1、第2章测量仪表概述及选用第2章 测量仪表概述及选用第一节 压力测量压力是油气集输、储运工作中需要经常测量和控制的重要工艺参数之一。如油气分离器、脱水器、加热炉都必须在一定压力下工作，压力的变化会影响处理效果，过高会危及设备安全。例如，稳定塔须在一定的负压下工作，压力波动会影响轻油产量和质量；外输管线的压力大小及变化还是调节外输流量、判断管线事故(穿孔、堵塞)的重要手段与依据。因此，压力测量是直接关系到生产过程能否优质、安全、高效运行的重要条件，对压力的测量与控制具有十分重要的意义。一、 压力的定义和种类（1） 压力的定义在油气生产中，通常所称的压力，就是指均匀垂直作用在单位面积上的力，即由受力
2、的面积和作用力的大小而决定，用数学式表示为： (2-1)式中垂直作用力，；受力面积，；压力，。这里所讲的压力和物理学中所讲的压强，其定义和单位是相同的，但它和物理学中的压力概念是截然不同的，这一点大家要有所了解。在物理学中，测量压强的仪器叫做压强计，但在工业生产中，习根上都不叫压强计，而称为压力表。（2）压力的种类在压力测量中，压力有以下几种不同的概念。大气压力 就是围绕地球的气层，对地球表面的单位面积上所产生的力。它随着海拔高度、纬度和气象情况而改变。表压力 用仪表测出的高于大气压的压力，叫做表压。工业上所使用的压力表，大部分都是当被测设备内的压力，超过大气压力时压力表的指针才开始移动，也就
3、是它所指示的压力是表压。所以，压力表一般测到的压力，就是表压力。绝对压力 表压力加上大气压，叫做绝对压力。它的测量比较麻烦，但它反映了实际压力，如对于气体和蒸气等介质一放都是用绝对压力来表示的。真空度 绝对压力低于大气压的压力，叫做负压或真空度。在工程技术上，应用的压力是多种多样的，有时也需要知道各种不同的压力量值。在一般情况下，有的需要知道绝对压力，有的则是表压力，或真空度，而在另一种情况下，要找出相对于大气压力的压力量值，因为在很多自然现象中和许多问题中都与大气压有关。但在生产现场中使用比较多的压力计是压力表，真空表和压力一真空两用表。显示方式一般采用指针机械位移和数字形式显示。二、压力的
4、单位及其换算在国际单位制中，定义1牛顿力垂直作用在1平方米的面积上的所形成的压力为1“帕斯卡”(Pascal)，简称“帕”，用符号Pa表示。此外还有千帕(kPa)、兆帕(MPa)。我国规定压力的法定单位为帕斯卡。除了上面的基本压力单位外，在工业上和科学实验中很久以来就采用并保持了一系列实用单位。这些单位之所以能得到比较长时期的广泛的应用是由于它的概念明确、简单、容易机械复制和直接应用在许多测量仪器中。目前主要有以下几种实用单位。（1）工程大气压一个工程大气压等于1平方厘米的面积上均匀分布着1公斤力作用时的压力，用公斤力厘米2(kgf/cm2)表示，习惯上一般简写为公斤力/厘米2表示。它是生产中
5、和科学技术上用得到最广泛的一种压力单位。（2）物理大气压(atm)一个物理大气压等于0时，水银密度为13.5951克/厘米2和重力加速度为980.665厘米秒2时，高度为760毫米的水银柱在海平面上所产生的压力。因为它是地球大气圈的大气柱在海平面上的压力，是一个随时间和地点而变化的量。（3）毫米汞柱(mmHg)1毫米汞柱等于在标准重力加速度为980.665厘米/秒2时，l毫米高的水银往在0时的密度所产生的压力。（4）毫米水柱(mmH2O)1毫米水柱等于在标准重力加速度980.665厘米/秒2下，1毫米水柱高在4时的压力。在4时水的密度为1.0克/厘米3。除以上几种压力单位外，还有米水柱、磅/英
6、寸等压力单位。压力单位之间的换算见下表2-1。表2-1 压力单位换算表单位帕（Pa）巴（bar）工程大气压（kgf/cm2）标准大气压（atm）毫米水柱（mmH2O）毫米汞柱（mmHg）磅力/平方英寸（lbf/in2）帕（Pa）1110-51.10-50.10-51.10-10.7500610-21.10-4巴（bar）110511.0.1.1040.750061031.10工程大气压（kgf/cm2）0.1050.10.9678411040.735561031.422410标准大气压（atm）1.013251051.013251.0332311.033231040.761031.469610
7、毫米水柱（mmH2O）0.100.10-4110-40.9678410-410.7500610-11.422410-3毫米汞柱（mmHg）1.1021.10-31.3595110-31.315810-31.359511011.933810-2磅力/平方英寸（lbf/in2）0.689491040.6894910-10.7030710-10.680510-10.703071030.517151021三、压力测量仪表的分类在油气储运过程中要测量的压力的范围，根据工艺生产条件不同所测的压力各有不同，常把压力测量范围按阶段分类：高真空(10-1Pa) 、中真空(10210-1Pa) 、低真空(1051
8、02Pa) 、 微压(5kPa以下) 低压 (51.6Mpa) 、中压 (1.6-10Mpa) 、高压 (10MPa以上) 。为了适应生产的需要，压力测量仪表品种规格很多，分类方法也不同，常用而又比较合理的分类是按其仪表的转换原理来分，大致可分四类：(1)液柱式压力计 将被测压力转换成液柱高度差进行测量。 (2)弹性式压力计 将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量。 (3)电气式压力计 将被测压力转换成各种电量进行测量。 (4)活塞式压力汁 将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的重力进行测量。日前生产中使用单元组合仪表的压力变送器的测压部分，仍以弹性元件为基础。四、 压力量值传递压力量值传递
9、的目的，是保证压力测量值的准确和一致。我国的压力量值传递是从国家基准器复现压力单位量值开始，通过各级标准器和核定手段，逐级传递到工作用的各种类型的压力仪器仪表。传递的过程是：基准器工作基准器一等标准器二等标准器三等标准器工作用器(各种工作用压力仪器仪表)。对于基准、标准器的名称、测量范围、精度和检定方法可参照国家计量部门颁发的有关规程。五、压力计选用及安装为使油气储运过程中的压力测量和控制达到经济、合理和有效，正确选用、安装压力测量仪表是十分重要的。1.压力计选用压力计的选用应根据工艺生产过程对压力测量的要求，被测介质的性质，现场环境条件等来考虑仪表的类型、量程和精度等级。并确定是否需要带有远
10、传、报警等附加装置。这样才能达到经济、合理和有效的目的。（1） 类型的选用 仪表类型的选用必须满足工艺生产的要求。例如是否需要远传变送、自动记录或报警；被测介质的物理化学性质(如腐蚀性、温度高低、粘度大小、脏污程度、易燃易爆等)是否对仪表提出特殊要求；现场环境条件(如高温、电磁场、振功等)对仪表有否特殊要求等。例如普通压力表的弹簧管材料多采用铜合金，高压的也有采用碳钢的，而氨用压力计的弹簧管材料都采用碳钢，不允许采用铜合金。因为氨气对铜的腐蚀极强，所以普通压力计用于氢气压力测量很快就要损坏。（2）测量范围的确定 仪表的测量范围是根据被测压力的大小来确定的。对于弹性式压力计，为保证弹性元件能在弹
11、性变形的完全范围内可靠地工作，量程的上限应高于工艺生产中可能的最大压力值。根据“化工自控设计技术规定”，在测量稳定压力时，最大工作压力不应超过测量上限的2/3；测量脉动压力时，最大工作压力不超过量程的12；测量高压力时，最大工作压力不应超过量程的35。为了保证测量的准确度，所测的压力值不能太接近于仪表的下限值，亦即仪表的量程不能选得太大，一般被测压力的最小值不低于量程的13。（3）精度级的选取 仪表的精度主要是根据生产上允许的最大测量误差来确定的。此外，在满足工艺要求的前提下，还要考虑经济性，即尽可能选用精度较低、价廉耐用的仪表。因为精度等级高的压力计，要求加工精密，价格较高，并且精度高的压力
12、计使用维护条件要求较高。一般生产现场难于做到，很难发挥应有的效果。2.压力表的安装当选用了一台合格的压力表后，能否在现场正常运行，与其安装是否正确关系极大，它包含了测压点的选择，导压管的敷设和仪表本身的安装等内容。（1） 测压点的选择 选择测压点的原则是应使所选测压点能反映被测压力的真实情况。具体要求如下：（a）测压点要选在被测介质作直线流动的立管段上，不可选在拐弯、分岔、死角或能形成游涡的地方。（b）测量流动介质的压力时，取压管应与介质流动方向垂直，管口与器壁平齐，并不应有毛刺。（c）测量液体压力时，取压点应在管道下部，使导压管内不积存气体；测量气体压力时，取压点应在管道上方，使导压管内不会
13、积存液体。（2）导压管的敷设 敷设导压管应按如下要求进行。(a)导压管的粗细要合适，一般内径为610mm，长度应尽可能短，最长不超过50m，以减少压力指示的迟延。(b)水平安装的导压管应保持有1:101:20的倾斜度，以利于积存于其中之液体气体的排出。(c)如果被测介质易冷凝或冻结时，应加装保温伴热管。(d)当测量被体压力时，在引压管路的最高处应装设集气器；当测量气体压力时，在引压管路的最低处应装设气液分离器；当被测介质可能产生沉淀物析出时，在仪表前应加沉降器。（3）压力表的安装 压力表的安装要求如下：(a)压力表应安装在易观察和检修的地方。安装地点应力求避免振动。(b)测量蒸汽压力时，应加装
14、凝液管，以防高温蒸汽直接与测压元件接触，见图2-19(a)；对于有腐蚀性介质的压力测量，应加装有中性介质的隔离罐，图2-19(b)表示被测介质密度大于和小于隔离液密度的两种情况。总之，针对被测介质的不同性质，要采取相应的防热、防腐、防冻、防堵等措施。(c)当被测压力较小，而压力表与取压口又不在同一高度时，见图2-19(c)，对由此高度差而引起的测量误差应按P土gH进行修正。式中H为高度差，P为导压管中介质的密度，g为重力加速度。(d)压力表的连接处，应根据被测压力高低和介质性质，选择适当材料，作为密封垫片，以防泄漏。一般低于80及2MPa时，用牛皮或橡胶垫片；350-450及5MPa以下用石棉
15、或铝垫片；温度及压力更高(50MPa以下)用退火紫铜或铅垫片。但测量氧气压力时，不能使用浸油垫片及有机化合物垫片；测量乙炔压力时，不能使用铜垫片，因它们均有发生爆炸的危险。(e)取压口到压力表之间应装有阀门，以备检修压力表时能切断通路。阀门应装设在靠近取压口的地方。 (f)为安全起见，测量高压的仪表除选用表壳有通气孔外，安装时表壳应靠墙地或无人通过之处，以防发生意外。第二节 流量测量在油气储运过程中输送的介质为是流体，它们通过动力设备如压缩机、泵等，在管道中输送。把用于测量流体流量的仪表，叫做流量计或流量表。流量不但是油气储运过程中监督设备工况的重要参数，也是物料流动工况特征参数之一，它的测量
16、对确保安全生产，有很大意义。同时也是企业经济核算的基本依据。一、流量的定义和单位对于物料数量的测量，特别在能源计量方面，流量仪表起着举足轻重的作用，无论一次能源（石油、天然气、煤炭）或二次能源（成品油、人工燃气、石油气、矿井气及蒸汽）和含能工质（压缩空气、氧、氮、氢和水等）皆使用数量极其庞大的流量仪表，它们是能源管理及贸易结算的必备工具。流量就是单位时间内(如秒、分、小时)所流过管道，或设备某一断面的流体数量，或称瞬时流量。流体是液体和气体的总称。(1)体积流量 若单位时间内流过管道的流体数量，是按体积计算的，叫做体积流量，常用符号Q表示。如设备或管道某处的横截面积为A，该处流体的平均流速为v
17、，则有 (3-1)工程上常用的体积流量单位有：米3秒，米3小时，升小时等。由于气体重度是随温度、压力等状态参数变化的，所以气体的流量，通常以温度为20，压力为760毫米汞柱下气体的体积(如标准立方米)来表示。(2) 重量流量 若单位时间内流过管道的流体数量，是按重量计算的，叫做重量流量，常用符号G表示。设流体重度为，则有 (3-2)在工程中常用的重量流量单位有如下几种：公斤/小时，吨天，吨小时等。如果已知被测介质重度，则体积流量Q和重量流量G之间可进行换算。(3)流体总流量 某段时间内流过管道或设备某一横断面的流体总体积或总重量称为总流量，其计量单位常用吨(T)、立方米(m3)表示。即总量为瞬
18、时平均流量对时间的积累(或叫积分)，是一个累积流量，以数学表示为：或 (3-3)式中、一一流体总重量、总体积；一在累积时间t内的平均重量流量；在累积时间t内的平均体积流量，t累积时间。二、 流量仪表的分类流量测量与仪表可以按不同原则分类。(1)按测量对象分类按测量对象可分为封闭管道流量计和敞开流道（明渠）流量计两大类。封闭管道的流体靠压力输送，而明渠是依据高位差自由排放。一般明渠流动为不满管状态，所以此两类流量计有不同的特性。由于油气储运生产过程中测量对象均为管道流量，故本书主要介绍封闭管道流量计。(2)按测量目的分类按测量目的可分为总量测量和流量测量，其仪表分别称为总量表和流量计。总量表用于
19、测量一段时间内流过管道（流道）的流体总量，在能源计量中一般需采用总量表。流量计用于测量流过管道的流量，在过程控制系统中需要检测与控制管道中的流体流量。实际上流量计通常亦备有累积流量的装置，可作为总量表使用，而总量表亦带有流量发信装置，因此用严格意义来划分流量计和总量表已无实际意义。(3)按测量原理分类各种物理原理是流量测量的理论基础，流量测量原理可按物理学科分类。（a）力学原理 应用伯努力定理的差压式、浮子式；应用动量定理的可动管式、冲量式；应用牛顿第二定律的直接质量式；应用流体阻力原理的靶式；应用动量守恒原理的叶轮式；应用流体振动原理的渴街式、旋进式；应用动压原理的皮托管式、均速管式；应用分
20、割流体体积原理的容积式等。（b）热学原理 应用热学原理的热分布式、热散效应式和冷却效应式等。（c）声学原理 应用声学原理的超声式、声学式（冲击波式）等。（d）电学原理 应用电学原理的电磁式、电容式、电感式和电阻式等。（e）光学原理 应用光学原理的激光式和光电式等。（f）原子物理原理 应用原子物理原理的核磁共振式和核辐射式等。（g）其他 标记法等。(4)按测量方法和结构分类封闭管道流量计可分为推理式流量计和容积式流量计两大类，然后再细分为各种类型。一般流量计由传感器、转换器和显示仪几部分组成。分类是以传感器的特征为依据。目前显示仪的主流产品是以微处理器为基础的。所谓灵巧式（或智能式）流量显示仪，
21、它可以涵盖全部流量计（模拟信号和脉冲信号），只要输出信号转换为标准信号即可与之接口。(5)按测量体积流量和质量流量分类按流量计检测信号反映的是体积流量或质量流量可分为体积流量计和质量流量计。（a）体积流量计 流量计检测件的输出信号反映体积流量，有以下几类：电磁流量计、涡轮流量计、涡街流量计、超声流量计、标记法流量计及容积式流量计。这些流量计的输出信号与管道中流体的平均流速或体积流量成一定关系，是反映真实体积流量的流量计，用这些流量计测量流体的质量流量必须配以密度变送器（通常为压力、温度变送器），然后求体积流量和流体密度的乘积，即质量流量。（b）质量流量计 质量流量计可分为两大类；直接式质量流量
22、计和间接式（亦称推导式）质量流量计。直接式质量流量计。流量计检测件的输出信号直接反映流体的质量流量，此类流量计发展历史悠久，种类繁多，但作为商品大量销售却不多，只是近年来国内外出现名为科里奥利质量流量计和热式质量流量计，制造厂家已有数十家。产品销量亦急剧增加。直接式质量流量计代表性种类如下。a差压式质量流量计。利用孔板（或文丘里管）和定量泵组合起来的直接测量质量流量的仪表。b热式质量流量计。利用流体与热源（流体中外加热的物体或仪表测量管管壁外加热体）之间热量交换的关系测量流量的仪表。c.双涡轮式质量流量计。在传感器内安装两个叶片角不同的叶轮，用弹簧把它们连接起来为一个整体，它与平均流速成比例转
23、动，两个叶轮间旋转一个偏移角所需要的时间t是与管道中流体的质量流量成正比，因此测出此时间t即可求得质量流量。d科里奥利质量流量计。利用流体在振动管中流动时，产生与质量流量成正比的科里奥利力原理制成的一种直接式质量流量计。间接式（推导式）质量流量计。间接式质是流量计的检测件输出信号并不直接反映质量流量的变化，而是通过检测件与密度计组合或者两种检测件的组合而求得质量流量。它有以下几种形式：a动能（）检测件和密度计（）的组合方式。差压式流量计的检测件是动能检测件，它们与密度计组合起来通过运算器计算即可求得质量流量。压力温度补偿式是此类流量计用得最广泛的一种类型，其计算式为。b体积流量计和密度计的组合
24、方式。体积流量计（）和密度计（）组合起来通过运算器计算即可求得质量流量，通过压力、温度补偿也是常用的方法。c动能检测件和体积流量计的组合方式。由差压式流量计检测件和任何一种体积流量计的组合可求得质量流量，其计算式为。三、流量测量仪表选用(1)选型步骤各类流量仪表都有各自的特点，选型的目的就是在众多品种中扬长避短，选择最适宜的仪表。要正确地选择流量测量方法和仪表，必须熟悉仪表和被测对象两方面的情况。首先要确认是否真正需要安装流量仪表，如果仅希望知道流体是否在管道中流动和大致的流量值，采用价格便宜的流量指示器即可。确定必须安装流量仪表后，首先按照流体特点及应用范围初选流量测量方法和仪表。剔除显然不
25、合适的方法与仪表，余下几种方案再进行下一步深人的分析比较。分析主要按五个方面进行，即仪表性能方面，流体特性方面，安装条件方面，环境条件方面和经济因素方面，各方面考虑因素。选型步骤大致力：依据流体种类及五个方面因素初选可用仪表类型；依据用户要求逐步淘汰，余下仪表类型排出次序；按五个方面因素再次进行仔细评比，最后淘汰至一种仪表类型。(2)按仪表性能方面不同测量对象有各自测量目的，仪表性能各因素选择有不同侧重点，例如商贸结算和储运测量，对准确度要求较高，而过程控制连续监测一般要求有良好的可靠性及重复性（精密度）。应该针对使用目的确定准确度要求，如在较宽流量范围保持准确度，还是在某一特定范围即可？所选
26、仪表的准确度能保持多久？是否易于周期校验？校验的方式及代价如何？这些因素都影响仪表的选择。重复性是由仪表本身工作原理及制造质量决定的，它与仪表校验所用基准高低无关。应用时要求重复性好，如使用条件变化大，则虽然仪表重复性高亦不会达到目的。范围度常是选型的一个重要指标，速度式流量计（涡轮，涡街，电磁，超声）的范围度比平方型（差压）大得多，但是目前差压式流量计亦在采取各种措施，如开发宽量程差压变送器或同时采用几台差压变送器切换来扩大范围度。要注意有些仪表范围度宽是尽量把上限流量提高，如液体流速为710 m/s，气体为5075m/s，实际上高流速意义不大，重要的是下限流速为多少？能否适应测量的要求。压
27、力损失关系到能量消耗，对于大口径其意义较大，它可能大大增加泵功率消耗。选用价格较高而压损较小的仪表，从长期运行费用看更合算。(3)流体特性方面初选品种是按照流体种类选定的，而流体特性对仪表应用有很大影响，如流体物性参数与流体流动特性（这部分在安装条件方面考虑）对测量精确度的影响，流体化学性质，脏污结垢等与使用可靠性的关系等。物性参数对仪表精确度的影响程度机仪表工作原理而异，目前最常用的几类流量计（差压，浮子，容积，涡轮，涡街，电磁，超声，热式等）影响流量计特性的主要物性参数为密度（包括气体压缩系数及湿度）、粘度、等熵指数、电导率、声速、比热容和导热系数等，其中尤以密度和粘度的影响最为重要。密度
28、是影响流量计特性的最主要的参数，其数据准确度直接影响计量精度。如速度式流量计测量的是体积流量，但是物料平衡或能源计量皆需用质量流量计算，因此这些流量计除检测体积流量外，尚需检测流体的密度，只在密度为常数或变动不影响计量精度时才可不必检测。涡街流量计的优点是其检测信号不受物性的影响，但在使用时如果密度是变动的，同样会影响其计量精度，这是因为它需把体积流量换算为质量流量。差压式流量计在流量方程中差压和密度两个参数处于同等地位，有同样的作用，如果选用高精度差压计，而流体密度却确定得不准，则测量结果亦不会是高精度的。只有直接式质量流量计，如科氏质量流量计或热式质量流量计，它们的信号直接反映密度的变化，
29、因此无需另外检测密度参数。粘度对流量计特性影响有两种情况。其一为直接影响。两种精确度最佳的涡轮流量计和容积式流量计，它们的流量特性深受粘度的影响，现场需要采用在线粘度补偿。一般来说，涡轮流量计只适用于低粘度介质，而容积式流量计较适于高粘度介质。但是对某些测量对象，如原油（高粘度）大流量测量，希望采用涡轮流量计。其二为间接影响。粘度是判别流体性质的重要参数，牛顿流体或非牛顿流体就是视其粘度关系式不同而定。目前国内外已颁布的流量测量标准及规程都只适用于牛顿流体，这是一个重要的使用条件。粘度是影响管道内流速分布的重要参数，流速分布对流量计特性的影响是流量计使用时的主要问题之一。各种类型流量计应用不同
30、的物理原理构成，而各种物理原理皆有其特殊的物性参数需考虑。如临界流流量计的等熵指数，超声流量计的声速，电磁流量计的电导率，热式流量计的比热容、导热系数等。由于流体物性为压力、温度及介质组分的函数，使用时压力、温度的变化使密度发生改变，需进行压力、温度补偿（修正）。在某些场合，当流体组分亦发生变化时，就不能采用压力、温度补偿，而应采用密度补偿。现场压力、温度波动是不可避免的，由此引起的物性参数的变动是使用时产生附加误差的主要原因之一，在高精度测量时应特别注意。流体的化学机械性质，如腐蚀、磨蚀、结垢等，对于仪表长期可靠使用也有很大影响，它亦是选型的一个重要考虑因素。流量计的检测件可分为三种情况：可
31、动部件，固定部件与无阻碍件。对于上述情况，当然选取无阻碍件较好，但是选型还需综合其他情况决定。(4)安装条件方面 各种类型流量计对安装要求差异很大。例如有些仪表（如差压式，涡街式）需要长的上游直管段，以保证检测件进口端为充分发展的管流，而另一些仪表（如容积式，浮子式测无此要求或要求很低。流体流动特性主要决定于管道安装状况，而流体流动特性是影响流量特性的主要因素之一，故选型时应弄清所选仪表对流动特性的要求。安装条件考虑的因素有仪表的安装方向，流动方向，上下游管道状况，阀门位置，防护性辅属设备，非定常流（如脉动流）情况，振动，电气干扰和维护空间等。对于推理式流量计，上下游直管段长度的要求是保证测量准确度的重要条件，目前许多流量计要求的确切长度尚无可靠依据，在仪表选用时可根据权威性标准（如国际标准）或向制造厂咨询决定。管道中非定常流（脉动流）对仪表特性有复杂的影响，至今全部流量计标准
