多功能動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1、目錄1.工程背景：22.溫度測量32.1檢測方法設(shè)計(jì)3熱電阻溫度計(jì)測進(jìn)出口溫度和水浴溫度3熱電偶溫度計(jì)測管壁溫度32.2設(shè)計(jì)依據(jù)32.3儀表種類選用3熱電阻溫度計(jì)選用鎧裝鉑電阻溫度計(jì)3熱電偶溫度計(jì)選用熱套式熱電偶溫度計(jì)42.4選用依據(jù)42.5測量注意事項(xiàng)42.6誤差分析53.水位測量53.1檢測方法設(shè)計(jì)：磁浮子液位計(jì)測水位53.2設(shè)計(jì)依據(jù)53.3儀表種類選用：UHC系列磁性浮子式液位計(jì)63.4選用依據(jù)63.5測量注意事項(xiàng)73.6誤差分析74.流量測量74.1檢測方法設(shè)計(jì)74.2設(shè)計(jì)依據(jù)84.3儀表種類選用：LUGB型渦街流量計(jì)94.4選用依據(jù)94.5測量注意事項(xiàng)94.6誤差分析95.差壓測量9

2、5.1檢測方法設(shè)計(jì)：用電容式差壓傳感器測差壓95.2設(shè)計(jì)依據(jù)105.3儀表種類選用：WS1151系列電容式壓力/差壓變送器105.4選用依據(jù)105.5測量注意事項(xiàng)105.6誤差分析116.參考文獻(xiàn)12多功能動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)1.工程背景：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。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。如圖1所示

3、的實(shí)驗(yàn)裝置是東北電力大學(xué)節(jié)能與測控研究中心楊善讓教授為首的課題組基于測量新技術(shù)軟測量技術(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1 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)

4、垢的高硬度水或是含有固體微粒等致垢物質(zhì)。1-恒溫槽體；2-試驗(yàn)管段；3-試驗(yàn)管入口壓力；4-管段出口溫度測點(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；9-集水箱；10-循環(huán)水泵；11-補(bǔ)水箱；12-電加熱管 圖2 實(shí)驗(yàn)裝置流程圖2.溫度測量2.1檢測方法設(shè)計(jì)2.1.1熱電阻溫度計(jì)測進(jìn)出口溫度和水浴溫度針對實(shí)驗(yàn)管內(nèi)的流體溫度在2080之間，屬于低溫范圍溫度測量。另外實(shí)驗(yàn)管道的管徑較小，為25mm，不宜采用體積較大的測溫儀表。考慮這些實(shí)際情況，采用熱電阻的溫度測量方法更為合理。電阻溫度計(jì)是利用金屬導(dǎo)體或金屬氧化物半導(dǎo)體做測溫質(zhì)，利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加

5、而增加這一特性來進(jìn)行溫度測量的。2.1.2熱電偶溫度計(jì)測管壁溫度熱電偶溫度計(jì)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(dǎo)線（補(bǔ)償導(dǎo)線及銅線）。它是有兩種不同材料的導(dǎo)體 A 和 B 焊接而成，焊接的一端插入被測介質(zhì)中，感受被測溫度，稱為工作端或熱端，另一端與導(dǎo)線相連，稱為冷端或自由端。兩種不同成分的導(dǎo)體兩端經(jīng)焊接、形成回路，直接測溫端叫測量端，接線端子端叫參比端。當(dāng)測量端和參比端存在溫差時(shí)，就會在回路地產(chǎn)生熱電流，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(dòng)勢的溫度值。2.2設(shè)計(jì)依據(jù)實(shí)驗(yàn)管流體進(jìn)、出口溫度，

6、管壁溫度和水浴溫度大約控制在之間，屬于低溫測量，所以只需采用簡單的接觸式溫度計(jì)即可。實(shí)驗(yàn)中，我們還需得到精度較高的溫度值并將其轉(zhuǎn)換為電信號輸出，低溫測量時(shí)熱電阻溫度計(jì)精度比熱電偶溫度計(jì)要高。所以綜合考慮選擇熱電阻溫度計(jì)較好。對于測量管壁溫度，由于熱電阻溫度計(jì)不好安裝，所以選用熱電偶溫度計(jì)。2.3儀表種類選用2.3.1熱電阻溫度計(jì)選用鎧裝鉑電阻溫度計(jì)鎧裝式鉑電阻溫度計(jì)通常由鎧裝鉑熱電阻感溫元件、安裝固定裝置和接線裝置等主要部件組成。圖3 鎧裝鉑電阻測量端結(jié)構(gòu)形式2.3.2熱電偶溫度計(jì)選用熱套式熱電偶溫度計(jì)適合于蒸汽管道、鍋爐及其他對溫度、壓力、流速有所要求的場所。主要用于測量電站蒸汽管道及鍋爐溫

7、度.結(jié)構(gòu)采用熱套保護(hù)管與電偶可分離方式,使用時(shí),用戶可將熱套焊接或機(jī)械固定在設(shè)備上,然后裝上電偶就可工作。圖4 熱套式熱電偶2.4選用依據(jù)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(yīng)、微型化等特殊場合。其可對-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，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。電阻外保護(hù)管采用不銹鋼，內(nèi)充滿高密度氧化物質(zhì)絕緣體，因此它具有很強(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。熱套式熱電偶主要用

8、于測量電站蒸汽管道及鍋爐溫度.結(jié)構(gòu)采用熱套保護(hù)管與電偶可分離方式,使用時(shí),用戶可將熱套焊接或機(jī)械固定在設(shè)備上,然后裝上電偶就可工作,它的優(yōu)點(diǎn)是提高了保護(hù)管的工作壓力和使用壽命,又便于電偶的維修或更換,目前這種結(jié)構(gòu)形式被國外廣泛采用。2.5測量注意事項(xiàng)熱電阻溫度計(jì)測量實(shí)驗(yàn)管進(jìn)、出口溫度時(shí)應(yīng)注意接線方式，采用三線制接線可較好地消除引線電阻的影響，測量準(zhǔn)確度高。 熱電偶的熱電動(dòng)勢是熱電偶工作端的兩端溫度函數(shù)的差，而不是熱電偶冷端與工作端兩端溫度差的函數(shù)；熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢的大小，當(dāng)熱電偶的材料是均勻時(shí)，與熱電偶的長度和直徑無關(guān)，只與熱電偶材料的成份和兩端的溫差有關(guān)；當(dāng)熱電偶的兩個(gè)熱電偶絲材料成份確

9、定后，熱電偶熱電勢的大小，只與熱電偶的溫度差有關(guān)；若熱電偶冷端的溫度保持一定，這進(jìn)熱電偶的熱電勢僅是工作端溫度的單值函數(shù)。2.6誤差分析分度誤差。該誤差取決于材料純度和加工工藝。通電發(fā)熱誤差。由于電阻通電后會產(chǎn)生自升溫現(xiàn)象，從而帶來測量誤差。該誤差無法消除，但可用規(guī)定最大電流6。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(diào)整，此外規(guī)定三線、四線接線方法也可以減小誤差。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)生附加電動(dòng)勢，對于測量回路可能產(chǎn)生影響。可通過節(jié)點(diǎn)靠近，同溫等方法減小或消除。3.水位測量3.1檢測方法設(shè)計(jì)：磁浮子液位計(jì)測水位磁浮子液位計(jì)根據(jù)浮力原理和磁性耦合

10、作用研制而成。它的結(jié)構(gòu)如圖6所示，主體是一根連通管體，通過法蘭與用戶容器連接，連通管體內(nèi)有一磁性浮子，隨著液位的升降而升降。管體外面固定由翻柱組成的指示器，翻柱由紅綠兩色組成，液位未上升前為綠色，當(dāng)被測容器中的液位升降時(shí)，液位計(jì)主體管中的磁性浮子也隨之升降，浮子內(nèi)的永久磁鋼通過磁耦合傳遞到磁翻柱指示器，驅(qū)動(dòng)紅、綠翻柱翻轉(zhuǎn)180°。當(dāng)液位上升時(shí)翻柱由綠色轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色，當(dāng)液位下降時(shí)翻柱由紅色轉(zhuǎn)變?yōu)榫G色，指示器的紅綠交界處為容器內(nèi)部液位的實(shí)際高度，從而實(shí)現(xiàn)液位清晰的指示。圖5 磁浮子液位計(jì)的結(jié)構(gòu)圖 圖6 磁浮子液位計(jì)的原理圖3.2設(shè)計(jì)依據(jù)基于水位測量，首先想到的是浮子式液位計(jì)，因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)簡單

11、，工作可靠，測量范圍較大，不易受到外界環(huán)境的影響，并且能連續(xù)指示水位。但由于試驗(yàn)流體為易結(jié)垢的高硬度水，久而久之，浮子也會受到腐蝕，導(dǎo)致浮子所受浮力發(fā)生變化，影響測量結(jié)果。另外，浮子上承受的力除重錘的重力外，還有繩索本身的重力，以及繩與滑輪之間的摩擦力等，它們隨位置和運(yùn)動(dòng)方向而改變，使浮子的吃水線相對于浮子上下移動(dòng)，也會帶來測量誤差?？紤]到上述因素，選擇了磁浮子液位計(jì)來測量補(bǔ)水箱的水位。它可用于各種塔、罐、槽、球型容器和鍋爐等設(shè)備的介質(zhì)液位檢測。該種液位計(jì)可以做到高密封，防泄漏和適用于高溫、高壓、耐腐蝕的場合。它彌補(bǔ)了玻璃板（管）液位計(jì)指示清晰度差、易破裂等缺陷，且全過程測量無盲區(qū)，顯示清晰、

12、測量范圍大。由于測量顯示部分不與介質(zhì)直接接觸，所以對高溫、高壓、有毒、有害、強(qiáng)腐蝕介質(zhì)更顯其優(yōu)越性。因此，它比傳統(tǒng)的玻璃板（管）液位計(jì)具有更高的可靠性、安全性、先進(jìn)性、實(shí)用性。3.3儀表種類選用：UHC系列磁性浮子式液位計(jì)本液位計(jì)在就地指示的基礎(chǔ)上還可制成帶上下限報(bào)警或電遠(yuǎn)傳。輸出4-20mA.DC標(biāo)準(zhǔn)信號，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程指示、控制及檢測。磁性浮子液位計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)：測量范圍：5008000mm精確度：±5mm ，±10mm（高溫型） 介質(zhì)密度：0.452g/cm介質(zhì)密度差：0.15g/cm（測量界位）介質(zhì)溫度：-80+450介質(zhì)粘度：0.4Pa.s，對于粘度大的介質(zhì)或溫度低時(shí)易

13、結(jié)晶的介質(zhì)，可根據(jù)用戶要求選用加熱夾套式液位計(jì)。環(huán)境振動(dòng)：頻率25HZ，振幅0.5mm接口法蘭：采用化工部1997年最新頒發(fā)的HG2059220635-97法蘭標(biāo)準(zhǔn)。圖7 UHC系列磁性浮子式液位計(jì)3.4選用依據(jù)由于本液位計(jì)直觀醒目、安全可靠，檢測功能齊全、測量范圍寬、使用壽命長、安裝維護(hù)方便等特點(diǎn)。所以廣泛用于石油、化工、電力、冶金、環(huán)保等部門的液位檢測與控制。它具有以下特點(diǎn)：適合容器內(nèi)液體介質(zhì)的液位、界面的測量。除現(xiàn)場指示，還可配 遠(yuǎn)傳變送器、報(bào)警開關(guān)、檢測功能齊全。指示新穎、讀數(shù)直觀、醒目、觀察指示器的方向可根據(jù)用戶需要改變角度。測量范圍大，不受貯槽高度的限制。結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、維護(hù)方

14、便、耐腐蝕、無需電源、防爆。3.5測量注意事項(xiàng) a.安裝時(shí)液位計(jì)筒體內(nèi)不允許有鐵屑、焊渣等異物進(jìn)入，以免卡死浮子，液位計(jì)必須垂直安裝。b.液位計(jì)與容器之間應(yīng)安裝截止閥，以便檢修清洗時(shí)關(guān)閉液料，液位計(jì)周圍不允許有強(qiáng)磁場，以免影響正常工作。c.安裝完畢，翻柱可能是花的，或使用過程中，由于液位突變等其它原因造成個(gè)別翻柱不翻轉(zhuǎn)，這時(shí)可用磁鋼進(jìn)行較正，使零位(液位)以上翻成綠色。d.液位計(jì)命使用時(shí)，應(yīng)先打開上閥門，然后緩慢打開下閥門，防止磁浮子急速上升，造成翻柱翻亂。e.使用過程中應(yīng)定期進(jìn)行清洗，清除筒體內(nèi)的污垢雜質(zhì)。f.對超過3.5米以上的液位計(jì)需考慮增加中間加固支承耳朵攀以增加其強(qiáng)度與穩(wěn)定.3.6誤

15、差分析 安裝誤差：液位計(jì)安裝傾斜，會給讀書帶來誤差； 裝置誤差：浮子運(yùn)動(dòng)不夠靈活或被卡死，會給測量帶來誤差，這是主要誤差； 讀數(shù)誤差：讀數(shù)時(shí)應(yīng)平視液面的最低點(diǎn)。4.流量測量4.1檢測方法設(shè)計(jì)渦街流量計(jì)基本原理是流體流經(jīng)阻擋體或者是特制的元件時(shí)，產(chǎn)生了流動(dòng)振蕩，通過測定其振蕩頻率來反映通過的流量。當(dāng)流體流動(dòng)受到一個(gè)垂直于流動(dòng)方向的非流線型阻體的阻礙時(shí)，柱體的下游兩側(cè)會發(fā)生明顯的旋渦，左右兩側(cè)旋渦的旋轉(zhuǎn)方向相反（如圖8所示），這種旋渦稱為卡門渦街。這些渦列多數(shù)是不穩(wěn)定的，只有形成相互交替的內(nèi)旋的兩排渦列，且渦列寬度與同列相鄰的兩旋渦的間距之比滿足（對圓柱形旋渦發(fā)生體）時(shí)，渦街達(dá)到穩(wěn)定。圖8 渦街流

16、量計(jì)原理根據(jù)卡門渦街原理，渦列頻率（交替產(chǎn)生的頻率）與管內(nèi)平均流速有如下關(guān)系 （式2）式中 渦列發(fā)生體兩側(cè)流體的平均流速，m/s；渦列發(fā)生體特征寬度，m；斯特羅哈爾數(shù)（無量綱系數(shù)），它與旋渦發(fā)生體的形狀及雷諾數(shù)有關(guān)旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道內(nèi)橫截面積之比。 （式3）式中 管道內(nèi)徑，m。瞬時(shí)體積流量（m3/s） （式4）儀表系數(shù) （式5）式中 通過流量記的體積流量，L/s;流量計(jì)輸出的信號頻率，Hz；渦街流量計(jì)儀表系數(shù)，L-1。 由上式可知，在斯特羅哈爾數(shù)為常數(shù)的基礎(chǔ)上，通過渦街流量計(jì)的體積流量與旋渦頻率成正比。儀表系數(shù)僅與旋渦發(fā)生體幾何參數(shù)有關(guān)，而與流體物性和組分無關(guān)。因此，只要測出流量計(jì)輸

17、出的信號頻率，就可以求出通過渦街流量計(jì)的體積流量。4.2設(shè)計(jì)依據(jù)由于試驗(yàn)所用的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)，其導(dǎo)電率變化較大，不固定，所以不宜采用電磁式流量計(jì)。試驗(yàn)管段管徑只有25mm，空間很小，幾乎很難再在管中放置大的節(jié)流件，這樣會造成壓力損失，使流速減小，從而影響流量測量。所以也不宜采用節(jié)流式流量計(jì)和渦輪式流量計(jì)。渦街流量計(jì)主要用于工業(yè)管道介質(zhì)流體的流量測量,如氣體、液體、蒸氣等多種介質(zhì)。其特點(diǎn)是壓力損失小,量程范圍大,精度高,在測量工況體積流量時(shí)幾乎不受流體密度、壓力、溫度、粘度等參數(shù)的影響。無可動(dòng)機(jī)械零件，因此可靠性高,維護(hù)量小。儀表參數(shù)能長期穩(wěn)定。渦街流

18、量計(jì)采用壓電應(yīng)力式傳感器,可靠性高,可在-20+250的工作溫度范圍內(nèi)工作。有模擬標(biāo)準(zhǔn)信號,也有數(shù)字脈沖信號輸出,容易與計(jì)算機(jī)等數(shù)字系統(tǒng)配套使用,是一種比較先進(jìn)、理想的流量儀表。4.3儀表種類選用：LUGB型渦街流量計(jì)LUGB型渦街流量計(jì)適用于測量過熱蒸汽、飽和蒸汽、壓縮空氣和一般氣體、水和液體的質(zhì)量流量和體積流量。4.4選用依據(jù)與國內(nèi)其他同類產(chǎn)品相比，它具有以下功能特點(diǎn)：無可動(dòng)部件，運(yùn)行可靠，性能較好，使用壽命長。測量被測流體，不直接接觸傳感器，性能穩(wěn)定。輸出信號是與流量成正比的脈沖信號或輸出420mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號。壓力損失較少，故比差壓流量計(jì)具有節(jié)能特點(diǎn)。測量量程比大，可達(dá)1：10。而差壓

19、式只有1：3。結(jié)構(gòu)簡單而牢固，安裝方便，維修費(fèi)用極少。4.5測量注意事項(xiàng)正確地選擇安裝點(diǎn)和正確安裝傳感器都是非常重要的環(huán)節(jié)，若在安裝環(huán)節(jié)失誤輕者影響測量精度，重者會影響傳感器的使用壽命，甚至損壞傳感器。（1）渦街流量計(jì)盡量安裝在遠(yuǎn)離振動(dòng)源和電磁干擾較強(qiáng)的地方，振動(dòng)存在的地方必須采用減振裝置，減少管道受振動(dòng)的影響。 （2）直管段的配置，前后直管段要滿足渦街流量計(jì)的要求，所配管道內(nèi)徑也必須和渦街流量變送器內(nèi)徑一致。 （3）傳感器避免安裝在溫度變化很大的場所和受到設(shè)備的熱輻射。4.6誤差分析 旋渦發(fā)生體的雷諾數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致斯特羅哈爾數(shù)不在常數(shù)范圍內(nèi)，變化，給測量帶來誤差。 頻率檢測產(chǎn)生的誤差給流量

20、測量帶來誤差。 環(huán)境溫度變化給測量帶來誤差。5.差壓測量5.1檢測方法設(shè)計(jì)：用電容式差壓傳感器測差壓圖9所示是一種電容式差壓傳感器示意圖。左右對稱的不銹鋼基座內(nèi)有玻璃絕緣層，其內(nèi)側(cè)的凹形球面除邊緣部分外均鍍有金屬膜作為固定電極，中間被夾緊的彈性膜片作為可動(dòng)測量電極，左、右固定電極和測量電極經(jīng)導(dǎo)線引出，從而組成了兩個(gè)電容器。不銹鋼基座和玻璃絕緣層中心開有小孔，不銹鋼基座兩邊外側(cè)焊上了波紋密封隔離膜片，這樣測量電極將空間分隔成左、右兩個(gè)腔室，其中充滿硅油。當(dāng)隔離膜片感受兩側(cè)壓力的作用時(shí)，通過硅油將差壓傳遞到彈性測量膜片的兩側(cè)從而使膜片產(chǎn)生位移，其位移量和壓力差成正比。電容極板間距離的變化，將引起兩

21、側(cè)電容器電容值的改變。此電容量的變化經(jīng)過適當(dāng)?shù)淖儞Q器電路，可以轉(zhuǎn)換成反應(yīng)被測差壓的標(biāo)準(zhǔn)電信號輸出。圖9 電容式差壓傳感器5.2設(shè)計(jì)依據(jù)由于結(jié)垢導(dǎo)致流動(dòng)管內(nèi)阻力增大，所以需要測量流動(dòng)壓降。一般，我們都會想到測出試驗(yàn)管的出口壓力和入口壓力，然后相減即可求出流動(dòng)壓降。但這種方法存在它的弊端，因?yàn)閴毫y量需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，當(dāng)兩側(cè)壓力溫度補(bǔ)償不一致時(shí)，相減后就會給測量帶來較大誤差，而且這種誤差會積累起來，最后使測量結(jié)果存在嚴(yán)重偏差。所以，最好的測量方法就是采用壓力變送器。綜合考慮，我選擇了電容式壓力傳感器。它結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)，靈敏度高，過載能力大，精度高，其精確度可達(dá)，可以測量壓力和差壓。5.3儀表種類選用：WS1151系列電容式壓力/差壓變送器基本