過程檢測技術與儀表課程設計.doc

課 程 設 計 報 告學生姓名:學 號：學 院:自動化工程學院班 級:題 目:過程檢測技術與儀表指導教師： 職稱: 指導教師： 職稱: 2013年 7月 12日目錄第一章 課題意義1第二章 設計任務2第三章 污垢測量方法與原理33.1 污垢測量方法33.2測量污垢熱阻的原理3第四章 儀表種類選擇和依據54.1流體進出口測溫儀表選擇54.1.1儀表工作原理64.1.2注意事項與誤差分析64.2實驗管壁溫測量64.2.1儀表工作原理74.2.2 注意事項和誤差分析74.3水浴溫度測量74.4補水箱水位測量84.4.1工作原理94.4.2 注意事項和誤差分析94.5流量測量94.5.1工作原理104.5.2 注意事項與誤差分析104.6差壓測量114.6.1工作原理11第五章 心得體會13參考文獻13 第一章 課題意義換熱設備污垢的形成過程是一個極其復雜的能量、質量和動量傳遞的物理化學過程，污垢的存在給廣泛應用于各工業(yè)企業(yè)的換熱設備造成極大的經濟損失，因而污垢問題成為傳熱學界和工業(yè)界十分關注而又至今未能解決的難題之一。20世紀70年代，特別是80年代后期以來的能源危機，伴隨著資源利用效率和環(huán)境要求的不斷提高，Somerscales所抱怨的“污垢研究一直沒能得到足夠關注”的狀況開始有所轉變。進入20世紀90年代以后，污垢研究在其他相關學科的發(fā)展特別是計算機應用技術飛速發(fā)展的推動下，借助國際合作研究的良好氛圍，在預測、監(jiān)測和對策三個發(fā)展方向上都蓬勃開展起來。近10年來，基于污垢形成機理認識的逐步深入，污垢的預測和模擬都取得了明顯進展。然而換熱設備污垢形成的影響因素眾多，是在動量、能量、質量傳遞以及生物活動同時存在的多相、多組分流動過程中進行的，其理論基礎除傳熱傳質學外，還涉及到化學動力學、流體力學、膠體化學、熱力學與統(tǒng)計物理、微生物學、非線性科學以及表面科學等相關學科，是一個典型的多學科交叉的高度復雜問題，因而對其機理的清晰理解和準確把握仍是一項極為艱巨的任務。在20世紀80年代中Epstein曾以矩陣形式對污垢形成過程的理論分析和實驗研究作了形象的概括，指出了發(fā)展趨勢；Pinhero則比較了當時已有的各預測模型，找出其共同點，為建立一個通用模型做了十分有意義的工作；而且，Melo也對這期間的進展做了出色的概括和評述。雖然已取得的成就令人欣慰，但現(xiàn)離預期目標仍然相當遙遠！ 進入20世紀90年代以后，尋求對污垢形成機理的理解，定量預測污垢增長率，為換熱設備的設計者和運行人員提供一個可信而適用的預測模型的努力仍然歷艱而彌堅，涌現(xiàn)出了不少有意義的成果。污垢形成的五個階段（起始，輸運，附著，老化，剝蝕）中，輸運、附著、剝蝕相對研究得比較深入。單類污垢簡單可分成以下幾種類型：腐蝕污垢與混合污垢、析晶污垢、顆粒污垢、化學反應污垢、生物污垢、凝固污垢等。 第二章 設計任務 該實驗裝置上，需要檢測和控制的參數主要有：1、溫度：包括實驗管流體進口（2040）、出口溫度（2080 ）、實驗管壁溫（2080 ）以及水浴溫度（2080 ） 2、水位：補水箱上位安裝，距地面2m，其水位要求測量并控制，以適應不同流速的需要，水位變動范圍200mm500mm3、流量：實驗管內流體流量需要測量，管徑25mm，流量范圍0.54m3/h4、差壓：由于結垢導致管內流動阻力增大，需要測量流動壓降，范圍為050mm水柱125834679101112220V 1-恒溫槽體；2-試驗管段；3-試驗管入口壓力；4-管段入口溫度測點；5-管壁溫度測點；6-管段出口溫度測點；7-試驗管出口壓力；8-流量測量；9-集水箱；10-循環(huán)水泵；11、補水箱；12-電加熱 圖2-1實驗裝置圖 第三章 污垢測量方法與原理3.1 污垢測量方法按對沉積物的監(jiān)測手段分有：熱學法和非傳熱量的污垢監(jiān)測法。熱學法中又可分為熱阻表示法和溫差表示法兩種；非傳熱量的污垢監(jiān)測法又有直接稱重法、厚度測量法、壓降測量法、放射性技術、時間推移電影法、顯微照相法、電解法和化學法。這些監(jiān)測方法中，對換熱設備而言，最直接而且與換熱設備性能聯(lián)系最密切的莫過于熱學法。這里簡單介紹污垢監(jiān)測的熱學法中的污垢熱阻法。表示換熱面上污垢沉積量的特征參數有：單位面積上的污垢沉積質量mf，污垢層平均厚度f和污垢熱阻Rf。這三者之間的關系由下式表示： （3-1）3.2測量污垢熱阻的原理設傳熱過程是在熱流密度q為常數情況下進行的，圖3-1（a）為換熱面兩側處于清潔狀態(tài)下的溫度分布，其總的傳熱熱阻為： （3-2）圖3-1（b）為兩側有污垢時的溫度分布，其總傳熱熱阻為 (3-3)圖3-1如果假定換熱面上污垢的積聚對壁面與流體的對流傳熱系數影響不大，則可認為。于是從式(3-3)減去式(3-2)得 （3-4）式(4)表明污垢熱阻可以通過清潔狀態(tài)和受污染狀態(tài)下總傳熱系數的測量而間接測量出來。實驗研究或實際生產則常常要求測量局部污垢熱阻，這可通過測量所要求部位的壁溫表示。為明晰起見，假定換熱面只有一側有污垢存在，則有： （3-5） （3-6）若在結垢過程中，q、Tb均得持不變，且同樣假定，則兩式相減有 (3-7)這樣，換熱面有垢一側的污垢熱阻可以通過測量清潔狀態(tài)和污染狀態(tài)下的壁溫和熱流而被間接測量出來。 第四章 儀表種類選擇和依據4.1流體進出口測溫儀表選擇由于實驗裝置的進出口管直徑較小，采用體積較大的溫度計會增加流動阻力，從而影響流速。而且由給定的參數可知，試驗管流體進、出口的溫度為2040，溫度范圍小，此兩處的溫度比較低，測量不便，適合測量此段溫度的主要有液體膨脹式、雙金屬、熱電偶及熱電阻等溫度傳感器，而我們的實驗設備有上位機采集信息，所以最好選用熱電偶或者熱電阻。熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應用于工業(yè)測溫，而且被制成標準的基準儀。我所選用的熱電阻溫度檢測器是BD-WZP-PT100螺紋安裝PT-100熱電阻。螺紋安裝PT100熱電阻/鉑電阻 是最常用的一種鉑電阻/熱電阻封裝形式，主要用于機械設備、管道內介質的測量等等需要螺紋安裝的地方。 圖4-1螺紋安裝PT-100熱電阻4.1.1儀表工作原理 熱電阻溫度計是利用金屬導體或金屬氧化物半導體做測溫物質，利用導體或半導體的阻值隨溫度變化這一現(xiàn)象測量溫度。熱電阻在科研和生產中經常用來測量-200850區(qū)間內的溫度，是廣泛使用的一種測溫元件。1鉑熱電阻，分度號為PT10和PT100兩種。這里主要介紹PT100，PT100在0時阻值為100，用較細的鉑絲燒制，用于650以下溫區(qū)。鉑熱電阻精度高，線性好，測量范圍寬，穩(wěn)定性和復現(xiàn)性好。鉑熱電阻的參考函數在0上，下溫區(qū)各不相同，但參考函數的系數相同，其數學模型為 當-2000時 Rt=R0（1+At+Bt2） (4-1) 當0850時 Rt=R01+At+Bt2+Ct3(t-100) (4-2) A=3.908310-3/; B=-5.77510-7/; C=-4.18310-12/4.1.2注意事項與誤差分析 （1）由于熱電阻通電后會產生自升溫現(xiàn)象，從而帶來誤差，并且該誤差無法消除，故規(guī)定最大電流6mA。 （2）熱電阻安裝時,其插入深度不小于熱電阻保護管外徑的8倍10倍,盡可能使熱電阻受熱部分增長。熱電阻盡可能垂直安裝,以防在高溫下彎曲變形。 （3）熱電阻在使用中為了減小輻射熱和熱傳導所產生的誤差,應盡量使保護套管表面和被測介質溫度接近,減小熱電阻保護套管的黑色系數。 （4）線路電阻不同或變化引入的測量誤差。可通過串聯(lián)電位器調整，此外規(guī)定三線，四線接線方法等也能減小誤差。 （5）附加熱電動勢。電阻絲與引線接點處構成熱偶，若節(jié)點溫度不同將產生附加熱電動勢，對于測量回路可能產生影響。4.2實驗管壁溫測量 由于該實驗裝置的實驗管壁溫度（20-80），需要測量外管壁的溫度，針對性能、安裝對比各種測溫裝置，選用BD-WR鎧裝熱電偶進行測量。鎧裝熱電偶的探溫部分由熱電偶絲、絕緣氧化鎂粉及不銹鋼保護套管整體拉制而成，可以任意彎曲，產品結構復雜，價格比較高，比普通裝配式熱電偶的響應更迅速，抗震性能更好,而且，相對于其他熱電偶傳感器，鎧裝式熱電偶精度，準確性較高。 圖4-2鎧裝熱電偶4.2.1儀表工作原理 熱電偶是利用物理學中的熱電現(xiàn)象制成的測溫傳感器。當兩種不同材料的導體A和B構成閉合回路時，如果兩個接觸端溫度不同時回路中將產生電流，這種現(xiàn)象被稱為熱電現(xiàn)象。相應產生的電動勢稱為熱電動勢，AB構成的閉合回路稱為熱電偶。14.2.2 注意事項和誤差分析從熱電偶的測溫原理可知，熱電動勢的大小不僅與熱端溫度有關，而且也與冷端溫度有關，只有當冷端溫度固定不變，才能通過熱電動勢的大小去判斷熱端溫度的高低。當冷端溫度波動較大時，必須先對熱電偶進行冷端補償和處理。1下面是幾種冷端補償方法： （1）補償導線法 （2）參比端恒溫法 （3）計算修正法 （4）冷端補償器法（5）軟件修正法4.3水浴溫度測量水浴溫度測量相對簡單，水浴溫度測量該實驗裝置的模擬換熱器是由恒溫水浴作為熱源加熱實驗管段（約2m），水浴溫度由溫控器、電加熱管以及保溫箱體構成。由實驗裝置要求分析，水槽內水浴溫度是一個存在一定變化的物理量，而水浴溫度又通過穩(wěn)控器來實時監(jiān)控。因此，測溫儀表要求較高的靈敏性和精確度。其次，水浴溫度的變化范圍在2080之間，屬于低溫范疇。綜合以上要求，我們采熱電偶溫度測量法。選用銅鎳銅熱電偶，這是在低溫下應用得很普遍的熱電偶,測量溫度范圍(200200),穩(wěn)定性好,低溫時靈敏度高并且價格低廉。 . 圖4-3銅鎳銅熱電偶4.4補水箱水位測量常用液位測量方法有靜壓法液位測量，差壓法液位測量，浮力式液位測量，電氣式液位測量。實驗裝置補水箱內水為人工配制的易結垢的高硬度水或是含有固體微粒等致垢物質。其介電常數與空氣的差別很大。而電容式液位測量是利用被測對象物質的導電率，將液位變化轉換成電容變化來進行測量的一種液位計。與其他液位傳感器相比，電容液位測量具有靈敏性好、輸出電壓高、誤差小、動態(tài)響應好、無自熱現(xiàn)象、對惡劣環(huán)境的適用性強等優(yōu)點。所以，我們采用此方法來測量補水箱內的水位。常見的電容傳感器測量電路有變壓器電橋式、運算放大器式及脈沖寬度式等。這類儀表適用于腐蝕性液體、沉淀性液體以及其它化工工藝液體液面的連續(xù)測量與位式測量，或單一液面的液位測量。經過比較分析，我們采用某生產廠家生產的UCD-628系列電容式液位計，其采用電容法測量原理，適用于電力、冶金、化工、食品、制藥、污水處理、鍋爐汽包等的液位測量。該電容式液位計有以下特點： （1）結構緊湊，體積小，安裝維護簡單，統(tǒng)一外形尺寸。 （2）多種信號輸出形式，可用于不同系統(tǒng)配置。 （3）測水位范圍0.12m。 （4）浸入液體的測量部分，只有一條四氟軟線或四氟棒式探極作為傳感，可靠 性高。 （5）全密封鋁合金外殼及不銹鋼聯(lián)接件。 （6）對高溫壓力容器與測量常溫常壓一樣簡單，且測量值不受被測液體的溫度、比重及容器的形狀、壓力影響。 （7）完善的過流、過壓、電源極性保護。 圖4-4電容式液位計4.4.1工作原理它是利用被測液位變化影響傳感器電容變化這一原理設計的。由于引起電容變化的因素有很多，如極板面積，極板距離的變化，極板間介質性質的變化，所以電容式液位計可做成很多形式。4.4.2 注意事項和誤差分析 （1）電容式液位計應垂直安裝，并固定以防止晃動引起的誤差。 （2）應采用非隔離兩線制、三線制或測量、輸出、電源三端隔離四線制多種電路結構方式。 （3）注意得使用高頻電路。4.5流量測量 流量測量中最常用的是孔板流量計，但在這次試驗中，由于要對試驗管內的液體流量進行測量，所要測量的管段的直徑很小大約25左右，流量范圍0.54m3/h，重要的是考慮到管內有污垢，水并不潔凈，用接觸法測量會很容易導致測量儀器的表面結垢，影響測量的精度，嚴重的話會損害流量計。因此考慮非接觸式測量方法。電磁流量計是非常好的選擇。在這里選用XJ-LDC系列分體式電磁流量計。 圖4-5電磁流量計4.5.1工作原理電磁流量計是一種根據法拉第電磁感應定律來測量管內導電介質體積流量的感應式儀表，即當導電液體流過電磁流量計時，導體液體中會產生與平均流速 V 成正比的電壓，其感應電壓信號通過兩個與液體接觸的電極檢測，通過電纜傳至放大器，然后轉換成統(tǒng)一的輸出信號?？梢詼y量各種腐蝕性介質：酸、堿、鹽溶液以及帶有懸浮顆粒的漿液。被測介質在測量管內，由于沒有阻滯部件，所以沒有壓力損失。此流量計無機械慣性，反應靈敏，可測流量范圍大，可以測量脈沖流量，線性較好，精度較高。14.5.2 注意事項與誤差分析 （1）被測流量必須是導電液體。 （2）量程選擇。常用流量最好超過滿量程的一半。常用流速為2-4m/s最合適。 （3）壓力選擇。使用壓力必須低于電磁流量計額定工作壓力，一般不超過16105Pa。 （4）溫度選擇。被測介質溫度不能超過襯里材料的容許使用溫度，一般不超過200。誤差分析： （1）當管道中有氣泡時，會產生誤差，所以應該保證流體流動穩(wěn)定，無氣泡。 （2）周圍存在電磁干擾會是傳感器產生誤差，應注意避免電磁干擾。4.6差壓測量 實驗管道進出口的差壓可通過差壓計來測量，差壓計的兩個輸入端分別接在壓力測量點3和7處，輸出值即為入口和出口壓差。因為壓力變化范圍小，切管中液體易結垢，故選用壓阻式應變變送器作為測量元件。4.6.1工作原理固體受力后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為壓阻效應。壓阻式壓力傳感器是基于半導體材料的壓阻效應原理制成的傳感器，就是利用集成電路工藝直接在硅平膜片上按一定晶向制成擴散壓敏電阻，當硅膜片受壓時，膜片的變形將使擴散電阻的阻值發(fā)生變化。利用半導體材料的電阻率在外