过程检测技术与仪表课程设计(东北电力大学)

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1、第1 章绪论 -1 -1.1课题背景与意义 -1 -1.2总实验装置以及监测原理 -1 -1.3检测和控制参数 -4 -第2章温度的测量 -6 -2.1实验管流体进出口温度测量和控制 -6 -检测方法设计以及依据 -6 -仪表种类选用以及设计依据 -6 -测量注意事项 -8 -误差分析 -8 -2.2水浴温度的测量 -8 -检测方法设计以及依据 -9 -仪表种类选用以及设计依据 -9 -测量注意事项-10-误差分析-.10-2.3管壁温度测量-10-检测方法设计以及依据-11-仪表种类选用以及设计依据 -11-测量注意事项.-12-234误差分析-.12-第3章水位的测量-.13-3.1补水箱

2、水位测量-.13-检测方法设计以及依据 -13-仪表种类选用以及设计依据 -133.1.3 测量注意事项-.14-误差分析-.15-第4章流量的测量-.16-4.1试验管内流体的流量测量-16-检测方法设计以及依据 -16-仪表种类选用以及设计依据 -164.1.3 测量注意事项-.194.1.4 误差分析-.19-第5章差压的测量-.20-5.1实验管出入口差压-.20-检测方法设计以及依据 -20-仪表种类选用以及设计依据 -20-测量注意事项.-.22-误差分析-.23-设计心得体会-24-参考文献 -25-第1章绪论1.1课题背景与意义换热设备污垢的形成过程是一个极其复杂的能量、质量和

3、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。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。本设计题目以多功能动态实验装置为对象，要求综合以前所学知识 ，参考相关文献资料，完成此实验装置所需检测参数的检测。设计检测方案，包括检测方法、

4、仪表种类选用以及需要注意事项 ，并分析误差产生的原因等等 。1.2总实验装置以及监测原理如图1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组基于测量新技术一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1-1多功能动态模拟实验装置外形图监控系统集水槽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 ），水垢物质图1-2实验装置流程图浴温度由温控器、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

5、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-电加热管设备的主体是由两根管组成的管式换热器。这两根管是可以拆装的,它们都可以作为实验管，如对于单纯监测水质污垢热阻来说，则两根实验管可同时进行两种水 质或不同工况的污垢热阻检测。也可以将其中一根作为实验管，另一根作标准

6、比较 管,以便比较水处理措施的效果。管内工质为欲模拟的实际换热器的冷却水或据其主要成分配制的工艺流体。管外是由电加热器和温度调节器构成 的可调温度的恒温水浴。实验管段安装有壁温、出入口介质温度、实验段 流动压降等测点所有测量信号经由传输电缆通过数据采集器送入计算机，实现了污垢热阻的在线自动监测。面对沉积物的监测手段分别有：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 设备性能能联系最密切的莫过于热学法

7、中的污垢热阻法。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m ,污垢层平均厚度3和污垢热阻R。这三者之间的关系由下式表示：mf1Rf f(1-1)f ff图1-3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3 ( a)为换热面两侧处 于清洁状态下的温度分布，其总的传热热阻为：RR1/ U c1c wR2c(1-2)图3 ( b)为两侧有污垢时的温度分布，其总传热热阻为1 /LR(1-3)，则可认f 1 f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为（1-4 ）于是从式（3）减去式（2）得1 1Rf

8、i Rf 2U f U c（1-5 ）式（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 /U cReRwR2c 仃 s1,c T b ) / q(1-6 )R(T1/U fR 1c R w R f2;fs1, f Tb ) / q(1-7 )若在结垢过程中，q、Tb均得持不变R，且同样假定R2 c尺f，则两式相减有Rf 仃 s1, fTs1,c ) / qR1cR ,RR1f2c2 f(1-8)这样，换热面有垢一侧的污垢热阻可以通过

9、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。1.3检测和控制参数1、 温度：包括实验管流体进口（ 2040 C）、 出口温度 （2080 C）、 实验管壁温 （2080 C）以及水浴温度 （2080 C）;2、 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 200mm500mm3、流量：实 验管 内流 体流 量需 要测 量，管径25mm ,流量 范围30.54m 3/h ;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。第2章温度的测量2.1实验管流体进出口温度测量和控制实验管流体进口(2040 C)、出

10、口温度 (2080 C)o检测方法设计以及依据温度的测量有接触式和非接触式，由上述实验装置可知，实验装置的进出口 管直径较小，为25mm，故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，而非接触式一般用于测量高温，精度不高，而所测的温度属于低温范围的温度测量，所以要选用精度较高的测温元件，因此排除了非接触式的。 因此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。而常用接触式的有膨胀式温度计、热电阻和热电偶，由于膨胀式温度计精度虽高但此 实验装置存在水浴加热的过程，使用时毛细现象很容易造成附加误差；加之热电阻测温范围为-200800 C,热电偶为-2002300 C，低温测量

11、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。热电阻温度计的主要特点是测量精度高，性能稳定。它是利用金属导体或 金属氧化物半导体做被测温质，利用导体或半导体的阻值随温度变化这一现象测 量温度。因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。仪表种类选用以及设计依据选择Pt100热电阻(1) 测量方法选择：利用热电阻测量进出口温度；(2) 测量依据：热电阻温度计的主要特点是测量精度高，性能稳定。它是利用金属导体或金属氧化物半导体做被测温质，利用导体或半导体的阻值随温度变 化这一现象测量温度。因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。(3 )仪表选择

12、：常用热电阻有铜热和铂热电阻 ，但铜热电阻电阻率低 ，体积 大，热响应慢，所以选用铂热，而铂热有Pt10和Pt100，后者用于650度以下温 区，所以采用Pt100热电阻。另外，Pt100温度传感器还具有抗震动 、稳定性好、耐高压等优点。PtIOO温度传感器是PtIOO热电阻，随着温度的变化而变 化。在零摄氏度时的电阻为100 Q;在100 C时，阻值为138.5 Q(4 )产品参数厂家：陕西天康智能仪表公司主要技术指标：表2-1Pt100热电阻主要技术指标型号分度号最小置入深度测温范围c精度等级允许偏差 t cWZPA级( 0.15+0.002|t|)WZP 2PT100 200mm-200

13、500WZPKB级( 0.30+0.005|t|)WZPK 2注：“ t ”为感温元件实测温度绝对值，双支铂电阻只供应B级 热电阻允许通过电流通过铂电阻的测量电流最大不超过5mA 。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。图2-2热电阻三线

14、制接法测量注意事项（1） 热电阻温度计测量实验管进 、出口温度时应注意接线方式，由于引线有 长短和粗细之分，也有材质的不同，另外引线在不同环境下电阻值也会发生变化，为了避免连线电阻对测温的影响，在使用时热电阻需采用三线制的连接方式；（2 ）热电阻和显示仪表的分度号必须一致。误差分析（1 ）分度误差。该误差取决于材料纯度和加工工艺。（2） 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 v 6 mA。（3） 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。（4） 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。2.2水浴温度的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，模拟换热器中恒温水浴的温度为 2080 C。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