仪表基础知识.docx
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仪表基础知识
第一章自动检测技术及仪表概述
§1-1关于测量的概念
根据国际通用计量学基本名词的推荐“测量是以确定量为目的的一组操作”。
这里的量值均指物理量而言。
对于每
一个物理量仅仅是一些物理对象共有的定性性质,例如温度、质量、长度等等。
每一物理量代表了一定的物理对象的某
一方面性质,而更具体的说,每个量又有它的定量性质如温度高低、质量大小、长度长短等等。
测得的物理量值是一个名数,它由表示物理量的数值和物理量的单位组成。
同一物理量,由于所选择的单位不同,得到测量结果的数值也不同。
因此,在给出测量值大小的同时一定要给出所用
的测量单位。
§1-2测量方法
测量方法是完成测量任务所采用的手段。
一般是根据给定的原理规定出在测量中所涉及的运算和实际操作。
在测量过程中由于测量对象、测量环境、测量参数不同,采用着各式各样的测量仪表和测量方法。
1.简单测量 当选用适当的测量仪表即可直接完成测量任务,即可测得足够精度的被测物理量的大小时,常把这种测量称为简单测量。
2.直接测量 任何测量都包含不同的简单测量。
如果在测量过程中只包括一项简单测量和只根据一些已知数据对
测量结果运算就可以得到被测物理量的大小,常把这种测量称为直接测量。
3.间接测量 如果对被测物理量的测量包括两个或两个以上的简单测量,或包括根据若干直接测量结果来计算出
最后测量结果,这种测量称为间接测量,也叫非直接测量。
§1-3测量仪表的性能指标
仪表运行特性通常分为静态特性和动态特性两大类。
一、测量仪表的静态特性
（一）精确度
与精确度有关的指标有三个:
精密度、正确度和精确度等级。
1.精密度 它说明测量仪表表示值的不一致程度。
即对某一稳定的被测量在相同的规定的工作条件下,由同一测
量者用同一仪表在相当短的时间内连续重复测量多次,其测量结果的不一致程度。
2.正确度 它说明表示值有规律地偏离真值大小值的程度。
3.精确度 它是精密度和正确度两者的总和,即测量仪表给出接近于被测真值的能力。
4.精确度等级 它是指在规定的工作条件下,仪表最大允许误差相对于仪表测量范围的百分数也称精度等级。
（二）稳定性
它是指在规定的工作条件保持恒定时在规定时间内仪表性能保持不变的能力。
一般用精密度数值和观测时间长短
表示。
（三）影响系数
影响系数是仪表性能的重要指标。
由于仪表实际工作条件要比标准工作条件差很多,此时影响量的作用可以用影
响系数来表示。
它是示值变化与影响量变化之间的比值。
（四）仪表静态输入-输出特性
仪表静态输入-输出特性由灵敏度、灵敏限、分辨率、线性度、滞环、量程等特性表示。
1.灵敏度 它表征仪表在稳态输出增量与输入增量之间的比值,是静态特性曲线上相对应的斜率。
2.灵敏限 当仪表的输入量从零不断增加时,在仪表示值发生可察觉的极微小变化时,此时对应的输入量的最小变
化值,称为灵敏限。
3.分辨率 它表示仪表能够检测到被测量最小变化的本领。
4.线性度 通常用实际校验曲线与一条通过特性曲线上、下限值的端基直线之间的最大偏差值与最大值之比来衡
量。
5.死区、回差和滞环
死区 它是指不会引起仪表输出的输入值最大变化范围。
回差 它是指在仪表全部测量范围内被测量值上行和下行所得到的两条特性曲线之间的最大偏差。
滞环 它是指在仪表全部测量范围内被测量值上行和下行所得到的两条特性曲线之间的最大偏差与死区之差。
6.量程 它是指测量上下限之间的代数差。
二、测量仪表的动态特性及动态误差
（一）动态特性
测量仪表的动态特性是仪表在动态工作中所呈现的特性,它决定仪表测量快变参数的精度,通常用稳定时间和极限
频率来概括表示。
所谓稳定时间是指给仪表一个阶跃输入,从阶跃开始到输出信号进入并不再超出对最终稳定值规定的允许误差时
的时间间隔。
稳定时间又称阻尼时间。
极限频率是指一个仪表的有效工作频率。
在这个频率以内仪表的动态误差不超过允许值。
（二）动态误差
动态误差是仪表随时间变化的被测量时所具有的误差,其数值是动态与静态测量结果的差值。
动态误差属于规律性误差。
第二章流量测量及仪表
§2-1概述
一、关于流量的概念
所谓“流量”是在单位时间内流体通过管道某截面流体的体积或质量,前者称为体积流量,后者称为质量流量。
累积流量是指在某一段时间内流量管道流体的总和。
习惯上把测量流量的仪表叫流量计,而把测量累积流量的仪表称为计量表。
流量测量单位是导出单位,常用m3/s、m3/h（体积流量）和kg/s、kg/h（质量流量）等表示。
而累积流量单位常用m3和kg等表示。
二、流量测量仪表的分类
流量计按用途可分为计量表与流量计两大类。
在实际工程计量中最常用的是根据所应用的原理来分类,大体可分
为容积式流量计、速度式流量计、差压式流量计、流体阻力式流量计、测速式流量计和流体振动式流量计。
§2-2容积式流量计
容积式流量计又称排量流量计（positivedisplacementflowmeter）,简称PD流量计或PDF,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,根据计量室逐次、重复地充满和排放该
体积部分流体的次数来测量流量体积总量。
PD流量计一般不具有时间基准,为得到瞬时流量值需要另外附加测量时间
的装置。
容积式流量计品种繁多,按测量元件结构分类可分为椭圆齿轮流量计、腰轮流量计（又称罗茨流量计）、活塞式
式流量计、刮板式流量计等。
1.容积式流量计的优点
容积式流量计计量精度高,基本误差一般为±0.5％R,特殊的可达±0.2％R或更高。
通常在昂贵介质或需要精确计
量的场合使用。
容积式流量计在旋转流和管道阻流件流速场畸变时对计量精确度没有影响,没有前置直管段要求。
这
一点在现场使用中有重要的意义。
容积式流量计可用于高粘度流体的测量。
范围度宽,一般为10:
1到5:
1,特殊的可达30:
1或更大。
容积式流量计是
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。
在以体积流量计组合的间接法质量流量测量
中,容积式流量计与速度式等推导体积流量计相比,所得体积是直接几何量,体积量的影响因素要单纯些。
在不适合采
取密度计测量的高压天然气测量中,不易处理的气体压缩系数,用容积式流量计可间接求得。
2.容积式流量计的缺点
容积式流量计结构复杂,体积大,笨重,尤其较大口径的容积式流量计体积庞大,故一般只适用于中小口径。
与其他
几类通用流量计（如差压式、浮子式、电磁式）相比,容积式流量计的被测介质种类、介质工况（温度、压力）、口径局
限性较大,适应范围窄。
由于高温下零件热膨胀、变形,低温下材质变脆等问题,容积式流量计一般不适用于高低温场
合。
目前可使用温度范围大致在-30~+160℃,压力最高为10MPa。
大部分容积式流量计仪表只适用洁净单相流体,含
有颗粒、脏污物时上游需装过滤器,既增加压损,又增加维护工作;如测量含有气体的液体必须装设气体分离器。
容积
式流量计安全性差,如检测活动件卡死,流体就无法通过,断流管系就不能应用。
但有些结构设计在壳体内置一旁路,当
检测活动元件卡死,流体可从旁路通过。
部分形式容积式流量计仪表（如椭圆齿轮式、腰轮式、旋转活塞式等）在测量
过程中会给流动带来脉动,较大口径仪表还会产生噪声,甚至是管道产生振动。
§2-3电磁流量计
电磁式流量计属于测速流量计,是利用法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电液体体积流量的仪表。
它的应用
的范围很广,可以测量各种腐蚀性介质:
酸、碱、盐溶液以及带有悬浮颗粒的浆液。
它也可用于测量食品工业、医药
自来水和污水处理等各部门中液体测量。
它测量的体积量小至每小时数滴大至几万立方米。
管道的口径为2mm~3m,
一般精度为0.5级和0.2级。
1.优点
电磁流量计的测量通道是一段无阻流检测件的光滑直管,因不易阻塞适用于测量含有固体颗粒或纤维的液固二相流
体,如纸浆、煤水浆、矿浆、泥浆和污水等。
电磁流量计不产生因检测流量所形成的压力损失,仪表的阻力仅是同一长
度管道的沿程阻力,节能效果显著,对于要求低阻力损失的大管径供水管道最为适合。
电磁流量计所测得的体积流量,实
际上不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率（只要在某阈值以上）变化明显的影响。
与其他大部分流量仪表相比,前
置直管段要求较低。
电磁流量计的测量范围度大,通常为20：
1～50：
1,可选流量范围宽。
满度值液体流速可在0.5～
10m/s内选定。
有些型号仪表可在现场根据需要扩大和缩小流量（例如设有4位数电位器设定仪表常数）不必取下作离线
实流标定。
电磁流量计的口径范围比其他品种流量仪表宽,从几毫米到3m。
可测正反双向流量,也可测脉动流量,只要脉
动频率低于激磁频率很多。
仪表输出本质上是线性的。
易于选择与流体接触件的材料品种,可应用于腐蚀性流体。
2.缺点
电磁流量计不能测量电导率很低的液体,如石油制品和有机溶剂等。
不能测量气体、蒸汽和含有较多较大气泡的液
体。
通用型电磁流量计由于衬里材料和电气绝缘材料限制,不能用于较高温度的液体;有些型号仪表用于过低于室温的
液体,因测量管外凝露（或霜）而破坏绝缘。
§2-4涡轮流量计
涡轮流量计是一种速度式流量计。
当被测流体流过仪表时精度,冲击涡轮叶片,使涡轮旋转,在一定测量范围内,涡轮
转数与流量成正比。
在各种流量计中涡轮流量计、容积式流量计和科氏质量流量计是三类重复性、精确度最佳的产品,而涡轮流量计具
有自己的特点,如结构简单、加工零部件少、重量轻、维修方便、流通能力大和可适应高参数（高温、高压和低温）等。
至今,涡轮流量计可达技术参数:
口径4~750mm,压力达250MPa,温度为-240~700℃,像这样的技术参数其他两类流
量计则是难以达到的。
涡轮流量计广泛应用于以下一些测量对象:
石油、有机液体、无机液、液化气、天然气、煤气和低温流体等。
涡轮流量计的主要特点如下:
1.高精确度,对于液体一般为±0.25％~±0.5％,高精度型可达±0.15％;而介质为气体,一般为±1％~±1.5％,
特殊专用型为±0.5％~±1％。
在所有流量计中,它属于最精确的。
2.重复性好,短期重复性可达0.05~0.2％,正是由于具有良好的重复性,如经常校准或在线校准可得极高的精确度,
在贸易结算中是优先选用的流量计。
3.输出脉冲频率信号,适于总量计量及与计算机连接,无零点漂移,抗干扰能力强。
4.可获得很高的频率信号（3-4kHz）,信号分辨力强。
5.范围度宽,中大口径可达40：
1~10：
1,小口径为6：
1或5：
1。
6.结构紧凑轻巧,安装维护方便,流通能力大。
7.适用高压测量,仪表表体上不必开孔,易制成高压型仪表。
8.专用型传感器类型多,可根据用户特殊需要设计为各类专用型传感器,例如低温型、双向型、井下型、混砂专用
型等。
9.可制成插入型,适用于大口径测量,压力损失小,价格低,可不断流取出,安装维护方便。
10.难以长期保持校准特性,需要定期校验。
对于无润滑性的液体,液体中含有悬浮物或磨蚀性,造成轴承磨损及卡
住等问题,限制了其适用范围,采用耐磨硬质合金轴和轴承后情况有所改进。
对于贸易储运和高精度测量要求的,最好配
备现场校验设备,可定期校准以保持其特性。
11.一般液体涡轮流量计不适用于较高粘度介质（高粘度型除外）,随着粘度的增大,流量计测量下线值提高,范围度
缩小,线性度变差。
12.流体物性（密度、粘度）对仪表特性有较大影响。
气体流量计易受密度影响,而液体流量计对粘度变化反应敏感
由于密度和粘度与温度、压力关系密切,在现场温度、压力波动是难免的,要根据它们对精确度影响的程度采取补偿措
施,才能保持高的计量精度。
13.流体计受来流流速分布畸变和旋转流的影响较大,传感器上下游侧需设置较长的直管段,如安装空间有限制,可
加装流动调整器（整流器）以缩短直管段长度。
14.不适于脉动流和混相流的测量。
15.对被测介质的清洁度要求较高,限制了其适用领域,虽可安装过滤器以适应脏污介质,但亦带来压损增大、维护
量增加等副作用。
16.小口径（DN50以下）仪表的流量特性受物性影响严重,故小口径涡轮流量计的仪表性能难以提高。
§2-4涡街流量计
涡街流量计属于流体振动式流量计,也是一种速度式流量计。
涡街流量计又称卡门旋涡流量计,它是利用流体自然振荡的原理制成的一种旋涡分离型流量计。
当流体以足够大的
流速流过垂直于流体流向的物体时,若该物体的几何尺寸适当,则在物体的后面,沿两条平行直线上产生整齐排列、转向
相反的涡列。
涡列的个数,即涡街频率,和流体的流速成正比。
因而通过测量旋涡频率,就可以知道流体的流速,从而测量
流体的流量。
1.优点
涡街流量计结构简单牢固,安装维护方便（与节流式差压流量计相比较,无需导压管和三阀组等,减少泄漏、堵塞和
冻结等）。
涡街流量计适用流体种类多,如液体、气体、蒸气和部分混相流体。
精确度较高（与差压式,浮子式流量计比
较）,一般为测量值的（±0.5%～±1%）R。
涡街流量计压损小（约为孔板流量计1/4~1/2）;输出与流量成正比的脉冲信
号,适用于总量计量,无零点漂移。
在一定雷诺数范围内,输出频率信号不受流体物性（密度,粘度）和组分的影响,即仪
表系数仅与旋涡发生体及管道的形状尺寸有关,只需在一种典型介质中校验而适用于各种介质。
2.局限性
涡街流量计不适用于低雷诺数测量（ReD≥2×104）,故在高粘度、低流速、小口径情况下应用受到限制。
旋涡分离
的稳定性受流速分布畸变及旋转流的影响,应根据上游侧不同形式的阻流件配置足够长的直管段或装设流动调整器（整流
器）,一般可借鉴节流式差压流量计的直管段长度要求安装。
涡街流量计对管道机械振动较敏感,不宜用于强振动场所。
§2-6差压式流量计
差压式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的差压、已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来测量流量
的仪表。
差压式流量计由一次装置（检测件）和二次装置（差压转换和流量显示仪表）组成。
通常以检测件的型式对差压式
流量计分类,如孔扳流量计、文丘里管流量计及均速管流量计等。
二次装置为各种机械、电子、机电一体式差压计,差压
变送器和流量显示及计算仪表,它已发展为三化（系列化、通用化及标准化）程度很高的种类规格庞杂的一大类仪表。
差
压计既可用于测量流量参数,也可测量其他参数（如压力、物位、密度等）。
应用最普遍的节流件标准孔板结构易于复制,简单,牢固,性能稳定可靠,使用期限长,价格低廉。
节流式差压式流量
计应用范围极广泛,至今尚无任何一类流量计可与之相比。
全部单相流体,包括液、气、蒸汽皆可测量,部分混相流,如气
固、气液、液固等亦可应用,一般生产过程的管径、工作状态（压力,温度）皆有产品。
检测件与差压显示仪表可分开不同生产厂生产,便于专业化形成规模经济生产,它们的结合非常灵活方便。
检测件,
特别是标准型的,是全世界通用的,并得到国际标准组织的认可。
对标准型检测件进行的试验研究是国际性的,其他流量
计一般仅依靠个别厂家或研究群体进行,因此其研究的深度和广度不可同日而语。
从时间上看,标准型检测件自20世纪
30年代由国际标准化组织确定后再也没有改变,其研究资料及生产实践的积累极其丰富,它涉及的应用范围还没有一类
流量计可比。
正是由于上述原因,标准型节流式差压式流量计无需实流校准,即可投用,在流量计中亦是惟一的。
目前在各种类型的差压式流量计中以节流式和动压头式应用最多。
节流式已开发20余品种,并且仍有新品种开发出,
较成熟的向标准型发展,ISO设有专门技术委员会负责此项工作。
动压头式以均速管流量计为代表,近年有较快发展,它
是插入式流量计的主要品种,其用量在迅速增加。
节流式差压式流量计主要存在以下缺点:
1.测量的重复性、精确度在流量计中属于中等水平,由于众多因素的影响错综复杂,精确度难以提高。
2.范围度窄,由于仪表信号（差压）与流量为平方关系,一般范围度仅3:
1~4:
1。
3.现场安装条件要求较高,如需较长的直管段（指孔板,喷嘴）,一般难以满足。
4.检测件与差压显示仪表之间引压管线为薄弱环节,易产生泄漏、堵塞、冻结及信号失真等故障。
5.压损大（指孔板,喷嘴）。
§2-7浮子式流量计
浮子式流量计是一种流体阻力式流量计。
浮子流量计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或面积流量计。
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。
被测
流体从下向上经过锥管和浮子形成的环隙时,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。
浮子流量计使用于小管径和低流速。
常用仪表口径40-50mm以下,最小口径做到1.5-4mm。
适用于测量低流速小
流量,以液体为例,口径10mm以下玻璃管浮子流量计满度流量的名义管径,流速只在0.2-0.6m/s之间,甚至低于0.1m/s;
金属管浮子流量计和口径大于15mm的玻璃管浮子流量计稍高些,流速在0.5~1.5m/s之间。
浮子流量计可用于较低雷诺
数,选用粘度不敏感形状的浮子,流通环隙处雷诺数只要大于40或500,雷诺数变化流量系数即保持常数,亦即流体粘度变
化不影响流量系数。
这数值远低于标准孔板等节流差压式仪表最低雷诺数104~105的要求。
大部分浮子流量计没有上游直管段要求,或者说对上游直管段要求不高。
浮子流量计有较宽的流量范围度,一般为10:
1,最低为5:
1,最高为25:
1。
流量检测元件的输出接近于线性。
压力损失
较低。
玻璃管浮子流量计结构简单,价格低廉。
只要在现场指示流量者使用方便,缺点是有玻璃管易碎的风险,尤其是无
导向结构浮子用于气体。
金属管浮子流量计无锥管破裂的风险。
与玻璃管浮子流量计相比,使用温度和压力范围宽。
大
部分结构浮子流量计只能用于自下向上垂直流的管道安装。
浮子流量计应用局限于中小管径,普通全流型浮子流量计不
能用于大管径,玻璃管浮子流量计最大口径100mm,金属管浮子流量计为150mm,更大管径只能用分流型仪表。
使用流
体和出厂标定流体不同时,要作流量示值修正。
液体用浮子流量计通常以水标定,气体用空气标定,如实际使用流体密度
粘度与之不同,流量要偏离原分度值,要作换算修正。
§2-8靶式流量计
靶式流量计也是一种流体阻力式流量计。
浮子流量计在测量管（仪表表体）中心同轴放置一块园形靶板,当流体冲击
靶板时,靶板上受到一个力F,靶板受力经力转换器转换成电信号,经前置放大,AD转换及计算机处理后,可得到相应的流
量和总量。
靶式流量计的感测件为无可动部件,具有结构简单牢固、安装维护方便、不宜堵塞等特点。
它的应用范围和适应性
很广泛,一般工业过程中的流体介质,包括液、气和蒸汽,尤其是可以测量低雷诺数流量（例如大粘度、小流量等）、含有
固体颗粒的浆液（泥浆、纸浆、砂浆、矿浆等）。
口径范围（DN15以上）,各种工作状态（高、低温,常压、高压）皆可应用,
可以说其应用范围可与孔板流量计相比美。
靶式流量计的准确度高,总量测量可达0.2%R;范围度宽,量程比可达4:
1~
15:
1至30:
1之间;灵敏度高,能测量微小流量,流速可低至0.08m/s。
它可适应高参数流体的测量,压力高达数百公斤,温
度达450℃,并可用于双向流动流体的测量。
靶式流量计的压力损失较低,约为标准孔板的一半;抗上游阻流件干扰能力
强,上游侧直管段长度一般5～10D即可。
它可采取干式（挂重法）校验,给用户周期校验带来方便;直读式仪表无需外能源,
清晰明了,操作简便,亦可输出标准信号（脉冲频率或电流信号）。
靶式流量计的仪表性能价格比高,是一种经济实惠的流
量计。
§2-9超声波流量计
超声流量计是通过检测流体流动时对超声束（或超声脉冲）的作用,以测量体积流量的仪表。
封闭管道用超声流量计
按测量原理分类有:
①传播时间法;②多普勒效应法;③波束偏移法;④相关法;⑤噪声法。
1.优点
超声流量计可作非接触测量。
夹装式换能器超声流量计可无需停流截管安装,只要在既设管道外部安装换能器即可
这是超声流量计在工业用流量仪表中具有的独特优点,因此可作移动性（即非定点固定安装）测量,适用于管网流动状况评
估测定超声流量计为无流动阻挠测量,无额外压力损失。
流量计的仪表系数是可从实际测量管道及声道等几何尺寸计算
求得的,既可采用干法标定,除带测量管段式外一般不需作实流校验。
超声流量计适用于大型圆形管道和矩形管道,且原
理上不受管径限制,其造价基本上与管径无关。
对于大型管道不仅带来方便,可认为在无法实现实流校验的情况下是优先
考虑的选择方案。
多普勒超声流量计可测量固相含量较多或含有气泡的液体。
多普勒超声流量计可测量非导电性液体,
在无阻挠流量测量方面是对电磁流量计的一种补充。
因易于实行与测试方法（如流速计的速度-面积法,示踪法等）相结合
可解决一些特殊测量问题,如速度分布严重畸变测量,非圆截面管道测量等。
某些传播时间法超声流量计附有测量声波传
播时间的功能,即可测量液体声速以判断所测液体类别。
2.缺点和局限性
传播时间法超声流量计只能用于清洁液体和气体,不能测量悬浮颗粒和气泡超过某一范围的液体;反之多普勒法超声
流量计只能用于测量含有一定异相的液体。
外夹装换能器的超声流量计不能用于衬里或结垢太厚的管道,以及不能用于
衬里（或锈层）与内管壁剥离（若夹层夹有气体会严重衰减超声信号）或锈蚀严重（改变超声传播路径）
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