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1、仪表自动化第1页，共50页，2022年，5月20日，13点58分，星期日一、弹性元件 弹性元件是一种简易可靠的测压敏感元件。它不仅是弹性式压力计的测压元件，也经常用来作为气动单元组合仪表的基本组成元件。当测压范围不同时，所用的弹性元件也不一样，常用的几种弹性元件的结构如图2 一2 所示。 第2页，共50页，2022年，5月20日，13点58分，星期日第3页，共50页，2022年，5月20日，13点58分，星期日1 弹簧管式弹性元件弹簧管式弹性元件的测压范围较宽，可测量高达l000MPa 的压力。单圈弹簧管是弯成圆弧形的金属管子，它的截面做成扁圆形或椭圆形，如图2 一2 ( a ）所示。当通入压

2、力p 后，它的自由端就会产生位移。这种单圈弹簧管自由端位移较小，因此能测量较高的压力。为了增加自由端的位移，可以制成多圈弹簧管，如图2 一2 ( b ）所示。2 薄膜式弹性元件薄膜式弹性元件根据其结构不同还可以分为膜片与膜盒等。它的测压范围较弹簧管式的为低。图2 一2 ( c ）为膜片式弹性元件，它是由金属或非金属材料做成的具有弹性的一张膜片（有平膜片与波纹膜片两种形式），在压力作用下能产生变形。有时也可以由两张金属膜片沿周口对焊起来，成一薄壁盒子，内充液体（例如硅油），称为膜盒，如图2 一2 ( d ）所示。3 波纹管式弹性元件波纹管式弹性元件是一个周围为波纹状的薄壁金属筒体，如图2 一2

3、( e ）所示。这种弹性元件易于变形，而且位移很大，常用于微压与低压的测量（一般不超过1MPa ）。第4页，共50页，2022年，5月20日，13点58分，星期日二、弹簧管压力表 第5页，共50页，2022年，5月20日，13点58分，星期日弹簧管压力计的基本测量原理 管子的自由端B 封闭，管子的另一端固定在接头9 上。当通入被测的压力p 后，由于椭圆形截面在压力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。由于变形，使弹簧管的自由端B 产生位移。输人压力p 越大，产生的变形也越大。由于输人压力与弹簧管自由端B 的位移成正比，所以只要测得B 点的位移量，就能反映压力p

4、的大小，这就是弹簧管压力计的基本测量原理。第6页，共50页，2022年，5月20日，13点58分，星期日 弹簧管自由端B 的位移量一般很小，直接显示有困难，所以必须通过放大机构才能指示出来。具体过程是这样的：弹簧管自由端B 的位移通过拉杆2 （见图2 一3 ）使扇形齿轮3 作逆时针偏转，于是指针5 通过同轴的中心齿轮4 的带动而作顺时针偏转，在面板6 的刻度标尺上显示出被测压力p 的数值。由于弹簧管自由端的位移与被测压力之间具有正比关系，因此弹簧管压力表的刻度标尺是线性的。第7页，共50页，2022年，5月20日，13点58分，星期日 图2 一4 是电接点信号压力表的结构和工作 原理示意图。压

5、力表指针上有动触点2 ，表盘上另有两个可调节的指针，上面分别有静触点1 和静触点4 。当压力超过上限给定数值（此数值由静触点4 的指针位置确定）时，动触点2 和静触 点4 接触，红色信号灯5 的电路被接通，使红灯 发亮，若压力低到下限给定数值时，动触点2 与静触点1 接触，接通了绿色信号灯3 的电路。静触点L4 的位置可根据需要灵活调节。第8页，共50页，2022年，5月20日，13点58分，星期日第三节 压力计的选用及安装第9页，共50页，2022年，5月20日，13点58分，星期日一、压力计的选用1 仪表类型的选用 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

6、；被测介质的物理化学性质（诸如腐蚀性、温度高低、黏度大小、脏污程度、易燃易爆等）是否对测量仪表提出特殊要求；现场环境条件（诸如高温、电磁场、振动及现场安装条件等）对仪表类型有否特殊要求等。总之，根据工艺要求正确选用仪表类型是保证仪表正常工作及安全生产的重要前提。例如普通压力计的弹簧管多采用铜合金，高压的也有采用碳钢的，而氨用压力计弹簧管的材料却都采用碳钢的，不允许采用铜合金的。因为氨气对铜的腐蚀极强，所以普通压力计用于氨气压力测量很快就要损坏。第10页，共50页，2022年，5月20日，13点58分，星期日 2 仪表测量范围的确定 仪表的测量范围是指被测量可按规定精确度进行测量的范围，它是根据

7、操作中需要测量的参数大小来确定的。 在测量压力时，为了延长仪表使用寿命，避免弹性元件因受力过大而损坏，压力计的上限值应该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，最大工作压力不应超过量程的1 / 2 ；测量高压压力时，最大工作压力不应超过量程的3 / 5 。 为了保证测量值的准确度，所测的压力值不能太接近于仪表的下限值，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仪表满量程的1 / 3 为宜。 根据被测参数的最大值和最小值计算出仪表的上、下限后，还不能以此数值直接作为仪表的量程范围。因为仪

8、表标尺的极限值不是任意取一个数字都可以的，它是由国家主管部门用规程或标准规定了的。因此，我们选用仪表的标尺极限值时，也只能采用相应的规程或标准中的数值（一般可在相应的产品目录中查到）。第11页，共50页，2022年，5月20日，13点58分，星期日3 仪表准确度等级的选取 仪表准确度是根据工艺生产上所允许的最大测量误差来确定的。一般来说，所选用的仪表越精密，则测量结果越精确、可靠。但不能认为选用的仪表准确度越高越好，因为越精密的仪表，一般价格越贵，操作和维护越费事。因此，在满足工艺要求的前提下，应尽可能选用准确度较低、价廉耐用的仪表。 第12页，共50页，2022年，5月20日，13点58分，

9、星期日二、压力计的安装 压力计的安装正确与否，影响到测量的准确性和压力计的使用寿命。 第13页，共50页，2022年，5月20日，13点58分，星期日1 测压点的选择 所选择的取压点应能反映被测压力的真实大小。 要选在被测介质直线流动的管段部分，不要选在管路拐弯、分叉、死角或其他易形成漩涡的地方。 测量流动介质的压力时，应使取压点与流动方向垂直，取压管内端面与生产设备连接处的内壁应保持平齐，不应有凸出物或毛刺。 测量液体压力时，取压点应在管道下部，使导压管内不积存气体；测量气体压力时，取压点应在管道上方，使导压管内不积存液体。 第14页，共50页，2022年，5月20日，13点58分，星期日2

10、 导压管铺设 导出管粗细要合适，一般内径为6 - 10mm ，长度应尽可能短，最长不得超过50m , 以减少压力指示的迟缓。如超过50m ，应选用能远距离传送的压力计。 导压管水平安装时应保证有1 ： 10 一1 ： 20 的倾斜度，以利于积存于其中之液体（或气体）的排出。 当被测介质易冷凝或冻结时，必须加保温伴热管线。 取压口到压力计之间应装有切断阀，以备检修压力计时使用。切断阀应装设在靠近取压口的地方 第15页，共50页，2022年，5月20日，13点58分，星期日3 其它注意事项 压力计应安装在易观察和检修的地方。 安装地点应力求避免振动和高温影响第16页，共50页，2022年，5月20

11、日，13点58分，星期日 测量蒸汽压力时，应加装凝液管，以防止高温蒸汽直接与测压元件接触见图2 一11( 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 一11( b ）表示了被测介质密度大于和小于隔离液体密度的两种情况。第17页，共50页，2022年，5月20日，13点58分，星期日 第18页，共50页，2022年，5月20日，13点58分，星期日 压力计的连接处，应根据被测压力的高低和介质性质，选择适当的材料，作为密封，以防泄漏。一般低于80 及2MPa 时，用牛皮或橡胶垫片；350 一450 及5MPa 以下用石棉或铝垫片；温度及压力更高（50MPa 以下）用退火紫

12、铜或铅垫片。但测量氧气压力时，不能使用浸油垫片及有机化合物垫片；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。 第19页，共50页，2022年，5月20日，13点58分，星期日 当被测压力较小，而压力计与取压口又不在同一高度时，对由此高度差而引起的测量误差应按却p=士Hg 进行修正。 为安全起见，测量高压的仪表除选用表壳有通气孔的外，安装时表壳应向墙壁或无人通过之处，以防发生意外 第20页，共50页，2022年，5月20日，13点58分，星期日第三章 流量检测流量计：测量流体流量（瞬时流量）的仪表一般叫流量计。计量表：测量流体总量的仪表常称为计量表。瞬时流量 ：是指单位时间内流过管

13、道某一截面的流体数量的大小 流体总量 ：在某一段时间内流过管道的流体流量的总和，即瞬时流量在某一段时间内的累计值，称为总量。第一节 概述 第21页，共50页，2022年，5月20日，13点58分，星期日流量检测仪表的分类 1、速度式流量仪表这是一种以测量流体在管道内的流速作为测量依据来计算流量的仪表。例如差压式流量计、转子流量计、电磁流量计、涡轮流量计、堰式流量计等。2、容积式流量计这是一种以单位时间内所排出的流体的固定容积的数目作为测量依据来计算流量的仪表。例如椭圆齿轮流量计、活塞式流量计等。 第22页，共50页，2022年，5月20日，13点58分，星期日第二节 差压式流量计 差压式（也称

14、节流式）流量计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而实现流量检测的。它是目前生产中测量流量最成熟、最常用的方法之一。通常是由能将被测流量转换成压差信号的节流装置（如孔板、喷嘴、文丘里管等）和能将此压差转换成对应的流量值显示出来的差压计所组成。在单元组合仪表中，由节流装置产生的压差信号，经常通过差压变送器转换成相应的信号（电的或气的），以供显示，记录或控制用。 第23页，共50页，2022年，5月20日，13点58分，星期日一、节流现象与流量基本方程式 1 节流现象 第24页，共50页，2022年，5月20日，13点58分，星期日 节流装置前流体压力较高，称为正压，常以“

15、十”标志；节流装置后流体压力较低，称为负压，常以“一”标志。节流装置前后压差的大小与流量有关。管道中流动的流体流量越大，在节流装置前后产生的压差也越大，我们只要测出孔板前后侧压差的大小，即可表示流量的大小，这就是节流装置测量流量的基本原理。第25页，共50页，2022年，5月20日，13点58分，星期日值得注意的是： 要准确地测量出截面与截面处的压力是有困难的，这是因为产生最低静压力的截面 的位置是随着流速的不同而改变的，事先根本无法确定。实际上是在孔板前后的管壁上选择两个固定的取压点，来测量流体在节流装置前后的压力变化的。因而所测得的压差与流量之间的关系，与测压点及测压方式的选择是紧密相关的

16、。第26页，共50页，2022年，5月20日，13点58分，星期日2 流量基本方程式 第27页，共50页，2022年，5月20日，13点58分，星期日二、标准节流装置的选用和安装使用 1 节流装置的选用 在加工制造和安装方面，以孔板为最简单，喷嘴次之，文丘里管最复杂。造价高低也与此相对应。实际上，在一般场合下，以采用孔板为最多。 当要求压力损失较小时，可采用喷嘴、文丘里管等。 在测量某些易使节流装置腐蚀、沾污、磨损、变形的介质流量时，采用喷嘴较采用孔板为好。 在流量值与压差值都相同的条件下，使用喷嘴有较高的测量精度，而且所需的直管长度也较短。 如被测介质是高温、高压的，则可选用孔板和喷嘴。文丘

17、里管只适用于低压的流体介质。第28页，共50页，2022年，5月20日，13点58分，星期日2 节流装置的安装使用 在安装和使用节流装置时，应注意如下事项： 必须保证节流装置的开孔和管道的轴线同心，并使节流装置端面与管道的轴线垂直。 在节流装置前后长度为两倍于管径（2D ）的一段管道内壁上，不应有凸出物和明显的粗糙或不平现象。 任何局部阻力（如弯管、三通管、闸阀等）均会引起流速在截面上重新分布，引起流量系数变化。所以在节流装置的上、下游必须配置一定长度的直管。 标准节流装置（孔板、喷嘴），一般都用于直径D 50mm 的管道中。 第29页，共50页，2022年，5月20日，13点58分，星期日

18、被测介质应充满全部管道并且连续流动。 管道内的流束（流动状态）应该是稳定的。 被测介质在通过节流装置时应不发生相变。例如：流体不蒸发和析出气体，气体不冷凝等。当流过节流装置的流体出现气液混相时，将会使测量造成很大误差。譬如说，测量饱和蒸汽流量的差压计，当蒸汽由于温度降低而冷凝，使蒸汽中夹杂水滴时，将会使测量结果完全失真，这是使用中特别要注意的。第30页，共50页，2022年，5月20日，13点58分，星期日 差压式流量计一般应由节流装置、导压管、差压计三部分组成。用在流量测量上的差压计有很多类型，例如双波纹管差压计、膜盒式盖压计、浮标式差压计、差压变送器等。这里我们仅介绍差压变送器。第31页，

19、共50页，2022年，5月20日，13点58分，星期日三、力矩平衡式差压变送器 第32页，共50页，2022年，5月20日，13点58分，星期日该差压变送器的工作过程是这样的： 测量气室1 由测量膜片2 分隔开，右侧为高压室（正压室）, 左侧为低压室（负压室）。当测量膜片的两侧分别通以p1和p2信号后，测量膜片在差压 p =p1一p2的作用下产生一个测量力F ，测量力F 测通过连杆推动主杠杆4 绕轴封膜片上的支撑点Ol 转动，通过推板5 作用在矢量板6 上，矢量板6 将推板的作用力F1分解成沿着矢量板作用在支点上的F3 （消耗在支点上）和沿着拉杆7 向上的F2。拉杆向上的作用力F2带动副杠杆1

20、1 绕十字簧片8 转动，使与副杠杆刚性连接的动铁心9 和差动变压器10 之间的距离改变，从而改变差动变压器原、副边绕组的磁藕合，使差动变压器副边绕组输出电压改变，经检测放大器12 放大后转换成电流I0输出，以改变可动线圈14 和永久磁钢之间的电磁平衡力矩，与在F2作用下副杠杆的驱动力矩重新平衡。在这个新的平衡位置上，检测放大器有一个确定的对应输出电流I0，从而把气室两侧的差压转换成电流信号。第33页，共50页，2022年，5月20日，13点58分，星期日 当矢量板6 的倾角改变到图中虚线所示的位置时，同样差压F 得到的驱动副杠杆的作用力F2 不同，在相应的平衡位置时，输出电流I。也不同。因而调

21、整矢量板的夹角，可以方便地调整差压测量范围。通常，矢量板的角可以在40 一150之间调整。 第34页，共50页，2022年，5月20日，13点58分，星期日 四、差压式流量计的测量误差 差压式流量计的应用是非常广泛的。但是，在现场实际应用时，往往具有比较大的测量误差，有的甚至高达10 % - 20 % （应当指出，造成这么大的误差实际上完全是由于使用不当引起的，而不是仪表本身的测量误差）。 第35页，共50页，2022年，5月20日，13点58分，星期日下面列举一些造成测量误差的原因，以便在应用中注意，并予以适当解决。1 被测流体工作状态的变动 如果实际使用时被测流体的工作状态（温度、压力、湿

22、度）以及相应的流体重度、黏度、雷诺数等参数数值，与设计计算时有所变动，则会造成原来由差压计算得到的流量值与实际的流量值之间有较大的误差。为了消除这个误差，必须按新的工艺条件重新进行设计计算，或者将所测的数值加以必要的修正。 第36页，共50页，2022年，5月20日，13点58分，星期日2 节流装置安装不正确 节流装置安装不正确，也是引起差压式流量计测量误差的重要原因之一。在安装节流装置时，除了要注意前面所讲的节流装置的安装使用方面的问题外，还必须注意节流装置的安装方向。一般地说，节流装置露出部分所标注的“十”号一侧，应当是流体的入口方向。当用孔板作为节流装置时，应使流体从孔板900锐口的一侧

23、流人。 另外，在使用中，要保持节流装置的清洁。如在节流装置处有沉淀、结焦、堵塞等现象，也会引起较大的测量误差，必须及时清洗。第37页，共50页，2022年，5月20日，13点58分，星期日3 孔板人口边缘的磨损 节流装置使用日久，特别是在被测介质夹杂有固体颗粒等机械物情况下，或者由于化学腐蚀，都会造成节流装置的几何形状和尺寸的变化。对于使用广泛的孔板来说，它的人口边缘的尖锐度会由于冲击、磨损和腐蚀而变钝。这样，在相等数量的流体经过时所产生的压差 p 将变小，从而引起仪表指示值偏低。故应注意检查、维修，必要时应换用新的孔板。 第38页，共50页，2022年，5月20日，13点58分，星期日4 导压管安装不正确，或有堵塞、渗漏等现象 导压管要正确地安装，防止堵塞与渗漏，否则会引起较大的测量误差。下面具体的来讨论。 第39页，共50页，2022年，5月20日，13点58分，星期日 测量液体的流量时，应该使两根导压管内都充满同样的液体而无气泡，以使两根导压管内的液体密度相等。这样，由两