连接处隔以散热片。按被测流体通过浮子流量

16、计的量分类类型1）全流型即被测流体全部流过浮子流量计的仪表2）分流型相对于全流型只有部分被测流体流过浮子等流量检测部分。分流型浮子流量计由装载主管道上标准孔板（或均速管）和较小口径浮子流量计组合而成，应用与管径大于200mm的较大口径流量和只要就地指示的场所，价格低廉。分流型浮子流量计结构上分为分离型和一体型两种。一体型仪表将孔板和浮子流量计组装在短管段上，直接装到待测管道，原理与结构示意图如图4所示，安装方便。有适用于水平和垂直管道两种结构，但均只能安装在便于读取仪表示值的场所。主管道管径通常为50-300mm，孔板的孔径比（）在0.3-0.7之间，差压在0.6-100KPa之间，浮子流量计

17、口径为10-25mm。分流型浮子流量计的选用流速可比全流型高，液体流速可达2.5-3m/s，甚至高达4-5m/s。由于分流管中置有限流小孔板，起到补偿主孔板流量和差压间平方根非线性关系，流量示值基本是线性的，有较宽的范围度，一般为10：1。精确度为2.5%-4%FS。浮子流量计使用于小管径和低流速。常用仪表口径40-50mm以下，最小口径做到1.5-4mm。适用于测量低流速小流量，以液体为例，口径10mm以下玻璃管浮子流量计满度流量的名义管径，流速只在0.2-0.6m/s之间，甚至低于0.1m/s；金属管浮子流量计和口径大于15mm的玻璃管浮子流量计稍高些，流速在0.5-1.5m/s之间。浮子

18、流量计可用于较低雷诺数，选用粘度不敏感形状的浮子，流通环隙处雷诺数只要大于40或500，雷诺数变化流量系数即保持常数，亦即流体粘度变化不影响流量系数。这数值远低于标准孔板等节流差压式仪表最低雷诺数104-105的要求。大部分浮子流量计没有上游直管段要求，或者说对上游直管段要求不高。浮子流量计有较宽的流量范围度，一般为10：1，最低为5：1，最高为25：1。流量检测元件的输出接近于线性。压力损失较低。玻璃管浮子流量计结构简单，价格低廉。只要在现场指示流量者使用方便，缺点是有玻璃管易碎的风险，尤其是无导向结构浮子用于气体。金属管浮子流量计无锥管破裂的风险。与玻璃管浮子流量计相比，使用温度和压力范围

19、宽。大部分结构浮子流量计只能用于自下向上垂直流的管道安装。浮子流量计应用局限于中小管径，普通全流型浮子流量计不能用于大管径，玻璃管浮子流量计最大口径100mm，金属管浮子流量计为150mm，更大管径只能用分流型仪表。使用流体和出厂标定流体不同时，要作流量示值修正。液体用浮子流量计通常以水标定，气体用空气标定，如实际使用流体密度、粘度与之不同，流量要偏离原分度值，要作换算修正。涡轮流量计 智能液体涡轮流量计是采用先进的超低功耗单片微机技术研制的涡轮流量传感器与显示积算一体化的新型智能仪表，具有机构紧凑、读数直观清晰、可靠性高、不受外界电源干扰、抗雷击、成本低等明显优点。工作原理流体流经传感器壳体

20、，由于叶轮的叶片与流向有一定的角度，流体的冲力使叶片具有转动力矩，克服摩擦力矩和流体阻力之后叶片旋转，在力矩平衡后转速稳定，在一定的条件下，转速与流速成正比，由于叶片有导磁性，它处于信号检测器（由永久磁钢和线圈组成）的磁场中，旋转的叶片切割磁力线，周期性的改变着线圈的磁通量，从而使线圈两端感应出电 电磁流量计（Electromagnetic Flowmeters，简称EMF）是20世纪5060年代随着电子技术的发展而迅速发展起来的新型流量测量仪表。 电磁流量计是应用电磁感应原理， 根据导电流体通过外加磁场时感生的电动势来测量导电流体流量的一种仪器。工作原理电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律进行

21、流量测量的流量计。电磁流量计的优点是压损极小，可测流量范围大。最大流量与最小流量的比值一般为20：1以上，适用的工业管径范围宽，最大可达3m，输出信号和被测流量成线性，精确度较高，可测量电导率5s/cm的酸、碱、盐溶液、水、污水、腐蚀性液体以及泥浆、矿浆、纸浆等的流体流量。但它不能测量气体、蒸汽以及纯净水的流量。当导体在磁场中作切割磁力线运动时，在导体中会产生感应电势，感应电势的大小与导体在磁场中的有效长度及导体在磁场中作垂直于磁场方向运动的速度成正比。同理，导电流体在磁场中作垂直方向流动而切割磁感应力线时，也会在管道两边的电极上产生感应电势。 智能旋进旋涡气体流量计 采用最新微处理技术,具有

22、功能强、流量范围宽、操作维修简单,安装使用方便等优点,主要技术指标达到国外同类产品先进水平。 补充差压式流量计应用范围特别广泛、历史悠久的一种系列化流量计，在封闭管道的流量测量中各种对象都有应用。转子流量计安装要求：实际的系统工作压力不得超过流量计的工作压力。应保证测量部分的材料、内部材料和浮子材质与测量介质相容；环境温度和过程温度不得超过流量计规定的最大使用温度；转子流量计必须垂直地安装在管道上，并且介质流向必须由下向上；流量计法兰的额定尺寸必须与管道法兰相同。为避免管道引起的变形，配合的法兰必须在自由状态对中，以消除应力；为避免管道振动和最大限度减小流量计的轴向负载，管道应有牢固的支架支撑；截流阀和控制流量都必须在流量计的下游。支管段要求在上游侧5DN，下游