过程检测及仪表课程设计报告

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1、过程检测技术及仪表课程设计 -1- 第 1章 绪 论 1.1 课题背景与意义 1.1.1 课题背景 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

2、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 f 和污垢热阻 Rf。这三者之间的关系由下式表示： ffff ff mR 1（ 1-1） 图 1-1 清洁和有污垢时的温度分布及热阻 过程检测技术及仪表课程设计 -2- 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

3、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： cwcc RRRU 21/1 （ 1-2） 图 1b 为两侧有污垢时的温度分布，其总传热热阻为 ffwfff RRRRRU 2211/1 （ 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fcfc RRRR 2211 , 。于是由式 (1-3)减去式 (1-2)得： cfff UURR1121 （ 1-4） 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

4、晰起见，假定换热面只有一侧有污垢存在，则有： qTTRRRU bcscwcc /)(/1 ,121 （ 1-5） qTTRRRRU bfsffwcf /)(/1 ,121 （ 1-6） 若在结垢过程中， q、 Tb 均得持不变，且同样假定 fc RR 22 ，则两式相减有： qTTR csfsf /)( ,1,1 （ 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。 1.1.2 课题 意义 针对 “ 应用技术主导型 ” 普通工科高等教育的特点，从工程创新的理念出发，以工程思维模式为主，旨在培养突出 “ 实践能力、创新意识和创业精神 ” 特色

5、的、适应当前经济社会发展需要的 “ 工程应用型人才 ” 。 通过在模拟的实战环境中系统锻炼，使学生的学习能力、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。以增强就业竞争力和工作适应力。 1.2 实验装置简介 如图 1-2 所示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过程检测技术及仪表课程设计 -3- 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 1-2 多功能动态模拟实验装置外形图 本实验装置的模拟换

6、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。 图 1-3 实验装置流程图 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 过程

7、检测技术及仪表课程设计 -4- 第 2章 仪器的选择及误差分析 检测参数： 该实验装置上，需要检测和控制的参数主要有： 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 ）； 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； 流量：实验管内流体流量需要测量，管径 25mm， 流量范围 0.54m3/h 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。 2.1 温度测量部分 2.1.1 水浴温度的测量 （ 1） 仪器选择：闭环

8、水槽温度控制系统 工作原理： 将给定信号电位器的电压设定在对应于期望温度的数值 Ur 上，热电偶测量水槽内温度，其输出电压为 Ub， Ub 与给定电压 Ur 比较，若水槽内温度低于期望温度时，比较电路的输出电压（系统的误差信号） e=Ur-Ub 0，误差信号 e 经过放大器放大，驱动执行电机，通过减速器使调压器向增大输出电压的方向转动，从而使水槽温度升高。只有水槽内温度与期望温度相等时， e=Ur-Ub=0，电动机停转，系统达到平衡。若水槽温度高于期望温度时，系统将执行相反的控制过程。可见，系统由比较电路产生的电压误差信号 e 对系统产生控制作用，在水槽温度达到期望值时，误差信号 e=0.控制

9、作用消失，否则 e 0，执行电动机转动，控制调节器电压的移动臂朝误差减小的方向滑动， 这样就实现了温度的自动控制。闭环水槽温度控制系统原理框图如图所示： 过程检测技术及仪表课程设计 -5- 图 2-1 闭环水槽温度控制系统 由于 E 型热电偶（镍铬 铜镍热电偶又名镍铬 康铜热电偶）为一种廉价的金属热电偶，它的使用温度为 -200850，其电动势之大，灵敏度之高属所有标准热电偶之最，还可用于湿度较大的环境里，具有稳定性好，抗氧化能力高，价格便宜的优点。在此用 E 型热电偶来测水槽温度。 （ 2） 误差分析 由于水中含有杂质较多，热电偶测温段长时间插入水槽中会导致测温端结垢较多，使得感温端灵敏度下

10、降，增大误差。 2.1.2 管壁温度测量 （ 1）仪器选择： WZCM-201 铜热电阻 测温原理：受热后的 金属丝电阻 随着温度的变化而变，其热电阻值 R(t)与其所处温度 t 的关系可表为： R(t) R0(1+At+Bt2+) ，按测得的电阻值查相应 分度表 即可得出被测温度 t。 铜热电阻的测温范围是 -40140 ，分度号为 Cu50, Cu100， 它们在 0 是阻值分别为50 欧姆和 100 欧姆。铜热电阻线性好，价格低，电阻率低， 温度范围内线性关系好，灵敏度比铂电阻高，容易提纯、加工，价格便宜，复制性能好。 热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件，通常需要把电阻信号通过

11、引线传递到计算机控制装置或者其它一次仪表上。工业用热电阻安装在生产现场，与控制室之间存在一定的距离，因此热电阻的引线对测量结果会有较大的影响。 过程检测技术及仪表课程设计 -6- 图 2-2 铜热电阻实物图 目前热电阻的引线主要有三种方式 二线制 ：在热电阻的两端各连接一 根导线来引出电阻信号的方式叫二线制：这种引线方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻 r， r 大小与导线的材质和长度的因素有关，因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合 。 三线制 ：在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过

12、程控制中的最常用的引线电阻。 热电阻采用三线制接法。采用三线制是为了消除连接导线电阻引起的测量误差。这是因为测量热电阻的电路一般是不平衡电桥。热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线（从热电阻 到中控室）也成为桥臂电阻的一部分，这一部分电阻是未知的且随环境温度变化，造成测量误差。采用三线制，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样消除了导线线路电阻带来的测量误差。 表 1 WZCM-201A 产品参数 （ 2） 误差分析 易于氧化，一般只用于 150以下的低温测量和没有水分及无侵蚀性介质的温度测量。产品型号 产品外形图 分度号 测量范围 热响应时间

13、导线长度 L(mm) WZCM-201A Cu50 -50 150 15S L=1000 L=3000 L=5000 过程检测技术及仪表课程设计 -7- 与铂相比，铜的电阻率低，所以铜电阻的体积较大。 从测量原理上看，热电阻法测温相对简单，但使用过程中注意一下可产生 误差的可能性。 2.1.3 进出口温度的测量 （ 1） 仪器选择：数字温度传感器 DS18B20 美国 Dallas 半导体公司的数字化温度传感器 DS18B20 采用不锈钢外壳封装 , 防水防潮。传感器不锈钢外壳，仅有 0.15mm 的壁厚，具有很小的蓄热量，采用金属垫模工艺让DS18B20 与不锈钢内壁充分接触 ,同时采用导热

14、性高的密封胶灌封，保证了温度传感器的高灵敏性，极小的温度延迟。 图 2-3 ds18b20 实物图 （ 2） 技术参数 表 2 DS18B20 技术参数 （ 3） 特点 在使用中不需要任何外围元件 ； 专业金属垫模技术，传感器导线功耗低；组网传感1 内置传感器 DS18B20 2 温度精度 0.5 （ -10 +85C 范围内） 3 测温范围 -55 +125 4 温度分辨率 9-12 位 (0.0625 ) 5 测温速度 750ms(12 位分辨率 ) 6 电源要求 3V-5.5V 7 支持通讯电缆长度 100m 8 材质 314 不锈钢 9 外型尺寸 6mm 长度 25mm 可选 10 运

15、行环境 -55 +80 过程检测技术及仪表课程设计 -8- 器较多时 ,性能优为突出；可以长期在水中工作 ,IP 防护等级达 IP67；“一线总线”接线方便简单，抗干扰能力强，导热性能好 ,响应速度快，可在各种恶劣环境下使用。应注意， DS1820虽然 具有测温系 统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点需要相对复杂的软件 ，连接 DS1820 的总线电缆是有长度限制的 。 2.2 水位测量部分 （ 1） 仪器选择： 5M/EF8HD-2000 超声波液位传感器 概述： 5M/EF8HD-2000 系列超声波液位计是一种先进的非接触式物位测量仪器，用来取代原始的各种液位计，直接安装在被测介质的上方。它采用小功率、小盲区收发一体式进口超声波传感器，通过测量时间差的原理，经微处理器进行信号处理精密计算，测得液位、料位高低。智能显示的同时输出标准模拟信号 420 mA 或上 、 下限报警。无需专业技 术人员，设定一点即可应用。 主要测量液体液位如江