任務(wù)7　測(cè)定流體輸送過程中的參數(shù)

化工生產(chǎn)過程中控制流體的參數(shù)主要包括流速、流量、壓力、液位等，本任務(wù)中將學(xué)習(xí)和掌握參數(shù)的測(cè)定原理、儀器設(shè)備類型、儀器設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)以及適用的范圍，學(xué)習(xí)根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求選擇適合的測(cè)量設(shè)備和安裝方式等，掌握設(shè)備的操作、事故的判斷與處理等。

子任務(wù)1　 測(cè)定流速、流量

流速或流量是工藝過程中進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制的參數(shù)，掌握測(cè)量流速的方法、原理和設(shè)備，掌握測(cè)速管、孔板流量計(jì)、文丘里管流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、渦流流量計(jì)、電磁流量計(jì)以及超聲波流量計(jì)等流量計(jì)的工作原理、適用范圍以及優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工藝要求，選擇適合的測(cè)定流速與流量的設(shè)備。

知識(shí)儲(chǔ)備

一、測(cè)速管

1.測(cè)速原理

測(cè)速管又稱皮托管（pitot tube），如圖1-98所示。它由兩根彎成直角的同心套管組成，內(nèi)管管口正對(duì)著管道中流體流動(dòng)方向，外管的管口是封閉的，在外管前端壁面四周開有若干測(cè)壓小孔。為了減小誤差，測(cè)速管的前端經(jīng)常做成半球形以減少渦流。測(cè)速管的內(nèi)管與外管分別與U形壓差計(jì)相連。

內(nèi)管所測(cè)的是流體在A處的局部動(dòng)能和靜壓能之和，稱為沖壓能。

內(nèi)管A處：

由于外管壁上的測(cè)壓小孔與流體流動(dòng)方向平行，所以外管僅測(cè)得流體的靜壓能，即：

外管B處：

U形壓差計(jì)實(shí)際反映的是內(nèi)管沖壓能和外管靜壓能之差，即：

則該處的局部速度為

　　 （1-51）

將U形壓差計(jì)公式代入，可得

2.測(cè)速管的安裝

①必須保證測(cè)量點(diǎn)位于均勻流段，一般要求測(cè)量點(diǎn)上、下游的直管長(zhǎng)度大于50倍管內(nèi)徑，至少也應(yīng)大于8～12倍。

②測(cè)速管管口截面必須垂直于流體流動(dòng)方向，任何偏離都將導(dǎo)致負(fù)偏差。

③測(cè)速管的外徑d0不應(yīng)超過管內(nèi)徑d的1/50，即d0<d/50。

測(cè)速管的優(yōu)點(diǎn)是流體流經(jīng)測(cè)速管的能量損失較小，通常適于測(cè)量大直徑管路中的氣體流速，但不能直接測(cè)量平均流速，且壓差讀數(shù)較小，通常需配用微壓壓差計(jì)。當(dāng)流體中含有固體雜質(zhì)時(shí)，會(huì)堵塞測(cè)壓孔，故不宜采用測(cè)速管。

二、孔板流量計(jì)

1.孔板流量計(jì)的工作原理

孔板流量計(jì)屬于差壓式流量計(jì)，是利用流體流經(jīng)節(jié)流元件產(chǎn)生的壓力差來實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量的?？装辶髁坑?jì)的節(jié)流元件為孔板，即中央開有圓孔的金屬板，其結(jié)構(gòu)如圖1-99所示。將孔板垂直安裝在管道中，以一定取壓方式測(cè)取孔板前后兩端的壓差，并與壓差計(jì)相連，即構(gòu)成孔板流量計(jì)。

如圖1-99所示，流體在管道截面1-1'前，以一定的流速u1流動(dòng)，因后面有節(jié)流元件，當(dāng)?shù)竭_(dá)截面1-1'后流束開始收縮，流速即增加。由于慣性的作用，流束的最小截面并不在孔口處，而是經(jīng)過孔板后仍繼續(xù)收縮，到截面2-2'達(dá)到最小，流速u2達(dá)到最大。流束截面最小處稱為縮脈。隨后流束又逐漸擴(kuò)大，直至截面3-3'處，又恢復(fù)到原有管截面，流速也降低到原來的數(shù)值。

流體在縮脈處，流速最高，即動(dòng)能最大，而相應(yīng)壓力就最低，因此當(dāng)流體以一定流量流經(jīng)小孔時(shí)，在孔前后就產(chǎn)生一定的壓力差Δp=p1-p2。流量越大，Δp也就越大，所以利用測(cè)量壓差的方法就可以測(cè)量流量。

孔板流量計(jì)的流量與壓差的關(guān)系，可由連續(xù)性方程和伯努利方程推導(dǎo)。如圖1-99所示，在1-1'截面和2-2'截面間列伯努利方程，暫時(shí)不計(jì)能量損失，有

變形得

或

由于上式未考慮能量損失，實(shí)際上流體流經(jīng)孔板的能量損失不能忽略不計(jì)；另外，縮脈位置不定，A2未知，但孔口面積A0已知，為便于使用可用孔口速度u0替代縮脈處速度u2，同時(shí)兩側(cè)壓孔的位置也不一定在1-1'和2-2'截面上，所以引入一校正系數(shù)C來校正上述各因素的影響，則上式變?yōu)椋?/p>

　　 （1-52）

根據(jù)連續(xù)性方程，對(duì)于不可壓縮性流體得：

將上式代入式（1-52），整理后得：

　　 （1-53）

令

則

　　 （1-54）

將U形壓差計(jì)公式代入，得：u0=C0　　 （1-54a）

根據(jù)u0即可計(jì)算流體的體積流量：

　　 （1-55）

及質(zhì)量流量：

　　 （1-56）

式中，C0稱為流量系數(shù)或孔流系數(shù)，其值由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。C0主要取決于管道流動(dòng)的雷諾數(shù)Re、孔面積與管道面積比A0/A1，同時(shí)孔板的取壓方式、加工精度、管壁粗糙度等因素也對(duì)其有一定的影響。對(duì)于取壓方式、結(jié)構(gòu)尺寸、加工狀況均已規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)孔板，流量系數(shù)C0可以表示為：

式中，Re是以管道的內(nèi)徑d1計(jì)算的雷諾數(shù)，即：

對(duì)于按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格及精度制作的孔板，用角接取壓法安裝在光滑管路中的標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的C0與Re、A0/A1的關(guān)系曲線如圖1-100所示。從圖中可以看出，對(duì)于A0/A1相同的標(biāo)準(zhǔn)孔板，C0只是Re的函數(shù)，并隨Re的增大而減小。當(dāng)增大到一定界限值之后，C0不再隨Re變化，成為一個(gè)僅取決于A0/A1的常數(shù)。選用或設(shè)計(jì)孔板流量計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量使常用流量在此范圍內(nèi)。常用的C0值為0.6～0.7。

用式（1-52）或式（1-53）計(jì)算流體的流量時(shí)，必須先確定流量系數(shù)C0，但C0又與Re有關(guān)，而管道中的流體流速又是未知，故無法計(jì)算Re值，此時(shí)可采用試差法。即先假設(shè)Re超過Re界限值ReC，由A0/A1從圖1-100中查得C0，然后根據(jù)式（1-52）或式（1-53）計(jì)算流量，再計(jì)算管道中的流速及相應(yīng)的Re。若所得的Re值大于界限值ReC，則表明原來的假設(shè)正確，否則需重新假設(shè)C0，重復(fù)上述計(jì)算，直至計(jì)算值與假設(shè)值相符為止。

由式（1-52）可知，當(dāng)流量系數(shù)C0為常數(shù)時(shí)，有：

表明U形壓差計(jì)的讀數(shù)R與流量的平方成正比，即流量的少量變化將導(dǎo)致讀數(shù)R較大的變化，因此測(cè)量的靈敏度較高。此外，由以上關(guān)系也可以看出，孔板流量計(jì)的測(cè)量范圍受U形壓差計(jì)量程的限制，同時(shí)考慮到孔板流量計(jì)的能量損失隨流量的增大而迅速地增加，故孔板流量計(jì)不適于流量較大的場(chǎng)合。

2.孔板流量計(jì)的安裝

孔板流量計(jì)安裝時(shí)，上、下游需要有一段內(nèi)徑不變的直管作為穩(wěn)定段，上游長(zhǎng)度至少為管徑的10倍，下游長(zhǎng)度為管徑的5倍。

孔板流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造與安裝都方便，其主要缺點(diǎn)是能量損失較大。這主要是流體流經(jīng)孔板時(shí)，截面的突然縮小與擴(kuò)大形成大量渦流所致。如前所述，雖然流體經(jīng)管口后某一位置［圖1-99（a）中的3-3'截面］流速已恢復(fù)與孔板前相同，但靜壓力卻不能恢復(fù)，產(chǎn)生了永久壓力降，即Δpf=p1-p3。此壓力降隨面積比A0/A1的減小而增大。同時(shí)孔口直徑減小時(shí)，孔速提高，讀數(shù)R增大，因此設(shè)計(jì)孔板流量計(jì)時(shí)應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)拿娣e比A0/A1以期兼顧到U形壓差計(jì)適宜的讀數(shù)和允許的壓力降。

孔板流量計(jì)的特點(diǎn)：恒截面、變壓差，為差壓式流量計(jì)。

三、文丘里流量計(jì)

孔板流量計(jì)的主要缺點(diǎn)是能量損失較大，其原因在于孔板前后的突然縮小與突然擴(kuò)大。若用一段漸縮、漸擴(kuò)管代替孔板，所構(gòu)成的流量計(jì)稱為文丘里流量計(jì)或文氏流量計(jì)，如圖1-101所示。當(dāng)流體經(jīng)過文丘里管時(shí)，由于均勻收縮和逐漸擴(kuò)大，流速變化平緩，渦流較少，故能量損失比孔板大大減少。

文丘里流量計(jì)的測(cè)量原理與孔板流量計(jì)相同，也屬于差壓式流量計(jì)。其流量公式也與孔板流量計(jì)相似，即：

　　 （1-57）

式中　CV——文丘里流量計(jì)的流量系數(shù)（約為0.98～0.99）；

A0——喉管處截面積，m2。

由于文丘里流量計(jì)的能量損失較小，其流量系數(shù)較孔板大，因此相同壓差計(jì)讀數(shù)R時(shí)，實(shí)際流量比孔板大。文丘里流量計(jì)的缺點(diǎn)是加工較難、精度要求高，因而造價(jià)高，安裝時(shí)需占去一定管長(zhǎng)位置。

四、轉(zhuǎn)子流量計(jì)

1.轉(zhuǎn)子流量計(jì)的結(jié)構(gòu)與測(cè)量原理

轉(zhuǎn)子流量計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖1-102所示，是由一段上粗下細(xì)的錐形玻璃管（錐角在4°左右）和管內(nèi)一個(gè)密度大于被測(cè)流體的固體轉(zhuǎn)子（或稱浮子）構(gòu)成。流體自玻璃管底部流入，經(jīng)過轉(zhuǎn)子和管壁之間的環(huán)隙，再?gòu)捻敳苛鞒觥?/p>

管中無流體通過時(shí)，轉(zhuǎn)子沉在管底部。當(dāng)被測(cè)流體以一定的流量流經(jīng)轉(zhuǎn)子與管壁之間的環(huán)隙時(shí)，由于流道截面減小，流速增大，壓力隨之降低，于是在轉(zhuǎn)子上、下端面形成一個(gè)壓差，將轉(zhuǎn)子托起，使轉(zhuǎn)子上浮。隨轉(zhuǎn)子的上浮，環(huán)隙面積逐漸增大，流速減小，壓力增加，從而使轉(zhuǎn)子兩端的壓差降低。當(dāng)轉(zhuǎn)子上浮至某一定高度時(shí)，轉(zhuǎn)子兩端面壓差造成的升力恰好等于轉(zhuǎn)子的重力時(shí)，轉(zhuǎn)子不再上升，而懸浮在該高度。轉(zhuǎn)子流量計(jì)玻璃管外表面上刻有流量值，根據(jù)轉(zhuǎn)子平衡時(shí)其上端平面所處的位置，即可讀取相應(yīng)的流量。

2.轉(zhuǎn)子流量計(jì)的流量方程

轉(zhuǎn)子流量計(jì)的流量方程可根據(jù)轉(zhuǎn)子受力平衡導(dǎo)出。在圖1-103中，取轉(zhuǎn)子下端截面為1-1'、上端截面為0-0'，用Vf、Af、ρf分別表示轉(zhuǎn)子的體積、最大截面積和密度。當(dāng)轉(zhuǎn)子處于平衡位置時(shí)，轉(zhuǎn)子兩端面壓差造成的升力等于轉(zhuǎn)子的重力，即：

　　 （1-58）

p1、p0的關(guān)系可在1-1'和0-0'截面間列伯努利方程獲得：

整理得：

將上式兩端同乘以轉(zhuǎn)子最大截面積Af，則有：

　　 （1-59）

由此可見，流體作用于轉(zhuǎn)子的升力（p1-p0）Af由兩部分組成：一部分是兩截面的位差，此部分作用于轉(zhuǎn)子的力即為流體的浮力，其大小為Af（z0-z1）ρg，即Vfρg；另一部分是兩截面的動(dòng)能差，其值為Af（-）。

將式（1-58）與式（1-59）聯(lián)立，得：

　　 （1-60）

根據(jù)連續(xù)性方程：

將上式代入式（1-60）中，有：

整理得：

　　 （1-61）

考慮到表面摩擦和轉(zhuǎn)子形狀的影響，引入校正系數(shù)CR，則有：

　　 （1-62）

此式即為流體流過環(huán)隙時(shí)的速度計(jì)算式，CR又稱為轉(zhuǎn)子流量計(jì)的流量系數(shù)。

轉(zhuǎn)子流量計(jì)的體積流量為：

　　 （1-63）

式中，AR為轉(zhuǎn)子上端面處環(huán)隙面積。

轉(zhuǎn)子流量計(jì)的流量系數(shù)CR與轉(zhuǎn)子的形狀和流體流過環(huán)隙時(shí)的Re有關(guān)。對(duì)于一定形狀的轉(zhuǎn)子，當(dāng)Re達(dá)到一定數(shù)值后，CR為常數(shù)。

由式（1-61）可知，對(duì)于一定的轉(zhuǎn)子和被測(cè)流體，Vf、Af、ρf、ρ為常數(shù)，當(dāng)Re較大時(shí)，CR也為常數(shù)，故u0為一定值，即無論轉(zhuǎn)子停在任何一個(gè)位置，其環(huán)隙流速u0是恒定的。而流量與環(huán)隙面積成正比即qV∝AR，由于玻璃管為下小上大的錐體，當(dāng)轉(zhuǎn)子停留在不同高度時(shí)，環(huán)隙面積不同，因而流量不同。

當(dāng)流量變化時(shí)，力平衡關(guān)系式并未改變，也即轉(zhuǎn)子上、下兩端面的壓差為常數(shù)，所以轉(zhuǎn)子流量計(jì)的特點(diǎn)為恒壓差、恒環(huán)隙流速而變流通面積，屬于截面式流量計(jì)。與之相反，孔板流量計(jì)則是恒流通面積，而壓差隨流量變化，為差壓式流量計(jì)。

3.轉(zhuǎn)子流量計(jì)的刻度換算

轉(zhuǎn)子流量計(jì)上的刻度，是在出廠前用某種流體進(jìn)行標(biāo)定的。一般液體流量計(jì)用20℃的水（密度為1000kg/m3）標(biāo)定，而氣體流量計(jì)則用20℃和101.3kPa下的空氣（密度為1.2kg/m3）標(biāo)定。當(dāng)被測(cè)流體與上述條件不符時(shí)，應(yīng)進(jìn)行刻度換算。

假定CR相同，在同一刻度下，有：

　　 （1-64）

式中下標(biāo)1表示標(biāo)定流體的參數(shù)，下標(biāo)2表示實(shí)際被測(cè)流體的參數(shù)。

對(duì)于氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)，因轉(zhuǎn)子材料的密度遠(yuǎn)大于氣體密度，式（1-64）可簡(jiǎn)化為：

　　 （1-64a）

轉(zhuǎn)子流量計(jì)必須垂直安裝在管路上，為便于檢修，應(yīng)設(shè)置如圖1-104所示的支路。

轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)方便，流動(dòng)阻力很小，測(cè)量范圍寬，測(cè)量精度較高，對(duì)不同的流體適用性廣。缺點(diǎn)是玻璃管不能經(jīng)受高溫和高壓，在安裝使用過程中玻璃容易破碎。

五、渦輪流量計(jì)

1.渦輪流量計(jì)的工作原理

渦輪流量計(jì)是一種速度式流量?jī)x表，渦輪流量計(jì)的原理示意圖如圖1-105所示。在管道中心安放一個(gè)渦輪，兩端由軸承支撐。當(dāng)流體通過管道時(shí)，沖擊渦輪葉片，對(duì)渦輪產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩，使渦輪克服摩擦力矩和流體阻力矩而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。在一定的流量范圍內(nèi)，對(duì)一定的流體介質(zhì)黏度，渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度與流體流速成正比。由此，流體流速可通過渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度得到，從而可以計(jì)算得到通過管道的流體流量。

渦輪的轉(zhuǎn)速通過裝在機(jī)殼外的傳感線圈來檢測(cè)。當(dāng)渦輪葉片切割由殼體內(nèi)永久磁鋼產(chǎn)生的磁力線時(shí)，就會(huì)引起傳感線圈中的磁通變化。傳感線圈將檢測(cè)到的磁通周期變化信號(hào)送入前置放大器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、整形，產(chǎn)生與流速成正比的脈沖信號(hào)，送入單位換算與流量計(jì)算電路得到并顯示累積流量值；同時(shí)亦將脈沖信號(hào)送入頻率電流轉(zhuǎn)換電路，將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電流量，進(jìn)而指示瞬時(shí)流量值。

2.渦輪流量計(jì)的安裝

①安裝渦輪流量計(jì)前，管道要清掃，被測(cè)介質(zhì)不潔凈時(shí)，要加過濾器，否則渦輪、軸承易被卡住，測(cè)不出流量來；

②拆裝流量計(jì)時(shí)，對(duì)磁感應(yīng)部分不能碰撞；

③投運(yùn)前先進(jìn)行儀表系數(shù)的設(shè)定，仔細(xì)檢查，確認(rèn)儀表接線無誤，接地良好，方可送電；

④安裝渦輪流量計(jì)時(shí)，前后管道法蘭要水平，否則管道應(yīng)力對(duì)流量計(jì)影響很大。

渦輪流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是高精度，在所有流量計(jì)中，屬于比較精確的流量計(jì)；重復(fù)性好；無零點(diǎn)漂移，抗干擾能力好。

流量計(jì)必須水平安裝在管道上（管道傾斜在5°以內(nèi)），安裝時(shí)流量計(jì)軸線應(yīng)與管道軸線同心，流向要一致。

渦輪流量計(jì)（如圖1-106所示）在石油、有機(jī)液體、無機(jī)液、液化氣、天然氣和低溫流體等流量測(cè)量上獲得廣泛應(yīng)用，渦輪流量計(jì)在用量上僅次于孔板流量計(jì)。

六、電磁流量計(jì)

（1）電磁流量計(jì)工作原理　電磁流量計(jì)是基于法拉第電磁感應(yīng)原理研制出的一種測(cè)量導(dǎo)電液體體積流量的儀表。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，導(dǎo)電體在磁場(chǎng)中做切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)的大小與導(dǎo)體在磁場(chǎng)中做垂直于磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的速度成正比，由此再根據(jù)管徑、介質(zhì)的不同，將電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換成流量。電磁流量計(jì)外形圖如圖1-107所示。

（2）電磁流量計(jì)選型

①被測(cè)量液體必須是導(dǎo)電的液體或漿液；

②選擇口徑與量程，最好是正常量程超過滿量程的一半，流速在2～4m/s之間；

③使用壓力必須小于流量計(jì)耐壓；

④不同溫度及腐蝕性介質(zhì)選用不同內(nèi)襯材料和電極材料。

電磁流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)：無節(jié)流部件，因此壓力損失小，減少能耗，壓力損失只與被測(cè)流體的平均速度有關(guān)，測(cè)量范圍寬；只需經(jīng)水標(biāo)定后即可測(cè)量其他介質(zhì)，無須修正；最適合作為結(jié)算用計(jì)量設(shè)備使用。由于技術(shù)及工藝材料的不斷改進(jìn)，以及穩(wěn)定性、線性度、精度和壽命的不斷提高和管徑的不斷擴(kuò)大，電磁流量計(jì)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

電磁流量計(jì)的測(cè)量精度建立在液體充滿管道的情形下，管道中有關(guān)空氣的測(cè)量問題，目前尚未得到很好的解決。

七、超聲波流量計(jì)

（1）超聲波流量計(jì)工作原理　超聲波流量計(jì)是近代發(fā)展起來的一種新型測(cè)量流量的儀表。只要能傳播聲音的流體均可以用此類流量計(jì)測(cè)量，并可測(cè)量高黏度液體、非導(dǎo)電性液體或氣體流量。其測(cè)量流速的原理是：通過檢測(cè)流體流動(dòng)對(duì)超聲束（或超聲脈沖）的作用以測(cè)量流量。

超聲波流量計(jì)（見圖1-108）可分為傳播速度差法（直接時(shí)差法、時(shí)差法、相位差法和頻差法）、波束偏移法、多普勒法、互相關(guān)法、空間濾法及噪聲法等。

（2）超聲波流量計(jì)的安裝

①在現(xiàn)場(chǎng)安裝固定式超聲波流量計(jì)數(shù)量大、范圍廣的情況下，可以配備一臺(tái)同類型的便攜式超聲波流量計(jì)，用于核校現(xiàn)場(chǎng)儀表的情況；

②堅(jiān)持一裝一校，即對(duì)每一臺(tái)新裝超聲波流量計(jì)在安裝調(diào)試時(shí)進(jìn)行核校，確保選位好、安裝好、測(cè)量準(zhǔn)；

③在線運(yùn)行的超聲波流量計(jì)發(fā)生流量突變時(shí)，要利用便攜式超聲波流量計(jì)進(jìn)行及時(shí)核校，查清流量突變的原因，弄清楚是儀表發(fā)生故障還是流量確實(shí)發(fā)生了變化。

技能訓(xùn)練1-12

流量計(jì)有哪幾個(gè)種類，流量計(jì)如何選擇？

子任務(wù)2　 測(cè)定液位

測(cè)量罐體或箱體里液位的高度，控制液位的高度是保證生產(chǎn)正常運(yùn)行重要的部分，本任務(wù)將主要學(xué)習(xí)測(cè)定液位的原理與相關(guān)的設(shè)備，掌握玻璃管、玻璃板等液位計(jì)的工作原理、適用范圍以及優(yōu)缺點(diǎn)，學(xué)會(huì)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工藝要求，選擇適合的測(cè)定液位的設(shè)備。

知識(shí)儲(chǔ)備

一、液位測(cè)定的原理

在化工生產(chǎn)中，經(jīng)常需要了解容器內(nèi)液體的儲(chǔ)存量，或?qū)υO(shè)備內(nèi)的液位進(jìn)行控制，因此，常常需要測(cè)量液位。測(cè)量液位的裝置較多，但大多數(shù)是遵循流體靜力學(xué)基本原理。

圖1-109所示的是利用U形壓差計(jì)進(jìn)行近距離液位測(cè)量裝置。在容器或設(shè)備1的外邊設(shè)一平衡器2，其中所裝的液體與容器中相同，液面高度維持在容器中液面允許到達(dá)的最高位置。用一裝有指示劑的U形壓差計(jì)3把容器和平衡室連通起來，壓差計(jì)讀數(shù)R即可指示出容器內(nèi)的液面高度，關(guān)系為：

若容器或設(shè)備的位置離操作室較遠(yuǎn)，可采用圖1-110所示的遠(yuǎn)距離液位測(cè)量裝置。在管內(nèi)通入壓縮氮?dú)猓谜{(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)其流量，測(cè)量時(shí)控制流量使在觀察器中有少許氣泡逸出。用U形壓差計(jì)測(cè)量吹氣管內(nèi)的壓力，其讀數(shù)R的大小，即可反映出容器內(nèi)的液位高度，關(guān)系為：

二、玻璃管式液位計(jì)

（1）工作原理與結(jié)構(gòu)　液位計(jì)是基于連通器原理設(shè)計(jì)的，由玻璃管構(gòu)成的液體通路。通路經(jīng)接管用法蘭或錐管螺紋與被測(cè)容器連接構(gòu)成連通器，透過玻璃管觀察到的液面與容器內(nèi)的液面相同即液位高度。玻璃管式液位計(jì)如圖1-111所示，主要由玻璃管、保護(hù)套、上下閥門及連接法蘭（或螺紋）等組成。液位計(jì)若使用特殊材料或增加一些附屬部件，即可達(dá)到防腐或保溫的功能。

（2）適用范圍及特點(diǎn)　管式液位計(jì)具有優(yōu)良的性能（如耐高溫、高壓等）。另外，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、安裝方便、工作可靠、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。其作為基本的液位指示液位計(jì)，廣泛運(yùn)用在最簡(jiǎn)單的液位測(cè)量場(chǎng)合和自動(dòng)化程度不很高的大型工程項(xiàng)目中。

三、玻璃板式液位計(jì)

（1）工作原理與結(jié)構(gòu)　玻璃板式液位計(jì)如圖1-112所示，是基于連通器原理設(shè)計(jì)的。由玻璃板及液位計(jì)主體構(gòu)成的液體通路經(jīng)接管用法蘭或錐管螺紋與被測(cè)容器連接構(gòu)成連通器，透過玻璃板觀察到的液面即為容器內(nèi)的液位高度。

液位計(jì)兩端的針型閥不僅起截止閥的作用，其內(nèi)部的鋼球還具有逆止閥的功能，當(dāng)液位計(jì)發(fā)生意外破損泄漏時(shí)，鋼球可在介質(zhì)壓力作用下自動(dòng)關(guān)閉液體通道，防止液體大量外流，起到安全保護(hù)作用。液位計(jì)改變零件的材料或增加一些附屬部件即可達(dá)到防腐、保溫、防霜、照明等功能。

（2）適用范圍及特點(diǎn)　玻璃板式液位計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、安裝方便、工作可靠、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。作為基本的液位指示液位計(jì)，該產(chǎn)品也廣泛運(yùn)用在最簡(jiǎn)單的液位測(cè)量場(chǎng)合和自動(dòng)化程度不很高的大型工程項(xiàng)目中。

技術(shù)訓(xùn)練1-13

如圖1-113所示的開口容器內(nèi)盛有油和水。油層高度h1=0.6m，密度ρ1=800kg/m3；水層高度h2=0.7m，密度ρ2=1000kg/m3。（1）判斷下列兩關(guān)系是否成立，即pA=p'A，pB=p'B；（2）計(jì)算水在玻璃管內(nèi)的高度h。

解：（1）pA=p'A的關(guān)系成立。因?yàn)?span id="9jlsdy9" class="italic">A與A'兩點(diǎn)在靜止、連通著的同一流體內(nèi)，并在同一水平面上，所以截面A—A'稱為等壓面。pB=pB'的關(guān)系不能成立。因?yàn)?span id="3fq94vt" class="italic">B及B'兩點(diǎn)雖在靜止液體的同一水平面上，但不是連通著的同一種流體，即截面B—B'不是等壓面。

（2）由上面討論可知：pA=p'A，用pa表示大氣壓，用流體靜力學(xué)基本方程計(jì)算，即

于是

簡(jiǎn)化上式并將已知值代入得800×0.6+1000×0.7=1000h

解得

h=1.18m

即pA=p'A關(guān)系成立，pB=p'B的關(guān)系不成立；水在玻璃管內(nèi)的高度為1.18m。

子任務(wù)3　 測(cè)定壓力

壓力（或壓力差）是工藝過程中進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制的參數(shù)，本任務(wù)中我們將學(xué)習(xí)掌握測(cè)量壓力的方法、原理和設(shè)備，掌握U形壓差計(jì)、倒U形壓差計(jì)、斜管壓差計(jì)、雙液體U管壓差計(jì)等類型的壓差計(jì)工作原理、適用范圍以及優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工藝要求，選擇適合的測(cè)定壓力的設(shè)備。

知識(shí)儲(chǔ)備

一、U形壓差計(jì)

U形壓差計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖1-114所示。它的主要部件為一根U形玻璃管，內(nèi)裝指示液。指示液與被測(cè)流體不互溶，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，且其密度大于被測(cè)流體密度。常用的指示液有水銀、四氯化碳、水和液體石蠟等，應(yīng)根據(jù)被測(cè)流體的種類和測(cè)量范圍合理選擇指示液。

當(dāng)用U形壓差計(jì)測(cè)量設(shè)備內(nèi)兩點(diǎn)的壓差時(shí)，可將U形管兩端與被測(cè)兩點(diǎn)直接相連，利用R的數(shù)值就可以計(jì)算出兩點(diǎn)間的壓力差。

設(shè)指示液的密度為ρ0，被測(cè)流體的密度為ρ。由圖1-114可知，A和A'點(diǎn)在同一水平面上，且處于連通的同種靜止流體內(nèi)，因此，A和A'點(diǎn)的壓力相等，即

pA=p'A

所以

整理得：

若被測(cè)流體是氣體，由于氣體的密度遠(yuǎn)小于指示劑的密度，即ρ0-ρ≈ρ0，因此上式可簡(jiǎn)化為：

U形壓差計(jì)也可測(cè)量流體的壓力，測(cè)量時(shí)將U形管一端與被測(cè)點(diǎn)連接，另一端與大氣相通，此時(shí)測(cè)得的是流體的表壓或真空度。

技能訓(xùn)練1-13

若將U形壓差計(jì)安裝在傾斜管路中，此時(shí)讀數(shù)R反映了什么？

二、倒U形壓差計(jì)

若被測(cè)流體為液體，也可選用比其密度小的流體（液體或氣體）作為指示劑，采用如圖1-115所示的倒U形壓差計(jì)形式。最常用的倒U形壓差計(jì)是以空氣作為指示劑，此時(shí)：

三、斜管壓差計(jì)

當(dāng)所測(cè)量的流體壓力差較小時(shí)，可將壓差計(jì)傾斜放置，即為斜管壓差計(jì)，用以放大讀數(shù)，提高測(cè)量精度，如圖1-116所示。

此時(shí)，R與R'的關(guān)系為：

式中，α為傾斜角，其值越小，則讀數(shù)放大倍數(shù)越大。

四、雙液體U管壓差計(jì)

雙液體U管壓差計(jì)又稱為微壓計(jì)，用于測(cè)量壓力較小的場(chǎng)合。

如圖1-117所示，在U管上增設(shè)兩個(gè)擴(kuò)大室，內(nèi)裝密度接近但不互溶的兩種指示液A和C（ρA>ρC），擴(kuò)大室內(nèi)徑與U管內(nèi)徑之比應(yīng)大于10。這樣擴(kuò)大室的截面積比U管截面積大得多，即可認(rèn)為即使U管內(nèi)指示液A 的液面差R較大，但兩擴(kuò)大室內(nèi)指示液的液面變化微小，可近似認(rèn)為維持在同一水平面。

由上式可知，只要選擇兩種合適的指示液，使ρA-ρC較小，就可以保證較大的讀數(shù)R。

技術(shù)訓(xùn)練1-14

如圖1-118所示，水在水平管道內(nèi)流動(dòng)。為測(cè)量流體在某截面處的壓力，直接在該處連接一U形壓差計(jì)，指示液為水銀，讀數(shù)R=250mm，h=900mm。已知當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?01.3kPa，水的密度ρ=1000kg/m3，水銀的密度ρ0=13600kg/m3。試計(jì)算該截面處的壓力。

解：圖中A—A'面間為靜止、連續(xù)的同種流體，且處于同一水平面，因此為等壓面，即pA=pA'

而pA'=pa

于是

pa=p+ρgm+ρ0gR

則截面處絕對(duì)壓力

或直接計(jì)算該處的真空度

由此可見，當(dāng)U形管一端與大氣相通時(shí)，U形壓差計(jì)實(shí)際反映的就是該處的表壓或真空度。

U形壓差計(jì)在使用時(shí)為防止水銀蒸氣向空氣中擴(kuò)散，通常在與大氣相通的一側(cè)水銀液面上充入少量水，計(jì)算時(shí)其高度可忽略不計(jì)。

技術(shù)訓(xùn)練1-15

如圖1-119所示，水在管道中流動(dòng)。為測(cè)得A—A'、B—B'截面的壓力差，在管路上方安裝一U形壓差計(jì)，指示液為水銀。已知壓差計(jì)的讀數(shù)R=150mm，試計(jì)算A—A'、B—B'截面的壓力差。已知水與水銀的密度分別為1000kg/m3和13600kg/m3。

解：圖中，1-1'面與2-2'面間為靜止、連續(xù)的同種流體，且處于同一水平面，因此為等壓面，即：

p1=p'1　p2=p'2

又

所以

整理得

pA-pB=（ρ0-ρ）gR

由此可見，U形壓差計(jì)所測(cè)壓差的大小只與被測(cè)流體及指示劑的密度、讀數(shù)R有關(guān)，而與U形壓差計(jì)放置的位置無關(guān)。

代入數(shù)據(jù)　pA-pB=（13600-1000）×9.81×0.15=18540（Pa）

（2）用U形壓差計(jì)測(cè)量某氣體流經(jīng)水平管道兩截面的壓力差，指示液為水，密度為1000kg/m3，讀數(shù)R為12mm。為了提高測(cè)量精度，改為雙液體U管壓差計(jì)，指示液A為含40%乙醇的水溶液，密度為920 kg/m3，指示液C為煤油，密度為850 kg/m3。問讀數(shù)可以放大多少倍？此時(shí)讀數(shù)為多少？

解：用U形壓差計(jì)測(cè)量時(shí)，被測(cè)流體為氣體。

用雙液體U管壓差計(jì)測(cè)量時(shí)，可得：

因?yàn)樗鶞y(cè)壓力差相同，聯(lián)立以上二式，可得放大倍數(shù)

此時(shí)雙液體U管的讀數(shù)為