過程檢測技術(shù)與儀表課程設(shè)計(jì)

1、課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告學(xué)生姓名:學(xué) 號：學(xué) 院:自動(dòng)化工程學(xué)院班 級:題 目:過程檢測技術(shù)與儀表指導(dǎo)教師： 職稱: 指導(dǎo)教師： 職稱: 2013年 7月 12日目錄第一章 課題意義1第二章 設(shè)計(jì)任務(wù)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(jù)54.1流體進(jìn)出口測溫儀表選擇54.1.1儀表工作原理64.1.2注意事項(xiàng)與誤差分析64.2實(shí)驗(yàn)管壁溫測量64.2.1儀表工作原理74.2.2 注意事項(xiàng)和誤差分析74.3水浴溫度測量74.4補(bǔ)水箱水位測量84.4.1工作原理94.4.2 注意事項(xiàng)和誤差分析94.5流量測量94.5.1工作原理104

2、.5.2 注意事項(xiàng)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(xiàn)13 第一章 課題意義換熱設(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。20世紀(jì)70年代，特別是80年代后期以來的能源危機(jī)，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(guān)注”的狀況開始有所轉(zhuǎn)變。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，污垢研究在其他相關(guān)學(xué)科的發(fā)展特別是計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)飛速發(fā)展的推動(dòng)下，借助國際

3、合作研究的良好氛圍，在預(yù)測、監(jiān)測和對策三個(gè)發(fā)展方向上都蓬勃開展起來。近10年來，基于污垢形成機(jī)理認(rèn)識的逐步深入，污垢的預(yù)測和模擬都取得了明顯進(jìn)展。然而換熱設(shè)備污垢形成的影響因素眾多，是在動(dòng)量、能量、質(zhì)量傳遞以及生物活動(dòng)同時(shí)存在的多相、多組分流動(dòng)過程中進(jìn)行的，其理論基礎(chǔ)除傳熱傳質(zhì)學(xué)外，還涉及到化學(xué)動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)、膠體化學(xué)、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理、微生物學(xué)、非線性科學(xué)以及表面科學(xué)等相關(guān)學(xué)科，是一個(gè)典型的多學(xué)科交叉的高度復(fù)雜問題，因而對其機(jī)理的清晰理解和準(zhǔn)確把握仍是一項(xiàng)極為艱巨的任務(wù)。在20世紀(jì)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(shí)驗(yàn)研究作了形象的概括，指出了發(fā)展趨勢；Pinh

4、ero則比較了當(dāng)時(shí)已有的各預(yù)測模型，找出其共同點(diǎn)，為建立一個(gè)通用模型做了十分有意義的工作；而且，Melo也對這期間的進(jìn)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(yù)期目標(biāo)仍然相當(dāng)遙遠(yuǎn)！ 進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，尋求對污垢形成機(jī)理的理解，定量預(yù)測污垢增長率，為換熱設(shè)備的設(shè)計(jì)者和運(yùn)行人員提供一個(gè)可信而適用的預(yù)測模型的努力仍然歷艱而彌堅(jiān)，涌現(xiàn)出了不少有意義的成果。污垢形成的五個(gè)階段（起始，輸運(yùn)，附著，老化，剝蝕）中，輸運(yùn)、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(xué)反應(yīng)污垢、生物污垢、凝固污垢等。 第二章 設(shè)計(jì)任務(wù) 該實(shí)驗(yàn)裝

5、置上，需要檢測和控制的參數(shù)主要有：1、溫度：包括實(shí)驗(yàn)管流體進(jìn)口（2040）、出口溫度（2080 ）、實(shí)驗(yàn)管壁溫（2080 ）以及水浴溫度（2080 ） 2、水位：補(bǔ)水箱上位安裝，距地面2m，其水位要求測量并控制，以適應(yīng)不同流速的需要，水位變動(dòng)范圍200mm500mm3、流量：實(shí)驗(yàn)管內(nèi)流體流量需要測量，管徑25mm，流量范圍0.54m3/h4、差壓：由于結(jié)垢導(dǎo)致管內(nèi)流動(dòng)阻力增大，需要測量流動(dòng)壓降，范圍為050mm水柱125834679101112220V 1-恒溫槽體；2-試驗(yàn)管段；3-試驗(yàn)管入口壓力；4-管段入口溫度測點(diǎn)；5-管壁溫度測點(diǎn)；6-管段出口溫度測點(diǎn)；7-試驗(yàn)管出口壓力；8-流量測量

6、；9-集水箱；10-循環(huán)水泵；11、補(bǔ)水箱；12-電加熱 圖2-1實(shí)驗(yàn)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(xué)法和非傳熱量的污垢監(jiān)測法。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)測法又有直接稱重法、厚度測量法、壓降測量法、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)測方法中，對換熱設(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： （3-

7、1）3.2測量污垢熱阻的原理設(shè)傳熱過程是在熱流密度q為常數(shù)情況下進(jìn)行的，圖3-1（a）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： （3-2）圖3-1（b）為兩側(cè)有污垢時(shí)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(shù)影響不大，則可認(rèn)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(shù)的測量而間接測量出來。實(shí)驗(yàn)研究或?qū)嶋H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(cè)有污垢存在，則有： （3-5） （3-6）若在結(jié)垢過程中，q

8、、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(cè)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(jù)4.1流體進(jìn)出口測溫儀表選擇由于實(shí)驗(yàn)裝置的進(jìn)出口管直徑較小，采用體積較大的溫度計(jì)會增加流動(dòng)阻力，從而影響流速。而且由給定的參數(shù)可知，試驗(yàn)管流體進(jìn)、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(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。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(diǎn)是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中

9、鉑熱電阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)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(jī)械設(shè)備、管道內(nèi)介質(zhì)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(jì)是利用金屬導(dǎo)體或金屬氧化物半導(dǎo)體做測溫物質(zhì)，利用導(dǎo)體或半導(dǎo)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(chǎn)中經(jīng)常用來測量-200850區(qū)間內(nèi)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

10、PT100，PT100在0時(shí)阻值為100，用較細(xì)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(fù)現(xiàn)性好。鉑熱電阻的參考函數(shù)在0上，下溫區(qū)各不相同，但參考函數(shù)的系數(shù)相同，其數(shù)學(xué)模型為 當(dāng)-2000時(shí) Rt=R0（1+At+Bt2） (4-1) 當(dāng)0850時(shí) Rt=R01+At+Bt2+Ct3(t-100) (4-2) A=3.9083×10-3/; B=-5.775×10-7/; C=-4.183×10-12/4.1.2注意事項(xiàng)與誤差分析 （1）由于熱電阻通電后會產(chǎn)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。

11、（2）熱電阻安裝時(shí),其插入深度不小于熱電阻保護(hù)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(dǎo)所產(chǎn)生的誤差,應(yīng)盡量使保護(hù)套管表面和被測介質(zhì)溫度接近,減小熱電阻保護(hù)套管的黑色系數(shù)。 （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(diào)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(dòng)勢。電阻絲與引線接點(diǎn)處構(gòu)成熱偶，若節(jié)點(diǎn)溫度不同將產(chǎn)生附加熱電動(dòng)勢，對于測量回路可能產(chǎn)生影響。4.2實(shí)驗(yàn)管壁溫測量 由于該實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)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

12、，選用BD-WR鎧裝熱電偶進(jìn)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(hù)套管整體拉制而成，可以任意彎曲，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格比較高，比普通裝配式熱電偶的響應(yīng)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(zhǔn)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(xué)中的熱電現(xiàn)象制成的測溫傳感器。當(dāng)兩種不同材料的導(dǎo)體A和B構(gòu)成閉合回路時(shí)，如果兩個(gè)接觸端溫度不同時(shí)回路中將產(chǎn)生電流，這種現(xiàn)象被稱為熱電現(xiàn)象。相應(yīng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢稱為熱電動(dòng)勢，AB構(gòu)成的閉合回路稱為熱電偶。14.2.2 注意事項(xiàng)和誤差分析從熱電偶的測溫原理可知，熱電動(dòng)勢的大小不僅與熱端溫度

13、有關(guān)，而且也與冷端溫度有關(guān)，只有當(dāng)冷端溫度固定不變，才能通過熱電動(dòng)勢的大小去判斷熱端溫度的高低。當(dāng)冷端溫度波動(dòng)較大時(shí)，必須先對熱電偶進(jìn)行冷端補(bǔ)償和處理。1下面是幾種冷端補(bǔ)償方法： （1）補(bǔ)償導(dǎo)線法 （2）參比端恒溫法 （3）計(jì)算修正法 （4）冷端補(bǔ)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(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。由實(shí)驗(yàn)裝置要求分析，水槽內(nèi)水浴溫度是一個(gè)存在一定變化的物理量，而水浴溫度又通過穩(wěn)控器來實(shí)時(shí)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208

14、0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(yīng)用得很普遍的熱電偶,測量溫度范圍(200200),穩(wěn)定性好,低溫時(shí)靈敏度高并且價(jià)格低廉。 . 圖4-3銅鎳銅熱電偶4.4補(bǔ)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(shí)驗(yàn)裝置補(bǔ)水箱內(nèi)水為人工配制的易結(jié)垢的高硬度水或是含有固體微粒等致垢物質(zhì)。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(zhì)的導(dǎo)電率，將液位變化轉(zhuǎn)換成電容變化來進(jìn)行測量的一種液位計(jì)。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(dòng)態(tài)響應(yīng)好、無自熱現(xiàn)象、對惡劣

15、環(huán)境的適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。所以，我們采用此方法來測量補(bǔ)水箱內(nèi)的水位。常見的電容傳感器測量電路有變壓器電橋式、運(yùn)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(jì)，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(jì)有以下特點(diǎn)： （1）結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，安裝維護(hù)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

16、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(hù)。 圖4-4電容式液位計(jì)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(shè)計(jì)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(zhì)性質(zhì)的變化，所以電容式液位計(jì)可做成很多形式。4.4.2 注意事項(xiàng)和誤差分析 （1）電容式液位計(jì)應(yīng)垂直安裝，并固定以防止晃動(dòng)引起的誤差。 （2）應(yīng)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(jié)構(gòu)方式。 （3

17、）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(jì)，但在這次試驗(yàn)中，由于要對試驗(yàn)管內(nèi)的液體流量進(jìn)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(nèi)有污垢，水并不潔凈，用接觸法測量會很容易導(dǎo)致測量儀器的表面結(jié)垢，影響測量的精度，嚴(yán)重的話會損害流量計(jì)。因此考慮非接觸式測量方法。電磁流量計(jì)是非常好的選擇。在這里選用XJ-LDC系列分體式電磁流量計(jì)。 圖4-5電磁流量計(jì)4.5.1工作原理電磁流量計(jì)是一種根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律來測量管內(nèi)導(dǎo)電介質(zhì)體積流量的感應(yīng)式儀表，即當(dāng)導(dǎo)電液體流過電磁流量計(jì)時(shí)，導(dǎo)體液體中會產(chǎn)生與平均流速 V 成正比的電壓，其感應(yīng)

18、電壓信號通過兩個(gè)與液體接觸的電極檢測，通過電纜傳至放大器，然后轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的輸出信號?？梢詼y量各種腐蝕性介質(zhì)：酸、堿、鹽溶液以及帶有懸浮顆粒的漿液。被測介質(zhì)在測量管內(nèi)，由于沒有阻滯部件，所以沒有壓力損失。此流量計(jì)無機(jī)械慣性，反應(yīng)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(xiàng)與誤差分析 （1）被測流量必須是導(dǎo)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(jì)額定工作壓力，一般不超過16×105Pa。 （4）溫度選擇。被測介質(zhì)溫度不能超過襯里材料的容許使用溫度，一般不超過20

19、0。誤差分析： （1）當(dāng)管道中有氣泡時(shí)，會產(chǎn)生誤差，所以應(yīng)該保證流體流動(dòng)穩(wěn)定，無氣泡。 （2）周圍存在電磁干擾會是傳感器產(chǎn)生誤差，應(yīng)注意避免電磁干擾。4.6差壓測量 實(shí)驗(yàn)管道進(jìn)出口的差壓可通過差壓計(jì)來測量，差壓計(jì)的兩個(gè)輸入端分別接在壓力測量點(diǎn)3和7處，輸出值即為入口和出口壓差。因?yàn)閴毫ψ兓秶。泄苤幸后w易結(jié)垢，故選用壓阻式應(yīng)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(yīng)。壓阻式壓力傳感器是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)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(kuò)散壓敏電阻，當(dāng)硅膜片受壓時(shí)，膜片的變形將使擴(kuò)散電阻的阻值發(fā)生變化。利用半導(dǎo)體材料的電