检测仪表课设成品.docx
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检测仪表课设成品
第1章绪论
1.1题目背景与意义
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。
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。
在诸多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。
基于污垢监测的热学法中的污垢热阻法的方法设计出来的如下装置,它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换热面有垢一侧的污垢热阻。
浴温度由温控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1-1实验装置图
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。
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。
这里简单介绍污垢监测的热学法中的污垢热阻法。
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:
(1)
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:
(2)
图为两侧有污垢时的温度分布,其总传热热阻为
(3)
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,则可认为
。
于是从式(4-4)减去式(3)得:
(4)
式(5)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:
(5)
(6)
若在结垢过程中,q、Tb均得持不变,且同样假定
,则两式相减有:
(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。
如图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—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。
1-2实验装置实物图
图1-3实验装置实物图
该实验装置上,需要检测和控制的参数主要有:
1、温度:
包括实验管流体进口(20~40℃)、出口温度(20~80℃),
2、实验管壁温(20~80℃)以及水浴温度(20~80℃),
3、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200mm~500mm,
4、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,
5、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0~50mm水柱。
第2章被测参数及仪表选用
2.1被测参数
需要检测和控制的参数主要有:
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,需要测量流动压降,范围为0~50mm水柱。
2.2仪表选用
2.2.1实验管流体进口、出口温度及实验管壁温测量
1.选型
选用热电阻。
热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。
它的主要特点是测量精度高,性能稳定。
其中铂热电阻的测量精确度是最高的,它不仅广泛应用于工业测温,而且被制成标准的基准仪。
铂热电阻精度高、线性好、测温范围宽,稳定性和复现好。
铜热电阻线性好,价格低,但电阻率低因而体积大热响应慢。
这里选用铂热电阻。
Pt100铂热电阻主要用于650℃以下的温区。
厚膜和薄膜铂热电阻感温元件,厚膜铂热电阻元件是用铂浆料印刷在玻璃或陶瓷底板上,薄膜铂热电阻元件是用铂浆料溅射在玻璃或陶瓷底板上,再经光刻加工而成,这种感温元件仅适用于-70~500℃温区,但这种感温元件用料省,可机械化大批量生产,效率高,价格便宜。
选用型号WZP2-231G
技术参数:
1)分度号Pt100
2)测温范围:
-200—450
3)允许差值:
A
4)安装固定方式:
固定螺纹
5)保护管直径:
12mm
6)防护等级:
IP65
图2-1热电阻
热电阻采用铠装结构(铠装结构具有坚实、抗震、可绕、线经小使用安全方便等特点)。
显示仪表连接时,热电阻和显示仪表的分度号必须一致。
2.误差分析
1)分度误差。
该误差取决于材料存度和加工工艺。
2)通电发热误差。
由于电阻通电后产生自升温现象,从而带来测量误差。
3)线路电阻不同或变化引入的测量误差。
4)附加电动势。
电阻丝与引线接点处构成热电偶,若接点温度不同将产生附加电动势。
2.2.2水浴温度测量
1.选型
选用热电偶。
热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件,是由两种不同成分的导体两端接合成回路时,当两接合点热电偶温度不同时,就会在回路内产生热电流。
如果热电偶的工作端与参比端存有温差时,显示仪表将会指示出热电偶产生的热电势所对应的温度值。
热电偶的热电动热将随着测量端温度升高而增长,它的大小只与热电偶材料和两端的温度有关,与热电极的长度、直径无关。
T型热电偶(铜-康铜热电偶)是一种最佳的测量低温的廉价金属热电偶。
测温区为-200—400℃,它的线性度好,热电动势大,灵敏度好,稳定性和复现性好,价格便宜。
选用型号WRCT型热电偶
技术参数:
允许偏差等级:
Ⅰ
测温范围:
-40—125℃
图2-2热电偶
2.误差分析
1)安装不当引入的误差。
2)绝缘变差而引入的误差。
3)热惰性引入的误差。
4)热阻误差。
2.2.3流量测量
1.选型
选用超声波流量计
从实验前提得知,实验管径很小,流体是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,且其流速也很小。
用通常的差压式流量计或普通的速度式流量计都无法准确测量,甚至无法安装。
基于上述情形,可以采用非接触式测量方法——超声波流量计。
超声波流量计应用超声波技术准确测量液体的流量,同时监测超声波信号的变化。
超声波传感器固定在所测液体的管道外侧,无须改变和拆除管道和中断生产和使用过程。
其可应用于各种材质的管道和各种清洁液体及杂质含量小于10%的不洁液体,而采用多普勒原理的超声波流量计适用于大量杂质,气泡的污水流量的测量
通过比较分析,我们采用如下超声波流量计L5760134(适用管径:
13mm到115mm)
性能指标;适合各种不超过3%微粒子的液体流量测量,包括原水、海水、柴油、饮料、化学药水、工业废水等等。
采用非破坏式传感器安装方式,适合各种材质的水管、油管、空调管路、食品管路、腐蚀/放射性管路的流量测量。
只要键入管径尺寸、管道材质、液体温度,就能迅速完成测量传感器采用子母扣固定方式,安装拆卸极其方便,两分钟内即可完成仪器测量的流速单位可以选择:
米/秒,英尺/秒,流量单位可选择:
升/分钟,加仑/分钟等,可测量累计流量。
响应时间只有1-2秒钟,测量迅速准确
图2-3超声波流量计
2.测量注意事项
1)对超声波流量计进行检定或校准
任何流量计使用前都需要进行检定或校准,便携式超声波流量计在这一点尤为重要。
大家知道,便携式超声波流量计一般配置两到三组探头,分别适用于不同的管径范围,每组探头与主机的搭配在某种意义上讲都是一套独立的流量计。
用户根据自己的使用情况为参考依据,尽可能在与使用管道口径相同或接近的流量标准装置上对便携式超声波流量计进行多条管道的检定或校准。
至少要保证流量计配置的每组探头都要检校到。
便携式超声波流量计检定或校准证书上都会给出仪表修正系数。
各种流量计都会因为原理、制造等原因在标定时给出一个仪表系数,只是名称和表现形式各不相同罢了。
便携式超声波流量计更是由于配有多组探头,适用不同口径而可能有数个仪表修正系数。
在使用流量计测流量时,要保证正确使用仪表修正系数,既不要忘记使用又须注意不要用混,应养成正式测量前确认主机内设置的仪表修正系数是否正确的好习惯。
2)忽视了对流量计使用条件和使用环境的要求
任何速度式流量计对被测管道内流体的流场都是有一定的要求的,超声波流量计也不例外。
当流量计的安装位置不能保证其前后直管段长度要求时,由于流场不稳定带来的计量误差是不容忽视的。
不少用户受仪表测量井的限制,在不能满足安装要求的位置测量,由此造成了测量误差的加大。
超声波流量计的安装应尽量避开水泵出口,管线最高点等易受气体影响的位置,探头的安装点也要尽量避开管道上部和底部,在与水平直径成45°角的范围内安装,还要注意避开焊缝等管道缺陷。
超声波流量计的安装使用环境应注意避开强电磁干扰和振动,在使用中我们发现,高压线下方,车辆密集的马路边,主机附近使用手机或对讲机都会对测量产生或多或少的影响。
3)不能准确地测量管道参数造成计量不准
便携式超声波流量计探头在管道外部安装,它直接测量的是管道内流体的流速,流量是流速与管道流通面积的乘积,而其管道面积和声道长度都是使用者由主机手工输入的管道参数计算出来的,这些参数的准确与否直接影响到测量结果。
也就是说:
流量计即使流速测得很准确,如果你输入了一组不准确的管道参数,测量结果也是不准确的。
在小管径上使用便携式超声波流量计进行流量测量时,管道内径输入不准确所引起的误差更是不容忽视。
管道衬里对测量的影响也是很大的,在测量时如果忽略了它的存在,将会产生很大的误差。
在测量时,如果没有输入衬里参数,按正常操作就是找不到信号时,就应该考虑可能管道是有衬里的。
2.2.4差压测量
1.选型
选用电容式差压传感器。
电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种装置,它本身就是一种可变电容器。
由于这种传感器具有结构简单,体积小,动态响应好,灵敏度高,分辨率高,能实现非接触测量等特点,因而被广泛应用于位移、加速度、振动、压力、压差、液位、等分含量等检测领域。
电容式差压传感器的结构如图所示。
将左右对称的不锈钢基座2、3的外侧加工成环状波纹沟槽,饼焊上波纹隔离膜片1、4。
基座内侧有玻璃层5,基座和玻璃层中央都有孔。
玻璃层内表面磨成凹球面,球面边缘镀以金属膜6,此金属膜层有导线通向外部,为电容的左右定极板。
左右对称的上述结构中央夹入并焊接弹性平膜片,即测量膜片7,为电容的中央动极板。
测量膜片左右空间被分割成两个室,固有粮食结构之称。
在测量膜片的左右两室中充满硅油,当左右隔离膜片分别承受高压pH和低压pL时,硅油的不可压缩性和流动性便能将差压Δp=pH-pL传递到测量膜片的左右面上。
因为测量膜片在焊接前加有预张力,所以当差压Δp=0时十分平整,使得定极板左右两电容的容量完全相等,即CH=CL,电容量的差值为零。
在有差压作用时,测量膜片发生变形,也就是动极板向低压极板靠近,同时远离高压测定极板,使得电容CH=CL。
图2-4电容式差压传感器原理图
选用型号B0807模拟型差压变送器。
技术参数:
量程:
最小0-125Pa
精度:
0.25%
输出信号:
二线制4~20mA
负载能力:
24V时为500Ω
供电范围:
15V~45V
防护等级:
IP67
2.误差分析
1)寄生电容的影响。
2)外界对电容的干扰。
2.2.5补水箱水位测量及控制
1.选型
选用电接点水位计。
电接点水位计应用广泛,其结构简单、易用、工作可靠、显示直观。
电接点水位计根据水与汽电阻率不同而设计。
测量筒的电极在水中对筒体的阻抗小。
在汽中对筒体的阻抗大。
随着水位的变化,电极在水中的数量产生变化。
转换成电阻值的变化。
传送到二次仪表,从而实现水位的显示、报警、保护联锁等功能。
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。
选用电接点水位计测量,它是根据汽和水的电导率不同测量水位的。
由于水的电导率大,电阻较小,当接点被水淹没时,电极芯与容器外壳之间短路,则对应的水位显示灯亮,反映出汽包内的水位。
而处于蒸汽中的电极由于蒸汽的电导率小,电阻大,所以电路不通,即水位显示灯不亮。
因此,可用亮的显示灯多少来反映水位的高低。
图2-5电接点水位计工作原理图
电接点液位计包括:
测量筒、电极、电极连接电缆、电极控制器。
1.测量筒:
电接点水位计的测量筒采用大口径厚壁碳钢挤压材料,符合ASTMA105或者壁厚无缝钢管或者不锈钢管。
无缝钢管的设计制造符合ASMEB31.1对动力管道的要求。
测量筒可以促进饱和蒸汽和蒸汽的冷凝,同时使温度损失降低到最低限度。
冷水在测量筒内的循环可以连续冲洗容器和电极,可以避免沉淀物的集聚。
测量筒最高温度可以达到600℃,30Mpa。
2.电极:
电极是检测水/汽的探头,是整个电接点液位计系统的核心。
电极采用特种不锈钢制造,绝缘体使用高纯度陶瓷,陶瓷和金属本体之间的压力密封通过真空焊接工艺保证。
接点使用特殊镀金工艺处理,以避免摩损。
所有电极都通过氨气泄露测试,静压测试以及电压测试。
这里,我们选用UDZ-01S双色电接点液位计。
整套仪表包括一次测量筒和二次显示仪表。
主要技术性能:
报警触点容量:
220VAC3A
保护触点容量:
220VAC3A
水阻要求:
01S型≤50KQ
消耗功率:
约8VA(接点全导通时)
工作压力:
≤4.41MPa
工作温度:
≤250℃
工作电压:
220VAC10%
工作时间:
连续
重量:
约3.3kg
信号线长度:
≤200m
图2-6UDZ系列双色电接点液位计
2.误差分析
1)由于电极是以一定间距安装的,这就决定了其测量存在的固定误差;
2)水位测量筒的散热造成的冷却误差。
3)分度误差。
该误差取决于材料纯度和加工工艺
第3章参考文献
[1]孙灵芳,杨善让,徐志明.一种新型在线冷却水动态模拟试验装置.仪器仪表学报,2002,3(s):
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[2]孙灵芳,杨善让,徐志明,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,2000,15(3):
46-48
[3]杨善让,孙灵芳,徐志明.冷却水处理技术阻垢效果的评价方法研究与实施.工业水处理,2000,11(s):
49-51
[4]杨善让,徐志明,孙灵芳.换热设备污垢与对策.北京:
科学出版社,2003
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