压力、液位、流量测量

压力测量及压力参数在液位、流量测量中的应用压力测量基本概念•压力：所谓的压力就是指垂直作用于单位面积上的力，用符号P表示。•在国际单位制中压力的单位是帕斯卡（简称帕，用符号Pa表示，1Pa=1N/m2）单位名称1标准大气压（atm）1工程大气压（kgf/cm2）1毫米水柱（mmH2o）1毫米汞柱（mmHg）1帕斯卡（Pa）1标准大气压（atm）1工程大气压（kgf/cm2）1毫米水柱（mmH2o）1毫米汞柱（mmHg）111111.01325×1059.80665×10-59.80665133.3229.86924×10-61.01972×10-51.01972×10-17.50064×10-31.31579×10-31.35951×10-313.59510.735562×10-1735.5621000076010332.21.033230.967849.6784×10-51×10-4部分压力单位的换算关系1帕斯卡（Pa）由于参考点不同，在工程上又将压力表示为如下几种：（1）差压ΔP：两个压力之间的相对差值。（2）绝对压力Pabs：是指相对于绝对真空所测得的压力。（3）表压Pg：是指绝对压力与当地大气压力之差。（4）负压Pv：是指当绝对压力小于大气压力之时，大气压力与绝对压力之差。PabsPgPvPabsPatm大气压力线0各种压力之间关系示意图弹簧管压力表电接点压力表•电接点压力表广泛应用于石油、化工、冶金、电站、机械等工业部门或机电设备配套中测量无爆炸危险的各种流体介质压力。通常，仪表经与相应的电气器件（如继电器、PLC输入模板等）配套使用，实现自动控制或报警的目的。压力开关•压力开关可以广泛用于石油、化工、冶金、电力、供水等领域中对各种气体、液体的表压、绝压的测量控制，是工业现场理想的智能化测控仪表。压力变送器压力检测仪表的选择与校验一、压力检测仪表的选择仪表量程的选择被测压力较稳定：最大工作压力不应超过仪表满量程的3/4被测压力波动较大或测脉动压力：最大工作压力不应超过仪表满量程的2/3为保证测量准确度：最小工作压力不应低于满量程的1/3优先满足最大工作压力条件压力发生部分测量部分HART协议•HART协议最初由美国Rosemount公司开发，已应用了多年。HART协议使用FSK技术，在4—20mA信号过程量上叠加一个频率信号，成功地把模拟信号和数字信号双向通讯，而互不干扰。•HART协议的物理层规定了信号的传输方法、传输介质。采用Bell202标准的FSK频移键控信号在低频的4—20mA模拟信号上叠加一个频率数字信号进行双向数字通信。数字信号的幅度为0.5mA，数据传输率为1200bps，规定1200Hz代表逻辑“1”，2200Hz代表逻辑“0”HART协议采样定理•采样定理是美国电信工程师H.奈奎斯特在1928年提出的，采样定理说明采样频率与信号频谱之间的关系，是连续信号离散化的基本依据。定理说明•采样过程所应遵循的规律，又称取样定理、抽样定理。采样定理说明采样频率与信号频谱之间的关系，是连续信号离散化的基本依据。•在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率fs.max大于信号中最高频率fmax的2倍时(fs.max2fmax)，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的5～10倍；采样定理又称奈奎斯特定理定理历程•1924年奈奎斯特(Nyquist)推导出在理想低通信道的最高码元传输速率的公式。•1928年美国电信工程师H.奈奎斯特推出采样定理，因此称为奈奎斯特采样定理。•1933年由苏联工程师科捷利尼科夫首次用公式严格地表述这一定理，因此在苏联文献中称为科捷利尼科夫采样定理。•1948年信息论的创始人C.E.香农对这一定理加以明确地说明并正式作为定理引用，因此在许多文献中又称为香农采样定理。采样定理有许多表述形式，但最基本的表述方式是时域采样定理和频域采样定理。阻尼及阻尼时间•阻尼（英语：damping）是指任何振动系统在振动中，由于外界作用或系统本身固有的原因引起的振动幅度逐渐下降的特性，以及此一特性的量化表征。在电学中，是响应时间的意思。•变送器的阻尼时间，大部分厂家在产品在出厂时一般设定为1秒，对于常规检测是较为合适的。对于较大波动的测量场合，可以将阻尼时间加大一点，但不要为了追求测量值稳定而任意加大阻尼时间，这样可能会妨碍及时测量一些突发的异常值。压力参数在液位测量中的应用差压式液位计PT+-hPqP1P2ρ测量原理•上图为闭口容器液位测量示意图，设被测液体的密度为ρ，容器顶部的气相介质，气相压力位Pq（若是敞口容器，则Pq为大气压力Patm）。根据静力学原理有P2=Pq，P1=Pq+ρgh，此时输入差压变送器正、负压室的压差为Δp=P1-P2=ρgh当被测介质的密度一定时，其差压与液位的高度成正比，测得压差即可测得液位。变送器零点的正负迁移•在实际应用中，会出现两种情况：1、差压变送器的取压口低于容器底部PT+-hPqP1P2h1ρ•对于上图所示的情况，输入变送器的差压为Δp=P1-P2=ρgh+ρgh1由上式可见，当h=0时，Δp=ρgh1≠0，变送器的输出大于4mADC信号。为了使h=0时变送器的输出仍为4mADC信号，需要通过零点迁移达到上述目的。由于ρgh1＞0,所以称为正迁移2、被测介质具有腐蚀性，差压变送器的正、负压室与取压口之间需要分别安装隔离罐PT+-hPqP1P2h1h2ρ1ρρ1•对于此种情况，由图中所示可知，设隔离液的密度为ρ1＞ρ，则差压变送器测得的差压为Δp=p1-p2=ρgh+ρ1g（h1-h2）由公式中可以看出，ρ1g（h1-h2）＜0所以需要进行负迁移。压力参数在流量测量中的应用伯努利方程•丹尼尔·伯努利在1726年提出了“伯努利原理”。这是在流体力学的连续介质理论方程建立之前，水力学所采用的基本原理，其实质是流体的机械能守恒。即：动能+重力势能+压力势能=常数。其最为著名的推论为：等高流动时，流速大，压力就小。•伯努利原理往往被表述为这个式子被称为伯努利方程。式中p为流体中某点的压强，v为流体该点的流速，ρ为流体密度，g为重力加速度，h为该点所在高度，C是一个常量。它也可以被表述为•需要注意的是，由于伯努利方程是由机械能守恒推导出的，所以它仅适用于粘度可以忽略、不可被压缩的理想流体。理想流体•不可压缩、不计粘性（粘度为零）的流体为理想流体•自然界中各种真实流体都是粘性流体。有些流体粘性很小（例如水、空气），有些则很大（例如甘油、油漆、蜂蜜）。当流体粘度很小而相对滑动速度又不大时，粘性应力是很小的，即可近似看成理想流体。理想流体一般也不存在热传导和扩散效应。实际上，理想流体在自然界中是不存在的，它只是真实流体的一种近似模型。但是，在分析和研究许多流体流动时，采用理想流体模型能使流动问题简化，又不会失去流动的主要特性并能相当准确地反映客观实际流动，所以这种模型具有重要的使用价值。流体连续性原理•这是描述流体流速与截面关系的定理。当流体连续不断而稳定地流过一个粗细不等的管子，由于管中任何一部分的流体都不能中断或挤压起来，因此在同一时间内，流进任意切面的流体质量和从另一切面流出的流体质量应该相等。速度式流量计•差压式流量计时速度式流量计中的典型代表•差压式流量计的工作原理就是基于伯努利方程和连续性原理，即当流体流过管道中的节流元件时会使流速产生变化，进而使节流元件前后的差压也产生相应变化，只要测得差压便可获得被测流量。•差压式流量计所采用的节流元件主要有标准孔板、喷嘴和文丘里管等ΔpP2P1P3PmaxV2V1V3V1V2V3流线流速静压孔板前后流体的流线、流速和压力分布图IIIIII差压式流量计理论推导根据不可压缩理想流体的伯努利方程P1ρv12v22P2ρ22+=+和流体连续性方程A1v1A2v2=1-μ2β412ρ(p1-p2)=v2βdDA02A12==由以上两式可以得到公式中各个字母代表的含义P1、P2为截面I和截面II处的静压v1、v2为截面I和截面II处的平均流速ρ为不可压缩流体的密度μ为流束收缩系数（A2=μA0）其大小与节流元件的形式及流动状态有关、A2A1为截面I与截面II处管道流体流通面积DA0为孔板开孔面积d为节流孔直径为管道内径实际应用中，由于流体存在黏性和流动产生的摩擦，会造成动量损失，前面上述的公式需要进行修正。此外，对于可压缩流体，孔板两侧的流体密度并不相等，即ρ1不等于ρ2，经综合考虑，可推得可压缩流体的流量方程为：qvαεA02ρΔp=αεA02ρ=Δpqmα：为流量系数；ε：为可膨胀系数ρ：为孔板前的流体密度•假定α、ε、A0、ρ均为常量，则孔板的输出差压Δp与输入流量qv或质量流量qm之间的关系可简化为qvKqv2ρΔp=Kqm2ρ=Δpqm结论•采用孔板测量流量实际上是通过孔板将流量转换成差压Δp，再将差压用导压管接入差压变送器中，构成差压式流量变送器，即可将流量转换为4—20mA的直流信号。•不过需要注意的是，由于孔板输出的差压Δp与体积流量qv和质量流量qm之间为开方关系，若要获得线性关系，则需要对差压信号Δp或变送器输出信号进行开方运算，才能实现测量。