化工仪表及自动化教案

《化工仪表及自动化》教案

绪论

内容提要:

1.化工自动化的含义

2.化工生产过程自动化的目的

3.化工自动化的发展情况

4.化工仪表及自动化系统的分类

5.本学科的作用

★2学时★

1.化工自动化的含义

?是化工、炼油、食品、轻工等化工类型生产过程自动化的简称。

?在化工设备上，配备上一些自动化装置，代替操作人员的部分直接劳动，使生产在不同程度上

自动地进行，这种用自动化装置来管理化工生产过程的办法，称为化工自动化。

2.化工生产过程自动化的目的

?加快生产速度，降低生产成本，提高产品产量和质量。

?减轻劳动强度，改善劳动条件。

?能够保证生产安全，防止事故发生或扩大，达到延长设备使用寿命，提高设备利用能力的目

的。

?生产过程自动化的实现，能根本改变劳动方式，提高工人文化技术水平，为逐步地消灭体力劳

动和脑力劳动之间的差别创造条件。

3.化工自动化的发展情况

?20世纪40年代以前

绝大多数化工生产处于手工操作状况，操

作工人根据反映主要参数的仪表指示情况，用

人工来改变操作条件，生产过程单凭经验进

行。低效率，花费庞大，见图。

?20世纪50年代到60年代

人们对化工生产各种单元操作进行了大量

的开发工作，使得化工生产过程朝着大规模、

高效率、连续生产、综合利用方向迅速发展。

?20世纪70年代以来，化工自动化技术又有

了新的发展

已发展为综合自动化，应用的领域和规模

越来越大；显示了知识密集化、高技术集成化

的特点；智能化程度日益增加。

?20世纪末，计算机、信息技术的飞速发

展，引发了自动化系统结构的变革。

4. 化工仪表及自动化系统的分类

?需要测量和控制的参数是多种多样的，主

要有热工量（压力、流量、液位、温度）和成分（或物性）量。

?化工自动化仪表按其功能分为：检测、显示、控制仪表和执行器。

?由上述各类仪表，可以构成自动检测、自动操纵、自动保护和自动控制四种自动化系统。

5.本学科的作用

化工生产过程自动化是一门综合性的技术学科。它应用自动控制学科、仪器仪表学科及计算机学科的理论与技术服务于化学工程学科。

对于熟悉化学工程学科的人员，如能再学习和掌握一些检测技术和控制系统方面的知识，必能在推进中国的化工自动化事业中，起到事半功倍的作用。

第一章 检测仪表基本知识

内容提要:

1. 测量过程与测量误差

2. 仪表的性能指标

3. 工业仪表的分类

★4学时★（3学时讲授，1学时习题巩固）

1.测量过程和测量误差

测量过程在实质上都是将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程，而测量仪表就是实现这种比较的工具。

测量误差指由仪表读得的被测值与被测量真值之间的差距。通常有两种表示方法，即绝对误差和相对误差。

绝对误差

t i x x -=?

式中：i x 仪表指示值, t x 被测量的真值。

由于真值无法得到

x x -=? 式中：x 被校表的读数值，

x 标准表的读数值

相对误差

00

0x x x x y -=?=

2.仪表的性能指标

精确度（简称精度）→两大影响因素：绝对误差和仪表的测量范围

说明：仪表的测量误差可以用绝对误差Δ来表示。但是，仪表的绝对误差在测量范围内的各点不相同。因此，常说的“绝对误差”指的是绝对误差中的最大值Δmax 。

相对百分误差δ

%

100max

?-?=

测量范围下限值测量范围上限值δ

允许误差

%

100?-±

=测量范围下限值测量范围上限值差值

仪表允许的最大绝对误允δ

小结：仪表的δ允越大，表示它的精确度越低；反之，仪表的δ允越小，表示仪表的精确度越

高。将仪表的允许相对百分误差去掉“±”号及“％”号，便可以用来确定仪表的精确度等级。 目前常用的精确度等级有0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。

例：某台测温仪表的测温范围为200~700℃，校验该表时得到的最大绝对误差为＋4℃，试确定该仪表的精度等级。

解 该仪表的相对百分误差为

%

8.0%1002007004

+=?-+=

δ

如果将该仪表的δ去掉“＋”号与“％”号，其数值为0.8。由于国家规定的精度等级中没有0.8级仪表，同时，该仪表的误差超过了0.5级仪表所允许的最大误差，所以，这台测温仪表的精

度等级为1.0级。

例：某台测温仪表的测温范围为０～1000℃。根据工艺要求，温度指示值的误差不允许超过±７℃，试问应如何选择仪表的精度等级才能满足以上要求？

解 根据工艺上的要求，仪表的允许误差为

%

7.0%100010007

±=?-±=

允δ

如果将仪表的允许误差去掉“±”号与“％”号，其数值介于0.5～1.0之间，如果选择精度

等级为1.0级的仪表，其允许的误差为±1.0％，超过了工艺上允许的数值，故应选择0.5级仪表才能满足工艺要求。

仪表的精度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。

精度等级数值越小，就表征该仪表的精确度等级越高，也说明该仪表的精确度越高。0.05级以上的仪表，常用来作为标准表；工业现场用的测量仪表，其精度大多在0.5以下。

仪表的精度等级一般可用不同的符号形式标志在仪表面板上。 如：

小结：根据仪表校验数据来确定仪表精度等级和根据工艺要求来选择仪表精度等级，情况是不一样的。根据仪表校验数据来确定仪表精度等级时，仪表的允许误差应该大于（至少等于）仪表校验所得的相对百分误差；根据工艺要求来选择仪表精度等级时，仪表的允许误差应该小于（至多等于）工艺上所允许的最大相对百分误差。

变差：变差是指在外界条件不变的情况下，用同一仪表对被测量在仪表全部测量范围内进行正反行程（即被测参数逐渐由小到大和逐渐由大到小）测量时，被测量值正行和反行所得到的两条特性曲线之间的最大偏差。

%

100?-=

测量范围下限值测量范围上限值最大绝对差值

变差

灵敏度与灵敏限：仪表的灵敏度是指仪表指针的线位移或角位移，与引起这个位移的被测参数变化量的比值。即

x S ??=

α

式中：S 为仪表的灵敏度；α?为指针的线位移或角位移；x ?为引起α?所需的被测参数变

化量。

仪表的灵敏限是指能引起仪表指针发生动作的被测参数的最小变化量。通常仪表灵敏限的数值应不大于仪表允许绝对误差的一半。

注意：上述指标仅适用于指针式仪表。在数字式仪表中，往往用分辨力表示。

分辨率：对于数字式仪表，分辨力是指数字显示器的最末位数字间隔所代表的被测参数变化量。

不同量程的分辨力是不同的，相应于最低量程的分辨力

称为该表的最高分辨力，也叫灵敏度。通常以最高分辨力作为数字电压表的分辨力指标。分辨率与仪表的有效数字位数有关。

线性度：线性度是表征线性刻度仪表的输出量与输入量的实际校准曲线与理论直线的吻合程度。通常总是希望测量仪表的输出与输入之间呈线性关系。

%

100max

??=

仪表量程f f δ

式中，f δ为线性度（又称非线性误差）；max f ?为校准曲线

对于理论直线的最大偏差（以仪表示值的单位计算）。

反应时间：反应时间就是用来衡量仪表能不能尽快反映出参数变化的品质指标。反应时间长，说明仪表需要较长时间才能给出准确的指示值，那就不宜用来测量变化频繁的参数。

仪表反应时间的长短，实际上反映了仪表动态特性的好坏。

仪表的反应时间有不同的表示方法：a.当输入信号突然变化一个数值后，输出信号将由原始值逐渐变化到新的稳态值。b.仪表的输出信号由开始变化到新稳态值的63.2％（95％）所用的时间，可用来表示反应时间。 3.工业仪表的分类

按仪表使用的能源分类

气动仪表、电动仪表（常用）、液动仪表 常用电动仪表优缺点：

优点：以电为能源，信号之间联系比较方便，适宜于远距离传送和集中控制；便于与计算机联用；现在电动仪表可以做到防火、防爆，更有利于电动仪表的安全使用。

缺点：一般结构较复杂；易受温度、湿度、电磁场、放射性等环境影响。 按信息的获得、传递、反映和处理的过程分类 检测仪表：作用是获取信息，并进行适当的转换。

显示仪表：作用是将由检测仪表获得的信息显示出来。 集中控制装置：包括各种巡回检测仪、巡回控制仪等。 控制仪表：可以根据需要对输入信号进行各种运算。

执行器：可以接受控制仪表的输出信号或直接来自操作员的指令，对生产过程进行操作或控制。

各类仪表的作用，如图：

按仪表的组成形式分类

分为基地式仪表和单元组合仪表。

基地式仪表特点是将测量、显示、控制等各部分集中组装在一个表壳里，形成一个整体。这种

仪表比较适于在现场做就地检测和控制，但不能实现多种参数的集中显示与控制。这在一定程度上限制了基地式仪表的应用范围。

单元组合仪表是将对参数的测量及其变送、显示、控制等各部分，分别制成能独立工作的单元仪表（简称单元，例如变送单元、显示单元、控制单元等）。这些单元之间以统一的标准信号互相联系，可以根据不同要求，方便地将各单元任意组合成各种控制系统，适用性和灵活性都很好。

注意：化工生产中的单元组合仪表有电动单元组合仪表和气动单元组合仪表两种。国产的电动单元组合仪表简称DDZ仪表；气动单元组合仪表简称QDZ仪表。

第二章 压力检测

内容提要:

1. 压力单位及测压仪表

2. 弹性式压力计

3. 电气式压力计

4. 智能式变送器

5.

压力计的选用及安装

★5学时★

1.压力单位及测压仪表

压力是指均匀垂直地作用在单位面积上的力。

表示受力面积。表示垂直作用力；表示压力；式中，S F p S

F p =

压力的单位为帕斯卡，简称帕（Pa ）

211m N Pa =

Pa MPa 61011?=

为了使大家了解国际单位制中的压力单位（Pa 或MPa ）与过去的单位之间的关系，下面给出几种单位之间的换算关系表。

压力

单位 帕/Pa

兆帕/ MPa 工程大气压/ (kgf/cm2) 物理大气压/

atm

汞柱/ mmHg 水柱/ mH2O （磅/英寸

2）/ （1b/in2） 巴/bar

帕

1

13106 1.0197310-5 9.869310-6 7.501310-3 1.0197310-4 1.450310-4 1310-5

兆帕 13106

1

10.197

9.869 7.5013103 1.01973102 1.4503102 10 工程

大气压 9.8073104 9.807310-2 1 0.9678

735.6

10.00

14.22

0.9807

物理

大气压

1.01333105 0.10133 1.0332 1 760 10.33 14.70 1.0133

汞柱 1.33323102

1.3332310-4 1.3595310-3 1.3158310-3 1 0.0136 1.934310-2 1.3332310-3 水柱 9.8063103 9.806310-3 0.1000 0.09678

73.55

1

1.422

0.09806

（磅

/英

寸2） 6.8953103 6.895310-3 0.07031 0.06805 51.71 0.7031 1 0.06895

巴

13105

0.1

1.0197

0.9869 750.1 10.197 14.50 1

在压力测量中，常有表压、绝对压力、负压或真空度之分。

P 绝

大气压力

绝对压力表压p p p -=

当被测压力低于大气压力时，一般用负压或真空度来表示。

绝对压力

大气压力真空度p p p -=

测量压力或真空度的仪表按照其转换原理的不同，分为四类。

液柱式压力计

它根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量。 按其结构形式的不同有U 形管压力计、单管压力计等

优点：这类压力计结构简单、使用方便

缺点：其精度受工作液的毛细管作用、密度及视差等因素的影响，测量范围较窄，一般用来测量较低压力、真空度或压力差。

弹性式压力计

它是将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量的。 电气式压力计

它是通过机械和电气元件将被测压力转换成电量（如电压、电流、频率等）来进行测量的仪表。

活塞式压力计

它是根据水压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的质量来进行测

量的。

优点：测量精度很高，允许误差可小到0.05%～0.02%。 缺点：结构较复杂，价格较贵。 2.弹性式压力计

弹性式压力计是利用各种形式的弹性元件，在被测介质压力的作用下，使弹性元件受压后产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。

优点：具有结构简单、使用可靠、读数清晰、牢固可靠、价格低廉、测量范围宽以及有足够的精度等优点。可用来测量几百帕到数千兆帕范围内的压力。

弹性元件

弹性元件是一种简易可靠的测压敏感元件。当测压范围不同时，所用的弹性元件也不一样。

弹簧管式弹性元件如图(a)和(b)所示，波纹管式弹性元件如图(e)所示，薄膜式弹性元件如图(c)和(d)所示。

弹簧管压力表 分类：

使用的测压元件：单圈弹簧管压力表与多圈弹簧管压力表。

用途：普通弹簧管压力表，耐腐蚀的氨用压力表、禁油的氧气压力表等。

1—弹簧管；2 —拉杆；3 —扇形齿轮；4 —中心齿轮；5 —指针；6 —面板；7 —游丝；8 —调整螺丝；9 —接头

基本测量原理

单圈弹簧管是一根弯成270°圆弧的椭圆截面的空心金属管子。管子的自由端B封闭，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，而弯成圆弧形的弹簧管也随之产生扩张变形。同时，使弹簧管的自由端B产生位移。输入压力p越大，产生的变形也越大。由于输入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的大小。

注意：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。

警惕：在化工生产过程中，常需要把压力控制在某一范围内，即当压力低于或高于给定范围时，就会破坏正常工艺条件，甚至可能发生危险。这时就应采用带有报警或控制触点的压力表。将普通弹簧管压力表稍加变化，便可成为电接点信号压力表，它能在压力偏离给定范围时，及时发出信号，以提醒操作人员注意或通过中间继电器实现压力的自动控制。

电接点信号压力表：

1，4 —静触点；2 —动触点；3 —绿灯；5 —红灯

压力表指针上有动触点2，表盘上另有两根可调节指针，上面分别有静触点1和4。当压力超

过上限给定数值时，2和4接触，红色信号灯5的电路被接通，红灯发亮。若压力低到下限给定数

值时，2与1接触，接通了绿色信号灯3的电路。1、4的位置可根据需要灵活调节。

3.电气式压力计

电气式压力计是一种能将压力转换成电信号进行传输及显示的仪表。

优点：该仪表的测量范围较广，分别可测7310-5Pa至53102MPa的压力，允许误差可至0.2％；由于可以远距离传送信号，所以在工业生产过程中可以实现压力自动控制和报警，并可与工业控制机联用。

组成（电气式压力计组成方框图）

一般由压力传感器、测量电路和信号处理装置所组成。常用的信号处理装置有指示仪、记录仪以及控制器、微处理机等。

几种常见的传感器或变送器：

霍尔片式压力传感器

霍尔片式压力传感器是根据霍尔效应制成的，即利

用霍尔元件将由压力所引起的弹性元件的位移转换成霍

尔电势，从而实现压力的测量。

霍尔电势可用下式表示

U

BI

R

H

H

式中，U H为霍尔电势；R H为霍尔常数，与霍尔片材

料、几何形状有关；B为磁感应强度；I为控制电流的大

小。

注意：霍尔电势与磁感应强度和电流成正比。提高B

和I值可增大霍尔电势U H，但两者都有一定限度，一般I为3～20mA，B约为几千高斯，所得的霍尔电势U H约为几十毫伏数量级。

导体也有霍尔效应，不过它们的霍尔电势远比半导体的霍尔电势小得多。

将霍尔元件与弹簧管配合，就组成了霍尔片式弹簧管压力传感器，如图所示：霍尔片式压力传感器。

1—弹簧管；2 —磁钢；3 —霍尔片

当被测压力引入后，在被测压力作用下，弹簧管自由端产生位移，因而改变了霍尔片在非均匀磁场中的位置，使所产生的霍尔电势与被测压力成比例。

利用这一电势即可实现远距离显示和自动控制。

应变片压力传感器

应变片式压力传感器利用电阻应变原理构成。电阻应变片有金属和半导体应变片两类，被测压力使应变片产生应变。当应变片产生压缩（拉伸）应变时，其阻值减小（增加），再通过桥式电路获得相应的毫伏级电势输出，并用毫伏计或其他记录仪表显示出被测压力，从而组成应变片式压力计。如图：应变片压力传感器示意图

1—应变筒；2—外壳；3—密封膜片

压阻式压力传感器 如图：压阻式压力传感器

1—基座；2—单晶硅片；3—导环；4—螺母；5—密封垫圈；6—等效电阻

工作原理：压阻式压力传感器利用单晶硅的压阻效应而构成。

采用单晶硅片为弹性元件，在单晶硅膜片上利用集成电路的工艺，在单晶硅的特定方向扩散一组等值电阻，并将电阻接成桥路，单晶硅片置于传感器腔内。

当压力发生变化时，单晶硅产生应变，使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成比例的变化，再由桥式电路获得相应的电压输出信号。

特点：精度高、工作可靠、频率响应高、迟滞小、尺寸小、重量轻、结构简单；便于实现显示数字化；可以测量压力，稍加改变，还可以测量差压、高度、速度、加速度等参数。

力矩平衡式压力变送器

力矩平衡式压力变送器是一种典型的自平衡检测仪表，它利用负反馈的工作原理克服元件材料、加工工艺等不利因素的影响，使仪表具有较高的测量精度（一般为0.5级）、工作稳定可靠、线性好、不灵敏区小等一系列优点。

以DDZ-Ⅲ型电动力矩平衡压力变送器为例，如图： DDZ-Ⅲ型电动力矩平衡压力变送器示意图

1—测量膜片；2—轴封膜片；3—主杠杆；4—矢量机构 5—量程调整螺钉；6—连杆；7—副杠杆；8—检测片（衔铁）；9—差动变压器；10—反馈动圈；11—放大器；12—调零弹簧；13—永久磁钢

DDZ-Ⅲ型系列为直流24V 供电，输出4～20mA （DC ）,两线制，安全防爆。

被测压力p 作用在测量膜片1上，通过膜片的有效面

积转变成集中力

i

F 。

即 fp

F i = f 为膜片的有效面积。

该变送器是按力矩平衡原理工作的。根据主、副杠杆的平衡条件可以推导出被测压力p 与输出信号I 0的关系。

当主杠杆平衡时，应有

2

1l F l F i i =

式中：i l

、2l 分别为

i F 、1F 离支点O 1

的距离。

由以上两式：

p K fp l l F 12

1

1==

式中,

f

l l K 211=为一比例系数。

而

θθtan tan 112p K F F ==

4

32l F l F f =

式中：3l

、4l 分别为2F 及电磁反馈力离支点O 2的距离。

2I K F f =

代入上式：

03023

4

2I K I K l l F ==

联立θθtan tan 112p K F F ==、

03023

4

2I K I K l l F ==

，得：

θtan 0Kp I = 式中，

31

K K K =为转换比例系数

电容式压力变送器

电容式压力变送器是一种开环检测仪表，具有结构简单、过载能力强、可靠性好、测量精度高等优点，其输出信号是标准的4～20mA （DC ）电流信号。

工作原理：先将压力的变化转换为电容量的变化，然后进行测量。 如图：电容式差压变送器原理图。

1—隔离膜片；2，7—固定电极；3—硅油；4—测量膜片；5—玻璃层；6—底座；8—引线 小结：电容式差压变送器的结构可以有效地保护测量膜片，当差压过大并超过允许测量范围时，测量膜片将平滑地贴靠在玻璃凹球面上，因此不易损坏，过载后的恢复特性很好，这样大大提高了过载承受能力。与力矩平衡式相比，电容式没有杠杆传动机构，因而尺寸紧凑，密封性与抗振性好，测量精度相应提高，可达0.2级。 4.智能式变送器

智能型压力或差压变送器是在普通压力或差压传感器的基础上增加微处理器电路而形成的智能

检测仪表。

特点：可进行远程通信

利用手持通信器，可对现场变送器进行各种运行参数的选择和标定；其精确度高，使用与维护方便。

以美国费希尔-罗斯蒙特公司的3051C 型智能差压变送器为例介绍其工作原理。 如图：3051C 型智能差压变送器（4～20mA ）方框图（图2-9）

3051C 型智能差压变送器所用的手持通信器为275型，带有键盘及液晶显示器。可以接在现场变送器的信号端子上，就地设定或检测，也可以在远离现场的控制室中，接在某个变送器的信号线上进行远程设定及检测。

如图：手持通信器的连接示意图

实现的功能：（1）组态（2）测量范围的变更（3）变送器的校准（4）自诊断

注意：要对智能型差压变送器每五年校验一次，智能型差压变送器与手持通信器结合使用，可远离生产现场，尤其是危险或不易到达的地方，给变送器的运行和维护带来了极大的方便。 5.压力计的选用与安装

压力计的选用 ：压力计的选用应根据工艺生产过程对压力测量的要求，结合其他各方面的情况，加以全面的考虑和具体的分析， 一般考虑以下几个问题：仪表类型的选用；仪表测量范围的确定；仪表精度级的选取

例：某台往复式压缩机的出口压力范围为25～28MPa ，测量误差不得大于1MPa 。工艺上要求就地观察，并能高低限报警，试正确选用一台压力表，指出型号、精度与测量范围。

解 由于往复式压缩机的出口压力脉动较大，所以选择仪表的上限值为 MPa

p p 562282max 1=?=?=

根据就地观察及能进行高低限报警的要求，由本章附录一，可查得选用YX-150型电接点压力表，测量范围为0～60MPa 。

由于

316025>，故被测压力的最小值不低于满量程的 1/3，这是允许的。另外，根据测量误差的要求，可算得允许误差为

%67.1%100601

=?

所以，精度等级为 1.5级的仪表完全可以满足误差要求。至此，可以确定，选择的压力表为

YX-150型电接点压力表，测量范围为0～60MPa ，精度等级为1.5级。

压力计的安装

（1）测压点的选择 应能反映被测压力的真实大小。

① 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。

② 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。

③ 测量液（气）体压力时，取压点应在管道下（上）部，使导压管内不积存气（液）体。

（2）导压管铺设

① 导压管粗细要合适，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。

② 导压管水平安装时应保证有1:10～1:20的倾斜度，以利于积存于其中之液体（或气体）的排出。

③ 当被测介质易冷凝或冻结时，必须加设保温伴热管线。

④ 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。

（3）压力计的安装

①压力计应安装在易观察和检修的地方。

②安装地点应力求避免振动和高温影响。

③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[图（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（b）表示了被测介质密度ρ2大于和小于隔离液密度ρ1的两种情况。如图：压力计安装示意图

１—压力计；２—切断阀门；３—凝液管；４—取压容器

④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，作为密封垫片，以

防泄漏。

⑤当被测压力较小，而压力计与取压口又不在同一高度时，对由此高度而引起的测量误差应按

Δp＝±Hρg进行修正。式中H为高度差，ρ为导压管中介质的密度，g为重力加速度。

⑥为安全起见，测量高压的压力计除选用有通气孔的外，安装时表壳应向墙壁或无人通过之

处，以防发生意外。

第三章 流量检测

内容提要:

1. 差压式流量计

2. 转子流量计

3. 旋涡流量计

4. 质量流量计

5.

其他流量计

★8学时★

基本概念：

介质流量是控制生产过程达到优质高产和安全生产以及进行经济核算所必需的一个重要参数。 流量大小：单位时间内流过管道某一截面的流体数量的大小，即瞬时流量。

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。 1.差压式流量计

差压式（也称节流式）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测量的。

通常是由能将被测流量转换成压差信号的节流装置和能将此压差转换成对应的流量值显示出来的差压计以及显示仪表所组成。

节流现象与流量基本方程式 （1）节流现象

流体在有节流装置的管道中流动时，在节流装置前后的管壁处，流体的静压力产生差异的现象称为节流现象。节流装置包括节流件和取压装置。

如图3-1孔板装置及压力、流速分布图

注意：要准确测量出截面Ⅰ、Ⅱ处的压力有困难，因为产生最低静压力p2′的截面Ⅱ的位置随着流速的不同会改变。因此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。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。

（2）节流基本方程式

流量基本方程式是阐明流量与压差之间定量关系的基本流量公式。它是根据流体力学中的伯努利方程和流体连续性方程式推导而得的。

p

F M p

F Q ?=?=101

22

ρεαραε

可以看出：要知道流量与压差的确切关系，关键在于α的取值。流量与压力差ΔP 的平方根成正比。

标准节流装置

国内外把最常用的节流装置、孔板、喷嘴、文丘里管等标准化，并称为“标准节流装置”。 标准化的具体内容包括节流装置的结构、尺寸、加工要求、取压方法、使用条件等。

例：如图（孔板断面示意图），标准孔板对尺寸和公差、粗糙度等都有详细规定。

其中d ／D 应在0.2～0.8之间；最小孔径应不小于12.5mm ；直孔部分的厚度h ＝（0.005～0.02）D ；总厚度H ＜0.05D ；锥面的斜角α＝30°～45°等等，需要时可参阅设计手册。

我国规定：标准节流装置取压方法分为角接取压法、法兰取压法。

例：标准孔板采用角接取压法和法兰取压法，标准喷嘴为角接取压法。 如图：环式取压结构

１— 管道法兰；2—环室；3—孔板；4—夹紧环

环室取压法能得到较好的测量精度，但是加工制造和安装要求严格，如果由于加工和现场安装条件的限制，达不到预定的要求时，其测量精度仍难保证。所以，在现场使用时，为了加工和安装方便，有时不用环室而用单独钻孔取压，特别是对大口径管道。

优点 缺点

标准孔板

应用广泛，结构简单，安装方便，适用于大流量的测量 流体经过孔板后压力损失大，当工艺管道上不

允许有较大的压力损失时，便不宜采用。

标准喷嘴和标准文丘里管

压力损失较孔板小 结构比较复杂，不易加工

标准节流装置仅适用于测量管道直径大于50mm ，雷诺数在104～105以上的流体，而且流体应当清洁，充满全部管道，不发生相变。

节流装置将管道中流体流量的大小转换为相应的差压大小，但这个差压信号还必须由导压管引出，并传递到相应的差压计，以便显示出流量的数值。

差压式流量计的测量误差

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％。

注意：不仅需要合理的选型、准确的设计计算和加工制造，更要注意正确的安装、维护和符合使用条件等，才能保证差压式流量计有足够的实际测量精度。

误差产生的原因：被测流体工作状态的变动；节流装置安装不正确；孔板入口边缘的磨损；导压管安装不正确，或有堵塞、渗漏现象；差压计安装或使用不正确。

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。对于不同的被测介质，导压管的安装亦有不同的要求，下面分类讨论。

如图3-3测量液体流量时的取压点位置 如图3-4测量液体流量时的连接图

1—节流装置；2—引压导管；3—放空阀；4—平衡阀；5—差压变送器；6—贮气罐；7—切断

阀

① 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。

a) 取压点应该位于节流装置的下半部，与水平线夹角α为0°～45°。

b) 引压导管最好垂直向下，如条件不许可，导压管亦应下倾一定坡度（至少1∶20～1∶10），使气泡易于排出。

c) 在引压导管的管路中，应有排气的装置。

② 测量气体流量时，上述的这些基本原则仍然适用。

a) 取压点应在节流装置的上半部。

b) 引压导管最好垂直向上，至少亦应向上倾斜一定的坡度，以使引压导管中不滞留液体。 c) 如果差压计必须装在节流装置之下，则需加装贮液罐和排放阀，如图3-5。

③ 测量蒸汽的流量时，要实现上述的基本原则，必须解决蒸汽冷凝液的等液位问题，以消除冷凝液液位的高低对测量精度的影响。常见的接法见图3-6所示。

差压计或差压变送器安装或使用不正确也会引起测量误差。

由引压导管接至差压计或变送器前，必须安装切断阀1、2和平衡阀3，构成三阀组，如图3-7所示。

测量腐蚀性（或因易凝固不适宜直接进入差压计）的介质流量时，必须采取隔离措施。常用的两种隔离罐形式如图3-8所示。 2.转子流量计

工作原理：以压降不变，利用节流面积的变化来测量流量的大小，即转子流量计采用的是恒压降、变节流面积的流量测量方法。如图3-9所示。

转子流量计中转子的平衡条件是

()()A

p p g V f t 21-=-ρρ ()A

g

V p p p f t ρρ-=

-=?21

根据转子浮起的高度就可以判断被测介质的流量大小

p h M f ?=ρφ2

或p

h

Q f

??=ρφ2

将

()A

g

V p p p f t ρρ-=

-=?21代入以上两式：

()A

gV h

M f f t ρρρφ-=2

或

()

A

gV h

Q f f t ρρρφ-=2

电远传式转子流量计

它可以将反映流量大小的转子高度h 转换为电信号，适合于远传，进行显示或记录。 LZD 系列电远传式转子流量计主要由流量变送及电动显示两部分组成。 流量变送部分如图所示：差动变压器结构

转换原理：若将转子流量计的转子与差动变压器的铁芯连接起来，使转子随流量变化的运动带

动铁芯一起运动，那么，就可以将流量的大小转换成输出感应电势的大小。

电动显示部分（如图：LTD 系列电远传转子流量计）

转子流量计的指示值修正（教材中不涉及，选学）

转子流量计的流量标尺上的刻度值，对用于测量液体来讲是代表20℃时水的流量值，对用于测量气体来讲则是代表20℃，0.10133MPa 压力下空气的流量值。所以，在实际使用时，要根据具体体情况进行修正。

（1）液体流量测量时的修正

()A

gV h

Q w w t ρρρφ-=20

如果被测介质的黏度与水的黏度相差不大，可近似认为Φ是常数，则有

()

A

gV h

Q f f t f ρρρφ-=2

整理后得

()()f

Q f w

f t

f

w t Q K Q Q =?--=

ρρρ

ρρρ0

()()w

f t

f

w t Q K ρρρ

ρρρ--=

同理可导得质量流量的修正公式为

()f

M f w f w t w

f M K M Q =?--=

ρρρρρρ0

()w

f f t w

t M K ρρρρρρ--=

当采用耐酸不锈钢作为转子材料时，ρt ＝7.9g/cm3，水的密度ρw ＝1g/cm3，代入（3-34）与式（3-36）得

f

f Q K ρρ-=

9.79.6

()f

f M K ρρ-=

9.79.6

当介质密度ρf 变化时，密度修正系数KQ 、KM 的数值见下表。 密度修正系数表

ρt

KQ KM ρt KQ KM ρt KQ KM

0.40 0.670 1.516 0.95 0.971 1.022 1.50 1.272 0.847 0.45 0.646 1.435 1.00 1.000 1.000 1.55 1.297 0.837 0.50 0.683 1.365 1.05 1.028 0.979 1.60 0.323 0.827 0.55 0.719 1.307 1.10 1.056 0.960 1.65 1.351 0.818 0.60 0.754 1.256 1.15 1.084 0.943 1.70 1.376 0.809 0.65 0.787 1.211 1.20 1.111 0.927 1.75 1.401 0.800 0.70 0.819 1.170 1.25 1.139 0.911 1.80 1.427 0.792 0.75 0.851 1.134 1.30 1.165 0.897 1.85 1.453 0.785 0.80 0.882 1.102 1.35 1.193 0.884 1.90 1.477 0.778 0.85 0.912 1.073 1.40 1.220 0.872 1.95 1.504 0.771 0.90 0.944 1.046 1.45 1.245 0.859 2.00 1.529 0.764 例：现用一只以水标定的转子流量计来测量苯的流量，已知转子材料为不锈钢，ρt ＝7.9g/cm3，苯的密度为ρf ＝0.83g/cm3。试问流量计读数为3.6L/s 时，苯的实际流量是多少？

解：由式：

f

f Q K ρρ-=

9.79.6或查上表：

9

.0=Q K

将此值代入式()()f Q f w

f t f

w t Q K Q Q =?--=

ρ

ρρρρρ0，得s L Q K Q Q f /46.39

.0110=?=?=

即苯的实际流量为4L/s 。 （2）气体流量测定时的修正

对被测介质的密度、工作压力和温度均需进行修正。

当已知仪表显示刻度Q0，要计算实际的工作介质流量时，可按下式修正。

001001101111Q K K K Q T T p p Q T

P ???=???=

ρρρ

注意：上式计算得到的Q １是被测介质在单位时间（小时）内流过转子流量计的标准状态下的容积数（标准立方米），而不是被测介质在实际工作状态下的容积流量。

例：某厂用转子流量计来测量温度为27℃，表压为0.16MPa 的空气流量，问转子流量计读数为38Nm3/h 时，空气的实际流量是多少？

解 已知Q0＝38Nm3/h ，p1＝0.16＋0.10133＝0.26133MPa ，T1＝27＋273＝300K ，T0＝293K ，p0＝0.10133MPa ， ρ1＝ρ0＝1.293Kg/Nm3。

将上列数据代入上式，便可得

h Nm Q /3.6038300293

10133.026133.0293.1293.131≈???=

即这时空气的流量为60.3Nm3/h 。

（3）蒸汽流量测量时的换算

转子流量计用来测量水蒸气流量时，若将蒸汽流量换算为水流量，可按式

()f

M f w

f w t w

f M K M Q =?--=

ρρρρρρ0计算。

若转子材料为不锈钢，ρt ＝7.9g/cm3，则有

()f

f

f f w f f t w t M

M Q ρρρρρρρρ1000

9.719.70?--=?

?--=

当t

f ρ

ρ<<

时，f

f M Q ?=ρ

1

56

.290

可以看出：若已知某饱和蒸汽（温度不超过200℃）流量值时，可从上式换算成相应的水流量值，然后按转子流量计规格选择合适口径的仪表。

3.漩涡流量计

特点：精度高、测量范围宽、没有运动部件、无机械磨损、维护方便、压力损失小、节能效果明显。

卡曼涡街：

漩涡流量计是利用有规则的漩涡剥离现象来测量流体流量的仪表。

满足h ／L ＝0.281时，则所产生的涡街是稳定的。由圆柱体形成的卡曼漩涡，其单侧漩涡产生的频率为

d v St f ?

=

漩涡频率的检测方法：热敏检测法、电容检测法、应力检测法、超声检测法 如图：圆柱检出器原理图

图3-34 圆柱检出器原理图

1—空腔；2—圆柱棒；3—导压孔；4—铂电阻丝；5—隔墙

１—

空腔；2—圆柱棒；3—导压孔；4—铂电阻丝；5—隔墙

4.质量流量计

直接式质量流量计

科氏力流量计的测量原理是基于流体在振动管中流动时，将产生与质量流量成正比的科里奥利力。

如图：科氏力流量计测量原理

质量流量

r K M S ωθ4=

优点：能够直接测量质量流量，不受流体物性（密度、黏度等）的影响，测量精度高； 测量值不受管道内流场影响，没有上、下游直管段长度的要求；可测各种非牛顿流体以及黏滞和含微粒的浆液。

缺点：它的阻力损失较大；零点不稳定；管路振动会影响测量精度。 间接式质量流量计

（1）测量体积流量Q 的仪表与密度计配合（如图）

质量流量：

Q

K xy ρ=

（2）测量ρQ2的仪表与密度计配合

质量流量：

Q

K xy ρ=

（3）测量ρQ2的仪表与测量Q 的仪表配合