笔记-化工仪表及自动化教材（廖燕明主讲）1-17(50) - 图文

2013年10月14日星期一

目录

第一篇过程测量仪表 ............................................................................................................... 1 第1章 概述 ....................................................................................................................... 1

一、 仪表的分类 ....................................................................................................... 2 二、 自动化仪表的发展概况 ................................................................................... 2 三、 测量过程 ........................................................................................................... 2 四、 测量误差及性能指标 ....................................................................................... 3 第2章 压力测量及变送 ................................................................................................... 4

第一节 概述 ................................................................................................................... 5 第二节 弹性式压力计 ................................................................................................... 6 第三节 压力传感器与变送器 ....................................................................................... 8 第四节 压力仪表选用、安装与校验 ........................................................................... 9 第3章 物位测量及变送 ................................................................................................. 14

第一节 概述 ................................................................................................................. 14 第二节 浮力式液位计 ................................................................................................. 14 第三节 差压式液位计 ................................................................................................. 17 第四节 其它物位计 ..................................................................................................... 19 第4章 流量测量及变送 ................................................................................................. 20

第一节 概述 ................................................................................................................. 20 第二节 差压式流量计 ................................................................................................. 21 第三节 靶式流量计 ..................................................................................................... 25 第四节 容积式流量计 ................................................................................................. 26 第五节 转子流量计 ..................................................................................................... 28 第5章 温度测量及变送 ................................................................................................. 32 第6章 显示仪表 ............................................................................................................. 32

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第一篇 过程测量仪表 第1章 概述

生产过程自动化基本概念

在生产过程中，利用自动化仪表装置来检测、显示、控制生产过程中的重要工艺参数，自动的维持生产过程的正常进行，当工艺参数受到外界干扰的影响而偏离正常状态时，能自动的调回到规定的参数范围内。

生产过程自动化系统分为以下几类：

自动检测系统、自动信号联锁保护系统、自动操作系统、自动调节系统。

自动调节系统：温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统。 人工控制过程、自动控制过程。

如何替代人工调节，完成自动调节的功能。 自动控制方框图：

如果是人工控制，那么人应该通过眼睛观察液位是高于还是低于规定的液位，在根据大脑的分析得到是开大还是关小阀门，在发出指令通过手来执行关小还是开大阀门。

如果是自动控制的系统，通过检测环节测量被测参数，通过测量变送器吧测量结果和给定值进行比较，在比较环节把测量值Pv和给定值Sv进行比较，Dv=Sv-Pv,通过调节器来判断Dv是大于0还是小于0，得到MV值，把MV发送给执行器，执行器可以执行对调节阀的开闭，从而完成对调节对象的调节。 四个方框分别代表控制系统的不同环节，它们的连接方式是信息流而不是物质流，信息的流动，是个理想的关系，箭头表示信息的流动方向。

这里可以了解一下自动控制系统是如何实现的。 这就是自动控制系统的方框图。

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一、 仪表的分类

1. 安仪表工作所需能源分类：气动、电动、液动

（仪表需要对它提供能源才能工作。）

气动仪表通过提供压缩空气，通常是0.14MPa的压缩空气；通过膨胀来做功。 液动通过液体液压的方式来提供动力。 现在主要是电动仪表。

2. 按系统组成结构分：基地式仪表、单元组合式仪表、组件组装式仪表、分散综合控制系统。

单元组合式：安装功能来分组，把不同功能的仪表连接起来，各个模块之间具有互换性，目前是一种比较主要的形式。

组件组装式仪表：通过插卡的形式放在计算机的总线槽里面。

综合控制系统：可以替换以前很多多个单台仪表组成的计算机控制系统，当前的主流。

3. 按防爆能力分：普通型、隔爆型、安全火花型

主要是使用在化工企业中， 隔爆型：通过外壳和外界隔离。

安全火花型：又叫本安型，本质安全型。

二、 自动化仪表的发展概况

基地式仪表阶段 单元组合式仪表阶段 很多现场仪表都是这样的方式。 以微处理器为基本部分的控制装置阶段

重点：测量方法，测量仪表概念，测量误差，仪表的性能指标

三、 测量过程

1. 测量过程

用一个已知量（单位）与被测量比较，收集信息的过程： A=g *Ux

g：测量比值 UX：测量单位

测量过程就是一个信息的获取的过程。 2. 测量方法

a) 根据测量方式分：

i. 直接测量—测量直接得到结果的测量； ii. 间接测量—不能直接得到测量结果，须经过一定运算。 b) 根据接触方式分：

i. 接触式测量：容易测得比较真实的测量值，往往需要测量元件放到介质里面，干扰介质，稍微影

响测量结果。 ii. 非接触式测量（辐射式等等）：由于距离原因可能不太准确。 c) 根据平衡方式：

i. 平衡式：指零式，比如天平，一般是指零的。 ii. 非平衡式：偏差式，比如通常情况下它是指令的有测量值变化时，他的指针是不指零的。

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3. 测量仪表

a) 开环结构：

i. 被测参数→检测/变换→传递放大→显示/变送 b) 闭环结构：稳定性，精确性高于开环结构。

i. 增加反馈环节，提高仪表稳定性、测量精度。

在显示/变送之前把信号通过处理反馈给检测/变换之前，进行分析控制。 各有优缺点啦。

四、 测量误差及性能指标

1. 测量误差

误差=测量值-真实值 误差的分类：（按误差的本身性质分）

系统误差：指测量结果的一种固定或者有规律的偏移。测量结果的整体的偏移，往往由于仪器或者使用方法习惯性的不当，或者仪器的固定的偏差；系统误差的克服：把测量结果减去测量偏差值就可以克服这个系统误差了。 随机误差：围绕着一定的范围在杂乱无章地变化的。平均值为0。外界偶然因素的干扰等等。

疏忽误差：外界突然因素或者人操作的突然因素或者外界干扰，测量值远远偏离真实值，往往出现的情况较少。 系统误差不可避免的。 随机误差可以取平均值。

疏忽误差不要放入最终的数据处理。 用仪表仪器测量而得到的值。

误差公理：任何测量过程都存在误差；那么真实的值从哪里来的？

真实值：用标准值、理论值代替。用足够精度的值来代替，是相对的，相对于其他的仪器来说已经十分精确了；理论值从理论上的得到的值。

2. 仪表性能指标：误差及误差计算

a) 绝对误差a、相对误差r

i. 绝对误差：a=x-x0，x：测量值，x0：真实值（标准值）。有正负号，有单位。 ii. 相对误差：r=（x-x0）/x0*100% b) 引用误差q允

i. 测量绝对误差与测量仪表量程值百分比。

Q=a max/L*100%

L=l上-l下，仪表量程，

上下分别表示仪表的测量上下限。

c) 回差（变差）h

H=（X上-X下）/L*100% X上：测量上行值。 X下：测量下行值。

注意：对同一个被测参数测量得到的不同结果。 变差产生原因：传动机构间隙，弹性元件滞后。

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3. 精度精度等级

a) 精度（精确度）是精密度（系统误差）和准确度（随机误差）的综合。 b) 精度是反映仪表性能优劣的主要指标。 c) 精度由qmax和h确定，仪表出厂要求

Q允>=qmax、q允>=h

Q允：仪表允许的引用误差最大值。 Qmax：仪表实际的最大引用误差， Q允：去掉正负号和%就是精度。 精度等级：。。。。。0.4 0.5 1.0 1.5 2.5 。。。

算出精度来之后，在根据国家规定的仪表的精度等级，来确定仪表的精度，比如如果q允=±1.3，那么应该确定1.5的精度，因为这个仪表达不到1.0的等级，只能达到1.5的等级。数字越小那么精度越高。所以出厂的时候的精度应该定位1.5。

4. 灵敏度、灵敏限及分辨率

a) 灵敏度：S=

b) 灵敏限：输入变化多少才允许输出开始变化。

c) 分辨率：通常指数字式仪表，也就是说，显示的时候是以几位数字显示，最小数字是个位数1，单位

如果是帕斯卡，那么它的分辨率就是1帕斯卡了。

5. 其他指标：反应时间、可靠性

a) 例如：有一块压力表测量范围为0～150Kpa，测量100Kpa这一点，测得上行值为98Kpa，下行值为101Kpa，

其余各点误差均小于此点，问此压力表的qmax、h和精度格式多少？ b) 解：qmax===-1.33%

c) H=(98-101)/150*100%=-2.0% d) 精度智能定成2.5。

第2章 压力测量及变送

本章重点：压力的单位、表示方法，弹簧管压力表的结构及原理、选用、安装和校验，电容式差压变送器和智

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能式差压变送器的简单原理，变送器输出值的计算。

第一节 概述

一、 压力

压力（压强）P=F/A

标准单位：Pa、Kpa、Mpa

工程单位：巴bar，毫米水柱mmH2O、毫米汞柱mmhg、标准大气压ATM、工程大气压公斤等。 二、 压力表示方法

大气压：大气自重产生的压力； 表压：以大气压作为它的基准； 绝压：绝对真空作为基准。 真空度：低于大气压的压力 关系式：

表压=绝对压力-大气压 真空度=大气压-绝对压力

三、 测压仪表分类

a) 液柱式：比如U形管

这里，我们测得的压力值属于表压力，因为它的基准是大气压力，我们如果不说明那么测量的就是表压，除非特

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殊说明那么一般测量的就是表压。

b) 弹性元件式：弹簧管、膜片、膜盒、波纹管 c) 电气式（压力→电量（R、V、I、C）） d) 活塞式（校验仪器），一般作为校验仪器来生产的。

第二节 弹性式压力计

一、 弹性元件

弹性式压力计通过测量弹性元件受压后所产生的弹性变形（即位移）来测量压力。 常用的弹性元件：膜片、膜盒、波纹管、弹簧管。 用到的最多的是弹簧管。

膜片一般是圆形的上边有一些一圈一圈的波纹。

膜盒比较复杂。压力作用在膜盒上。

波纹管，下边有压力，上边有位移。

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270°左右的单圈弹簧管， 多圈弹簧管就是很多圈的弹簧管了。 二、 弹簧管压力计

a) 组成（结构）

i. 弹簧管：截面是椭圆形的，扁平、中空，横截面为椭圆形，一端固定，一端为自由端，弧度为270°，

铜、合金铜、钢。长轴方向的弹力大于径向的弹力，

椭圆的形状趋于变形成近圆形，自由端变化角度的△=K*P，k弹性系数。

作用：感受压力信号，并转换为位移信号。

ii. 齿轮、杠杆传动机构：

1. 作用：传递放大（一般两级放大），改变调整螺钉8的位移，可调量程，（调放大倍数）。 iii. 游丝：克服齿轮间的间隙，减少变差（说明变差产生原因）。 iv. 指针及表盘：指示

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变差产生的原因：行程和回程的啮合齿轮的齿面不相同。

2. 工作原理：

压力→弹簧管→位移→一级放大（扇形齿轮）→二级放大（中心齿轮）→指示

第三节 压力传感器与变送器

压力测量： 就地指示：弹簧管压力表 远传信号式：传感器式、变送器（气动、电动）

传感器：能将飞变量被测参数按确定函数关系转换成电量的设备/器件。 变送器：

（1） 变送：将被测参数成比例转换成标准统一信号，并能将统一信号有限距离的远传。 （2） 可调量程：把同一参数不同的测量范围转换为成比例的统一信号。

a) 统一信号：一般来说是4-20mA DC 的直流电流信号。

b) 有0-10 或者0-20 MPa的测量范围都转换为4-20mA 的直流信号。

c) 一般来讲，传感器在前，传感器的信号传递给变送器，传感器测量参数，传送电量，变

送器把电量成比例转换成4-20mA的标准直流电流信号。

一、 压力传感器

a) 压阻式、应变式、电容式、电感式、振动式。 二、 气动压力（差压）变送器，QBC

a) 利用杠杆、喷嘴-挡板机构，气动放大器、反馈机构、波纹管喷嘴-挡板机构，即将杠杆

的位移转换成压力。 b) 利用力矩平衡原理

c) （△P）P测↑→F↑→杠杆偏转→挡板靠近喷嘴→P背压↑→P出↑→指示↑（反馈↑）

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三、 电动差压变送器 DBC

a) 将P测（△P测）转化为电信号输出。

b) 双杠杆电动

单元组合三型DDZ-Ⅲ； c) 1151电容式压力变送器，试讲差压的变化转化为电容板的位移，从而使电容量发生变化，

然后利用测量电路、运算放大电路转换成4-20mA的输出。电容式智能差压变送器是利用微处理器实现了自动调零，调量程、自诊断等功能的一种新型变送器。

d) C=

四、 变送器输出值的计算

a) 变送器的统一信号：0.14MPa

i. QDZ气动变送器输出的统一信号为：0.02～0.1MPa ii. DDZ电动差压变送器输出的统一信号为：0～10mA、4～20mA b) 输出值计算通用式：

例如：一台DDZ-Ⅲ差压变送器，测量范围2.5～10MPa，当所测压力为5MPa时，输出是多少？

注意：默认DDZ-Ⅲ输出的标准范围是4～20mA的标准电流信号。 I出==9.33mA

第四节 压力仪表选用、安装与校验

一、 压力表的选用

a) 型号

i. Y-100,100指表盘直径。远距离可以大一点150，如果有空间限制或者近距离观察，可以使用50mm

的表盘直径。

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YA-100，测量含氨气的介质。因为一般的压力表使用铜或者合金铜，氨对同或者合金铜有腐蚀性，所以铜介质的弹簧管会被腐蚀或者穿孔，所以含氨气的压力表应该使用不锈钢的压力表。 iii. Y0-50,O指的是氧用压力表，氧用，小压力表，专用的YO，不能够在弹簧管的连接头上沾油脂，

如果氧气和油脂接触会发生危险。所以YO的压力表的弹簧管的接头处不会沾有油脂。一般的压力表可能在螺纹连接的地方涂油油脂，氧用压力表没有油脂，防止了氧和油脂接触时发生危险。 iv. 从介质、观察、安装三个方面选择压力表的型号。 b) 量程

i. 压力平稳：P量=P测*1.5，波动范围大P量=P测*2.0，下限选取：测量值大于1/3量程。 ii. 量程靠级：0～1.0，1.6，2.5，4，6，10*10的n次方MPa iii. 避免压力表超限而损坏，也不能让压力表的示值一直处于压力表的低压力范围，这样会使压力表

的测量精度偏低，一般测量值最小不能小于压力表的1/3的量程。实际上就是在量程的1/3～2/3的中间区域来使用压力表，可以获得不较好的精度，也可以防止测量值超限。当然如果波动较大那么也可能是在1/3～1/2的测量范围等等。选择好了量程以后，必须到量程的系列里面选择量程值，就是量程值要标准化。Ｐ测＝1.8ＭＰａ，Ｐ量=2.5MPa、

c) 精度选择

i. 求引用误差，靠精度等级（往高精度靠） ii. 精度的选择的话，主要要考虑的问题就是引用误差，引用误差的求取，根据选表和误差要求选择：

例如：假设现在测量比较稳定的压力测量范围，0.8MPa要求，误差不大于±0.02MPa；要求选择压力表的精度量程。 iii. 解答：0.8兆帕因为稳定所以0.8*1.5=1.2兆帕，位于1.0～1.6兆帕之间，所以选择0～1.6兆帕，

验证下限问题，1.6/3=0.5333<0.8兆帕所以测量值在1/3以上，2/3以下的区域，所以这个量程的选择是合适的。这样过程就比较完整了；现在可以求取引用误差了，量程0～1.6，q允=±0.02/1.6-0*100%=±1.25%，根据精度等级序列，有1.0和1.5的级别，应该选择1.5的级别。、 iv. 注意：如果出厂的时候那么不可以标注1.0，如果标注1.0那么仪表实际是达不到精度要求的，但

是如果选用上，我们应该选用精度1.0的精度的仪表以满足我忙的对仪表1.25的精度要求。

二、 安装

a) 测管道静压应该避开压力扰动处（比如阻力架的后面，管道弯头、截止阀门、弯头等等离开有一定的

距离，有一定的稳定的时间）、保证测量管路内为单相流体，引压管道单相（气相或者液相，不能混相）流体，如果液体中混有有气体，容易压缩或者膨胀，如果气体中混有液体，容易造成一段附加的压力，都会造成压力测量的不真实。

b) 开孔：压力稳定处，即不要有阀，弯头等阻力件。应该离开一定距离。 c) 方位：液体在管道下方45度区域取压（不要在正下方避免杂物的堵塞）；气体在管道上方（不易存在

ii.

积液的问题）

d) 开孔

e) 引压管路、口径很小例如6mm的直径，避免杂质进入，保证单相，避免压力测量的不准，有一定的

倾斜度。

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压力表的安装：比如高温、腐蚀、高粘度不能够让介质压力直接接触压力表的弹簧管，防止弹簧管的性能的改变，高粘度可能进去出不了，堵塞。这些情况，可以使用，高粘度，腐蚀性，易结晶等介质应加隔离罐，罐隔离液。

三、 校验

a) 校验的目的是已确认经过一定时间的使用压力表是不是还适合继续使用。 b) 校验是被校仪表与标准仪表在相同条件下的比较过程。

c) 标准表：根据被校表进行选择，要求标准表的允许绝对误差不得超过1/3的被校表允许绝对误差，标

准表的量程应比被校表两个车大一档。（0-1.0 0-1.6等各个档位，）

f)

d) 校验步骤：

e) 利用压力发生器，产生压力，使被校表压力指示为一个定值后读取标准表示值，在被校表量程范围内

均匀取五个点，包括起始和终点，若起点不准，可调整指针，若终点不准（满量程）不准，可调准传动放大杠杆上螺钉的位置，一般要求测出上行、下行值然后记录数据，进行误差计算，并得出结论。 f) 可以使用标准砝码校验和标准表校验进行比对。标准表检验通过手轮加压和减

g) 必须完成上行和下行值的校验过程。假砝码就是上行的校验过程，减砝码就是下行的校验过程。至少

要五个点或者更多。标准砝码的校验过程不装标准表。

h) 标准表的检验方法需要安装标准表，通过旋转手轮来加压和减压获得上行和下行值。操作工程中要十

分小心的，摇杆操作的过程很容易超过，如果超过了测量点在吧手轮到过来旋转得到那个点那么得到的不是上行值而是下行值这是十分需要注意的地方，如果超过过多了可以反向旋转较多的距离在重新正向旋转才能得到上行值。

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i)

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注意：如果起点不准，调准指针的时候要使用取针器取下来不能使用手，防止损坏指针。如果终点（满量程）不准可以调整扇形齿轮的螺钉位置，一般要求测量出上行、下行值然后记录数据，进行误差计

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算，并得出结论。

第3章 物位测量及变送

重点：物位概念，恒浮力式、变浮力式物位计的结构、原理及适用场合，差压式物位计的原理及实际使用中应

注意的问题：迁移。

第一节 概述

这三个具体的概念： 液位---气液界面，

界面---两种不同液体捡的接触面，当然这两种不同液体不相溶或者过一段时间可以出现分界面的两种液体。 料位（面）—固体的容高，固体粉末或者颗粒状的物料，比如水泥等等

注意：如果罐子，可能有进口，有出口，罐已经满了，可能溢出，如果已经抽完了，还继续抽可能导致罐的倒塌，。所以对罐的液位或者料位的检测是十分重要的。

物位计类型： 1、 直读式液位计

利用连通器的原理，有玻璃管，玻璃板，磁翻板液位计。由于玻璃管不能承受一定的压力和温度，

使用有机玻璃板，玻璃板式还可以加上钢架可以承受一定的温度和压力。

磁翻板式，利用直读式，的连通器的原理，连通器里面放入浮球具有NS极的磁性的浮球，浮球上下移动可以吸附翻板翻转，也可以读取液位。应该是一长排翻板。

2、 浮力式：恒浮力式、变浮力式。例如浮标跟随液面上下移动，恒浮力式。当物体浸入液体的体积不同受到

的力不同可以得到不同的信号。 3、 差压式物位计

4、 其他物位计：辐射式，核辐射或者射电辐射，超声波式，光电式。雷达式，射频导纳式等。都有非接触式

的性质，射频导纳式接触式的仪表。 5、 还有电容式，实际应用中还是有用处的。 6、 概述的内容就到这里吧。

第二节 浮力式液位计

一、 恒浮力式 a) 自动跟踪式

i. 恒浮力式是指维持浮力不变，浮标一直漂浮在液面上，浮标随着液面的高低变化，浮标位置的变

化通过传递机构传出容器外，则可进行指示，或其他转换。

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ii.

油罐区有时用自动跟踪式液位计，而塔板上常用的是浮球式液位计。可以增加标尺，从而可以指示浮标的位置，这里标尺应该是倒立的，数值自上而下越来越大。

iii. 自恒系统容易受到摩擦力的影响，滑轮这个系统实际中的利用价值并不是十分理想。 iv. 现在一般做成自动跟踪式液位计，有一个跟踪动力机构。电动机缠绕滚筒，通过一定的检测机构

检测浮标在液体里面的浸没程度的变化，浸没程度减小了那么液位下降，则动力机构提供动力，使浮标跟着液位下降重新达到先前的浸没程度。当然通过检测器来检测浮标的浸没位置。这样可以做到0.01%的检测，量程可以做到0-15m的量程，适合大罐的检测。炼油厂的大罐或者储罐的检测。

b) 浮球式

i. 空心金属球由连杆连至容器外，转动点在容器壁上，连杆另一端有平衡重锤来维持平衡，液位的

变化带动连杆的转动，转动的角度转化为刻度指示，亦可以将传动通过一定的机构转换成电（气）信号远传。 ii. 特点：浮球式液位计适用于温度、粘度较高，而压力不太高的密闭容器内的液体介质的液位测量。 iii. 当然也有外浮球式，外浮球式不宜适用于粘度高的液体或者容易结晶的液体，要保证内外液体的

流动性。

二、 变浮力式液位计

a) 浸没于液体中物体随浸没程度的变化而使之氺导的浮力发生变化，检测出浮力的变化则可知液位高度，

属于这种液位计的有浮筒式液位计。

b) 当沉筒不浸没于液体时，弹簧被压缩至最短位量；

c) 液体浸没沉筒，弹簧受力F=W-F浮，变小，弹簧上移，带动差动变压器中铁芯的移动，变压器有不平

衡电压输出，电压经整理放大，转化为统一信号输出。

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d) 把液位的变化转化成为浮力的变化，连接的一个铁芯，

铁芯位于差动变压器的输入输出线圈之间。原边加交流电压，付边可以产生交流电压，付边反相绕线

圈，e=e1-e2，如果铁芯在中间时，e1=e2，e=0，

如果铁芯不在对称点的位置时，磁通量不会对称，铁芯如果往上偏，则e1>e2，如果铁芯往下偏则e1

i. 浮筒式液位计量程：决定于沉筒的长度。低于和高于浮筒我们都不能测量液位。 ii. 浮筒式液位计只能测量轻，净介质。如果是粘度大或者脏的东西，浮筒表面会粘附一些粘稠的物

质，影响测量。测量只应该是偏小的。 iii. 浮筒式液位计的输出信号不仅与液位高度有关，还与被测介质密度有关（浮力与液体密度有关），

因此当所测介质密度变化时，必须进行密度修正。 iv. 仪表都有零点和量程调整，这两个调整，量程调整相当于密度调整，

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第三节 差压式液位计

一、 工作原理

a) P=，侧压力的液位。用差压变送器来测量。

b)

二、 使用及迁移

a) 敞口容器液位测量

利用液柱所产生的静压。

i. 变送器正压室接取压口，负压室通大气即可。敞

口液面压力和大气压力一样所以可以省略图中打叉的管线。负压的引压管路可以不接的，可以直接通大气。只接下方的正压管路就可以。 ii. 如果变送器与最低液位处于同一水平位置上，则变送器的输出反映真实情况，此时不用调整。 iii. 如果变送器不于容器最低液面处于同一水平位置时，当变送器低于最低液面，则必须进行正迁移。 iv. 正常情况下是输出信号4～20mA，如果不做正迁移，因为初始值不是0MPa，所以输出电信号不

是从4mA开始的而是大于4mA。所以要把初始电压调到4mA。

b) 密闭容器

i. 注意：不管是不凝气还是可凝气都必须把气相压力引入，气相为不凝气时，不用加隔离罐。 ii. 气相为可凝气时，如果随着温度的变化等等，h那里会呀液柱变化导致负压不稳定，必须加隔离

罐，隔离罐充入隔离液。凝液会导致负压引压管中压力变化，即使液位最高时变送器输出扔小于

最小值，必须进行负向调整，使的当H=0时输出最小。

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iii.

一般保证

防止被测介质流入隔离液管路。这里不管H在最大值还是0，总是可

以保证△p小于0的。 iv. 这种调整成为迁移，迁移实际上是零点的调整，对变送器的量程没有改变迁移时框艺调整迁移弹

簧。 v. 如何判断要进行何种迁移呢？ vi. 当液位最低时，△P=P+ - P- =0 五迁移 vii. 当。。。。＜0时 负迁移 viii. 当。。。。＞0时 正迁移 ix. 令H=0来判断如何迁移，那么迁移量是多少呢？就是△Pmin。

三、 法兰式差压式液位计

a) 主要用于腐蚀性或含悬浮颗粒、粘度大、易凝等介质的测量。 b) 法兰式液位计的前一辆与变送器安装高度无关，而且总是负迁移。

c)

d) 通过引压管路引进去，如果有悬浮颗粒那么不适合使用引压管路，还有就是粘度太大的液体也不适合

使用引压管路，容易堵塞，这里就适合使用法兰式差压式液位计。弹性膜片，往里充满了硅油，使用毛细管，毛细管里也是充满硅油，压力到了弹性膜片不用再流入毛细管，通过毛细管和毛细管内的硅

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油传递压力。

第四节 其它物位计

一、 电容式物位计

a) 采用圆筒形电容器原理进行工作。 b) 圆筒形电容器电容:

利用电容与介电常数、电机长度的关系，采取合适的传感器形式，可以进行物位测量。

考虑用于导电介质与不到电解质的电容式物位传感器的区别。

极板电容，两个极板构成的电容，。外电极和内电极构成。当量直径，R/r

再取对数，相当于两个电极之间的距离。

如果是不导电介质那么可以直接放入电极，形成电容，c与介质的介电常数有关还介质常数有关。内电极是裸露的内电极。外电极利用容器的外壁。上面由气相构成的介电常数构成C0,下面有介质构成的电容C1，C就是C0和C1的并联，并联的结果就是C=C1+C0=2，通过对C值的测量得到物位。

如果是导电介质，那么不能形成电容。必须使用复合电极，中间是一个极板，外围包裹绝缘层，绝缘层介电常数，代替裸露的电极，这时再充入导电介质构成的电容发生了变化，利用中间的电极和导电介质和外壁构成的电容。半径之比，这时R发生了变化，需要注意的地方，R是绝缘层的半径。

二、 核辐射物位计

a) 利用的射线的穿透能力。例如罐区，腐蚀性的或者危险的，不希望使用浮筒或者浮球的接触式测量，

不需要任何的内部的装置。

b) 射线强度按指数规律衰减，其关系为： 式中：-----介质对射线的吸收系数； H-----介质层的厚度；

I----穿过介质后的射线强度。

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c) 放射源穿

透容器穿过介质，接收器包含探测器，可以探测到强度I，进行前置放大，因为信号可能十分小。再进行指示。

有好多种：自动跟踪式，穿透式、带补尝式 超声波式物位计

利用范围十分广泛，检测和非检测的领域都有应用。

检测领域：无损探伤的领域，就是简单的例子，一个生产的零件或者一个大型的钢结构，它的部件在大型设备，内部如果存在缺陷，日后可能有安全隐患的，这个内部微小的缺陷可能使设备在日后扩大断裂，这里可以进行无损伤的探伤，这里不能损害部件，那样是没有意义的，不损害的同时可以探索部件损害的位置和大小，通过耦合是超声波进入部件内部，碰到缺陷的时候，有一些反射，分析超声波的的特征，可以检测损伤的性质。

测量材料厚度、超声波流量计、物位计、浓度计、硬度计、温度计、压力计、超声诊断仪、血流计、测距离。汽车可以加倒车雷达，比如超声波测距离。还有超声波清灰，锅炉内部的结垢，可以很容易实现结垢的；超声波焊接技术。 设超声探头至物位的垂直距离为H，由发射到接收所经历的时间为t，超声波在介质中传播的速度为V，则存在如下关系，发射超声波是脉冲的形式，发射和等待，探头一般是用压电晶体做的发射完了就可以接收，它是两用的可以发射也可以接收，从发射开始到收到的时间记为t，速度已知。

H=1/2Vt。发射到收到距离的一般就是液位的实际高度，从机理上讲是十分简单的，但是实际上是十分复杂的，V容易受到外界的影响，不同的介质V的大小不一样的，受密度和温度的影响的，V=f（e*T），现在使用的时候还是要考虑这些因素的。浮力式差压式电容式，雷达式，用的相当多的一种形式，雷达式和超声波形式类似，一般安装在液面的上面，发射雷达波，雷达测得的是液面上表面到雷达的距离，测得的是空高。

现在雷达不仅可以测得空高，还可以测得的界面，不同密度的液体的界面也可以测得。一种微波的雷达波Ghz的频率十分的高。

其他物位计：雷达式、光电式、射频导纳式等等。

d) 三、

a) b)

c)

d)

e)

f) 四、

第4章 流量测量及变送

重点：流量的表示方法、单位，各种流量仪表的原理、结构、特点和实际使用场合，标准节流装置，转子流量

计的刻度修正。

第一节 概述

一、 流量

a) 流量是物料平衡和控制的主要手段。计量、成本和产量核算等等这样的问题，使用场合是十分广泛的。

普通生活到生产当中的检测，对外贸易的流体流量的检测。如果牵扯到贸易交接的过程，或者说销售，天然气，燃油柴油或者汽油销售，这里要求非常高，越高越好，计量的场合，不同的场合有不同的要求。

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b) 流量：流经某一截面流体的数量。

c) 瞬时流量：单位时间内流过某一截面的流体数量（瞬时量）。

i. 体积流量：;标准单位是；一般使用。 ii. 质量流量：;t/h吨每小时，或者.kg/h。

d) 积累流量：某一段时间内流体总和。比如是一天24h或者一年，或者一个班8h的累计。 二、 流量仪表分类

a) 速度式（V*S）：差压式、转子式、靶式、电磁式、涡轮式 b) 容积式：罗茨、椭圆齿轮、刮板

i. 哪些方法可以测量速度呢，差压，转子，靶式，电磁式，涡轮等等都可以测量速度，或者把速度

转换成电量或者力，涡轮转化成扭矩，等效成测量速度。 ii. 容积式的体积流量计，，相当于机器或者人利用固定的体积的容器，记忆一定时间有多少次标准

容积被装满过，就是用标准容积去量取流体流过的多少。精度取决于标准容积的大小，标准容积越小精度越高。即，最小的测量单位越小。 iii. 速度式和容积式都属于体积式，第三种属于质量式。如果直接测质量和体积流量，体积流量容易

受到介质温度和压力影响，质量流量是一个恒量不受压力的影响，精度和效果比体积效果好，质量流量计有更高的浓度，质量流量计比体积式流量计一般价格贵10倍左右。

c) 质量式：实际中用的比较少。。这是第一节概述的内容了。

i. 直接（热式、补尝式，振动式） ii. 间接式：测Q→M。

第二节 差压式流量计

发展历史最悠久，利用经验最丰富的一种流量计，经验数据已经十分完善的，历史上讲，曾经占有70%的范围，

现在大不如以前了，现在许多新型的流量计比他效果要好，现在它估计占有20～30%了。

差压式流量计是基于流体流动的节流原理，利用节流装置前后的差压与流量的关系来测量流量，速度产生差压，利用差压反推速度，和流量。

差压式流量计的组成：

1. 节流装置：（节流体，前后取压管）作用：将V→△P。速度转换成压差，在反推速度。 2. 三阀组及引压管：引压 3. 差压计（差压变送器）：△P→信号输出

4. 流速转换成前后差压，引出差压，引压管路还有配套的东西，对差压进行测量，把差压转换

成流速和流量。

一、 节流原理和流量方程

a) 节流现象分析：

i. 流体在管内流动时具有动压能（V）和静压能（P），两种能量在一定条件下互相转化，但综合不变。 ii. 节流装置是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。 iii. 什么是节流元件？

iv. 改变管道中流体流通面积的元件。

v. 当在管道中放量一孔板作为节流元件时，管道中的流体情况如下：没有固定形式的阻力元件的话，很

难获得流量和差压之间的关系看，一般使用固定形式的节流元件，来获得一定的关系。

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vi. 节流孔板的结构，中间开一个孔，流体的方向是图中的

箭头所示的方向，一般是不锈钢做成的薄板，圆筒状后边有个喇叭口的节流元件。

vii. 截面Ⅰ：流速V1,静压P1’；

viii. 流体流过时有一个收缩通过后有一个扩张的过程，这个过程中取3个代表性的截面，1是流体开始收

缩的位置，2截面表示收缩面积最小的地方，3表示流速重新恢复到满管的时候，

ix. 假设第一个截面，动压能和静压能相互转化，1截面以后管壁处的流体在孔板的地方已经被挡住了，

速度在阻碍的作用转换成静压力的升高，逐渐靠近孔板的过程中管壁一周压力慢慢抬高；

x. 流速慢慢收缩的过程中，管道中任何一个截面的流量是相等的，根据我们的定律，截面最小的地方，

或者在收缩的过程中，速度逐渐增大，截面最小的地方速度是最高的。流速能能量必须从别的地方转换过来，智能从静压力转换过来，在截面最小的地方，管心处的静压力不断降低，管壁处的静压力增高；流速在逐渐收缩的过程中，截面2取在下游的某个位置上。

xi. 流体流动的连续性方程。流体没有分流，只能从这里通过。截面积的变化导

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致流苏的变化。这里恢复到V3的时候V1=V3，速度可以完

全恢复，但是压力不能完全恢复，差压是怎么形成的呢？截面积最小的地方流速是最高的。由管壁到管子中心静压力逐渐降低的。静压力转换成动压能。由于收缩具有一定的惯性，所以收缩的面积最小的地方在孔板孔的下游的一定距离的位置，而不是孔板上，所以根据流速的变化最小截面的位置是变化的。有能量的损失。结果就是孔板前后的差压的形成，差压和流量有固定的方程。

b) 流量基本方程（能量守恒）

i. 由伯努利方连续性方程得：

是质量流量。D：管径，d：孔板开孔直径。孔板设计号以后比值是一定的。

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。

这里是一个开放的关系，非线性的关系。 二、 标准节流装置

a) 根据实践经验和实验资料，将节流装置：孔板、喷嘴、文丘里管等进行标准化GB-1993较新的国标。，称

之为“标准节流元件”，他们的结构、尺寸和技术条件都有统一的标准，可根据实际需要按统一的标准进行设计、加工和安装，不必再经单独标定，即可投入使用，精度可达1.5级。

b) 标准节流装置包括取压方式，常用有以下方式：喷嘴的形式如下：它有一定的弯曲的弧线，流体的压力损

失可以减小，加工难度加大。文丘里管第二个图，起码有三个部分，收缩段喉部，还有个扩散部分，有的还有四个部分、五个部分等等。

i. ii. 角接取压接：取压位置紧靠节流件前后端面，适用于孔板和喷嘴。

iii. 1英寸法兰取压：距节流件前面端面1英寸（25.4mm）处取压开口，适用于孔板。

c) 还有一些变化，例如，单独钻孔和环室取压都属于角接取压。换式取压孔板一圈做一个外圆一圈的压力都

取压，单独去孔只是一个点的压力，不如环形取压效果好。

三、 差压计

a) 差压变送器

i. 流量→孔板→变送器→△P

ii. 现在一般都用差压变送器，测出差压来。还有双波纹管差压计，智能就地显示。取压出来有两个截止

阀，中间有个平衡阀，等等等构成三阀组。三阀组的的作用防止差压变送器单向受压，如果要投入使用，不能保证同时打开，静压比差压较大，容易导致差压变送器的损坏。打开平衡阀，保证两边的压力同时进入避免单向受压。

iii. 附带的问题：变送器测量差压的，但是流量的值可差压是一个开方的关系，那么刻度如何表示呢，两

个刻度，一个是线性的刻度。指针根据4～２0mA,来显示，整个刻度时线性的刻度，指示的值是差压值。另外一个刻度不等分，这个是开方的刻度。50%差压接近70%的流量。最右端应该都是100%。

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iv.

v.

b) 双波纹管差压计

i. 不需要电源或气源，可用于就地显示。

ii. 变送器的刻度：线性（等百分）与非线性刻度（开方）49%△P------70%

第三节 靶式流量计

差压式流量计对于高粘度介质的测量不理想（引压管线易堵），可以用靶式流量计，靶式流量计可直接装于管

道中。

靶式流量计利用动压原理。受到三个作用力。 1、 流体对靶的直接冲击力，即流体的动压力。

2、 由于靶对流体的节流作用，在靶前后两侧产生的静压力压差。 3、 流体对靶的粘滞摩擦力。

4、 综合1、2、3所得到的的公式是：流体作用在靶上的力：阻力系数。:靶面积。

5、 高粘度介质或者含有颗粒的介质，差压时流量计效果不好，靶式流量计可以解决这个问题，直接安装在管

道内部。如图：具有靶片，支点、杠杆构成。可以测量杠杆一端的力的测量知道流量的大小。节流的元件和孔板的不一样，这里四周是流通面积，中间是节流装置。上游的压力高于下游的压力。

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6、 A0是环形的流通面积。靶式流量计可以做成气动的也可以做成电动的。

7、 特点：适合于高粘度低雷诺值。调零点不太方便，安装的时候必须有旁路，

它是直接装在管道内部的测量，如果要调零点，必须要将

上下游的流量切断，流量走旁通，靶片受力为零，才能进行调零点的操作；差压时流量计通过引压管路出

来，可以吧引压管路上的阀关闭就可以。

第四节 容积式流量计

直接计量流体体积，它的测量与流体的密度无关，且不需进行各种换算，故精确度比较高，常用作计量用表。 常用的容积式流量计：椭圆齿轮流量计、罗茨流量计（腰轮流量计）、刮板流量计。

密度对体积的测量是不方便的，但是密度对容积式流量计没有太大的影响。

它的测量往往跟密度没有关系，根据前两个公式：差压式和靶式流量计理论公式的计算都包含了密度的变量，如果密度变化的话原来的参数必须要重新调整。

容积式流量计不会受到密度变化的影响，不需要进行各种换算或者转换，可以作为计量表使用。

以椭圆齿轮流量计的方法来讲解工作原理。

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内部两个椭圆齿轮的柱体，齿轮在柱体的侧面上有齿轮，开始两个齿轮位于第一个图的位置上，在压力的作用下分析它的受力。A图中B受力平衡不会发生转动，但是如果P1>2P,则A要进行逆时针的转动，具有逆时针的力矩。转动90°，排出了V0,360°，排出了4个V0。V=4NV0=2（）。

对机械加工提出了十分严格的要求。如果配合不好那么容易泄露，如果配合的太紧不容易转动。

,使用计数机构进行计数就行了。 误差：泄漏量。 特点：

1、 精度高0.2%

2、 对介质要求（一般要求都在流量计之前加过滤器）

i. 不含气体 ii. 不含杂质

3、 适用于高粘度介质

不适合用于很低浓度的测量。压力不要太高，容易造成泄露量。

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第五节 转子流量计

转子流量计通过改变流体流通面积的方法测流量。

口径较小，直径150mm，还可以做到直径1.5mm。特别小了。可以简单到只有两个部件。 一、 结构及工作原理

a) 结构

i. 锥形管：玻璃、金属 锥度40’到3°。玻璃表面可以刻有刻度，金属做的不可以直接观察，应该

通过其他的结构转换出来。ii.

转子：气体：非金属材料。液体：金属材料铝、不锈钢。大概形状一般就是如图所示的形状：

。形状要考虑有益于转子所测的气体或者液体得到稳定的值。液体一

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般就是金属材料，非金属材料一般使用橡胶或者胶木。

b) 工作原理：

i. 转子悬浮于锥形管中间的一定高度，流量增大时，转子上移，流通面积增大，流动速度减小，静

压差、重力及浮力平衡，转子在一个新的高度H上稳定，由H可得知流量Q。 ii. 转子受到的力有重力、浮力、阻力。转子也可以产生节流现象。管道内的阻力元件改变了流体的

流通面积，流通面积的缩小，使流体的流动速度增加，转子，前端的压力要大于转子后端的压力，形成差压力。前端静压大，截面积大，流速较小；后端截面积小，流速大，静压小；形成前端大于后端的差压。浮力重力不变差压力增大则转子上浮，截面积变化，重新达到新的平衡，不同的位置代表不同的流量大小。 iii. 流量公式

iv.

v.

转子流量计出厂的时候都是单独标注，刻度值需要单独标注，转子流量计是非标准化的设备。刻

度值是在工业标准（20℃，0.1033MPa的绝压下），用水或者空气标定而得，实际使用时有与流体密度的改变，应进行修正。

vi. vii.

液体介质：；气体介质：

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viii. ix. x. xi. xii. xiii. xiv. 标准状态下：

:被测介质标准状态下密度Kg/N

:空气在标准状态下的密度（1.2064） :被测介质的绝对压力，MPa。

：工业标准状态时的绝对压力（0.10133MPa） T:工业标准状态时绝对温度（293.15K） :被测介质的绝对温度K。

xv. 浮子也叫转

子；，指的是流量系数阻力系数分之一，d，转子最大的截面直径。h指的是转子在锥形管内的高度，指的是角度，锥度，锥形管的锥度。，转子的体积，Af，转子最大截面积， ，指的是流体的密度。

，指的是阻力系数，指的是流量系数。

简化成为，各个系数都是一定的，那么流量和高度是线性关系。

转子流量计的指示值修正。转子流量计什么高度指示什么流量，通过实验的方法标注的。实际使用的时候有与流体密度的变化，它的由于k值发生变化那么刚才那个公式，不同的k值，同样的高度，会得到不同的流量值，所以另外一个密度的液体得不到正确的流量值。由于原来的刻度值已经有了，现在可以列出两个公式，进行修正。

xvi. xvii. xviii.

气体液体密度或者状

xix. xx.

态发生变化的时候必须进行修正。

它可以就地显示，要求测量比较干净的介质，不要测量太脏的介质，以免转子表面结垢影响测量精度。

金属管的管路，看不到内部转子的高度，利用不锈钢材料做这个外壳，外壳加上磁性，不锈钢不导磁的，外面附加小磁铁，转子也加小磁铁，转子可以带动磁铁上下移动，通过杠杆原理，带动

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指针指示流量数值。

xxi.

如果要远传信号的话，把转子的位置上方流动的方向修改了，流体的流动方向改为侧面流程，转

换成差动变压器的形式，转换成远传信号。

第六节 其他流量计

一、 电磁流量计

从根本的原理上讲，是利用电磁定律，中学已经学过了。E：感应电动势，D；有效长度，V速度，B磁场强度，都是正比例关系。

如果管道直径是D，如图所示。。切割磁力线的长度不是管子的长度，有效长度是

管子的直径。有一段导体（流体）做切割磁力线的运动，应该产生感应电动势。对于每一个截面的话都是在做切割磁力线的运动。流量和所测到的感应电动势成正比例关系。

实际的应用当中，受到一些限制，必须是导电流体，气体是一般不导电的。严格上讲对导电率有下限的影响，比如纯棉油不能被测量。

介质中不能含有气泡，电磁感应电动势，必须想办法把它从管道中引出来，引出的方法，必须是从哪个方向来引呢，必须在管道截面上对应的位置来取感应电动势，使用一对电极，管道不能导电的，至少通过磁场的这一段不能导电的，比如用有机玻璃的管道，道理上讲是十分好的绝缘材料，但是比较脆，不耐高温，等等；所以还得使用金属材料，所以管道内壁处理成为绝缘的，不让它导电，形成复合管道，必须是特制的，内衬是不导电的绝缘层，只留出两个电极的小孔，这两个点取出电动势。如果流体中含有许多气泡，正好有个比较大的气泡，如果盖住了电极，那么电极取不到信号的，出现瞬间，对流量的测量有十分大的影响。

电磁干扰也对电磁流量计的影响十分大。尽量避开干扰源。

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电磁感应定律：导体在磁场中作切割磁力线的运动时，导体两端会产生感应电势。 导电的流体在磁场中垂直于磁力线方向流过时，它的两极之间有感应电动势产生。 E=CBDV,则V=E/CBD,Q=V*A

NOTE:只适用于导电的液体介质，对介质有导电率下限要求，介质中不允许有太多气泡，另外，应注意远离电磁干扰源。

e) 特点：流量计管内无阻力件，压损小，可以测量含有颗粒及悬浮物的流体；测量范围宽，测量反应速

度快，可用于测量脉动流体。

优势：它的管内没有阻力元件，没有阻力元件对流体产生扰动，也不会造成损失，不会产生阻力元件的磨损。电磁流量计管道内没有各种阻力元件，压力损失十分小，完全可以测量含有杂质的液体。

流量测量范围十分宽，很宽的线性测量范围，而且它是直接测量流体的速度，反应速度特别快，可以用来测量脉动的流体，比如经常波动的流体，如果仪表的反应速度不够快的话，波形是测不出来的。

二、 弯管流量计

结构简单使用成本比较低的离心式流量计。如图，九十度的弯头，假设如图所示流体的流动方向，弯头的工艺管道中到处都是，弯头就可以测量流量，弯管当中流动的流体对内外管壁的离心离的作用时不一样的，离心离的存在造成了弯管内外两侧所受的作用力是不一样的。通过开孔取压的方式，通过差压流量计，可以测量出差压。可以在45°的方向上所获得的差压值是最大的，最理想的，当然也可以在其他方向上开孔。可以套用差压式流量计的公

a) b) c) d)

式。

a) 流体在弯管中流动时管壁受到流体流动的离心力作用，弯管内外侧管壁受到的作用力不同。弯头内外

侧开孔，利用差压变送器，测出差压。它的阻力损失是十分小的，使用弯管流量计替换原有的弯管，阻力的损失变化几乎可以忽略了。是日本人首先研制的。

b) 这个图形中的K值要经过试验标定，没有经验公式来直接获取。是非标准

化的。 c) 特点：阻力小，（相对孔板等其他流量计），对介质没有特殊要求，可用于含砂的原油测量，精度较低，

需单独标定。

第5章 温度测量及变送 第6章 显示仪表

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