过程检测技术及仪表课设污垢.docx
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过程检测技术及仪表课设污垢
课程设计报告
学生姓名:
孟繁超
学号：
0804240332
学院:
自动化工程学院
班级:
自动083班
题目:
过程检测技术与仪表
张玉才、陈冬淼
指导教师：
职称:
2011年6月20日
一、题目介绍
本设计题目以多功能动态实验装置为对象，要求综合以前所学知识，参考相关文献资料，完成此实验装置所需检测参数的检测。
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等等。
二、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。
三、背景知识
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。
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）
图一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，图一（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）
图一（b）为两侧有污垢时的温度分布，其总传热热阻为
（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（3）减去式
（2）得
（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：
（5）
（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
（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。
四、实验装置简介
本文采用的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。
它先后完成国家、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。
其外形图如图二所示：
图二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。
其原理图如图三所示：
图三实验装置原理图
图中各数字代表的含义如下：
1-恒温槽体2-试验管3-试验管入口压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
五、实验需要检测和控制的参数
1、温度：
包括实验管流体进口（20℃-40℃）、出口温度（20℃-80℃）
2、实验管壁温（20℃—80℃）以及水浴温度（20℃—80℃）
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、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
5、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
六、参数检测与控制
6.1温度测量
该实验中温度测量是最复杂的，也是最多的，它包括试验管进出口温度、试验管壁温及恒温水浴温度。
温度测量条件、测量要求不同则测量温度的仪表选择就不一样，下面就详细介绍各温度的测量和控制。
6.1.1流体进出口温度
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。
目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜：
铂电阻精度高，适用于中性和氧化性介质，稳定性好，具有一定的非线性，温度越高电阻变化率越小；铜电阻在测温范围内电阻值和温度呈线性关系，温度线数大，适用于无腐蚀介质，超过150易被氧化。
国内最常用的有R0=10Ω、R0=100Ω和R0=1000Ω等几种，它们的分度号分别为Pt10、Pt100、Pt1000；铜电阻有R0=50Ω和R0=100Ω两种，它们的分度号为Cu50和Cu100。
其中Pt100和Cu50的应用最为广泛。
本设计中选用了WZPK-233S|铠装Pt100热电阻。
热电阻在环境温度为15—35°C，相对湿度不大于80%，试验电压为10—100V（直流）电极与外套管之间的绝缘电阻>100MΩ。
铠装热电阻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。
铠装铂电阻作为一种温度传感器，它比装配式铂电阻直径小，易弯曲，适宜安装在管道狭窄和要求快速反应、微型化等特殊场合。
其可对-200~600℃温度范围内的气体、液体介质和固体表面进行自动检测，并且可直接用铜导线和二次仪表相连接使用，由于它具有良好的电输出特性，可为显示仪、记录仪、调节器、扫描器、数据记录仪以及电脑提供精确的输入值。
铠装电阻外保护管采用不锈钢，内充满高密度氧化物质绝缘体，因此它具有很强的抗污染和优良的机械强度，适合安装在环境恶劣的场合。
图四WZPK-233U铠装薄膜铂热电阻
铠装铂电阻作为一种温度传感器，它比装配式铂电阻直径小，易弯曲，适宜安装在管道狭窄和要求快速反应、微型化等特殊场合。
其可对-200~600℃温度范围内的气体、液体介质和固体表面进行自动检测，并且可直接用铜导线和二次仪表相连接使用，由于它具有良好的电输出特性，可为显示仪、记录仪、调节器、扫描器、数据记录仪以及电脑提供精确的输入值。
铠装电阻外保护管采用不锈钢，内充满高密度氧化物质绝缘体，因此它具有很强的抗污染和优良的机械强度，适合安装在环境恶劣的场合。
安装固定装置标准尺
铠装薄膜铂热电阻外径（d）
φ6
φ5
φ4
φ3
D
φ60
φ50
D0
φ42
φ36
D1
φ24
φ20
d0
φ9
φ7
S
22
19
表一铠装薄膜铂热电阻外径安装固定装置标准尺
有表一可知，本次设计中的管径为25mm,所以选用电阻外径为4m、5m、6m的热电阻都可以。
图五热电阻测量端结构图
在使用过程中注意以下产生误差的可能性：
（1）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。
但可用传热条件好的温度计来尽可能减少。
（2）热电阻的引线对测量结果会有较大的影响。
三线制接法可补偿连接导线的电阻引起的测量误差。
6.1.2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，选用铠装热电偶进行测量，因为它具有能弯曲便于安装、耐高压、热响应时间快、体积小等优点；可以安装在狭窄或结构复杂的测量场合；它可以直接测量各种生产过程中从-20～100℃（热电阻）范围内的液体、蒸汽和气体介质以及固体表面的温度。
为了保证冷端温度固定不变，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为0℃。
图六（a）补偿导线式图六（b）K型铠装热电偶
注意事项
在使用中，补偿导线应具有与所匹配的热电偶的热电动势称值相同的特性。
而且补偿导线与热电偶正负极性不能接错，补偿导线与热电偶接点温度必须相同。
误差分析
首先由于材料的纯度和加工工艺可能引起分度误差；另外由于电阻通电以后会产生自升温现象，从而带来测量误差；电阻丝与引线接点处构成热电偶，若接点处温度不同将产生附加电动势。
6.1.3水浴温度测量
此实验装置要求测量水温并控制水浴温度保持恒定。
水浴温度是最容易测量的，用一个AD590不用经过复杂处理，就可直接得到电信号。
AD590是利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器。
它精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，这种器件在被测温度一定时，相当于一个恒流源。
该器件具有良好的线性和互换性，测量精度高，并具有消除电源波动的特性。
即使电源在5～15V之间变化，其电流只是在1μA以下作微小变化。
它的主要特性如下：
（1）流过器件的电流（μA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数：
Ir/T=1
（1）
式中，Ir—流过器件（AD590）的电流，单位为μA；T—热力学温度，单位为K；
（2）AD590的测温范围为-55℃~+150℃；
（3）AD590的电源电压范围为4～30V，可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件即使反接也不会被损坏；
（4）输出电阻为710mΩ；
（5）精度高，AD590在-55℃~+-150℃范围内，非线性误差仅为±0.3℃。
注意事项：
其输出电流是以绝对温度零度（-273℃）为基准，每增加1℃，它会增加1μA输出电流，因此在室温25℃时，其输出电流Iout=（273+25）=298μA。
Vo的值为Io乘上10K，以室温25℃而言，输出值为10K×298μA=2.98V，
测量Vo时，不可分出任何电流，否则测量值会不准。
图七AD590温度传感器
6.2水位测量
由于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，所以SX-99电容式液位变送器。
SX-99系列电容式液位变送器，采用电容法液位测量原理，适用于电力、冶金、化工、食品、制药、污水处理、锅炉汽包等工业场合的液位测量。
图八SX-99电容式液位变送器
测量原理
SX-99电容式液位变送器测量原理为探极线与导电液体构成一电容器，其中探极线的金属内芯为电容的一极，导电液体为电容的另一极，中间为高稳定性的聚四氟乙烯，即探极线的绝缘外层作为两极之间的介质，随着液位的变化，液体包围探极线的面积随之改变，使构成电容器两极的相对面积改变，导致电容的变化，根据同心筒状电容的公式可写出液体高度与电容的关系
主要技术指标
●测量范围：
0.2～20米
●精度：
0.5级、1.5级
●探极耐温：
-40～+200℃
●变送器适应环境温度-40～+60℃
●允许容器压力：
-0.1～16MPa
●测量介质：
电导率不低于10-5s/m的酸、碱、水等非结晶导电液体。
●供电电源：
DC12～35V
●工作电流：
（输出20mA时）
●量程调节范围及零点迁移：
≥±30%FS
●变送器主体尺寸：
φ76×85
主要特点
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，方便不同系统配置。
3、聚四氟乙烯探极，耐酸、碱等强腐蚀性液体及高温。
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
作为传感器，可靠性高。
5、全密封铝合金外壳及不锈钢连接件。
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、隔离两线制、非隔离两线制或三线制及测量、输出、电源三端隔离四线制多种电路结构方式，用户可根据自己的使用需要进行选择，以适应不同信号接地方式。
完善的过流、过压、电源极性保护。
误差分析
由于水泵流量大或装置不稳时，会引起水位波动，产生微小误差。
6.3流量测量
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，并且考虑到管内有污垢，水并不洁净，用接触法测量会导致测量仪器的表面结垢，影响测量的精度．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HSB-LDB智能电磁流量计。
图九HSB-LDB智能电磁流量计
工作原理
电磁流量计是基于法拉第电磁感应定律而制成的，只是其中切割磁力线的导体不是固态金属，而是具有一定电导率的流体。
当导电的流体在处于磁场中的测量管内作切割磁力线运动时，则在运动的流体内产生感应电动势。
电动势用一对金属电极检测出并送至转换器通过智能化处理，然后转换成标准信号4～20mA和0～1kHz输出。
主要特点
1．流量的测量不受流体的密度、粘度、温度、压力和电导率变化的影响，传感器感应电压信号与平均流速呈线性关系，因此测量精度高。
2．测量管道内无阻流件，因此没有附加的压力损失；测量管道内无可动部件，因此传感器寿命极长。
3．由于感应电压信号是在整个充满磁场的中间中形成的，是管道载面上的平均值因此传感器所需的直管段较短，长度为5倍的管道直径。
4．多种电极及内衬材料，可满足耐腐蚀、耐磨损的要求。
5．HSBLDE转换器采用国际最新最先进的单片机和表面贴装技术，性能可靠、精度高、功耗低、零点稳定、参数设定方便，点击中文显示LCD，显示累积流量，瞬时流量、流速、流量百分比等。
6．双向测量系统，可测正向流量，反向流量，采用特殊的生产工艺和优质材料，确保产品的性能在长时间内保持稳定。
技术指标
1．公称压力：
普通型DN（4～80）—4.0MPa；DN（100～150）—1.6MPa；
DN（200～1000）—1.0MPa；DN（1100～2000）—0.6MPa。
高压型DN（4～80）—6.3MPa，10Mpa，16MPa，25MPa，32MPa；DN（100～150）—2.5MPa，4.0MPa，6.3MPa，10MPa，16MPa；DN（200～600）—1.6MPa，2.5MPa，4.0MPa；DN（700～1000）—1.6MPa，2.5MPa；DN（1100～2000）—1.0MPa，1.6MPa。
2．准确度等级：
0.2、0.5（示值误差）
3．流速范围：
（0.1～15）m/s
4．流体电导率：
≥5uS/cm
5．防护等级：
IP65（防喷水型）、IP68（潜水型）
6．流体温度：
（-30～+180）℃
7．工作环境：
（-25～+55）℃，5%～95%RH
8．连接方式：
法兰连接（GB9119—1988）或ANSI标准
9．输出信号：
（0～1）kHz、（4～20）mA或（0～10）mA
10．供电电源：
220VAC、50Hz或24VDC。
注意事项
电磁流量计安装时测量电极的轴线必须近似于水平方向，测量管道内应完全充满液体。
流量计的前方最少要有5D（D为流量计内径）长度的直管段，后方最少要有3D长度的直管段，流体的流动方向和流量计的箭头方向一致。
管道内如有真空会损坏流量计的内衬，需特别注意。
流量计附近应无强电磁场，并有充裕的空间，以便安装和维护。
若测量管道有振动，在流量计的两边应有固定的支座。
测量不同介质的混合液体时混合点与流量计之间的距离最少要有30D（D为流量计内径）长度。
为方便今后流量计的清洗和维护，应安装旁通管道。
安装聚四氟乙烯内衬的流量计时，连接两个法兰的螺栓应注意均匀拧紧，否则容易压坏聚四氟乙烯内衬，最好用力矩扳手。
电磁流量计目前仍然存在的主要不足如下：
1）电磁流量计不能用于测量气体、蒸气以及含有大量气体的液体．
2）电磁流量计目前还不能用来测量电导率很低的液体介质，被测液体介质的电导率不能低于10－5（S／cm），相当于蒸馏水的电导率．对石油制品或者有机溶剂等还无能为力。
3）由于测量管绝缘衬里材料受温度的限制，目前工业电磁流量计还不能测量高温高压流体。
4）电磁流量计受流速分布影响，在轴对称分布的条件下，流量信号与平均流速成正比．所以，电磁流量计前后也必须有一定长度的前后直管段．
5）电磁流量计易受外界电磁干扰的影响
6.4进出口差压测量
由给定参数知，流体在试验管段入口、出口处的压降为0~50mm水柱，即0～490Pa。
所以压差很小。
该实验选择的是压阻式压力传感器，它的工作原理是：
固体（应变片）受力后电阻率发生变化。
选用PTP801一体化型微差压传感器（液压）。
图十PTP801一体化型微差压传感器（液压）
主要技术参数:
量程:
0～10KPa～35MPa
综合精度:
0.1%FS、0.3%FS、0.5%FS
输出信号:
4～20mA（二线制）、0～5V、1～5V、0～10V（三线制）
供电电压:
24DCV（9～36DCV）
介质温度:
-20～85℃
环境温度:
常温（-20～85℃）
负载电阻:
电流输出型：
最大800Ω；电压输出型：
大于50KΩ
绝缘电阻:
大于2000MΩ（100VDC）
密封等级:
IP65
长期稳定性能:
0.1%FS/年
振动影响:
在机械振动频率20Hz～1000Hz内，输出变化小于0.1%FS
电气接口（信号接口）:
引线、赫丝曼接头、航空接插件、PG7法兰
机械连接（螺纹接口）:
M12×1、M20×1.5、G1/2"
主要特点
（a）可测差压：
弹簧管压力计、液柱式压力计不能测差压，压阻式压力传感器的两边有两个压力腔，分别输入被测差压或参考差压。
该实验中高压腔接试验管段出口处、低压腔接试验管段入口处，这样就能方便地测出两端的压降。
（b）测量范围广：
弹簧管、膜式微压计的测压范围小，通常是—105～109Pa，远远小于该处的测压范围。
而压阻式压力传感器得测量范围广，一般为10～60MPa,能满足测量范围。
（c）精度高：
液柱式压力计虽然构造简单，但是测量误差大，由于该实验的压差本来就很小，采用液柱式会使结果明显出错。
而压阻式压力传感器得精度可达±（0.2～0.02）%
（d）易于微小型化：
目前国内生产的压阻式压力传感器直径为1.8～2.0mm，可满足管径为25mm的试验管段。
（2）可能产生误差的原因
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。
七课程设计总结
在这次课程设计中，虽然设计时间比较短暂，设计水平较专业技术人员仍然有很大差距，但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。
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，并且了解更多的仪表的使用方法及环境条件，也了解到更多的仪表种类，巩固了所学知识，增强了独立思考与设计的能力。
而且这次设计也打到了他的目的：
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。
参考文献
[1]杨善让，徐志明.换热设备的污垢与对策.北京：
科学出版社，1995
[2]陈杰，黄鸿.传感器与检测技术.北京:
高等教育出版社，2002
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机械工业出版社，2004
[4]王建国.检测技术及仪表.北京:
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阻
[5]孙灵芳等，一种新型在线冷却水动态模拟试验装置，仪器仪表学报，2002，NO.3增刊
[6]孙灵芳等，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，NO.3
[7]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
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