过程检测技术及仪表课设论文 - 成品

过程检测技术及仪表课程设计

目录

第1章 绪论..................................................... - 1 - 1.1 题目设计背景................................................ - 1 - 1.2 实验装置.................................................... - 2 - 1.3 检测和控制的参数............................................ - 4 - 第2章 测量装置选择与误差分析................................... - 5 -

2.1流体进出口温度 ....................................... - 5 - 2.1.1热电阻原理 ......................................... - 5 - 2.1.2 WZC-200热电阻结构图 ............................... - 6 - 2.1.3产品参数 ........................................... - 6 - 2.1.4主要特性 ........................................... - 7 - 2.1.5注意事项 ........................................... - 7 - 2.1.6误差分析 ........................................... - 7 -

2.2实验管壁温测量 .............................................................................................................. - 7 -

2.2.1 检测方法设计以及依据 .................................. - 7 - 2.2.2 仪表种类选用以及依据 .................................. - 8 - 2.3水浴温度测量 ................................................ - 8 -

2.3.1检测方法设计以及依据................................... - 8 - 2.3.2 仪表种类选用以及依据 .................................. - 8 - 2.3.3测量注意事项及误差分析................................. - 9 - 2.4补水箱水位测量及控制 ................................................................................................ - 9 -

2.4.1检测方法设计以及依据................................... - 9 - 2.4.2 仪表种类选用以及依据 ................................. - 10 - 2.4.3 测量注意事项 ......................................... - 11 - 2.5流量测量 ................................................................................................................. - 11 -

2.5.1工作原理 .......................................... - 11 - 2.5.2 电磁流量计图...................................... - 12 - 2.5.3技术参数： ........................................ - 12 - 2.5.4电磁流量计特点 .................................... - 12 - 2.5.5注意事项 .......................................... - 13 - 2.5.6误差分析 .......................................... - 13 -

2.6差压测量 ................................................... - 13 - 2.7 设计意义及应用............................................. - 16 -

参考文献 ................................................................................................................. - 16 -

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第1章 绪论

1.1 题目设计背景

换热设备污垢是指流体中的组分或杂质在与之相接触的换热表面上逐渐积聚起来的一层固态物质。它广泛存在于化工、动力及制冷等工程。污垢的形成过程是质量交换、热量交换和动量交换的动态综合，是多种十分复杂过程的同时作用的结果。因而影响这一过程的因素很多，如流体性质、壁温、流体与壁面的温度梯度、流体流速以及壁面状况等。这些因素不同，形成的污垢特性也各不相同。因此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、电解法和化学法等。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δf和污垢热阻Rf。这三者之间的关系由下式表示：

Rf?mf?f?f?1?f?f （1-1）

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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1a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：

1/Uc?R1c?Rw?R2c （1-2）

图1b为两侧有污垢时的温度分布，其总传热热阻为

1/Uf?R1f?Rf1?Rw?Rf2?R2f （1-3）

如果忽略换热面上污垢的积聚对壁面与流体的对流传热系数影响，则可认为

R1c?R1f,R2c?R2f。于是由式(1-3)减去式(1-2)得：

Rf1?Rf2?11? （1-4） UfUc式(1-4)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：

1/Uc?R1c?Rw?R2c?(Ts1,c?Tb)/q （1-5） 1/Uf?R1c?Rw?Rf?R2f?(Ts1,f?Tb)/q （1-6）

若在结垢过程中，q、Tb均得持不变，且同样假定R2c?R2f，则两式相减有：

Rf?(Ts1,f?Ts1,c)/q （1-7）

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。

1.2 实验装置

本实验采用如图1-1所示的实验装置。该装置是由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软测量技术开发的多功能实验装置。

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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。该装置主体结构示意图如图1-2所示。

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220V

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图1-2 动态模拟试验装置主体结构示意图

1-恒温槽体；2-试验管段；3-试验管入口压力；4-入口温度测点；5-管壁温度测点；6-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

1.3 检测和控制的参数

温度：包括实验管流体进口（20～40℃）、出口温度（20～80 ℃），实验管壁温（20～80℃）以及水浴温度（20～80℃）。

水位：补水箱上位安装，距地面2m，其水位要求测量并控制循环水泵，以适应不同流速的需要，水位变动范围 200mm～500mm。

流量：实验管内流体流量需要测量，管径Φ25mm，流量范围 0.5～4m3/h。 差压：由于结垢导致管内流动阻力增大，因此需要测量流动压降，范围为 0～50mm水柱。

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第2章 测量装置选择与误差分析

2.1流体进出口温度

由于该实验装置实验管道直径较小，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。因此不宜使用体积较大的温度计，否则会增加流动阻力影响流速。进出口最大温度变化范围在20~80℃之间，水温变化较小且属于低温范围，所以需要选用精度较高的测温元件。所以所选的测温元件的特点要求结构简单、方便、体积小、灵敏度高，适合测中低温。为减小计算进出口温差时的误差，可采用同种方法对进出口温度进行测量。因此，可选择热电阻温度计进行测量。

2.1.1热电阻原理

从热电阻的测温原理可知，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来测量的，因此，热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。

铠装热电阻是由感温元件（电阻体）、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，它的外径一般为 φ1.0~φ 8.0mm ，最小可达 φ 0.5mm 。与普通型热电阻相比，它有下列优点：体积小，内部无空气隙，热惯性上，测量滞后小；机械性能好、耐振，抗冲击；能弯曲，便于安装 ， 使用寿命长等优点。

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2.1.2 WZC-200热电阻结构图

图2-1 WZC-200热电阻结构图

2.1.3产品参数

表2-1 产品参数

型号 WZC-200 分度号 Cu50 安装形式 管螺纹G1/2 保护管材料 1Cr18NiTi 测量范围 -50~100℃ 主要技术指标

1、铜热电阻：-50℃~100℃

2、输出信号：4~20mA（可与DDZ－III仪表配套使用） 0~l0mA（可与DDZ－Ⅱ仪表配套使用） 3、基本误差：士0.5％，士0.2％． 4、温度漂移：≤0.01％/1℃

5、环境温度：-30~70℃ 相对湿度≤95% 6、负载电阻：三线制 0~10mA：RL≤1500Ω 7、标准工作电压：24VDC；

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2.1.4主要特性

1、输出4~20mA或0~10mA标准恒流信号，与被测温度成线性关系，与负载电阻大小无关。

2、输出高阻扰抗信号、无射频干扰影响。

3、具有防爆、防震、防潮、防热、防有害气体的功能。 4、带电源极性接反保护功能。

5、具有较强的远传功能，安装使用极为方便。

2.1.5注意事项

为消除引线电阻的影响一般采用三线制或四线制。热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线和显示仪表等组成。必须注意以下两点： 1、 热电阻和显示仪表的分度号必须一致

2、为了消除连接导线电阻变化的影响，必须采用三线制接法 。

2.1.6误差分析

1、分度误差 2、通电发热误差 3、线路电阻不同或变化引入的测量误差 4、附加热电动势

2.2实验管壁温测量

实验管道在恒温水槽中，通过与水槽中的水进行热交换传热，壁温范围

20~80 ℃。

2.2.1 检测方法设计以及依据

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。

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2.2.2 仪表种类选用以及依据

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5~10倍。

以下即是选用某厂家生产的膜式铂电阻，其技术指标如下：

测量范围： 50---500℃

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（Ω） B级 ±0.12（Ω）

图2-2 膜式铂电阻

2.3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。

2.3.1检测方法设计以及依据

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。

2.3.2 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

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(－200～＋200℃),稳定性好,低温时灵敏度高并且价格低廉。分度号为T。

图2-3 铜－镍铜热电偶测温器

2.3.3测量注意事项及误差分析

 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

 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。

2.4补水箱水位测量及控制

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200mm~500mm。

2.4.1检测方法设计以及依据

实验装置补水箱内水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。其介电常数与空气的差别很大。而电容式液位测量是利用被测对象物质的导电率，将液位变化转换成电容变化来进行测量的一种液位计。与其他液位传感器相比，电容液位测量具有灵敏性好、输出电压高、误差小、动态响应好、无自热现象、对恶劣环境的适用性强等优点。所以，我们采用此方法来测量补水箱内的水位。

此外，实验装置要求水位还可控制，以适应不同流速的需要。所以这里我们把电容传感器输出的信号传递给一个单片机系统，并且通过一个显示装置（数码

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管或LCD）得以显示该水位。通过单片机对信号的分析运算，使得当补水箱内的水位超出水位变动范围（200~500mm）时，产生一个信号使得循环水泵开始工作以调节水位。

图2-4 补水箱水位测量及控制总体框图

2.4.2 仪表种类选用以及依据

常见的电容传感器测量电路有变压器电桥式、运算放大器式及脉冲宽度式等。这类仪表适用于腐蚀性液体、沉淀性液体以及其它化工工艺液体液面的连续测量与位式测量，或单一液面的液位测量。

经过比较分析，我们采用某生产厂家生产的UCD-628系列电容式液位计，其采用电容法测量原理，适用于电力、冶金、化工、食品、制药、污水处理、锅炉汽包等的液位测量。

该电容式液位计有以下特点：

图2-5 电容式液位计

1、结构紧凑，体积小，安装维护简单，统一外形尺寸。

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2、多种信号输出形式，可用于不同系统配置。

3、测水位范围0.1~2m。

4、浸入液体的测量部分，只有一条四氟软线或四氟棒式探极作为传感，可靠性高。

5、全密封铝合金外壳及不锈钢联接件。

6、对高温压力容器与测量常温常压一样简单，且测量值不受被测液体的温度、比重及容器的形状、压力影响。 7、完善的过流、过压、电源极性保护。

2.4.3 测量注意事项

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。

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。

2.5流量测量

实验管内流体流量需要测量，管径Φ25mm，流量范围0.5~4m3/h。考虑到被测流量为微小流量，选用经济型电磁流量计KKF82E。

2.5.1工作原理

电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电液体体积流量的仪表。

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2.5.2 电磁流量计图

图2-6 电磁流量计

2.5.3技术参数：

1、公称通径：DN6～DN2800 2、准确度等级：0.5级、0.2级

3、分夹持型和法兰连接型，法兰标准为GB/T 9119-2000

4、结构种类：一体型、分体型结构可供选择，最大分体电缆长度可达200米

5、内衬材料：PTFE、氯丁橡胶、聚氨酯、聚全氟乙丙F46 6、可选电极：MonTi、钛、哈氏合金Hb、Hc、袒、铂金 7、防护等级：IP65（防水型）

8、大屏幕液晶显示，同步显示瞬时流量、流速、正反向累积总量以各类报警信息

9、宽范围电源模式 AC：85V～265V；DC：18V～38V

10、标配4～20mA输出和脉冲输出两种输出方式，RS485和HART通讯协议可供选择

2.5.4电磁流量计特点

1、测量稳定性好，经济适用

2、可选择的中文和英文操作界面，操作简捷明了 3、宽电源范围模式，AC：85V～265V；DC：18V～38V

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4、具有自动调零功能,零点非常稳定，在空管状态下不会显示流量 5、电容式空满管检测技术及故障自诊断技术和报警提示 6、停电记录功能，存储掉电时的数据及时间

7、3.125HZ、6.25HZ、12.5HZ、25HZ等多种频率可选择的励磁方式。

2.5.5注意事项

1、推荐垂直安装，且被测流体是至下而上流动。也可水平安装，但要使两电极在同一水平面上，并保证测量导管都充满液体。

2、流量计的外壳、屏蔽线、测量导管都要接地。都要单独设置接地点。 3、安装地点要远离一切磁源（如大功率电机、变压器等）。

3、流量计前必须有10D左右的直管道，以消除各种局部阻力对流线分布对称性的影响。

2.5.6误差分析

1、管内液体未充满

2、液体中含有固相液体中含有粉状、颗粒或纤维等固体，可能产生的故障有：①浆液噪声；②电极表面玷污；③导电沉积层或绝缘沉积层覆盖电极或衬里；④衬里被磨损或被沉积物覆盖，流通截面积缩小。

3、液体电导率超过允许范围引发的问题液体导电率若接近下限值也有可能出现晃动现象。

2.6差压测量

实验管道进出口的差压可通过差压计来测量，差压计的两个输入端分别接在压力测量点3和7处，输出值即为入口和出口压差。因为压力变化范围小，切管中液体易结垢，故选用压阻式应变变送器作为测量元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变变送器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变

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片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。 测量时，被测介质的压力直接作用于变送器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。

选用CYB13系列隔离式压力变送器作为进出口差压测量元件。该变送器采用进口的高精度、高稳定性的带不锈钢隔离膜片的硅力敏芯片，经激光调阻和先进的厚膜技术温度补偿，线性补偿、信号放大、V/I转换，逆极性保护，压力过载限流等信号处理，输出工业标准的电流、电压信号。该变送器可广泛应用于冶金、电力、石油、化工、医药、食品、轻纺、水利、地质等领域对腐蚀性气体、液体、

蒸汽的压力测量和控制。其外形如图2-7所示。

图2-7 CYB13系列隔离式压力变送器

该变送器的技术参数如表2-2所示。

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表2-2 CYB13系列隔离式压力变送器技术参数如表

0～10、35…1000(KPa) 量 程 范 围 0～2、20…200(MPa) 过 载 压 力 测 量 介 质 2倍满量程 与316L不锈钢兼容的气体、液体 4～20mA 0～10mA 二线制 输 出 信 号 1～5VDC 0～5VDC 三线制 供 电 电 压 精 确 度 长 期 稳 定 性 补 偿 温 度 介 质 温 度 储 存 温 度 响 应 时 间 负 载 电 阻 膜 片 材 料 壳 体 材 料 压 力 接 口 电 气 链 接 防 爆 等 级 防 护 等 级 12～36VDC (标定值为+24VDC) ±0.1%F.S ±0.2%F.S ±0.3%F.S ≤±0.2%F.S/年 －10～+70℃ －20～+85℃ －40～+125℃ ≤1ms R=（U-12.5）/0.02-RD 其中：U为电源电压，RD为电缆内阻 316L不锈钢 1Cr18Ni9Ti M20×1.5或用户自定 赫斯曼接头 ExiaIICT6 IP65

测量误差来源及解决方法：

（1）环境温度变化时，会引起应变片阻值变化。为降低环境温度的影响，因尽量保持环境温度恒定。

（2）由于弹性元件与应变片膨胀系数不同而又相互粘贴在一起，温度变化时会出现附加形变，造成测量误差。可采用相应的温度补偿措施解决。

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2.7 设计收获

通过本次课程设计我进一步认识到电厂污垢检测及清洁的重要性，同时

也掌握了一些可行的基本方法。为以后的工作积累了宝贵丰富的经验，对以后就业有一定的帮助。

参考文献

[1] 王建国.检测技术及仪表.北京:中国电力出版社，2007

[2] 杨善让，徐志明.换热设备的污垢与对策.北京：科学出版社，1995 [3] 杨善让等. 换热设备污垢与对策.科学出版社，2003

[4] 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

[5] 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

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/tzso.html