多功能动态模拟实验设计

1、目录1.工程背景：22.温度测量32.1检测方法设计3热电阻温度计测进出口温度和水浴温度3热电偶温度计测管壁温度32.2设计依据32.3仪表种类选用3热电阻温度计选用铠装铂电阻温度计3热电偶温度计选用热套式热电偶温度计42.4选用依据42.5测量注意事项42.6误差分析53.水位测量53.1检测方法设计：磁浮子液位计测水位53.2设计依据53.3仪表种类选用：UHC系列磁性浮子式液位计63.4选用依据63.5测量注意事项73.6误差分析74.流量测量74.1检测方法设计74.2设计依据84.3仪表种类选用：LUGB型涡街流量计94.4选用依据94.5测量注意事项94.6误差分析95.差压测量9

2、5.1检测方法设计：用电容式差压传感器测差压95.2设计依据105.3仪表种类选用：WS1151系列电容式压力/差压变送器105.4选用依据105.5测量注意事项105.6误差分析116.参考文献12多功能动态模拟实验设计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。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所示

3、的实验装置是东北电力大学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。图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

4、垢的高硬度水或是含有固体微粒等致垢物质。1-恒温槽体；2-试验管段；3-试验管入口压力；4-管段出口温度测点；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2 实验装置流程图2.温度测量2.1检测方法设计2.1.1热电阻温度计测进出口温度和水浴温度针对实验管内的流体温度在2080之间，属于低温范围温度测量。另外实验管道的管径较小，为25mm，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。电阻温度计是利用金属导体或金属氧化物半导体做测温质，利用导体或半导体的电阻值随温度的增加

5、而增加这一特性来进行温度测量的。2.1.2热电偶温度计测管壁温度热电偶温度计由三部分组成：1.热电偶（感温元件）；2.测量仪表；3.连接热电偶和测量仪表的导线（补偿导线及铜线）。它是有两种不同材料的导体 A 和 B 焊接而成，焊接的一端插入被测介质中，感受被测温度，称为工作端或热端，另一端与导线相连，称为冷端或自由端。两种不同成分的导体两端经焊接、形成回路，直接测温端叫测量端，接线端子端叫参比端。当测量端和参比端存在温差时，就会在回路地产生热电流，接上显示仪表，仪表上就批示出热电偶所产生的热电流，接上显示仪表，仪表上就批示同热电偶所产生的热电动势的温度值。2.2设计依据实验管流体进、出口温度，

6、管壁温度和水浴温度大约控制在之间，属于低温测量，所以只需采用简单的接触式温度计即可。实验中，我们还需得到精度较高的温度值并将其转换为电信号输出，低温测量时热电阻温度计精度比热电偶温度计要高。所以综合考虑选择热电阻温度计较好。对于测量管壁温度，由于热电阻温度计不好安装，所以选用热电偶温度计。2.3仪表种类选用2.3.1热电阻温度计选用铠装铂电阻温度计铠装式铂电阻温度计通常由铠装铂热电阻感温元件、安装固定装置和接线装置等主要部件组成。图3 铠装铂电阻测量端结构形式2.3.2热电偶温度计选用热套式热电偶温度计适合于蒸汽管道、锅炉及其他对温度、压力、流速有所要求的场所。主要用于测量电站蒸汽管道及锅炉温

7、度.结构采用热套保护管与电偶可分离方式,使用时,用户可将热套焊接或机械固定在设备上,然后装上电偶就可工作。图4 热套式热电偶2.4选用依据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-200600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。电阻外保护管采用不锈钢，内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。热套式热电偶主要用

8、于测量电站蒸汽管道及锅炉温度.结构采用热套保护管与电偶可分离方式,使用时,用户可将热套焊接或机械固定在设备上,然后装上电偶就可工作,它的优点是提高了保护管的工作压力和使用寿命,又便于电偶的维修或更换,目前这种结构形式被国外广泛采用。2.5测量注意事项热电阻温度计测量实验管进、出口温度时应注意接线方式，采用三线制接线可较好地消除引线电阻的影响，测量准确度高。 热电偶的热电动势是热电偶工作端的两端温度函数的差，而不是热电偶冷端与工作端两端温度差的函数；热电偶所产生的热电势的大小，当热电偶的材料是均匀时，与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成份和两端的温差有关；当热电偶的两个热电偶丝材料成份确

9、定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶的温度差有关；若热电偶冷端的温度保持一定，这进热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。2.6误差分析分度误差。该误差取决于材料纯度和加工工艺。通电发热误差。由于电阻通电后会产生自升温现象，从而带来测量误差。该误差无法消除，但可用规定最大电流6。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、四线接线方法也可以减小误差。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。可通过节点靠近，同温等方法减小或消除。3.水位测量3.1检测方法设计：磁浮子液位计测水位磁浮子液位计根据浮力原理和磁性耦合

10、作用研制而成。它的结构如图6所示，主体是一根连通管体，通过法兰与用户容器连接，连通管体内有一磁性浮子，随着液位的升降而升降。管体外面固定由翻柱组成的指示器，翻柱由红绿两色组成，液位未上升前为绿色，当被测容器中的液位升降时，液位计主体管中的磁性浮子也随之升降，浮子内的永久磁钢通过磁耦合传递到磁翻柱指示器，驱动红、绿翻柱翻转180°。当液位上升时翻柱由绿色转变为红色，当液位下降时翻柱由红色转变为绿色，指示器的红绿交界处为容器内部液位的实际高度，从而实现液位清晰的指示。图5 磁浮子液位计的结构图 图6 磁浮子液位计的原理图3.2设计依据基于水位测量，首先想到的是浮子式液位计，因为它结构简单

11、，工作可靠，测量范围较大，不易受到外界环境的影响，并且能连续指示水位。但由于试验流体为易结垢的高硬度水，久而久之，浮子也会受到腐蚀，导致浮子所受浮力发生变化，影响测量结果。另外，浮子上承受的力除重锤的重力外，还有绳索本身的重力，以及绳与滑轮之间的摩擦力等，它们随位置和运动方向而改变，使浮子的吃水线相对于浮子上下移动，也会带来测量误差。考虑到上述因素，选择了磁浮子液位计来测量补水箱的水位。它可用于各种塔、罐、槽、球型容器和锅炉等设备的介质液位检测。该种液位计可以做到高密封，防泄漏和适用于高温、高压、耐腐蚀的场合。它弥补了玻璃板（管）液位计指示清晰度差、易破裂等缺陷，且全过程测量无盲区，显示清晰、

12、测量范围大。由于测量显示部分不与介质直接接触，所以对高温、高压、有毒、有害、强腐蚀介质更显其优越性。因此，它比传统的玻璃板（管）液位计具有更高的可靠性、安全性、先进性、实用性。3.3仪表种类选用：UHC系列磁性浮子式液位计本液位计在就地指示的基础上还可制成带上下限报警或电远传。输出4-20mA.DC标准信号，实现远程指示、控制及检测。磁性浮子液位计主要技术指标：测量范围：5008000mm精确度：±5mm ，±10mm（高温型） 介质密度：0.452g/cm介质密度差：0.15g/cm（测量界位）介质温度：-80+450介质粘度：0.4Pa.s，对于粘度大的介质或温度低时易

13、结晶的介质，可根据用户要求选用加热夹套式液位计。环境振动：频率25HZ，振幅0.5mm接口法兰：采用化工部1997年最新颁发的HG2059220635-97法兰标准。图7 UHC系列磁性浮子式液位计3.4选用依据由于本液位计直观醒目、安全可靠，检测功能齐全、测量范围宽、使用寿命长、安装维护方便等特点。所以广泛用于石油、化工、电力、冶金、环保等部门的液位检测与控制。它具有以下特点：适合容器内液体介质的液位、界面的测量。除现场指示，还可配 远传变送器、报警开关、检测功能齐全。指示新颖、读数直观、醒目、观察指示器的方向可根据用户需要改变角度。测量范围大，不受贮槽高度的限制。结构简单、安装方便、维护方

14、便、耐腐蚀、无需电源、防爆。3.5测量注意事项 a.安装时液位计筒体内不允许有铁屑、焊渣等异物进入，以免卡死浮子，液位计必须垂直安装。b.液位计与容器之间应安装截止阀，以便检修清洗时关闭液料，液位计周围不允许有强磁场，以免影响正常工作。c.安装完毕，翻柱可能是花的，或使用过程中，由于液位突变等其它原因造成个别翻柱不翻转，这时可用磁钢进行较正，使零位(液位)以上翻成绿色。d.液位计命使用时，应先打开上阀门，然后缓慢打开下阀门，防止磁浮子急速上升，造成翻柱翻乱。e.使用过程中应定期进行清洗，清除筒体内的污垢杂质。f.对超过3.5米以上的液位计需考虑增加中间加固支承耳朵攀以增加其强度与稳定.3.6误

15、差分析 安装误差：液位计安装倾斜，会给读书带来误差； 装置误差：浮子运动不够灵活或被卡死，会给测量带来误差，这是主要误差； 读数误差：读数时应平视液面的最低点。4.流量测量4.1检测方法设计涡街流量计基本原理是流体流经阻挡体或者是特制的元件时，产生了流动振荡，通过测定其振荡频率来反映通过的流量。当流体流动受到一个垂直于流动方向的非流线型阻体的阻碍时，柱体的下游两侧会发生明显的旋涡，左右两侧旋涡的旋转方向相反（如图8所示），这种旋涡称为卡门涡街。这些涡列多数是不稳定的，只有形成相互交替的内旋的两排涡列，且涡列宽度与同列相邻的两旋涡的间距之比满足（对圆柱形旋涡发生体）时，涡街达到稳定。图8 涡街流

16、量计原理根据卡门涡街原理，涡列频率（交替产生的频率）与管内平均流速有如下关系 （式2）式中 涡列发生体两侧流体的平均流速，m/s；涡列发生体特征宽度，m；斯特罗哈尔数（无量纲系数），它与旋涡发生体的形状及雷诺数有关旋涡发生体两侧弓形面积与管道内横截面积之比。 （式3）式中 管道内径，m。瞬时体积流量（m3/s） （式4）仪表系数 （式5）式中 通过流量记的体积流量，L/s;流量计输出的信号频率，Hz；涡街流量计仪表系数，L-1。 由上式可知，在斯特罗哈尔数为常数的基础上，通过涡街流量计的体积流量与旋涡频率成正比。仪表系数仅与旋涡发生体几何参数有关，而与流体物性和组分无关。因此，只要测出流量计输

17、出的信号频率，就可以求出通过涡街流量计的体积流量。4.2设计依据由于试验所用的流体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，其导电率变化较大，不固定，所以不宜采用电磁式流量计。试验管段管径只有25mm，空间很小，几乎很难再在管中放置大的节流件，这样会造成压力损失，使流速减小，从而影响流量测量。所以也不宜采用节流式流量计和涡轮式流量计。涡街流量计主要用于工业管道介质流体的流量测量,如气体、液体、蒸气等多种介质。其特点是压力损失小,量程范围大,精度高,在测量工况体积流量时几乎不受流体密度、压力、温度、粘度等参数的影响。无可动机械零件，因此可靠性高,维护量小。仪表参数能长期稳定。涡街流

18、量计采用压电应力式传感器,可靠性高,可在-20+250的工作温度范围内工作。有模拟标准信号,也有数字脉冲信号输出,容易与计算机等数字系统配套使用,是一种比较先进、理想的流量仪表。4.3仪表种类选用：LUGB型涡街流量计LUGB型涡街流量计适用于测量过热蒸汽、饱和蒸汽、压缩空气和一般气体、水和液体的质量流量和体积流量。4.4选用依据与国内其他同类产品相比，它具有以下功能特点：无可动部件，运行可靠，性能较好，使用寿命长。测量被测流体，不直接接触传感器，性能稳定。输出信号是与流量成正比的脉冲信号或输出420mA标准电流信号。压力损失较少，故比差压流量计具有节能特点。测量量程比大，可达1：10。而差压

19、式只有1：3。结构简单而牢固，安装方便，维修费用极少。4.5测量注意事项正确地选择安装点和正确安装传感器都是非常重要的环节，若在安装环节失误轻者影响测量精度，重者会影响传感器的使用寿命，甚至损坏传感器。（1）涡街流量计尽量安装在远离振动源和电磁干扰较强的地方，振动存在的地方必须采用减振装置，减少管道受振动的影响。 （2）直管段的配置，前后直管段要满足涡街流量计的要求，所配管道内径也必须和涡街流量变送器内径一致。 （3）传感器避免安装在温度变化很大的场所和受到设备的热辐射。4.6误差分析 旋涡发生体的雷诺数发生变化，导致斯特罗哈尔数不在常数范围内，变化，给测量带来误差。 频率检测产生的误差给流量

20、测量带来误差。 环境温度变化给测量带来误差。5.差压测量5.1检测方法设计：用电容式差压传感器测差压图9所示是一种电容式差压传感器示意图。左右对称的不锈钢基座内有玻璃绝缘层，其内侧的凹形球面除边缘部分外均镀有金属膜作为固定电极，中间被夹紧的弹性膜片作为可动测量电极，左、右固定电极和测量电极经导线引出，从而组成了两个电容器。不锈钢基座和玻璃绝缘层中心开有小孔，不锈钢基座两边外侧焊上了波纹密封隔离膜片，这样测量电极将空间分隔成左、右两个腔室，其中充满硅油。当隔离膜片感受两侧压力的作用时，通过硅油将差压传递到弹性测量膜片的两侧从而使膜片产生位移，其位移量和压力差成正比。电容极板间距离的变化，将引起两

21、侧电容器电容值的改变。此电容量的变化经过适当的变换器电路，可以转换成反应被测差压的标准电信号输出。图9 电容式差压传感器5.2设计依据由于结垢导致流动管内阻力增大，所以需要测量流动压降。一般，我们都会想到测出试验管的出口压力和入口压力，然后相减即可求出流动压降。但这种方法存在它的弊端，因为压力测量需要进行温度补偿，当两侧压力温度补偿不一致时，相减后就会给测量带来较大误差，而且这种误差会积累起来，最后使测量结果存在严重偏差。所以，最好的测量方法就是采用压力变送器。综合考虑，我选择了电容式压力传感器。它结构坚实，灵敏度高，过载能力大，精度高，其精确度可达，可以测量压力和差压。5.3仪表种类选用：WS1151系列电容式压力/差压变送器基本