检测技术及仪表.doc

目 录第1章 绪 论11.1 课题背景与意义1 1.1.1 课题的背景11.1.2 背景知识11.2 实验装置介绍2第2章 参数检测与控制 42.1 实验管流体进出口温度测量42.1.1 温度检测方法及依据42.1.2 仪表的选用42.1.3 测量注意事项及误差分析52.2 实验管壁温度测量52.2.1 温度检测方法及依据52.2.2 仪表的选用52.2.3 测量注意事项及误差分析62.3 水域温度测量62.3.1 温度检测方法及依据62.3.2 仪表的选用62.3.3 测量注意事项及误差分析72.4 水位测量72.4.1 水位检测方法及依据72.4.2 仪表的选用82.4.3 测量注意事项及误差分析92.5 流量测量92.5.1 流量检测的方法及依据92.5.2 仪表的选用102.5.3 测量注意事项及误差分析112.6 进出口的差压测量112.6.1 差压检测的方法及依据112.6.2 仪表的选用112.6.3 测量注意事项及误差分析12第3章 参考文献13第1章 绪 论1.1 课题的背景与意义1.1.1 课题的背景能源对于一个国家的经济发展具有决定性的影响。在我国，火力发电是电力工业的主要组成部分，火力发电量约占总发电量的70%左右，而换热器是火力发电厂的重要设备之一。换热器污垢的形成过程是一个极其复杂的能量、质量和动量传递的物理化学过程，污垢的存在给广泛应用于火力发电厂的换热器造成极大的经济损失，因此对污垢的监测就显得尤为重要。测出管道换热面有垢一侧的污垢热阻，能够方便监视管道状态，发现危险能够及时报警，使系统运行更可靠，同时也能推算出工质含杂质量，为除杂质提供参考。1.1.2 背景知识按对沉积物的监测手段分有：热学法和非传热量的污垢监测法。热学法中又可分为热阻表示法和温差表示法两种； 非传热量的污垢监测法又有直接称重法、厚度测量法、压降测量法、放射性技术、时间推移电影法、显微照相法、电解法和化学法。这些监测方法中，对换热设备而言，最直接而且与换热设备性能联系最密切的莫过于热学法。这里简单介绍污垢监测的热学法中的污垢热阻法。表示换热面上污垢沉积量的特征参数有：单位面积上的污垢沉积质量mf，污垢层平均厚度f和污垢热阻Rf。这三者之间的关系由下式表示： (1) 图1-1 清洁和有污垢时的温度分布及热阻1通常测量污垢热阻的原理如下：设传热过程是在热流密度q为常数情况下进行的，图1a为换热面两侧处于清洁状态下的温度分布，其总的传热热阻为： (3)图1b为两侧有污垢时的温度分布，其总传热热阻为 (4)如果假定换热面上污垢的积聚对壁面与流体的对流传热系数影响不大，则可认为。于是从式(4-4)减去式(3)得： （5）式(5)表明污垢热阻可以通过清洁状态和受污染状态下总传热系数的测量而间接测量出来。实验研究或实际生产则常常要求测量局部污垢热阻，这可通过测量所要求部位的壁温表示。为明晰起见，假定换热面只有一侧有污垢存在，则有： （6） （7）若在结垢过程中，q、Tb均得持不变，且同样假定，则两式相减有： (8)这样，换热面有垢一侧的污垢热阻可以通过测量清洁状态和污染状态下的壁温和热流而被间接测量出来。1.3 实验装置介绍如图2所示的实验装置是基于测量新技术软测量技术开发的多功能实验装置。图1-2 多功能动态模拟实验装置外形图2本实验装置的模拟换热器是由恒温水浴作为热源加热实验管段（约2m），水浴温度由温控器、电加热管以及保温箱体构成。水浴中平行放置两实验管，独自拥有补水箱和集水箱，构成两套独立的实验系统。可以做平行样实验和对比实验。为获取水处理药剂的效果、强化换热管的污垢特性、污垢状态下强化管的换热效果等等，管内流体一般为人工配制的易结垢的高硬度水或是含有固体微粒等致垢物质。125834679101112220V图1-3 实验装置流程图1-恒温槽体；2-试验管段；3-试验管入口压力；4-管段出口温度测点；5-管壁温度测点；6-管段出口温度测点；7-试验管出口压力；8-流量测量；9-集水箱；10-循环水泵；11-补水箱；12-电加热管 3第2章 参数检测与控制2.1 实验管流体进出口温度测量实验管流体进口（2040）、出口温度（2080 ）。2.1.1 温度检测方法及依据由于实验装置的进出口管直径较小，采用体积较大的温度计会增加流动阻力，从而影响流速。又因为所测量温度变化范围在2080 之间，温差较小，所以选用精度较高、结构简单、方便、体积小、灵敏度高的测温元件。考虑这些实际情况，采用热电阻的温度测量方法更为合理。2.1.2 仪表的选用通过以上分析，我们选取某厂家生产的一种用于小管径的测温传感器，产品适用于DN15、DN20、DN25等小管径进行精确测温。如下图： 图2-1 小管径测温传感器及其安装示意图 传感器采用Pt100作为热电阻，其通过感应温度变化达到阻值的变化，后通过温度变送器确认阻值的不同计算出当前的温度，再根据热电阻的量程变送输出对应的标准信号(4-20mA）值，即：温度变化-热电阻-电阻变化-温度变送器-420mA信号 4图2-2 温度变送器2.1.3 测量注意事项及误差分析1）由于热电阻通电后会产生自升温现象，从而带来误差，并且该误差无法消除，故规定最大电流6mA。 2）热电阻安装时,其插入深度不小于热电阻保护管外径的8倍10倍,尽可能使热电阻受热部分增长。热电阻尽可能垂直安装,以防在高温下弯曲变形。 3）热电阻在使用中为了减小辐射热和热传导所产生的误差,应尽量使保护套管表面和被测介质温度接近,减小热电阻保护套管的黑色系数。2.2 实验管壁温度测量实验管道在恒温水槽中，通过与水槽中的水进行热交换传热，壁温范围2080 。2.2.1 温度检测方法及依据由测量情形可知管壁温度用一般的热电偶和热电阻都不易测量，测温环境要求测温仪器可以附着在管壁表面，需要在测温点将水浴与管壁分开，面积又不能太大，否则影响换热。接触式测温中热电阻和热电偶比较适合，但热电偶冷端处理困难，且温差较小误差大。用光刻技术技术制作一个薄片热电阻外层加上隔热层贴在管壁温度侧点上，三组值同时测量取平均值，以达到精确测温效果。2.2.2 仪表的选用膜式铂电阻是近年来发达国家的一种铂热电阻新技术，这种新型热电阻是有外型尺寸小、灵敏度高、响应快、绝缘性能好、稳定性好、耐震耐腐蚀使用寿命长等优点，特别是pt500和Pt1000 Pt2000 高阻值热电阻，其分辨率相当于常规铂电阻pt100的510倍。5以下即是选用某厂家生产的膜式铂电阻，其技术指标如下：测量范围： 50-500测量精度：A级0.15+0.002t.() B级 0.3+0.05t.()0阻值偏差：A级0.06（） B级 0.12（）图2-3 膜式铂电阻2.2.3 测量注意事项及误差分析测量时应注意当用与热电阻相配的二次仪表测量温度时,热电阻安置在被测温度的现场,而二次仪表则放置在操作室内。如果用不平衡电桥来测量,那么连接热电阻的导线都分布在桥路的一个臂上。由于热电阻与仪表之间一般都有一段较长的距离,因此两根连接导线的电阻随温度的变化,将同热电阻阻值的变化一起加在不平衡电桥的一个臂上,使测量产生较大的误差。为减小这一误差,一般在测温热电阻与仪表连接时,采用三线制接法,即从热电阻引出三根导线,将连接热电阻的两根导线正好分别处于相邻的两个桥臂内。2.3 水域温度测量该实验装置的模拟换热器是由恒温水浴作为热源加热实验管段（约2m），水浴温度由温控器、电加热管以及保温箱体构成。2.3.1 温度测量方法及依据由实验装置要求分析，水槽内水浴温度是一个存在一定变化的物理量，而水浴温度又通过稳控器来实时监控。因此，测温仪表要求较高的灵敏性和精确度。其次，水浴温度的变化范围在2080之间，属于低温范畴。综合以上要求，我们采热电偶温度测量法。2.3.2 仪表的选用6T型热电偶（铜-康铜热电偶）是一种最佳的测量低温的廉价金属热电偶。测温区为-200400，它的线性度好，热电动势大，灵敏度好，稳定性和复现性好，价格便宜。选用型号WRC T型热电偶技术参数：允许偏差等级：测温范围：-40125图2-4 热电偶2.3.3 测量注意事项及误差分析1）测温点的选择 热电偶的安装位置，即测温点的选择是最重要的。测温点的位置，对于工艺过程而言，一定要具有典型性、代表性，否则将失去测量2）插入深度 热电偶插入被测场所时，沿着传感器的长度方向将产生热流。当环境温度低时就会有热损失。致使热电偶与被测对象的温度不一致而产生测温误差。总之，由热传导而引起的误差，与插入深度有关。2.4 水位测量补水箱上位安装，距地面2m，其水位要求测量并控制，以适应不同流速的需要，水位变动范围200mm500mm。2.4.1 水位检测方法及依据实验装置补水箱内水为人工配制的易结垢的高硬度水或是含有固体微粒等致垢物质。其介电常数与空气的差别很大。而电容式液位测量是利用被测对象物质的导电率，将液位变化转换成电容变化来进行测量的一种液位计。与其他液位传感器相比，电容液位测量具有灵敏性好、输出电压高、误差小、动态响应好、7无自热现象、对恶劣环境的适用性强等优点。所以，我们采用此方法来测量补水箱内的水位。此外，实验装置要求水位还可控制，以适应不同流速的需要。所以这里我们把电容传感器输出的信号传递给一个单片机系统，并且通过一个显示装置（数码管或LCD）得以显示该水位。通过单片机对信号的分析运算，使得当补水箱内的水位超出水位变动范围（200500mm）时，产生一个信号使得循环水泵开始工作以调节水位。图2-5 补水箱水位测量及控制总体框图2.4.2 仪表的选用常见的电容传感器测量电路有变压器电桥式、运算放大器式及脉冲宽度式等。这类仪表适用于腐蚀性液体、沉淀性液体以及其它化工工艺液体液面的连续测量与位式测量，或单一液面的液位测量。经过比较分析，我们采用某生产厂家生产的UCD-628系列电容式液位计，其采用电容法测量原理，适用于电力、冶金、化工、食品、制药、污水处理、锅炉汽包等的液位测量。图2-6 电容式液位计8该电容式液位计有以下特点：1) 结构紧凑，体积小，安装维护简单，统一外形尺寸。2) 多种信号输出形式，可用于不同系统配置。3) 聚四氟乙烯探极，耐酸、碱等强腐蚀性液体及高温。4) 浸入液体的测量部分，只有一条四氟软线或四氟棒式探极作为传感，可靠性高。5) 全密封铝合金外壳及不锈钢联接件。6) 对高温压力容器与测量常温常压一样简单，且测量值不受被测液体的温度、比重及容器的形状、压力影响。7) 非隔离两线制、三线制及测量、输出、电源三端隔离四线制多种电路结构方式，自带隔离器，适应不同信号接地方式。8) 完善的过流、过压、电源极性保护。主要技术指标1) 测量范围：0.220米2) 精度：0.5级、1.0级3) 探极耐温：-402504) 允许容器压力：-1MPa2.5MPa5) 测量介质：电导率不低于10-3s/m的酸、碱、水等非结晶导电液体。6) 供电电源：DC2127V7) 输出信号：420mA(010mA,020mA)8) 输出保护：27mA9) 变送器适应环境温度-406010）量程调节范围及零点迁移：30%FS2.4.3 测量注意事项及误差分析1）电容式液位计应垂直安装，并固定以防止晃动引起的误差。2）应采用非隔离两线制、三线制或测量、输出、电源三端隔离四线制多种电路结构方式。 3）注意得使用高频电路。2.5 流量测量实验管内流体流量需要测量，其管径25mm，流量范围0.54m3/h（流速为0.282.26m/s）。2.5.1 流量测量的方法及依据9从实验前提得知，实验管径很小，流体是人工配制的易结垢的高硬度水或是含有固体微粒等致垢物质，且其流速也很小。用通常的差压式流量计或普通的速度式流量计都无法准确测量，甚至无法安装。基于上述情形，可以采用非接触式测量方法超声波流量计。超声波流量计应用超声波技术准确测量液体的流量，同时监测超声波信号的变化。超声波传感器固定在所测液体的管道外侧，无须改变和拆除管道和中断生产和使用过程。其可应用于各种材质的管道和各种清洁液体及杂质含量小于10%的不洁液体，而采用多普勒原理的超声波流量计适用于大量杂质，气泡的污水流量的测量。2.5.2 仪表的选用选用由沈阳乾峰星河电子仪表有限公司生产的手持式超声波流量计。图2-7 手持式超声波流量计该流量计的特点：1） 高精度测量 测量精度优于1%，线性度0.5%，重复性精度0.2%2） 体积小，重量轻 体积：210*90*30mm,重量仅为0.5kg3) 非接触式测量将带磁性的超声波流量计传感器吸附在管道外壁，即可完成流量测量4）测量范围大选用不同信号的传感器，可实现口径20mm-6000mm管道流量的测量5）充电电源10内置大容量镍氢充电电池，可支持流量计连续工作12小时以上6）大屏幕液晶显示可同时显示累积流量，瞬时流量，流速，工作状态等2.5.3 测量注意事项及误差分析安装传感器的步骤：选择有足够直管段长度位置，最好是新管道、无锈蚀、易于操作的地方。清除管道上的杂物和锈蚀，最好使用角磨砂轮机打掉锈蚀。在传感器的发射面上涂上足够多的耦合剂（如：黄油、凡士林等），涂耦合剂的目的是排除传感器发射面与管道外表面之间的空气。特别提醒：应避免沙粒和杂物进入这中间。水平方向的管道内壁上部有可能残存着一些气泡 ，在这样的管道上安装时应选择在与管道的侧面垂直相切的面上。误差来源：1）不熟悉仪表的操作方式2）未正确输入管道参数3）未正确选择传感器安装位置2.6 进出口的差压测量由于结垢导致管内流动阻力增大，需要测量流动压降，范围为050mm水柱（0500Pa）。2.6.1 差压测量的方法及依据进出口的压力差可通过差压计来测量，差压计的两个输入端分别接在压力测量点3、7，输出值即为入口和出口压差。压阻式差压传感器灵敏度高，阻值大，响应快，精度高，工作可靠。压阻式压力计的工作原理是基于某些物质的压电效应。某些物质(物体)，如晶体硅、锗等，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且晶体的电阻率也发生了变化，这种现象叫压阻效应。利用压阻效应原理生产的压力计，通过测量阻值的变化对应压力的变化。2.6.2 仪表的选用ZR208、308系列扩散硅压力变送器具有工作可靠、性能稳定