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测量仪表设计说明书
课程设计报告
学生姓名:
郎坤
学号：
0907240405
学院:
自动化工程学院
班级:
自动094
题目:
多功能动态模拟实验装置检测方法设计
指导教师：
陈杰春、陈丹丹职称:
2012年6月18日
目录
1引言3
1.1题目介绍3
1.2背景意义………………………………………………………………………………...3
2系统总体设计…………………………………………………………………………………….....3
2.1设计目的……………………………………………………………………….......3
2.2设计内容与要求……………………………………………………………………3
2.3污垢测量方法4
2.4总体实验装置结构………………………………………………………………...4
2.5污垢热阻法数学模型的建立……………………………………………………...6
2.6各参数的检测和控制7
2.6.1温度测量7
2.6.2水位测量12
2.6.3流量测量12
2.6.4差压测量13
3数据采集卡的选择…..15
3.1功能特点15
3.2AD转换部分15
3.3DA转换部分………………………………………………………………….....15
4上位机监控界面图15
5参考文献15
多功能动态实验装置
摘要：
本课程设计论文介绍了一种换热设备污垢的测量方法—热电阻法，它通过我校节能与测控研究中心杨善让教授为首研发的基于测量新技术的多功能动态模拟实验装置来实现的。
其中需要检测和控制的参数主要有温度：
试验管流体进出口温度，试验管壁温，水域温度；水箱水位；试验管内流体流量及含有污垢的馆内差压。
通过温度计、补水箱、集水槽、模拟换热器及监控系统来检测控制这些参数，从而达到测量污垢的目的。
关键词：
污垢热阻模拟装置
1.引言
1.1题目介绍
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。
1.2背景意义
污垢和腐蚀问题是各类换热设备普遍存在的，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。
影响：
设备管道水垢附着，降低换热效率3%--10%。
使系统水循环量减少：
沉积物（如水垢、微生物粘泥）覆盖在空调水系统设备管道或换热器流道表面，严重的将堵塞流道，使低温水循环量减少，热交换效率进一步降代。
污垢集聚会导致垢下局部腐蚀，缩短设备使用寿命
2.系统总体设计
2.1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。
2.2设计内容与要求
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。
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循环水泵，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。
2.3污垢测量方法
同流量测量一样，对于污垢测量，目前有很多方法，但每种方法都受条件限制，因此要选用最适合的方法去测量。
按对沉积物的监测手段污垢测量可分为：
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；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是热学法。
本文将简单介绍污垢监测的热学法中的污垢热电阻法。
2.4总体实验装置结构
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2-2本实验装置原理图
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
2.5污垢热阻法数学模型的建立
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：
（2-1）
图2-3清洁和有污垢时的温度分布及热阻图
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2-3（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：
（2-2）
图2-3（b）为两侧有污垢时的温度分布，其总传热热阻为
（2-3）
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（2-3）减去式（2-2）得
（2-4）
式（2-4）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：
（2-5）
（2-6）
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
（2-7）
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。
2.7各参数的检测和控制
2.7.1温度测量
该实验中温度测量是最复杂的，温度测量的仪表也是最多的，其中测量参数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所需要的仪表选择就不同，下面就详细介绍各温度参数的测量和控制。
（1）试验管流体进、出口温度测量
由给定的参数可知，试验管流体进口温度为20℃～40℃、出口的温度为20℃～80℃，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（水银温度计、酒精温度计）、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监控系统—上位机采集信息，所以最好选用热电偶或者热电阻。
选用了WZP-130|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。
表2-1热电阻传感器性能指标
品牌
捷峰
类型
普通型热电阻
型号
WZP-130230430
分度号
PT100
测量范围
-200-450（℃）
允差等级
A
热响应时间
1.5（s）
装箱数
20
电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。
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。
与热电偶的测温原理不同的是，热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即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。
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。
目前主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。
图2-4热电阻测量端结构图
仪表主要特点：
（a）热响应时间少，减小动态误差；
（b）直径小，易弯曲，长度不受限制，适宜安装在管道狭窄和要求快速反应、微型化等特殊场合；
（c）测量精度高；
（d）进口薄膜电阻元件，性能可靠稳定；
（e）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；
（f）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。
误差分析：
主要存在分度误差、通电分度误差、线路电阻不同或变化引入的误差、附加电动势及传感器热容量等。
（2）试验管壁温测量
试验管壁温主要指处于恒温水浴中两根平行管管壁的温度，由于试验管壁温范围为20℃~80℃，并且被测管道进行水浴加热，所以选用了WRNK-031G型卡箍式热电偶。
卡箍式管壁热电偶、热电阻是专为测温管壁温度而设计的，它采用卡箍式夹紧装置，无需焊接，就可将温度探头上的加热板与管道压接，具有装拆方便，反应灵敏、抗压耐震和测量可靠等优点。
同时该产品装上温度转换器后，具有抗干扰、精度高、稳定性好等优点并且节省了补偿导线，是天然气、石化、电站等行业中管道温度测量的新型温度传感器。
为了避免水浴的影响，安装时先在管壁上开一个和热电偶测量端能良好接触的槽（深度大约是壁厚的一半），安装后缝隙最好能用和管壁导热系数相当的材料填充。
表2-2卡箍式热电偶
名称
型号
分度号
测量范围
精度等级
转换器精度
接线盒形式
导热板材料
安装板
卡箍式热电偶
WRNK-031G
K
0～800
或
一
大防喷接线盒
1Cr18Ni9Ti或T2紫铜
1Cr18
WREK-031G
E
0～700
WRFK-031G
J
0～600
WRCK-031G
T
-200～+300
图2-5WRNK-031G型卡箍式热电偶
误差分析：
导热误差，传热误差，辐射误差以及水浴影响，另外由于冷端温度也会产生误差。
注意事项：
尽量避免水浴影响，并进行恰当的冷端处理。
（3）水浴温度测量
模拟换热器中的水域是恒温的，温度范围是20℃~80℃，由于实验管内的流体会在该水域内换热，因此水域温度会变化。
为了保持水域温度恒定，需要有相关设备来控制。
仪表的选择及依据：
测出水域水温后，为了保持水温恒定，需要由相关设备来控制加热棒开始或停止工作，而单纯的温度传感器使做不到的。
它另外还需要有类似单片机的东西，才能实现比较和控制，在此该实验选择的是LM235。
LM235是美国国家半导体公司（NS）生产的一种高精度易校正的集成温度传感器，系列器件灵敏度为10mV/K，具有小于1Ω的动态阻抗，工作电流范围从400μA～mA，工作电压为0～30V，测量温度范围是—40～125℃，而且成本低。
LM135是集成的温度传感器，它不仅能测温，而且还能将采集到的温度信号与设定值进行比较，然后用比较结果去控制加热棒的工作。
模拟换热器采用的是220V的交流电，因此需要将交流电通过整流电路变为直流后，再经过降压器使工作电压降到30V，这样LM235就能正常工作了。
可能产生误差的原因：
交流电通过整流电路转换成直流时，可能由于整流不够好，输出的电压中带毛刺，从而影响后续电路的工作效果，这就可能产生误差。
2．7.2水位测量
该实验设备有两个水箱——集水箱和补水箱，这里的水位测量指的是补水箱的水位。
补水箱是上位安装的，且距离地面2米。
（1）仪表的选择及依据
补水箱水位的变动范围是200mm～500mm，当水位超过或低于水箱变动范围时，需要有个设备来控制循环水泵开始或停止工作。
因此在水位传感器之后接A/D、D/A、8051等，来进行控制，在此水位传感器选的是浮子式水位传感器，其水位控制的原理如图2-6所示：
图2-6水位控制原理图
浮子式水位传感器的工作原理：
该实验选择的浮子式水位传感器的型号为K4241921。
传感器工作时，测绳带动线轮做旋转运动，与线轮同轴连接的编码器就输出与液位对应的数字信号送至智能测控仪，从而达到了对液位的实时测量与显示的目的。
水位传感器的技术指标：
（a）量程：
0～5米
（b）测量精度：
0.1%×量程±1
（c）工作电压：
DC5V～30V
（d）远传距离：
1200米
为了实现浮子式水位传感器对水位的高精度测量需要解决以下问题：
传感器水位计程轮、变比齿轮加工精度问题；高分辨力编码器选择，合理的计程轮、配重与计程轮、齿轮、编码器的力矩匹配：
钢丝绳传动的防滑设计；钢丝绳热胀冷缩引起的测量误差。
可能产生误差的原因：
与自由状态下的浮子不同，浮子式液位传感器中的浮子通过某种传动方式把液位传到容器外，不可能完全自由漂浮；其次浮子受本身的重力之外还受绳子的重力；另外绳子与滑轮之间还存在摩擦阻力。
这些因素都是可能产生的原因。
浮子式高精度水位传感器的测量精度依赖于计程轮、计程齿轮、从动齿轮等部件加工精度和部件的装配精度。
任何一件部件都不可能完全吻合设计要求，特别是水位传感器中的计程轮圆周长较难保证。
为了让每台传感器都能满足测量指标要求，传感器在装配完成后，在室温环境下对计程轮的实际周长进行测量，根据测量结果得出每个计程轮周长与编码器的变比系数，并保存在单片机的EEPROM中。
单片机根据此系数修正水位值，消除计程轮加工过程中出现偏差。
2.7.3流量测量被测流体在试验管段内流动，管径为Φ25mm，流量范围0.5~4m3/h.，由于管径很小，流量小，而且还带有污垢，因此流量计的选择很重要。
（1）流量计的选择及依据
迄今为止，流量的测量准确度较低，流量计的通用性很差，特别是对腐蚀性流体、赃物流体、高粘性流体的流量的测量还需要更多的发展。
对于该实验的污垢流体，最好选择的是靶式流量计。
靶式流量计是20世纪60年代迅速发展起来的流量计。
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，可以测量高黏度流体，对流体的黏度变化不敏感；适用于液体以及气体测量，对于混合型介质，多相流介质，一定程度上也可以测量；测量有些介质时，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。
经过上网查询最终选择使用江苏华宁仪表有限公司生产的靶式流量计。
产品特点：
耐高温高压，大口径管道，性能可靠；智能化结构设计，具有参数设定标校及故障提示功能；六位液晶显示，可显示瞬时流量，累积流量；具有上下限报警以及脉冲输出功能；指示表头可以轴向360°旋转；具有温度补偿和软件修正功能。
主要技术参数：
测量范围0-400t／h；精度等级：
0.5％FS1.0％FS2.0％FS；输出信号：
4～20mA二线制输出与流量成线性关系；供电电压：
12～36VDC；公称压力：
1.62.54.06.4MPa；环境温度：
－30℃～60℃（特殊：
-40℃～80℃）；介质温度：
普通型≤100℃（无散热片），高温型≤400℃（带散热片）；接液材质：
测量室为碳钢或1Cr18i9Ti；其余为1Cr18Ni9Ti；外壳材质：
铸铝；法兰标准：
DIN2501特殊型由用户选择；电缆接口：
M20*1.5（内螺纹）；防护等级：
IP65；负载特性：
最大负载电阻＝50*（电源电压－12）=600Ω@24V；报警输出：
集电极开路形式，最大输入电流100mA，最大开关电压30VDC，带有偏差带控制；脉冲输出：
最小脉宽50ms，可双路输出；最大累积流量显示值50000单位，自动复位；阻尼时间：
1～100秒任意可调；防爆形式、防爆标志、防爆合格证编号。
（2）可能产生误差的原因：
由于不充许直接在流量计测量管前后端安装阀门、弯头等极大改变流体流态的部件。
如果需要在流量计前后管道上安装阀门、弯头等部件也应尽量保证前后直管段长度。
2.7.4差压测量
由于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的流体，当它在试验管段内流动时，容易在内结垢，使管内流动阻力增大，这就在试验管段的两端产生流动压降。
（1）仪表的选择及依据：
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）。
（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。
压阻式压力传感器优点：
1.频率响应高，f0可达1.5M；
2.体积小、耗电少；
3.灵敏度高、精度好，可测量到0.1%的精确度；
4.无运动部件（敏感元件与转换元件一体）。
（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。
3数据采集卡的选择
PCI2008是12位16路同步采样的AD卡，采用PCI2.2总线标准，支持多卡同步采集，通过率为25K/通道，单卡总通过率可达400K，多卡采集总通过率可达1M以上，并实现连续存盘，为了确保采样精度，每通道均通过PGA103仪表放大器缓冲后接入多采保AD芯片AD7874。
PCI2008广泛应用于振动测试、电力系统、医疗设备等诸多领域。
3.1功能特点32位PCI总线，支持PCI2.2协议，真正实现即插即用。
FPGA接口芯片设计、PCI总线接口和板上的各种逻辑电路合二为一，确保了产品的可靠性和小型化，并且具有极高的保密性。
16通道模拟输入。
支持软件查询、中断两种工作方式。
模拟通道输入数：
16路单端
模拟输入电压范围：
±10V
模拟输入阻抗：
>10MΩ
放大器建立时间：
2.5us
3.2AD转换部分
AD分辨率：
12bit（4096）
非线性误差：
±1LSB（最大）
转换时间：
40us/通道
系统测量精度：
0.2%
AD采集支持外部触发
通道数可按每4路顺序性的任意组合，构成通道阵列自动切换采集。
采样率：
总采样率为400KSPS（16×25K=400K）
数据缓冲：
16K字FIFO存储器的缓存3.3DA转换部分
（1）分辩率（Resolution）指最小模拟输出量（对应数字量仅最低位为‘1’）与最大量（对应数字量所有有效位为‘1’）之比。
（2）建立时间（SettingTime）是将一个数字量转换为稳定模拟信号所需的时间，也可以认为是转换时间。
DA中常用建立时间来描述其速度，而不是AD中常用的转换速率。
一般地，电流输出DA建立时间较短，电压输出DA则较长。
其他指标还有线性度（Linearity），转换精度，温度系数/漂移。
4上位机监控界面图
图4-1上位机控制界面
5参考文献
[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
[5].李泸萍.《热工设备节能技术》.化学工业出版社，2010.2版
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