东北电力大学_仪表课程设计_完成版

1、检测技术及仪表课程设计1.1目的针对“应用技术主导型”普通工科高等教育的特点，从工程创新的理念出发，以工程思维模式为主，旨在培养突出“实践能力、创新意识和创业精神”特色的、适应当前经济社会发展需要的“工程应用型人才”。通过在模拟的实战环境中系统锻炼，使学生的学习能力、思维能力、动手能力、工程创新能力和承受挫折能力都得到综合提高。以增强就业竞争力和工作适应力。以多功能动态实验装置为对象，成此换热设备污垢的实验装置所需检测参数的检测。1.2背景意义1.2.1.污垢研究的现状和污垢的形成换热设备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各工业企业的换热设

2、备造成极大的经济损失，因而污垢问题成为传热学界和工业界十分关注而又至今未能解决的难题之一。20世纪70年代，特别是80年代后期以来的能源危机，伴随着资源利用效率和环境要求的不断提高，Somerscales所抱怨的“污垢研究一直没能得到足够关注”的状况开始有所转变。进入20世纪90年代以后，污垢研究在其他相关学科的发展特别是计算机应用技术飞速发展的推动下，借助国际合作研究的良好氛围，在预测、监测和对策三个发展方向上都蓬勃开展起来。近10年来，基于污垢形成机理认识的逐步深入，污垢的预测和模拟都取得了明显进展。然而换热设备污垢形成的影响因素众多，是在动量、能量、质量传递以及生物活动同时存在的多相、多

3、组分流动过程中进行的，其理论基础除传热传质学外，还涉及到化学动力学、流体力学、胶体化学、热力学与统计物理、微生物学、非线性科学以及表面科学等相关学科，是一个典型的多学科交叉的高度复杂问题，因而对其机理的清晰理解和准确把握仍是一项极为艰巨的任务。在20世纪80年代中Epstein曾以矩阵形式对污垢形成过程的理论分析和实验研究作了形象的概括，指出了发展趋势；Pinhero则比较了当时已有的各预测模型，找出其共同点，为建立一个通用模型做了十分有意义的工作；而且，Melo也对这期间的进展做了出色的概括和评述。虽然已取得的成就令人欣慰，但现离预期目标仍然相当遥远！污垢形成的五个阶段（起始，输运，附着，老

4、化，剥蚀）中，输运、附着、剥蚀相对研究得比较深入。单类污垢简单可分成以下几种类型：腐蚀污垢与混合污垢、析晶污垢、颗粒污垢、化学反应污垢、生物污垢、凝固污垢等。1.2.2有关一种新型在线冷却水动态模拟试验装置的知识长期以来,各类换热设备都存在着不同程度的污垢问题。污垢问题的存在给换热设备的安全、经济运行造成了极大的危害,因此发展极为迅速。然而目前对于各种类型的水处理器,相互之间缺乏行之有效的比较方法和标准,造成管理上的混乱,也给用户的选型与使用带来不便。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。1.2.3监测原理

5、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壁（a）洁净 （b）污染 壁污垢沉积层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3a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： (2)两侧有污垢时的温度分布，其总传热热阻为 (3)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(3)减去式(2)得： （4）式(4)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

6、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： （5） （6）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： (7)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。式中：单位面积上污垢沉积质量污垢沉积厚度结垢前管外介质与管壁的对流换热热阻管壁的导热热阻结垢前管壁与管内介质的对流换热热阻结垢前总的传热热阻结垢后总的传热热阻结垢后管外介质与管壁外污垢的对流换热热阻结垢后管壁外污垢的导热热阻结垢后管壁内污垢的导热热阻结垢后管壁内污垢与管内介质的对流换热热阻结垢前外管壁温度

7、仅管内结垢后外管壁温度结垢前后管内表面温度热流密度:单位面积的截面内单位时间通过的热量1.2.4新型在线动态模拟试验装置基于前述原理的动态模拟试验装置主体结构如图1所示（图中为一根管的水系统）该装置的主体设备是由两根可拆装的同材料、同尺寸管组成的管式换热器（以电加热器和温度调节器控制的恒温水浴为热源），并配有上位恒压水箱、下位循环水箱、循环水泵等。试验中，这两根管可以都作为试验管，同时进行两种水质或不同工况的对比检测。也可以将其中一根作为试验管，另一根做比较管，以比较不同水处理技术及设备的阻垢和缓蚀性能。 所有测量信号接入893智能数据采集前端，通过专用网络适配卡输入计算机，通过所开发的应用软

8、件最终实现阻垢和缓蚀性能的在线监测与评价。125834679101112220V冷却水入口出口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 图1-2 实验装置流程图由题目提供“需要检测和控制参数”可知，本设计需要为实验装置提供4个温度测量装置（流体进口出口温度、实验管壁温度及水浴温度）；1个水位测量装置（补水箱水位）；1个流量测量装置（实验管内流体流量）；1个压差测量装置。1.3需要检测和控制的主要参数1.温度：包括实验管流体进口（2040

9、）、出口温度（2080 ） ，实验管壁温（2080 ）以及水浴温度（2080 ）。 2.水位：补水箱上位安装，距地面2m，其水位要求测量并控制循环水泵，以适应不同流速的需要，水位变动范围200mm500mm。3.流量：实验管内流体流量需要测量，管径25mm，流量范围0.54m3/h。4.差压：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。第2章 温度测量21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检测方法设计以及依据由上述实验装置可知，实验装置的进出口管直径较小，为25mm，故不宜使用体积较大的温度计，否则会增加流动阻力影

10、响流速。而且，温度变化范围在2080之间，水温变化较小，属于低温范围温度测量，所以需要选用精度较高的测温元件。所以所选的测温元件的特点要求结构简单、方便、体积小、灵敏度高。进出口温度可以用同种方法测量，这样可以在求温差时减小误差。而热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，热响应时间少，减小动态误差；直径小，长度不受限制；进口薄膜电阻元件，性能可靠稳定。其中铂热是阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。2.1.2仪表种类选用以及设计依据（1）测量方法选择：利用热电阻测量进出口温度；（2）测量原理：金属导体的电阻值随温度的增加而增加。当阻

11、值变化时，工作仪表便显示出阻值所对应的温度值；（3）产品选择：Pt100铂热电阻；（4）结构：采用铠装热电阻，它是由感温元件（电阻体）、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，外径一般为2-8mm，最小可达mm。与普通型热电阻相比，它有下列优点：体积小，内部无空气隙，热惯性上，测量滞后小；机械性能好、耐振抗冲击；能弯曲，便于安装；使用寿命长。（5）数学模型为：Rt=R0（1+At+Bt2),其中,A=0.0039083/;B=-0.005775/，R0=100；（6） 数据处理：由于利用热电阻进行温度测量时，容易产生温度误差，所以，我们要对管壁不同处多次测量求取平均值，以确保接近真实温度。

12、（7） 安装：固定螺纹或者固定法兰安装，插入深度以接触液氨液体50-100mm为宜，现场如果有易燃气、液，还要选择隔爆型的。某生产厂家Pt100主要技术参数：温度测量范围：0300输出信号：420mA、0-10V、0-5V负载电阻：500  供电电源：24V DC  功耗：1W  基本误差：0.20.5图2-1 Pt100实物图2.1.3测量注意事项以及误差分析（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

13、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检测方法设计以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

14、，三组值同时测量取平均值，以达到精确测温效果。2.2.2仪表种类选用以及设计依据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。表2-1 膜式铂电阻pt500主要技术指标测量范围0500测量精度A级±0.15+0.002t.()，B级 ±0.3+0.05t.()阻值偏差阻值偏差A级±0.06（），B级 ±0.12（）2.2.3测量注意事项以及误差分析（1

15、）水浴与管壁分开的面积太大，影响流体的流量及换热。所以温度计的体积应尽可能小。（2）外界环境变化会影响管壁温度，故使外界环境温度保持稳定。（3）固定螺纹或者固定法兰安装。（4）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。2.3水浴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检测方法设计以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

16、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仪表种类选用以及设计依据WRET-02 型镍铬-铜镍热电偶（分度号 E）是一种裸露式热电偶，适用于测量0400温度范围内各种不需要保护管的场合。该热电偶无接线盒，不带固定装置，热电偶外表包黄铜防护套，带有软性延长导线，可以自由弯曲，外型尺寸较小，具有热响应时间小、结构简单、价廉、使用方便等特点， 适用于分析仪器设备等工业测温。 表2-2 型号和规格 单位mm图2-2 WRET-02 型镍铬-铜镍热电偶2.3.3

17、测量注意事项以及误差分析（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。第3章 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。3.1检测方法设计以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

18、。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、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3-1 补水箱水位测量及控制总体框图3.2仪

19、表种类选用以及依据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。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。 图7 电容式液位计3、测水位范围0.12m。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

20、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、完善的过流、过压、电源极性保护。3.3测量注意事项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。第四章 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）。4.1检测方法设计以及依据从实验前提得知，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

21、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。4.2仪表种类选用以及依据 通过比较分析，我们采用如下超声波流量计L5760134（适用管径：13mm到115mm） 性能指标；适合各种不超过3%微粒子的液体流量测量，包括原水、海水、柴油、饮料、 化学

22、药水、工业废水等等。采用非破坏式传感器安装方式，适合各种材质的水管、油管、空调管路、食品管路、腐蚀/放射性管路的流量测量 。 只要键入管径尺寸、管道材质、液体温度，就能迅速完成测量 传感器采用子母扣固定方式，安装拆卸极其方便，两分钟内即可完成 仪器测量的流速单位可以选择：米/秒，英尺/秒，流量单位可选择：升/分 钟，加仑/分钟等，可测量累计流量。 响应时间只有1-2秒钟，测量迅速准确图4-1 超声波流量计4.3测量注意事项4.3.1对超声波流量计进行检定或校准 任何流量计使用前都需要进行检定或校准，便携式超声波流量计在这一点尤为重要。大家知道，便携式超声波流量计一般配置两到三组探头，分别适用于

23、不同的管径范围，每组探头与主机的搭配在某种意义上讲都是一套独立的流量计。用户根据自己的使用情况为参考依据，尽可能在与使用管道口径相同或接近的流量标准装置上对便携式超声波流量计进行多条管道的检定或校准。至少要保证流量计配置的每组探头都要检校到。 便携式超声波流量计检定或校准证书上都会给出仪表修正系数。各种流量计都会因为原理、制造等原因在标定时给出一个仪表系数，只是名称和表现形式各不相同罢了。便携式超声波流量计更是由于配有多组探头，适用不同口径而可能有数个仪表修正系数。在使用流量计测流量时，要保证正确使用仪表修正系数，既不要忘记使用又须注意不要用混，应养成正式测量前确认主机内设置的仪表修正系数是否

24、正确的好习惯。 4.3.2忽视了对流量计使用条件和使用环境的要求 任何速度式流量计对被测管道内流体的流场都是有一定的要求的，超声波流量计也不例外。当流量计的安装位置不能保证其前后直管段长度要求时，由于流场不稳定带来的计量误差是不容忽视的。不少用户受仪表测量井的限制，在不能满足安装要求的位置测量，由此造成了测量误差的加大。 超声波流量计的安装应尽量避开水泵出口，管线最高点等易受气体影响的位置，探头的安装点也要尽量避开管道上部和底部，在与水平直径成45°角的范围内安装，还要注意避开焊缝等管道缺陷。 超声波流量计的安装使用环境应注意避开强电磁干扰和振动，在使用中我们发现，高压线下方，车辆密

25、集的马路边，主机附近使用手机或对讲机都会对测量产生或多或少的影响。 4.3.3不能准确地测量管道参数造成计量不准 便携式超声波流量计探头在管道外部安装，它直接测量的是管道内流体的流速，流量是流速与管道流通面积的乘积，而其管道面积和声道长度都是使用者由主机手工输入的管道参数计算出来的，这些参数的准确与否直接影响到测量结果。也就是说：流量计即使流速测得很准确，如果你输入了一组不准确的管道参数，测量结果也是不准确的。 在小管径上使用便携式超声波流量计进行流量测量时，管道内径输入不准确所引起的误差更是不容忽视。 管道衬里对测量的影响也是很大的，在测量时如果忽略了它的存在，将会产生很大的误差。在测量时，

26、如果没有输入衬里参数，按正常操作就是找不到信号时，就应该考虑可能管道是有衬里的。第5章 差压测量5.1检测方法设计：用电容式差压传感器测差压图11所示是一种电容式差压传感器示意图。左右对称的不锈钢基座内有玻璃绝缘层，其内侧的凹形球面除边缘部分外均镀有金属膜作为固定电极，中间被夹紧的弹性膜片作为可动测量电极，左、右固定电极和测量电极经导线引出，从而组成了两个电容器。不锈钢基座和玻璃绝缘层中心开有小孔，不锈钢基座两边外侧焊上了波纹密封隔离膜片，这样测量电极将空间分隔成左、右两个腔室，其中充满硅油。当隔离膜片感受两侧压力的作用时，通过硅油将差压传递到弹性测量膜片的两侧从而使膜片产生位移，其位移量和压

27、力差成正比。电容极板间距离的变化，将引起两侧电容器电容值的改变。此电容量的变化经过适当的变换器电路，可以转换成反应被测差压的标准电信号输出。图5-1 电容式差压传感器5.2设计依据由于结垢导致流动管内阻力增大，所以需要测量流动压降。一般，我们都会想到测出试验管的出口压力和入口压力，然后相减即可求出流动压降。但这种方法存在它的弊端，因为压力测量需要进行温度补偿，当两侧压力温度补偿不一致时，相减后就会给测量带来较大误差，而且这种误差会积累起来，最后使测量结果存在严重偏差。所以，最好的测量方法就是采用压力变送器。综合考虑，我选择了电容式压力传感器。它结构坚实，灵敏度高，过载能力大，精度高，其精确度可

28、达，可以测量压力和差压。5.3仪表种类选用：WS1151系列电容式压力/差压变送器 基本参数：测量介质：液体、气体和蒸气。 测量范围：见PDF资料(表一)。 输出信号：420mA(特殊可为四线制010mADC输出)。 供电电源：供电电源为12 45VDC，带LCD数字显示器为15 45VDC，典型供电为24VDC。 负 载：与供电电源有关,在某一电源电压时带负载能力见图2,负载阻抗R与电源电压V的关系式为R50(V-12) 图5-2 WS1151系列电容式变送器 图5-3 负载特性图5.3.1选用依据WS1151系列电容式变送器引进国外先进制造技术和设备,并吸取了国外1151系列变送器设计的特

29、点,安装使用和调校都很方便简单,电气外壳采用二腔结构,即接线端子和放大器线路各占一腔,密闭性较好,具有防爆和全天候结构。变送器的电子元器件和关键零部件均选用国际上高质量产品,保证了整机性能的优异。放大器线路有反向极性保护,防止因电源极性接错而损坏变送器。5.3.2测量注意事项测量时应限制膜片过大变形，以保护膜片在过载时不致于损坏。防爆电气接头是在传统的防爆接头基础上对其结构进行了改进，采用多重密封，胶塞选用丁腈橡胶或硅橡胶，增加了其密封性能及防爆性能。防爆接头和防水堵头的安装顺序如下图。 图5-4 防爆接头安装顺序 图5-5 防水堵头安装顺序5.3.3误差分析表5-1 温度影响量程代号精确度等

30、级0.2、0.25级0.5 级1- - 0.54%/10 2 0.364%/10 0.6%/10 39 0.182%/10 0.3%/10 2（流量） 0.46%/10 0.8%/10 3 、4 、5（流量） 0.28%/10 0.4%/10 3、4 、5（远传、液位） 0.27%/10 表5-2 静压影响量程代号精确度等级0.2级0.25级0.5 级1（ 微差压）- - - 1%2 、5 、6 、7 0.4% 0.5% 0.7%3 、 4 0.25% 0.3% 0.6%3 、4 、5 、6 （高静压）- - 0.2% 2.5% 振动影响：在任意轴向上，振动频率为200Hz时，误差为测量范围上限的±0.05%/g 心得体会经过两周的课程设计, 让我更进一步地熟悉了各种检测仪器及掌握了各仪器的工作原理和其具体的使用方法。设计过程中，我深刻的体会到实践出真知，通