过程检测技术及仪表课程设计.doc

目录第1章 绪论- 1 -1.1课题背景与意义- 1 -1.1.1 工程背景- 1 -1.1.2 设计目的- 2 -1.1.3 设计意义- 3 -第2章 检测方法设计以及依据- 4 -2.1设计需要检测和控制的主要参数- 4 -2.2污垢测量方法与原理- 4 -2.2.1污垢测量方法- 4 -2.2.2测量污垢热阻的原理- 4 -第3章 仪表种类选用以及依据- 7 -3.1温度测量- 7 -3.1.1实验管流体进、出口温度及水浴温度测量- 7 -3.1.2实验管壁温测量- 8 -3.2流量测量- 9 -3.3水位测量- 10 -3.4差压测量- 11 -第4章 测量注意事项以及可能产生误差的原因- 13 -4.1温度测量注意事项及可能产生误差的原因- 13 -4.2流量计注意事项及可能产生误差的原因- 14 -4.3水位测量注意事项及可能产生误差的原因- 14 -4.4差压测量注意事项及可能产生误差的原因- 15 -第5章 结论- 16 -参考文献- 17 -i第1章 绪论1.1课题背景与意义1.1.1 工程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，污垢的存在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。按对沉积物的监测手段分有：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两种； 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莫过于热学法。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。如图1-1所示的实验装置是我校节能与测控研究中心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。基于本实验装置，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。补水箱监控系统模拟换热器集水槽图1-1 多功能动态模拟实验装置外形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。可以做平行样实验和对比实验。为获取水处理药剂的效果、强化换热管的污垢特性、污垢状态下强化管的换热效果等等，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。实验装置流程见图1-2。125834679101112220v冷却水入口出口 1-恒温槽体；2-试验管段；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 图1-2 实验装置流程图1.1.2 设计目的以一多功能动态实验装置为对象，选择合适的测量仪器采用合理的测量方法，通过对多功能动态模拟实验装置所需参数（温度、水位、流量、差压）的测量，实现该装置对通过对换热设备污垢的检测和测量。对每一个参数的测量的设计涉及的内容包括设计检测方案，包括检测方法、仪表种类选用以及需要注意事项，并分析误差产生的原因。通过这次设计加强对知识的巩固，运用所学的知识解决实际问题。提高自己的创新和独立思考能力，在巩固了所学知识的同时，拓展了设计思路和知识的运用能力。并且在设计过程中使学习能力、思维能力、动手能力、工程创新能力和承受挫折能力都得到综合提高，增强就业竞争力和工作适应力。1.1.3 设计意义测出管道换热面有垢一侧的污垢热阻，能够方便监视管道状态，发现危险能够及时报警，使系统运行更可靠，同时也能推算出工质含杂质量，为除杂质提供参考。通过对各种测量方法的思考及各种资料的查阅，加深了对本门课程的认识。通过在模拟的实战环境中系统锻炼，使学习能力、思维能力、动手能力、工程创新能力得到综合提高。第2章 检测方法设计以及依据2.1设计需要检测和控制的主要参数(1)、温度：包括实验管流体进口（2040）、出口温度（2080 ）、实验管壁温（2080 ）以及水浴温度（2080 ）。 (2)、流量：实验管内流体流量需要测量，管径25mm，流量范围0.54m3/h(3)、水位：补水箱上位安装，距地面2m，其水位要求测量并控制，以适应不同流速的需要，水位变动范围200mm500mm。(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050mm水柱2.2污垢测量方法与原理2.2.1污垢测量方法测量污垢按对沉积物的监测手段分为以下两种：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两种； 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莫过于热学法。这里简单介绍污垢监测的热学法中的污垢热阻法。2.2.2测量污垢热阻的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f和污垢热阻rf。这三者之间的关系由下式（2-1）表示： (2-1) 清洁和有污垢时的温度分布及热阻如图2-1所示。壁（a）洁净 （b）污染 壁污垢沉积层图2-1 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2-1（a）为换热面两侧处于清洁状态下的温度分布，其总的传热热阻见式（2-2）： (2-2)图2-1(b)为两侧有污垢时的温度分布，其总传热热阻见式（2-3） (2-3)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(2-3)减去式(2-2)得式（2-4）： （2-4）式(2-4)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，则有式（2-5），式（2-6）： （2-5） （2-6）若在结垢过程中，q、tb均得持不变，且同样假定，则两式相减有式（2-7）： (2-7)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。第3章 仪表种类选用以及依据3.1温度测量1、实验管流体进口、出口温度和水浴温度测量 针对实验管内的流体温度属于低温范围温度测量。而且实验管道的管径较小，不宜采用体积较大的测温仪表。考虑这些实际情况，采用热电阻的温度测量方法更为合理。2、 实验管壁温测量由测量情形可知管壁温度用一般的热电阻不易测量，测温环境要求测温仪器可以附着在管壁表面，需要在测温点将水浴与管壁分开，面积又不能太大，否则影响换热。但是热电偶又需要冷端处理，故需要综合考虑。3.1.1实验管流体进、出口温度及水浴温度测量设计采用上海自动化仪表股份有限公司生产的wzpk-336s铠装pt100热电阻（如图3-1）。工作原理是：利用物质在温度变化时，其电阻也随着发生变化的特征来测量温度的。当阻值变化时，工作仪表便显示出阻值所对应的温度值。热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器，一般测量温度在-200500。选用该仪器的优点是测量精度高，性能稳定，有线性度极好的电阻温度特性，大大简化了信号处理电路的设计制作，而热电偶所测量的一般指“点”温，电偶的材料一般都比较贵重，而测温点到仪表的距离都很远，并且不能让设计人员有一种相当线性的电阻随温度变化特性。铂电阻具有最为精确、有可靠的温度电阻特性，对温度响应的线性度好，化学惰性，铂的电阻率高于其他的热电阻材料，在电阻值相同的情况要求用材少，适于对成本考虑较强，对热响应讲究的场合，而且铂热电阻的测量精确度是最高的，所以选用铂电阻进行测量。其主要参数如表3-1所示。表3-1 wzpk-336s的主要技术参数品牌saia分度号pt100型号wzpk-336s测量范围-200-500（）精度等级a级ro=1000.06;b级ro=1000.12热响应时间3（s）环境温度为1535（）测量电流5ma相对湿度80%试验电压为10100v（直流）绝缘电阻100m安装方式固定卡套螺纹安装图3-1 wzpk-336s铠装薄膜铂热电阻3.1.2实验管壁温测量设计选用某厂家生产的膜式铂电阻（如图3-2），工作原理为：由测量情形可知管壁温度用一般的热电偶和热电阻都不易测量，测温环境要求测温仪器可以附着在管壁表面，需要在测温点将水浴与管壁分开，面积又不能太大，否则影响换热。接触式测温中热电阻和热电偶比较适合，但热电偶冷端处理困难，且温差较小误差大。用光刻技术制作一个薄片热电阻外层加上隔热层贴在管壁温度侧点上，三组值同时测量取平均值，以达到精确测温效果。 选用该仪器的优点是：膜式铂电阻是近年来发达国家的一种铂热电阻新技术，这种新型热电阻是有外型尺寸小、灵敏度高、响应快、绝缘性能好、稳定性好、耐震耐腐蚀使用寿命长等优点，特别是pt500和pt1000 pt2000 高阻值热电阻，其分辨率相当于常规铂电阻pt100的510倍。其主要参数如表3-2所示。 表3-2 膜式铂电阻主要技术参数测量范围0500测量精度a级0.15+0.002t.() b级 0.3+0.05t.()0阻值偏差a级0.06（） b级 0.12（）图3-2 膜式铂电阻3.2流量测量考虑到管内有污垢，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，我们需要选择非接触式测量的器件。同时，考虑到流速较小，我们需要选用精确度较高的器件。由对实验装置和其工作时需要检测的对象来看，所选用的流量测量装置应具有以下几个特点：结构简单、牢固、安装使用方便。无需长管道，可以在有限的空间内安装工作。具有可以在恶劣的管道工作环境下正常工作的能力，尤其是在本实验装置流体硬度高、有杂质的情况下。经过综合分析和对目前市场已有的流量计比较后决定，本设计选用hnlghx系列环形孔板流量计（如图3-3），其主要技术参数如下表3-3所示，它的工作原理同标准孔板一样，适用于流体连续性方程和伯努力方程，所不同的是流体进入测量管段后，最小流通截面不一样，标准孔板最小流通截面是圆形，环形孔板最小流通截面是环形，把环形流通面等效成圆形流通截面，等效孔径为d，等效孔径比=d/d,基本方程是：qm:流经测量管的流体流量（kg/h）:流束膨胀系数，对不可压缩流体=1d：测量管的内径（mm）c:流出系数：流体在工作状态下的密度：压力差（kpa）表3-3 环形孔板流量计主要技术参数公称通径dn50dn3000工作温度-200450工作压力-0.140mpa精度1.0% 1.5% 2.0%连接方式法兰连接、焊接连接图3-3 环形孔板流量计3.3水位测量 补水箱上位安装，距地面2m，其水位要求测量并控制，以适应不同流速的需要，水位变动范围200mm500mm。 本设计采用江苏省苏科仪表有限公司生产的tq-drul系列电容式物位计（如图3-4），其主要技术参数如下表3-4所示，其工作原理：它是通过电容的变化来检测被测液物位的，电容物位计的探极做为电容的一个极，另一极是金属罐壁。在空罐状态下电容最小，因为空气的相对介电常数等于1。随着罐中介质的增多，物位上升，电容也随着增大，因为大多数物质的介电常数都比空气大。tq-drul系列电容物位计采用的是国际上先进的射频电容技术。一个射频振荡器施加于电容两端，只有电容的变化才能引起振荡输出频率的变化，因而这种变化具有以下优点：a.介质的其它特性如电导率等对输出几乎没有任何影响，由于温度对电容影响也很小，所以测量几乎也温度无关。b.对噪声干扰很不敏感，可以在1km的距离范围内进行信号传输。选用该仪器的优点：电容式水位计是将水位的变化转化为相应的电测信号变化，然后通过这些电参数测知水位。此仪表的信号转化不依赖于机械可动部分，所以比较可靠，而且由于测量信号可方便地转化成标准电信号输出，易于远传也便于和电动单元组合仪表或计算机系统配套使用。表3-4 tq-drul系列电容式物位计主要技术参数工作电压dc24v输出信号二线制dc420ma负载电阻0250（电源dc24v）测量范围杆式03500mm、缆式220m范围内任意选用测量精度1% fs：（量程1m内为5mm）粘度很高时对测量精度有一定影响防护等级ip65环境温度：-4045过程温度：普通型： -2060中温型： -40200、高温型： -40800介质压力压力型3mpa（其余型号为常压）电容量范围最小值20pf最大值5000pf图3-4 tq-drul系列电容式物位计3.4差压测量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。需要测量流动压降，范围为050mm 水柱,即0490pa。设计选用亿科电容式差压变送器yk-ycy-01（如图3-5），其主要技术参数如表3-5所示，工作原理为：在测量膜片的左右两室中充满硅油，当左右隔离膜片分别承受高压ph和低压pl时，硅油的不可压缩性和流动性便能将差压p=ph-pl传递到测量膜片的左右面上。因为测量膜片在焊接前加有预张力，所以当差压p=0时十分平整，使得定极板左右两电容的容量完全相等，即ch=cl，电容量的差值为零。在有差压作用时，测量膜片发生变形，也就是动极板向低压极板靠近，同时远离高压测定极板，使得电容ch=cl。选用该仪器的优点：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050mm水柱，因其测量的差压为较低的压力，因此要求测量的灵敏度要高，测量的液体污垢含量很多，因此选用电容式差压传感器。在差压测量方面，电容式传感器技术最成熟，应用最广泛。性能好：精度为0.25%,静压可达14mpa,最小量程可达01.25kpa。配合远传隔膜可用于各种复杂的压差测量系统。表3-5 亿科电容式差压变送器yk-ycy-01技术参数测量范围0-1.25kpa至0-6.89mpa使用温度电子部件-4085；传感器-25104接液材料316不锈钢，哈氏合金，蒙耐尔合金，钽可选。精度线性，重复性，迟滞合计，微差压时0.5%，其它0.25% 温度影响（零点和量程合计）1%/55 零点在25下的时间漂移0.1%/f.s/1年供电和输出 供电1836v dc；输出420ma或带hart通讯的420ma外壳防护等级 ip65防爆本质安全exia c t4 1区；隔爆：exd c t6 1区图3-5 亿科电容式差压变送器yk-ycy-01第4章 测量注意事项以及可能产生误差的原因4.1温度测量注意事项及可能产生误差的原因（1）由于热电阻通电后会产生自升温现象，从而带来误差，并且该误差无法消除，故规定最大电流，那么当液位升高时，占据的比例增大而占据的比例减小，两个电极之间的总的介电常数值也就会随之增大，而电容量也就会相应增加，通过对电容量增加值的测算就可以得到液位高度值。2、电容式液位计的测量主要就是依赖两个电极之间的电容量变化，也就是说电容液位计的灵敏度是取决于两个介质，气体、和液体的介电常数的差值。电容液位计的测量必须保证两个介质的介电常数保持一致，否则介电常数的变化会直接导致误差的产生。电容式液位计的金属棒电极都覆盖有绝缘层，这样可以避免因被测量介质具有导电性而产生的测量误差和安全隐患。电容液位计的体积较小，适用于一些高压介质的液位测量。电容液位计还具有远传和调节的配套功能。3、误差修正的对策：改进测量装置，严格按照仪表生产厂家要求，核实并精确测量水位计的安装位置，减小安装偏差。不要将几台水位计共用同一个取样孔，保证水侧管路有足够的回流面积，减少阻力，管路保温应完好。消除和减小边缘效应，消除和减小寄生电容的影响。4.4差压测量注意事项及可能产生误差的原因测量时应限制膜片过大变形，以保护膜片在过载时不致损坏。电源和电源线路干扰可能造成误差,电容式差压变送器对供电电源有严格的要求，对电源中高谐波要求很高。电源线中最好有一接地线，这样可以很好地克服电缆的分布电容影响。变送器测量膜片及隔离膜片制造条件约束造成设计误差。第5章 结论经过一周的努力，我完成了仪器仪表课程设计基于多功能动态实验装置的污垢厚度检测设计。通过不断的查找资料的过程让我积累了很多仪器仪表的基础知识，令我受益匪浅。我深刻地体会到仪器仪表对当代工程的重要作用。通过这次课设我体会到了，