过程检测与控制技

二组
过程检测与控制技术应用
项目三 流量控制系统的集成与安装调试 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

任务一 了解流量控制系统的组成与工作原理
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
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。
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。
设流量计"循环体积"为υ，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=Nυ （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 附加发信装臵后，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。
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2．刮板式容积流量计 刮板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2—4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°的位臵开四个槽，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．
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、刮板型和旋转活塞型等三种型式， 现分别介绍如下．
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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
3.2.2典型的流量传感器
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p1>p2，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)位臵时， 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)位臵时， 上方齿轮变为主动轮，下方齿轮则成为从动轮，继续旋转到与图1(a)相 同位臵，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"。
浮子流量计
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15万-17万台之间，其中95%左右为玻璃管浮子流量计。
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管，使用较为灵 便。
控制 输出 流量设定值 偏差 + 流量测量值
扰动f 管道内液体流 量
流量控制 器
控制阀
被控 变量
流量变送器 无纸记录仪
流量控制系统的组成
流量控制系统的组成如上图所示，该控制系统由流量监 测与变送装臵（流量计），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。
任务二 学习流量传感器的原理与选择
(2)特点： 优点 编辑 ⑴计量精度高； ⑵安装管道条件对计量精度没有影响； ⑶可用于高粘度液体的测量； ⑷范围度宽； ⑸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 ⑴结构复杂，体积庞大； ⑵被测介质种类、口径、介质工作状态局限性较大； ⑶不适用于高、低温场合； ⑷大部分仪表只适用于洁净单相流体； ⑸产生噪声及振动。
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Qm 2)工作状态下的体积流量Qv 3）标准状态下的体积流量Qvn
流量测量仪表可以按照多种原则进行分类
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
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)位臵时，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 的位臵．这时齿轮位臵与图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2－ 2，可计算出排出的流体总量为 V=4nv 式中 n--齿轮的转动次数； a，b--椭圆齿轮的长半袖，短半铀； δ-- 椭圆齿轮的厚度．