自动化与通信培训教材 现场仪表ppt课件.ppt

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1、第一部分 SCADA系统第一章 管道仪表检测系统,第一节 仪表分类第二节 压力检测仪表第三节 温度检测仪表第四节 流量检测仪表第五节 液位检测仪表第六节 在线分析仪表第七节 其他仪表第八节 管道、仪表流程图（P&ID）,检测与过程控制仪表（通常称自动化仪表）分类方法很多，根据不同原则可以进行相应的分类。例如： 按仪表所使用的能源分类，可以分为电动仪表和气动仪表； 按仪表组合形式，可分为基地式仪表、单元组合仪表和综合控制装置； 按仪表安装形式，可以分为现场仪表、盘装仪表和架装仪表； 根据仪表信号的形式可分为模拟仪表和数字仪表； 随着微处理机的蓬勃发展，根据仪表有否引入微处理机（器）又可以分为智能

2、仪表与非智能仪表。,第一节 仪表分类,检测与过程控制仪表最通用的分类是按仪表在测量与控制系统中的作用进行划分，一般分为检测仪表、显示仪表、调节（控制）仪表和执行器四大类。 检测仪表根据其被测变量不同，根据生产过程五大参量又可分为温度检测仪表、流量检测仪表、压力检测仪表、物位检测仪表和分析仪表（器）等。,管道仪表检测系统分类：压力检测仪表:压力表、压力变送器、差压变送器等 温度检测仪表：玻璃温度计，热电阻、热电偶，一体化温度变送器、智能温度变送器等流量检测仪表：孔板、容积式流量计、超声波流量计、质量流量计等液位检测仪表：浮子液位计、超声波液位计、雷达液位计、磁滞伸缩液位计、液位开关等,5,管道仪

3、表检测系统分类：在线分析仪表:工业色谱分析仪、硫化氢、水露点、烃露点等 其他仪表：加速度振动传感器、振动变送器、可燃气体探测器等,7,PI (Pressure Indicator) 就地压力指示表PT (Pressure Transmitter) 压力变送器DP (Difference Pressure Transmitter)差压变送器TI (Temperature Indicator)就地温度指示表TT (Temperature Transmitter) 温度变送器TE (Temperature Element)温度检测元件（铂电阻或热电偶）,管道仪表检测系统常用仪表符号含义：,8,FT

4、(Flow Transmitter)流量变送器FIQ (Flow Indicator Quantity)流量指示、累计FIA (Flow Indicator Accumulator)流量指示、累计LI (Level Indicator)液位计LT (Level Transmitter)液位变送器 AL (Alarm Low) 低报警AH (Alarm High) 高报警举例：PAH PAHH PAL PALL LAH LAHH LAL LALL,一、压力定义 气体或液体均匀而垂直作用于单位面积上的力（物理学中称为压强），用公式表示为： P = F / S 式中 法定压力计量单位为帕斯卡（简称“

5、帕”）用符号Pa表示， 1帕为1牛顿每平方米，即：1Pa=1 N/ m2 ， 工程上常用KPa(103 Pa)和MPa（106 Pa）来表示，即1 MPa=1106 Pa 。,第二节 压力检测仪表,F均匀而垂直作用的力，N; S受力面积，m2 ; P压力，Pa。,二、压力的表示方式大气压力地球表面上的空气柱重量所产生的压力。其值由地理位置及气象情况所决定。绝对压力液体、气体或蒸汽所处空间的全部压力。表压力以大气压力为基准的压力值，当绝对压力大于大气压力时，它等于绝对压力与大气压力之差。负压或真空度（疏空压力） 当绝对压力小于大气压力时它等于大气压力与绝对压力之差。负压绝对值越大，绝对压力越小，

6、真空度越高。差压两个相关压力之差。它们之间的关系如下图所示。,表压、绝对压力和负压（真空度）关系,三、压力检测的基本原理(1) 利用液体压力平衡原理 通过液体产生或传递压力平衡被测压力从而获得测量结果。如液柱式压力计和活塞式压力计。(2) 利用弹性变形原理 利用各种形式的弹性敏感元件在受压后产生弹性变形的特性进行压力检测。如弹簧管压力表。(3) 利用某些物质的某一物理效应与压力的关系来检测压力 这类仪表的输出均为电信号，又称压力传感器或压力变送器。如电容式压力（差压）变送器，扩散硅式压力（差压）变送器等。,四、主要压力仪表分类与特性,弹簧管压力表的结构： 单圈弹簧管压力表主要由弹簧管、齿轮传动

7、机构（俗称机芯，包括拉杆、扇形齿轮、中心齿轮等）、示数装置（指针和分度盘）以及外壳等几部分组成。,五、弹簧管式压力表,弹簧管压力表工作原理： 被测压力由接头通入，迫使弹簧管的自由端向右上方扩张，自由端的弹性变形位移通过拉杆( 使扇形齿轮作逆时针偏转，进而带动中心齿轮作顺时针偏转，于是固定在中心齿轮上的指针也作顺时针偏转，从而在面板的刻度标尺上显示出被测压力的数值。由于自由端的位移量与被测压力之间具有比例关系，因此弹簧管压力表的刻度标尺是均匀的。,17,现场应用的耐震压力表：,工作原理：与压力表相同，不同的是表盘内充装有硅油，具有耐震性。优点：耐震性好。缺点：室外温度较低时，硅油粘稠，示数滞后，

8、影响读数。,18,目前输油气管道广泛应用的是智能压力变送器，主要安装在进出站管线、分输管线上和干线阀室内。用于检测被测管线内压力，将测得的压力值进行远传及现场显示，远传压力信号用于站控机显示及参与工艺控制和压力保护。 差压变送器与压力变送器的区别是：差压变送器有两个取压点，一个是高压侧，一个是低压侧。,放空阀,液晶显示屏,接线孔,上下游导压管接口,六、压力（差压）变送器,1、智能压力变送器结构 压变主要有传感器、信号放大器、模-数转换器、微处理器、数-模转换器、显示屏等几部分组成。2、智能压力变送器工作原理,压力变送器工作原理框图 （压力或差压）输入信号的变化，使检测单元的电容量与其成比例的变

9、化，经转换单元处理放大后，再经模-数转换器转换成数字信号，在微处理器中进行线性和温度校正后经数-模转换器转换成直流420mA标准电流信号。,3、压力变送器的分类： 压力变送器按不同的转换原理可分为电容式、扩散硅式、应变式等。3.1 电容式压力变送器的工作原理和特点,左图所示是电容式压力变送器的测量部分。 测量膜盒内充以填充液(硅油)，中心感应膜片(可动电极)1和其两边弧形固定电极分别形成电容C1和C2, 当被测压力加在测量侧3的隔离膜片4上后，通过腔内填充液的液压传递，将被测压力引入到中心感应膜片，使中心感应膜片产生位移，因而使中心感应膜片与两边弧形固定电极的间距不再相等，从而使C1和C2的容

10、量不再相等，通过转换部分的检测和放大，转换为420mA的直流电信号输出。,焊接密封圈 1一中心感应膜片(可动电极)； 2一固定电极； 3一测量侧； 4一隔离膜片,特点： 电容式压力变送器具有精度高，其可靠性、稳定性高的优点，由于其测量膜盒的结构特点，使其具有很强的过压能力，能经受振动和冲击，在长输管道上常用来测量介质压力和差压。,工作原理v以N型单晶硅膜片作敏感元件，通过扩展杂质使其形成四个P型电阻,并组成电桥。当膜片受力后，由于半导体的压阻效应，电阻值发生变化，使电桥有相应输出。v传感器结构 由硅膜片及扩散电阻、引线、外壳等组成。传感器膜片上下有两个压力腔。v特点：体积小、重量轻、结构简单、

11、稳定性好、精度高,3.2 扩散硅式压力变送器,一、温度定义 温度是表征物体冷热程度的物理量。 输油气管道上温度检测仪表的应用： 现场就地指示温度仪表应用双金属温度计居多，玻璃温度计采用较少。 远传温度检测仪表应用热电偶、热电阻（或一体化温度变送器），其中三线制铂热电阻应用最广。,第三节 温度检测仪表,工业上常见的温度检测仪表的分类:,双金属温度计玻璃管液体温度计热电偶热电阻辐射式一体化温度变送器,就地指示,在线检测并远传,使用热电阻、热电偶时还应该根据相应的要求确定合适的分度号。,2.1 双金属温度计 应用： 双金属温度计是一种测量中低温度的现场检测测仪表。可以直接测量各种生产过程中的-80+

12、500范围内液体、蒸汽和气体介质温度。 特点： 现场显示温度，直观方便； 安全可靠，使用寿命长； 多种结构形式，可满足不同要求 管道使用的双金属温度计准确度为1.0级、1.5级两种，安装在进出站管线、分输支线及气体调压撬座等位置，用于测量相应位置的介质温度。,双金属温度计工作原理： 在双金属温度计制造时，通常将它的感温元件绕成螺旋形,并将一端固定，另一端连接指针轴，当温度变化时，由于双金属受温度的作用使感温元件的曲率发生变化，通过指针轴带动指针偏转，在仪表刻度盘上直接显示出温度的变化值。,双金属温度计结构示意图,2.2 玻璃管液体温度计使用温度范围: 标准温度计使用范围: -30+300; 工

13、业温度计使用范围: 100+600， 感温液体一般是水银或有机液体。测温原理： 利用感温液体在透明玻璃感温包和毛细管内的热膨胀作用来测量温度。使用方法： 全浸式要将感温包全部浸入被测介质，并达到热平衡后再读数，露出液柱不得大于15mm；视线要与刻度垂直。,2.3 热电阻,应用： 热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器（ 500），目前在长输管道上热电阻温度传感器主要用铂电阻，常用结构类型有隔爆型、铠装型、端面型等。 工业用热电阻的分度号一般为Pt100，Pt10，Cu50，Cu100，铂热电阻的测温的范围一般为零下200800摄氏度，铜热电阻为零下40到140摄氏度。测温原理： 热电阻测温是基

14、于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻温度仪表的测量原理就是温度变化所引起导体电阻的变化，通过测量电桥转换成电压或电流信号，然后送至显示仪表以指示或记录被测温度。 热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线和显示仪表等组成。,热电阻的结构： 金属热电阻由保护套管、电阻体、骨架和引线等部件组成。1、电阻体是温度敏感元件，其材料性能对传感器的好坏有关键性的影响。2、骨架是用来缠绕、支撑或固定热电阻丝的支架，其质量的好坏直接影响热电阻的性能，作为骨架材料，要求其绝缘性能好，比热小，导热系数大，物理化学性能稳定，膨胀系数小，并且有足够的机械强度，常用骨架材料有云母、玻璃、石英、

15、陶瓷、塑料等。3、引线要求引线材料电阻温度系数小，电阻率小，热导率低，和电阻体接触产生的热电势小，化学性质稳定等。常用引线材料是铂、金、银和铜丝，引线形式有二线制、三线制和四线制。4、保护套管 免受腐蚀性介质侵蚀和机械损伤。,玻璃烧结式,陶瓷架式,云母管架式,双线无感绕制,热电阻感温元件的结构图,铠装热电阻的结构图：,铠装热电阻温度传感器由感温元件（电阻体）、带绝缘套管的引出线、绝缘材料、不锈钢套管以及防爆接线盒等组合而成。它的外径一般为28mm。,铠装热电阻与普通型热电阻相比，它有下列优点：体积小，内部无空气隙，热惯性上，测量滞后小；机械性能好、耐振，抗冲击；能弯曲，便于安装使用寿命长。,铜

16、电阻结构,双线无感绕制,薄膜热电阻,陶瓷,铂,真空镀膜法,厚膜7m,薄膜2m,热惯性小！,端面热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制，紧贴在温度计端面，其结构如薄膜热电阻所示。 它与一般轴向热电阻相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。,特点：精度高、稳定性好、性能可靠、易于提纯、复制性好、具有良好的工艺性、可以制成极细的铂丝、电阻率较高；在0C 以上，其电阻与温度的关系接近于直线(其电阻温度系数为3.9103/C )。作用：工业测量,温度的基准、标准仪器。ITS-90国际温标规定，在13.81K961.78的标准仪器为铂电阻温度计。缺点：电阻温度系数

17、小，在高温下，易被污染变脆、价格昂贵。常用铂电阻分度号： Pt1000，Pt100和 Pt10,铂热电阻,优点：线性度好，电阻温度系数大、价格低、精度适中；缺点：100时，易被氧化；测温范围：-50+150。常用铜电阻分度号：Cu100和Cu50,铜热电阻,表示时的电阻值，,电阻温度系数,2.4 热电偶,热电偶温度计以热电偶作为感温元件，一般用于测量500以上的高温(点温），长期使用时其测温上限可达1300，短期使用时可达1600，特殊材料制成的热电偶可测量的温度范围为20003000。如生产过程中的蒸汽温度、加热炉炉膛温度、烟气高温等都是采用热电偶来测量的。 热电偶具有性能稳定、结构简单、使

18、用方便、经济耐用、容易维护和体积小等优点，还便于信号远传和实现多点切换测量。,工作原理：,（一）常用热电偶的材料热电偶的分类：按热电势温度关系分为标准化和非标准化热电偶两类；按电极材料分为金属、半导体和非金属热电偶三类；按电极材料价格分为贵金属和廉价金属热电偶两类；按使用的温度范围分为高温热电偶和低温热电偶两类。标准化热电偶：高温热电偶: 铂铑10-铂热电偶；铂铑13-铂热电偶；铂铑30-铂铑6热电偶；镍铬-镍硅（镍铝）热电偶；中温热电偶:镍铬-铜镍热电偶；铜-铜镍（康铜）热电偶。低温热电偶:镍铬-金铁热电偶; 镍铬-铜铁热电偶,（二）常用热电偶结构,热电偶内外部结构图：,铠装热电偶由热电偶丝

19、、绝缘材料、金属套管三者组合拉制而成。铠装热电偶的优点：（1）动态响应快，时间常数可达0.0ls，而普通热电偶要10180s； (2) 热电偶丝细、体轻，热惯性小，使用方便；（3）挠性好，热电偶经退火后有良好的柔性，弯曲半径仅为其直径的两倍，适于安装在构造复杂的部位；(4)因为它是实体，具有良好的防爆结构；(5)品种多，根据需要可以制成不同长度、不同直径的铠装热电偶，还可制成双芯、多芯，能够同时测量6个不同部位的温度，十分方便。,（三）常用热电偶分度号, 铂铑10-铂热电偶（分度号：S） 镍铬-镍硅热电偶（分度号:K）镍铬康铜热电偶（分度号：E） 铂铑30-铂铑6热电偶（分度号：B）铜-康铜热

20、电偶（分度号：T）,热电偶的分度号有主要有S、R、B、N、K、E、J、T等几种。其中S、R、B属于贵金属热电偶，N、K、E、J、T属于廉金属热电偶。,镍铬-镍硅热电偶（分度号:K）,特点：金属丝直径范围：0.53mm;价格低廉、灵敏度高、复现性好、高温下抗氧化能力强。工业与实验室广泛采用;在还原性或硫化物气体中易被侵蚀。,加热炉上经常使用的K型热电偶：,2.5 温度变送器,（一）温度变送器,35,温度变送器能与常用的各种热电偶和热电阻配合使用,将某点的温度或某两点的温差信号转换成相应的标准直流电流信号输出。 根据输入信号的不同，温度变送器主要有热电偶温度变送器、热电阻温度变送器和直流毫伏变送器

21、三种类型。,热电偶温度变送器和热电阻温度变送器的结构大体上可以分为温度检测元件、输入电路、放大电路和反馈电路,其工作原理框图如下图所示。,37,(二) 一体化温度变送器,38,它是指将变送器模块安装在测温元件接线盒或专用接线盒内的一种温度变送器。,变送器模块的正常工作温度： -20+80,1变送器模块；2穿线孔；3接线盒；4进线孔；5固定螺纹；6保护套管；7测量元件,一体化温度变送器的结构：,(三)智能式一体化温度变送器,39,优点,可以与各种热电偶或热电阻配合使用测量温度； 具有量程范围宽、精度高； 环境温度和振动影响小、抗干扰能力强； 质量轻； 安装维护方便。,56,温度检测元件多数采用P

22、t100三线制铂电阻。电阻值与温度值成正比变化。例如Pt100，0对应的阻值为100，每增加1 ，阻值约增加0.385。,左侧的铂电阻直接将阻值信号送入热电阻输入模块进行检测并显示。右侧的加装有转换单元，把电阻信号转换为420mA直流信号，再送入PLC模块中，在上位机中显示。,罗斯蒙特公司的644温度变送器介绍：,第四节 流量检测仪表,4.1 流量的概念 流经管道或设备某一截面的流体数量。（一）瞬时流量 单位时间内流过管道某截面流体的体积或质量。前者称体积流量，后者称质量流量。（二）累积流量（总量） 在某段时间内流经有效截面的流体数量总和。,（三）体积流量 单位时间内流过管道某截面流体的体积,

23、某截面上某一微小单元面积dA上流动是均匀的，速度为u。流过这个单元面积上的流体流量为 d =udA,仅当整个截面流量分布均匀时才可认为 uA,通过整个截面的流量为,（四） 质量流量 单位时间内流过管道某截面流体的质量。,常用单位：,t /h, kg/h,（五）总量 某段时间内流经有效截面的流体数量的总和。其总量可以用体积和质量来表示。,相应的单位分别为,，L，t，kg,二、流量仪表的分类,二、流量仪表的分类,体积流量仪表1. 速度式流量计：主要以测量流体在管道内的流动速度位测量依据的流量仪表。例如：差压式流量计；转子流量计。2. 容积式流量计：主要利用流体在单位时间内通过固定容积的数目作为测量

24、依据的流量仪表。例如：椭圆齿轮流量计；腰轮流量计。,常用单位：,二、流量仪表的分类,质量流量仪表 主要通过测量流过流体的质量作为测量依据的测量仪表。例如：它具有测量精度不受流体的温度、压力、粘度等变化影响的优点，是一种发展中的流量仪表。例如：差压式质量流量计；微式质量流量计 。,4.2 差压式流量计,简介： 广泛应用于工业生产中检测气体、蒸汽、流体流量。方法简单，没有可动部件，工作可靠，适应性强。组成：节流装置俗称“孔板”（将被测流量转换成差压值）信号传输管线差压变送器（检测差压信号并转换成标准电流信号，由显示仪表显示流量）,一、节流原理节流现象：流体在有节流装置的管道中流动时，在节流装置前后

25、的管壁处，流体的静压力会产生变化的现象，叫节流现象。通过检测差压的变化可知流量的变化。节流装置：设置在管道中能使流体产生局部收缩的节流元件和取压 装置的总称。,在流量测量过程中，流量与差压之间成开方关系。 三、差压的检测利用差压计检测节流装置在管道中前后压差。差压计的形式：膜片式差压计、膜盒式差压计、差压变送器等。,二、流量基本方程式,四、标准节流装置,（一）标准节流元件1.标准孔板：压力损失大，一般只适用于洁净流体介质2.标准喷嘴：压力损失略小于孔板，对带有污垢的流体介质测量较为适宜。3. 文丘利管：压力损失比孔板和喷嘴都小得多，可测量悬浮固体颗粒的液体，较适合大流量测量。但价格昂贵，不适合

26、200mm以下管径流量测量。,四、标准节流装置,（二）取压方式 对同一节流元件，取压位置不同，同一流量下得到的差压大小是不相同的，故流量和差压之间的关系也就随之变化。一般采用三种取压方式: 1.角接取压：紧贴节流元件上、下游两侧端面取压，适用于孔板和喷嘴两种节流装置 2.法兰取压：在距节流元件前后端面各1寸的位置上钻孔取压。此种取压方式仅适用于孔板。 3. 径距取压：在距节流元件前端面上游为1D，下游为D/2处的管道上钻孔取压，其它要求同法兰取压。适用于孔板和喷嘴。,4.3 容积式流量计,定排量流量计（postive displacement flowmeter)简称PDF流量计在流量仪表中精

27、度最高的一类。,采用容积分界的方法，在已知计量容积V0的情况下，测量出转子的转动次数，就可计算出这段时间内流体通过仪表的体积量，从而确定流量。,QN*V0,检测原理：,容积式流量计的种类及工作过程按结构分1. 椭圆齿轮流量计2. 腰轮流量计按信号传递方式分1. 就地指示椭圆齿轮流量计2. 远传显示式椭圆齿轮流量计,椭圆齿轮流量计的工作过程,腰轮流量计,容积式流量计的特点适用于精度高的油类流量的计量，测量精度高，性能稳定，测量过程与介质的温度压力密度的变化无关。为了防止可动部件摩擦，容积式流量计前应加装过滤器。,4.4 质量流量计,分类:直接式推导式：分别检测体积流量和密度，通过乘法器的运算得到

28、质量流量的信号温度、压力补偿式：即检测流体体积、温度、压力，并根据流体密度和温度、压力的关系，通过计算得到补偿后的密度，与流量相乘得到质量流量的信号。,（一）哥里奥利质量流量计,工作原理：哥里奥利质量流量计，简称CMF。是利用流体在直线运动的同时处于一旋转系中，利用哥里奥利原理制成，产生与质量流量成正比信号的一种直接质量流量仪表 。主要性能：可直接测量气体、流体的质量流量，有很高的精确度。不受温度、压力、粘度影响，也可测量多相流体等的质量流量；不能用于测量低密度介质，对外界振动较为敏感；不能用于较大口径(150mm)以下；价格昂贵。,（一）哥里奥利质量流量计,构成：传感器（U型管、T形簧片、位

29、置检测器、电磁激发器)远距离电子装置（将时间差转换为标准电流）显示仪表,（一）哥里奥利质量流量计结构示意图,微动流量计,工作原理,1、哥里奥利效应,2、工作原理,3、基本方程式,4、扭转角的检测,微动流量计,基本方程式K U形管系统的扭转弹性系数；U形管扭转变形角；U形管的转动角速度；L U形管的长度。,微动流量计特点：输出信号与质量成线性关系不受流体温度、压力、密度、流速等影响检测精度高（0.2）可靠性高，维护量小耐腐蚀既可输出模拟信号，又可输出频率信号，便于和计算机相连，并可构成本质安全系统。价格昂贵,1、涡轮流量计的组成,涡轮流量计由涡轮流量变送器和显示仪表组成。涡轮流量计包括涡轮、导流

30、器、磁电感应转换器、外壳及前置放大器等部分 。,.5 涡轮流量计,2、特点:(1)精度高：基本误差在0.251.5%之间；(2)量程比大：一般为10：1；(3)惯性小：时间常数为毫秒级；(4)耐压高：被测介质的静压可高达l0MPa；(5)使用温度范围广：有的型号可测-200的低温介质的流量，有的可测400度的介质的流量；(6)压力损失小：一般为0.02MPa；(7)输出是频率信号：容易实现流量积算和定量控制；(8)流体中不能含有杂质，否则误差大，轴承磨损快，仪表寿命低，故仪表前最好装过滤器；不适于测粘度大的液体。,3、工作原理,涡轮流量计是由变送器和显示仪表组成 。,当被测流体流过传感器时，在

31、流体作用下，叶轮受力旋转，其转速与管道平均流速成正比，叶轮的转动周期地改变磁电转换器的磁阻值。检测线圈中磁通随之发生周期性变化，产生周期性的感应电势，即电脉冲信号，经放大器放大后，送至显示仪表显示。,涡轮流量计原理方框图,4、ELSTER TRZ型气体涡轮流量计的结构示意图,涡轮流量计目前应用在自用气橇上，计量站内压缩机及生活耗气量。 现场表盘上显示的是工况体积流量累计值。同时输出脉冲信号到控制室内的流量计算机，以计算标况体积流量。,1.气体超声波流量计量系统简介,4.6 气体超声波流量计,1.1 基本概念,1、超声波计量系统的任务 准确测量经过在气体输送管道中安装的超声波流量计的天然量2、天

32、然气的特性 可压缩性，根据天然气所受压力、温度和天然气组成的不同，其可压缩的程度也不同3、怎样衡量天然气的量 A 体积计量：将经过超声波流量计的、在实际输送状况下的天然量转换为某一指定状态（标准状态）下的天然量 B，能量计量：将经过超声波流量计的、在实际输送状况下的天然量转换为该气量燃烧后可以发出的热量,Daniel Ultrasonic Slide 93,RS485 或脉冲接收工况流量,RS232/RS485色谱的分析数据,温度&压力数据,标况流量,总能量,天然气组分及管理所需的信息,与上位机数字通信,包括所有诊断和报警信息,天然气计量系统的基本组成,Daniel Ultrasonic Sl

33、ide 94,天然气计量系统的基本组成,1.2天然气计量系统的基本组成,1、工况流量测量仪表（如气体超声波流量计）用于测量在管道中实际输送状态下的天然气流量2、温度、压力测量仪表（如温度、压力变送器）用于测量管道实际输送气体的状态3、天然气组成分析仪表（如气相色谱分析仪）分析管道中输送的天然气成份，用于计算天然气的可压缩程度或天然气的可发热程度4、计量二次仪表（如流量计算机） 综合上述测量结果，计算出满足贸易交接要求的量值。,1.4 超声波的概念,超声波是高频率的声波人类可以通过听觉感知到的声波频率范围从0.02到 20kHz超声波的频率在 20kHz以上超声波流量计的工作频率是100-200

34、 KHz 为什么使用超声波?能够聚焦成一束光在管道经常产生的干扰频率(0.06kHz)之上,1.3 气体超声流量计的特点： 高压、大流量、高精度、双向流、抗干扰性强、无可动部件、无压损、量程比宽。,2.气体超声流量计工作原理,2.1 基本原理 用于天然气流量测量的超声流量计使用的是传播时间法。 下图为直射式超声流量计的工作原理示意图。,顺流传输时间 .004,L,Flow,X,D,逆流传输时间 .007,.003,脉冲发生器,接收单元,检测单元,时钟,本安型传感器信号检测回路,100 MHz 晶振,120 kHz 超声波信号,( 大大给予调节阀的干扰频率60 kHz),时间直通式测量原理,任意

35、一对传感器,tu =,L,c v.cos,td =,L,c + v.cos,L,Flow,X,D,超声波流量计流量方程,t=L/C (无气流时）,（逆流）,（顺流）,流量与流体的流速和截面积有关,流量=流速*截面积,Daniel UltrasonicSlide 103,将流速简化为三个区域,Profile and Area Representation,QA (K V) （工况流量）,QAV （工况流量）,3.结构3.1 一次仪表：表体、探头（换能器）、信号处理单元（SPU）。,3. 结构,3.1 一次仪表 3.1.1 表体 表体是经特殊加工,用于安装换能器、信号处理单元以及压力变送器的装置。

36、 3.1.2 换能器 换能器是把声能转换成电信号和反过来把电信号转换成声能的元件。气体超声流量计采用既能发射又能接收超声波脉冲（频率大于20000Hz的声波）的超声换能器作为检测元件。这种换能器成对地安装在管壁上。,超声波流量计探头,丹尼尔换能器特点：,1，高频率，低功耗，低电压工作，高效，安全2，灵敏度高3，可以在线带压更换，更换电缆不影响工作及精度4，适用广泛5， 结构紧凑，插入表体浅，不易受污垢影响，寿命长,3.1.3信号处理单元 (SPU) 信号处理单元（SPU）是实现控制超声换能器工作、AGC自动增益的调节、处理超声换能器接受的信号、判断信号有效性、计算工况体积流量、与流量计算机通讯

37、等功能的电子单元。,3.2二次仪表：压力变送器、温度变送器和流量计算机。主要功能有根据流量、压力、温度和天然气组成分析数据进行体积转换、标准及不同流量单位的换算，流量累积及数据输出等。其流量修正方法是以实验数据为基础，压力、温度等多种影响因素综合修正的矩阵插值方法。,FC2000型流量计算机,4. 分类,根据换能器多少，目前气体超声流量计有一至六声道流量计； 根据声道的布置方式，可将气体超声流量计分为三类：对角声道式、平行声道式和反射声道式; 根据超声波在管壁上的反射情况，又可分为直射、单反射和双反射三种。 A 声道：两个超声传感器间的超声信号的实际路径。通常一个声道有两个探头（一对）。目前有

38、单声道、双声道、三声道、四声道、五声道、六声道。 B 声道布置： 三种布置方式： 对射式：声道经过垂直于轴件的截面中心，采取多个对角布置的声道，其流量按各个声道速度流量值的平均值计算；,平行声道式： 采用多个（一般不多于6个）相互平行的声道，根据不同的流速分布确定权重系数，采用不同的数字积分方法（如高斯 积分方法）计算多声道的定位及其流量；反射声道式流量计：采用矩阵布置，反射声道网络，这些声道网络 能另外给出流速和流动变形的信息，分单反射、双反射等。,结构单声道流量计,一般都采用单反射技术，计量不确定度为1.02.0%。,结构双声道流量计,Daniel 采用的是直射技术，不确定度为1.01.5

39、%；Instromet采用的是双反射技术，不确定度为0.71.0% ；Controlotron采用的是单反射技术，不确定度为0.5%。,结构双声道流量计,结构双声道流量计,结构三声道流量计,Instromet采用的是一个单反射和两个双反射技术， Controlotron采用单反射技术，不确定度为0.50.7% 。,结构三声道流量计,结构四声道和五声道流量计,四声道流量计： Daniel 采用的是直射技术，不确定度为0.5%左右。五声道流量计：目前只有Instromet公司推出此产品，有三个声道采用单反射技术，两个声道采用旋转方向相反的双反射技术，对旋涡流的流量测量准确度较高，不确定度为0.30

40、.5% 。,结构五声道流量计,结构五声道流量计,结构六声道流量计,第五节 液位检测仪表,5.1 定义：在容器中液体介质的高低叫液位。,5.2 磁翻柱液位计,工作原理： 根据浮力原理和磁性耦合作用工作的。 当被测容器中的液位升降时，液位计主导管中的带有磁铁的浮子也随之升降，浮子内的永久磁钢通过磁耦合传递到现场指示器，由于磁性的吸引，使得带有磁铁的红白两面分明的翻板产生翻转180,当液位上升时,翻柱由白色转为红色，红、白界位处为容器内介质液位的实际高度，从而实现液位的指示。,磁翻柱液位计特点： 液体介质与指示器完全隔离，所以在任何情况下都非常安全、可靠、耐用； 各种型号的磁翻柱液位计配上液位变送器

41、，可实现液位的上、下限越位报警，控制或联锁。,磁翻柱液位计的应用介绍:,顶装式磁翻柱液位计一般用法兰安装固定在污油罐的顶盖上，用来测量污油罐内的液位。 当液位上升时,翻柱由白色转为红色，红、白界位处为污油罐内介质液位的实际高度，从而实现液位的就地指示。与之配套使用的是液位变送器实现液位的远传显示和控制。 输气管线上过滤分离器的积液包都安装有磁翻柱液位计，用来观察积液包中的液体情况。从而可知气质的好坏。,5.3 液位控制器,浮球液位控制器： 由测量和输出两部分组成，当液位变化时，浮球随之上下移动，从而使磁钢摆动。根据磁性同性相斥原理，使触点接通或断开。当液位高于上限时，触点接通报警，远方报警显示

42、红色。,第六节 在线分析仪表,6.1 工业色谱分析仪,1、工业色谱仪基本组成,样品定量管,进样阀,样品,入口,出口,检测器,色谱柱,温度控制等温箱,大气排放,色谱图,载气,2、色谱各主要部件的功能,所需基本设备 目的,。载气。进样阀。色谱柱 。检测器。控制器和信号处理器。温度控制箱,传送进样样品通过气相色谱,每个周期进一被测样品进入气相色谱,分离样品为单个组份,检测分解的组份,控制分析周期以及测量组份,维持箱体设计温度便于最优操作,3、色谱仪的分类：,移动相 固定相气体 液体 气液色谱（GLC)气体 固体 气固色谱 (GSC)液体 液体 液液色谱（LLC)液体 固体 液固色谱（LSC),ABB

43、产品,4、色谱柱分类：,毛细管柱、微填充柱、填充柱。,1）毛细管柱其优点是快速，柱效高。其自身构造为熔溶硅胶管，内径为0.15mm - 0.53mm。表面涂有聚合物，以增强伸展性和灵活性。但其易被撞碎。二种柱型：1）多孔管：固相被涂于管壁内，其厚度为5 - 50 微米。 2）壁涂管2）微填充柱：3）填充柱：最常见的柱型,C2,C4,C1,C3,0秒,C2,C4,C1,C3,15秒,C2,C4,C1,C3,30秒,C2,C4,C1,C3,60秒,C2,C4,C3,90秒,C4,C3,120秒,t,C4,150秒,色谱图,mV,色谱柱的工作示意图,色谱柱,被测混合气体,1）气体溶于液体/固体2）温

44、度增加使气体的溶解度下降3）由于各自的蒸气压不同，不同的气体在同一种液体中的溶解度不同而停留时间不同，使混合气体分离。影响因素：1）箱体温度2）载气流速3）固定箱的粒度4）固体担体上的液相5）色谱柱的长度,载气目的： 移动相，传送进样通过色谱系统必须是：干燥，高纯， 不活泼气体。 常用为-N2, H2, He。N2: 最常用的载气，不贵，不可燃。H2: 不贵，很好的色谱特性，可燃。He: 贵，很好的色谱特性，不可燃。40升的钢瓶载气约可是用30天/每瓶。%级 - 99.99%（4N)ppm级 -99.995%(4N5)低于 20ppm -99.9995%(5N5)特别注意：1）当使用分子栅柱时

45、，必须去除水和二氧化碳。 2）当测量一氧化碳和二氧化碳的值低于20ppm时，相关的含量必须低于0.5ppm和0.1ppm.,1ppb,10ppb,100ppb,1ppm,10ppm,100ppm,1000ppm,1%,10%,100%,F I D（丁烷和已烷灵敏度氢火焰离子化检测器 ）,TCD(热导检测器 ，常量、半微量分析，有机、无机物均有响应),F P D（火焰光度检测器，有机磷、含氮化合物微量分析）,P I D（光离子化检测器，用于对有毒有害物质的痕量分析）,常用的色谱检测器及响应范围,硫化氢分析仪被广泛应用于天然气管道对H2S进行在线连续监测。 低浓度H2S分析仪，是一种在线式，体积小

46、，价格低，性能可靠，快速响应，采用紫外线法，应用光学系统，对低浓度H2S ，COS(羰基硫）,MeSH（甲基硫醇）进行连续精确测量的分析仪器。 以成熟技术，积累了数年在线成功经验的AMETEK 的933型低浓度硫化氢分析仪介绍。 1、 933型低浓度硫化氢分析仪特点：内置24小时自动校零功能，保证抗干扰能力，克服漂移，连续可靠监测。量程宽广-标准范围0-25ppmv或0-100ppmv的范围对硫化氢进行测量 低范围：0-5ppmv,0-50ppmv,6.2 硫化氢分析仪,采用微处理器控制： 自动校零功能，采用智能人性化接口，自检验，继电器触点报警,以及采用串行通信口。 连续采样气，实现在线连续

47、监测。 专业设计用于危险区域适用于Class 1,Division1,Groups C&D和 Class 1,Zone1,Exd 11BT3C；KEMA认证，危险区域：EEX d 11BT3.。 同时可监测：多组分气体： H2S S,COS, MeSH 。,2、933分析仪技术参数,标准范围：H2S 0-25ppmv,0-100ppmv ;COS 0-100ppmv,0-500ppmv MeSH 0-50ppmv,0-250ppmv低浓度范围:H2S 0-5ppmv,0-50ppmv;COS 0-25ppmv 0-250ppmv MeSH 0-15ppmv 0-100ppmv标准范围测量精度：

48、2%全量程；低范围： 5%全量程标准范围测量零漂： 2%全量程；低范围: 5%全量程温度漂移：H2S 0.5ppmv/10C;COS 2.00ppmv/10C;MeSH 1.00ppmv/10C灵敏度：0.5%全量程交互干扰：COS 和MeSH对测量H2S 浓度的干扰2% COS 和MeSH总和样气要求：甲乙烷浓度大于85%，丙烷小于3%，丁烷小于1.25%，C5+小于0.5%,2、933分析仪技术参数,零点气：零点气选用高纯度CO2, N2,或高纯度甲烷。24小时自动校零一次。样气压力:80 psi 3000psi,最大2000psi;根据过滤组件样气流速：2.5l/min(5scfh)输出

49、： 4路隔离的4-20mA 输出，即可环路也可自供电。 4路非隔离的1-5V输出，5个独立SPDT常闭触点，2A,250VAC数据通讯：RS-485 Modbus,RS-232/RS-485 Service port电气要求：115VAC 10%,47-63HZ; 230VAC 10%,47-63HZ最大开车功率：平均值210W,根据环境温度环境温度：0-50C;湿度：0-95%RH;高度:2000米,3、933分析仪测量原理,933是基于紫外线照射分光吸收原理。 物质分子在特定波长吸收光，当紫外线照射通过样气室，使用Beer-Lambert贝尔兰贝特定律，就可知道组分气体分子浓度。,使用光学

50、及滤镜系统利用特定的波长进行测量气体含量,利用214NM测量H2S含量，利用228NM测量COS含量。,利用249NM测量MeSH含量，326NM测量两个灯源NDR含量.,4、933分析仪组成,光学分析系统（Optical Bench System)微处理器电子控制系统（Micro Processors and Electronics Control)样气处理系统（Sample Handing System)933软件组态系统（Model 933 Configurator Software),1、可燃气体探测器的作用：测定空气中可燃气体的体积百分含量，并转换成电信号，传送到报警器发出报警信号。