多功能动态模拟实验设计完美版 (共33页)

1、过程检测技术及仪表课程设计课程设计报告学生姓名：学号：学院：自动化工程学院班级：自动101题目：多功能动态模拟实验装置检测方法设计指导教师：陈立军辛红伟2012年 12月 31日目录第1章绪论11.1课题背景与意义11.2总实验装置11.3检测和控制参数2第2章温度的测量和控制32.1实验管流体进出口温度测量和控制32.1.1检测方法设计及依据32.1.2仪表种类选用及依据32.1.3测量注意事项52.1.4误差产生原因52.2实验管壁温度测量和控制52.2.1检测方法设计及依据5222仪表种类选用及依据62.2.3测量注意事项72.2.4误差产生原因82.3水浴温度测量和控制82.3.1检测

2、方法设计及依据82.3.2仪表种类选用及依据92.3.3测量注意事项102.3.4误差产生原因10第3章水位的测量和控制123.1检测方法设计及依据123.2仪表种类选用及依据123.3测量注意事项143.4误差产生原因14第4章流量的测量和控制164.1检测方法设计及依据164.2仪表种类选用及依据164.3测量注意事项184.4误差产生原因18第5章差压的测量和控制205.1检测方法设计及依据205.2仪表种类选用及依据205.3测量注意事项215.4误差产生原因22参考文献23过程检测技术及仪表课程设计第1章绪论1.1课题背景与意义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

3、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。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。本设计题目以多功能动态实验装置为对象，要求综合以前所学知识，参考相关文献资 料，完成此实验装置所需检测参数的检测。设计检测方案，包括检测方法、仪

4、表种类选用 以及需要注意事项，并分析误差产生的原因等等。1.2总实验装置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。n _220V 匚2图1-1总实验图 -1-过程检测技术及仪表课程设计1 恒温槽体；2试验管段；3试验管入口压力；牛管段入口温度测点；5管壁温度测点；&管段出口温度

5、 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电加热管设备的主体是由两根管组成的管式换热器。这两根管是可以拆装的，它们都可以作为 实验管，如对于单纯监测水质污垢热阻来说，则两根实验管可同时进行两种水质或不同工 况的污垢热阻检测。也可以将其中一根作为实验管，另一根作标准比较管，以便比较水处 理措施的效果。管内工质为欲模拟的实际换热器的冷却水或据其主要成分配制的工艺流 体。管外是由电加热器和温度调节器构成的可调温度的恒温水浴。实验管段安装有壁温、 出入口介质温度、实验段流动压降等测点所有测量信号经由传输电缆通过数据采集器送入 计算机，实现了污垢热阻的在线自动监测。

6、1.3检测和控制参数1、温度：包括实验管流体进口（2040C）、出口温度（20-80 C）、实验管壁温（2080 C）以及水浴温度（2080 C）；2、水位：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200mm-500rnm；3、流豊实验管内流体流量需要测量，管径025mm,流量范围0.54n?/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。过程检测技术及仪表课程设计-3-第2章温度的测量和控制2.1实验管流体进出口温度测量和控制2.1.1检测方法设计及依据该实验管流体的进口温度为20-40C,出口温度为208

7、0C,属于低温的范围，实验 管径较小，为025mm,不宜使用体积较大的测温仪器，并且在测量时，根据实验管的情 况，也不宜使用较复杂的测温仪器，在测量时，应使用价格较低、线性度较好的测温仪器, 综上考虑，应选择分度号为Cu50的铜热电阻，适合50+150C的温度测量，符合设计要 求。2.1.2仪表种类选用及依据由给定的参数可知，试验管流体进口温度为20C40C,出口温度为2080C,温度 范围小，此两处的温度比较低，测量不便，适合测量此段温度的主要有液体膨胀式、双金 属、热电偶及热电阻等温度传感器，而我们的实验设备有上位机采集信息，所以最好选用 热电偶或者热电阻。选用WZCK-230型号的热电阻

8、，即为固定螺纹式，防水式，保护管为0 6mm的铠装 式铜热电阻，如下图ORU一 7图 2-1-1 WZCK-230 热电阻图 2-1-2 WZCK-230 螺纹过程检测技术及仪表课程设计铜热电阻主要由接线盒、保护管、接线端子、绝缘套管和感温元件组成。工业用铜热 电阻可直接和二次仪表相连接使用。可以测量各种生产过程中从-200C至420C范围内的 液体、蒸汽和气体介质及固体表面的温度。工业用热电阻作为测量温度的传感受器，通常 和显示仪表、记录仪表和电子调节器配套使用。它可以直接测量各种生产过程中从200C $420C范围内的液体、蒸汽和气体介质以及固体表面温度。由于铜热电阻具有良好的电输出特性，

9、可为显示仪、记录仪、调节器、扫描器、数据 记录仪以及计算机提供准确的温度变化信号。其参数见下表：表211 WZCK-230热电阻参数热电阻类别产品型号分度 号测温范围C保护管材料直径dmm热响应 时间T 0.5s固定螺 纹规格Mo铜热电阻WZCK-230Cu5050100不锈钢!Crl8Ni9Ti06W120M27X2表2-1-2热电阻长度规格06总长Lmm2252503003504505506509001150置深1mm751001502003004005007501000热电阻采用三线制接法。釆用三线制是为了消除连接导线电阻引起的测量误差。这是 因为测量热电阻的电路一般是不平衡电桥。热电阻

10、作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线 （从热电阻到中控室）也成为桥臂电阻的一部分，这一部分电阻是未知的且随环境温度变 化，造成测量误差。釆用三线制，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电 阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样消除了导线线路电阻带来的测量误差。过程检测技术及仪表课程设计2.1.3测量注意事项1热电阻应尽量垂直装在水平或垂直管道上，安装时应有保护套管，以方便检修和 更换；2、测量管道内温度时，元件长度应在管道中心线上（即保护管插入深度应为管径的一 半）；3、为了使热电阻的测量端与被测介质之间有充分的热交换，应合理选择测点位置， 尽量避免在阀门，弯头及管道和设备的死角附近装设

11、热电阻；4、带有保护套管的热电阻有传热和散热损失，为了减少测量误差，热电阻应该有足 够的插入深度。2.1.4误差产生原因1、分度误差。该误差取决于材料纯度和加工工艺；2、通电发热误差。由于电阻通电后会产生自升温现象，从而带来测量误差。该误差 无法消除，但可用规定最大电流6inA,传热条件好来尽可能减小；3、线路电阻不同或变化引入的测量误差。可通过串联电位器调整，此外规定三线、 四线接线方波等也能减小误差；4、附加热电动势。电阻丝与引线接点处构成热偶，若节点温度不同将产生附加热电 动势，对于测量回路可能产生影响。可通过接点靠近，同温等办法减小或消除。2.2实验管壁温度测量和控制2.2.1检测方法

12、设计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，测温环境耍求测温仪 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。经过综合考虑，选择了薄膜钳热电阻。工业用薄膜钳热电阻作为新一代的温度测量和 调节传感器，通常用来和显示仪表等配套，以直接测量各种生产过程中79C600C范围 内液体，蒸汽和气体介质及固定表面等温度，用真空沉积的薄膜技术把钳溅射在陶瓷基片 上，膜厚在2pni以内，用玻璃烧结料把Ni（或Pd）引线固定，经激光调阻制成薄膜元件。 绕线钳电阻（陶瓷、玻璃、云母）：用（p0.020.04 mm高纯钳丝绕制而成。2.2.2仪表种类选用及依

13、据选用日本生产的CRZ-2005-1000-A薄膜钳热电阻，分度号为PtlOOO,见下图,B1 |1 |1一T111 tLJI1_L图2-2-1薄膜釦热电阻薄膜钳热电阻的优点，已成为钳热电阻元件的主体，其鲜明的优点体现如下：1、体积细小目前最小尺寸的薄膜钳热电阻元件，其宽度为3gm,长度1.6nmi,厚度 为 0.6mm;2、响应时间快在讹5的条件下，水流速V=0.2m/s时仅为0.05s,空气流速V=lm/s时 仅为4s;3、一致性好自动化的生产和检测线，使元件具有良好的一致性；4、机械性能好抗震、抗振动等机械性能明显优于绕丝类钳热电阻元件；5、精度高除常规的B级、A级外，还可提供1/3B级

14、及1/10B级精度的元件；6、测温范围宽从-196C到1000C的薄膜钳热电阻元件已经出现并投入应用，最高温 度达到1250C的产品已在研发，不久将可面市；7、结构多样化从传统的带引线结构，到无引线的SMD产品以及适应于各种特殊领域 的特殊结构的产品已经面市；8、长期稳定性好在元件的极限温度工作超过1000小时后，其电阻值的变化0.02%；9、标称阻值多从Pt6.8到PtlOk的产品均已投入市场；10、价格便宜由于元件用钳量大幅度减少并采用自动化生产，使得薄膜钳热电阻元件 的价格逐步走低，A级精度的元件价格将低于10元/支；其参数见下表:表 2-2-1 CRZ-2005-1000-A 参数型号

15、分度号规定电流宽(mm)长 1 (mm)厚 B(mm)CRZ-2005-1000-APtlOOO0. 5mA251表2-2-2钳电阻元件的误差级另零度时阻值误差(%)温度误差(C)温度系数TCR误差 (ohm/ohm/C)A+ 0. 06(o. 15+0.002 |t )0. 003851 0. 000005表2-2-3钳电阻元件的热响应时间型号热响应时间To,秒)空气水V=l. 0m/sV=3. 0m/sCRZ-2005-1000-A16110.3表2-2-4釦电阻元件的口热系数型号自热系数(mW/C)空气静水V=l. 0m/s静止CRZ-2005-1000-A42202.2.3测量注意事项

16、1、直接使用元件或制成温度传感器测温时，避免超过测温量程，短时间内虽不会损 坏亦影响产品寿命和精度；2、用CRZ元件组装温度传感器时，在使用高温固化环氧胶灌封时，应注意其在固化 过程中应力的变化，否则可能损坏元件（一般为开路）；在使用氧化镁或氧化铝充填过程中, 应避免元件直接接触保护管尖锐的内表面，否则在振动过程中，有可能使元件的瓷片边缘 破损，造成元件开路损坏；3、在制作温度传感器时，必须保证灌封材料的高度绝缘性能，否则会导致产品的电 气绝缘性能降低，并且影响元件的测试数据，一般会导致测试电阻值偏低。2.2.4误差产生原因1、由于薄膜钳热电阻元件的工作电流较小，因此，由于工作电流而产生偏差，

17、使测 量造成误差，且工作电流的大小与产生的温度偏差成正比；2、引线的长短、材质的不同，引线在不同的环境温度下电阻值也发生变化；3、测量线路和显示仪表的误差。它是由显示仪表本身的准确度等级和线路电阻决定 的。如用Cu50型铜电阻测温，在规定条件下铜导线的电阻为5欧,仪表指示被测温度为40。 若此时环境温度变化10。，则两线制连接的导线会给测量值带来约2。的误差，三线制链接 会带来0.1。的误差。此外，引线电阻、连接导线的阻值变化也将引起误差；4、其他误差。这是指除上述误差以外的，由屏蔽绝缘不良、插入深度不够、热电阻 劣化等所引起的误差。2.3水浴温度测量和控制2.3.1检测方法设计及依据由实验装

18、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2080C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。热 电偶具有以下特点：1、装配简单，更换方便；2、压簧式感温元件，抗震性能好；3、测量精度高；4、测量范围大（一200C1300C,特殊情况下一270C2800C）；5、热响应时间快；6、机械强度高，耐压性能好；7、耐高温可达2800度；8、使用寿命长。2.3.2仪表种类选用及依据选用型号为WRNK-15B,分度号为K型铠装热电偶，其测温范围为0260C,在流速 9m/s

19、的情况下进行，釆用套管能有效的防止热电偶腐蚀，均符合实验要求。套管式热电 偶，作为温度测量和控制的传感器与显示仪表配套，以直接测量和控制生产过程中气体， 液体和蒸气的温度。不仅用于发电厂管道测温，同时也用于其他工业部门的测温。热电偶 如下图图 2-3-1 WRNK-15B 热电偶其参数如下:2-3-1 WRNK-15B 参数名称型号分度号测温范围C公称压力MPa流速m/s保护管材料单支热电偶WRNK-15BK0 260270mVDC （020KPa, 50mVDC）供电1.5mADC精度0.1 % FS （最小值）；0.25 % FS （典型值；0.5%FS （最大值）过压1.5倍满量程压力戒llOMPa （取最小值）温度范围工作温度：一1080C贮存温度：一40100 C温度性能零点温度系数0.02%FSC （典型）、0.04%FSC （最大）材质外壳:不锈钢lCrl8Ni9Ti膜片:不锈钢316L响应时间（1090）： 1绝缘电阻100MQ, 50VDC防护等级IP65 （电缆型）防爆标志Exia IICT6 （本质安全防爆型）引线电缆RVVP屏蔽电缆和防爆接插座供电电源2.0mA （DC）长期稳定性0.5%FS/年满度温度系数0.02 % FS C （典型）0.04 % FSC （最大）5.3测量注意