过程控制元器件知识课件

过程控制系统元器件知识金属管浮子流量计金属管浮子流量计概述金属管浮子流量计原理按用途分类类型在脉动流管道的安装浮子流量计故障分析及对策金属管浮子流量计概述金属管浮子流量计是工业自动化过程控制中常用的一种变面积流量测量仪表。它具有体积小，检测范围大，使用方便等特点。它可用来测量液体、气体以及蒸汽的流量，特别适宜低流速小流量的介质流量测量。金属管浮子流量计口径范围为：DN15一DN250。有就地显示型和智能远传型两类，其中智能远传型使用的M6型指示器是为金属管浮子流量计设计开发的多功能数字磁测变送器，它以MCU微处理器为核心，采用磁传感器，通过数字滤波、软件修正等数字信号处理技术，达到测量磁场变化的目的。多年来，金属管浮子流量计以其各种优良性能和可靠性，及较好的性能价格比，广泛受到了石化、钢铁、电力、冶金、轻工、食品、制药、水处理等行业的选用，应用于行业中的液体、气体、蒸汽介质的测量和过程控制。金属管浮子流量计原理和结构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。工作原理如右图所示，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小，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。浮子流量计结构结构图金属管浮子流量计按用途分类1）普通型金属管浮子流量计除各特殊用途类型外的通用仪表，应用最为广泛。2）夹套保温型金属管浮子流量计管路中温度高于环境温度的液体流过仪表，因散热表面增加而温度下降，会产生凝固或结晶引起浮子动作不良；或因温度下降而使流体粘度显著变化影响测量值时，应选用夹套保温型。有时为了防止流体从外部吸热，也有将夹套抽真空，达到隔热的效果。3）防爆型金属管浮子流量计电远传浮子流量计用于有爆炸性气体或粉尘时，要选用防爆型仪表。国内已有隔爆型设计结构和本质安全防爆设计结构两种类型。4）耐腐型金属管浮子流量计普通型金属管浮子流量计由耐酸钢制成，耐腐型金属管浮子流量计采用F4零件和F40F46塑料包衬金属零件结构设计。耐腐型金属管浮子流量计的精确度要比通用型低些。5）吹流型金属管浮子流量计又称吹气吹液型或清洗型仪表，它是一种专门用途的仪表，流量较小，空气为20一3000L/h，水为0.3一100L/h精度要求却不高，通常基本误差为2.5%-5%Fs，甚至低到10%FS。吹流型浮子流量计与小型自力式差压调节器组成一体，使动力源压力波动或下游参数变化扰动引起的流量变化，自行调节使之保持恒定的流量。吹流型浮子流量计用于测量容器内液位、密度时，或以差压法测量管道污脏流体流量时，监测或控制吹流到容器或差压引压管气体（或液体）的流量。吹流气常用空气或氮气，常用流量为60L/h在脉动流管道的安装造成脉动流的原因有两个方面：流体本身的脉动和仪表自身的振荡。造成流体脉动的主要原因是因为，在金属管浮子流量计安装位置的上游有往复泵或者调节阀，也可能在金属管浮子流量计的下游有比较大的负荷变化，造成流体运行时的脉动效果。这时应考虑重新选择新的安装位置。在没有其他安装位置的情况下，应考虑增加管道的缓冲以减小脉动的影响。比如增加缓冲罐或者储气包。若是金属管浮子流量计本身的振荡，则需要考虑测量时管道内的气体压力是不是过低；安装在金属管浮子流量计上游的阀门是不是没有全开，应避免半开半闭的状态；调节阀安装在流量计的上游，而不是应该安装在金属管浮子流量计的下游。浮子流量计故障分析及对策浮子流量计故障分析及对策1 实际流量与指示值不一致原因实际流量与指示值不一致原因 因腐蚀，浮子重量、体积、最大直径变化；锥形管内径尺寸变化换耐腐蚀材料。若浮子尺寸与调换前相同，可按新重量、密度换算或重新标定；若尺寸也不同则必须重新标定。浮子最大直径圆柱面摩耗使表面粗糙，影响测量值颇大，换新浮子工程塑料制成或包衬的浮子，可能产生溶胀，最大直径和体积变化，换用合适材料的浮子浮子、锥形管附着水垢污脏等异物层清洗之，防止损伤锥形管内表面和浮子最大直径圆柱面，保持原有光洁度液体物性变化使用时与设计的液体密度、粘度等物性不一致，按变化后物性参数修正或评定流量值气体、蒸汽、压缩性流体温度压力变化温度、压力等运行条件变化对流量测量值影响颇灵敏，按新条件作换算修正流动脉动，气体压力急剧变化，指示值波动虽然浮子偶发挑动影响不大，但周期性振荡，管道系统必须设置缓冲装置，或者改用有阻尼机构的仪表液体中混人气泡，气体中混人液滴混人物改变密度等影响，作必要改进、排除之用于液体时仪表内部死角潴留气体，影响浮子部件浮力对小流量仪表及运行在低流量时影响显著、排除气体浮子流量计故障分析及对策浮子流量计故障分析及对策2 流量变动而浮子或指针移动呆迟流量变动而浮子或指针移动呆迟 浮子和导向轴间有微粒等异物或导向轴弯曲等原因卡住降拆卸检查，清洗，铲除异物或固着层，校直导向轴。导向轴弯曲原因大多是电磁阀快速启闭，浮子急剧升降冲击所致，改变运作方式带磁耦合浮子组件磁铁四周附着铁粉或颗粒拆卸清除之。运行初期利用旁路观（即流体不流过流量计）充分冲洗管道。为防止长期使用，管道可能产生铁锈，可在表前装磁过滤器指示部分连杆或指针卡住手动与磁铁耦合连接的运动连杆，有卡阻部位调整之。检查旋转轴与轴承间是否有异物阻碍运动，清除或换零件工程塑料浮子和锥形管或塑料衬里溶胀，或热膨胀而卡住换耐介质腐蚀材料的新零件。较高温度介质尽量不用塑料，改用耐腐蚀金属材料的零件磁耦合的磁铁磁性下降卸下仪表，用手上下移动浮子，确认指示部分指针等平稳地跟随移动；不跟随或跟随不稳定则换新零件或充磁。为防止磁性减弱，禁止两耦合件相互打击故障排除表差压式孔板流量计差压式流量计概述差压式流量计原理及结构图差压式流量计分类节流装置的取压方式差压式流量计概述差压式（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。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体的流量转换成压差信号的节流装置（如孔板、喷嘴、文丘利管等）和能将此压差转换成对应的流量值显示出来的差压流量计所组成。所谓节流装置就是在管道中放置能使流体产生局部收缩的元件。应用最广的是孔板，其次是喷嘴、文丘利管和文丘利喷嘴。这几种节流装置的使用历史较长，已经积累了丰富的实践经验和完整的实验资料，因此，国内外都把它们的形式标准化，并称为标准节流装置。就是说根据统一标准进行设计和制造的标准节流装置可直接用来测量，不必单独标定。但对于非标准化的特殊节流装置，在使用时，应对其进行个别标定。差压式流量计原理及结构图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。节流装置包括节流元件和取压装置。节流元件是使管道中的流体产生局部收缩的元件，常用的节流元件有孔板、喷嘴和文丘利管等，下面以孔板为例说明节流现象。在管道中流动的流体具有动能和位能动能和位能，在一定条件下这两种能量可以相互转换。而根据能量守恒定律，流体所具有的静压能和动能，再加上克服流动阻力的能量损失，在没有外加能量的情况下，其总和是不变的。下图表示在孔板前后流体的速度与压力的分布情况。流体在管道截面I前，以一定的流速v流动。此时的静压力为P；。在接近节流装置时，由于遇到节流装置的阻挡，使靠近管壁处的流体受到节流装置的阻挡作用最大，因而使一部分动能转换为静压能，出现了节流装置人口端面靠近管壁处的流体静压力升高，并且比管道中心处的压力要大，即在节流装置人口端面处产生一径向压差，这一径向压差使流体产生径向附加速度，从而使靠近管壁处的流体质点的流向与管道中心轴线相倾斜，形成了流束的收缩运动。由于惯性作用，流束收缩最小的地方不在孔板的开孔处，而是在开孔处的截面11处。根据流体流动的连续性方程，截面处的流体的流动速度最大，达到。随后流束又逐渐扩大，至截面后则完全恢复平稳状态，流速便降低到原来的数值，即。由于节流装置造成流束的局部收缩，使流体的流速发生变化，即动能发生变化。与此同时，表征流体静压能的静压力也在变化。在截面I处，流体具有静压力。到达截面时，流速增加到最大值，静压力则降低到最小值，而后又随着流束的恢复而逐渐恢复，由于在孔板端面处，流通截面突然缩小和扩张，使流体形成局部涡流，要消耗一部分能量，同时流体流经孔板时，要克服摩擦力，所以流体的静压力不能恢复到原来的数值；，而产生了压力损失-。节流装置前流体的压力较高，称为正压，常以“+，标志；节流装置后流体压力较低，称为负压（不同于真空度的概念），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，只要测出孔板前后压差的大小，即可反映出流量的大小，这就是节流装置测量流量的基本原理。值得注意的是：要准确地测量出截面I与截面处的压力和是有困难的，这是因为产生最低静压力的截面的位置随着流速的不同会改变，事先根本无法确定。因此，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。因而所测得的压差与流量之间的关系，与测压点和测压方式的选择是紧密相关的。按产生差压的作用原理分类1）节流式依据流体通过节流件使部分压力能转变为动能以产生差压的原理工作，其检测件称之为节流装置，是DPF的主要品种。2）动压头式依据动压转变为静压的原理工作，如均速管流量计。3）水力阻力式依据流体阻力产生的压差原理工作，检测件为毛细管束，又称层流流量计，一般用于微小流量测量。4）离心式依据弯曲管或环状管产生离心力原理形成的压差工作，如弯管流量计，环形管流量计等。5）动压增益式依据动压放大原理工作，如皮托一文丘里管。6）射流式、依据流体射流撞击产生原理工作，如射流式差压流量计。按结构形式分类标准孔板线性孔板标准喷嘴环形孔板文丘里喷嘴道尔管锥形入口孔板罗洛斯管弯管可换孔板节流装置圆孔板临界节流装置圆孔板偏心孔板整体（内藏）孔板标准型的两种形式ISA1932喷嘴长径喷嘴圆孔板、偏心孔板整体内藏孔板按用途分类l）标准节流装置ISO5167或GB/T2624中所包括的节流装置称为标准节流装置，它们是标准孔板、标准喷嘴、经典文丘里管和文丘里喷嘴。在设计、制造、安装及使用方面皆遵循标准规定，可不必个别校准而使用。2）低雷诺数节流装置如1/4圆孔板、锥形人口孔板和双重孔板等。3）脏污流节流装置如圆缺孔板、偏心孔板和楔形孔板等。4）低压损节流装置如道尔管、罗洛斯管、弯管及环形管等。5）小管径节流装置如整体（内藏）孔板和一体式流量变送器等。6）宽范围度节流装置如线性孔板等。7）临界流节流装置如临界流文丘里喷嘴等。节流装置的取压方式节流装置的取压方式，就孔板而言有5种：角接取压、法兰取压、径距取压、理论取压及管接取压。就喷嘴而言只有角接取压和径距取压两种。(l)角接取压上、下游侧取压孔轴心线与孔板（喷嘴）前后端面的间距各等于取压孔直径的一半，或等于取压环隙宽度的一半，因而取压孔穿透处与孔板端面正好相平，角接取压包括环室取压和单独钻孔取压。(2)法兰取压上、下游侧取压孔中心至孔板前后端面的间距为（25.4士0.8)mm。(3)径距取压上游侧取压孔中心与孔板（喷嘴）前端面的距离为1D，下游侧取压孔中心与孔板（喷嘴）后端面的距离为1/2D。(4)理论取压法上游侧的取压孔中心至孔板前端面的距离为1D士0.1D，下游侧的取压孔中心线至孔板后端面的间距随=d/D值的大小而异。(5)管接取压上游侧取压孔的中心线距孔板前端面为2.5D，下游侧取压孔中心线距孔板后端面为8D。以上5种取压方式中，角接取压方式用得最多，其次是法兰取压法。实物图气体涡轮流量计气体涡轮流量计的原理气体涡轮流量计精度影响因素涡轮流量计选用步骤液体涡轮流量计显示值不稳的原因气体涡轮流量计测量原理测量原理流体流经气体涡轮流量计壳体，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脉冲信号，此信号经过气体涡轮流量计中放大器的放大整形，形成有一定幅度的连续的矩形脉冲波，可远传至显示仪表，显示出流体的瞬时流量或总量。在一定的流量范围内，脉冲频率f与流经涡轮流量传感器的流体的瞬时流量Q成正比，流量方程为：q=3600*（f/k）式中：f脉冲频率Hzk传感器的仪表系数1/m3，由校验单给出。Q流体的瞬时流量（工作状态下）m3/h3600换算系数气体涡轮流量计精度影响因素在涡轮流量计的检定工作中，我们发现除了流量计本身结构造成的系统正常计量偏差之外，绝大多数送检涡轮流量计在其检定有效期内均出现了不同程度的磨损、腐蚀和阻塞等现象，严重影响了流量计的正常工作，是导致计量误差增大的主要原因。2.1 磨损磨损由于气体涡轮流量计对介质的要求较高。通过流量计的检测气体如果不清洁，就会导致细小固体杂质颗粒粘附在流量计轴承上，致使轴承运转不灵，叶轮旋转不正常，产生机械磨损；此外由于叶轮长期高速旋转，仍会有磨损产生。磨损后的气体涡轮流量计，检测精度下降。2.2 腐蚀腐蚀 若被测介质中含有腐蚀性气体，当气体流经流量计时，会对流量计的转子部分产生腐蚀，造成转子腐蚀变形、表层脱落，这样就会引起转子质量的变化，从而改变流量计的计量参数，影响转子的正常运转和计量的准确性。2.3 阻塞阻塞我们在检定中还发现，部分流量计叶轮上缠绕有废弃螺纹密封胶带等纤维状污物，阻塞转子，减小通过转子的有效流动断面，引起流速剖面的显著改变，导致计量数据失真。2.4 油污油污现场油气分离不彻底，导致多数流量计内壁和叶轮上附着有黑色原油，阻碍叶轮转动，部分原油随气流进入涡轮流量计，并在叶轮高速旋转离心力的作用下，滞留在壳体内，引起计量误差。综上所述，这些影响因素的存在，使一些气体涡轮流量计在检定后很短的时间内即出现计量不准的问题，严重影响天然气的准确计量和油气田开发数据的可靠录取，必须加以消除。涡轮流量计选用步骤1.确认可用的测量对象，必须可以适用于涡轮流量计的介质。2.选择型式。按流体物性选择，气体和液体分别选用气体型和液体型涡轮流量计，不能通用。在工作状态下液体粘度超过5mPa.s应选用高粘度型（国内尚无定型产品）。酸性腐蚀性流体选用耐酸型（国内尚无定型产品）。3.选择规格。按现场使用条件，如流量范围、管径、流体压力和温度、安装位置等和性能要求，如精确度、重复性、显示方式等参照制造厂选型样本或使用说明书选定具体规格型号，也有可能找不到合适的只好另选其他流量计。由于涡轮流量计类型规格繁多，特别是不同制造厂产品质量有差别，必须尽量搜集制造厂及有关标准等资料进行反复调查比较后再决定取舍。液体涡轮流量计显示值不稳的原因1因为数据线屏蔽接地不良，外界干扰信号混入涡轮流量计输入端。2测量管道的振动，使叶轮抖动，产生错误的信号。3截止阀没有关紧，介质有泄漏的现象，涡轮流量计显示的是介质泄漏的量。4涡轮流量计主板电子元件损坏，产生了干扰。实物图