多功能動態(tài)模擬實驗裝置檢測方法設計

1、過程檢測技術及儀表課程設計目錄第一章 緒論11.1工程背景11.2 設計目的2第二章 檢測方法設計及依據(jù)32.1 檢測和控制的主要參數(shù)32.2污垢測量方法與測量原理32.2.1污垢測量方法32.2.2污垢測量原理3第三章 參數(shù)檢測與控制53.1 實驗管流體進出口溫度以及水浴溫度測量53.1.1 儀表選用53.1.2 儀表選用依據(jù)53.1.3產品參數(shù)及結構圖63.1.4 測量注意事項63.1.5 誤差分析63.2 實驗管壁溫度測量73.2.1 儀表選用73.2.2儀表選用依據(jù)73.2.3 產品參數(shù)及結構圖83.2.4測量注意事項93.2.5誤差分析93.3 水位測量93.3.1儀表選用93.3.

2、2儀表選用依據(jù)93.3.3產品參數(shù)及結構圖103.3.4測量注意事項103.3.5誤差分析113.4 流量測量113.4.1儀表選用113.4.2儀表選用依據(jù)113.4.3產品參數(shù)及結構圖123.4.4測量注意事項123.4.5 誤差分析123.5 差壓測量133.5.1儀表選用133.5.2儀表選用依據(jù)133.5.3產品參數(shù)及結構圖133.5.4測量注意事項143.5.5誤差分析14第四章 課程設計新的體會15參考文獻16II過程檢測技術及儀表課程設計第一章 緒論1.1工程背景換熱設備污垢的形成過程是一個極其復雜的能量、質量和動量傳遞的物理化學過程，污垢的存在給廣泛應用于各工業(yè)企業(yè)的換熱設備

3、造成極大的經濟損失，因而污垢問題成為傳熱學界和工業(yè)界十分關注而又至今未能解決的難題之一。污垢熱阻可以通過清潔狀態(tài)和受污染狀態(tài)下總傳熱系數(shù)的測量而間接測量出來。實驗研究或實際生產則常常要求測量局部污垢熱阻，這可通過測量所要求部位的壁溫表示。如圖1-1所示的實驗裝置是東北電力大學節(jié)能與測控研究中心楊善讓教授為首的課題組基于測量新技術軟測量技術開發(fā)的多功能實驗裝置?；诒緦嶒炑b置，先后完成國家、東北電力公司、省、市多項科研項目并獲獎，鑒定結論為國際領先。目前承擔國家自然科學基金、973項目部分實驗工作。圖1-1 多功能動態(tài)模擬實驗裝置外形圖本實驗裝置的模擬換熱器是由恒溫水浴作為熱源加熱實驗管段（約2

4、m），水浴溫度由溫控器、電加熱管以及保溫箱體構成。水浴中平行放置兩實驗管，獨自擁有補水箱和集水箱，構成兩套獨立的實驗系統(tǒng)?？梢宰銎叫袠訉嶒灪蛯Ρ葘嶒?。為獲取水處理藥劑的效果、強化換熱管的污垢特性、污垢狀態(tài)下強化管的換熱效果等等，管內流體一般為人工配制的易結垢的高硬度水或是含有固體微粒等致垢物質。1-恒溫槽體；2-試驗管段；3-試驗管入口壓力；4-管段出口溫度測點；5-管壁溫度測點；6-管段出口溫度測點；7-試驗管出口壓力；8-流量測量；9-集水箱；10-循環(huán)水泵；11-補水箱；12-電加熱管 圖1-2 試驗裝置流程圖1.2 設計目的能源對于一個國家的經濟發(fā)展具有決定性的影響。在我國，火力發(fā)電是

5、電力工業(yè)的主要組成部分，火力發(fā)電量約占總發(fā)電量的70%左右，而換熱器是火力發(fā)電廠的重要設備之一。換熱器污垢的存在給廣泛應用于火力發(fā)電廠的換熱器造成極大的經濟損失，因此對污垢的監(jiān)測就顯得尤為重要。1、測出管道換熱面有垢一側的污垢熱阻，能夠方便監(jiān)視管道狀態(tài)、發(fā)現(xiàn)危險和及時報警，使系統(tǒng)運行更可靠，同時也能推算出工質含雜質量，為除雜質提供參考。2、通過對各種測量方法的思考及各種資料的查閱，加深對本門課程的認識。3、在設計過程中使學習能力、思維能力、動手能力、工程創(chuàng)新能力和承受挫折能力都得到綜合提高，增強就業(yè)競爭力和工作適應力。第二章 檢測方法設計及依據(jù)2.1 檢測和控制的主要參數(shù)溫度：包括實驗管流體進

6、口（2040）、出口溫度（2080 ） ，實驗管壁溫（2080 ）以及水浴溫度（2080 ）。水位：補水箱上位安裝，距地面2m，其水位要求測量并控制循環(huán)水泵，以適應不同流速的需要，水位變動范圍200mm500mm。流量：實驗管內流體流量需要測量，管徑25mm，流量范圍0.5。差壓：由于結垢導致管內流動阻力增大，需要測量流動壓降，范圍為050mm水柱。2.2污垢測量方法與測量原理2.2.1污垢測量方法按對沉積物的監(jiān)測手段分有：熱學法和非傳熱量的污垢監(jiān)測法。熱學法中又可分為熱阻表示法和溫差表示法兩種；非傳熱量的污垢監(jiān)測法又有直接稱重法、厚度測量法、壓降測量法、放射性技術、時間推移電影法、顯微照相法

7、、電解法和化學法。這些監(jiān)測方法中，對換熱設備而言，最直接而且與換熱設備性能聯(lián)系最密切的莫過于熱學法。2.2.2污垢測量原理表示換熱面上污垢沉積量的特征參數(shù)有：單位面積上的污垢沉積質量，污垢層平均厚度和污垢熱阻。這三者之間的關系由下式表示： （2-1）圖2-1 清潔和有污垢時溫度分布及熱阻通常測量污垢熱阻的原理如下：設傳熱過程是在熱流密度q為常數(shù)情況下進行的，圖2-1（a）為換熱面兩側處于清潔狀態(tài)下的溫度分布，其總的傳熱熱阻為： （2-2）圖2-1（b）為兩側有污垢時的溫度分布，其總傳熱熱阻為 （2-3）如果假定換熱面上污垢的積聚對壁面與流體的對流傳熱系數(shù)影響不大，則可認為 。于是從式(2-3)

8、減去式(2-2)得： （2-4）式(2-4)表明污垢熱阻可以通過清潔狀態(tài)和受污染狀態(tài)下總傳熱系數(shù)的測量而間接測量出來。實驗研究或實際生產則常常要求測量局部污垢熱阻，這可通過測量所要求部位的壁溫表示。假定換熱面只有一側有污垢存在，則有： （2-5） （2-6）若在結垢過程中，q、均保持不變，且同樣假定，則兩式相減有： （2-7）這樣，換熱面有垢一側的污垢熱阻可以通過測量清潔狀態(tài)和污染狀態(tài)下的壁溫和熱流而被間接測量出來。- 19 -第3章 參數(shù)檢測與控制3.1 實驗管流體進出口溫度以及水浴溫度測量3.1.1 儀表選用熱電阻溫度計測進出口溫度和水浴溫度，電阻溫度計是利用金屬導體或金屬氧化物半導體做測

9、溫質，利用導體或半導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。金屬電阻一般為正溫度系數(shù)，電阻隨溫度的變化可用多項式表示： （3-1）式中：和分別為溫度為t和0時的電阻值；A,B,C.均為常數(shù)，其值取決于熱電阻材料的種類。熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器，它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量精度是最高的，它不僅能廣泛應用于工業(yè)測溫，而且被制成標準的基準儀。這里選用WZC-200熱電阻。3.1.2 儀表選用依據(jù)從熱電阻的測溫原理可知，被測溫度的變化是直接通過熱電阻阻值的變化來測量的，因此，熱電阻的引出線等各種導線電阻的變化會給問的測量帶來影響。鎧裝熱電阻是由感溫

10、元件（電阻體）、引線、絕緣材料、不銹鋼套管組合而成的堅實體。與普通型熱電阻相比，它有以下優(yōu)點：體積小，內部無空氣隙，測量滯后?。粰C械性良好、耐震，抗沖擊；能彎曲，便于安裝，使用壽命長等優(yōu)點。實驗管流體進、出口溫度，管壁溫度和水浴溫度大約控制在20-80C之間，屬于地問測量，所以只需采用簡單的接觸式溫度計即可。試驗中，我們還需得到精度較高的溫度值并將其轉換成電信號輸出，膨脹式溫度計精度雖高但不可以轉化成電信號，低溫測量時熱電阻溫度計精度比熱電偶溫度計要高。所以綜合考慮選擇熱電阻溫度計較好。3.1.3產品參數(shù)及結構圖表3-1 WZC-200熱電阻參數(shù)型號分度號安裝形式允差值測量范圍WZC-200管

11、螺紋G1/2 ±0.5%-50-150C圖3-1 WZC-200熱電阻結構示意圖3.1.4 測量注意事項熱電阻溫度計測量實驗管進、出口溫度時應注意接線方式，采用三線制接線可較好地消除引線電阻的影響，測量準確度較高。3.1.5 誤差分析1、 分度誤差。該誤差取決于材料純度和加工工藝。2、 通電發(fā)熱誤差。由于電阻通電后會產生自升溫現(xiàn)象，從而帶來測量誤差。該誤差無法消除。3、 線路電阻不同或變化引入的測量誤差?？赏ㄟ^串聯(lián)電位器調整，此外采用三線、四線接線方法也可以減小誤差。4、 附加熱電動勢。電阻絲與引線接點處構成熱偶，若節(jié)點溫度不同將產生附加電動勢，對于測量回路可能產生影響?？赏ㄟ^節(jié)點靠

12、近，同溫等方法減小或消除。5、 熱電阻安裝時，其插入深度不小于熱電阻保護管外徑的8倍10倍，盡可能使熱電阻受熱部分增長。6、 熱電阻在使用中為了減小輻射熱和熱傳導所產生的誤差，應盡量使保護套管表面和被測介質溫度接近，并減小熱電阻保護套管的黑度。3.2 實驗管壁溫度測量3.2.1 儀表選用熱電偶溫度計由三部分組成：熱電偶（感溫元件）、測量儀表、連接熱電偶和測量儀表的導線（補償導線及銅線）。圖3-2 簡單的熱電偶測溫系統(tǒng)它是由兩種不同材料的導體A和B焊接而成，焊接的一端插入被測介質中，感受被測溫度，稱為工作端或熱端，另一端與導線相連，稱為冷端或自由端。兩種不同成分的導體兩端經焊接形成回路，直接測溫

13、端叫測量端，接線端叫參比端。當測量端和參比端存在溫差時，就會在回路上產生熱電流，接上顯示儀表，儀表就會顯示出熱電偶所產生的熱電動勢。3.2.2儀表選用依據(jù)本次儀表選用卡箍式K型鎧裝熱電偶 WRKK-191測量實驗管壁溫，如圖3-3。熱電偶的結構有兩種，普通型和鎧裝型。普通性熱電偶一般由熱電極，絕緣管，保護套管和接線盒等部分組成，而鎧裝型熱電偶則是將熱電偶絲，絕緣材料和金屬保護套管三者組合裝配后，經過拉伸加工而成的一種堅實的組合體。鎧裝熱電偶是溫度測量中應用最廣泛的溫度器件，他的主要特點就是測溫范圍寬，性能比較穩(wěn)定，同時結構簡單，動態(tài)響應好，更能夠遠傳4-20mA電信號，便于自動控制和集中控制。

14、K型熱電偶是目前用量最大的廉金屬熱電偶，K型熱電偶絲直徑一般為1.24.0mm。K型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化性能強，價格便宜等優(yōu)點。它可以直接測量各種生產中從-20到100（熱電阻）范圍內的液體蒸汽和氣體介質以及固體的表面溫度，為了保證冷端溫度不變，使用補償導線將冷端延長到一個溫度穩(wěn)定的地方再將冷端處理。本設計采用卡箍式聯(lián)接方式，采用卡箍式夾緊裝置,無需焊接,就可將溫度探頭上的加熱板與管道壓接,具有裝拆方便,反應靈敏、抗壓耐震和測量可靠?？ü渴綗犭娕际菍犭娕兼z裝材料制成的補償導線一端焊接在直徑能收縮的包箍上，包箍又安裝在被測管道的外面，通過包箍的

15、集熱就可由熱電偶測得管道表面的溫度。3.2.3 產品參數(shù)及結構圖表3-2 鎧裝熱電偶參數(shù)型號分度號測溫范圍精度等級WRKK-191K0-8001圖3-3 卡箍式熱電偶結構示意圖圖3-4 鎧裝熱電偶與裝配熱電偶響應時間曲線3.2.4測量注意事項1、 熱電偶的熱電動勢是熱電偶工作端的兩端溫度函數(shù)差，而不是熱電偶冷端與工作段兩端溫度差的函數(shù)；2、 熱電偶所產生的電動勢的大小，當熱電偶的材料均勻時，與熱電偶的長度和直徑無關，只與熱電偶材料的成分和兩端的溫差有關；3、 當熱電偶的兩個熱電偶絲成分確定后，熱電偶熱電動勢的大小，只與熱電偶的溫度差有關；4、 若熱電偶冷端的溫度保持一定，熱電偶的熱電動勢僅是工

16、作端溫度的單值函數(shù)。3.2.5誤差分析1、 水浴與管壁分開的面積太大，影響流體的流量及換熱；2、 外界環(huán)境變化會影響管壁溫度，故應使外界環(huán)境溫度盡量保持穩(wěn)定；3、 由于存在導熱、傳熱、輻射換熱導致誤差；4、 冷端溫度不恒定。3.3 水位測量3.3.1儀表選用水位要求測量并控制，以適應不同流速的需要。因管內流體一般為人工配制的易結垢的高硬度水或是含有固體微粒等致垢物質，為了不因結垢影響測量，應選用不與流體直接接觸的裝置進行測量。此處使用電磁波雷達液位計，可以測量黏稠、有沉淀、有腐蝕或易凍結的液體。3.3.2儀表選用依據(jù)雷達液位計發(fā)射能量很低的極短的微波脈沖通過天線系統(tǒng)發(fā)射并接收。雷達波以光速運行

17、。運行時間可以通過電子部件被轉換成物位信號。一種特殊的時間延伸方法可以確保極短時間內穩(wěn)定和精確的測量。即使工況比較復雜的情況下，存在虛假回波，用最新的微處理技術和調試軟件也可以準確的分析出物位的回波。天線接收反射的微波脈沖并將其傳輸給電子線路，微處理器對此信號進行處理，識別出微脈沖在物料表面所產生的回波。正確的回波信號識別由智能軟件完成，精度可達到毫米級。距離物料表面的距離D與脈沖的時間行程T成正比：D=C×T/2 （3-1）其中C為光速，因空罐的距離E已知，則物位L為：L=E-D （3-2）通過輸入空罐高度E（=零點），滿罐高度F（=滿量程）及一些應用參數(shù)來設定，應用參數(shù)將自動使儀

18、表適應測量環(huán)境。對應于420mA輸出。應用介質：智能雷達物位計適用于對液體、漿料及顆粒料的物位進行非接觸式連續(xù)測量，適用于溫度、壓力變化大；有惰性氣體及揮發(fā)存在的場合。采用微波脈沖的測量方法，并可在工業(yè)頻率波段范圍內正常工作。波束能量較低，可安裝于各種金屬、非金屬容器或管道內，對人體及環(huán)境均無傷害。3.3.3產品參數(shù)及結構圖表3-3 電磁波雷達液位計參數(shù)類型供電電源測量精度量程環(huán)境溫度YLPS626-24V±0.1%0-10KPa-40-150圖3-5 電磁波雷達液位計基本結構圖3.3.4測量注意事項窗體頂端1、測量范圍從波束觸及罐低的那一點開始計算，但在特殊情況下，若罐底為凹型或錐

19、形，當物位低于此點時無法進行測量。2、若介質為低介電常數(shù)當其處于低液位時，罐底可見，此時為保證測量精度，建議將零點定在低高度為C 的位置。3、理論上測量達到天線尖端的位置是可能的，但是考慮到腐蝕及粘附的影響，測量范圍的終值應距離天線的尖端至少100mm。4、對于過溢保護，可定義一段安全距離附加在盲區(qū)上。5、最小測量范圍與天線有關。3.3.5誤差分析1、 校正過程傳遞了人工檢尺系統(tǒng)誤差；2、 參照高度隨機變化引起液位誤差；3、 單點測溫影響液位的準確度。3.4 流量測量3.4.1儀表選用由于實驗所用的流體為易結垢的高硬度誰或是含有固體微粒等致垢物質，其導電率變化較大，不固定，所以不宜采用電磁式流

20、量計。實驗管徑小，管內空間小，很難再在管中放置大的節(jié)流件，這樣會造成壓力損失，使流速減小，從而影響流量測量，所以也不宜采用節(jié)流式流量計和渦輪式流量計。流量檢測儀表應該選擇非接觸式流量計，以防止使用接觸式流量計在脫落過程發(fā)生污垢卡渦輪葉片、對接觸部分摩擦致傷等各種情況。這里我采用超聲波流量計。超聲波流量計由超聲波換能器、電子轉換線路、流量顯示累積系統(tǒng)3部分組成。它利用超聲波在橫向穿過流動的液體時，在其順流和逆流介質中，其超聲波的速度有差異而形成速度差(時間差)。時差法超聲波流量計就是利用該原理對流體的流速和流量進行測量的。如圖9示，超聲波入射到管道流體中，順流傳播時間與逆流傳播時間之差與流體的流

21、速有確定的對應關系。超聲波測流量的作用原理有傳播速度法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法、相關法、流速液面法等多種方法。3.4.2儀表選用依據(jù)RS485固定安裝管外夾裝型高精度時差式超聲波流量計，RS485固定安裝管外夾裝型高精度時差式超聲波流量計融合了世界上先進的非接觸式流量測量技術，提供了高精度的測量系統(tǒng)，多用途性、便利的安裝和可靠性，可在幾分鐘內投運。其測量量程比大于400：1，這種極寬的量程使儀表可以測量正常流速的流量，也可測量因管道和閥門泄漏引起的微流量；讀數(shù)精確、可靠，特別在低流量區(qū)域，性能大大優(yōu)于各種文丘利機械式、差壓式和渦街式流量計性能；自動雷諾數(shù)補償，可確保測量層流、管徑大小頭和

22、管路擾動區(qū)域流量的精確度，非接觸式，安裝簡便，成本低，免維護。3.4.3產品參數(shù)及結構圖表3-4 超聲波流量計基本技術參數(shù)類型精度等級供電方式測量范圍（）輸出信號RS485液體1.0級10-36V0-54-20mA圖3-7 RS485超聲波流量計結構圖3.4.4測量注意事項超聲波流量計安裝應避開時鐘6點、12點方向，以免管道底部沉淀物或管道上部的氣泡、氣穴引起信號的衰減。3.4.5 誤差分析1 噪聲影響。超聲波流量計可能會受附近超聲波噪聲源的不利影響。這種噪聲源包括減少可聽見噪聲的無噪聲閥、壓力調節(jié)器和管道的其他重要節(jié)流部件。現(xiàn)場經驗表明：在流量計和噪聲源之間設置彎頭會有助于減輕額外的超聲波噪

23、聲。2 換能器安裝位置引起的誤差。時差法超聲波流量測量的測量精度與超聲波換能器的安裝尺寸有十分緊密的關系。3 流體溫度變化引起的誤差。流速、流量大小與聲速成正比，而聲速是隨著溫度的變化而變化的，由于溫度變化而產生的誤差比較大，必須加以修正。溫度為T時，被測流體的聲速為： (3-3) 式中溫度T為0時的聲速 a被測流體聲速溫度系數(shù)4 測量電路不對稱引入的誤差。由于兩個換能器控制采集電路不絕對的一致，在順流向發(fā)射超聲波信號時，由硬件電路造成的延時與逆流向發(fā)射超聲波信號時的延時并不完全一樣。為了消除測量電路本身不對稱引入的誤差，必須進行零流量的校核，就是驗證系統(tǒng)超聲波流量測量在沒有流量流過時是否會顯

24、示流量值。3.5 差壓測量3.5.1儀表選用由于結垢導致管內流動阻力增大，需要測量流動壓降，范圍為0-50mm水柱。由于被測流體為高硬度水并且差壓較小，選用液壓差壓變送器。3.5.2儀表選用依據(jù)變送器的測量元件是一個壓阻壓力傳感器。它利用半導體硅的壓阻效應，實現(xiàn)壓力與電信號的轉換。被測壓力做用到不銹鋼膜片上，通過為銹、鋼膜片與敏感芯片之間灌充的硅油，把壓力傳遞到敏感芯片上，敏感芯片上的惠斯登電橋輸出的電信號與作用壓力有著良好的現(xiàn)行關系，所以可以實現(xiàn)對壓力的準確測量。變送器對液體測量的基本原理，就是把與液體深度成正比的液體靜壓力，通過變送器轉換成電流（或電壓）信號輸出，從而建立輸出電信號與液體深

25、度的現(xiàn)行對應關系，實現(xiàn)對液體深度的測量。3.5.3產品參數(shù)及結構圖表3-5 液壓式差壓變送器基本參數(shù)型號測量范圍測量精度工作電壓V輸出信號量程比DH3851DP0-0.6-6KPa0.1%18-364-20mA1:1-1:10圖3-8 液壓式差壓變送器基本結構圖3.5.4測量注意事項1、 切勿用高于36V電壓加到變送器上，導致變送器損壞；2、 被測介質不允許結冰，否則將損傷傳感器元件隔離膜片，導致變送器損壞，必要時需對變送器進行溫度保護，以防結冰；3、 在測量蒸汽或其他高溫介質時，其溫度不應超過變送器使用時的極限溫度，高于變送器使用的極限溫度必須使用散熱裝置；4、 測量蒸汽或其他高溫介質時，應使用散熱管，使變送器和管道連在一起，并使用管道上的壓力傳至變壓器。當被測介質為水蒸氣時，散熱管中要注入適量的水，以防過熱蒸汽直接與變送器接觸，損壞傳感器；5、 在壓力傳輸過程中，應注意以下幾點：a、 變送器與散熱管連接處，切勿漏氣b、 開始使用前，如果閥門是關閉的，則使用時，應該非常小心、緩慢地打開閥門，以免被測介質直接沖擊傳感器膜片，從而損壞傳感器膜片； c、管路中必須保持暢通，管道中的沉積物會彈出，并損壞傳感器膜片