1、过程控制仪表及其概算,严春明,过程控制仪表及其概算,主要内容 一、仪器仪表的发展简介 二、仪器仪表的分类 三、过程检测和控制仪表的分类及影响其概算的因素 四、各类显示控制仪表简述 五、仪表安装材料简述,一、仪器仪表的发展简介,(一)概念 仪器仪表是用以检出、测量、观察、计算各种物理量、物质成分、物性参数等的器具或设备。真空检漏仪、压力表、测长仪、显微镜、乘法器等均属于仪器仪表。 (二)发展历史 仪器仪表发展已有悠久的历史。据韩非子有度记载,中国在战国时期已有了利用天然磁铁制成的指南仪器,称为司南。古代的仪器在很长的历史时期中多属用以定向、计时或供度量衡用的简单仪器。 1718世纪,欧洲的一些物
2、理学家开始利用电流与磁场作用力的原理制成简单的检流计;利用光学透镜制成的望远镜,奠定了电学和光学仪器的基础。其它一些用于测量和观察的各种仪器也遂逐渐得到了发展。,一、仪器仪表的发展简介,(二)发展历史 19世纪到20世纪,工业革命和现代化大规模生产促进了新学科和新技术的发展,后来又出现了电子计算机和空间技术等,仪器仪表因而也得到迅速的发展。现代仪器仪表已成为测量、控制和实现自动化甚至是信息化必不可少的技术工具。,二、仪器仪表的分类,仪器仪表是多种科学技术的综合产物,品种繁多,使用广泛,而且不断更新,有多种分类方法。按使用目的和用途来分,主要有量具量仪、汽车仪表、拖拉机仪表、船用仪表、航空仪表、
3、导航仪器、驾驶仪器、无线电测试仪器、载波微波测试仪器、地质勘探测试仪器、建材测试仪器、地震测试仪器、大地测绘仪器、水文仪器、计时仪器、农业测试仪器、商业测试仪器、教学仪器、医疗仪器、环保仪器等。,二、仪器仪表的分类,属于机械工业产品的仪器仪表有工业自动化仪表、电工仪器仪表、光学仪器,分析仪器、实验室仪器与装置、材料试验机、气象海洋仪器、仪器仪表元器件、仪器仪表材料等十三类。它们通用性较强,批量较大,或为仪器仪表工业所必需的基础。 各类仪器仪表按不同特征,例如功能、检测控制对象、结构、原理等还可再分为若干的小类或子类。如工业自动化仪表按功能可分为检测仪表、显示仪表、调节仪表(控制系统信号处理仪表
4、)和执行器等;其中检测仪表按被测物理量又分为温度测量仪表、压力测量仪表、流量测量仪表、物位测量仪表和机械量测量仪表等;温度测量仪表按测量方式又分为接触式测温仪表和非接触式测温仪表;接触式测温仪表又可分为热电式、膨胀式、电阻式等 其他各类仪器仪表的分类法大体类似,主要与发展过程、使用习惯和有关产品的分类有关。仪器仪表在分类方面尚无统一的标准,仪器仪表的命名也存在类似情况。,三、过程检测和控制仪表的分类,(一)概念 进入二十世纪,随着工业革命和现代化大规模生产技术的发展,随着连续生产等流程工业的快速发展和对过程控制的要求的提高,用于工业生产过程自动控制中的各种仪表,在现代控制理论快速发展的促进下,
5、也得到了迅猛的发展。 二十世纪前叶,仪器仪表的应用主要集中在离散化生产的机械行业和军事工业行业,以传感器和检测仪表为主;二次世界大战开始,由于炼油工业和石油化工行业的迅速发展,连续化生产的工艺技术不断出现,生产规模不断扩大,对生产过程的控制要求不断提高,伴随着电子技术和现代控制理论的发展,过程控制仪表也随之发展起来。 服务于连续过程生产的各类检测和控制仪表通称为过程检测和控制仪表,这只是个习惯叫法,并没有严格的定义和划分。,三、过程检测和控制仪表的分类,(二)控制仪表的发展 自动控制思想及其实践可以说历史悠久。 公元前年,古希腊水钟:,三、过程检测和控制仪表的分类,(二)控制仪表的发展 早在1
6、000多年前,我国古代先人们也发明了铜壶滴漏计时器、指南车等控制装置。 首次应用于工业的自控器是瓦特(J.Watt)于1769年发明的用来控制蒸汽机转速的飞球控制器 :,三、过程检测和控制仪表的分类,(三)现代控制理论的发展 二十世纪以前,自控装置和系统的设计还处于直觉阶段,没有系统的理论指导 。 第一阶段:二十世纪年代,经典控制理论,研究单机自动化,解决单输入单输出(SISO-Single Input Single Output)系统的控制问题;数学工具:微分方程、拉普拉斯变换和传递函数;研究方法:时域法、频域法和根轨迹法; 主要问题:快速性、稳定性及其精度。,三、过程检测和控制仪表的分类,
7、(三)现代控制理论的发展 第二阶段:二十世纪年代,现代控制理论,研究机组自动化和生物系统的多输入多输出(MIMO-Multi-Input Multi-Output)系统的控制问题;数学工具:一次微分方程组、矩阵论、状态空间法;研究方法:变分法、极大值原理、动态规划理论;主要问题:最优控制、随机控制和自适应控制;核心控制装置:电子计算机; 第三阶段:二十世纪年代,大系统理论时期,研究生物系统、社会系统这样一些众多变量的大系统的综合自动化问题;方法:时域法为主;主要问题:大系统多级递阶控制;核心装置:网络化的电子计算机。,三、过程检测和控制仪表的分类,(四)过程控制仪表的发展 50年代以前,PID
8、调节已很流行,当时集检测、调节、执行功能于一体的基地式仪表是主流热工仪表 ;解决一个点的控制问题。 功能分离、信号传输、中央控制室集中显示操作,这种可应用于多个行业的通用性强的自动化仪表模式还在酝酿之中。,三、过程检测和控制仪表的分类,(四)过程控制仪表的发展 50年代:单元组合仪表 按照自动控制系统中各部分的功能 (如检测、显示、调节和操作等)构成的若干具有独立作用的单元仪表,各单元之间以统一信号互相联系的成套调节仪表。用这些单元仪表根据不同功能和使用要求加以组合,可构成各种单参数或多参数的自动控制系统。,三、过程检测和控制仪表的分类,(四)过程控制仪表的发展 组合仪表的单元有多种类型和品种
9、。如变送单元:将不同的被测参数变换成统一信号;如转换单元:将各种信号互相转换;如计算单元:对几个信号进行运算,如加减器、乘除器和开方器等;如显示单元:将统一信号转变成可视的刻度读数、数码、曲线或各种字符图形,如指示记录仪和积算器等;如给定单元:提供被控参数的给定值,如恒值给定器和时间程序给定器等;如调节单元:将被控信号与给定值相比较,对偏差进行调节,以控制执行器的动作,如比例、积分、微分 (PID)调节器等;如辅助单元:用来增加控制系统适应性的辅助仪表,如阻尼器、限幅器、速率限制器等。,(四)过程控制仪表的发展 下图为各类单元的相互关系。,三、过程检测和控制仪表的分类,三、过程检测和控制仪表的
10、分类,(四)过程控制仪表的发展 单元组合仪表有气动和电动两类。 气动单元组合仪表以0.14MPaG压力的压缩空气为能源;以 0.020.1MPaG的气压为统一信号。 电动单元组合仪表使用交流电源;有 15mADC、010mADC、420mADC、1050 mADC,15VAC、010VAC,010VDC等多种信号,以010mADC的电流信号应用较广;信号不统一,使用不方便。,三、过程检测和控制仪表的分类,(四)过程控制仪表的发展 1971年,国际电工委员会(IEC)推荐以420mADC为电动单元组合仪表的统一信号, 15VDC为辅助信号(即以420mADC为传输信号,以15VDC为接收信号)。
11、这个国际统一信号在当时执行起来,基本没有多大阻力,原因是其技术先进、切实可行,而且原来的制造厂和用户都迫切希望有统一的信号制。,三、过程检测和控制仪表的分类,(四)过程控制仪表的发展 过程控制仪表的发展与电子技术的发展密切相关。 50年代前电子管(国内DDZI型),电动单元组合仪表和气动单元组合仪表并存; 60年代,晶体管分立元件(国内DDZ-II型)电动单元组合仪表;这个时期由于生产设备的大型化,已经有了中央控制室,基地式仪表的操作方式逐步被取代,但各单元仪表之间的连络信号还不统一,以直流010mA的电流信号应用较广。 。,三、过程检测和控制仪表的分类,(四)过程控制仪表的发展 70年代,线
12、性集成电路(运算放大器)(国内DDZIll型)仪表;技术先进、国际统一信号、本质安全防爆等特点;同时,组装式仪表装置兴起。 70年代中期,大规模集成电路问世,由于其性能价格比较优越,使自动化仪表工业发生了巨大的变化。首先是分散型控制系统(DCS)的出现;其次是PLC可编程序控制器的出现取代了中小规模集成电路的逻辑元件、二极管矩阵电路和继电器线路,进而逐步使顺序控制、连锁保护与模拟量回路控制相融合,即电控和仪控一体化;电动单元组合仪表也更新换代为每个单元仪表内有CPU芯片的单回路智能式仪表(国内DDZ-S型)。 进入80年代,由于DCS的普及,工艺操作人员逐渐习惯了用CRT屏幕、操作键盘和鼠标进
13、行人机对话的操作方式。中央控制室更像计算机房,随着先进控制软件的发展,从而使生产过程自动化控制水平有了比较大的提高。,三、过程检测和控制仪表的分类,(四)过程控制仪表的发展 90年代, DCS全面应用,先进控制(批量控制、控制等)和工厂信息化管理(系统、系统等)得以发展;智能仪表(如通讯协议、MODBUS通讯协议等)的普及和使用;现场总线技术得以快速发展。 现状:常规电动智能仪表和气动单元组合仪表仅在一些特殊的场合使用;智能仪表和现场总线控制系统越来越多地被采用,现场总线设备在快速发展,成本在降低,使用会越来越广泛。,三、过程检测和控制仪表的分类,(五)过程控制仪表的分类 过程控制仪表的分类没
14、有严格的行业标准; 一般来说,按照习惯分为控制室仪表、现场仪表和仪表安装材料三类的较多,尤其是石化行业基本遵循这样的分类;,三、过程检测和控制仪表的分类,(五)过程控制仪表的分类 现场仪表按照仪表的功能分为:探头、传感器(检测器)、变送器(转换器)、执行器及其附件等;,三、过程检测和控制仪表的分类,(五)过程控制仪表的分类 传感器或检测器按照检测的物理量又分为:温度仪表、压力仪表、流量仪表、物位仪表、分析仪表等; 变送器按照检测的物理量又分为:温度变送器、压力变送器、差压变送器、物位变送器等; 执行器按照其作用分类较多,常用的有调节阀、开关阀(有时统称为控制阀)、风门或挡板等;按照其结构分类也
15、有很多种类,常见的有球形阀(globe)、球阀(ball或V-ball)、蝶阀(butterfly)、闸阀(gate)等;,三、过程检测和控制仪表的分类,(六)温度仪表-双金属温度计 常见的温度仪表按照检测原理和功能不同来分类,如压力式温度计、双金属温度计、热电阻温度计、热电偶温度计和非接触式温度计、温度变送器等; 2. 压力式温度计:现在已基本不用,很少碰到; 3. 双金属温度计:常用于工艺设备或管道中介质的就地温度指示,一般没有信号输出; 4. 影响双金属温度计的概算的因素:表盘直径;表盘材质;结构(径向、轴向、万向);安装形式(螺纹、法兰、焊接);插入长度;套管材质;防护形式(防水、耐震
16、);,三、过程检测和控制仪表的分类,(六)温度仪表-热电阻温度计 1. 检测原理:金属(或半导体)导体材料;电阻与其温度的一定函数关系; 2. 特点:响应速度快;精度高;重复性好;稳定性高;线性好;价格贵; 3. 用途:常用于工艺设备或管道中介质温度的检测和集中(远传)温度指示,有信号输出,输出信号为电阻信号; 4. 种类:按照感温元件材料分类铜热电阻温度计(温度系数大、价格便宜、测温范围小,不常用);铂热电阻温度计(稳定;测温宽,大量常用);半导体材料热电阻因不稳定、互换性差而不常用; 5.种类:按照热电阻结构和制造工艺、用途分为装配式热电阻、铠装热电阻和特殊用途热电阻等;,三、过程检测和控
17、制仪表的分类,(六)温度仪表-热电阻温度计 5. 影响热电阻温度计的概算的因素非常多,也很复杂,对概算的影响很大:精度等级(A级或B级)、制造标准(国际标准或国家标准)、插入长度、操作温度和压力(高温高压)、套管材质(腐蚀性)、结构形式(铠装或多支)、安装方式(螺纹、焊接和法兰)、强度(流速、耐磨)、接线盒的材质与防护等级(防水防尘防爆)以及用途不同(表面、端面、炉壁等)等,三、过程检测和控制仪表的分类,(六)温度仪表-热电偶温度计 1. 检测原理:热电效应两个不同的导体串接成一个闭合回路,两个结合点有温差,则回路中有电流产生;2. 特点:精度高;重复性好;测温范围宽;冷端补偿(0或常温,补偿
18、电缆); 3. 用途:常用于工艺设备或管道中介质温度的检测和集中(远传)温度指示,有信号输出,输出信号为电流信号; 4. 种类:按照感温元件材料分类廉价金属(铜康铜T型,常用;镍铬康铜E型,常用;镍铬镍硅K型,常用;铁康铜J型;镍铬硅镍硅N型;);贵金属(铂铑30铂铑6B型,常用;铂铑10铂S型,常用;铂铑30铂R型);难熔金属(钨铼系、钨钼系、铱铼系);非金属(二炭化钨、二炭化钼);,三、过程检测和控制仪表的分类,(六)温度仪表-热电偶温度计 5. 种类:按照热电偶温度计结构和制造工艺、用途分为装配式热电偶、铠装热电偶和特殊用途热电偶等; 6. 影响热电偶温度计的概算的因素非常多,也很复杂,
19、对概算的影响很大:精度等级(A级或B级)、制造标准(国际标准或国家标准)、插入长度、操作温度和压力(高温高压)、套管材质(腐蚀性)、结构形式(铠装或多支)、强度(流速、耐磨)、安装方式(螺纹、焊接和法兰)、接线盒的材质与防护等级(防水防尘防爆)以及用途不同(表面、端面、炉壁等)等,三、过程检测和控制仪表的分类,(六)温度仪表-其它温度计非接触式温度计种类:光学温度计(不常用);红外辐射温度计(高精度,不常用);便携式红外辐射温度计(高精度,不常用);辐射高温计(炉体);光电高温计;光导纤维温度计等;,三、过程检测和控制仪表的分类,(六)温度仪表-温度变送器 1. 作用: 将温度计的接触信号转换
20、成标准电流信号传送至控制室; 2. 分类:按照安装场所位置不同,分为:架装型(控制室,可组合)和现场安装型(装置现场,可分体安装和一体化安装); 3. 影响温度变送器的概算的因素:转换精度、组合方式、制造标准(国际标准或国家标准)、表壳材质、功能、防护等级(防水防尘防爆)等,三、过程检测和控制仪表的分类,(七)压力仪表-分类 基本常识(物理学角度): 作用在被测介质上的压力包括介质的压力和大气压,二者之和称绝对压力,介质的压力通常称为表压;P绝P表大气压一般工业中需要检测的都是表压值,即绝对压力与大气压的压差值;当绝对压力对于大气压值时测得的表压值为正值,称为正(表)压;当绝对压力对于小气压值
21、时测得的表压值为负值,称为负(表)压,即真空度;测量真空度的一般称为真空表; 2. 分类:常见的压力仪表按照测量原理分三种 重力与被测压力平衡法:液柱式压力计和活塞式压力计;不常用; 弹性力与被测压力平衡法:弹簧管压力表、波纹管压力表、膜片压力表和 膜盒压力表,常用; 利用物质与压力的物理特性:半导体(压阻)压力传感器和压电式压力传感器;常用; 3. 用于就地压力测量指示的通常称为压力表或压力计;用于压力测量及信号远传的通常称为压力变送器;,三、过程检测和控制仪表的分类,(七)压力仪表-压力表 液柱式压力计 弹性压力表分类:按照结构和用途来区分 弹簧管压力表:普通介质常用;较为经济;螺纹安装;
22、概算影响因素:弹性元件材质、精度、耐震性、表壳直径和材质、带电接点等; 膜片(隔膜)压力表:弹性膜片固定在连接法兰上,将介质和压力表内件与介质隔开,常用在腐蚀、黏稠和有毒等介质;概算影响因素:膜片和法兰材质、法兰标准(等级和规格)、精度、耐震性、表壳直径和材质、带电接点等; 膜盒压力表:常用于微压测量;较为经济;螺纹安装;概算影响因素:膜盒材质、精度、耐震性、表壳直径和材质、带电接点等; 波纹管压力表:常用于压力记录,不常用; 3. 专用压力表:绝压表;氨、氧等专用压力表;隔离密封压力表(恶劣环境用,贵)等;,三、过程检测和控制仪表的分类,(七)压力仪表-压力表 压力开关 重要的压力测量仪表,
23、常用于压力的报警指示和联锁控制,技术要求高,较为贵重;分类:按照原理区分为:位移式压力开关和力平衡式压力开关;概算影响因素:制造水平(进口或国产)、材质(腐蚀等)、精度(死区可调等)、耐震性、介质情况(黏稠结晶高温高压等)、现场指示表、防护等级(防尘防水防爆)等;,三、过程检测和控制仪表的分类,(七)压力仪表-压力变送器 1. 重要的压力测量仪表,常用于压力的远传(集中)指示、报警、运算和控制,在工业装置中被大量使用; 2. 分类:按照动力和传输信号分为:气动压力变送器;较少使用,仅在特定场合使用;电动压力变送器;普遍使用,品种很多,价格经济,功能强大;按照检测原理分为:电容式压力变送器、电感
24、式压力变送器、压阻式(固态或扩散硅式)压力变送器、振频式压力变送器等;按照检测方式和检测值的不同分为:普通压力变送器、绝对压力变送器、远传密封压力变送器、普通差压变送器、法兰安装差压变送器、远传密封差压变送器和智能(总线)压力变送器等; 3. 概算影响因素:制造水平(进口或国产)、检测方式(螺纹安装、法兰安装、远传密封等) 、测量元件材质和介质情况(腐蚀黏稠结晶高温高压等)、精度等级)、现场指示表、防护等级(防尘防水防爆)等;,三、过程检测和控制仪表的分类,(八)流量仪表-分类 1. 流量测量是工业装置中基本的检测和控制参数,在工业装置中被大量使用;由于流体状况和特性的千差万别,因此测量流体流
25、量的流量仪表也千差万别; 2. 分类:按照测量流体分类:密闭管道内流体流量的测量,工业装置中流量测量属于此类;敞开流道内流体流量的测量,如明渠、水槽等,工业装置中极少用到;按照检测目的分类: 总量流量测量; 瞬时流量测量;此种分类现在很少提到,因利用仪表系统完成总量的计算已非常容易;按照检测原理分类(目前普遍采用): 力学原理:应用伯努力定理有差压式、浮子(转子)式流量计;应用动量定理的可动管式、冲量式流量计(不常用);应用牛顿第二定律的质量流量计;应用流体阻力原理的靶式流量计;应用动量守恒原理的叶轮式(不常用) ;应用流体振动原理的涡街式、旋进漩涡流量计;应用动压原理的皮托管式(不常用)、均
26、速管式流量计;应用分割流体体积原理的容积式流量计等多种;声学原理:超声波式、冲击波式(不常用)流量计;,三、过程检测和控制仪表的分类,(八)流量仪表-分类 2. 分类:按照检测原理分类(目前普遍采用): 电磁学原理:电磁式、电容式(不常用)、电感式(不常用)、电阻式(不常用)流量计; 热学原理:热分布式(不常用)、热扩散式(热质量)流量计;光学原理:激光式(不常用)、光电式(不常用)流量计;原子物理原理:核磁共振式(不常用)、核辐射式(不常用)流量计;其它原理:标记法流量计;,三、过程检测和控制仪表的分类,(八)流量仪表-差压式流量计 1. 孔板: 特点:经济;适用范围广;易加工;精度尚可;重
27、复性差;直管段要求高;压力损失大; 概算的影响因素:精度(标准);材质;压力等级;厚度;成套配带的附件(直管段、连接法兰、取压方式及附件等);,三、过程检测和控制仪表的分类,(八)流量仪表-差压式流量计 2. 喷嘴和文丘里管: 特点:经济;特殊流量测量用;不易加工;精度尚可;重复性差;直管段要求高;压力损失大; 概算的影响因素:精度(标准);材质;温度压力等级;成套配带的附件(直管段、连接法兰、取压方式及附件等);,三、过程检测和控制仪表的分类,(八)流量仪表-差压式流量计 3. 楔形流量计: 特点:耐磨;特殊流量测量用(脏污、黏稠、结晶、有毒、纤维等);不加工要求高;精度尚可;重复性好;直管
28、段要求低;压力损失小; 概算的影响因素:精度(标准);材质;温度压力等级;流体状况;取压方式;成套配带的附件(连接法兰、附件等); 目前使用逐渐增加,复杂流体应用效果较好;,三、过程检测和控制仪表的分类,(八)流量仪表-差压式流量计 4. 均速管流量计(包括威力巴、阿牛巴、威蒂巴、阿里巴、德尔塔巴等等): 特点:结构简单;插入式安装,用于大口径管道流量测量,安装方便;精度高;可在线清洗和更换;强度计算要求高;重复性好;直管段要求低;压力损失小;变送器一体安装; 概算的影响因素:材质;温度压力等级;流体状况;插入长度;在线型;成套配带的附件; 目前在大口径气体和蒸汽上应用较好;流体洁净;,三、过
29、程检测和控制仪表的分类,(八)流量仪表-差压式流量计 5. V型椎流量计(V-con): 特点:结构简单;环型节流,可用于脏污介质;可插入式安装,用于大口径管道流量测量,安装方便;精度高;耐磨损;重复性好;直管段要求低;压力损失小; 概算的影响因素:材质;温度压力等级;流体状况;插入长度;安装形式;成套配带的附件; 目前在大口径气体和蒸汽上应用较好;应用在增加;,三、过程检测和控制仪表的分类,(八)流量仪表-浮子式流量计 1. 玻璃管、金属管浮子(转子)流量计: 特点:微、小流量测量;低粘度流体;结构简单,价格低;适合恶劣环境流量测量(高温高压腐蚀毒性等);精度低;范围宽;直管段要求低;压力损
30、失小; 概算的影响因素:流体状况;测量管形式;材质;温度压力等级;精度(标准);是否远传;用途(测量或吹扫);成套配带的附件(连接法兰、附件等); 目前玻璃管在石化装置上几乎不要,金属管大量使用,效果较好;,三、过程检测和控制仪表的分类,(八)流量仪表-容积式流量计 1. 原理:差压;又称为定排量流量计:是较早使用的一种流量计2. 分类:种类较多按照计量室密封方式分类:弹性材料密封,从一个计量室到另一个计量室:膜式气体流量计(家用煤气表);机械密封,往复式活塞流量计;不常用按照测量元件和结构分类:常用流量计转子式:椭圆齿轮流量计;腰轮流量计;卵轮流量计;螺杆式(双转子)流量计;等刮板式:刮板流
31、量计活塞式:旋转活塞(环形活塞)式;摆动活塞式;往复活塞式;转筒式:也称湿式气量计,用于测量气体总量,工业少用;膜式:也称干式气表;不常用;按照测量流体分类:液体式:椭圆齿轮;腰轮;螺杆式(双转子);活塞式;刮板流量计等气体式:腰轮;旋叶;转筒式;膜式等;按照用途分类:普通型;耐腐蚀型;高温型;卫生型;定量型;高粘度型;高精度型;等,三、过程检测和控制仪表的分类,(八)流量仪表-容积式流量计 3. 特点:计量精度高(一般为0.5%FS,特殊为0.2%FS 或更高,用于昂贵介质和精确计量)、流体状态和直管段对测量几乎无影响;适用范围广(品种规格齐全,各种场合);流量和粘度范围宽;不需外部能源,直
32、读式(总量),操作简便;机械部件温度范围小(膨胀);结构复杂,体积笨重,价格高;怕颗粒卡住,安全性差; 4. 概算的影响因素:精度(标准);口径;温度压力等操作条件;流体状况;是否远传;成套配带的附件(连接法兰、附件等); 5. 转子式(椭圆齿轮、腰轮、刮板)在灌区产品成品装车贸易计量方面应用很广;在精细化工和食品工业计量上具有优势;,三、过程检测和控制仪表的分类,(八)流量仪表-涡轮式流量计 1. 原理:差压;叶轮转动,转速与管道平均流速成正比,磁电感应,脉冲信号;又称为叶轮式流量计2. 分类:按照传感器结构分类:轴向型(普通型):叶轮与管道同轴;切向型:叶轮轴与管道轴垂直,流体流向与叶轮冲
33、角为90; 机械型:叶轮转动经磁耦合带动机械计数,指示总量;下专用型;自校正双涡轮型:(用于天然气等气体测量);广粘度波特型:高粘度流体测量按照测量流体分类:液体式:普通型;耐腐蚀型;高温型;低温型;高粘度型等气体式:普通型;燃气型;按照信号检测方式分类:感应式;变磁阻式;笛簧管(干簧管)式;光电式等,三、过程检测和控制仪表的分类,(八)流量仪表-涡轮式流量计 3. 特点:计量精度高(一般为0.250.5%FS,精密型为0.15%FS ,气体一般为11.5%FS,是精度最高的一种流量计);重复性好(短期可0.020.5%,贸易结算优选流量计);输出信号为脉冲频率信号,无零点漂移,抗干扰能力强;
34、流量范围宽(大小口径);结构紧凑轻巧,安装维护方便,流通能力大;适于高压毒性流体;故障时不断流,安全性好;价格高;怕杂质; 4. 概算的影响因素:精度(标准);口径;温度压力(差压)等操作条件;流体状况;是否远传(温压补偿);成套配带的附件(连接法兰、附件等); 5. 涡轮式流量计在天然气等许多需要精确计量和灌区产品成品装车贸易结算方面应用很广;在精细化工和食品工业计量上具有优势;,三、过程检测和控制仪表的分类,(八)流量仪表-电磁流量计 1. 原理:法拉第电磁感应定律;导体在磁场中运动,切割磁力线,导体两端产生感应电势;导体运动方向、磁场、感应电动势三者方向相互垂直;2. 分类:按照励磁方式
35、分类:直流励磁;交流工频励磁; 低频矩形波励磁;双频矩形波励磁;按照传感器与转换器组合分类:分离型:一体型:按照管道连接方式分类:法兰连接型;挟持(对夹)连接型; 螺纹连接型;按照用途分类:防爆型;防水型;潜水型;卫生型;插入型;等,三、过程检测和控制仪表的分类,(八)流量仪表-电磁流量计 3. 特点:传感器结构牢固可靠,无可动部件(脏污介质、含固体颗粒纤维介质);无阻流件(用于自流流体)、传感器易于清洗消毒(食品、生物产业、制药工业应用广);一种真实的体积流量测量(不受流体状况和参数影响);流量范围宽(20:140:1,口径几mm到3m);耐磨耐腐蚀(衬里选择);对直管段要求低,安装方便(水
36、平、垂直、倾斜任意角度);便于维护,使用生命长;不能用于非导电介质(如石油制品、有机物),不能用于气体和蒸汽;流体应满管;高温时受限制(衬里材料); 4. 概算的影响因素:传感器(衬里)材质;口径;温度等操作条件;流体状况(腐蚀、耐磨);安装连接形式;转换器防护等级(潜水、防爆等);成套配带的附件(连接法兰、附件等);,三、过程检测和控制仪表的分类,(八)流量仪表-漩涡流量计 1. 原理:在流体中设置漩涡发生体,在漩涡发生体两侧交替产生有规则的漩涡,这种漩涡称为卡曼涡街(Karman Vortex Street);涡街的频率与流体的流速呈线性关系,测出频率可计算出流体流量;2. 分类:按照涡街
37、发生形式分类:漩涡(涡街)流量计;旋进漩涡流量计;按照传感器结构分类:满管式;插入式;,三、过程检测和控制仪表的分类,(八)流量仪表-漩涡流量计 2. 分类:按照检测方式分类:热敏式;应力式; 应变式;超声式;电容式;振动体式;其它按照传感器与转换器组合分类:分离型:一体型:按照管道连接方式分类:法兰连接型;挟持(对夹)连接型; 按照用途分类:防爆型;高温型;耐腐蚀型;低温型;汽车专用型;,三、过程检测和控制仪表的分类,(八)流量仪表-漩涡流量计 3. 特点:传感器结构牢固可靠,无可动部件;适用流体种类多(液体、气体、蒸汽);精确度高(一般在1%FS);流量范围宽(10:120:1);压损小;
38、输出与流量成正比的脉冲信号,适于总量计量,无零点漂移;安装维护方便;不适用于太大太小口径;价格适中;高粘度、低流速、旋转流、脉动流不适用;管道振动对测量有影响; 4. 概算的影响因素:涡街发生形式(漩涡和旋进漩涡);传感器材质;口径;精度;温度压力等操作条件;流体状况(腐蚀、耐磨);安装连接形式;转换器防护等级(潜水、防爆等);成套配带的附件(连接法兰、附件等);,三、过程检测和控制仪表的分类,(八)流量仪表-超声波流量计 1. 原理:通过检测流体流动对超声束(或超声脉冲)的作用来测量流量的仪表,二十世纪80年代出现;: 传播速度差法:三种时间差法;频率差法(应用不多);相位差法(现已不用);
39、时间差法:超声波在流体中顺流和逆流传播的时间差与管道平均流速成正比,测出时间差可计算出管道流体的流量;: 多普勒法:物理学中多普勒效应为理论基础(当声源与观察者之间有相对运动时,观察者所感受到的声频率将不同于声源发出的频率;这个因相对运动而产生的频率变化与两物体的相对速度成正比);发射换能器向流体发出fo频率的连续超声波,受悬浮在流体中流动粒子或气泡散射时,接收换能器收到的信号产生多普勒频移f( f与流体平均流速成正比),测出f 则可得流体流量;,三、过程检测和控制仪表的分类,(八)流量仪表-超声波流量计 2. 分类:按照测量原理分类:传播速度差法: 一般称为超声波流量计 ;多普勒法:一般称为
40、多普勒超声波流量计;按照声道布置分类:单声道法:Z法(透过法)和V法(反射法);两声道法:X法(交差法)、V法、平行法; 四声道法: 4Z法和平行法;八声道法;按照测量流体分类:液体式:换能器频率高(15MHz);气体式:换能器频率高(100300kHz);换能器不能用夹装式只能用直射式(插入管壁式);按照换能器结构分类:夹装式(折射式);直射式(插入式和内装式);高低温型;防水型;按照传感器分类:便携式;盘装(墙挂)式;防爆型等,三、过程检测和控制仪表的分类,(八)流量仪表-超声波流量计 3. 特点:检测件内无阻碍物,无可动易损零部件,不干扰流场,适于脏污介质、混相流等难测介质;无附加压力损
41、失,用于大口径能源(水、空气等)计量,节约泵能耗;非接触式测量,应用范围广;夹装式无需在管道上开孔,安装位置灵活,按照简单,可用于恶劣条件的流体;可用于大流量测量,口径可于管道尺寸无关;价格高,但与管道尺寸无关;气体计量精度高(一般为0.5%FS);检测维护方便,故障时不断流,安全性好;振动和高温对测量有影响;应用选型比较复杂; 4. 概算的影响因素:精度(标准);温度条件;流体状况;防护等级(防水防爆);成套配带的附件(连接法兰、附件等); 5. 超声波流量计是新兴流量计,目前使用量越来越大,在天然气等许多大流量精确计量和贸易结算方面应用较广;应用前景看好;,三、过程检测和控制仪表的分类,(
42、八)流量仪表-质量流量计 1. 原理:科里奥利原理和热式(热传递式)原理;:科里奥利原理:直接或间接测量在旋转管道中流动的流体的科里奥利力(相位差),就可以测得质量流量(CMF工作原理);:热式(热传递式)原理:利用管道中气体带走热量的原理,测得管道上下游或温度检测器之间温度差, 与流体的质量流量成正比(TMF工作原理);,三、过程检测和控制仪表的分类,(八)流量仪表-质量流量计 2. 分类:按照测量原理分类:科氏质量流量计 ;热式质量流量计:量热式质量流量计;金氏律热式质量流量计;按照测量管形状分类:弯管型 直管型:按照测量管段数分类:单管型 双管型按照测量管与流体方向分类:并行式 垂直式按
43、照流体分类:气体式 液体式,三、过程检测和控制仪表的分类,(八)流量仪表-质量流量计 3. 特点: 科式质量流量计(CMF):直接测量质量流量,测量精度高,量程比大;测量值不受流体物性(密度、粘度等)影响;测量值不受管道内流场的影响,无直管段要求;无活动部件和阻碍件,可测非牛顿流体流量;多参数测量;不适于低密度气体;管道振动对测量有影响,应牢固支撑;测量管的腐蚀、磨损和结垢对测量精度有影响;目前产品口径较小(4”以下);产品体积与重量较大,价格昂贵;压力损失较大;零点不稳定,流量下限测量精度差;应用选型比较复杂; 热式质量流量计(TMF):量热式质量流量计:直接测量质量流量无需温压补偿;非接触
44、式,无可动部件,可靠性高;可测微小气体流量(5ml/min标况);要求气体介质干燥、洁净,不含水分、油质等杂质,否则需配干燥器、油水分离器等附件;动态响应慢(36s);价格高;金氏律热式质量流量计:直接测量质量流量无需温压补偿;无可动部件,可靠性高;对气体介质中粉尘、固体颗粒、水分、油质等杂质不敏感;适于大口径,非圆截面(如方形风管)管道流量测量;插入式不断流取出维护,可用于安装空间较小处;价格高;,三、过程检测和控制仪表的分类,(八)流量仪表-质量流量计 4. 概算的影响因素: 科式质量流量计(CMF):测量精度和量程比;流体流速及压力损失(空穴现象流体蒸汽压和气泡);材质;口径;流体状况(
45、温度压力腐蚀结晶等);防护等级(防水防爆);成套配带的附件(连接法兰、附件等); 热式质量流量计(TMF):量热式质量流量计:测量精度;动态响应时间;流体状况(温度杂质等);防护等级(防水防爆);成套配带的附件(连接法兰、附件等);金氏律热式质量流量计:测量精度;材质;口径或插入长度;流速(强度);流体状况(温度压力腐蚀结晶等);防护等级(防水防爆);成套配带的附件(连接法兰、附件等); 5. 质量流量计是新兴流量计,目前使用量越来越大,流量精确计量和贸易结算方面应用很广;价格逐步下降,应用前景十分广阔;,三、过程检测和控制仪表的分类,(八)流量仪表-其它流量计 1. 动量式流量计 : 靶式流
46、量计;转动翼板式流量计:概算的影响因素:测量精度;材质;口径或插入长度;流速(强度);流体状况(温度压力腐蚀结晶等);防护等级(防水防爆);成套配带的附件(连接法兰、附件等); 2. 冲量式流量计 3. 激光法流量计 4. 核磁共振法流量计 5. 专用流量计:如层流流量计 6. 流量开关:检测流体是否流动,常用于报警和联锁; 7. 差压变送器:属于变送器类,但为差压式仪表配套使用; 8. 流量显示计算仪:尽管不属于现场仪表,但常用,常会就地安装使用;,三、过程检测和控制仪表的分类,(八)流量仪表-共性及选用 1. 重要性及困难: 流量测量是极其重要的测量手段,在工业生产过程、能源计量、环保工程
47、、交通运输、生物技术、科研实验、海洋气象,江河湖泊等领域使用广泛; 流量测量非常困难:英国著名的流量专家F.C.Kinghom说得好流量计是使用比制造要艰难得多的少数仪表之一,在实验室它可以得到极高的准确度,但是在使用现场,一旦条件变化,一切全都白废。 流量测量的困难分为两方面:流体特性和测量特性。流体特性:脏污流;腐蚀流;高参数流(高温、高压、真空及低温极端工作条件下的流量测量);脉动流;大流量(管径达数米,液体流量达108kg/h,气体流量达106kg/h);微流量(流量下限极低,液体为10-2kg/h,气体为10-4kg/h);高粘性流;混相流;质量流(被测介质工作时状态及组分变化很大,
48、体积测量法无法准确测量);蠕动流(流速极缓慢)。测量特性:现场工作条件恶劣,检测件可靠性差;流量为动态量,难以获得高准确度;仪表结构大都为管道连接,只在停流时才允许拆卸维修,中间仪表有故障无法检修;仪表实验室校验的工作条件与现场工作条件相差很大,准确度偏离无法确定;校验设备庞大昂贵,校验费用亦不菲,周期校验是个难题。,三、过程检测和控制仪表的分类,(八)流量仪表-共性及选用 2. 流量测量应解决的主要问题:仪表的可靠性和准确度: 仪表的可靠性可靠性包括仪表质量及可维修性,流量仪表是现场仪表,检测件与被测介质直接接触,面临恶劣的工作条件,要求仪表有百分之一百的可靠是不现实的,但在发生故障时如能方便维修,维修代价不大,应该说亦是仪表可靠的一个方面; 仪表的准确度仪表的重复性是仪表本身的特性,而准确度是外加的特性。一台流量计准确度高,首先要重复性高,然后用高准确度的量值传递系统进行校准求得高准确度的仪表系数(或流出系数);仪表制造厂产品说明书上列举的准确度是指实验室校准的准确度,它称为基本误差,仪表在现场工作由于使用条件与实验室工作条件不同会产生附加误差,现场的准确度是基本误差与附加误差的合成,合成不一定为简单的代数和,要视具体情况而定。因此,现场仪表误差估计是一项复杂的工作,只有既熟悉仪表特性和被测对象,又掌握误差理论的人才能做出正确的估计。,