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，即由受力的面积和作用力的大小而决定，用数学式表示为：SFP(2-1)式中F—垂直作用力，N；S——受力面积，2m；P——压力，Pa。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）11×10-51.019716×10-50.9869236×10-51.019716×10-10.75006×10-21.4500442×10-4巴（bar）1×10511.0197160.98692361.019716×1040.75006×1031.4500442×10工程大气压（kgf/cm2）0.980665×1050.98066510.967841×1040.73556×1031.4224×10标准大气压（atm）1.01325×1051.013251.0332311.03323×1040.76×1031.4696×10毫米水柱（mmH2O）0.980665×100.980665×10-41×10-40.96784×10-410.75006×10-11.4224×10-3毫米汞柱（mmHg）1.333224×1021.333224×10-31.35951×10-31.3158×10-31.35951×1011.9338×10-2磅力/平方英寸（lbf/in2）0.68949×1040.68949×10-10.70307×10-10.6805×10-10.70307×1030.51715×1021三、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(102~10-1Pa)、低真空(105~102Pa)、微压(5kPa以下)低压(5—1.6Mpa)、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1／2；测量高压力时，最大工作压力不应超过量程的3／5。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1／3。（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6—10mm，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1:10~1:20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ρgH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，则有AvQ(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