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过程检测技术与仪表课程设计

课程设计报告

学生姓名:

学号：

学院:

自动化工程学院

班级:

题目:

过程检测技术与仪表

指导教师：

职称:

指导教师：

职称:

2013年7月12日

目录

第一章课题意义1

第二章设计任务2

第三章污垢测量方法与原理3

3.1污垢测量方法3

3.2测量污垢热阻的原理3

第四章仪表种类选择和依据5

4.1流体进出口测温仪表选择5

4.1.1仪表工作原理6

4.1.2注意事项与误差分析6

4.2实验管壁温测量6

4.2.1仪表工作原理7

4.2.2注意事项和误差分析7

4.3水浴温度测量7

4.4补水箱水位测量8

4.4.1工作原理9

4.4.2注意事项和误差分析9

4.5流量测量9

4.5.1工作原理10

4.5.2注意事项与误差分析10

4.6差压测量11

4.6.1工作原理11

第五章心得体会13

参考文献13

第一章课题意义

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，特别是80年代后期以来的能源危机，伴随着资源利用效率和环境要求的不断提高，Somerscales所抱怨的“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。

在20世纪80年代中Epstein曾以矩阵形式对污垢形成过程的理论分析和实验研究作了形象的概括，指出了发展趋势；Pinhero则比较了当时已有的各预测模型，找出其共同点，为建立一个通用模型做了十分有意义的工作；而且，Melo也对这期间的进展做了出色的概括和评述。

虽然已取得的成就令人欣慰，但现离预期目标仍然相当遥远！

进入20世纪90年代以后，寻求对污垢形成机理的理解，定量预测污垢增长率，为换热设备的设计者和运行人员提供一个可信而适用的预测模型的努力仍然历艰而弥坚，涌现出了不少有意义的成果。

污垢形成的五个阶段（起始，输运，附着，老化，剥蚀）中，输运、附着、剥蚀相对研究得比较深入。

单类污垢简单可分成以下几种类型：

腐蚀污垢与混合污垢、析晶污垢、颗粒污垢、化学反应污垢、生物污垢、凝固污垢等。

第二章设计任务

该实验装置上，需要检测和控制的参数主要有：

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、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

3、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

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

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

图2-1实验装置图

第三章污垢测量方法与原理

3.1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。

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：

（3-1）

3.2测量污垢热阻的原理

设传热过程是在热流密度q为常数情况下进行的，

图3-1（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：

（3-2）

图3-1（b）为两侧有污垢时的温度分布，其总传热热阻为

（3-3）

图3-1

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（3-3）减去式（3-2）得

（3-4）

式（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：

（3-5）

（3-6）

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

（3-7）

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。

第四章仪表种类选择和依据

4.1流体进出口测温仪表选择

由于实验装置的进出口管直径较小，采用体积较大的温度计会增加流动阻力，从而影响流速。

而且由给定的参数可知，试验管流体进、出口的温度为20℃～40℃，温度范围小，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。

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确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。

我所选用的热电阻温度检测器是BD-WZP-PT100螺纹安装PT-100热电阻。

螺纹安装PT100热电阻/铂电阻是最常用的一种铂电阻/热电阻封装形式，主要用于机械设备、管道内介质的测量等等需要螺纹安装的地方。

图4-1螺纹安装PT-100热电阻

4.1.1仪表工作原理

热电阻温度计是利用金属导体或金属氧化物半导体做测温物质，利用导体或半导体的阻值随温度变化这一现象测量温度。

热电阻在科研和生产中经常用来测量-200~850℃区间内的温度，是广泛使用的一种测温元件。

[1]

铂热电阻，分度号为PT10和PT100两种。

这里主要介绍PT100，PT100在0℃时阻值为100Ω，用较细的铂丝烧制，用于650℃以下温区。

铂热电阻精度高，线性好，测量范围宽，稳定性和复现性好。

铂热电阻的参考函数在0℃上，下温区各不相同，但参考函数的系数相同，其数学模型为

当-200~0℃时

Rt=R0（1+At+Bt2）（4-1）

当0~850℃时

Rt=R0[1+At+Bt2+Ct3（t-100）]（4-2）

A=3.9083×10-3/℃;B=-5.775×10-7/℃;C=-4.183×10-12/℃

4.1.2注意事项与误差分析

（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。

热电阻尽可能垂直安装,以防在高温下弯曲变形。

（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,减小热电阻保护套管的黑色系数。

（4）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，四线接线方法等也能减小误差。

（5）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热电动势，对于测量回路可能产生影响。

4.2实验管壁温测量

由于该实验装置的实验管壁温度（20℃-80℃），需要测量外管壁的温度，针对性能、安装对比各种测温装置，选用BD-WR铠装热电偶进行测量。

铠装热电偶的探温部分由热电偶丝、绝缘氧化镁粉及不锈钢保护套管整体拉制而成，可以任意弯曲，产品结构复杂，价格比较高，比普通装配式热电偶的响应更迅速，抗震性能更好,而且，相对于其他热电偶传感器，铠装式热电偶精度，准确性较高。

图4-2铠装热电偶

4.2.1仪表工作原理

热电偶是利用物理学中的热电现象制成的测温传感器。

当两种不同材料的导体A和B构成闭合回路时，如果两个接触端温度不同时回路中将产生电流，这种现象被称为热电现象。

相应产生的电动势称为热电动势，AB构成的闭合回路称为热电偶。

[1]

4.2.2注意事项和误差分析

从热电偶的测温原理可知，热电动势的大小不仅与热端温度有关，而且也与冷端温度有关，只有当冷端温度固定不变，才能通过热电动势的大小去判断热端温度的高低。

当冷端温度波动较大时，必须先对热电偶进行冷端补偿和处理。

[1]

下面是几种冷端补偿方法：

（1）补偿导线法

（2）参比端恒温法（3）计算修正法（4）冷端补偿器法（5）软件修正法

4.3水浴温度测量

水浴温度测量相对简单，水浴温度测量该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。

由实验装置要求分析，水槽内水浴温度是一个存在一定变化的物理量，而水浴温度又通过稳控器来实时监控。

因此，测温仪表要求较高的灵敏性和精确度。

其次，水浴温度的变化范围在20~80℃之间，属于低温范畴。

综合以上要求，我们采热电偶温度测量法。

选用铜－镍铜热电偶，这是在低温下应用得很普遍的热电偶,测量温度范围（－200～＋200℃）,稳定性好,低温时灵敏度高并且价格低廉。

.

图4-3铜－镍铜热电偶

4.4补水箱水位测量

常用液位测量方法有静压法液位测量，差压法液位测量，浮力式液位测量，电气式液位测量。

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。

而电容式液位测量是利用被测对象物质的导电率，将液位变化转换成电容变化来进行测量的一种液位计。

与其他液位传感器相比，电容液位测量具有灵敏性好、输出电压高、误差小、动态响应好、无自热现象、对恶劣环境的适用性强等优点。

所以，我们采用此方法来测量补水箱内的水位。

常见的电容传感器测量电路有变压器电桥式、运算放大器式及脉冲宽度式等。

这类仪表适用于腐蚀性液体、沉淀性液体以及其它化工工艺液体液面的连续测量与位式测量，或单一液面的液位测量。

经过比较分析，我们采用某生产厂家生产的UCD-628系列电容式液位计，其采用电容法测量原理，适用于电力、冶金、化工、食品、制药、污水处理、锅炉汽包等的液位测量。

该电容式液位计有以下特点：

（1）结构紧凑，体积小，安装维护简单，统一外形尺寸。

（2）多种信号输出形式，可用于不同系统配置。

（3）测水位范围0.1~2m。

（4）浸入液体的测量部分，只有一条四氟软线或四氟棒式探极作为传感，可靠性高。

（5）全密封铝合金外壳及不锈钢联接件。

（6）对高温压力容器与测量常温常压一样简单，且测量值不受被测液体的温度、比重及容器的形状、压力影响。

（7）完善的过流、过压、电源极性保护。

图4-4电容式液位计

4.4.1工作原理

它是利用被测液位变化影响传感器电容变化这一原理设计的。

由于引起电容变化的因素有很多，如极板面积，极板距离的变化，极板间介质性质的变化，所以电容式液位计可做成很多形式。

4.4.2注意事项和误差分析

（1）电容式液位计应垂直安装，并固定以防止晃动引起的误差。

（2）应采用非隔离两线制、三线制或测量、输出、电源三端隔离四线制多种电路结构方式。

（3）注意得使用高频电路。

4.5流量测量

流量测量中最常用的是孔板流量计，但在这次试验中，由于要对试验管内的液体流量进行测量，所要测量的管段的直径很小大约25ｍｍ左右，流量范围0.5~4m3/h，重要的是考虑到管内有污垢，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。

因此考虑非接触式测量方法。

电磁流量计是非常好的选择。

在这里选用XJ-LDC系列分体式电磁流量计。

图4-5电磁流量计

4.5.1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。

[1]

4.5.2注意事项与误差分析

（1）被测流量必须是导电液体。

（2）量程选择。

常用流量最好超过满量程的一半。

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℃。

误差分析：

（1）当管道中有气泡时，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。

4.6差压测量

实验管道进出口的差压可通过差压计来测量，差压计的两个输入端分别接在压力测量点3和7处，输出值即为入口和出口压差。

因为压力变化范围小，切管中液体易结垢，故选用压阻式应变变送器作为测量元件。

4.6.1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。

我所选用的是PT115抗变频干扰压阻式压力变送器

图4-6压阻式压力变送器

主要参数：

介质：

水、油、气体

供电：

16~32VDC

输出：

4~20mA，1~5V

精度：

0.5%FS

量程：

-1（0）~2KPato-1（0）~60MPa

测量方式：

表压，负压，绝对压力

特点：

（1）专为高温介质测压设计。

（2）电路部分采用温度隔离

（3）介质温度最高可达175℃

（4）保持了较小体积和较低成本

第五章心得体会

这一次课程设计历时11天，看似简单的课程设计，只需要选出几个型号传感器就可以，但是在真正开始做时才知道并不简单，需要严格的的根据要求寻找，还要考虑到环境影响，参数精度，实际情况等等。

经过不断地查找资料，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。

仪器仪表的选型让我明白了不同情况下的不同仪表的选择，让我受益匪浅，进一步掌握了仪表的使用情况。

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]陈杰，黄鸿.传感器与检测技术.北京:

高等教育出版社，2002

[3]杨善让,徐志明,孙灵芳.换热设备污垢与对策[M].第2版.北京:

科学出版社,2004

[4]李军等.检测技术及仪表，中国轻工业出版社，2000

[5]何希才.传感器及其应用实例.北京：

机械工业出版社，2004