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仪表课设
课程设计报告
学生姓名:
邱博
学号:
2013307010326
学院:
自动化工程学院
班级:
自动133
题目:
过程检测技术与仪表
指导教师:
陈杰春 、关硕职称副教授、高级实验师
2016年1月4日
目录
第1章绪论-1-
1.1课题背景-1-
1.2课题意义-1-
第2章设计方案-2-
2.1实验装置-2-
2.2试验装置原理图-2-
2.2检测参数-3-
第3章设计方法及原理-5-
3.1设计采用的方法-5-
2.2污垢热阻法数学模型及测量原理-5-
第4章参数的检测及仪表选用-8-
4.1流体进出口温度的测量-8-
4.1.1测温仪表选择-8-
4.1.2仪表工作原理-9-
4.1.3注意事项与误差分析-9-
4.2实验管壁温测量-10-
4.2.1仪表工作原理-11-
4.2.2注意事项和误差分析-11-
4.3水浴温度测量-11-
4.3.1检测方法设计以及依据-11-
4.3.2仪表种类选用以及依据-11-
4.3.3测量误差分析-12-
4.4补水箱水位测量及控制-12-
4.4.1检测方法设计以及依据-12-
4.3.2仪表种类选用以及原理-13-
4.4.3测量误差分析-14-
4.4流量的测量及控制-14-
4.4.1检测方法设计以及依据-14-
4.4.3流量计工作原理-15-
4.4.4注意事项及误差分析-15-
4.5差压的测量及控制-16-
4.5.1检测方法设计以及依据-16-
4.5.2仪表种类选用以及依据-16-
4.5.3测量注意事项及误差分析-17-
第5章总结-18-
参考文献-19-
第1章绪论
1.1课题背景
换热设备污垢的形成过程是一个极其复杂的能量、质量和动量传递的物理化学过程,换热面上一旦形成污垢,就会使换热设备的换热热阻明显增加,严重恶化其传热性能,同时,污垢在管内沉积使管内流体的流道截面积变小,增加了流动阻力,泵和风机的消耗功率增加,给广泛应用于各工业企业的换热设备造成极大的经济损失,因而污垢问题成为传热学界和工业界十分关注而又至今未能解决的难题之一。
1.2课题意义
由于管道污垢带来的一系列经济损失,管道污垢的检测显得尤为重要。
然而,污垢的检测并不是一个简单的过程,其中涉及了许多复杂的问题,因此必须要有一个合理的方案。
同时,仪表的选择也至关重要,只有选对仪表,才能得到准确的实验结果。
近10年来,基于污垢形成机理认识的逐步深入,污垢的预测和模拟都取得了明显进展。
然而换热设备污垢形成的影响因素众多,是在动量、能量、质量传递以及生物活动同时存在的多相、多组分流动过程中进行的,其理论基础除传热传质学外,还涉及到化学动力学、流体力学、胶体化学、热力学与统计物理、微生物学、非线性科学以及表面科学等相关学科,是一个典型的多学科交叉的高度复杂问题,因而对其机理的清晰理解和准确把握仍是一项极为艰巨的任务。
而本次课设基于东北电力大学节能与测控研究中心以杨善让教授为首的课题组基于测量新技术—软测量技术开发的多功能实验装置,着重分析了各类参数的测量及仪表的选用。
第2章设计方案
2.1实验装置
本次课设采用的是东北电力大学节能与测控研究中心以杨善让教授为首的课题组基于测量新技术—软测量技术开发的多功能实验装置。
曾先后完成国家、东北电力公司、省、市多项科研项目并获奖,鉴定结论为国际领先。
目前承担国家自然科学基金、973项目部分实验工作。
具体装置如图2-1所示
图2-1多功能动态模拟实验装置外形图
2.2试验装置原理图
本实验装置的模拟换热器是由恒温水浴作为热源加热实验管段(约2m),水浴温度由温控器、电加热管以及保温箱体构成。
水浴中平行放置两实验管,独自拥有补水箱和集水箱,构成两套独立的实验系统。
通过平行样实验和对比实验,可以进行获取水处理药剂的效果评价、强化换热管的污垢特性、污垢状态下强化管的换热效果评价等等,管内流体一般为人工配制的易结垢的高硬度水或是含有固体微粒等致垢物质。
其原理图如图2-2所示:
图2-2实验装置原理图
图中各数字代表的含义如下:
1-恒温槽体;2-试验管;3-试验管入口压力;4-管段入口温度测点;5-管壁温度测点;6-管段出口温度测点;7-试验管出口压力;8-流量测量;9-集水箱;10-循环水泵;11-补水箱;12-电加热管。
设备的主体是由两根管组成的管式换热器。
这两根管是可以拆装的,它们都可以作为实验管,如对于单纯监测水质污垢热阻来说,则两根实验管可同时进行两种水质或不同工况的污垢热阻检测。
也可以将其中一根作为实验管,另一根作标准比较管,以便比较水处理措施的效果。
管内工质为欲模拟的实际换热器的冷却水或据其主要成分配制的工艺流体。
管外是由电加热器和温度调节器构成的可调温度的恒温水浴。
实验管段安装有壁温、出入口介质温度、实验段流动压降等测点所有测量信号经由传输电缆通过数据采集器送入计算机,实现了污垢热阻的在线自动监测。
2.2检测参数
污垢测量是个复杂的过程,为达到测量目的,需要对如下参数进行检测和控制:
(1)温度:
试验管流体进、出口温度,试验管壁温,模拟换热器中恒温水浴的温度。
(2)水位:
补水箱安装距地面2米,需要检测其水位,水位变动范围是200mm~500mm,而且在不同流速时,用循环水泵来控制水位。
(3)流量:
需测量试验管内流体的流量,且管径为Φ25mm,流量范围0.5-4
/h。
(4)差压:
由于结垢导致管内流动阻力增大,需要测量流动压降,范围为0~50mm水柱。
第3章污垢测量方法及原理
3.1设计采用的方法
对于污垢的测量,目前有很多方法,但每种方法都受到各种条件限制,因此非常好的方法并不多。
按对沉积物的监测手段污垢测量可分为:
热学法和非传热量的污垢监测法。
热学法中又可分为热阻表示法和温差表示法;非传热量的污垢监测法又有直接称重法、厚度测量法、压降测量法、放射性技术、时间推移电影法、显微照相法、电解法和化学法。
这些监测方法中,对换热设备而言,最直接而且与换热设备性能联系最密切的是热学法。
本文将简单介绍污垢监测的热学法中的污垢热阻法。
2.2污垢热阻法数学模型及测量原理
表示换热面上污垢沉积量的特征参数有:
单位面积上的污垢沉积质量mf,污垢层平均厚度δf和污垢热阻Rf。
这三者之间的关系由下式表示:
(3-1)
图3-1清洁和有污垢时的温度分布及热阻
通常测量污垢热阻的原理如下:
设传热过程是在热流密度q为常数情况下进行的,图3-1(a)为换热面两侧处于清洁状态下的温度分布,其总的传热热阻为:
(3-2)
图3-1(b)为两侧有污垢时的温度分布,其总传热热阻为
(3-3)
如果假定换热面上污垢的积聚对壁面与流体的对流传热系数影响不大,则可认为
。
于是从式(3-3)减去式(3-2)得:
(3-4)
式(3-4)表明污垢热阻可以通过清洁状态和受污染状态下总传热系数的测量而间接测量出来。
实验研究或实际生产则常常要求测量局部污垢热阻,这可通过测量所要求部位的壁温表示。
为明晰起见,假定换热面只有一侧有污垢存在,则有:
(3-5)
(3-6)
若在结垢过程中,q、Tb均得持不变,且同样假定
,则两式相减有:
(3-7)
这样,换热面有垢一侧的污垢热阻可以通过测量清洁状态和污染状态下的壁温和热流而被间接测量出来。
式中:
—单位面积上污垢沉积质量;
—污垢沉积厚度;
—污垢的导热系数;
—污垢热阻;
—结垢前管外介质与管壁的对流换热热阻;
—管壁的导热热阻;
—结垢前管壁与管内介质的对流换热热阻;
—结垢前总的传热热阻;
—结垢后总的传热热阻;
—结垢后管外介质与管壁外污垢的对流换热热阻;
—结垢后管壁外污垢的导热热阻;
—结垢后管壁内污垢的导热热阻;
—结垢后管壁内污垢与管内介质的对流换热热阻;
—结垢前外管壁温度;
—仅管内结垢后外管壁温度;
—结垢前后管内表面温度;
—热流密度:
单位面积的截面内单位时间通过的热量。
第4章参数的检测及仪表选用
4.1流体进出口温度的测量
4.1.1测温仪表选择
由于实验装置的进出口管径比较小,所以采用体积较大的温度计会增加流动阻力,从而影响流速。
由给定的参数可知,试验管流体进、出口的温度为20℃~40℃,温度变化范围小,且温度比较低,适合测量此段温度的主要有液体膨胀式、双金属、热电偶及热电阻等温度传感器,而我们的实验设备有上位机采集信息,所以最好选用热电偶或者热电阻。
而我们所选用的热电阻温度检测器是WZPK-233铠装Pt-100热电阻。
铠装铂电阻作为一种温度传感器,它比装配式铂电阻直径小,易弯曲,适宜安装在管道狭窄和要求快速反应、微型化等特殊场合。
其可对-200~600℃温度范围内的气体、液体介质和固体表面进行自动检测,并且可直接用铜导线和二次仪表相连接使用,由于它具有良好的电输出特性,可为显示仪、记录仪、调节器、扫描器、数据记录仪以及电脑提供精确的输入值。
铠装电阻外保护管采用不锈钢,内部充满高密度氧化物质绝缘体,因此它具有很强的抗污染和优良的机械强度,适合安装在环境恶劣的场合。
图4-1铠装PT-100热电阻
4.1.2仪表工作原理
热电阻温度计是利用金属导体或金属氧化物半导体做测温物质,利用导体或半导体的阻值随温度变化这一现象测量温度。
热电阻在科研和生产中经常用来测量-200~850℃区间内的温度,是广泛使用的一种测温元件。
铂热电阻,分度号为PT10和PT100两种。
这里主要介绍PT100,PT100在0℃时阻值为100Ω,用较细的铂丝烧制,用于650℃以下温区。
铂热电阻精度高,线性好,测量范围宽,稳定性和复现性好。
铂热电阻的参考函数在0℃上,下温区各不相同,但参考函数的系数相同,其数学模型为
当-200~0℃时
Rt=R0(1+At+Bt2)(4-1)
当0~850℃时
Rt=R0[1+At+Bt2+Ct3(t-100)](4-2)
A=3.9083×10-3/℃;B=-5.775×10-7/℃;C=-4.183×10-12/℃
4.1.3注意事项与误差分析
(1)通电发热误差。
由于热电阻通电后会产生自升温现象,从而带来测量误差,并且该误差无法消除,但可规定最大电流小于6mA,以尽可能减小误差。
(2)热电阻安装时,其插入深度不小于热电阻保护管外径的8倍~10倍,尽可能使热电阻受热部分增长。
热电阻尽可能垂直安装,以防在高温下弯曲变形。
(3)热电阻在使用中为了减小辐射热和热传导所产生的误差,应尽量使保护套管表面和被测介质温度接近,减小热电阻保护套管的黑色系数。
(4)线路电阻不同或变化引入的测量误差。
可通过串联电位器调整,此外规定三线,四线接线方法等也能减小误差。
(5)附加热电动势。
电阻丝与引线接点处构成热偶,若节点温度不同将产生附加电动势,对于测量回路可能产生影响。
可通过接点靠近,同温等办法减小或消除。
4.2实验管壁温测量
由于该实验装置的实验管壁温度(20℃~80℃),需要测量外管壁的温度,针对性能、安装对比各种测温装置,选用BD-WR铠装热电偶进行测量。
铠装热电偶的探温部分由热电偶丝、绝缘氧化镁粉及不锈钢保护套管整体拉制而成,可以任意弯曲,产品结构复杂,价格比较高,比普通装配式热电偶的响应更迅速,抗震性能更好,而且,相对于其他热电偶传感器,铠装式热电偶精度,准确性较高。
图4-2铠装热电偶
4.2.1仪表工作原理
热电偶是利用物理学中的热电现象制成的测温传感器。
当两种不同材料的导体A和B构成闭合回路时,如果两个接触端温度不同时回路中将产生电流,这种现象被称为热电现象。
相应产生的电动势称为热电动势,AB构成的闭合回路称为热电偶。
4.2.2注意事项和误差分析
从热电偶的测温原理可知,热电动势的大小不仅与热端温度有关,而且也与冷端温度有关,只有当冷端温度固定不变,才能通过热电动势的大小去判断热端温度的高低。
当冷端温度波动较大时,必须先对热电偶进行冷端补偿和处理。
下面是几种冷端补偿方法:
(1)补偿导线法
(2)参比端恒温法(3)计算修正法(4)冷端补偿器法(5)软件修正法
4.3水浴温度测量
4.3.1检测方法设计以及依据
水浴温度测量相对简单,水浴温度测量该实验装置的模拟换热器是由恒温水浴作为热源加热实验管段(约2m),水浴温度由温控器、电加热管以及保温箱体构成。
由实验装置要求分析,水槽内水浴温度是一个存在一定变化的物理量,而水浴温度又通过稳控器来实时监控。
因此,测温仪表要求较高的灵敏性和精确度。
其次,水浴温度的变化范围在20~80℃之间,属于低温范畴。
综合以上要求,我们采热电偶温度测量法。
4.3.2仪表种类选用以及依据
选用铜-镍铜热电偶,这是在低温下应用得很普遍的热电偶,测量温度范围-200~+200℃,稳定性好,低温时灵敏度高并且价格低廉。
图4-3铜-镍铜热电偶测温器
4.3.3测量误差分析
热电偶的安装位置,即测温点的选择是最重要的。
测温点的位置,对于工艺过程而言,一定要具有典型性、代表性,否则将失去测量意义;插入深度:
热电偶插入被测场所时,沿着传感器的长度方向将产生热流。
当环境温度低时就会有热损失,致使热电偶与被测对象的温度不一致而产生测温误差。
总之,由热传导而引起的误差,与插入深度有关。
热电偶需要注意冷端补偿,这里可采用参比端恒温法
4.4补水箱水位测量及控制
4.4.1检测方法设计以及依据
补水箱水位的变动范围是200mm~500mm,当水位超过或低于水箱变动范围时,需要有个设备来控制循环水泵开始或停止工作。
因此在水位传感器之后接A/D、D/A、8051等,来进行控制,在此水位传感器选的是SX-99电容式液位变送器,其水位控制的原理如图4-4所示:
图4-4水位控制原理图
4.3.2仪表种类选用以及原理
SX-99电容式液位变送器测量原理为探极线与导电液体构成电容器,其中探极线的金属内芯为电容的一极,导电液体为电容的另一极,中间为高稳定性的聚四氟乙烯,即探极线的绝缘外层作为两极之间的介质,随着液位的变化,液体包围探极线的面积随之改变,使构成电容器两极的相对面积改变,导致电容的变化,根据同心筒状电容的公式可导出液体高度与电容的关系。
图4-5SX-99电容式液位变送器
主要技术指标有:
测量范围:
0.2~20米
精度:
0.5级、1.5级
探极耐温:
-40~+200℃
变送器适应环境温度-40~+60℃
允许容器压力:
-0.1~16MPa
测量介质:
电导率不低于10-5s/m的酸、碱、水等非结晶导电液体。
供电电源:
DC12~35V
工作电流:
(输出20mA时)
量程调节范围及零点迁移:
≥±30%FS
变送器主体尺寸:
φ76×85
4.4.3测量误差分析
(1)电容式液位计应垂直安装,并固定以防止晃动引起的误差。
并且在水泵流量大或装置不稳时,会引起水位波动,产生微小误差。
(2)应采用非隔离两线制、三线制或测量、输出、电源三端隔离四线制多种电路结构方式。
(3)注意得使用高频电路。
4.4流量的测量及控制
4.4.1检测方法设计以及依据
迄今为止,流量的测量准确度较低,流量计的通用性很差,特别是对腐蚀性流体、赃物流体、高粘性流体的流量的测量还需要更多的发展。
而且从实验前提得知,实验管径很小,流体是人工配制的易结垢的高硬度水或是含有固体微粒等致垢物质,且其流速也很小。
流量测量中最常用的是孔板流量计,但在这次试验中,由于要对试验管内的液体流量进行测量,所要测量的管段的直径很小大约25mm左右,流量范围0.5-4
/h,重要的是考虑到管内有污垢,水并不洁净,用接触法测量会很容易导致测量仪器的表面结垢,影响测量的精度,严重的话会损害流量计。
因此考虑非接触式测量方法。
电磁流量计是非常好的选择。
在这里选用XJ-LDC系列分体式电磁流量计。
图4-6电磁流量计
4.4.3流量计工作原理
电磁流量计是一种根据法拉第电磁感应定律来测量管内导电介质体积流量的感应式仪表,即当导电液体流过电磁流量计时,导体液体中会产生与平均流速V成正比的电压,其感应电压信号通过两个与液体接触的电极检测,通过电缆传至放大器,然后转换成统一的输出信号。
可以测量各种腐蚀性介质:
酸、碱、盐溶液以及带有悬浮颗粒的浆液。
被测介质在测量管内,由于没有阻滞部件,所以没有压力损失。
此流量计无机械惯性,反应灵敏,可测流量范围大,可以测量脉冲流量,线性较好,精度较高。
4.4.4注意事项及误差分析
注意事项
(1)被测流量必须是导电液体。
(2)量程选择。
常用流量最好超过满量程的一半。
常用流速为2-4m/s最合适。
(3)压力选择。
使用压力必须低于电磁流量计额定工作压力,一般不超过16×105Pa。
(4)温度选择。
被测介质温度不能超过衬里材料的容许使用温度,一般不超过200℃。
误差分析:
(1)当管道中有气泡时,会产生误差,所以应该保证流体流动稳定,无气泡。
(2)周围存在电磁干扰会是传感器产生误差,应注意避免电磁干扰。
4.5差压的测量及控制
4.5.1检测方法设计以及依据
由于流体是人工配制的易结垢的高硬度水或是含有固体微粒等致垢的流体,当它在试验管段内流动时,容易在内结垢,使管内流动阻力增大,这就在试验管段的两端产生流动压降。
所以采用压阻式差压式流量计。
4.5.2仪表种类选用以及依据
由给定参数知,流体在试验管段入口、出口处的压降为0~50mm水柱,即0~490Pa。
所以压差很小。
该实验选择的是压阻式压力传感器,它的工作原理是:
固体(应变片)受力后电阻率发生变化。
选用PTP801一体化型微差压传感器(液压)。
(a)可测差压:
弹簧管压力计、液柱式压力计不能测差压,压阻式压力传感器的两边有两个压力腔,分别输入被测差压或参考差压。
该实验中高压腔接试验管段出口处、低压腔接试验管段入口处,这样就能方便地测出两端的压降。
(b)测量范围广:
弹簧管、膜式微压计的测压范围小,通常是—105~109Pa,远远小于该处的测压范围。
而压阻式压力传感器得测量范围广,本次选择的传感器量程为0~10KPa,能满足测量范围。
(c)精度高:
液柱式压力计虽然构造简单,但是测量误差大,由于该实验的压差本来就很小,采用液柱式会使结果明显出错。
而压阻式压力传感器得精度可达±0.2~0.02%。
(d)易于微小型化:
本次选择的的压阻式压力传感器直径为20mm,可满足管径为25mm的试验管段。
图4-7压阻式差压传感器
4.5.3测量注意事项及误差分析
对于压阻式差压传感器,当测量温度变化时,应变片的阻值都会随着温度变化。
而管内流体的温度是变化的,因此这产生误差;另外由于弹性元件与应变片的线膨胀系数很难完全一致,但它们又是相互粘贴在一起的,所以温度发生变化时就会出现附加的应变,从而造成测量误差。
第5章总结
在这次课程设计的过程中遇到了很多问题,比如在选择测量差压的仪表时,我开始先选的并不满足本次课设的要求,后来经过反复的筛选,最终选择了上述差压计,因为不仅要考虑仪表的各项指标是否合适,还要考虑仪表的经济性。
通过本次课设我更进一步了解到检测技术及仪表中关于测量方法与测量仪表的选择要求,并且了解更多的仪表的使用方法及环境条件,也了解到更多的仪表种类,巩固了所学知识,增强了独立思考与设计的能力。
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练,这是我们迈向社会,从事职业工作前一个必不少的过程.“千里之行始于足下”,通过这次课程设计,我深深体会到这句千古名言的真正含义.我今天认真的进行课程设计,学会脚踏实地迈开这一步,就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。
参考文献
[1]孙灵芳等.一种新型在线冷却水动态模拟试验装置.仪器仪表学报,2002,NO.3增刊
[2]孙灵芳等.一种新型电子水处理器阻垢率的在线监测评价方法及装置.工业水处理,2000,NO.3
[3]杨善让等.冷却水处理技术阻垢效果的评价方法研究与实施.工业水处理,2000,增刊
[4]杨善让等.换热设备污垢与对策.科学出版社,2003
[5]王建国等.检测技术及仪表.北京:
中国电力出版社,2007
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