過程檢測及儀表課設(shè)

1、課 程 設(shè) 計 報 告學(xué)生姓名:學(xué) 號：20123學(xué) 院:班 級:題 目:過程檢測技術(shù)與儀表指導(dǎo)教師： 曹生現(xiàn) 蘭建軍 職稱: 教授 講師 2015 年 1月 16日目 錄第1章 緒 論11.1 設(shè)計目的11.2 課題背景意義21.3 研究污垢傳熱的理論知識21.4 實驗裝置簡介3 1.4.1 結(jié)構(gòu)簡介3 1.4.2 檢測參數(shù)5第2章 被測參數(shù)及儀表選用62.1 溫度測量6 2.1.1 檢測方法設(shè)計以及依據(jù)6 2.1.2 儀表種類選用及說明6 2.1.3 測量注意事項7 2.1.4 誤差分析72.2 水位測量及控制82.2.1 檢測方法設(shè)計以及依據(jù)82.2.2 儀表種類選用及說明82.2.3

2、誤差分析 92.3 流量測量102.3.1 檢測方法設(shè)計以及依據(jù)102.3.2 儀表種類選用及說明102.3.3 安裝要求及注意事項112.3.4 誤差分析112.4 壓差測量122.4.1 檢測方法設(shè)計以及依據(jù)122.4.2 儀表種類選用及說明122.4.3 誤差分析12第3章 心得體會13參考文獻14第1章 緒 論1.1設(shè)計目的針對“應(yīng)用技術(shù)主導(dǎo)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(yīng)當前經(jīng)濟社會發(fā)展需要的“工程應(yīng)用型人才”。通過在模擬的實戰(zhàn)環(huán)境中系統(tǒng)鍛煉，使學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、思維能力、動手能力、

3、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(yīng)力。1.2 課題背景意義換熱設(shè)備污垢的形成過程是一個極其復(fù)雜的能量、質(zhì)量和動量傳遞的物理化學(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70年代，伴隨著資源利用效率和環(huán)境要求的不斷提高，“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。進入20世紀90年代以后，污垢研究在其他相關(guān)學(xué)科的發(fā)展特別是計算機應(yīng)用技術(shù)飛速發(fā)展的推動下，借助國際合作研究的良好氛圍，在預(yù)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

4、理認識的逐步深入，污垢的預(yù)測和模擬都取得了明顯進展。然而換熱設(shè)備污垢形成的影響因素眾多，是在動量、能量、質(zhì)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(chǔ)除傳熱傳質(zhì)學(xué)外，還涉及到化學(xué)動力學(xué)、流體力學(xué)、膠體化學(xué)、熱力學(xué)與統(tǒng)計物理、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，是一個典型的多學(xué)科交叉的高度復(fù)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(wù)。1.3研究污垢傳熱的理論知識按對沉積物的監(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)、時間推移電影

5、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： (1-1) 圖1-1 清潔和有污垢時的溫度分布和熱阻Tb1Rc2Tb2Q壁（a）潔凈（b）污染 Rf1R2f污垢沉積層Rf2Tb1Ts2Tb1Tb2Ts2通常測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)情況下進行的，圖1-1（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： (1-2)圖1-

6、1（b）為兩側(cè)有污垢時的溫度分布，其總傳熱熱阻為 (1-3)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，則可認為。于是從式(1-3)減去式(1-2)得： (1-4) 式(1-4)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。實驗研究或?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： （1-5） （1-6）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： (1-7)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。1.4實驗裝

7、置簡介如圖1-2所示的實驗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)的多功能實驗裝置?；诒緦嶒炑b置，先后完成國家、東北電力公司、省、市多項科研項目并獲獎，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項目部分實驗工作。1.4.1結(jié)構(gòu)簡介補水箱集水槽模擬換熱器監(jiān)控系統(tǒng)圖1-2 多功能動態(tài)模擬實驗裝置外形圖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(gòu)成。水浴中平行放置兩實驗管，獨自擁有補水箱和集水箱，構(gòu)成兩套獨立的實驗系統(tǒng)?？梢宰銎叫袠訉嶒灪蛯Ρ葘嶒?。為獲取水處理藥劑的效果、強化換熱管

8、的污垢特性、污垢狀態(tài)下強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)。圖1-3 實驗裝置流程圖 1-恒溫槽體；2-試驗管段；3-試驗管入口壓力；4-管段出口溫度測點；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1.4.2檢測參數(shù)：該實驗裝置上，需要檢測和控制的參數(shù)主要有：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 ）； 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(yīng)不同 流速的需要，水

9、位變動范圍200mm500mm；流量：實驗管內(nèi)流體流量需要測量，管徑25mm，流量范圍0.54m3/h差壓：由于結(jié)垢導(dǎo)致管內(nèi)流動阻力增大，需要測量流動壓降，范圍為050mm 水柱。第2章 被測參數(shù)及儀表選用2.1溫度測量包括：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 ）；2.1.1檢測方法設(shè)計以及依據(jù)1、實驗管流體進口、出口溫度和水浴溫度測量針對實驗管內(nèi)的流體溫度屬于低溫范圍溫度測量。而且實驗管道的管徑較小，不宜采用體積較大的測溫儀表?？紤]這些實際情況，采用熱電阻的溫度測量方法更為合理。2、 實驗管壁溫測量由測量情形可知管壁溫度用一般

10、的熱電阻不易測量，測溫環(huán)境要求測溫儀器可以附著在管壁表面，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。故用光刻技術(shù)制作一個薄片在熱電阻外層加上隔熱層貼在管壁溫度側(cè)點上，三組值同時測量取平均值，以達到精確測溫效果。2.1.2儀表種類選用及說明1、實驗管流體進口、出口溫度和水浴溫度測量選用：WZC-200熱電阻 圖2-1 熱電阻結(jié)構(gòu)圖說明：鎧裝熱電阻是由感溫元件（電阻體）、引線、絕緣材料、不銹鋼套管組合而成的堅實體，它的外徑一般為1.08.0mm，最小可達0.5mm。與普通型熱電阻相比，它有體積小，內(nèi)部無空氣隙，熱慣性上，測量滯后??；機械性能好、耐振，抗沖擊；能彎曲，便于安裝，使用

11、壽命長等優(yōu)點。2、 實驗管壁溫測量 選用：膜式鉑電阻圖2-2 膜式鉑電阻說明：膜式鉑電阻是近年來發(fā)達國家的一種鉑熱電阻新技術(shù)，這種新型熱電阻是有外型尺寸小、靈敏度高、響應(yīng)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、Pt1000和Pt2000高阻值熱電阻，其分辨率相當于常規(guī)鉑電阻pt100的510倍。2.1.3測量注意事項從熱電阻的測溫原理可知，被測溫度的變化是直接通過熱電阻阻值的變化來測量的，因此，熱電阻體的引出線等各種導(dǎo)線電阻的變化會給溫度測量帶來影響。為消除引線電阻的影響一般采用三線制或四線制。熱電阻測溫系統(tǒng)一般由熱電阻、連接導(dǎo)線和顯示儀表等組成。必須注意以下兩

12、點：1、熱電阻和顯示儀表的分度號必須一致 2、為了消除連接導(dǎo)線電阻變化的影響，必須采用三線制接法。2.1.4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6mA，傳熱條件好來盡可能減小。 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(diào)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。電阻絲與引線接點處構(gòu)成熱偶，若節(jié)點溫度不同將產(chǎn)生附加電動勢，對測量回路產(chǎn)生影響?？赏ㄟ^節(jié)點靠近，同溫等方法減小或消除。2.2水位測量及控制

13、補水箱上位安裝，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，水位變動范圍200mm500mm。2.2.1檢測方法設(shè)計以及依據(jù)實驗裝置補水箱內(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，這就要求測量工具對環(huán)境有較高的適應(yīng)性。同時，需要控制水位變動在要求范圍內(nèi)，這就需要測量儀器有較高的靈敏度和動態(tài)響應(yīng)?？紤]這些實際情況，可以選用浮球液位計。2.2.2儀表種類選用及說明1、選用：DFYK型浮球液位控制器圖2-3 浮球液位計結(jié)構(gòu)圖2、說明：DFYK型浮球液位控制器，適用于各種水池、水塔的液位控制，且特別適用于含有固體或半固體漂浮物的液體,及帶粘性的

14、污水水位自動控制與報警。（1）測量原理：浮球液位計由浮球、插桿等組成。浮球液位計通過連接法蘭安裝于容器頂上，浮球根據(jù)排開液體體積相等等原理浮于液面，當容器的液位變化時浮球也隨著上下移動，由于磁性作用，浮球液位計的干簧受磁性吸合，把液面位置變化成電信號，通過顯示儀表用數(shù)字顯示液體的實際位置，浮球液位計從而達到液面的遠距離檢測和控制。（2）控制過程：液位在下限時，浮球呈正置狀態(tài)在水面上，浮球內(nèi)的動錘脫離干簧管與磁環(huán)的區(qū)域，干簧管保持原有的一對觸點斷開，一對觸點閉合的狀態(tài)。當液位上升到上限時浮球翻轉(zhuǎn)倒置，動錘落到磁環(huán)干簧管吸合區(qū)，使磁路閉合，輸出觸點狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)換，即常閉觸點斷開，常開觸點閉合，則使得

15、與之關(guān)聯(lián)的二次控制回路向水泵發(fā)出“開”、“關(guān)”的指令，從而達到控制液位的目的。圖2-4 浮球液位計控制過程（3）特點： a、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，還可配遠傳變送器、報警開關(guān)、檢測功能齊全。b、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。c、測量范圍大，不受貯槽高度的限制。d、指示機構(gòu)與被測介質(zhì)完全隔離，密封性好，可靠性高，使用安全。e、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、維護方便、耐腐蝕、無需電源、防爆。 2.2.3誤差分析 （1)浮球上承受的力除自身重力之外，還有繩索的本身的重力。繩索運動方向改變，使浮球的吃水線相對于浮球上下，帶來測量誤

16、差。 （2)繩索的材質(zhì)也會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響，比如環(huán)境溫度和濕度可能引起繩索的長度改變，會使測量產(chǎn)生誤差。 2.3流量測量實驗管內(nèi)流體流量需要測量，管徑25mm，流量范圍0.54m3/h2.3.1檢測方法設(shè)計以及依據(jù)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，嚴重的話會損害流量計，我們需要選擇非接觸式測量的器件。同時，考慮到流速較小，我們需要選用精確度較高的器件。2.3.2儀表種類選用及說明1、選用：XJ-LDC系列分體式電磁流量計。圖2-5 分體式電磁流量計2、說明：分體式電磁流量計測量原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律，分體式電磁

17、流量計由傳感器和轉(zhuǎn)換器組成，傳感器接入管道，轉(zhuǎn)換器裝在儀表室或人們易于接近的傳感器附近，相距數(shù)十到數(shù)百米，可遠離現(xiàn)場惡劣環(huán)境，電子部件檢查、調(diào)整和參數(shù)設(shè)定就比較方便。（1）工作原理：電磁流量計是一種根據(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，即當導(dǎo)電液體流過電磁流量計時，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)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(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。此流量計無機械慣性，反應(yīng)靈敏，可測流量范圍大，可以測量脈

18、沖流量，線性較好，精度較高。（2）特點：a、測量不受流體密度、粘度、溫度、壓力和電導(dǎo)率變化的影響。b、測量管內(nèi)無阻礙流動部件，無壓損，直管段要求較低。c、系列公稱通徑DN15DN3000。傳感器襯里和電極材料有多種選擇。d、轉(zhuǎn)換器采用新穎勵磁方式，功耗低、零點穩(wěn)定、精確度高。流量范圍度可達1500：1。e、轉(zhuǎn)換器可與傳感器組成一體型或分離型。f、轉(zhuǎn)換器采用16位高性能微處理器，2x16LCD顯示，參數(shù)設(shè)定方便，編程可靠。g、流量計為雙向測量系統(tǒng)，內(nèi)裝三個積算器：正向總量、反向總量及差值總量；可顯示莊、反流量，并具有多種輸出：電流、脈沖、數(shù)字通訊、HART。h、轉(zhuǎn)換器采用表面安裝技術(shù)(SMT)，

19、具有自檢和自診斷功能。2.3.3安裝要求及注意事項1、選用及安裝要求（1）被測流量必須是導(dǎo)電液體。不能測氣體，蒸汽，石油制品，甘油，酒精及純凈水等。（2）量程選擇。常用流量最好超過滿量程一半。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200。2、安裝注意事項（1）推薦垂直安裝，且被測流體是自下而上流動。也可水平安裝，但是要使兩電極在同一水平面上。（2）流量計的外殼，屏蔽線，測量導(dǎo)管都要接地。要求單獨設(shè)置接地點，不要連接在電機或上下管道上。（3）

20、安裝地點要遠離一切磁源。（4）流量計前必須有10D左右的直管段，以消除各種局部阻力對流線分布對稱性的影響。2.3.4誤差分析 1、管道中有氣泡時，會產(chǎn)生誤差，所以應(yīng)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(chǎn)生誤差，應(yīng)注意避免電磁干擾。2.4壓差測量由于結(jié)垢導(dǎo)致管內(nèi)流動阻力增大，需要測量流動壓降，范圍為050mm 水柱。2.4.1檢測方法設(shè)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是一個很小的差壓，因此也要選用精確度較大的器件?？紤]這些實際情況，我們可以選用壓阻式壓力變送器作為測量元件。2.4.2儀表種類選用及說明1、選用：PT

21、115抗變頻干擾壓阻式壓力變送器圖2-6 壓阻式壓力變送器結(jié)構(gòu)圖2、 說明：（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(dǎo)體材料的電阻率在外加應(yīng)力的作用下發(fā)生改變的壓阻效應(yīng)，直接測取微小應(yīng)變。硅平膜片上的擴散電阻通常構(gòu)成橋式測量電路，相對的橋臂電阻是對稱布置的，電阻變化時電橋輸出電壓與膜片所受壓力成對應(yīng)關(guān)系。（2）特點：a、壓阻式壓力傳感器的靈敏系數(shù)比金屬應(yīng)變式壓力傳感器的靈敏度系數(shù)要大50-10

22、0倍。有的時候壓阻式壓力傳感器的輸出不需要放大器就可直接進行測量。b、由于它采用集成電路工藝加工，因而結(jié)構(gòu)尺寸小，重量輕。c、壓力分辨率高，它可以檢測出十幾帕斯卡的差壓。d、頻率響應(yīng)好，它可以測量幾十千赫的脈動壓力。e、由于傳感器的力敏元件及檢測元件制在同一塊硅片上，所以它工作可靠，綜合精度高，且使用壽命長2.4.3誤差分析 1、由于采用半導(dǎo)體材料硅制作，傳感器對溫度比較敏感，如不采用溫度補償，其溫度誤差較大。為了補償溫度效應(yīng)的影響，一般還可在膜片上沿對壓力不敏感的晶向生成一個電阻，這個電阻只感受溫度變化，可接入橋路作為溫度補償電阻，以提高測量精度。2、兩個壓力檢測點應(yīng)選在能準確及時地反映被測壓力的真實情況。 因此, 取壓點不能處于流束紊亂的地方, 即要選在管道的直線部份, 即離局部阻力較遠的地方。3、由于彈性元件與應(yīng)變片的線膨脹系數(shù)很難完全一致，但它們又是相互粘在一起的，所以溫度發(fā)生變化時就會出現(xiàn)附加的應(yīng)變，從而在成測量誤差。第3章 心得體會這個課設(shè)是一個開放性的課設(shè)，不是局限于標準答案的課設(shè)，對于我們今后的創(chuàng)新思維有很大的提高，對于檢測與儀表這門學(xué)科有了更深刻的認識和更好的體會。對于這個課設(shè)，起先并沒有太好的想法，但是在參考了一些書籍之后才