检测仪表课程设计.docx

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检测仪表课程设计

目录

题目背景意义1

一、实验管流体进、出口温度测量4

（一）检测方法设计以及依据4

（二）仪表种类选用以及依据4

（三）测量注意事项及误差分析5

二、实验管壁温测量5

（一）检测方法设计以及依据5

（二）热电偶温度计5

三、水浴温度测量7

（一）检测方法设计以及依据7

（二）仪表种类选用以及依据7

（三）测量注意事项及误差分析7

1）测温点的选择7

2）插入深度7

四水位测量8

（一）检测方法设计8

（二）设计依据8

（三）仪表选用类型8

（四）误差分析9

五、流量测量9

（一）检测方法设计以及依据9

（二）仪表种类选用以及依据10

（三）测量注意事项10

六、差压测量12

（一）检测方法设计以及依据12

（二）仪表种类选用以及依据12

（三）测量注意事项13

七、心得体会13

参考文献13

题目背景意义

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。

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。

在诸多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。

基于污垢监测的热学法中的污垢热阻法的方法设计出来的如下装置，它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换热面有垢一侧的污垢热阻。

浴温度由温控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0-1实验装置图

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。

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）

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1a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）

图1b为两侧有污垢时的温度分布，其总传热热阻为

（4）

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（4-4）减去式（3）得：

（5）

式（5）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：

（6）

（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：

（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。

如图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0-3实验装置实物图

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℃），

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。

一、实验管流体进、出口温度测量

（一）检测方法设计以及依据

针对实验管内的流体温度在20~80℃之间，属于低温范围温度测量。

另外实验管道的管径较小，为Φ25mm，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。

（二）仪表种类选用以及依据

通过以上分析，我们选取某厂家生产的一种用于小管径的测温传感器，产品适用于DN15、DN20、DN25等小管径进行精确测温。

图1-1小管径测温传感器及其安装示意图

传感器采用Pt100作为热电阻，其通过感应温度变化达到阻值的变化，后通过温度变送器确认阻值的不同计算出当前的温度，再根据热电阻的量程变送输出对应的标准信号（4-20mA）值。

（三）测量注意事项及误差分析

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。

二、实验管壁温测量

（一）检测方法设计以及依据

实验管流体进、出口温度，管壁温度和水浴温度大约控制在

℃之间，

属于低温测量，所以只需采用简单的接触式温度计即可。

实验中，我们还需得到精度较高的温度值并将其转换为电信号输出，膨胀式温度计精度虽高但不可以转化为电信号，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。

对于测量管壁温度，由于热电阻温度计不好安装，所以选用热电偶温度计。

（二）热电偶温度计

热电偶温度计由三部分组成：

1.热电偶（感温元件）；2.测量仪表；3.连接热电偶和测量仪表的导线（补偿导线及铜线）。

图2-1最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。

当两种不同材料的导体（或半导体）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，这种现象称为热电现象。

接上显示仪表，仪表上就批示出热电偶所产生的热电流，接上显示仪表，仪表上就批示同热电偶所产生的热电动势的温度值。

热电偶的热电动势将随着测量端温度升高而增长，热电动势的的大小只和热电偶导体材质以及两端温差有关，和热电极的长度、直径无关。

我们采用的是SWK-2表面温度计。

SWK-2型表面温度计是干电池供电的袖珍式数字测温仪，具有体小量轻，读数准确、直观，操作简单，精度高的特点方便现场使用。

与WRNM系列表面热电偶配套使用，可以胜任静态固体表面温度，动态固体表面温度，圆柱体（如管道）表面温度，液体、气体和小孔内及狭缝处温度的测量。

SWK-2表面温度计与WRNM系列热电偶是通用的，用户可按实际使用场合选择相应热电偶使用。

.表面温度计量程有：

0-300℃、0-500℃、0-800℃、0-1000℃、0-1300℃。

图2-2SWK-2表面温度计实物图

热电偶是实验室最常用的温度检测元件之一，为接触式。

其优点是：

1.测量精度高。

因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。

2.测量范围广。

常用的热电偶从-50~+1600℃均可边续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。

3.构造简单，使用方便。

热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。

三、水浴温度测量

（一）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。

（二）仪表种类选用以及依据

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。

分度号为T。

图3-1铜－镍铜热电偶测温器

（三）测量注意事项及误差分析

1）测温点的选择

热电偶的安装位置，即测温点的选择是最重要的。

测温点的位置，对于工艺过程而言，一定要具有典型性、代表性，否则将失去测量

2）插入深度

热电偶插入被测场所时，沿着传感器的长度方向将产生热流。

当环境温度低时就会有热损失。

致使热电偶与被测对象的温度不一致而产生测温误差。

总之，由热传导而引起的误差，与插入深度有关。

四水位测量

（一）检测方法设计

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。

选用电接点水位计测量，它是根据汽和水的电导率不同测量水位的。

由于水的电导率大，电阻较小，当接点被水淹没时，电极芯与容器外壳之间短路，则对应的水位显示灯亮，反映出汽包内的水位。

而处于蒸汽中的电极由于蒸汽的电导率小，电阻大，所以电路不通，即水位显示灯不亮。

因此，可用亮的显示灯多少来反映水位的高低。

图4-1电接点水位计工作原理图

（二）设计依据

电接点液位计包括:

测量筒、电极、电极连接电缆、电极控制器。

　1.测量筒：

电接点水位计的测量筒采用大口径厚壁碳钢挤压材料，符合ASTMA105或者壁厚无缝钢管或者不锈钢管。

无缝钢管的设计制造符合ASMEB31.1对动力管道的要求。

测量筒可以促进饱和蒸汽和蒸汽的冷凝，同时使温度损失降低到最低限度。

冷水在测量筒内的循环可以连续冲洗容器和电极，可以避免沉淀物的集聚。

测量筒最高温度可以达到600℃，30Mpa。

2.电极：

电极是检测水/汽的探头，是整个电接点液位计系统的核心。

电极采用特种不锈钢制造，绝缘体使用高纯度陶瓷，陶瓷和金属本体之间的压力密封通过真空焊接工艺保证。

接点使用特殊镀金工艺处理，以避免摩损。

所有电极都通过氨气泄露测试，静压测试以及电压测试。

（三）仪表选用类型

这里，我们选用UDZ-01S双色电接点液位计。

整套仪表包括一次测量筒和二次显示仪表。

主要技术性能：

报警触点容量：

220VAC3A

保护触点容量：

220VAC3A

水阻要求：

01S型≤50KQ

消耗功率：

约8VA（接点全导通时）

工作压力：

≤4.41MPa

工作温度：

≤250℃

工作电压：

220VAC10％

工作时间：

连续

重量：

约3.3kg

信号线长度：

≤200m

图4-2UDZ系列双色电接点液位计

（四）误差分析

在使用过程中注意以下产生误差的可能性：

（1）由于电极是以一定间距安装的，这就决定了其测量存在的固定误差；

（2）水位测量筒的散热造成的冷却误差。

（3）分度误差。

该误差取决于材料纯度和加工工艺。

五、流量测量

（一）检测方法设计以及依据

从实验前提得知，实验管径很小，流体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，且其流速也很小。

用通常的差压式流量计或普通的速度式流量计都无法准确测量，甚至无法安装。

基于上述情形，可以采用非接触式测量方法——超声波流量计。

超声波流量计应用超声波技术准确测量液体的流量，同时监测超声波信号的变化。

超声波传感器固定在所测液体的管道外侧，无须改变和拆除管道和中断生产和使用过程。

其可应用于各种材质的管道和各种清洁液体及杂质含量小于10%的不洁液体，而采用多普勒原理的超声波流量计适用于大量杂质，气泡的污水流量的测量。

（二）仪表种类选用以及依据

通过比较分析，我们采用如下超声波流量计L5760134（适用管径：

13mm到115mm）

性能指标；适合各种不超过3%微粒子的液体流量测量，包括原水、海水、柴油、饮料、化学药水、工业废水等等。

采用非破坏式传感器安装方式，适合各种材质的水管、油管、空调管路、食品管路、腐蚀/放射性管路的流量测量。

只要键入管径尺寸、管道材质、液体温度，就能迅速完成测量传感器采用子母扣固定方式，安装拆卸极其方便，两分钟内即可完成仪器测量的流速单位可以选择：

米/秒，英尺/秒，流量单位可选择：

升/分钟，加仑/分钟等，可测量累计流量。

响应时间只有1-2秒钟，测量迅速准确

图5-1超声波流量计

（三）测量注意事项

1）对超声波流量计进行检定或校准

任何流量计使用前都需要进行检定或校准，便携式超声波流量计在这一点尤为重要。

大家知道，便携式超声波流量计一般配置两到三组探头，分别适用于不同的管径范围，每组探头与主机的搭配在某种意义上讲都是一套独立的流量计。

用户根据自己的使用情况为参考依据，尽可能在与使用管道口径相同或接近的流量标准装置上对便携式超声波流量计进行多条管道的检定或校准。

至少要保证流量计配置的每组探头都要检校到。

便携式超声波流量计检定或校准证书上都会给出仪表修正系数。

各种流量计都会因为原理、制造等原因在标定时给出一个仪表系数，只是名称和表现形式各不相同罢了。

便携式超声波流量计更是由于配有多组探头，适用不同口径而可能有数个仪表修正系数。

在使用流量计测流量时，要保证正确使用仪表修正系数，既不要忘记使用又须注意不要用混，应养成正式测量前确认主机内设置的仪表修正系数是否正确的好习惯。

2）忽视了对流量计使用条件和使用环境的要求

任何速度式流量计对被测管道内流体的流场都是有一定的要求的，超声波流量计也不例外。

当流量计的安装位置不能保证其前后直管段长度要求时，由于流场不稳定带来的计量误差是不容忽视的。

不少用户受仪表测量井的限制，在不能满足安装要求的位置测量，由此造成了测量误差的加大。

超声波流量计的安装应尽量避开水泵出口，管线最高点等易受气体影响的位置，探头的安装点也要尽量避开管道上部和底部，在与水平直径成45°角的范围内安装，还要注意避开焊缝等管道缺陷。

超声波流量计的安装使用环境应注意避开强电磁干扰和振动，在使用中我们发现，高压线下方，车辆密集的马路边，主机附近使用手机或对讲机都会对测量产生或多或少的影响。

3）不能准确地测量管道参数造成计量不准

便携式超声波流量计探头在管道外部安装，它直接测量的是管道内流体的流速，流量是流速与管道流通面积的乘积，而其管道面积和声道长度都是使用者由主机手工输入的管道参数计算出来的，这些参数的准确与否直接影响到测量结果。

也就是说：

流量计即使流速测得很准确，如果你输入了一组不准确的管道参数，测量结果也是不准确的。

在小管径上使用便携式超声波流量计进行流量测量时，管道内径输入不准确所引起的误差更是不容忽视。

管道衬里对测量的影响也是很大的，在测量时如果忽略了它的存在，将会产生很大的误差。

在测量时，如果没有输入衬里参数，按正常操作就是找不到信号时，就应该考虑可能管道是有衬里的。

六、差压测量

（一）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范围为0~50mm水柱（500Pa），它是一个很小的差压，用普通的差压计测量方法很难精确的测量，因此我们选用U型管差压计。

（二）仪表种类选用以及依据

针对差压范围0~50mm水柱，我们选用某厂家生产的C1系列注模压差计。

它采用垂直+倾斜型的结构和低挥发红油。

测量范围很广，在小读数时读数也很方便，可以测量正压，负压和差压。

它的技术指标如下：

介质：

空气和非易燃，兼容的气体。

外壳：

白色ABS塑料

精度：

满刻度的±3%

内部最大工作压力：

70KPa

过压保护：

溢流管可以缓解中等过压

最大工作温度：

85°C

选型表：

表1

型号

范围

使用液体

C1-3

0-3英寸水柱

红油

C1-80

0-80毫米水柱

红油

C1-700PA

10-0-700PA

红油

我们选用C1-80型号的差压计。

图9注模压差计

（三）测量注意事项

1）红油压差表配有两根管，一根是白色，一根是红色的，红色的接“High”，白色的接“Low”。

2）红油压差表安装时的位置一定要在水平与垂直的方向上。

七、心得体会

1．要尽可能的将自己所学的知识都联系在一起，在实践中进一步理解和掌握所学知识

才能更好的解决问题。

2．要根椐所要设计的任务确定整体的设计方案，然后再跟据所需要的方案去网上查找相关资料，再将资料上的知识弄懂，将它变为自己的知识。

3．在仪表时，要充分考虑仪表之间的优点与缺点，根据实际情况进行选择。

参考文献

[1]孙灵芳，杨善让，徐志明.一种新型在线冷却水动态模拟试验装置.仪器仪表学报，2002，3（s）:

146-148

[2]孙灵芳，杨善让，徐志明，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，2000，15（3）:

46-48

[3]杨善让，孙灵芳，徐志明.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（s）:

49-51

[4]杨善让，徐志明，孙灵芳.换热设备污垢与对策.北京：

科学出版社，2003