检测技术与仪表课程设计论文.doc

检测技术及仪表课程设计论文

目录

1背景知识………………………………………………………………..2
2实验简介………………………………………………………………..3
3 被测参数及仪表选用…………………………………………………4
3.1 实验管流体进口、出口温度测量………………………………….4
3.2实验管壁温测量……………………………………………………..6
3.3 水浴温度…………………………………………………………….7
3.4 水位测量…………………………………………………………….8
3.5 流量测量…………………………………………………………...10
3.6 差压………………………………………………………………...11
4 参考文献……………………………………………………………..13

1背景知识
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。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δf和污垢热阻Rf。这三者之间的关系由下式表示：
(1)
图1 清洁和有污垢时的温度分布及热阻

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。
2实验装置简介
如图所示的实验装置是东北电力大学节能与测控研究中心杨善让教授为首的课题组基于测量新技术—软测量技术开发的多功能实验装置。
基于本实验装置，先后完成国家、东北电力公司、省、市多项科研项目并获奖，鉴定结论为国际领先。目前承担国家自然科学基金、973项目部分实验工作。

图2 多功能动态模拟实验装置外形图

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。
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220V
冷却水入口
出口
图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-管段入口温度测点；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被测参数及仪表选用
3.1测量实验管流体进口（20～40℃）、出口温度（20～80 ℃）
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。此处考虑到被测温度范围我选用了WZPK-233S|铠装Pt100热电阻。

图4 WZPK-233S|铠装Pt100热电阻

图5 测量端结构形式
3.1.1工作原理
铠装热电阻是利用物质在温度变化时，其电阻也随着发生变化的特征来测量温度的。当阻值变化时，工作仪表便显示出阻值所对应的温度值。
3.1.2特点
1热响应时间少，减小动态误差；
2直径小，易弯曲，长度不受限制，适宜安装在管道狭窄和要求快速反应、微型化等特殊场合；
3测量精度高；
4进口薄膜电阻元件，性能可靠稳定；
5可对-200~600℃温度范围内的气体、液体介质和固体表面进行自动检测，并且可直接用铜导线和二次仪表相连接使用，由于它具有良好的电输出特性，可为显示仪、记录仪、调节器、 扫描器、数据记录仪以及电脑提供精确的输入值；
6具有很强的抗污染和优良的机械强度，适合安装在环境恶劣的场合。
3.1.3常温绝缘电阻
热电阻在环境温度为15—35°C，相对湿度不大于80%，试验电压为10—100V（直流）电极与外套管之间的绝缘电阻>100MΩ。
3.1.4 偶丝直径材料
表1
　引线形式
套管外径φ
 套管材质
单支式
φ2
1Cr18Ni9Ti
3.1.5测量范围及允差
表2
型 号
分度号
测温范围°C
精度等级
允  差
WZPK
Pt100
-200-+500
A级
±（0.15+0.002 ltl）
3.1.6热响应时间
表3
套管直径
热响应时间
Ф3
≤3

3.1.7误差分析
主要有分度误差、通电分度误差、线路电阻不同或变化引入的误差、附加电动势及传感器热容量等。
3.1.8注意事项
通电电流要小，插入管内不能太长也不能太短。
3.2实验管壁温（20～80 ℃）测量
由于被测管道进行水浴加热，所以选用了WRNK-031G型卡箍式热电偶。卡箍式管壁热电偶、热电阻是专为测温管壁温度而设计的，它采用卡箍式夹紧装置，无需焊接，就可将温度探头上的加热板与管道压接，具有装拆方便，反应灵敏、抗压耐震和测量可靠等优点。同时该产品装上温度转换器后，具有抗干扰、精度高、稳定性好等优点并且节省了补偿导线，是天然气、石化、电站等行业中管道温度测量的新型温度传感器。为了避免水浴的影响，安装时先在管壁上开一个和热电偶测量端能良好接触的槽（深度大约是壁厚的一半），安装后缝隙最好能用和管壁导热系数相当的材料填充。

图6 WRNK-031G型卡箍式热电偶
3.2.1技术指标
表4
型号
分度号
测量
范围
精度等级
接线盒形式
导热板材料
安装板材料
管道直径Dmm
WRNK-031G
K
0～800
Ⅰ
大防喷接线盒
1Cr18Ni9Ti
1Cr18Ni9Ti
Φ50～Φ200

图7 WRNK-031G型卡箍式热电偶尺寸

3.2.2误差分析
导热误差，传热误差，辐射误差以及水浴影响，另外由于冷端温度也会产生误差。
3.2.3注意事项
尽量避免水浴影响，并进行恰当的冷端处理
3.3水浴温度（20～80 ℃）
水浴温度测量选用SARN-23000-M27-300/150-10带温度变送器热电偶。

图8 SARN-23000-M27-300/150-10带温度变送器热电偶

3.3.1工作原理及应用
热电偶在工作状态下所测得的热电势（电阻）的变化，经过温度变送器的电桥产生不平衡信号，经放大后转换成为4-20mA电信号给工作仪表，工作仪表便显示所对应的温度值。通常和显示仪表、记录仪表、电子计算机等配套使用，输出4-20mA，直接测量生产现场存在碳氯化合物等爆炸物的-200℃-1300℃范围内液体、蒸汽的气体 质以及固体表面温度。
3.3.2主要特点
1二线制输出4-20mA，抗干扰能力强；
2节省补偿导线及安装温度变送器费用；
3测量范围大；
4冷端温度自动补偿，非线性校正电路。
3.3.3技术指标

表5

主要技术指标
基本误差
基本误差=热电偶允差对应输出基本误差+变送器精度（0.2%）输出的基本误差
负载电阻
0-500Ω
输出信号
4-20mA
供电电源
变送器工作电源电压最低12VDC，最高35VDC，额定工作电压24VDC
环境温度
－25℃～80℃（危险场所不高于70℃）。
相对湿度
5％～95％RH
热电偶类型
E分度号|镍镉-铜镍
热电偶对数
单支式|通常接线端子为2个
安装固定装置
螺纹M27×2
接线盒形式
防水式
热电偶外径 mm
Ф16mm
常用热电偶保护管材料
1Cr18Ni9Ti
测温元件形式
传统装配式芯子
热电偶精度等级
II级
变送器量程
0～150℃

3.3.4误差分析
导热误差，温度计在水中插入的深度影响观测值（插入太深，测量值偏高；插入太浅，测量值偏低）
3.3.5注意事项
温度计以适当的长度直立插入水中。
3.4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200mm~500mm。在此我选用型号为UHZ-517C16耐腐蚀PPR型磁翻柱液位计，由于此仪表输出信号稳定性好，防水、防污、防腐蚀性能好，准确度高，便于信号远传，便于对补水箱水位进行读取。

图9 UHZ-517C16耐腐蚀PPR型磁翻柱液位计

3.4.1 工作原理
   液位计根据浮力原理和磁性耦合作用原理工作的。当被测容器中的液位升降时，液位计主导管中的浮子也随之升降，浮子内的永久磁钢通过磁耦合传递到现场指示器，驱动红白翻柱转180°，当液位上升时，翻柱由白色转为红色，当液位下降时翻柱由红色转为白色，指示器的红、白界位处为容器内介质液位的实际高度，从而实现液位的指示。 
3.4.2特点
1使用被测介质广泛，可测油、水及与316不锈钢兼容的糊状物，具有一定的防腐能力；
2高准确度、高稳定性、选用进口原装传感器，线性好，温度稳定性高；
3体积小、重量轻、安装、调试、使用方便；
4不锈钢全封闭外壳，防水好；
5压力传感器直接感测被测液位压力，不受介质起泡、沉积的影响；
6输出信号稳定性高易远传。
3.4.3 技术指标
表6

主要技术指标
测量范围
150～8000mm，对中心距超过8000mm的或远输条件不允许超过长度的液位计可采用分段制造。
精   度
0.5级
负载电阻
≤750Ω
使用环境温度
-20～90℃
工作压力
0.6MPa～1.0 MPa
外壳材料
PPR
介质粘度
 ≤0.4Pa.s,对于粘度大的介质或测量温度低时易结晶的介质,可选用加热夹套型液位计
供电电压
12-36VDC
输出信号 
4-20mA
介质密度
0.5～2.0g/cm3
环境振动
频率≤25Hz  振幅≤0.5mm
过程连接
旁路侧面安装法兰；DN25,PN1.0凸面
3.4.4 误差分析：
1 压力的泄漏；
2 引压管道的摩擦损失；
3 液体介质的管路中积集气体。
3.4.5 注意事项：
1 腐蚀或过热的介质不能与变送器直接接触；
2 防止渣子在引压管内部沉积；
3 尽可能短地使用引压管；
4 两引压管里的液压高度应保持平衡；
3.5流量测量
实验管内流体流量需要测量，管径Φ25mm，流量范围0.5~4m3/h。考虑到被测流量为微小流量，并且被测流体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的流体，考虑到它的腐蚀性，选用了一体式电磁流量计（DN100，精度0.5）型号：HM69-EMF。

图10 一体式电磁流量计HM69-EMF

3.5.1工作原理
  一体式电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制定，用来测量导电流体的体积流量。由于独特的特点，目前已广泛地应用于工业上各种导电液体的测量。　电磁流量计特别设计了带背光宽温的中文液晶显示器，功能齐全实用、显示直观、操作使用方便，可以减少其他电磁流量计英文菜单所带来的不便。另外设计4-6多电极结构，进一步保证了测量精度并且任何时候无需接地环，减轻了仪表体积和安装维护的麻烦。电磁流量计在满足现场显示的同时，还可以输出4～20mA电流信号供记录、调节和控制用。

3.5.2特点   
1 仪表结构简单、可靠，无可动部件，工作寿命长；
2 无截流阻流部件，不存在压力损失和流体堵塞现象；
3 无机械惯性，响应快速，稳定性好，可应用于自动检测、调节和程控系统；
4 测量精度不受被测介质的种类及其温度、粘度、密度、压力等物理的影响；
5 采用聚四氟乙烯或橡胶材质衬里和Hc、Hb、316L、Ti等电极材料的不同组合可适应不同介质的需要；
6 备有管道式、插入式等多种流量计型号；
7 采用EEPROM存贮器，测量运算数据存贮保护安全可靠；
8 具备一体化和分离型两种型式；
9 高清晰度LCD背光显示。

3.5.3 技术参数 

表7
仪表精度
管道式0.2、0.5级、1.0级；插入式2.5级
测量介质
流速范围
工作压力
环境温度
介质温度
外壳防护
输出信号
通讯输出
电气连接
电源电压
最大功耗
电导率大于5μS/cm的各种液体和液固两相流体
0.2～15m/s
≤4.0MPa
-40℃～+70℃
聚四氟乙烯衬里≤180℃ 橡胶材质衬里≤65℃
IP65
4～20mA.DC，负载电阻0～750Ω
RS485或CAN总线
M20×1.5内螺纹，φ10电缆孔
85～265V.AC、24±10%V.DC
≤20W
3.5.4误差分析
1管内液体未充满
2液体中含有固相液体中含有粉状、颗粒或纤维等固体，可能产生的故障有：①浆液噪声；②电极表面玷污；③导电沉积层或绝缘沉积层覆盖电极或衬里；④衬里被磨损或被沉积物覆盖，流通截面积缩小；
3液体电导率超过允许范围引发的问题液体导电率若接近下限值也有可能出现晃动现象。
3.5.5注意事项
1水平安装，要使两电极在同一水平面上，并保证测量导管都充满液体
2安装地点要远离一切磁源
3流量计前必须有10D左右的直管道，以消除各种局部阻力对流线分布对称性的影响。
3.6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0~50mm水柱。由于被测流体为高硬度水并且差压较小，所以我选用PTP801一体化型微差压传感器（液压）。

图11  PTP801一体化型微差压传感器（液压）
3.6.1特点及结构
 采用OEM硅压阻式差压充油芯体组装而成。外壳为全不锈钢结构，具有很强的耐腐蚀性，两个压力接口为M20×1.5螺纹连接, 可直接安装在测量管道上或通过引压管 连接。应用于航空，航天，汽车，医疗设备等领域的差压、液位、流量测控等。 
3.6.2主要技术参数
表8
量 程
 0～10KPa～35MPa
综合精度
 0.1%FS、0.3%FS、0.5%FS 
输出信号
4～20mA(二线制)、0～5V、1～5V、0～10V(三线制) 
供电电压
24DCV(9～36DCV)
介质温度
-20～85℃
环境温度
 常温(-20～85℃) 
负载电阻
电流输出型：最大800Ω；电压输出型：大于50KΩ
绝缘电阻
大于2000MΩ (100VDC) 
密封等级
IP65
长期稳定性能
0.1%FS/年
振动影响
在机械振动频率20Hz～1000Hz内，输出变化小于0.1%FS
电气接口(信号接口)
引线、赫丝曼接头、航空接插件、PG7法兰 
机械连接(螺纹接口)
M12×1、M20×1.5、G1/2"

3.6.3误差分析
1任何一种应变片当测量的环境温度发生变化时，其阻值会因温度的变化而发生影响；
2由于弹性元件与应变片的线膨胀系数很难完全一致，但它们又是互相粘贴在一起，所以温度发生变化时就会出现附加的应变，从而造成测量误差；
3导压管上会有压降。
3.6.4注意事项
1应采用相应的温度补偿措施；
2导压管尽量光滑，尽量短以减少压降。

参考文献
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[3]孙灵芳等，一种新型在线冷却水动态模拟实验装置，仪器仪表学报，2002， NO．3
[4]孙灵芳等，一种新型电子水处理器阻垢率的在线监测评价方法及装置，工业水处理，2000，NO．3
[5]杨善让等，冷却水处理技术阻垢效果的评价方法研究与实施，《工业水处 理》2000.11增刊
[6]杨善让等，换热设备污垢研究的现状和展望，化工进展，2004，NO．10
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