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仪表培训教材
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第一章 绪论
第一节 化工测量仪表
应用DCS进行过程控制时,需要测量和控制各有关的工艺参数,需要选用各类检测仪表将工艺生产参数转换成DCS系统能识别的并能代表被测量的信号,最后通过执行机构调节工艺参数的变化。
检测仪表包括各种参数的测量和变送仪表,仪表所测参数的不同,可分成压力测量仪表,流量测量仪表,物位测量仪表,温度测量仪表,成分分析仪表等等。
被测量的参数直接或间接转换成DCS系统可接受的电模拟信号或脉冲信号。
仪表测量信号:
电动仪表为4-20mADC;
气动仪表为0.02-0.1Mpa
第二节化工仪表的主要品质指标
任何一种产品都要有它的质量标准,仪表也不能例外,来衡量仪表质量好坏的标准,通常叫做品质指标。
在化工生产中,操作人员住往都是根据仪表显示的数值进行工艺操作的,但仪表指示的数值是不是真实的数值呢?
实际上,从被测工艺参数的原始变化,直到最后稳定时的读数,是经过各种不同的仪表元件的转换和传递。
由于这些元件的性能和制造精度等的影响,在一般情况下,仪表读数和真实的数值,往往是不一样的,因此,仪表读数和真实数值之间就存在著一个差值,我们把这个差值叫做测量误差。
可是,其实数值往往是很难测量出来的,因此,人们就把与真实数比较更接近,更可靠的标准仪表的读数当作真实数值。
把用于工业测量的仪表和标准仪表对同一参数进行比较,其读数的差值就叫做仪表的测量误差,误差数值越小,便说明仪表指示值和真实值越近,仪表测量的结果越准确,仪表的品质指标(或质量)就越好。
化工仪表在保证可靠的前提下,主要的品质指标有如下几种。
一.基本误差和仪表的准确度
基本误差是指在规定的使用条件下,仪表的最大测量误差与它的测量范围的百分比。
例如,有一台压力表,测量范围为0—10.0Mpa,它的最大测量误差(或绝对误差)为0.15Mpa,那么它的基本误差:
0.15/10 X 100%=1.5%。
从仪表的基本误差可以看出仪表的精度等级,上例的压力表,其精度级就是1.5级,或称1.5级表。
为了便于表示精度等级,习惯上就是基本误差去掉(%)号的数值。
仪表的精度级以规定的符号形式标志在仪表的标尺上,如“0.5”“1.0”等。
目前,我国生产的仪表精度级有0.005;0.02;0.05;0.1;0.2;0.35;0.5;1.0;1.5;2.5;4.0;等。
现场用的电动仪表精度大多为0.5级,而气动变送器多为1.0级。
二.仪表的变差
在外界条件不变的情况下,同一台仪表对同一台仪表进行正、反行程(即以最小到最大,再由最大到最小)测量时,其所得到的仪表指示值是不相等的,对同一点所测得的正、反行程的两读数之差就是该点的变差(也可称回差)。
仪表变差不应越过仪表最大基本允许误差的绝对值。
变差小,表示仪表的恒定度好,工作可靠。
例如;有一台0—1.0MpaG,1.6级的压力表,在校验0.5MpaG这一刻度点时,压力作正行程校验,仪表指针读数是0.505MpaG,压力作反行程校验,仪表指针读数是0.495MpaG,其变差为:
0.505-0.495=0.01MpaG,现已知此表的精度为1.6级,量程为0-1.0MpaG,则其最大基本允许误差为1.0~1.5%;0.015MpaG。
因此,这仪表的变量小于0.015MpaG,符合变差规定的要求。
三.仪表的灵敏度
仪表的灵敏度是指仪表的灵敏程度。
例如有两台压力表,都通入同样微小的压力信号,其中一个表的指示针不动,另一个表的指针动作,也就是说后一台表要比前一台表灵敏。
从而可知使仪表指针开始动作的信号越小,仪表的灵敏度就越高。
四.仪表的稳定性
仪表的稳定性是指仪表的稳定程度。
在同样的条件下,对同一被测量值经仪表多次测量,各次测量结果相差越小,仪表的稳定性就越好。
第二章压力测量仪表
在化工生产过程中,压力不仅影响生产过程的平衡关系和反应速率,而且又影响系统物料平衡的重要参数,在工业生产过程中,有的需要比大气压力高很多的高压,如高压聚乙烯要在150MPAG的高压下进行聚合,而有的则需要在比大气压力低很多的负压下进行。
如炼油厂的减压蒸馏就是这样。
PTA化工厂的高压蒸汽压力为8.0MPAG,氧气进料压力约为9.0MPAG,压力测量如此广泛,操作人员应当严格遵守各种压力测量仪表的使用规则,加强日常维护,任何疏忽和大意。
都有可能招致巨大的危害和损失,达不到优质,高产,低消耗和安全生产的目的。
第一节 压力测量的基本概念
一.压力的定义
在工业生产中,通常所称的压力,就是指均匀而垂直地作用在单位面积上的力,它的大小是由受力面积和垂直作用力的大小决定的。
用数学式表示为:
P=F/S
式中 P为压力
F为垂直作用力
S为受力面积
二.压力的单位
在工程技术中,我国采用的是国际单位制(SI)。
计算压力的单位是帕(Pa),1Pa就是1牛顿(N)的力垂直而均匀地作用在1平方米(M2)面积上所产生的压力,其表示为N/m2(牛顿/平方米),压力单位除采用帕外,还可以采用千帕,和兆帕,它们之间的换算关系为:
1MPA=103KPA=106PA
由于多年的习惯,工程上仍多采用工程大气压。
为了便于使用中的互相换算,现将几种常用的测压单位之间的换算关系列表于2-1。
表2-1
压力
单位
工程大气压
Kg/cm2
毫米汞柱
mmHg
毫米水柱
mmH2O
物理大气压
atm
帕
Pa
巴
bar
磅/英寸
1b/in2
Kgf/cm2
1
0.73×103
104
0.9678
0.99×105
0.99×105
14.22
MmHg
1.36×10-3
1
13.6
1.32×102
1.33×102
1.33×10-3
1.93×10-2
MmH2o
10-4
0.74×10-2
1
0.96×10-4
0.98×10
0.93×10-4
1.42×10-3
Atm
1.03
760
1.03×104
1
1.01×105
1.01
14.69
Pa
1.02×10-5
0.75×10-2
1.02×10-2
0.98×10-5
1
1×10-5
1.45×10-4
Bar
1.019
0.75
1.02×104
0.98
1×105
1
14.50
Ib/in2
0.70×10-2
51.72
0.70×103
0.68×10-2
0.68×104
0.68×10-2
1
三.压力的表示方式
压力的表示方式有三种:
绝对压力,表压力,负压力或真空度。
绝对真空下的压力称为绝对零压,以绝对零压为基准来表示的压力叫绝对压力
表压是以大气压为基准来表示的压力,所以它和绝对压力正好相差一个大气压(0.01Mp)
即:
P表=P绝—P大(2—2)
负压常称为真空度。
从式(2—2)中可以看到,负压是当绝对压力低于大气压时的表压。
绝对压力,表压力,负压力或真空度的关系如下图所示:
工业上所用的压力指示值多数为表压,即压力表的指示值是绝对压力和大气压力之差,所以绝对压力为表压和大气压力之和。
第二节压力测量仪表的分类
在化工生产中要测量的压力范围很广泛,在不同的工艺条件下各有它的特殊性,这就要求使用各种不同结构形式,不同工作原理的压力测量仪表,以满足生产上的各种不同要求。
压力测量仪表按其转换原理的不同,大致可分为四大类:
液柱式压力计;弹性式压力计;电气式压力计;活塞式压力计。
一.液柱式压力计
液柱式压力计的工作原理是以液体静力学原理为基础的。
根据此原理制成的测压仪表,具有结构筒单,使用方便,测量准确度比较高,价格便宜,并能测量微小压力,因此在生产中应用较多。
液柱式压力计按其结构形式不同,可分为U型管压力计,单管压力计,和倾斜管压力计。
二.弹性式压力计
弹性式压力计在化工生产中应用广泛,这是因为它具有下列优点,如结构简单。
牢固可靠测量范围广,使用方便,读数容易,价格便宜,并具有足够的精确度,而且便于制成发信和远距离指示,自动记录等。
弹性式压力计是利用各种不同形状的弹性元件,在被测压力作用下产生弹性变形的原理所制成的,弹性元件在弹性限度内,其输出位移是和待测压力之间成线性关系,所以它的刻度是均匀的,弹性元件不同,压力测量范围也不同,如波纹膜片和波纹管元件,一般常用在微压和低压的测量场合,单圈弹簧管(简称弹簧管)和多圈弹簧管则用于高,中压或真空度的测量。
其中单圈弹簧管的测压范围比较广,因而在化工生产中应用最广泛。
三.压力变送器
目前在化工厂中广泛使用了中电动和气动压力变送器,它们是一种连续测量被测压力并将其变换成标准信号(气压和电流)的仪表。
它们可以远距离传输,并在中央控制室进行压力指示、记录或调节。
按测量范围的不同它们可分为低压、中压、高压和绝压等类型。
第三节压力表的安装、使用和维护
压力测量的准确性,不仅与压力表本身精度等有关,而且它的安装合理与否,校验是否正确以及使用维护有很大关系。
一.压力表的安装
压力表的安装,应注意所选取的取压方法和地点是否恰当,这对它的使用寿命,测量精度和控制质量都有直接的影响。
对测压点的要求,除正确选定生产设备上的具体测取压力的地点外,在安装中,应使插入生产设备中的取压管内端面与生产设备连接处的内壁保待平齐,不应有凸出物或毛刺,以保证正确地取得静压力。
安装地点便于观察,并力求避免振动和高温的影响。
测量蒸汽压力时,应加装凝液管,以防止高温蒸汽与元件直接接触,同时应加以保温伴管。
对于腐蚀性介质,应加装充有中性介质的隔离罐等。
总之,针对被测介质的不同性质(高温、低温、腐蚀、脏污、结晶、沉淀、粘稠等),采取相应的防腐、防冻、防堵等措施。
取压口与压力表之间还应装有切断阀门,以备检修压力表时,使用切断阀应装设在靠近取压口的地方。
需要进行现场校验和经常冲洗引压管的情况下,切断阀可用三通开关。
引压导管不宜过长,以减少压力指示的迟缓现象。
二.压力表的使用和维护
在化工生产中,压力表由于受到具有腐蚀、凝固结晶、粘性、含尘以及高压、高温、急剧波动等被测介质的影响,常会使仪表发生各种故障。
为了确保仪表正常运行,减少故障的发生,延长使用寿命,必须做好生产开车前的维护检查和日常维护工作。
1,生产开车前的维护检查:
生产开车前,通常要对工艺设备、管道等进行试压工作,试验压力一般为操作压力的1.5倍左右。
在工艺试压时要关闭接仪表的阀门。
打开取压装置上的阀门,检查接头及焊接等处有否渗漏,如有发现泄漏处,应及时想法排除。
试压完毕后。
准备开车生产之前,应在全面核对所安装的压力表的规格、型号是否与工艺要求的被测介质压力相符合;校验过的仪表是否有合格证,如有差错,应及时纠正。
对液体压力表需灌注工作液,校正好零点。
装有隔离装置的压力表,需加好隔离液。
2,压力表在开车时的维护检查:
生产开车时,对脉动介质的压力测量,为了避免受瞬时冲击超压而损坏压力表,应缓慢地开启阀门并注意观察运行情况。
测量蒸汽或热水的压力表,应先在冷凝器内灌入冷水后,再打开压力表上的阀门。
当发现仪表内或管线有泄漏时,要及时切断取压装置上的阀门,然后进行处理。
3,压力表的日常维护:
运行中的仪表,每天要定点定时地进行巡回检查,保持表的清洁,检查仪表的完整性。
发现问题及时排除。
第三章流量测量仪表
第一节.流量测量仪表的基本概念
一.流量的定义和单位
流量就是单位时间内(如秒、分或小时)通过管道或设备某一截面的物料量,或称瞬时流量(简称流量)。
按计量物质数量的不同方法,流量分为体积流量、重量流量和质量流量。
在国际单位制SI中,它们的单位分别为m3/s,N/S和kg/S。
1.体积流量
若单位时间内流过管道的流体数量,是按体积来算的,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F,该处流体的平均速度为v,则有:
Q=FV(3-1)
工业上常用的体积流量单位有:
米3/小时(m3/h) 升/小时(L/h) 标准立方米/小时(Nm3/h)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1.0132X102kpa下(即在标准状态下)气体的体积来表示。
2.质量流量
是以流体的质量M为依据的。
它的特点是被测流量不受流体温度、压力、密度、粘度等变化的影响。
质量流量符号用Qm表示。
3.常用流量单位之间的换算
米3/小时=1000升/小时=103毫升/小时=106,厘米3/小时;
吨/小时=1000公斤/小时。
4,流体总流量
某一段时间内流过管道或设备某一横截面的流体总体积或重量称为总流量。
某计量单位常用吨(T),立方米(m3)来表示。
即总量为瞬时平均流量对时间的积累(或叫积分)是一个累积流量,以数学表达式为:
G总=G .t或 G总=Q .t (3-3)
式中 G总----流体总重量流量,总体积流量
G-----在累积时间t内的平均重量流量
Q-----在累积时间t内的平均体积流量
T ------累积时间。
操作人员对流量的意义和单位换算,要有所了解,以便观察流量表的刻度或填写岗位操作记录时不要弄错。
二.流量测量的目的:
化工生产中所处理的物料大部分是流体,它们通过动力设备,如鼓风机、泵等,在管道中输送。
工业上用于测量流体流量的仪表叫做流量计或流量仪表、流量测量的重要目的有如下两个方面;
1.流量不但是控制化工生产及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,同时对确保安全生产,亦有很大意义。
2.流量又是车间、工厂实行企业经济核算的基础依据,生产厂要准确地测出水、蒸汽、燃料气、原料或动力消耗的情况,以加强企业管理。
因此,操作人员对流量的测量,必须给予足够的重视。
由于流量测量的目的不同,对流量测量的要求也不同。
前一种则要求仪表稳定、灵敏,后一种则要求仪表准确、可靠。
第二节.流量测量仪表的分类
流量测量的方法很多,仪表的种类也很多,结合流量的定义,常用的流量测量方法可归纳为容积法,流速法和质量流量法等。
1.容积法
如果流体是以固定体积从流量计中逐次排放流出,则对排放的次数计数,就可以求得通过仪器的流体总量。
若测量排放的频率,即可显示流量。
这种方法叫做容积法。
如刮板流量计。
椭圆齿轮流量计和标准体积管等,都是按此原理工作的。
这类仪表所显示的是体积流量的总量。
容积法的特点是流动状态对测量的影响较小,精确度较高,这类流量计一般不宜用于测量高温高压流体和脏污介质的流量,测量流量的上限也不大。
2.流速法
根据一元流动的连续方程,当流通截面恒定时,截面上的平均流速与体积流量成正比,于是各种与流速有关的物理现象便可以用来建立流量计。
例如:
超声波流量计、涡轮流量计、动压测量管、漩涡流量计和节流式流量计等均属于此类。
目前流量仪表中以这类仪表最多,它们有较宽的使用条件,有用于高温高压流体的,也有精度较高的,有的能量损失很小,有的可适应脏污介质等等。
3.直接测质量流量法
使流体流动得到某种加速度的力学效应与质量的关系,是这种方法的物理基础,按这种原理制成的流量计有质量流量计和回转管式流量计等(如科里奥利质量流量计)。
这类仪表都比较复杂,价格昂贵。
第三节差压式流量计
差压式流量计在化工生产中得到最广泛的应用,也是操作人员最为熟悉的一种流量计,它的节流1装置安装在生产工艺管道2上,并由引压管3和差压计4三个部分组成流量测量系统(如图3—1所示)。
下面对差压式流量计,差压变送器及差压式流量计的安装分别予以介绍。
图3-1 差压式流量计的组成
差压式(也称节流式)流量计是基于流体流动的节流原理,利用流体经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的。
差压式流量计一般是由能将流体的流量变换成差压信号的节流量(孔扳、喷嘴)和用来测量压差值的差压计或差压变送器及显示仪表组成。
这种流量计,目前在化工、炼油及其它工业中应用很广,应用的历史也较长久,因此已经积累了丰富的实践经验和完整的实验资料。
对于常用的孔板、喷嘴等节流装置,国内外已把它们标准化了,并称为“标准节流装置”。
因此,这种流量计所用的标准节流装置可以根据计算结果直接投入制造和使用,不必用实验方法进行单独标定。
但对于非标准化的特殊节流装置,在使用时,均应进行个别标定。
一.节流装置的流量测量原理
节流现象及其原理:
流体在有节流装置的管道中流动时,在节流装置前后的管璧处,流体的静压产生差异的现象称为节流现象,如图3—2所示
图3—2流体流经节流装置时的节流现象
现在,我们对流体流经节流装置前后的变化情况作进一步分析。
连续流动着的流体,在遇到安插在管道内的节流装置时,由于节流装置的截面积比管道的截面积小,形成流体流通面积的突然缩小,在压力作用下,流体的流速增大,挤过节流孔,形成流速的扩大而降低。
与此同时,在节流装置前后的管壁处的流体静压力就产生了差异,形成静压力差△p(△p=P1-P2),如图3-3所示。
并且p1>p2,
图3—3孔扳附近流束及压力分布情况
此即为节流现象,从图中可以看出,节流装置的作用在于造成流束的局部收缩从而产生的压差.并且,流过的流量愈大在节流装置前后所产生的压差也愈大,因此可以通过测量压差来衡量流体流量的大小。
由于节流装置造成流束的收缩,同时流体又是保持连续流动的状态,因此在流束截面积最小处的流速达到最大,在流速截面积最小处,流体的静压力最低。
同理,在孔板出口端面处,由于流速已比原来增大,因此静压力仍旧比原来的为低(即图中P2 故节流装置入口侧的静压p1比其出口测的静压P2大,前者称为正压,常以“十”标记,后者称负压以“-”标记.并且流量Q愈大流束的局部收缩和位能,动能的转化愈显著,因此节流装置两端的压差△p也愈大,此即节流原理. 二,标准节流装置 标准节流装置有孔板,喷嘴和文丘里管等,其中又以孔板应用最广。 我们把应用最广泛的节流装置-----孔板作一简单的介绍。 1,孔板的结构 标准孔扳是一块圆形的中间开孔的金属扳,开孔边缘非常尖锐,而且与管道轴线是同心的,用于不同管道内径的标准孔板,其结构形式基本是几何相似的,如图3-4所示,标准孔扳是旋转对称的,上游侧孔板端面的任意两点间连线应垂直于轴线。 孔板的开孔,在流束进入的一面做成圆柱形,而在流束排出的一面则沿着圆锥形扩散,锥面的斜角为F。 当孔板的厚度E>0.02D(D为管道内径)时,F应在3D一45о之间(通常做成45о的为多),孔扳的厚度E一般要求在3—10mm范围之内。 孔板的机械加工精度要求比较高。 图3—4标准孔扳 2.孔板使用条件的规定 (1).被测介质应充满全部管道截面连续地流动。 (2).管道内的流束(流动状态)应该是稳定的。 (3).被测介质在通过孔板时应不发生相变(例如: 液体不发生蒸发,溶解在液体中的气体应不会释放出来),同时是单相存在的。 对于成份复杂的介质,只有其性质与单一成分的介质类似时才能使用。 (4),测量气体(蒸汽)流量时所析出的冷凝液或灰尘,或测量液体流量时所析出的气体或沉淀物,既不得聚积在管道中的孔板附近,也不得聚积在连接管内。 (5).在测量能引起孔板堵塞的介质流量时,心须进行定期清洗。 (6).在离开孔板前后两端面2D的管道内表面上,没有任何凸出物和肉眼可见的粗糙与不平的现象。 对于标准喷嘴。 标准文丘里喷嘴和标准文丘里管,这些条件均适用。 孔板因为制造工艺简单,安装方便,成本低。 因此被广泛的应用,但在使用时特别要注意,尤其是用于测量腐蚀性介质及含有灰尘的介质有流量时,要经常观察测量结果是否准确,防止由于腐蚀和堵塞取压口而造成的测量误差过大,或根本不能测量的现象发生,每年大检修应进行孔扳的清洗工作,发现腐蚀严重时应立即更换新的孔板。 第四节.差压变送器 一.概述 变送器是用于生产过程参数的检测,供各种工业过程参数的测量、变换及信号传送用。 其中以差压变送器的使用最为广泛,用来测量流量、液位、压力,密度等参数。 PTA化工厂根据合同要求采用电容式变送器。 它基于微位移检测和转换技术,系微位移平衡式变送器。 电容式变送器采用电容式变换元件,把压力参数转换成电容量的变化,主要完成对压力或差压信号进行检测和变送的任务。 变送器把被测参数转换成标准信号: 4-20mA.DC输出。 它的特点是精度高、体积小、性能好、可靠性好、长期稳定性且调整方便。 一般精度为0.25级。 二.工作原理 电容式变送器的测量部分是由敏感部件和法兰组件构件,法兰组件通过锥管螺纹与被测介质相连。 法兰和敏感部件用四个双头螺栓夹固,分为高、低压两室,用H.L表示。 如果低压室用盲孔法兰,则构成压力变送器,如果低压室抽真空密封,则构成绝对压力变送器。 图3-5为电容式变送器的测量部分---δ室 敏感部件的核心是δ室(也包括检查线路板),δ室为对称结构,由完全相同的左右两室构成差动电容的固定极板,测量膜片焊接在两室中间,作为差动电容 的活动极板,在两室的空腔中充满硅油(或氟油),以便传送测量压力。 当被测压力P1,P2作用于隔离膜片时,差压ΔP经硅油传送到测量膜片,引起微小的位移量Δd从而改变了两差动电容的值,将适当的激励电压在差动电容,将它产生的交变电流经整流,控制,放大等转换电路的处理后,在变送器上就得到与测量压力成比例的4-20MADC信号,这就是电容式差压变送器的基本原理。 三.运行维护 电容式变送器无机械传动部分,敏感组件采用全焊接结构,转换部分的线路板采用接插式安装,坚固,耐用,故一般几乎不需要大的维修,如出现不正常情况时,可从以下几方面检查: 1.系统输送偏高 可能的原因和较正方法: a.导压管: 检查导压管上的接头和焊口,是否有堵塞和渗漏,在某些容易结晶的化工介质中使用时,更应特别注意沉积物有堵塞导压管。 b.电路连接: 要经常保持电气回路中的接插件清洁干燥,特别注意检查敏感部件的连接情况,指示表头是否断路,电源电压,极性对否。 c.电气故障: 其原因都已检查后,可用备用线路板去代替,如故障消除,则可确定为线路的故障,应于更换修理. d.敏感元件: 若发现敏感部件的故障时,可参考有关规程进行检查. 2.系统输出偏低或无输出 可能的原因及较正方法: a.引压管: 检查连接是否正确,有无泄漏或堵塞。 检查引液导管中是否有气体。 法兰中有无沉积物。 b.电气部件的连接: 检查敏感部件的引线是否有短路。 确保接插件的清洁、可靠靠、绝缘良好。 用好的线路板去检验,找出故障的线路板并给予更换。 3.系统输出不稳定 可能的原因及较正方法: a.检查电气回路是否有短路,开路及多点接地。 b.调整阻尼时间,加大阻尼量,能否消除系统振荡。 c.导压管的检查,检查液体导压管中是否有气体。 在气体导压管中是否有液体。 四.差压式流量计的安装 要使差压式流量计能够精确地实现流量测量,除了正确地选用和计算外,还必须正确地安装节流装置,引压管和差压计,以保证信号的正确获取、变送和指示。 1.节流孔扳要求装得和管道轴线同心,并垂直于管道轴线,孔扳的锐边要向着流动方向,不得装反。 2.节流孔板应安装在直管段部分,否则弯头、阀门等局部阻力的影响,造成测量不准,有关节流装置的前后安装直管长度,可从仪表手册或相关的资料中查得。 3.当测量液体流量时,测压孔开在水平管道下半部,差压变送器应安装在孔板之下。 当差压计不得不放在节流装置上方时应在导压管最高点加放气阀,以保证导压管内没有气体,如图3—6所示。 图3-6 测量液体流量时信号管路的安装方法 a)显示仪表位于节流装置下方. b)显示仪表位于节流装置上方且中间有隔墙. 4.当测量气体流量时,测压孔开在管道的上半部,差压变送器应安得高于孔板
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