檢測(cè)技術(shù)與儀表課程設(shè)計(jì)論文.doc

檢測(cè)技術(shù)及儀表課程設(shè)計(jì)論文目錄1背景知識(shí).22實(shí)驗(yàn)簡介.33 被測(cè)參數(shù)及儀表選用43.1 實(shí)驗(yàn)管流體進(jìn)口、出口溫度測(cè)量.43.2實(shí)驗(yàn)管壁溫測(cè)量.63.3 水浴溫度.73.4 水位測(cè)量.83.5 流量測(cè)量.103.6 差壓.114 參考文獻(xiàn).131背景知識(shí)換熱設(shè)備污垢的形成過程是一個(gè)極其復(fù)雜的能量、質(zhì)量和動(dòng)量傳遞的物理化學(xué)過程，污垢的存在給廣泛應(yīng)用于各工業(yè)企業(yè)的換熱設(shè)備造成極大的經(jīng)濟(jì)損失，因而污垢問題成為傳熱學(xué)界和工業(yè)界十分關(guān)注而又至今未能解決的難題之一。按對(duì)沉積物的監(jiān)測(cè)手段分有：熱學(xué)法和非傳熱量的污垢監(jiān)測(cè)法。熱學(xué)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(cè)法又有直接稱重法、厚度測(cè)量法、壓降測(cè)量法、放射性技術(shù)、時(shí)間推移電影法、顯微照相法、電解法和化學(xué)法。這些監(jiān)測(cè)方法中，對(duì)換熱設(shè)備而言，最直接而且與換熱設(shè)備性能聯(lián)系最密切的莫過于熱學(xué)法。這里簡單介紹污垢監(jiān)測(cè)的熱學(xué)法中的污垢熱阻法。表示換熱面上污垢沉積量的特征參數(shù)有：單位面積上的污垢沉積質(zhì)量mf，污垢層平均厚度f和污垢熱阻Rf。這三者之間的關(guān)系由下式表示： (1) 圖1 清潔和有污垢時(shí)的溫度分布及熱阻壁（a）潔凈 （b）污染 壁污垢沉積層通常測(cè)量污垢熱阻的原理如下：設(shè)傳熱過程是在熱流密度q為常數(shù)情況下進(jìn)行的，圖1a為換熱面兩側(cè)處于清潔狀態(tài)下的溫度分布，其總的傳熱熱阻為： (3)圖1b為兩側(cè)有污垢時(shí)的溫度分布，其總傳熱熱阻為 (4)如果假定換熱面上污垢的積聚對(duì)壁面與流體的對(duì)流傳熱系數(shù)影響不大，則可認(rèn)為。于是從式(4-4)減去式(3)得： （5）式(5)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(shù)的測(cè)量而間接測(cè)量出來。實(shí)驗(yàn)研究或?qū)嶋H生產(chǎn)則常常要求測(cè)量局部污垢熱阻，這可通過測(cè)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(cè)有污垢存在，則有： （6） （7）若在結(jié)垢過程中，q、Tb均得持不變，且同樣假定，則兩式相減有： (8)這樣，換熱面有垢一側(cè)的污垢熱阻可以通過測(cè)量清潔狀態(tài)和污染狀態(tài)下的壁溫和熱流而被間接測(cè)量出來。2實(shí)驗(yàn)裝置簡介如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置是東北電力大學(xué)節(jié)能與測(cè)控研究中心楊善讓教授為首的課題組基于測(cè)量新技術(shù)軟測(cè)量技術(shù)開發(fā)的多功能實(shí)驗(yàn)裝置?；诒緦?shí)驗(yàn)裝置，先后完成國家、東北電力公司、省、市多項(xiàng)科研項(xiàng)目并獲獎(jiǎng)，鑒定結(jié)論為國際領(lǐng)先。目前承擔(dān)國家自然科學(xué)基金、973項(xiàng)目部分實(shí)驗(yàn)工作。圖2 多功能動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)裝置外形圖本實(shí)驗(yàn)裝置的模擬換熱器是由恒溫水浴作為熱源加熱實(shí)驗(yàn)管段（約2m），水浴溫度由溫控器、電加熱管以及保溫箱體構(gòu)成。水浴中平行放置兩實(shí)驗(yàn)管，獨(dú)自擁有補(bǔ)水箱和集水箱，構(gòu)成兩套獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)?？梢宰銎叫袠訉?shí)驗(yàn)和對(duì)比實(shí)驗(yàn)。為獲取水處理藥劑的效果、強(qiáng)化換熱管的污垢特性、污垢狀態(tài)下強(qiáng)化管的換熱效果等等，管內(nèi)流體一般為人工配制的易結(jié)垢的高硬度水或是含有固體微粒等致垢物質(zhì)。125834679101112220V冷卻水入口出口圖3 實(shí)驗(yàn)裝置流程圖1-恒溫槽體；2-試驗(yàn)管段；3-試驗(yàn)管入口壓力；4-管段入口溫度測(cè)點(diǎn)；5-管壁溫度測(cè)點(diǎn)；6-管段出口溫度測(cè)點(diǎn)；7-試驗(yàn)管出口壓力；8-流量測(cè)量；9-集水箱；10-循環(huán)水泵；11-補(bǔ)水箱；12-電加熱管 3被測(cè)參數(shù)及儀表選用3.1測(cè)量實(shí)驗(yàn)管流體進(jìn)口（2040）、出口溫度（2080 ）此兩處的溫度比較低，測(cè)量不便，適合測(cè)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(shí)驗(yàn)設(shè)備有上位機(jī)采集信息，所以最好選用熱電偶或者熱電阻。此處考慮到被測(cè)溫度范圍我選用了WZPK-233S|鎧裝Pt100熱電阻。圖4 WZPK-233S|鎧裝Pt100熱電阻圖5 測(cè)量端結(jié)構(gòu)形式3.1.1工作原理鎧裝熱電阻是利用物質(zhì)在溫度變化時(shí)，其電阻也隨著發(fā)生變化的特征來測(cè)量溫度的。當(dāng)阻值變化時(shí)，工作儀表便顯示出阻值所對(duì)應(yīng)的溫度值。3.1.2特點(diǎn)1熱響應(yīng)時(shí)間少，減小動(dòng)態(tài)誤差； 2直徑小，易彎曲，長度不受限制，適宜安裝在管道狹窄和要求快速反應(yīng)、微型化等特殊場合；3測(cè)量精度高；4進(jìn)口薄膜電阻元件，性能可靠穩(wěn)定；5可對(duì)-200600溫度范圍內(nèi)的氣體、液體介質(zhì)和固體表面進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，并且可直接用銅導(dǎo)線和二次儀表相連接使用，由于它具有良好的電輸出特性，可為顯示儀、記錄儀、調(diào)節(jié)器、 掃描器、數(shù)據(jù)記錄儀以及電腦提供精確的輸入值；6具有很強(qiáng)的抗污染和優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度，適合安裝在環(huán)境惡劣的場合。3.1.3常溫絕緣電阻熱電阻在環(huán)境溫度為1535C，相對(duì)濕度不大于80%，試驗(yàn)電壓為10100V（直流）電極與外套管之間的絕緣電阻100M。3.1.4 偶絲直徑材料表1引線形式套管外徑 套管材質(zhì)單支式 21Cr18Ni9Ti3.1.5測(cè)量范圍及允差表2型號(hào)分度號(hào)測(cè)溫范圍C精度等級(jí)允 差WZPKPt100-200-+500A級(jí)（0.15+0.002 ltl）3.1.6熱響應(yīng)時(shí)間表3套管直徑熱響應(yīng)時(shí)間333.1.7誤差分析主要有分度誤差、通電分度誤差、線路電阻不同或變化引入的誤差、附加電動(dòng)勢(shì)及傳感器熱容量等。3.1.8注意事項(xiàng)通電電流要小，插入管內(nèi)不能太長也不能太短。3.2實(shí)驗(yàn)管壁溫（2080 ）測(cè)量由于被測(cè)管道進(jìn)行水浴加熱，所以選用了WRNK-031G型卡箍式熱電偶?？ü渴焦鼙跓犭娕?、熱電阻是專為測(cè)溫管壁溫度而設(shè)計(jì)的，它采用卡箍式夾緊裝置，無需焊接，就可將溫度探頭上的加熱板與管道壓接，具有裝拆方便，反應(yīng)靈敏、抗壓耐震和測(cè)量可靠等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)該產(chǎn)品裝上溫度轉(zhuǎn)換器后，具有抗干擾、精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)并且節(jié)省了補(bǔ)償導(dǎo)線，是天然氣、石化、電站等行業(yè)中管道溫度測(cè)量的新型溫度傳感器。為了避免水浴的影響，安裝時(shí)先在管壁上開一個(gè)和熱電偶測(cè)量端能良好接觸的槽（深度大約是壁厚的一半），安裝后縫隙最好能用和管壁導(dǎo)熱系數(shù)相當(dāng)?shù)牟牧咸畛?。圖6 WRNK-031G型卡箍式熱電偶3.2.1技術(shù)指標(biāo)表4型號(hào)分度號(hào)測(cè)量范圍精度等級(jí)接線盒形式導(dǎo)熱板材料安裝板材料管道直徑DmmWRNK-031GK0800大防噴接線盒1Cr18Ni9Ti1Cr18Ni9Ti50200圖7 WRNK-031G型卡箍式熱電偶尺寸3.2.2誤差分析導(dǎo)熱誤差，傳熱誤差，輻射誤差以及水浴影響，另外由于冷端溫度也會(huì)產(chǎn)生誤差。3.2.3注意事項(xiàng)盡量避免水浴影響，并進(jìn)行恰當(dāng)?shù)睦涠颂幚?.3水浴溫度（2080 ）水浴溫度測(cè)量選用SARN-23000-M27-300/150-10帶溫度變送器熱電偶。圖8 SARN-23000-M27-300/150-10帶溫度變送器熱電偶3.3.1工作原理及應(yīng)用熱電偶在工作狀態(tài)下所測(cè)得的熱電勢(shì)（電阻）的變化，經(jīng)過溫度變送器的電橋產(chǎn)生不平衡信號(hào)，經(jīng)放大后轉(zhuǎn)換成為4-20mA電信號(hào)給工作儀表，工作儀表便顯示所對(duì)應(yīng)的溫度值。通常和顯示儀表、記錄儀表、電子計(jì)算機(jī)等配套使用，輸出4-20mA，直接測(cè)量生產(chǎn)現(xiàn)場存在碳氯化合物等爆炸物的-200-1300范圍內(nèi)液體、蒸汽的氣體質(zhì)以及固體表面溫度。3.3.2主要特點(diǎn)1二線制輸出4-20mA，抗干擾能力強(qiáng)；2節(jié)省補(bǔ)償導(dǎo)線及安裝溫度變送器費(fèi)用；3測(cè)量范圍大；4冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償，非線性校正電路。3.3.3技術(shù)指標(biāo)表5主要技術(shù)指標(biāo)基本誤差基本誤差=熱電偶允差對(duì)應(yīng)輸出基本誤差+變送器精度（0.2%）輸出的基本誤差負(fù)載電阻0-500輸出信號(hào)4-20mA供電電源變送器工作電源電壓最低12VDC，最高35VDC，額定工作電壓24VDC環(huán)境溫度2580（危險(xiǎn)場所不高于70）。相對(duì)濕度595RH熱電偶類型E分度號(hào)|鎳鎘-銅鎳熱電偶對(duì)數(shù)單支式|通常接線端子為2個(gè)安裝固定裝置螺紋M272接線盒形式防水式熱電偶外徑 mm16mm常用熱電偶保護(hù)管材料1Cr18Ni9Ti測(cè)溫元件形式傳統(tǒng)裝配式芯子熱電偶精度等級(jí)II級(jí)變送器量程01503.3.4誤差分析導(dǎo)熱誤差，溫度計(jì)在水中插入的深度影響觀測(cè)值（插入太深，測(cè)量值偏高；插入太淺，測(cè)量值偏低）3.3.5注意事項(xiàng)溫度計(jì)以適當(dāng)?shù)拈L度直立插入水中。3.4水位測(cè)量補(bǔ)水箱上位安裝，距地面2m，其水位要求測(cè)量并控制，以適應(yīng)不同流速的需要，水位變動(dòng)范圍200mm500mm。在此我選用型號(hào)為UHZ-517C16耐腐蝕PPR型磁翻柱液位計(jì)，由于此儀表輸出信號(hào)穩(wěn)定性好，防水、防污、防腐蝕性能好，準(zhǔn)確度高，便于信號(hào)遠(yuǎn)傳，便于對(duì)補(bǔ)水箱水位進(jìn)行讀取。圖9 UHZ-517C16耐腐蝕PPR型磁翻柱液位計(jì)3.4.1 工作原理 液位計(jì)根據(jù)浮力原理和磁性耦合作用原理工作的。當(dāng)被測(cè)容器中的液位升降時(shí)，液位計(jì)主導(dǎo)管中的浮子也隨之升降，浮子內(nèi)的永久磁鋼通過磁耦合傳遞到現(xiàn)場指示器，驅(qū)動(dòng)紅白翻柱轉(zhuǎn)180，當(dāng)液位上升時(shí)，翻柱由白色轉(zhuǎn)為紅色，當(dāng)液位下降時(shí)翻柱由紅色轉(zhuǎn)為白色，指示器的紅、白界位處為容器內(nèi)介質(zhì)液位的實(shí)際高度，從而實(shí)現(xiàn)液位的指示。3.4.2特點(diǎn) 1使用被測(cè)介質(zhì)廣泛，可測(cè)油、水及與316不銹鋼兼容的糊狀物，具有一定的防腐能力；2高準(zhǔn)確度、高穩(wěn)定性、選用進(jìn)口原裝傳感器，線性好，溫度穩(wěn)定性高；3體積小、重量輕、安裝、調(diào)試、使用方便；4不銹鋼全封閉外殼，防水好；5壓力傳感器直接感測(cè)被測(cè)液位壓力，不受介質(zhì)起泡、沉積的影響；6輸出信號(hào)穩(wěn)定性高易遠(yuǎn)傳。3.4.3 技術(shù)指標(biāo) 表6主要技術(shù)指標(biāo)測(cè)量范圍1508000mm，對(duì)中心距超過8000mm的或遠(yuǎn)輸條件不允許超過長度的液位計(jì)可采用分段制造。精 度0.5級(jí)負(fù)載電阻750使用環(huán)境溫度-2090工作壓力0.6MPa1.0MPa外殼材料PPR介質(zhì)粘度0.4Pa.s,對(duì)于粘度大的介質(zhì)或測(cè)量溫度低時(shí)易結(jié)晶的介質(zhì),可選用加熱夾套型液位計(jì)供電電壓12-36VDC輸出信號(hào)4-20mA介質(zhì)密度0.52.0g/cm3環(huán)境振動(dòng)頻率25Hz振幅0.5mm過程連接旁路側(cè)面安裝法蘭；DN25,PN1.0凸面3.4.4 誤差分析： 1 壓力的泄漏；2 引壓管道的摩擦損失；3 液體介質(zhì)的管路中積集氣體。3.4.5 注意事項(xiàng)： 1 腐蝕或過熱的介質(zhì)不能與變送器直接接觸；2 防止渣子在引壓管內(nèi)部沉積；3 盡可能短地使用引壓管；4 兩引壓管里的液壓高度應(yīng)保持平衡；3.5流量測(cè)量實(shí)驗(yàn)管內(nèi)流體流量需要測(cè)量，管徑25mm，流量范圍0.54m3/h。考慮到被測(cè)流量為微小流量，并且被測(cè)流體為人工配制的易結(jié)垢的高硬度水或是含有固體微粒等致垢物質(zhì)的流體，考慮到它的腐蝕性，選用了一體式電磁流量計(jì)（DN100，精度0.5）型號(hào)：HM69-EMF。圖10 一體式電磁流量計(jì)HM69-EMF3.5.1工作原理一體式電磁流量計(jì)是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律制定，用來測(cè)量導(dǎo)電流體的體積流量。由于獨(dú)特的特點(diǎn)，目前已廣泛地應(yīng)用于工業(yè)上各種導(dǎo)電液體的測(cè)量。電磁流量計(jì)特別設(shè)計(jì)了帶背光寬溫的中文液晶顯示器，功能齊全實(shí)用、顯示直觀、操作使用方便，可以減少其他電磁流量計(jì)英文菜單所帶來的不便。另外設(shè)計(jì)4-6多電極結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步保證了測(cè)量精度并且任何時(shí)候無需接地環(huán)，減輕了儀表體積和安裝維護(hù)的麻煩。電磁流量計(jì)在滿足現(xiàn)場顯示的同時(shí)，還可以輸出420mA電流信號(hào)供記錄、調(diào)節(jié)和控制用。3.5.2特點(diǎn) 1 儀表結(jié)構(gòu)簡單、可靠，無可動(dòng)部件，工作壽命長；2 無截流阻流部件，不存在壓力損失和流體堵塞現(xiàn)象；3 無機(jī)械慣性，響應(yīng)快速，穩(wěn)定性好，可應(yīng)用于自動(dòng)檢測(cè)、調(diào)節(jié)和程控系統(tǒng)；4 測(cè)量精度不受被測(cè)介質(zhì)的種類及其溫度、粘度、密度、壓力等物理的影響；5 采用聚四氟乙烯或橡膠材質(zhì)襯里和Hc、Hb、316L、Ti等電極材料的不同組合可適應(yīng)不同介質(zhì)的需要；6 備有管道式、插入式等多種流量計(jì)型號(hào)；7 采用EEPROM存貯器，測(cè)量運(yùn)算數(shù)據(jù)存貯保護(hù)安全可靠；8 具備一體化和分離型兩種型式；9 高清晰度LCD背光顯示。3.5.3技術(shù)參數(shù)表7儀表精度管道式0.2、0.5級(jí)、1.0級(jí)；插入式2.5級(jí)測(cè)量介質(zhì)流速范圍工作壓力環(huán)境溫度介質(zhì)溫度外殼防護(hù)輸出信號(hào)通訊輸出電氣連接電源電壓最大功耗電導(dǎo)率大于5S/cm的各種液體和液固兩相流體0.215m/s4.0MPa-40+70聚四氟乙烯襯里180 橡膠材質(zhì)襯里65IP65420mA.DC，負(fù)載電阻0750RS485或CAN總線M201.5內(nèi)螺紋，10電纜孔85265V.AC、2410%V.DC20W3.5.4誤差分析1管內(nèi)液體未充滿2液體中含有固相液體中含有粉狀、顆?；蚶w維等固體，可能產(chǎn)生的故障有：漿液噪聲；電極表面玷污；導(dǎo)電沉積層或絕緣沉積層覆蓋電極或襯里；襯里被磨損或被沉積物覆蓋，流通截面積縮小；3液體電導(dǎo)率超過允許范圍引發(fā)的問題液體導(dǎo)電率若接近下限值也有可能出現(xiàn)晃動(dòng)現(xiàn)象。3.5.5注意事項(xiàng)1水平安裝，要使兩電極在同一水平面上，并保證測(cè)量導(dǎo)管都充滿液體2安裝地點(diǎn)要遠(yuǎn)離一切磁源3流量計(jì)前必須有10D左右的直管道，以消除各種局部阻力對(duì)流線分布對(duì)稱性的影響。3.6差壓由于結(jié)垢導(dǎo)致管內(nèi)流動(dòng)阻力增大，需要測(cè)量流動(dòng)壓降，范圍為050mm水柱。由于被測(cè)流體為高硬度水并且差壓較小，所以我選用PTP801一體化型微差壓傳感器（液壓）。圖11 PTP801一體化型微差壓傳感器（液壓）3.6.1特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)采用OEM硅壓阻式差壓充油芯體組裝而成。外殼為全不銹鋼結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的耐腐蝕性，兩個(gè)壓力接口為M201.5螺紋連接, 可直接安裝在測(cè)量管道上或通過引壓管連接。應(yīng)用于航空，航天，汽車，醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域的差壓、液位、流量測(cè)控等。 3.6.2主要技術(shù)參數(shù)表8量程010KPa35MPa綜合精度0.1%FS、0.3%FS、0.5%FS輸出信號(hào)420mA(二線制)、05V、15V、010V(三線制)供電電壓24DCV(936DCV)介質(zhì)溫度