完整word版过程检测技术及仪表课程设计东北电力大学.docx

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第1章绪论

1.1课题背景与意义

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。

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。

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。

1.2总实验装置以及监测原理

如图1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。

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。

图1-2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

设备的主体是由两根管组成的管式换热器。

这两根管是可以拆装的,它们都可以作为实验管,如对于单纯监测水质污垢热阻来说,则两根实验管可同时进行两种水质或不同工况的污垢热阻检测。

也可以将其中一根作为实验管,另一根作标准比较管,以便比较水处理措施的效果。

管内工质为欲模拟的实际换热器的冷却水或据其主要成分配制的工艺流体。

管外是由电加热器和温度调节器构成的可调温度的恒温水浴。

实验管段安装有壁温、出入口介质温度、实验段流动压降等测点所有测量信号经由传输电缆通过数据采集器送入计算机,实现了污垢热阻的在线自动监测。

面对沉积物的监测手段分别有：

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能联系最密切的莫过于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m，污垢层平均厚度δ和污垢热阻R。

这三者之间的关系由下式表示：

（1-1）

图1-3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3（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3（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

（1-4）

于是从式（3）减去式

（2）得

（1-5）

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：

（1-6）

（1-7）

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

（1-8）

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。

1.3检测和控制参数

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、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。

第2章温度的测量

2.1实验管流体进出口温度测量和控制

实验管流体进口（20~40℃）、出口温度（20~80℃）。

2.1.1检测方法设计以及依据

温度的测量有接触式和非接触式，由上述实验装置可知，实验装置的进出口管直径较小，为Φ25mm，故不宜使用体积较大的温度计，否则会增加流动阻力影响流速，而非接触式一般用于测量高温，精度不高，而所测的温度属于低温范围的温度测量，所以要选用精度较高的测温元件，因此排除了非接触式的。

因此所选的测温元件的特点要求结构简单、方便、体积小、灵敏度高。

而常用接触式的有膨胀式温度计、热电阻和热电偶，由于膨胀式温度计精度虽高但此实验装置存在水浴加热的过程，使用时毛细现象很容易造成附加误差；加之热电阻测温范围为-200~800℃，热电偶为-200~2300℃，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。

热电阻温度计的主要特点是测量精度高，性能稳定。

它是利用金属导体或金属氧化物半导体做被测温质，利用导体或半导体的阻值随温度变化这一现象测量温度。

因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。

2.1.2仪表种类选用以及设计依据

选择Pt100热电阻

（1）测量方法选择：

利用热电阻测量进出口温度；

（2）测量依据：

热电阻温度计的主要特点是测量精度高，性能稳定。

它是利用金属导体或金属氧化物半导体做被测温质，利用导体或半导体的阻值随温度变化这一现象测量温度。

因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。

（3）仪表选择：

常用热电阻有铜热和铂热电阻，但铜热电阻电阻率低，体积大，热响应慢，所以选用铂热，而铂热有Pt10和Pt100，后者用于650度以下温区，所以采用Pt100热电阻。

另外，Pt100温度传感器还具有抗震动、稳定性好、耐高压等优点。

Pt100温度传感器是Pt100热电阻，随着温度的变化而变化。

在零摄氏度时的电阻为100Ω；在100℃时，阻值为138.5Ω。

图2-1Pt100热电阻

（4）产品参数

厂家：

陕西天康智能仪表公司

主要技术指标：

表2-1Pt100热电阻主要技术指标

型号

分度号

最小置入深度

测温范围℃

精度等级

允许偏差△t℃

WZP

WZP2

WZPK

WZPK2

PT100

≥200mm

-200~500

A级

±（0.15+0.002|t|）

B级

±（0.30+0.005|t|）

注：

“t”为感温元件实测温度绝对值，双支铂电阻只供应B级热电阻允许通过电流 

通过铂电阻的测量电流最大不超过5mA。

热电阻采用三线制接法。

采用三线制是为了消除连接导线电阻引起的测量误差。

这是因为测量热电阻的电路一般是不平衡电桥。

热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线（从热电阻到中控室）也成为桥臂电阻的一部分，这一部分电阻是未知的且随环境温度变化，造成测量误差。

采用三线制，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样消除了导线线路电阻带来的测量误差。

图2-2热电阻三线制接法

2.1.3测量注意事项

（1）热电阻温度计测量实验管进、出口温度时应注意接线方式，由于引线有长短和粗细之分，也有材质的不同，另外引线在不同环境下电阻值也会发生变化，为了避免连线电阻对测温的影响，在使用时热电阻需采用三线制的连接方式；

（2）热电阻和显示仪表的分度号必须一致。

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＜6

。

（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。

2.2水浴温度的测量

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，模拟换热器中恒温水浴的温度为20~80℃。

2.2.1检测方法设计以及依据

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，而水浴温度又通过温控器来实时监控从而达到恒温。

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，属于低温测量。

综合以上要求，选用电接点温度计。

2.2.2仪表种类选用以及设计依据

选择电接点温度计

（1）测量方法选择：

利用电接点温度计测恒温水浴温度。

（2）仪表选用依据：

在感温包附近引一条导线，温度刻度处再引一导线，当温度上升到某刻度时，水银柱就把外电路接通，反之温度降到该刻度以下，又把外电路断开，这样循环往复，使恒温水槽控制在一个微小变化的范围，既可以提供温度指示又能发出通断的控制信号。

图2-3电接点温度计

（3）产品参数

厂家：

安徽天康智能仪表公司

价格：

55元

主要技术指标：

产品执行标准：

JB/T8803-1998GB3836-83

型号：

WSSX-481W

标度盘公称直径：

100mm

测温范围：

-20℃-+300℃

精度等级：

1.0、1.5

热响应时间：

≤40s

防护等级：

IP55

正常工作大气条件：

温度-25-+55℃相对湿度≤85﹪。

设定点误差：

设定点误差应不超过基本误差限的1．5倍。

切换差：

切换差误差应不超过基本误差限的1．5倍。

2.2.3测量注意事项

（1）与水银接触的导线必须不被水银腐蚀，而且不沾附水银。

（2）通过电接点水银温度计的信号必须是低电压小电流。

（3）测量时从感温包附近和从和螺母轴端引出的导线会被水腐蚀，并且破碎后水银会污染环境。

2.2.4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）当水银柱与细导线接触后，如果温度还继续上升，水银将在管壁与细导线的缝隙中升高，改变了玻璃管的横截面积，温度指示值就不准确了。

（3）测量仪表由于内部传动机构的间隙和摩擦阻力，使测量结果产生回差。

2.3管壁温度测量

实验管道在恒温水槽中，通过与水槽中的水进行热交换传热，壁温范围20~80℃。

2.3.1检测方法设计以及依据

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，但热电阻不易安装，所以选择热电偶。

2.3.2仪表种类选用以及设计依据

选择K型铠装热电偶

（1）测量方法选择：

利用k型铠装热电偶测实验管壁温度。

图2-4k型铠装热电偶

（2）仪表选用依据及特点：

用热电偶测量壁温，根据中间导体定律使采用仪表测量热电偶的热电动势成为可能，也使采用热电偶开路测量金属壁温、液态金属等测量成为可能，k型热电偶是目前用量最大的廉价金属热电偶，并且线性度好，稳定性和复现性好，加之结构选择铠装（将金属丝绝缘材料和金属保护套管三者组合装配后拉伸加工成一种坚实的组合体），它具有能弯曲、便于安装、耐高温、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。

（3）产品参数

厂家：

北京圣瑞科

主要技术指标：

型号：

WRNK-436

测温范围：

-200～+500℃

精度等级：

A级±0.3℃，B级±0.5℃

测量端形式：

单支

接线方式：

3线制或4线制

过程连接：

卡套螺纹M12×1.5M16×1.5卡套法兰

测量范围：

-20~150℃

保护管材料质：

1Cr18Ni9Ti

接线盒材质：

铸铝合金不锈钢 

防护等级：

IP65

2.3.3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的差，而不是热电偶冷端与工作端两端温度差的函数。

（2）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也必须相同。

2.3.4误差分析

（1）热电偶测温属于接触测温法，传感器要与被测对象接触，并与周围环境有传热关系，因此传感器与被测对象不可避免存在传热误差，并且不能通过提高传感器的精确度使其减小，其次还有水浴影响和热电偶冷端产生的误差等。

（2）由于材料的纯度和加工工艺可能引起分度误差；

（3）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。

第3章水位的测量

3.1补水箱水位测量

补水箱安装距地面2米，需要检测其水位，水位变动范围是200mm～500mm,而且在不同流速时，用循环水泵来控制水位。

3.1.1检测方法设计以及依据

水位属于液位测量，而常用的液位测量有静压法液位测量，但仅适用于敞口容器以及无杂质，低粘度的液体，浮子式液位计虽然它结构简单，工作可靠，测量范围较大，但由于试验流体为易结垢的高硬度水，浮子也会受到腐蚀，导致浮子所受浮力发生变化，影响测量结果。

另外，浮子上承受的力除重锤的重力外，还有绳索本身的重力，以及绳与滑轮之间的摩擦力等，也会带来测量误差。

电容式的液位测量适宜水分含量恒定不变的物位测量并且此实验中若含有污垢的导电液粘附在电极上会造成虚假水位，此处要求对循环水泵进行控制，所以选择电接点式水位测量法。

3.1.2仪表种类选用以及设计依据

选择电接点水位计

（1）测量方法选择：

利用电接点水位计测量补水箱的水位。

（2）仪表选用依据：

电接点水位计是利用汽、水介质的导电率存在极大差异的性质来测量水位的，它由水位传感器和显示部分组成，

水位传感器就是一个带有若干个电接点的水位测量筒。

电接点的绝缘子可以使电极与测量筒的筒壁绝缘，筒壁为公共电极。

水位达到某一电极处，接通它与公共电极之间形成的电接点，交流电流过显示灯亮。

因此，水位的高低就决定了电接点浸入水中数量的多少，由显示灯点亮的数量就可以知道水位的高低。

对水位的控制可以通过A/D转换后经过单片机编程实现控制功能。

（3）产品参数

厂家：

江苏博仪自动化仪表公司

价格：

500元

主要技术指标：

测量范围：

100～1000mm

测量点数：

最大为19个点

工作压力:

0.6～22.5Mpa

工作温度:

-80～400℃

制式：

二线制与多线制。

精度：

2mm

工作电压：

5、12、24VDC，220VAC

指示方式：

双色指示，有水位（液位）为绿色，无液位为红色 LED四位数值显示。

报警指示：

液位超出上上限，上限定值，对应绿灯闪烁；液位低于下限，下下限红灯闪烁。

报警值：

有上上限，上限，下限，下下限，液位有效控制，用户报警可任意组合。

输出触点容量：

220，2A

图3-1电接点水位计

3.1.3测量注意事项

（1）在温度剧变时要防止电泄露，且保证电接点与筒壁有很好的绝缘。

（2）使用过程中应定期进行清洗，清除筒体内的污垢杂质。

（3）为保证测量筒内有较好的水质，必须保证测量筒有一定的散热性，不然会造成回流流量增大，在测量筒和与实验箱的连接管道中产生差压，形成测量误差。

3.1.4误差分析

（1）由于电级是以一定间距安装的，这就决定了测量存在的固定误差。

（2）由于水位测量筒的散热造成冷却误差，使回流流量增大，在测量筒和与实验箱的连接管道中产生差压，形成测量误差。

第4章流量的测量

4.1试验管内流体的流量测量

需测量试验管内流体的流量，且管径为Φ25mm，流量范围0.5~4m3/h。

4.1.1检测方法设计以及依据

目前常用的流量测量方法有四类，一是差压式的，比如说节流式的孔板，喷嘴，但考虑到试验管段管径只有25mm，空间很小，几乎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，所以节流件的暂时不考虑，常用的电磁流量计由于这次是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，其导电率变化较大，不固定，所以不宜采用电磁式流量计。

而浮子式一般只用于测量常温常压下透明介质，并且浮子上下移动不稳定带来测量误差，涡街虽然测量不受流体参数变化的影响，但对于高粘度，低流速，小口径的情况受限制。

涡轮成本高，有可动部件，存在磨损问题。

超声波流量计虽然不会产生阻力且不会改变流体流动状态，但一般用于难于观察的大口径的情况。

所以综上所述，选择使用靶式流量计。

4.1.2仪表种类选用以及设计依据

选择靶式流量计

（1）测量方法选择：

利用靶式流量计测量实验管里的流量。

（2）仪表选用依据：

首先因为管径小，流速较低，而它的特点是适用于低速测量，测量小流量时对外界的震动干扰不敏感；耐高温，可测量高温介质；测量精度高，重复性好，精度可达千分之二；在大部分情况下，可以测量高粘度的流体，对流体的粘度变化不敏感不会因为流体产生的气旋现象影响计量精度；不怕管道杂质影响，不怕堵塞；压力损失较小，只有传统孔板的六分之一，小于涡街，节能效果明显。

（3）仪表工作原理：

靶式流量计由靶式流量变送器和显示仪表两部分组成，在流体经过的管道中，垂直于流动方向设置一圆形靶子作为节流件，靶子与管壁之间形成环形流通截面，故又把靶子称为环形孔板。

流体经过时由于受阻必然要冲击圆盘形的靶，靶上所受的作用力与流速之间存在一定的关系。

因此通过力矩转换的方式测出靶上所受的作用力或动压，便可求出流速和流量。

图4-1靶式流量计工作原理图

F=ξρu2A/2

A=πd2/4

式中D---管道内径；α--流量系数；

---靶径比

qm=

αD（

-

）

（4-1）

=

式中F---靶受到流体的阻力；ξ—阻力系数；A---靶的迎流面积；d---靶直径；u---靶和管壁间环面积中的平均流速；ρ---介质密度

（4）仪表特点：

整台仪表在设计中无可动部件、双层夹层结构，保温效果好；可选用多种防腐及耐高低温材质（如哈氏合金，钛等）；整机可做成全密封无死角（焊接形式），无任何泄漏点，可耐42MPa高压；仪表内设自检程序，故障现象一目了然；传感器不与被测介质接触,不存在零部件磨损,使用安全可靠；可就地采用干式标定方法，即采用砝码挂重法。

单键操作可完成标定；具有多种安装方式供选择，如选择在线插入式，安装费用低；能准确测量高温500度工况下的气体、液体流量；计量准确，精度可达到1.0%；重复性好，一般为0.05～0.08%，测量快速；压力损失小，仅为标准孔板的1/2△P左右；抗干扰，抗杂质能力特强。

（5）产品参数：

厂家：

西安中天冶金工程有限公司

价格：

118元

主要技术指标：

口径：

DN15～DN500mm

公称压力：

0.6～42MPa

工况温度：

+80℃～500℃

精度：

±1.0～±2.5%FS

量程比：

1：

5

壳体：

304不锈钢（或按用户要求协商提供）

供电方式：

内置3.6VDC锂电池（两年换一次，不带信号输出）；外供24VDC（带信号输出）

输出信号：

4～20mA二线制；脉冲0～1000HZ；Hart通信；RS232/RS485（或按用户要求协商提供）

防护等级：

IP65；IP67

防爆标志：

本安型ExiallCT4；隔爆型ExdllCT4

表头显示：

累积流量；瞬时流量；工况温度；工况压力（温压补偿式才有）；棒状满量程百分比；故障自检

连接法兰：

国标（GB/T）系列；化工（HG）系列；机械（JB/T）系列；亦可按客户要求提供各国法兰标准

图4-2靶式流量计

4.1.3测量注意事项

（1）对同一介质来说,在不同温度和压力条件下,密度也会变化,因此在流量计量时,必须对介质的密度进行补偿。

（2）靶的几何尺寸、形状、结构、管道内径、直径比、被测介质性质有关,当流体的雷诺数达到一定数值时，阻力系数不随雷诺数变化。

4.1.4误差分析

（1）由上述公式可知，流量与流体的密度有关，但此实验装置是对污垢进行监测，流体密度会受污垢影响，导致测量误差。

（2）由于靶受到的力包含了流体粘滞性所产生的摩擦力，并且此次的流体流量较小，不能忽略，所以使测得的流速偏小。

第5章差压的测量

5.1实验管出入口差压

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。

5.1.1检测方法设计以及依据

常用的压力测量方法有液柱式压力计，但此方法中由于这次试验装置存在水浴加热过程，很容易引起管内毛细现象的变化，产生测量误差，所以此方法不宜。

弹簧管压力计一般又不用于测差压；压阻式压力计由于其中的应变片也容易受测量环境的影响，使阻值发生变化，并且弹性元件与应变片的线膨胀系数很难完全一致，从而存在测量误差；而电容式差压传感器在使用时存在的寄生电容（引线电容及仪器中各元件与极板间的电容等）、铁损等因素。

所以综上分析，我打算采用压电式压力传感器。

5.1.2仪表种类选用以及设计依据

选择压电式压力计

（1）测量方法选择：

利用压电式压力计测量实验管出入口差压。

（2）仪表选用依据：

由于这次试验装置的管径Φ25mm，属于小管径的范围，压电式压力传感器体积小，不会对实验装置造成太大附加压力，并且该压力计体积小，结构简单，工作可靠，更换压电元件可以改变压力的测量范围，加之在配用电荷放大器时，可以将多个压电元件并联来提高传感器的灵敏度，测量范围变宽，而且精度也比较高，频率响应好，是动态压力检测中常用的传感器。

（3）仪表工作原理：

对于某些电介质物体，在沿一定方向对其施加压力或拉力而使之变形时，其内部会产生极化现象，使物体的两个表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又恢复到不带电状态，物体产生的电荷量与外力大小成正比，这种现象成为压电效应，压电式压力传感器就是利用压电材料的压电效应将被测压力转为电信号。

图5-1压电式压力计原理图

压电元件夹于两个弹性膜片之间，压电元件的一个侧面与膜片接触并接地，另一侧面通过引线将电荷量引出。

被测压力均匀作用在膜片上，使压电元件受力而产生电荷。

电荷量用放大器放大，转换为电压或电流输出。

由压电材料制成的压电元件受到压力作用时产生的电荷量与作用力之间呈线性关系。

Q=kSp

式中Q---电荷量；k—压电常数；S—作用面积；p—压力

（4）仪表特点：

体积小，结构简单，工作可靠，测量范围宽，可测100MPa一下的压力，测量精度较高，频率响应高，可达30kHz，是动态压力检测中常用的传感器。

但由于压电元件存在电荷泄露，故不适宜测量缓慢变化的压力和静态压力。

（5）产品参数

厂家：

华威传感器系统