基于测量新技术软测量技术开发的多功能实验装置的参数测量.docx

1、基于测量新技术软测量技术开发的多功能实验装置的参数测量过程检测技术及仪表课程设计（东北电力大学自动化工程学院，吉林 吉林132012）摘要：本文基于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关于测量新技术软测量技术开发的多功能实验装置，选用Pt100热电阻、平衡罩式液位变送器、扩散硅压力变送器、智能靶式流量计对温度、液位、压力、流量进行测量，完成了对污垢热阻的测量。关键词：污垢,仪表,误差1、背景意义与题目介绍1.1污垢的定义所谓污垢是指在与流体相接触的固体表面上逐渐积聚起来的那层固态或软泥状物质，它通常以混合物的形态存在。固体表面从洁净状态到被污垢覆盖的过程，也就是污垢的积聚过程，

2、人们常称之为结垢或污染。1990年，Somerscales将换热设备污垢作了一个较严格的定义：换热面上妨碍传热和增加流体流过换热面时的阻力的沉积物。1.2污垢的规模结垢是一种非常普遍的现象，它存在于自然界、日常生活和各种工业生产过程，特别是各种换热过程中。据Steinhagen等对新西兰1100家企业的3000台各类换热器的通信调查表明，90%以上的换热器都存在不同程度的污垢问题。而换热器在工业过程中应用广、数量大、种类多，它是化工、炼油、能源、动力、食品等许多工业中使用最广泛的设备。在化工行业，换热设备占总投资的30左右 ，炼油行业占70 左右，火力发电厂占40 以上。经初步调查：中石油系统

3、超过20万台，鞍钢集团达数千台，全国在用锅炉逾60万台。在建筑行业，大型公共建筑大多采用集中冷源供冷的中央空调系统，而所有的空调也都处于带垢作业状态。由此可见污垢涉及领域之广、存在之普遍。1.3污垢的分类按照引起污垢沉积的主要物理和化学过程，污垢可分为如下七类：（1）析晶污垢：这是指在流动条件下呈过饱和的流动溶液中的溶解无机盐淀析在换热面上的结晶体，因而又称作结晶污垢。当流体是冷却水或是蒸发设备中的液体时，这种污垢又称作水垢或锈垢。（2）颗粒污垢：这是指悬浮在流体中的固体微粒在换热面上的积聚。这种污垢包括较大固态粒子在水平换热面上的重力沉淀，即所谓沉淀污垢和以其它机制形成的胶体粒子沉积物。（3

4、）化学反应污垢：这是由化学反应形成的换热面上的沉积物，但换热面材料本身参与反应的不在此列。如，碳氢化合物的聚合和裂化。（4）腐蚀污垢：这是换热面材料本身参与化学反应所产生的腐蚀物的积聚。这种污垢不仅本身污染了换热面，而且还可能促使其他潜在的污秽物附着于换热面而形成垢层。（5）生物污垢：这是由宏观生物体和微生物体附着于换热面上而形成的。生物污垢可能产生粘泥，粘泥反过来又为生物污垢的繁殖提供了条件。（6）凝固污垢：这是指工质或其组分在过冷的换热面上的凝固（相变）而形成的。（7）混合污垢：上述六类污垢中，同一类污垢的形成机制是基本上相同的。若在某换热过程中，上述六种污垢形成机制中的一种以上的几种机制

5、同时发生而形成的污垢，则称作混合污垢。1.4污垢的危害换热面的污垢虽然和自然界、日常生活中的一般污垢有着共同的形成机理，但是由于温度梯度的存在，无疑使换热面的污垢更为复杂。而且，换热面的污垢所带来的危害也远较其它污垢更为严重。换热面的污垢危害可大致分为以下几个方面：（1）投资费用增加冗余 面 积 ：为补偿污垢导致的传热能力降低而增设的换热面积，使得换热设备金属耗量增加，成本增大，再加上换热设备的占地加大，导致投资的增大。备 用 容 量 ：为避免换热设备停机清洗影响生产而增设的备用换热设备，也使投资增加。用材要求提高：为防止污垢造成换热面腐蚀而采用价格昂贵的钛、不锈钢来代替一般钢材、铜材，导致了

6、设备投资的提高。结构要求提高：结构上尽量减小缝隙的尺寸和数量，防止产生涡流和死区，这样一些特殊结构要求也会引起投资的增加。设置清洗设备：一些大型换热设备，常附设清洗设备，这无疑也增大了设备的投资。（2）能量消耗增加污垢使换热设备的流动阻力加大，导致泵或风机的耗功率增加，再加上自动清洗设备的动力消耗，都使换热设备的能量消耗加大。而且由于污垢问题不能有效解决，而使得某些易结垢的流体所具有的热能不能得到再利用而白白损失掉；加上动力循环、制冷循环由于污垢导致吸热温度降低和放热温度提高而引起的热力学效率下降，所有这些都可归纳为能量消耗的增加。（3）维护清洗费用增加为了不断清除换热面污垢而增设的清洗设备及

7、系统，使整个换热设备的附属设备增多，系统变得更为复杂，故障概率增大，维修周期缩短，维护工作量显著增大；加上清洗设备和材料、药品和动力的消耗，都使换热设备的运行维护费用增加。（4）产品产量降低因污垢造成的设备维修周期缩短，维护工作量加大，都使设备的正常运行时间缩短，造成产品产量下降，加上设备起、停期内，运行条件达不到规定要求，可能引起产品质量下降等所造成的损失。（5）增加排放污染因设备结垢导致的热效率大幅降低而浪费的能源，本身也加大了排放污染。如果是使用化学药剂清洗污垢，则化学清洗后酸液的排放，也会给周围环境造成污染。（6）引起金属过热强度降低，严重危及生产安全在诸如锅炉等在高温条件下生产的换热

8、设备，由于金属过热会严重降低金属强度。锅炉受热面使用的钢材,一般均为碳素钢 ,在使用过程中 ,允许金属壁温在450以下。锅炉在正常运行时,金属壁温一般为280以下。当锅炉受热面无垢时 ,金属受热后能很快将热量传递给水,这时两者的温差约为30。但如果受热面结垢,其两者的温差就大了。如：当工作压力为 1.25MPa的锅炉受热面结有1mm厚的水垢时(混合水垢)，金属壁与炉水温差会达到200左右；当水垢3mm时，金属壁温将上升到580，远远超过了钢材的允许温度。这时钢材的抗拉强度就会降低，锅炉受压元件就会在内压作用下发生过热鼓疱、变形、泄漏、甚至爆炸。实测数据表明，金属壁温是随着水垢厚度增加而增加的，

9、水垢越厚，金属壁温就越高，因而事故发生的机率就越大。（7）造成垢下腐蚀，缩短设备使用寿命结垢可以引起垢下腐蚀。不仅影响设备的正常运行，增加维修费用，严重时还会使设备过早损坏，造成严重的经济损失。如果是采用酸洗方式除垢的换热设备，还会造成二次结垢速度加快，同时对换热设备的本身也会造成一定的酸腐蚀, 腐蚀严重时，会使设备提前报废。1.5试验设备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。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

10、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。冷却水入口出口图1-2 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1.6题目简介（1）本课设题目以一多功能动态实验装置为对象，要求综合以前所学知识，完成此实验装置所需检测参数

11、的检测。设计检测方案，包括检测方法、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。（2）检测方法设计以及依据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f和污垢热阻Rf。这三者之间的关系由式表示：图1-3清洁和有

12、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1-3a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：图1-3b为两侧有污垢时的温度分布，其总传热热阻为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，则可认为于是两式相减得： 该式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：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 这样，换热面有垢一侧的污垢热阻可以通过测量清

13、洁状态和污染状态下的壁温和热流而被间接测量出来。2、仪表选择的一般原则2.1精度等级仪表选择首先要考虑的是满足测量精度的要求。如何通过测量精度来选择仪表精度,将在后面作详细的讨论。但是要注意的是,对仪表精度的选择,不是选择精度等级越高就越好。仪表精度越高,仪表的价格就越高,而且其对测量环境要求也高。所以,在满足测量精度要求时,选择的仪表精度越低越好,一是可以减小工程的投资;二是耐用,不易损坏。一般工程上选择较多的是1.5 级及以上的仪表。2.2量程测量值的上限应和仪表的量程相适应。这主要是为了减小由仪表不灵敏区所引起的分辨误差。因仪表不灵敏区的存在,当输入量较小时,输出量可能不发生变化,或变化

14、幅度太小,不易被察觉,造成分辨误差。量程选择过大,由其引起的测量误差就很大,用户对其应引起足够的重视。通常在仪表整个量程的前三分之一范围内,分辨力不高,测量误差较大;后面三分之二范围内,分辨力较高,测量误差相对较小。所以,测量值的上限不应落在整个量程的前三分之一范围内。一般当被测量值波动范围不大时,所选择的量程应满足测量值落在三分之二量程左右;波动较大时,应落在二分之一量程左右。例如,若测较为稳定的2 MPa 压力,宜选择03 MPa 量程的压力表;如果在2 MPa 左右波动较大,那么宜选择04 MPa 量程的压力表。在仪表精度和量程的选择原则中,仪表精度选择优先。只有使所选择的仪表精度满足测

15、量精度的要求,才可以考虑仪表量程的选择问题。否则,量程选择的再合理,也不能达到测量精度的要求。3、仪表种类选用以及依据3.1温度测量3.1.1温度测量的理论依据实验管流体进口温度在2040、出口温度在2080 、实验管壁在2080 以及水浴温度在2080 。而热电阻是测量低温的温度传感器，一般测量温度在-200800，如图3-1所示。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。常用的热电阻有铜热电阻和铂热电阻。虽然铜热电阻的造价较铂热电阻低，但铜热电阻的电阻率低，因而体积大热响应慢。铂热电阻的电阻率较铜热电阻大、体积小，热响应较快，而且精度高、线性好。所以选用铂热电阻，Pt100。工作原理：热电阻是利

16、用物质在温度变化时，其电阻也随着发生变化的特征来测量温度的。当阻值变化时，工作仪表便显示出阻值所对应的温度值。3.1.2实验管内出口和入口流体的温度选用WZPK-103U 铠装薄膜铂热电阻，如图3-1所示销售单位：上仪集团-上海仪表（集团）公司供销公司图3-1铠装薄膜铂热电阻铠装薄膜铂热电阻是一种温度传感器，它比装配式铂电阻直径小，易弯曲，适宜安装在装配式铂电阻无法安装的场合。本公司生产的WZPK系列铠装铂电阻采用薄膜铂电阻测温元件，因此，具有精确、灵敏、热响应时间快，质量稳定、使用寿命长等优点。铠装薄膜铂热电阻外保护管采用不锈钢，内充满高密度氧化物质缘体，因此，它具有很强的抗污染和优良的机械

17、强度，适合安装在环境恶劣的场合。直接精确测量各种生产过程中的-200500范围内液体、蒸汽和气体介质以及固体表面温度。可直接用铜导线和二次仪表连接使用，由于铠装热电阻具有良好的电输出特性，可为显示仪表、记录仪、调节仪、扫描器、数据记录仪以及电脑提供精确的温度变化信号。主要特点：热响应时间少，减小动态误差； 直径小、长度不受限制；测量精确度高：（0.15+0.002 t）；进口薄膜电阻元件，性能可靠稳定。3.1.3实验管管壁的温度选用WZPM-201Y型压平面热电阻，如图3-2所示销售单位：金湖东祥仪表有限公司图3-2 压平面热电阻WZPM-201Y型压平面热电阻探头端部采用方形平面，以限制被测

18、物体与带状测温元件间的接触距离，防止损坏测温元件。WZPM-201Y型压平面热电阻探头适合测量铸模、平面、墙面、玻璃器皿、模具以及其它静止的固体表面温度。主要技术参数：分度号：端面铂电阻，Pt100；测温范围：-150-200；允许偏差t：(0.30+0.005|t|)。3.1.4恒温水浴温度选用WZPKD-430型多点热电阻，如图3-3所示销售单位：安徽天康（集团）股份有限公司 图3-3 多点热电阻WZPKD-430型多点热电阻适用于生产现场存在温度梯度不显著，须同时测量多个位置或位置的多处测量。作为测量温度的传感器，通常多点温度计与显示调节仪、记录仪和电子调节器等配套使用，可以直接测量各种

19、生产过程中的液体、蒸汽和气体介质以及固体表面的温度。多点温度计广泛应用于大化肥合成塔、存储罐等装置中。主要技术参数：分 度 号：Pt100；测温范围：-200-500；允许偏差t：（0.15+0.002 ltl）。 主要特点：热响应时间少，减小动态误差； 直径小，长度不受限制；测量精度高；进口薄膜电阻元件，性能可靠稳定。 3.1.5热电阻的安装要求对热电阻的安装,应注意有利于测温准确,安全可考及维修方便,而且不影响设备运行和生产操作.要满足以上要求,在选择对热电阻的安装部位和插入深度时要注意以下几点: （1）为了使热电阻的测量端与被测介质之间有充分的热交换,应合理选择测点位置,尽量避免在阀门,

20、弯头及管道和设备的死角附近装设热电阻。（2）带有保护套管的热电阻有传热和散热损失,为了减少测量误差,热电偶和热电阻应该有足够的插入深度：对于测量管道中心流体温度的热电阻,一般都应将其测量端插入到管道中心处(垂直安装或倾斜安装)。如被测流体的管道直径是200毫米,那热电阻插入深度应选择100毫米。对于高温高压和高速流体的温度测量(如主蒸汽温度),为了减小保护套对流体的阻力和防止保护套在流体作用下发生断裂,可采取保护管浅插方式或采用热套式热电阻。浅插式的热电阻保护套管，其插入主蒸汽管道的深度应不小于75mm；热套式热电阻的标准插入深度为100mm。假如需要测量是烟道内烟气的温度,尽管烟道直径为4m

21、，热电阻插入深度1 m即可。当测量原件插入深度超过1m时,应尽可能垂直安装,或加装支撑架和保护套管。3.1.6使用铂热电阻温度计测量的注意事项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。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。

22、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。3.1.7使用铂热电阻温度计测量的误差分析从测量原理上看，热电阻法测温相对简单。但是在使用过程中注意以下产生误差的可能性：分度误差。该误差取决于材料纯度和加工工艺。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6mA, 传热条件好来尽可能减少。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、四线接线方法等也能减少误差。3.2压力测量3.2.1压力测量的理论依据根据测量管道管径25mm和温度范围

23、2080 的要求，选用扩散硅压力变送器。工作原理：被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上(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，和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。3.2.2实验管内出口和入口的压力选用DX-DBS316型扩散硅压力变送器，如图3-4所示销售单位：金湖东祥仪表有限公司图3-4 扩散硅压力变送器DX-DBS316系列压力变送器是我公司最新开发研制的一种新型工业压力变送器。DX-DBS316系列压力变送器采用不锈钢防腐蚀结构体，适用于一般性液体和气体的压力测量。可用于自来水、石油传输、化工过程，以及各种系统压

24、力测量，以达到计量、控制、报警、调度、节能等目的。DX-DBS316系列压力变送器有扩散硅压力变送器和陶瓷压力变送器之分。主要技术参数：使用对象：液体、气体或蒸汽；测量范围：表压：010kPa100Mpa，绝压： 0100kPa10Mpa，负压：-0.1MPa2MPa；输 出：420mADC；电 源：1230VDC；负载特性：420mADC二线制负载R50(V-12)；温度范围：环境温度 -20+70 ;标准介质温度 -20+80；外壳防护：优于IP65；防爆类型：隔爆型ExdCT6； 本安型ExiaCT6应外配安全栅。主要性能指标：精度等级：0.1%；稳定性：优于0.1%FS/年；温度影响：

25、在 -20+70范围内，变化量小于0.18% / 10；振动影响：在任何方向上振动频率为20-200Hz时，变化量小于0.02% FS；冲击影响：任何方向100G冲击11ms后，变化量小于0.02% FS；负载影响：只要输入变送器的端子电压高于12V，就无负载影响；位置影响：安装位置不影响零点；指示表头：3 1/2位液晶显示（用户订货时须另指明）；重量：约1Kg 其电性能与扩散硅压力变送器相同、膜片为齐平膜，适合粘稠、易结块介质现场的测量。安装螺纹：G1/2或M20X1.5，彻底解决测量管径堵塞现象。主要特点：结构小巧、安装方便，可直接安装，也可采用支架安装；先进的膜片/充油隔离技术；高稳定性

26、、高可靠性；耐震，抗射频干扰；一体化接线盒：所有电气接线都直接与变送器外壳的现场端子腔室相连，从而消除了安装中间接线盒所带来的费用和麻烦。 3.2.3压力计的安装要求压力测量系统包括测取压力的取压口、传递压力的引压管路和测量仪表。安装的正确与否直接影响测量结果的准确性。应根据具体被测介质、管路和环境条件，选取适当的取压口位置、正确安装引压管路和测量仪表。取压开口的原则：在保证加工方便和不堵塞的情况下，尽可能的小，特别是流速高时。但是在压力波动较大、压力计的测量空间容积变化较大和动态特性要求比较高时，孔径应适当的加大。取压孔轴线尽可能垂直于流束，倾角在5到10度之间，避免倾角倒向流束方向。取压孔

27、表面无毛刺，无明显倒角或豁口。取压口位置：沿管的长度位置，应保证取得的静压有代表性。在管道长度的上下位置，应避开局部阻力件，以防止涡流干扰。具体要求：离上游阻力件的距离大于2D，离下游阻力件的距离大于3D。在管壁的位置要保证只有单相流体进入压力信号管，防止气室，气塞。应取的实际的静压力。取压口的形状一般为圆形。孔径大，对流体的扰动就大，取得的静压矢量程度大，但是孔径小，动态误差就大，所以，二者要综合考虑。3.2.4使用扩散硅压力变送器测量的误差分析导压管使变送器和流程工艺管道连在一起，并把工艺管道上取压口处的压力传输到变送器。在压力传输过程中，可能引起误差的原因如下：（1）泄露;（2）磨损损失

28、(特别适用洁净剂时);（3）液体管路中有气体(引起压头误差);（4）气体管路中存有液体(引起压头误差);（5）两边导压管之间因温差引的密度不同(引起压头误差)。减少误差的方法如下：（1）导压管尽可能短些;（2）当测量液体或蒸汽时，导压管向上流连接到工艺管道，其斜度应不小于1/12;（3）对于气体测量时，导压管向下连接到工艺管道，其斜度应不小于1/12;（4）液体导压管道的布设要避免中间出现高点，气体导压管的布设要避免中间出现低点;（5）两导压管之间应保持相同温度;（6）为避免磨擦影响，导压管的口径应足够大;（7）充满液体的导压管中应无气体存在;（8）当使用隔离液时，两边导压管的液体要相同;（9

29、）采用洁净剂时，洁净剂连接处应靠近工艺管道取压口，洁净剂所经过的管路，其长度和口径应相同，应避免洁净剂通过变送器。3.3物位测量3.3.1物位测量的理论依据工作原理：当把变送器的平衡罩投入到液体中某一位置时，传感器经过导气管受到的压力为: P=9.807pH+Po其中 P传感器感受到的压强，单位kPaP液位密度，单位g/cm3H待测液面高度，单位mPo液面上的压强，单位kPa若传感器背面腔与液面上部连通，则Po为零，所以H约等于0.102P/p，变送器把感受到的压力信号转 换成电信号，此信号与液面高度成正比。注意:被测液体的容器须通大气，即是开放式的，不能密闭，否则测量结果无意义。 3.3.2

30、水箱水位选用LHBU740平衡罩式液位变送器，如图3-5所示销售单位：金湖东祥仪表有限公司图3-5平衡罩式液位变送器 LHBU740平衡罩式液位变送器，敏感器件安装在中继箱下端，投入部件为平衡罩，两者之间由导气管(导压)相连，液柱的压力通过空气 的传导间接地由导气管传递给敏感部件，这样就避免敏感部器件与被 测介质的直接接触。不仅适用于普通水的测量，还适用于高温、粘稠、 腐蚀等介质特殊场合的液位测量。广泛适用于化工、冶金、电站、水 利、城市供水和工业废水等领域。主要技术参数：量 程: 0.130m；测量介质: 各类水、重轻油、原油、酸碱等各类腐蚀性液体；精 度: 0.25%FS; 0.5%FS(

31、一般为0.5%FS)；输 出: 420mADC；温 度: 环境温度060，介质温度0250；电 源: 24VDC；防尘防潮: 全天候；防爆级别: EXiaCT5； 3.3.3平衡罩式液位变送器的安装要求（1）液位计安装在静止的深井、水池中时，通常把内径45mm左右的钢管 （不同高度打若干小孔，以便水通畅进入管内）固定于水中，然后将投入式液位变送器放入钢管中即可使用。 （2）测量流动或有搅拌的液体的液位时，通常把内径45mm左右的钢管 （在液体流向的反面不同高度打若干小孔，以便水通畅进入管内）固定于水中，然后将投入式液位变送器放入钢管中即可使用。 （3）变送器的安装方向为垂直，投入式安装位置应远离液体出入口及搅拌器。 （4）在有较大振动的使用场合，可在变送器上缠绕钢丝，利用钢丝减震，以免拉断电缆线。