檢測技術及儀表課程設計報告

1、過程檢測技術及儀表課程設計第一章 緒論1.1課程設計目的針對 “應用技術主導型 ”普通工科高等教育的特點，從工程創(chuàng)新的理念出發(fā)，以工程思維模式為主，旨在培養(yǎng)突出 “實踐能力、創(chuàng)新意識和創(chuàng)業(yè)精神 ”特色的、適應當前經(jīng)濟社會發(fā)展需要的 “工程應用型人才 ”。通過在模擬的實戰(zhàn)環(huán)境中系統(tǒng)鍛煉， 使學生的學習能力、 思維能力、 動手能力、工程創(chuàng)新能力和承受挫折能力都得到綜合提高。 以增強就業(yè)競爭力和工作適應力。1.2 課題介紹本課設題目以多功能動態(tài)實驗裝置為對象， 要求綜合以前所學知識， 完成此實驗裝置所需參數(shù)的檢測。 設計檢測方案， 包括檢測方法， 儀表種類選用以及需要注意事項，并分析誤差產(chǎn)生的原因等

2、等。1.3實驗背景知識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(jīng)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。1.4實驗原理1.4.1檢測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。這里選擇熱學法中的污垢熱阻法。1過程檢測

3、技術及儀表課程設計1.4.2熱阻法原理簡介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式表示：mf1Rfff ff（1-1 ）圖 1-1清潔和有污垢時的溫度分布及熱阻通常測量污垢熱阻的原理如下：設傳熱過程是在熱流密度 q 為常數(shù)情況下進行的，圖1a 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：1/U cR1cRwR2c（ 1-2 ）圖 1b 為兩側有污垢時的溫度分布，其總傳熱熱阻為：1/ U fR1 fRf 1RwRf 2R2 f（ 1-3 ）忽略換熱面上污垢的積聚對壁面與流體的對流傳熱系數(shù)影響，則可認為

4、R1cR1 f , R2 cR2 f（ 1-4 ）于是兩式相減得：Rf 1Rf 211U fU c（ 1-5 ）該式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)的測量而間接測量出來。實驗研究或實際生產(chǎn)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：1/ U fR1cRw R f R2 f(Ts1, fTb ) / q）（ 1-62過程檢測技術及儀表課程設計1 / U c R1c R w R2 c (Ts1,c Tb ) / q（ 1-7 ）若在結垢過程中， q、 Tb 均得持不變，且同樣假定R2 cR2 f（ 1-8 ）則兩

5、式相減有：Rf(Ts1, f Ts1,c ) / q（ 1-9 ）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。1.5實驗裝置圖 1-2多功能動態(tài)模擬實驗裝置外形圖如圖所示的實驗裝置是東北電力大學節(jié)能與測控研究中心楊善讓教授課題組基于測量新技術軟測量技術開發(fā)的多功能實驗裝置。本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。 管內流體一般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。3過程檢測技術及儀表課程設計1- 恒溫槽體； 2- 試驗管段； 3- 試驗管入口壓力；4- 管段

6、出口溫度測點；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- 電加熱管圖 1-3實驗裝置流程圖1.6 需要檢測和控制的主要參數(shù)(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循環(huán)水泵，以適應不同流速的需要，水位變動范圍 200mm500mm；(3) 流量：實驗管內流體流量需要測量，管徑 25mm，流量范圍0.54m3/h；(4) 差壓：由于結垢導致管內流

7、動阻力增大，需要測量流動壓降，范圍為 050mm水柱。4過程檢測技術及儀表課程設計第二章被測參數(shù)及儀表選用2.1 實驗管進出口溫度測量2.1.1 儀表的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(shù)可知，試驗管流體進、出口的溫度為20 40 ，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

8、廣泛應用于工業(yè)測溫，而且被制成標準的基準儀。 目前應用最廣泛的熱電阻材料是鉑和銅：鉑電阻精度 高，適用于中性和氧化性介質，穩(wěn)定性好，具有一定的非線性，溫度越高電阻變 化率越?。汇~電阻在測溫范圍內電阻值和溫度呈線性關系，溫度線數(shù)大，適用于 無腐蝕介質， 超過 150 易被氧化。 國內最常用的有 R0=10 、R0=100 和 R0=1000 等幾種， 它們的分度號分別為 Pt10 、 Pt100 、 Pt1000 ； 銅電阻有 R0=50 和 R0=100 兩種，它們的分度號為 Cu50 和 Cu100。其中Pt100 和 Cu50 的應用最為廣泛。本設計中選用了WZPK-233S|鎧裝 Pt1

9、00熱電阻。熱電阻在環(huán)境溫度為15 35 C，相對濕度不大于 80%，試驗電壓為 10 100V（直流）電極與外套管之間 的絕緣電阻 100M 。鎧裝熱電阻是利用物質在溫度變化時， 其電阻也隨著發(fā)生變化的特征來測量溫度的。當阻值變化時，工作儀表便顯示出阻值所對應的溫度值。2.1.2 儀表的特點鎧裝鉑電阻作為一種溫度傳感器，它比裝配式鉑電阻直徑小，易彎曲，適宜安裝在管道狹窄和要求快速反應、微型化等特殊場合。 其可對 -200600溫度范圍內的氣體、液體介質和固體表面進行自動檢測，并且可直接用銅導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、 調節(jié)5過程檢測技術及儀表課程

10、設計器、 掃 描器、數(shù)據(jù)記錄儀以及電腦提供精確的輸入值。 鎧裝電阻外保護管采用不銹鋼， 內充滿高密度氧化物質絕緣體，因此它具有很強的抗污染和優(yōu)良的機械強度，適合安裝在環(huán)境惡劣的場合。圖 2 -1 WZPK -233S 鎧裝薄膜鉑熱電阻2.1.3 儀表的參數(shù)及結構表 2-1鎧裝薄膜鉑熱電阻外徑安裝固定裝置標準尺安裝固定裝置標準尺鎧裝薄膜熱電阻外徑(d)5436D直徑 60直徑 50D0直徑 42直徑 36D1直徑 24直徑 20d0直徑 9直徑 7S2219有表一可知，本次設計中的管徑為 25mm,所以選用電阻外徑為 4m、5m、6m 的熱電阻都可以。圖 2-2熱電阻測量端結構圖2.1.4 測量

11、注意事項在使用過程中注意以下產(chǎn)生誤差的可能性：(1) 通電發(fā)熱誤差。由于電阻通電后會產(chǎn)生自升溫現(xiàn)象，從而帶來測量誤6過程檢測技術及儀表課程設計差。但可用傳熱條件好的溫度計來盡可能減少。(2) 熱電阻的引線對測量結果會有較大的影響。三線制接法可補償連接導線的電阻引起的測量誤差。2.1.5 誤差分析（1）分度誤差。該誤差取決于材料純度和加工工藝。（2）通電發(fā)熱誤差。由于通電后會產(chǎn)生自升溫現(xiàn)象，從而帶來測量誤差，該誤差無法消除，但可用規(guī)定最大電流 6mA。（3）線路電阻不同或變化引入的測量誤差?？赏ㄟ^串聯(lián)電位器調整，此外規(guī)定三線、四線接線方法也可以減小誤差。（4）附加熱電動勢。電阻絲與引線點處構成熱

12、偶，若節(jié)點溫度不同將產(chǎn)生附加電動勢， 對于測量回路可能產(chǎn)生影響?？赏ㄟ^節(jié)點靠近， 同溫等方法減小或消除。（5）熱電阻安裝時， 其插入深度不小于熱電阻保護管外徑的 8-10 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。（6）熱電阻在使用中為了減小輻射熱和熱傳導所產(chǎn)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(shù)。2.2 實驗管壁溫度測量實驗管道在恒溫水槽中，通過與水槽中的水進行熱交換傳熱，壁溫范圍2080 。2.2.1 檢測方法設計以及依據(jù)由測量情形可知管壁溫度用一般的熱電偶和熱電阻都不易測量， 測溫環(huán)境要求測溫儀器可以附著在管壁表面

13、， 需要在測溫點將水浴與管壁分開， 面積又不能太大，否則影響換熱。 接觸式測溫中熱電阻和熱電偶比較適合， 但熱電偶冷端處理困難，且溫差較小誤差大。 用光刻技術制作一個薄片熱電阻外層加上隔熱層貼在管壁溫度側點上，三組值同時測量取平均值，以達到精確測溫效果。2.2.2 儀表種類選用以及設計依據(jù)膜式鉑電阻是近年來發(fā)達國家的一種鉑熱電阻新技術， 這種新型熱電阻是有外型尺寸小、靈敏度高、響應快、絕緣性能好、穩(wěn)定性好、耐震耐腐蝕使用壽命長等優(yōu)點，特別是 pt500 和 Pt1000 Pt2000 高阻值熱電阻，其分辨率相當于常規(guī)鉑電阻 pt100 的 510 倍。7過程檢測技術及儀表課程設計2.2.3 測

14、量注意事項以及誤差分析（1）水浴與管壁分開的面積太大，影響流體的流量及換熱。所以溫度計的體積應盡可能小。（2）外界環(huán)境變化會影響管壁溫度，故使外界環(huán)境溫度保持穩(wěn)定。（3）固定螺紋或者固定法蘭安裝。（4）由于熱電阻與儀表之間一般都有一段較長的距離, 因此兩根連接導線的電阻隨溫度的變化 , 將同熱電阻阻值的變化一起加在不平衡電橋的一個臂上, 使測量產(chǎn)生較大的誤差。 為減小這一誤差 , 一般在測溫熱電阻與儀表連接時 , 采用三線制接法。2.3 水浴溫度測量2.3.1 檢測方法設計以及依據(jù)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

15、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。2.3.2 熱電偶工作原理熱電偶溫度計由三部分組成： 1、熱電偶（感溫元件）； 2、測量儀表； 3、連接熱電偶和測量儀表的導線（補償導線及銅線）。圖 2-3最簡單的熱電偶測溫系統(tǒng)它是由兩種不同材料的導體A 和 B 焊接而成，焊接的一端插入被測介質中，感受被測溫度，稱為工作端或熱端，另一端與導線相連，稱為冷端或自由端。兩種不同成分的導體兩端經(jīng)焊接、形成回路， 直接測溫端叫測量端， 接線端子端叫8過程檢測技術及儀表課程設計參比端。當測量端和參比端存在溫差時， 就會在回路產(chǎn)生熱電流，

16、接上顯示儀表，儀表上就批示出熱電偶所產(chǎn)生的熱電流， 接上顯示儀表， 儀表上就批示同熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢的溫度值。2.3.3儀表種類選用以及依據(jù)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( 200 200), 穩(wěn)定性好 , 低溫時靈敏度高并且價格低廉。分度號為T。圖 2-4銅鎳銅熱電偶測溫器2.3.4測量注意事項及誤差分析（1）測溫點的選擇熱電偶的安裝位置， 即測溫點的選擇是最重要的。測溫點的位置， 對于工藝過程而言，一定要具有典型性、代表性，否則將失去測量意義。（2）插入深度熱電偶插入被測場所時， 沿著傳感器的長度方向將產(chǎn)生熱流。當環(huán)境溫度低時就會有熱損失。致使熱電偶

17、與被測對象的溫度不一致而產(chǎn)生測溫誤差?？傊蔁醾鲗Ф鸬恼`差，與插入深度有關。2.4 水位測量2.4.1 檢測方法設計以及依據(jù)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(shù)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。此外，實驗裝置要求水位還可控制，以適應不同流速的需要。 所以這里我們9過程檢測技術及儀表課程設計把電容傳感器輸出

18、的信號傳遞給一個單片機系統(tǒng)， 并且通過一個顯示裝置 （數(shù)碼管或 LCD）得以顯示該水位。通過單片機對信號的分析運算，使得當補水箱內的水位超出水位變動范圍（ 200500mm）時，產(chǎn)生一個信號使得循環(huán)水泵開始工作以調節(jié)水位。圖 2-5補水箱水位測量及控制總體框圖2.4.2儀表種類選用以及依據(jù)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(jīng)過比較分析， 我們采用某生產(chǎn)廠家生產(chǎn)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

19、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。2.4.3 測量注意事項（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10過程檢測技術及

20、儀表課程設計種電路結構方式。（3）注意得使用高頻電路。2.5流量測量2.5.1 儀表的選擇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，并且考慮到管內有污垢，水并不潔凈，用接觸法測量會導致測量儀器的表面結垢， 影響測量的精度 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 2-6 XJ-LDC系列分體式電磁流量計2.5.2儀表的工作原理分體式電磁流量計是一種根據(jù)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， 采用單片機嵌入式技術， 實現(xiàn)數(shù)字勵磁， 同時在電磁流量計上采用

21、CAN現(xiàn)場總線，屬國內首創(chuàng)，技術達到國內領先水平。XJ-LDC 系列分體式電磁流量計在滿足現(xiàn)場顯示的同時，還可以輸出4 20mA電流信號供記錄、調節(jié)和控制用，現(xiàn)已廣泛地應用于化工、環(huán)保、冶金、醫(yī)藥、造紙、給排水等工業(yè)技術和管理部門。 電磁流量計除可測量一般導電液體的流量外，還可測量液固兩相流，高粘度液流及鹽類、強酸、強堿液體的體積流量。2.5.3儀表的主要特點11過程檢測技術及儀表課程設計儀表結構簡單、可靠，無可動部件，工作壽命長。無截流阻流部件，不存在壓力損失和流體堵塞現(xiàn)象。無機械慣性，響應快速，穩(wěn)定性好，可應用于自動檢測、調節(jié)和程控系統(tǒng)。測量精度不受被測介質的種類及其溫度、粘度、密度、壓力

22、等物理量參數(shù)的影響。采用聚四氟乙烯或橡膠材質襯里和Hc、 Hb、316L、Ti 等電極材料的不同組合可適應不同介質的需要。備有管道式、插入式等多種流量計型號。采用 EEPROM存貯器，測量運算數(shù)據(jù)存貯保護安全可靠。具備一體化和分離型兩種型式。2.5.4儀表的技術指標儀表精度：管道式0.5 級、 1.0 級；插入式 2.5 級測量介質：電導率大于5S/cm 的各種液體和液固兩相流體。流速范圍： 0.2 8m/s工作壓力： 1.6MPa環(huán)境溫度： -40 +50介質溫度：聚四氟乙烯襯里180；橡膠材質襯里 65。2.5.5誤差分析（1）當管道中有氣泡時，會產(chǎn)生誤差，所以應該保證流體流動穩(wěn)定，無氣泡

23、。（2）周圍存在電磁干擾會是傳感器產(chǎn)生誤差，應注意避免電磁干擾。2.6 差壓測量2.6.1 檢測方法設計以及依據(jù)首先，測量管道的管徑較小使得我們不能采用安裝體積較大的差壓計， 且實驗裝置給出的壓降范圍為 050mm水柱（ 500Pa），它是一個很小的差壓，用普通的差壓計測量方法很難精確的測量，因此我們選用 U 型管差壓計。2.6.2 儀表種類選用以及依據(jù)針對差壓范圍 050mm水柱，我們選用某廠家生產(chǎn)的 C1系列注模壓差計。 它采用垂直 +傾斜型的結構和低揮發(fā)紅油。測量范圍很廣，在小讀數(shù)時讀數(shù)也很方12過程檢測技術及儀表課程設計便，可以測量正壓，負壓和差壓。它的技術指標如下：介質：空氣和非易燃，兼容的氣體。外殼：白色 ABS塑料精度：滿刻度的 3%內部最大工作壓力：70 KPa過壓保護：溢流管可以緩解中等過壓最大工作溫度： 85C表 2-3 差壓表的型號及范圍型號范圍使用液體C1-30-3 英寸水柱紅油C1-800-80 毫米水柱紅油C1-700PA10-0-700PA紅油圖 2-