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1、内蒙古工业大学课程设计说明书0第 一 章 流 量 测 量 装 置 单 元1.1 节流装置 节流变压降流量计的工作原理是，在管道内装入节流件，流体流过节流件的时候流束收缩，于是在节流件前后产生差压，对于一定的形状和尺寸的节流件，一定的测压位置和前后直管段情况，一定参数的流体，节流见前后的差压随流量的改变而改变俩者之间有确定的关系，因此可一通过差压来测量流量。节流件常用的有孔板和喷嘴，本实验中采用孔板。节 流 式 流 量 计 通 常 由 能 将 流体 流 量 转 换 成 差 压 信 号 的 节 流 装 置 及 测 量 差 压 并 显 示 流 量 的 差 压 计 组 成 标准节流装置包括节流件及其取
2、压装置、节流件上游侧第一个阻力件、第二个阻力件、下游侧第一个阻力件以及在它们之间的直管短段，节流装置如图 1-1 所示。全开闸阀节流件图 1-1 整套节流装置示意1.2 节流件安装标准孔板的开口直径 d 是一个重要的尺寸，应实际测量，孔板的安装要求如下：（1）节流件前后的直管段必须是直的，不得有肉眼可见的弯曲。 （2）安装节流件用得直管段应该是光滑的，如不光滑，流量系数应乘以粗糙度修正稀疏。 （3）为保证流体的流动在节流件前 1D 出形成充分发展的紊流速度分布，而且使这种分布成均匀的轴对称形，所以 内蒙古工业大学课程设计说明书11）直管段必须是圆的，而且对节流件前 2D 范围，其圆度要求其甚为
3、严格，并且有一定的圆度指标。具体衡量方法： （A）节流件前 OD，D/2，D，2D4 个垂直管截面上，以大至相等的角距离至少分别测量 4 个管道内径单测值，取平均值 D。任意内径单测量值与平均值之差不得超过0。3% （B）在节流件后，在 OD 和 2D 位置用上述方法测得 8 个内径单测值，任意单测值与D 比较，其最大偏差不得超过2% 2）节流件前后要求一段足够长的直管段，这段足够长的直管段和节流件前的局部阻力件形式有关和直径比 有关，见表 1（=d/D, d 为孔板开孔直径，D 为管道内径） 。 （4）节流件上游侧第一阻力件和第二阻力件之间的直管段长度可按第二阻力件的形式和 =0。7（不论实
4、际 值是多少）取表一所列数值的 1/2 （5）节流件上游侧为敞开空间或直径2D 大容器时，则敞开空间或大容器与节流件之间的直管长不得小于 30D（15D）若节流件和敞开空间或大容器之间尚有其它局部阻力件时，则除在节流件与局部阻力件之间设有附合表 1 上规定的最小直管段长1 外，从敞开空间到节流件之间的直管段总长也不得小于 30D（15D） 。 1.3 取压方式取压方式采用法兰取压装置，法兰取压装置如图 1-2 所示，孔板夹在俩个特质的法兰之间，其间加俩片垫片，厚度不超过 1mm，上游取压中心线与节流装置的距离 l=25.4mm 下游取压中心线与节流装置的距离 l=25.4mm，取压孔必须符合单
5、独钻孔取压的全部要求，取压孔中心线必须与管道中心线垂直。图 1-2 法兰取压内蒙古工业大学课程设计说明书2第二章 流量到差压的变换流量 q 通过节流装置如孔板、喷嘴得到与差压的关系，差压与流量成平方关系:Kq2。节流变压降流量计的显示仪表就是测量差压的仪表差压计。目前使用最多的是双波纹管式差压计电动力平衡式与电容式差压变送器。双波纹管式差压计如图 2-1所示。图 2-1 双波纹管式差压计工业上流量测量用差压计的标尺一般都以流量值分度，并刻出最大流量处的差压值。改变节流件的类型和尺寸，或者改变被测介质的种类和参数都必须重新分度标尺。这是由于分度关系去 Qm=K 中的常数 K 在上述情况下发生了变
6、化。P由于流量与差压之间为平方关系，因此差压计的标尺上的流量刻度是不均匀的，在流量相对较小时相对误差会迅速增大。因此，流量测量范围常限于 1/3（或 1/4） 标尺上限流量至标尺上限流量之间。 内蒙古工业大学课程设计说明书3第三章 差压变送器2.1 力平衡式差压变送器的构成力平衡式差压变送器的构成方框如图 2-1 所示，它主要包括测量部分、杠杆系统、位移检测放大器及电磁反馈机构。测量部分将被测差压P i转换成相应的输人力 p，图 2-1 力平衡式差压变送器构成方框图该力与电磁反馈机构输出的作用力 F。一起作用于杠杆系统，使杠杆产生微小的偏移，冉经位移检测放大器转换成统一的直流电流输出信号。这类
7、差压变送器是基于力矩平衡原理工作的，它是以电磁反馈力产生的力矩去平衡输入力产生的力矩。由于采用了深度负反馈，因而测量精度较高，而且保证了被测差压P i和输出电流 I。之间的线性关系。在力平衡式差压变送器的杠杆系统中，目前已广泛采用了固定支点的矢量机构，并用平衡锤使副杠杆的重心与其支点相重合，从而提高了仪表的可靠性和稳定性。下面就以这种变送器为例进行讨论。变送器的主要性能指标基本误差一般为士 0.25%，低差压为士 1%，微差压为士 1.5% 、土 2.5%。变差为士 2.5%，灵敏度为土 0.05%，负载电阻为 250-350。2.2 力平衡式差压变送器的原理差压变送器的工作原理可以用结构示意
8、图 2-7 来说明。被测差压信号 P1 、P 2分别引人测量元件 3 的两侧时，膜盒就将两者之差(P i)转换输人力 Fi。此力作用于主杠杆的下端，使主杠杆以轴封膜片 4 为支点而偏转，并以力 F1沿水平方向推动矢量机构 8。矢量机构 8 将推力 F1，分解成 F2和 F3，F 2使矢量机构的推板向上移动，并通过连接簧片带动副杠杆 14，以 M 为支点逆时针偏转。这使固定在副杠杆上的差动变压器 13 的检测片(衔铁)找靠近差动变压器，使两者间的气隙减小。检测片的位移变化量通过低频位移检测放大器 15 转换并放大为 4-20mA 的直流电流 I。 ，作为变内蒙古工业大学课程设计说明书4送器的输出
9、信号。同时，该电流又流过电磁反馈机构的反馈动圈 16，产生电磁反馈力 Ff，使副杠杆顺时针偏转。当反馈力 Ff，所产生的力矩和输入力 Fi所产生的力矩平衡时，变送器便达到一个新的稳定状态。此时，放大器的输出电流 I。反映了被测差压P i的大小。图 2-7 力平衡式差压变送器结构示意图图 2-8 变送器信号传输方框图根据上述工作原理可以画出如图 2-8 所示的变送器信号传输方框图（设迁移弹簧未起作用） 。图中各符号代表意义如参照图 2-7 和杠杆系统受力图(图 2-9)。它分别表示如下:A膜片有效面积; l1,l2F1F2到主杠杆支点 H 的力臂;l3,l0,lfF2,F0,Ff到副杠杆支点 M
10、 的力臂; l4检测片 12 到副杠杆支点 M 的距离;tan 矢量机构的力传递系数， 为矢量角;Al1/2tanl3Mi lf K2K1lo f+Pi Fi F1 -f Ff IoSFo内蒙古工业大学课程设计说明书5K1副杠杆力矩一位移转换系数;K2低频位移检测放大器位移一电流转换系数;Kf电磁反馈机构的电磁结构常数图 2-9 杠杆系统受力图在差压变送器的放大系数(k 1k2)和反馈系数和(l fKf)的乘积足够大的情况下，当变送器处于稳定状态时，将满足力矩平衡关系，即：Mi+M0M f Ml被测差压信号P l产生的输入力矩;M。调零弹簧产生的力矩;Mf输出电流 I。产生的反馈力矩。由图 2
11、-9 可知，各项力矩为 tan231ii pAl0F(2-3) 0IlKMff内蒙古工业大学课程设计说明书6将式(2-3)代人式(2-4)，可求得变送器输出与输人之间的关系为（2-002310tanFKlpFKlplAI fifif 4）式中 Kp比例系数。式(2-4)表明以下几点: pKflA231tan(l)在满足深度负反馈的条件下，变送器输出与输人间的关系取决于测量部分和反馈部分的特性，当仪表结构尺寸确定后，输出电流 I。与输入差压P i成比例关系。(2)式（2-4）中，(l 0/lfKf)F0一项用以确定变送器输出电流的起始值。对型变送器而言，该项使输出为 4mA。改变调零弹簧作用力
12、F。可调整变送器的零点。(3)比例系数 Kp中的 tan 和 Kf两项可变，故调整变送器的量程可通过改变矢量角和电磁结构常数来实现。(4)由式(2-4)可知，改变量程会影响变送器的零点，而调整零点又对变送器的满度值有影响，故在力平衡差压变送器调校时，零点和满度值应反复调整。(1)测量部分 测量部分的作用是将被测差压信号P i转换成输人力 Fi，它由高、低压室及膜盒、轴封膜片等部分组成。膜盒是完成转换功能的主要部件，它的结构如图 1-5 所示。当被测差压作用于膜盒两侧时，膜片 2 和硬芯 3 同时向右移动，迫使膜盒内充灌的硅油沿孔向右移动，并在连接片 6 上产生集中力(输人力)F i。当P i逐
13、渐加大，超过额定差压时，膜片与机座接触，两者波纹完全吻合，起到单向过载保护作用。膜盒采用双膜片结构，可减小温度的影响。由于环境温度变化时，每个膜片的有效面积和刚度都在变化，使用匹配成对的膜片，其变化大小相同、方向相反，故可相互补偿。膜盒内的硅油热膨胀系数较小、凝固点低以及不可压缩的特性，使膜盒具内蒙古工业大学课程设计说明书7有良好的温度性能和耐压性能。此外，硅油还起阻尼作用，可提高整机的稳定性。(2)杠杆系统 杠杆系统是差压变送器中的机械传动和力矩平衡部分，它的作用是把输人力 Fi所产生的力矩与电磁反馈力 Ff所产生的勺矩进行比较，然后转换成检测片的位移。该系统包括主、副杠杆及调零和零点迁移机
14、构、扑压调整和过载保护装置、平衡锤以及矢量机构，参见图 2-2。图 2-2 膜盒结构调零和零点迁移机构如前所述，变送器的零点由调零弹簧来训整。零点迁移则通过调节迁移弹簧来实现的，迁移弹簧对主杠杆施加一迁移力 F0，此时变送器输人与输出间的关系仍可用前述的推导方法算得。设 F0到主杠杆支点的距离为 l0则有0I 02013tan)F(KllpAl ffi ，= （2-1）)(01，lKip 0lf式（2-1）中各符号意义已在工作原理部分说明。因迁移力 F0的作用方向可变， 即可通过压缩或拉伸迁移弹簧，使其值为正或为负，故式中迁移项 之前有正负,01,Al号。由式(2-1)可知，只要改变迁移力的大
15、小和方向，变送器便可在一定范围内实现正向或负向迁移。内蒙古工业大学课程设计说明书8在对变送器进行零点迁移时应注意，迁移后被测差压的上限不能超过该表所规定的上限值，迁移后的量程范围也不得小于该表的最小量程。顺便指出，在有些变送器中，迁移弹簧和调零弹簧是同一根，因为迁移和调零都是使变送器输出的起始值与测量起始点相对应，只不过零点调整量通常较小。而零点迁移量则比较大。静压调整和过载保护装置 这两个装置可用图 2-3 来说明。静压调整装置见图 2-3(a)用以克服变送器的静压误差。静压误差是指被测介质静压力的作用而产生的一项附加误差。它具体表现在:当测量部分膜盒两侧同时受到静压力的作用而无差压时，变送
16、器的输出并非为与零点相对应的起始值。由于此项附加误差的存在，变送器在现场运行时，即使输人差压没有变化，但静压的波动也会使仪表的输出发生变化，这就增大了测量误差。因此静压误差必须调整在一定范围之内。产生静压误差的主要原因是，膜盒两侧的膜片有效面积不等以及主扛杆、拉条等装配不正，这会使静压力产生一个附加力矩见图 2-3(b)，从而使仪表的零点发生变化，造成附加误差。为了消除这一误差，在主杠杆上方转动静压调整螺钉 8 可改变拉条和主杠杆的相对位置见图 2-3(b)。因拉条和主杠杆的支点 D 和 H 分别在不同的高度，故当静压力 P 向上作用时，p 分解为两个分力 P1和 P2。图 2-3 静压调整、过载保护装置
