过程检测仪表课设2.docx
《过程检测仪表课设2.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《过程检测仪表课设2.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
过程检测仪表课设2
课程设计报告
学生姓名:
学号：
学院:
班级:
题目:
指导教师：
职称:
2016年1月4日
目录
第1章绪论1
1.1课题背景与意义1
1.1.1工程背景1
1.1.2设计目的2
1.1.3设计意义3
第2章检测方法设计以及依据4
2.1设计需要检测和控制的主要参数4
2.2污垢测量方法与原理4
2.2.1污垢测量方法4
2.2.2测量污垢热阻的原理4
第3章仪表种类选用以及依据7
3.1温度测量7
3.1.1实验管流体进、出口温度及水浴温度测量7
3.1.2实验管壁温测量8
3.2流量测量9
3.3水位测量9
3.4差压测量10
第4章测量注意事项以及可能产生误差的原因11
4.1温度测量注意事项及可能产生误差的原因11
4.2流量计注意事项及可能产生误差的原因11
4.3水位测量注意事项及可能产生误差的原因12
4.4差压测量注意事项及可能产生误差的原因13
结论14
参考文献15
第1章绪论
1.1课题背景与意义
1.1.1工程背景
污垢和腐蚀问题是各类换热设备普遍存在的，每年由此带来的经济损失，据初步调查，可分别占一个国家工业总产值的0.3%和发达工业国家国民生产总值的0.2%到0.4%这些污垢和腐蚀问题绝大部分是由冷却水水质不良造成。
换热设备污垢的形成过程是一个极其复杂的能量，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。
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。
如图1-1所示的实验装置是我校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。
图1-1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。
实验装置流程见图1-2。
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
图1-2实验装置流程图
1.1.2设计目的
通过对多功能动态模拟实验装置所需参数（温度、水位、流量、差压）的测量，实现该装置对通过对换热设备污垢的检测和测量。
对每一个参数的测量的设计涉及的内容包括设计检测方案，包括检测方法、仪表种类选用以及需要注意事项，并分析误差产生的原因。
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。
并且可以通过这次设计加强对知识的巩固，运用所学的知识解决实际问题。
提高自己的创新和独立思考能力，在巩固了所学知识的同时，拓展了设计思路和知识的运用能力。
1.1.3设计意义
能够防止一些突发的严重事件的发生，已达到及时进行预防。
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，通过对各种测量方法的思考及各种资料的查阅，加深了对本门课程的认识。
也加深了我们的锻炼能力和学习能力。
第2章检测方法设计以及依据
2.1设计需要检测和控制的主要参数
（1）、温度：
包括实验管流体进口（20~40℃）、出口温度（20~80℃）、实验管壁温（20~80℃）以及水浴温度（20~80℃）。
（2）、流量：
实验管内流体流量需要测量，管径Φ25mm，流量范围0.5~4m3/h
（3）、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~500mm。
（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0~50mm水柱
2.2污垢测量方法与原理
2.2.1污垢测量方法
在学习过程中测量污垢按对沉积物的监测手段分为以下两种：
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。
然而对两种监测手段，最常用的方法还是热学法，它可以更简便的检测出污垢的沉积情况。
2.2.2测量污垢热阻的原理
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（2-1）表示：
（2-1）
清洁和有污垢时的温度分布及热阻如图2-1所示。
图2-1清洁和有污垢时的温度分布及热阻
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2-1（a）为换热面两侧处于清洁状态下的温度分布，其总的传热热阻见式（2-2）：
（2-2）
图2-1（b）为两侧有污垢时的温度分布，其总传热热阻见式（2-3）
（2-3）
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（2-3）减去式（2-2）得式（2-4）：
（2-4）
式（2-4）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，则有式（2-5），式（2-6）：
（2-5）
（2-6）
若在结垢过程中，q、Tb均得持不变，且同样假定
，则两式相减有式（2-7）：
（2-7）
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。
第3章仪表种类选用以及依据
3.1温度测量
温度与人类的生活和工作密切相关，是各门学科的研究中经常遇到和必须测量的物理量。
本质上讲，温度就是衡量物体冷热程度的物理量，是物体分子热运动平均动能的标志。
它是国际单位制规定的七个基本单位之一。
温度概念的建立以及温度的测量都是以热平衡为基础的，当两个冷热程度不同的物体接触后就会产生导热换热，换热结束后两物体处于热平衡状态，此时它们具有相同的温度，这就是温度最基本的性质。
因此，对温度进行准确测量和有效控制已成为人们在科学研究和生产实践中所面临的重要课题之一。
1、实验管流体进口、出口温度和水浴温度测量针对实验管内的流体温度属于低温范围温度测量。
而且实验管道的管径较小，不宜采用体积较大的测温仪表。
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、实验管壁温测量由测量情形可知管壁温度用一般的热电阻不易测量，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。
但是热电偶又需要冷端处理，故需要综合考虑。
3.1.1实验管流体进、出口温度及水浴温度测量
设计采用的WZPK-336S铠装Pt100热电阻，工作原理是：
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。
热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器，一般测量温度在-200——500℃。
选用该仪器的优点是测量精度高，性能稳定，有线性度极好的电阻温度特性，铂电阻具有最为精确、有可靠的温度电阻特性，对温度响应的线性度好，化学惰性，铂的电阻率高于其他的热电阻材料，在电阻值相同的情况要求用材少，适于对成本考虑较强，对热响应讲究的场合，而且铂热电阻的测量精确度是最高的，所以选用铂电阻进行测量。
其主要参数如表3-1所示。
表3-1WZPK-336S的主要技术参数
品牌
SAIA
分度号
PT100
型号
WZPK-336S
测量范围
-200-500（℃）
精度等级
A级Ro=100±0.06Ω;B级Ro=100±0.12Ω
热响应时间
≤3（s）
环境温度为
15—35（℃）
测量电流
≤5mA
相对湿度
≤80%
试验电压为
10—100V（直流）
绝缘电阻
>100MΩ
安装方式
固定卡套螺纹安装
3.1.2实验管壁温测量
设计选用的膜式铂电阻，工作原理为：
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，三组值同时测量取平均值，以达到精确测温效果.
选用该仪器的优点是：
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Pt1000Pt2000高阻值热电阻，其分辨率相当于常规铂电阻pt100的5~10倍。
其主要参数如表3-2所示。
表3-2膜式铂电阻主要技术参数
测量范围
0~500℃
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（Ω）B级±0.12（Ω）
3.2流量测量
考虑到管内有污垢，水并不洁净，用接触法测量会很容易导致测量仪器的表面结垢，影响测量的精度，严重的话会损害流量计，我们需要选择非接触式测量的器件。
所选用的流量测量装置应具有以下几个特点：
①结构简单、牢固、安装使用方便。
②无需长管道，可以在有限的空间内安装工作。
③具有可以在恶劣的管道工作环境下正常工作的能力，尤其是在本实验装置流体硬度高、有杂质的情况下。
本设计选用HNLGHX系列环形孔板流量计，它的工作原理同标准孔板一样，适用于流体连续性方程和伯努力方程，标准孔板最小流通截面是圆形，环形孔板最小流通截面是环形，把环形流通面等效成圆形流通截面，等效孔径为d，等效孔径比β=d/D,基本方程是：
（3-1）
3.3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。
本设计采用的TQ-DRUL系列电容式物位计，其主要技术参数如下表3-3所示，其工作原理：
它是通过电容的变化来检测被测液物位的，电容物位计的探极做为电容的一个极，另一极是金属罐壁。
在空罐状态下电容最小，因为空气的相对介电常数等于1。
随着罐中介质的增多，物位上升，电容也随着增大，因为大多数物质的介电常数都比空气大。
TQ-DRUL系列电容物位计采用的是国际上先进的射频电容技术。
一个射频振荡器施加于电容两端，只有电容的变化才能引起振荡输出频率的变化，因而这种变化具有以下优点：
a.介质的其它特性如电导率等对输出几乎没有任何影响，由于温度对电容影响也很小，所以测量几乎也温度无关。
选用该仪器的优点：
电容式水位计是将水位的变化转化为相应的电测信号变化，然后通过这些电参数测知水位。
此仪表的信号转化不依赖于机械可动部分，所以比较可靠，而且由于测量信号可方便地转化成标准电信号输出，易于远传也便于和电动单元组合仪表或计算机系统配套使用。
表3-3TQ-DRUL系列电容式物位计主要技术参数
工作电压
DC24V
输出信号
二线制DC4～20mA
负载电阻
0~250Ω（电源DC24V）
测量范围
杆式0~3500mm、缆式2~20m范围内任意选用
测量精度
≤±1%F·S：
（量程1m内为±5mm）粘度很高时对测量精度有一定影响
防护等级
IP65环境温度：
-40～45℃过程温度：
普通型：
-20～60℃
中温型：
-40～200℃、高温型：
-40～800℃
介质压力
压力型≤3MPa（其余型号为常压）
电容量范围
最小值20PF最大值5000PF
3.4差压测量
设计选用亿科电容式差压变送器YK-YCY-01，其主要技术参数如表3-4所示，工作原理为：
在测量膜片的左右两室中充满硅油，当左右隔离膜片分别承受高压pH和低压pL时，硅油的不可压缩性和流动性便能将差压Δp=pH-pL传递到测量膜片的左右面上。
因为测量膜片在焊接前加有预张力，所以当差压Δp=0时十分平整，使得定极板左右两电容的容量完全相等，即CH=CL，电容量的差值为零。
选用该仪器的优点：
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，因其测量的差压为较低的压力，因此要求测量的灵敏度要高，测量的液体污垢含量很多，因此选用电容式差压传感器。
在差压测量方面，电容式传感器技术最成熟，应用最广泛。
表3-4亿科电容式差压变送器YK-YCY-01技术参数
测量范围
0-1.25KPa至0-6.89MPa
使用温度
电子部件-40～85℃；传感器-25～104℃
接液材料
316不锈钢，哈氏合金，蒙耐尔合金，钽可选。
精度
线性，重复性，迟滞合计，微差压时±0.5%，其它±0.25%温度影响（零点和量程合计）±1%/55℃零点在25℃下的时间漂移±0.1%/F.S/1年
供电和输出
供电18～36VDC；输出4～20mA或带Hart通讯的4～20mA外壳防护等级IP65
防爆
本质安全ExiaⅡcT41区；隔爆：
ExdⅡcT61区
第4章测量注意事项以及可能产生误差的原因
4.1温度测量注意事项及可能产生误差的原因
（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。
（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。
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。
为了避免或减少导线电阻对测温的影响，标准热电阻在使用时多采用三线制方式，如图4-1所示。
在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的。
图4-1热电阻三线制接法
4.2流量计注意事项及可能产生误差的原因
1、对于标准节流装置而言，不但其结构形式和取压方式必须符合规定，而且在使用时应满足一定的管道条件和安装要求，以保证应有的测量的精度。
安装节流装置的管道应该是直的圆形管道；管道内壁应洁净，其粗糙度应符合有关规定的限制范围；在节流件的前后要有足够长度的直管段，不同局部阻力情况下所需的最小直管段长度可由表格查出。
在使用标准节流装置时，流体应充满圆形管道并连续，稳定的流动；流体在进入节流件之前，流束必须与管道轴线平行，不得有旋流动；流体流经节流装置时，不应发生相变。
标准节流装置不适用脉动流和临界流的流量测量，仅适用测量单向流体或可认为是单向流体的流量。
2、差压式流量计的安装应按有关标准的技术规定，否则会产生较大的误差，所以对安装的质量必须给予足够的重视。
节流件一般安装在水平管道上，其轴线与管道轴线重合；与管道、管件的连接不得有任何突变；测量液体流量时，取压点应当位于节流装置的下半部，引压管最好垂直向下；正负引压导管应尽量靠近敷设，使两管内液体温度相同，以免因为密度不同引起附加误差。
在靠近节流件的信号管路上应装截断阀。
3、差压计或差压变送器与引压管之间必须安装切断阀和平衡阀，以防止开停仪表时差压计单向受力而遭破坏。
4.3水位测量注意事项及可能产生误差的原因
1、电容式液位计是根据电容的变化来实现液位高度测量的液位仪表，电容式液位计的主要构件包括电容式物位传感器和检测电容的线路。
电容式液位计在测量时是将一根金属棒插入被测量容器的溶液中，将金属棒作为电容的一极，将容器壁作为电容的另一极。
电容式液位计在工作时，两个电极之间分别处于两种介质之中，在两个电极之间的总的介电常数值也就会随之增大，而电容量也就会相应增加，通过对电容量增加值的测算就可以得到液位高度值。
2、电容式液位计的测量主要就是依赖两个电极之间的电容量变化，也就是说电容液位计的灵敏度是取决于两个介质，气体、和液体的介电常数的差值。
3、误差修正的对策：
改进测量装置，严格按照仪表生产厂家要求，核实并精确测量水位计的安装位置，减小安装偏差。
不要将几台水位计共用同一个取样孔，保证水侧管路有足够的回流面积，减少阻力，管路保温应完好。
消除和减小边缘效应，消除和减小寄生电容的影响。
4.4差压测量注意事项及可能产生误差的原因
测量时应限制膜片过大变形，以保护膜片在过载时不致损坏。
电源和电源线路干扰可能造成误差,电容式差压变送器对供电电源有严格的要求，对电源中高谐波要求很高。
电源线中最好有一接地线，这样可以很好地克服电缆的分布电容影响。
变送器测量膜片及隔离膜片制造条件约束造成设计误差。
对于压阻式压力传感器，当测量温度变化时，应变片的阻值都会随着温度变化。
而管内流体的温度是变化的，因此这产生误差；另外由于弹性元件与应变片的线膨胀系数很难完全一致，但它们又是相互粘贴在一起的，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。
结论
通过这次课设我体会到了，遇到困难时要乐观对待，遇到失败不能放弃。
开始我尝试了许多仪表，因为有的仪表我自己在选用的时候没有考虑到那么多的客观条件，所以在这种比较特殊的条件下使用的时候可能会产生比较大的误差。
所以有的时候许多努力的方向都是错误的，但是在面对错误的时候只能更加的努力，才能成功。
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。
让我积累了很多仪器仪表的基础知识，深刻的体会到检测仪表对现代工程建设的重要性，使我在考虑问题方面上更加具体切实，我更进一步了解到检测技术及仪表中关于测量方法与测量仪表的选择要求，也了解到更多的仪表种类，并且了解更多的仪表的使用方法及环境条件，巩固了所学知识，增强了独立思考与设计的能力。
并且经过这次课程设计，通过自己上网查资料，选择测量不同参数的仪表，使自己对各类传感器更加了解，它们各自的优缺点以及适用场合和注意事项。
通过这次课程设计，自己将所学的知识学以致用，使自己对所学知识有了更加深刻的了解和掌握，使所学知识更加鲜活。
参考文献
[1]李军等．检测技术及仪表．北京：
中国轻工业出版社，2000．33~56
[2]孙灵芳，王建国，徐志明，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，2000，20（3）：
32~33．
[3]杨善让，孙灵芳，王中秋．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，2000，20：
137~139．
[4]杨善让，徐志明，孙灵芳．换热设备污垢与对策[M]．北京：
科学出版社，2004．22~31
[5]王建国．检测技术及仪表．北京：
中国电力出版社，2007．17~36
[6]李军等.检测技术及仪表.中国轻工业出版社，2000.16~21
升级会员 