1、過程檢測技術(shù)及儀表課程設(shè)計第一章 緒論1.1課程設(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(dāng)前經(jīng)濟(jì)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、工程創(chuàng)新能力和承受挫折能力都得到綜合提高。 以增強(qiáng)就業(yè)競爭力和工作適應(yīng)力。1.2 課題介紹本課設(shè)題目以多功能動態(tài)實驗裝置為對象， 要求綜合以前所學(xué)知識， 完成此實驗裝置所需參數(shù)的檢測。 設(shè)計檢測方案， 包括檢測方法， 儀表種類選用以及需要注意事項，并分析誤差產(chǎn)生的原因等

2、等。1.3實驗背景知識換熱設(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(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。1.4實驗原理1.4.1檢測方法按對沉積物的監(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、放射技術(shù)、時間推移電影法、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。這里選擇熱學(xué)法中的污垢熱阻法。1過程檢測

3、技術(shù)及儀表課程設(shè)計1.4.2熱阻法原理簡介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)系由式表示：mf1Rfff ff（1-1 ）圖 1-1清潔和有污垢時的溫度分布及熱阻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(jìn)行的，圖1a 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/U cR1cRwR2c（ 1-2 ）圖 1b 為兩側(cè)有污垢時的溫度分布，其總傳熱熱阻為：1/ U fR1 fRf 1RwRf 2R2 f（ 1-3 ）忽略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，則可認(rèn)為

4、R1cR1 f , R2 cR2 f（ 1-4 ）于是兩式相減得：Rf 1Rf 211U fU c（ 1-5 ）該式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/ U fR1cRw R f R2 f(Ts1, fTb ) / q）（ 1-62過程檢測技術(shù)及儀表課程設(shè)計1 / U c R1c R w R2 c (Ts1,c Tb ) / q（ 1-7 ）若在結(jié)垢過程中， q、 Tb 均得持不變，且同樣假定R2 cR2 f（ 1-8 ）則兩

5、式相減有：Rf(Ts1, f Ts1,c ) / q（ 1-9 ）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。1.5實驗裝置圖 1-2多功能動態(tài)模擬實驗裝置外形圖如圖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。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。 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)。3過程檢測技術(shù)及儀表課程設(shè)計1- 恒溫槽體； 2- 試驗管段； 3- 試驗管入口壓力；4- 管段

6、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(bǔ)水箱； 12- 電加熱管圖 1-3實驗裝置流程圖1.6 需要檢測和控制的主要參數(shù)(1) 溫度：包括實驗管流體進(jìn)口（ 2040）、出口溫度（ 2080 ） ，實驗管壁溫（ 2080 ）以及水浴溫度（ 2080 ）；(2) 水位：補(bǔ)水箱上位安裝，距地面 2m，其水位要求測量并控制循環(huán)水泵，以適應(yīng)不同流速的需要，水位變動范圍 200mm500mm；(3) 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；(4) 差壓：由于結(jié)垢導(dǎo)致管內(nèi)流

7、動阻力增大，需要測量流動壓降，范圍為 050mm水柱。4過程檢測技術(shù)及儀表課程設(shè)計第二章被測參數(shù)及儀表選用2.1 實驗管進(jìn)出口溫度測量2.1.1 儀表的選擇由于實驗裝置的進(jìn)出口管直徑較小，采用體積較大的溫度計會增加流動阻力，從而影響流速。 而且由給定的參數(shù)可知，試驗管流體進(jìn)、出口的溫度為20 40 ，溫度范圍小，此兩處的溫度比較低，測量不便，適合測量此段溫度的主要有液體膨脹式、 雙金屬、熱電偶及熱電阻等溫度傳感器， 而我們的實驗設(shè)備有上位機(jī)采集信息，所以最好選用熱電偶或者熱電阻。熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的，它不僅

8、廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。 目前應(yīng)用最廣泛的熱電阻材料是鉑和銅：鉑電阻精度 高，適用于中性和氧化性介質(zhì)，穩(wěn)定性好，具有一定的非線性，溫度越高電阻變 化率越??；銅電阻在測溫范圍內(nèi)電阻值和溫度呈線性關(guān)系，溫度線數(shù)大，適用于 無腐蝕介質(zhì)， 超過 150 易被氧化。 國內(nèi)最常用的有 R0=10 、R0=100 和 R0=1000 等幾種， 它們的分度號分別為 Pt10 、 Pt100 、 Pt1000 ； 銅電阻有 R0=50 和 R0=100 兩種，它們的分度號為 Cu50 和 Cu100。其中Pt100 和 Cu50 的應(yīng)用最為廣泛。本設(shè)計中選用了WZPK-233S|鎧裝 Pt1

9、00熱電阻。熱電阻在環(huán)境溫度為15 35 C，相對濕度不大于 80%，試驗電壓為 10 100V（直流）電極與外套管之間 的絕緣電阻 100M 。鎧裝熱電阻是利用物質(zhì)在溫度變化時， 其電阻也隨著發(fā)生變化的特征來測量溫度的。當(dāng)阻值變化時，工作儀表便顯示出阻值所對應(yīng)的溫度值。2.1.2 儀表的特點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)5過程檢測技術(shù)及儀表課程

10、設(shè)計器、 掃 描器、數(shù)據(jù)記錄儀以及電腦提供精確的輸入值。 鎧裝電阻外保護(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。圖 2 -1 WZPK -233S 鎧裝薄膜鉑熱電阻2.1.3 儀表的參數(shù)及結(jié)構(gòu)表 2-1鎧裝薄膜鉑熱電阻外徑安裝固定裝置標(biāo)準(zhǔn)尺安裝固定裝置標(biāo)準(zhǔn)尺鎧裝薄膜熱電阻外徑(d)5436D直徑 60直徑 50D0直徑 42直徑 36D1直徑 24直徑 20d0直徑 9直徑 7S2219有表一可知，本次設(shè)計中的管徑為 25mm,所以選用電阻外徑為 4m、5m、6m 的熱電阻都可以。圖 2-2熱電阻測量端結(jié)構(gòu)圖2.1.4 測量

11、注意事項在使用過程中注意以下產(chǎn)生誤差的可能性：(1) 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6過程檢測技術(shù)及儀表課程設(shè)計差。但可用傳熱條件好的溫度計來盡可能減少。(2) 熱電阻的引線對測量結(jié)果會有較大的影響。三線制接法可補(bǔ)償連接導(dǎo)線的電阻引起的測量誤差。2.1.5 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。（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。電阻絲與引線點處構(gòu)成熱

12、偶，若節(jié)點溫度不同將產(chǎn)生附加電動勢， 對于測量回路可能產(chǎn)生影響?？赏ㄟ^節(jié)點靠近， 同溫等方法減小或消除。（5）熱電阻安裝時， 其插入深度不小于熱電阻保護(hù)管外徑的 8-10 倍，盡可能使熱電阻受熱部分增長。熱電阻盡可能垂直安裝，以防在高溫下彎曲變形。（6）熱電阻在使用中為了減小輻射熱和熱傳導(dǎo)所產(chǎn)生的誤差，應(yīng)盡量使保護(hù)套管表面和被測介質(zhì)溫度接近，減小熱電阻保護(hù)套管的黑色系數(shù)。2.2 實驗管壁溫度測量實驗管道在恒溫水槽中，通過與水槽中的水進(jìn)行熱交換傳熱，壁溫范圍2080 。2.2.1 檢測方法設(shè)計以及依據(jù)由測量情形可知管壁溫度用一般的熱電偶和熱電阻都不易測量， 測溫環(huán)境要求測溫儀器可以附著在管壁表面

13、， 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。 接觸式測溫中熱電阻和熱電偶比較適合， 但熱電偶冷端處理困難，且溫差較小誤差大。 用光刻技術(shù)制作一個薄片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(dá)到精確測溫效果。2.2.2 儀表種類選用以及設(shè)計依據(jù)膜式鉑電阻是近年來發(fā)達(dá)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 和 Pt1000 Pt2000 高阻值熱電阻，其分辨率相當(dāng)于常規(guī)鉑電阻 pt100 的 510 倍。7過程檢測技術(shù)及儀表課程設(shè)計2.2.3 測

14、量注意事項以及誤差分析（1）水浴與管壁分開的面積太大，影響流體的流量及換熱。所以溫度計的體積應(yīng)盡可能小。（2）外界環(huán)境變化會影響管壁溫度，故使外界環(huán)境溫度保持穩(wěn)定。（3）固定螺紋或者固定法蘭安裝。（4）由于熱電阻與儀表之間一般都有一段較長的距離, 因此兩根連接導(dǎo)線的電阻隨溫度的變化 , 將同熱電阻阻值的變化一起加在不平衡電橋的一個臂上, 使測量產(chǎn)生較大的誤差。 為減小這一誤差 , 一般在測溫?zé)犭娮枧c儀表連接時 , 采用三線制接法。2.3 水浴溫度測量2.3.1 檢測方法設(shè)計以及依據(jù)由實驗裝置要求分析， 水槽內(nèi)水浴溫度是一個存在一定變化的物理量，而水浴溫度又通過穩(wěn)控器來實時監(jiān)控。因此，測溫儀表要

15、求較高的靈敏性和精確度。其次，水浴溫度的變化范圍在2080之間，屬于低溫范疇。綜合以上要求，我們采熱電偶溫度測量法。2.3.2 熱電偶工作原理熱電偶溫度計由三部分組成： 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）。圖 2-3最簡單的熱電偶測溫系統(tǒng)它是由兩種不同材料的導(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8過程檢測技術(shù)及儀表課程設(shè)計參比端。當(dāng)測量端和參比端存在溫差時， 就會在回路產(chǎn)生熱電流，

16、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)生的熱電動勢的溫度值。2.3.3儀表種類選用以及依據(jù)選用銅鎳銅熱電偶，這是在低溫下應(yīng)用得很普遍的熱電偶, 測量溫度范圍( 200 200), 穩(wěn)定性好 , 低溫時靈敏度高并且價格低廉。分度號為T。圖 2-4銅鎳銅熱電偶測溫器2.3.4測量注意事項及誤差分析（1）測溫點的選擇熱電偶的安裝位置， 即測溫點的選擇是最重要的。測溫點的位置， 對于工藝過程而言，一定要具有典型性、代表性，否則將失去測量意義。（2）插入深度熱電偶插入被測場所時， 沿著傳感器的長度方向?qū)a(chǎn)生熱流。當(dāng)環(huán)境溫度低時就會有熱損失。致使熱電偶

17、與被測對象的溫度不一致而產(chǎn)生測溫誤差?？傊?，由熱傳導(dǎo)而引起的誤差，與插入深度有關(guān)。2.4 水位測量2.4.1 檢測方法設(shè)計以及依據(jù)實驗裝置補(bǔ)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。而電容式液位測量是利用被測對象物質(zhì)的導(dǎo)電率，將液位變化轉(zhuǎn)換成電容變化來進(jìn)行測量的一種液位計。與其他液位傳感器相比，電容液位測量具有靈敏性好、輸出電壓高、誤差小、動態(tài)響應(yīng)好、無自熱現(xiàn)象、 對惡劣環(huán)境的適用性強(qiáng)等優(yōu)點。所以，我們采用此方法來測量補(bǔ)水箱內(nèi)的水位。此外，實驗裝置要求水位還可控制，以適應(yīng)不同流速的需要。 所以這里我們9過程檢測技術(shù)及儀表課程設(shè)計把電容傳感器輸出

18、的信號傳遞給一個單片機(jī)系統(tǒng)， 并且通過一個顯示裝置 （數(shù)碼管或 LCD）得以顯示該水位。通過單片機(jī)對信號的分析運(yùn)算，使得當(dāng)補(bǔ)水箱內(nèi)的水位超出水位變動范圍（ 200500mm）時，產(chǎn)生一個信號使得循環(huán)水泵開始工作以調(diào)節(jié)水位。圖 2-5補(bǔ)水箱水位測量及控制總體框圖2.4.2儀表種類選用以及依據(jù)常見的電容傳感器測量電路有變壓器電橋式、運(yùn)算放大器式及脈沖寬度式等。這類儀表適用于腐蝕性液體、 沉淀性液體以及其它化工工藝液體液面的連續(xù)測量與位式測量，或單一液面的液位測量。經(jīng)過比較分析， 我們采用某生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的 UCD-628系列電容式液位計， 其采用電容法測量原理，適用于電力、冶金、化工、食品、制藥、污

19、水處理、鍋爐汽包等的液位測量。該電容式液位計有以下特點：（1）結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，安裝維護(hù)簡單，統(tǒng)一外形尺寸。（2）多種信號輸出形式，可用于不同系統(tǒng)配置。（3）測水位范圍 0.12m。（4）浸入液體的測量部分，只有一條四氟軟線或四氟棒式探極作為傳感，可靠性高。（5）全密封鋁合金外殼及不銹鋼聯(lián)接件。（6）對高溫壓力容器與測量常溫常壓一樣簡單，且測量值不受被測液體的溫度、比重及容器的形狀、壓力影響。（7）完善的過流、過壓、電源極性保護(hù)。2.4.3 測量注意事項（1）電容式液位計應(yīng)垂直安裝，并固定以防止晃動引起的誤差。（2）應(yīng)采用非隔離兩線制、三線制或測量、輸出、電源三端隔離四線制多10過程檢測技術(shù)及

20、儀表課程設(shè)計種電路結(jié)構(gòu)方式。（3）注意得使用高頻電路。2.5流量測量2.5.1 儀表的選擇由于要對試驗管內(nèi)的液體流量進(jìn)行測量，所要測量的管段的直徑很小大約25左右，流量范圍 0.54m3/h，并且考慮到管內(nèi)有污垢，水并不潔凈，用接觸法測量會導(dǎo)致測量儀器的表面結(jié)垢， 影響測量的精度 因此考慮非接觸式測量方法。電磁流量計是非常好的選擇。 在這里選用 XJ-LDC系列分體式電磁流量計。圖 2-6 XJ-LDC系列分體式電磁流量計2.5.2儀表的工作原理分體式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， 采用單片機(jī)嵌入式技術(shù)， 實現(xiàn)數(shù)字勵磁， 同時在電磁流量計上采用

21、CAN現(xiàn)場總線，屬國內(nèi)首創(chuàng)，技術(shù)達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。XJ-LDC 系列分體式電磁流量計在滿足現(xiàn)場顯示的同時，還可以輸出4 20mA電流信號供記錄、調(diào)節(jié)和控制用，現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于化工、環(huán)保、冶金、醫(yī)藥、造紙、給排水等工業(yè)技術(shù)和管理部門。 電磁流量計除可測量一般導(dǎo)電液體的流量外，還可測量液固兩相流，高粘度液流及鹽類、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿液體的體積流量。2.5.3儀表的主要特點11過程檢測技術(shù)及儀表課程設(shè)計儀表結(jié)構(gòu)簡單、可靠，無可動部件，工作壽命長。無截流阻流部件，不存在壓力損失和流體堵塞現(xiàn)象。無機(jī)械慣性，響應(yīng)快速，穩(wěn)定性好，可應(yīng)用于自動檢測、調(diào)節(jié)和程控系統(tǒng)。測量精度不受被測介質(zhì)的種類及其溫度、粘度、密度、壓力

22、等物理量參數(shù)的影響。采用聚四氟乙烯或橡膠材質(zhì)襯里和Hc、 Hb、316L、Ti 等電極材料的不同組合可適應(yīng)不同介質(zhì)的需要。備有管道式、插入式等多種流量計型號。采用 EEPROM存貯器，測量運(yùn)算數(shù)據(jù)存貯保護(hù)安全可靠。具備一體化和分離型兩種型式。2.5.4儀表的技術(shù)指標(biāo)儀表精度：管道式0.5 級、 1.0 級；插入式 2.5 級測量介質(zhì)：電導(dǎo)率大于5S/cm 的各種液體和液固兩相流體。流速范圍： 0.2 8m/s工作壓力： 1.6MPa環(huán)境溫度： -40 +50介質(zhì)溫度：聚四氟乙烯襯里180；橡膠材質(zhì)襯里 65。2.5.5誤差分析（1）當(dāng)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

23、。（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。2.6 差壓測量2.6.1 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范圍為 050mm水柱（ 500Pa），它是一個很小的差壓，用普通的差壓計測量方法很難精確的測量，因此我們選用 U 型管差壓計。2.6.2 儀表種類選用以及依據(jù)針對差壓范圍 050mm水柱，我們選用某廠家生產(chǎn)的 C1系列注模壓差計。 它采用垂直 +傾斜型的結(jié)構(gòu)和低揮發(fā)紅油。測量范圍很廣，在小讀數(shù)時讀數(shù)也很方12過程檢測技術(shù)及儀表課程設(shè)計便，可以測量正壓，負(fù)壓和差壓。它的技術(shù)指標(biāo)如下：介質(zhì)：空氣和非易燃，兼容的氣體。外殼：白色 ABS塑料精度：滿刻度的 3%內(nèi)部最大工作壓力：70 KPa過壓保護(hù)：溢流管可以緩解中等過壓最大工作溫度： 85C表 2-3 差壓表的型號及范圍型號范圍使用液體C1-30-3 英寸水柱紅油C1-800-80 毫米水柱紅油C1-700PA10-0-700PA紅油圖 2-