多功能动态模拟实验装置检测方法设计说明.docx
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多功能动态模拟实验装置检测方法设计说明
第一章绪论
1.1工程背景
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。
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。
如图1-1所示的实验装置是东北电力大学节能与测控研究中心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。
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试验装置流程图
1.2设计目的
能源对于一个国家的经济发展具有决定性的影响。
在我国，火力发电是电力工业的主要组成部分，火力发电量约占总发电量的70%左右，而换热器是火力发电厂的重要设备之一。
换热器污垢的存在给广泛应用于火力发电厂的换热器造成极大的经济损失，因此对污垢的监测就显得尤为重要。
1、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、发现危险和及时报警，使系统运行更可靠，同时也能推算出工质含杂质量，为除杂质提供参考。
2、通过对各种测量方法的思考及各种资料的查阅，加深对本门课程的认识。
3、在设计过程中使学习能力、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，增强就业竞争力和工作适应力。
第二章检测方法设计及依据
2.1检测和控制的主要参数
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℃）。
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，水位变动围200mm~500mm。
流量：
实验管流体流量需要测量，管径Φ25mm，流量围0.5~
。
差压：
由于结垢导致管流动阻力增大，需要测量流动压降，围为0~50mm水柱。
2.2污垢测量方法与测量原理
2.2.1污垢测量方法
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。
2.2.2污垢测量原理
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，污垢层平均厚度和污垢热阻。
这三者之间的关系由下式表示：
（2-1）
图2-1清洁和有污垢时温度分布及热阻
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，其总的传热热阻为：
（2-2）
图2-1（b）为两侧有污垢时的温度分布，其总传热热阻为
（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：
（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。
假定换热面只有一侧有污垢存在，则有：
（2-5）
（2-6）
若在结垢过程中，q、
均保持不变，且同样假定，则两式相减有：
（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章参数检测与控制
3.1实验管流体进出口温度以及水浴温度测量
3.1.1仪表选用
热电阻温度计测进出口温度和水浴温度，电阻温度计是利用金属导体或金属氧化物半导体做测温质，利用导体或半导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。
金属电阻一般为正温度系数，电阻随温度的变化可用多项式表示：
（3-1）
式中：
和
分别为温度为t和0时的电阻值；A,B,C...均为常数，其值取决于热电阻材料的种类。
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，性能稳定。
其中铂热电阻的测量精度是最高的，它不仅能广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。
这里选用WZC-200热电阻。
3.1.2仪表选用依据
从热电阻的测温原理可知，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来测量的，因此，热电阻的引出线等各种导线电阻的变化会给问的测量带来影响。
铠装热电阻是由感温元件（电阻体）、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体。
与普通型热电阻相比，它有以下优点：
体积小，部无空气隙，测量滞后小；机械性良好、耐震，抗冲击；能弯曲，便于安装，使用寿命长等优点。
实验管流体进、出口温度，管壁温度和水浴温度大约控制在20-80
C之间，属于地问测量，所以只需采用简单的接触式温度计即可。
试验中，我们还需得到精度较高的温度值并将其转换成电信号输出，膨胀式温度计精度虽高但不可以转化成电信号，低温测量时热电阻温度计精度比热电偶温度计要高。
所以综合考虑选择热电阻温度计较好。
3.1.3产品参数及结构图
表3-1WZC-200热电阻参数
型号
分度号
安装形式
允差值
测量围
WZC-200
管螺纹G1/2
±0.5%
-50-150
C
图3-1WZC-200热电阻结构示意图
3.1.4测量注意事项
热电阻温度计测量实验管进、出口温度时应注意接线方式，采用三线制接线可较好地消除引线电阻的影响，测量准确度较高。
3.1.5误差分析
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。
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，此外采用三线、四线接线方法也可以减小误差。
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电动势，对于测量回路可能产生影响。
可通过节点靠近，同温等方法减小或消除。
5、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。
6、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，并减小热电阻保护套管的黑度。
3.2实验管壁温度测量
3.2.1仪表选用
热电偶温度计由三部分组成：
热电偶（感温元件）、测量仪表、连接热电偶和测量仪表的导线（补偿导线及铜线）。
图3-2简单的热电偶测温系统
它是由两种不同材料的导体A和B焊接而成，焊接的一端插入被测介质中，感受被测温度，称为工作端或热端，另一端与导线相连，称为冷端或自由端。
两种不同成分的导体两端经焊接形成回路，直接测温端叫测量端，接线端叫参比端。
当测量端和参比端存在温差时，就会在回路上产生热电流，接上显示仪表，仪表就会显示出热电偶所产生的热电动势。
3.2.2仪表选用依据
本次仪表选用卡箍式K型铠装热电偶WRKK-191测量实验管壁温，如图3-3。
热电偶的结构有两种，普通型和铠装型。
普通性热电偶一般由热电极，绝缘管，保护套管和接线盒等部分组成，而铠装型热电偶则是将热电偶丝，绝缘材料和金属保护套管三者组合装配后，经过拉伸加工而成的一种坚实的组合体。
铠装热电偶是温度测量中应用最广泛的温度器件，他的主要特点就是测温围宽，性能比较稳定，同时结构简单，动态响应好，更能够远传4-20mA电信号，便于自动控制和集中控制。
K型热电偶是目前用量最大的廉金属热电偶，K型热电偶丝直径一般为1.2~4.0mm。
K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点。
它可以直接测量各种生产中从-20℃到100℃（热电阻）围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度，为了保证冷端温度不变，使用补偿导线将冷端延长到一个温度稳定的地方再将冷端处理。
本设计采用卡箍式联接方式，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。
卡箍式热电偶是将热电偶铠装材料制成的补偿导线一端焊接在直径能收缩的包箍上，包箍又安装在被测管道的外面，通过包箍的集热就可由热电偶测得管道表面的温度。
3.2.3产品参数及结构图
表3-2铠装热电偶参数
型号
分度号
测温围
精度等级
WRKK-191
K
0-800
1
图3-3卡箍式热电偶结构示意图
图3-4铠装热电偶与装配热电偶响应时间曲线
3.2.4测量注意事项
1、热电偶的热电动势是热电偶工作端的两端温度函数差，而不是热电偶冷端与工作段两端温度差的函数；
2、热电偶所产生的电动势的大小，当热电偶的材料均匀时，与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成分和两端的温差有关；
3、当热电偶的两个热电偶丝成分确定后，热电偶热电动势的大小，只与热电偶的温度差有关；
4、若热电偶冷端的温度保持一定，热电偶的热电动势仅是工作端温度的单值函数。
3.2.5误差分析
1、水浴与管壁分开的面积太大，影响流体的流量及换热；
2、外界环境变化会影响管壁温度，故应使外界环境温度尽量保持稳定；
3、由于存在导热、传热、辐射换热导致误差；
4、冷端温度不恒定。
3.3水位测量
3.3.1仪表选用
水位要求测量并控制，以适应不同流速的需要。
因管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，为了不因结垢影响测量，应选用不与流体直接接触的装置进行测量。
此处使用电磁波雷达液位计，可以测量黏稠、有沉淀、有腐蚀或易冻结的液体。
3.3.2仪表选用依据
雷达液位计发射能量很低的极短的微波脉冲通过天线系统发射并接收。
雷达波以光速运行。
运行时间可以通过电子部件被转换成物位信号。
一种特殊的时间延伸方法可以确保极短时间稳定和精确的测量。
即使工况比较复杂的情况下，存在虚假回波，用最新的微处理技术和调试软件也可以准确的分析出物位的回波。
天线接收反射的微波脉冲并将其传输给电子线路，微处理器对此信号进行处理，识别出微脉冲在物料表面所产生的回波。
正确的回波信号识别由智能软件完成，精度可达到毫米级。
距离物料表面的距离D与脉冲的时间行程T成正比：
D=C×T/2（3-1）
其中C为光速，因空罐的距离E已知，则物位L为：
L=E-D（3-2）
通过输入空罐高度E（=零点），满罐高度F（=满量程）及一些应用参数来设定，应用参数将自动使仪表适应测量环境。
对应于4－20mA输出。
应用介质：
智能雷达物位计适用于对液体、浆料及颗粒料的物位进行非接触式连续测量，适用于温度、压力变化大；有惰性气体及挥发存在的场合。
采用微波脉冲的测量方法，并可在工业频率波段围正常工作。
波束能量较低，可安装于各种金属、非金属容器或管道，对人体及环境均无伤害。
3.3.3产品参数及结构图
表3-3电磁波雷达液位计参数
类型
供电电源
测量精度
量程
环境温度
YLPS62
6-24V
±0.1%
0-10KPa
-40-150℃
图3-5电磁波雷达液位计基本结构图
3.3.4测量注意事项
窗体顶端
1、测量围从波束触及罐低的那一点开始计算，但在特殊情况下，若罐底为凹型或锥形，当物位低于此点时无法进行测量。
2、若介质为低介电常数当其处于低液位时，罐底可见，此时为保证测量精度，建议将零点定在低高度为C的位置。
3、理论上测量达到天线尖端的位置是可能的，但是考虑到腐蚀及粘附的影响，测量围的终值应距离天线的尖端至少100mm。
4、对于过溢保护，可定义一段安全距离附加在盲区上。
5、最小测量围与天线有关。
3.3.5误差分析
1、校正过程传递了人工检尺系统误差；
2、参照高度随机变化引起液位误差；
3、单点测温影响液位的准确度。
3.4流量测量
3.4.1仪表选用
由于实验所用的流体为易结垢的高硬度谁或是含有固体微粒等致垢物质，其导电率变化较大，不固定，所以不宜采用电磁式流量计。
实验管径小，管空间小，很难再在管中放置大的节流件，这样会造成压力损失，使流速减小，从而影响流量测量，所以也不宜采用节流式流量计和涡轮式流量计。
流量检测仪表应该选择非接触式流量计，以防止使用接触式流量计在脱落过程发生污垢卡涡轮叶片、对接触部分摩擦致伤等各种情况。
这里我采用超声波流量计。
超声波流量计由超声波换能器、电子转换线路、流量显示累积系统3部分组成。
它利用超声波在横向穿过流动的液体时，在其顺流和逆流介质中，其超声波的速度有差异而形成速度差（时间差）。
时差法超声波流量计就是利用该原理对流体的流速和流量进行测量的。
如图9示，超声波入射到管道流体中，顺流传播时间与逆流传播时间之差与流体的流速有确定的对应关系。
超声波测流量的作用原理有传播速度法、多普勒法、波束偏移法、噪声法、相关法、流速—液面法等多种方法。
3.4.2仪表选用依据
RS485固定安装管外夹装型高精度时差式超声波流量计，RS485固定安装管外夹装型高精度时差式超声波流量计融合了世界上先进的非接触式流量测量技术，提供了高精度的测量系统，多用途性、便利的安装和可靠性，可在几分钟投运。
其测量量程比大于400：
1，这种极宽的量程使仪表可以测量正常流速的流量，也可测量因管道和阀门泄漏引起的微流量；读数精确、可靠，特别在低流量区域，性能大大优于各种文丘利机械式、差压式和涡街式流量计性能；
自动雷诺数补偿，可确保测量层流、管径大小头和管路扰动区域流量的精确度，非接触式，安装简便，成本低，免维护。
3.4.3产品参数及结构图
表3-4超声波流量计基本技术参数
类型
精度等级
供电方式
测量围（
）
输出信号
RS485
液体1.0级
10-36V
0-5
4-20mA
图3-7RS485超声波流量计结构图
3.4.4测量注意事项
超声波流量计安装应避开时钟6点、12点方向，以免管道底部沉淀物或管道上部的气泡、气穴引起信号的衰减。
3.4.5误差分析
1噪声影响。
超声波流量计可能会受附近超声波噪声源的不利影响。
这种噪声源包括减少可听见噪声的无噪声阀、压力调节器和管道的其他重要节流部件。
现场经验表明：
在流量计和噪声源之间设置弯头会有助于减轻额外的超声波噪声。
2换能器安装位置引起的误差。
时差法超声波流量测量的测量精度与超声波换能器的安装尺寸有十分紧密的关系。
3流体温度变化引起的误差。
流速、流量大小与声速成正比，而声速是随着温度的变化而变化的，由于温度变化而产生的误差比较大，必须加以修正。
温度为T时，被测流体的声速为：
（3-3）
式中
———温度T为0℃时的声速
a———被测流体声速温度系数
4测量电路不对称引入的误差。
由于两个换能器控制采集电路不绝对的一致，在顺流向发射超声波信号时，由硬件电路造成的延时与逆流向发射超声波信号时的延时并不完全一样。
为了消除测量电路本身不对称引入的误差，必须进行零流量的校核，就是验证系统超声波流量测量在没有流量流过时是否会显示流量值。
3.5差压测量
3.5.1仪表选用
由于结垢导致管流动阻力增大，需要测量流动压降，围为0-50mm水柱。
由于被测流体为高硬度水并且差压较小，选用液压差压变送器。
3.5.2仪表选用依据
变送器的测量元件是一个压阻压力传感器。
它利用半导体硅的压阻效应，实现压力与电信号的转换。
被测压力做用到不锈钢膜片上，通过为锈、钢膜片与敏感芯片之间灌充的硅油，把压力传递到敏感芯片上，敏感芯片上的惠斯登电桥输出的电信号与作用压力有着良好的现行关系，所以可以实现对压力的准确测量。
变送器对液体测量的基本原理，就是把与液体深度成正比的液体静压力，通过变送器转换成电流（或电压）信号输出，从而建立输出电信号与液体深度的现行对应关系，实现对液体深度的测量。
3.5.3产品参数及结构图
表3-5液压式差压变送器基本参数
型号
测量围
测量精度
工作电压V
输出信号
量程比
DH3851DP
0-0.6-6KPa
0.1%
18-36
4-20mA
1:
1-1:
10
图3-8液压式差压变送器基本结构图
3.5.4测量注意事项
1、切勿用高于36V电压加到变送器上，导致变送器损坏；
2、被测介质不允许结冰，否则将损伤传感器元件隔离膜片，导致变送器损坏，必要时需对变送器进行温度保护，以防结冰；
3、在测量蒸汽或其他高温介质时，其温度不应超过变送器使用时的极限温度，高于变送器使用的极限温度必须使用散热装置；
4、测量蒸汽或其他高温介质时，应使用散热管，使变送器和管道连在一起，并使用管道上的压力传至变压器。
当被测介质为水蒸气时，散热管中要注入适量的水，以防过热蒸汽直接与变送器接触，损坏传感器；
5、在压力传输过程中，应注意以下几点：
a、变送器与散热管连接处，切勿漏气
b、开始使用前，如果阀门是关闭的，则使用时，应该非常小心、缓慢地打开阀门，以免被测介质直接冲击传感器膜片，从而损坏传感器膜片；
c、管路中必须保持畅通，管道中的沉积物会弹出，并损坏传感器膜片；
3.5.5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会出现附加的应变，从而造成测量误差。
第4章课程设计新的体会
通过对多功能动态实验装置的参数检测课题的深入研究与时间，是我对过程检测及仪表这门课程有了更加深入的理解。
通过查找资料与阅读，了解了许多课本上学不到的知识，这次课程设计使我深刻体会到了学以致用的深刻意义与效果，为今后走向社会工作打下了坚实基础。
作为一名初学者，我对实验课题和容还有很多理解不透彻的地方，在试验过程中犯了许多错误并走了许多弯路。
相信我在今后的学习工作中一定能吸取教训，并充分理由难过这次课设带给我的经验与知识。
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