过程检测及仪表课设.docx
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过程检测及仪表课设
课程设计报告
学生姓名:
学号：
20123
学院:
班级:
题目:
过程检测技术与仪表
指导教师：
曹生现兰建军职称:
教授讲师
2015年1月16日
目录
第1章绪论1
1.1设计目的1
1.2课题背景意义2
1.3研究污垢传热的理论知识2
1.4实验装置简介3
1.4.1结构简介3
1.4.2检测参数5
第2章被测参数及仪表选用6
2.1温度测量6
2.1.1检测方法设计以及依据6
2.1.2仪表种类选用及说明6
2.1.3测量注意事项7
2.1.4误差分析7
2.2水位测量及控制8
2.2.1检测方法设计以及依据8
2.2.2仪表种类选用及说明8
2.2.3误差分析 9
2.3流量测量10
2.3.1检测方法设计以及依据10
2.3.2仪表种类选用及说明10
2.3.3安装要求及注意事项11
2.3.4误差分析11
2.4压差测量12
2.4.1检测方法设计以及依据12
2.4.2仪表种类选用及说明12
2.4.3误差分析12
第3章心得体会13
参考文献14
第1章绪论
1.1设计目的
针对“应用技术主导型”普通工科高等教育的特点，从工程创新的理念出发，以工程思维模式为主，旨在培养突出“实践能力、创新意识和创业精神”特色的、适应当前经济社会发展需要的“工程应用型人才”。
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。
以增强就业竞争力和工作适应力。
1.2课题背景意义
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。
20世纪70年代，伴随着资源利用效率和环境要求的不断提高，“污垢研究一直没能得到足够关注”的状况开始有所转变。
进入20世纪90年代以后，污垢研究在其他相关学科的发展特别是计算机应用技术飞速发展的推动下，借助国际合作研究的良好氛围，在预测、监测和对策三个发展方向上都蓬勃开展起来。
近10年来，基于污垢形成机理认识的逐步深入，污垢的预测和模拟都取得了明显进展。
然而换热设备污垢形成的影响因素众多，是在动量、能量、质量传递以及生物活动同时存在的多相、多组分流动过程中进行的，其理论基础除传热传质学外，还涉及到化学动力学、流体力学、胶体化学、热力学与统计物理、微生物学、非线性科学以及表面科学等相关学科，是一个典型的多学科交叉的高度复杂问题，因而对其机理的清晰理解和准确把握仍是一项极为艰巨的任务。
1.3研究污垢传热的理论知识
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：
（1-1）
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1-1（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：
（1-2）
图1-1（b）为两侧有污垢时的温度分布，其总传热热阻为
（1-3）
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（1-3）减去式（1-2）得：
（1-4）
式（1-4）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：
（1-5）
（1-6）
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：
（1-7）
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。
1.4实验装置简介
如图1-2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。
1.4.1结构简介
图1-2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。
图1-3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
1.4.2检测参数：
该实验装置上，需要检测和控制的参数主要有：
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，以适应不同流速的需要，水位变动范围200mm~500mm；
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
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。
第2章被测参数及仪表选用
2.1温度测量
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℃）；
2.1.1检测方法设计以及依据
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。
故用光刻技术制作一个薄片在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。
2.1.2仪表种类选用及说明
1、实验管流体进口、出口温度和水浴温度测量
选用：
WZC-200热电阻
图2-1热电阻结构图
说明：
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，它的外径一般为φ1.0~φ8.0mm，最小可达φ0.5mm。
与普通型热电阻相比，它有体积小，内部无空气隙，热惯性上，测量滞后小；机械性能好、耐振，抗冲击；能弯曲，便于安装，使用寿命长等优点。
2、实验管壁温测量
选用：
膜式铂电阻
图2-2膜式铂电阻
说明：
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、Pt1000和Pt2000高阻值热电阻，其分辨率相当于常规铂电阻pt100的5~10倍。
2.1.3测量注意事项
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，热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。
为消除引线电阻的影响一般采用三线制或四线制。
热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线和显示仪表等组成。
必须注意以下两点：
1、热电阻和显示仪表的分度号必须一致
2、为了消除连接导线电阻变化的影响，必须采用三线制接法。
2.1.4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，但可用规定最大电流＜6mA，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，对测量回路产生影响。
可通过节点靠近，同温等方法减小或消除。
2.2水位测量及控制
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。
2.2.1检测方法设计以及依据
实验装置补水箱内水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。
其介电常数与空气的差别很大，这就要求测量工具对环境有较高的适应性。
同时，需要控制水位变动在要求范围内，这就需要测量仪器有较高的灵敏度和动态响应。
考虑这些实际情况，可以选用浮球液位计。
2.2.2仪表种类选用及说明
1、选用：
DFYK型浮球液位控制器
图2-3浮球液位计结构图
2、说明：
DFYK型浮球液位控制器，适用于各种水池、水塔的液位控制，且特别适用于含有固体或半固体漂浮物的液体,及带粘性的污水水位自动控制与报警。
（1）测量原理：
浮球液位计由浮球、插杆等组成。
浮球液位计通过连接法兰安装于容器顶上，浮球根据排开液体体积相等等原理浮于液面，当容器的液位变化时浮球也随着上下移动，由于磁性作用，浮球液位计的干簧受磁性吸合，把液面位置变化成电信号，通过显示仪表用数字显示液体的实际位置，浮球液位计从而达到液面的远距离检测和控制。
（2）控制过程：
液位在下限时，浮球呈正置状态在水面上，浮球内的动锤脱离干簧管与磁环的区域，干簧管保持原有的一对触点断开，一对触点闭合的状态。
当液位上升到上限时浮球翻转倒置，动锤落到磁环干簧管吸合区，使磁路闭合，输出触点状态迅速转换，即常闭触点断开，常开触点闭合，则使得与之关联的二次控制回路向水泵发出“开”、“关”的指令，从而达到控制液位的目的。
图2-4浮球液位计控制过程
（3）特点：
a、适合容器内液体介质的液位、界面的测量。
除现场指示，还可配远传变送器、报警开关、检测功能齐全。
b、指示新颖、读数直观、醒目、观察指示器的方向可根据用户需要改变角度。
c、测量范围大，不受贮槽高度的限制。
d、指示机构与被测介质完全隔离，密封性好，可靠性高，使用安全。
e、结构简单、安装方便、维护方便、耐腐蚀、无需电源、防爆。
2.2.3误差分析
（1）浮球上承受的力除自身重力之外，还有绳索的本身的重力。
绳索运动方向改变，使浮球的吃水线相对于浮球上下，带来测量误差。
（2）绳索的材质也会对测量结果产生影响，比如环境温度和湿度可能引起绳索的长度改变，会使测量产生误差。
2.3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
2.3.1检测方法设计以及依据
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。
同时，考虑到流速较小，我们需要选用精确度较高的器件。
2.3.2仪表种类选用及说明
1、选用：
XJ-LDC系列分体式电磁流量计。
图2-5分体式电磁流量计
2、说明：
分体式电磁流量计测量原理是基于法拉第电磁感应定律，分体式电磁流量计由传感器和转换器组成，传感器接入管道，转换器装在仪表室或人们易于接近的传感器附近，相距数十到数百米，可远离现场恶劣环境，电子部件检查、调整和参数设定就比较方便。
（1）工作原理：
电磁流量计是一种根据法拉第电磁感应定律来测量管内导电介质体积流量的感应式仪表，即当导电液体流过电磁流量计时，导体液体中会产生与平均流速V成正比的电压，其感应电压信号通过两个与液体接触的电极检测，通过电缆传至放大器，然后转换成统一的输出信号。
可以测量各种腐蚀性介质：
酸、碱、盐溶液以及带有悬浮颗粒的浆液。
被测介质在测量管内，由于没有阻滞部件，所以没有压力损失。
此流量计无机械惯性，反应灵敏，可测流量范围大，可以测量脉冲流量，线性较好，精度较高。
（2）特点：
a、测量不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率变化的影响。
b、测量管内无阻碍流动部件，无压损，直管段要求较低。
c、系列公称通径DN15～DN3000。
传感器衬里和电极材料有多种选择。
d、转换器采用新颖励磁方式，功耗低、零点稳定、精确度高。
流量范围度可达1500：
1。
e、转换器可与传感器组成一体型或分离型。
f、转换器采用16位高性能微处理器，2x16LCD显示，参数设定方便，编程可靠。
g、流量计为双向测量系统，内装三个积算器：
正向总量、反向总量及差值总量；可显示．庄、反流量，并具有多种输出：
电流、脉冲、数字通讯、HART。
h、转换器采用表面安装技术（SMT），具有自检和自诊断功能。
2.3.3安装要求及注意事项
1、选用及安装要求
（1）被测流量必须是导电液体。
不能测气体，蒸汽，石油制品，甘油，酒精及纯净水等。
（2）量程选择。
常用流量最好超过满量程一半。
常用流速为2-4m/s最合适。
（3）压力选择。
使用压力必须低于电磁流量计额定工作压力，一般不超过16×105Pa。
（4）温度选择。
被测介质温度不能超过衬里材料的容许使用温度，一般不超过200℃。
2、安装注意事项
（1）推荐垂直安装，且被测流体是自下而上流动。
也可水平安装，但是要使两电极在同一水平面上。
（2）流量计的外壳，屏蔽线，测量导管都要接地。
要求单独设置接地点，不要连接在电机或上下管道上。
（3）安装地点要远离一切磁源。
（4）流量计前必须有10D左右的直管段，以消除各种局部阻力对流线分布对称性的影响。
2.3.4误差分析
1、管道中有气泡时，会产生误差，所以应该保证流体流动稳定，无气泡。
2、周围存在电磁干扰会是传感器产生误差，应注意避免电磁干扰。
2.4压差测量
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。
2.4.1检测方法设计以及依据
首先，测量管道的管径较小使得我们不能采用安装体积较大的差压计，且实验装置给出的压降是一个很小的差压，因此也要选用精确度较大的器件。
考虑这些实际情况，我们可以选用压阻式压力变送器作为测量元件。
2.4.2仪表种类选用及说明
1、选用：
PT115抗变频干扰压阻式压力变送器
图2-6压阻式压力变送器结构图
2、说明：
（1）工作原理：
固体受力后电阻率发生变化的现象称为压阻效应。
压阻式压力传感器是基于半导体材料的压阻效应原理制成的传感器，就是利用集成电路工艺直接在硅平膜片上按一定晶向制成扩散压敏电阻，当硅膜片受压时，膜片的变形将使扩散电阻的阻值发生变化。
利用半导体材料的电阻率在外加应力的作用下发生改变的压阻效应，直接测取微小应变。
硅平膜片上的扩散电阻通常构成桥式测量电路，相对的桥臂电阻是对称布置的，电阻变化时电桥输出电压与膜片所受压力成对应关系。
（2）特点：
a、压阻式压力传感器的灵敏系数比金属应变式压力传感器的灵敏度系数要大50-100倍。
有的时候压阻式压力传感器的输出不需要放大器就可直接进行测量。
b、由于它采用集成电路工艺加工，因而结构尺寸小，重量轻。
c、压力分辨率高，它可以检测出十几帕斯卡的差压。
d、频率响应好，它可以测量几十千赫的脉动压力。
e、由于传感器的力敏元件及检测元件制在同一块硅片上，所以它工作可靠，综合精度高，且使用寿命长
2.4.3误差分析
1、由于采用半导体材料硅制作，传感器对温度比较敏感，如不采用温度补偿，其温度误差较大。
为了补偿温度效应的影响，一般还可在膜片上沿对压力不敏感的晶向生成一个电阻，这个电阻只感受温度变化，可接入桥路作为温度补偿电阻，以提高测量精度。
2、两个压力检测点应选在能准确及时地反映被测压力的真实情况。
因此,取压点不能处于流束紊乱的地方,即要选在管道的直线部份,即离局部阻力较远的地方。
3、由于弹性元件与应变片的线膨胀系数很难完全一致，但它们又是相互粘在一起的，所以温度发生变化时就会出现附加的应变，从而在成测量误差。
第3章心得体会
这个课设是一个开放性的课设，不是局限于标准答案的课设，对于我们今后的创新思维有很大的提高，对于检测与仪表这门学科有了更深刻的认识和更好的体会。
对于这个课设，起先并没有太好的想法，但是在参考了一些书籍之后才有了新的想法。
这个课设是一个关于设计的课设，检测试管的进出口温度，试管壁温度，水箱的水位，流体的差压，流体的流量。
这些并不是通常我们了解的那些检测的方法，因为我们这个课设的流体是易结构的流体，有污垢的时候常用的检测方法检测的时候会出现很大的误差，所有我们就应该考虑创新。
对于我这个课程设计是在学以致用的基础上加以创新完善，尤其是测量管壁温度的时候，我将普遍意义上的热电阻加以完善，而且同时测量多点的温度，然后显示在同一个界面上。
这个是我在网上搜索加以创新得到的一个改进，在改进这个仪表的时候我查阅了很多的资料，而且我发现学习一门知识并不能只通过书本的学习，书本上的知识只能在标准的情况下使用，然而在我们的日常生活中，多数状态下是非标准的环境下使用的，书上的标准就会产生十分大的误差。
通过这次课设我体会到了，遇到了困难不能低头，遇到了失败不能放弃。
开始我尝试了许多仪表，后来都在大家进行讨论的时候都给我淘汰了，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。
所以我用我前几天查阅资料积累的知识又重新的找到了合适的方法，做出了现在的方案。
参考文献
[1]王建国.检测技术及仪表.北京:
中国电力出版社,2007
[2]孙灵芳.一种新型在线冷却水动态模拟试验装置.仪器仪表学报,2002,增刊
[3]杨善让. 换热设备污垢与对策.科学出版社,2003
[4]留振全.集成温度传感器AD590及其应用.传感器世界报,2003
[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]何希才.传感器及其应用实例.北京:
机械工业出版社,2004
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