多功能动态模拟实验设计讲解.docx
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多功能动态模拟实验设计讲解
课程设计报告
学生姓名:
***
学号：
***
学院:
自动化工程学院
班级:
自动***
题目:
多功能动态模拟实验装置检测方法设计
指导教师：
陈立军辛红伟
2012年**月**日
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。
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、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
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。
图1-1总实验图
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。
1.3检测和控制参数
1、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℃）；
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200mm~500mm；
3、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；
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0~50mm水柱。
第2章温度的测量和控制
2.1实验管流体进出口温度测量和控制
2.1.1检测方法设计及依据
该实验管流体的进口温度为20~40℃，出口温度为20~80℃，属于低温的范围，实验管径较小，为Φ25mm，不宜使用体积较大的测温仪器，并且在测量时，根据实验管的情况，也不宜使用较复杂的测温仪器，在测量时，应使用价格较低、线性度较好的测温仪器，综上考虑，应选择分度号为Cu50的铜热电阻，适合-50~+150℃的温度测量，符合设计要求。
2.1.2仪表种类选用及依据
由给定的参数可知，试验管流体进口温度为20℃~40℃，出口温度为20~80℃，温度范围小，此两处的温度比较低，测量不便，适合测量此段温度的主要有液体膨胀式、双金属、热电偶及热电阻等温度传感器，而我们的实验设备有上位机采集信息，所以最好选用热电偶或者热电阻。
选用WZCK-230型号的热电阻，即为固定螺纹式，防水式，保护管为Φ6mm的铠装式铜热电阻，如下图
图2-1-1WZCK-230热电阻图2-1-2WZCK-230螺纹
铜热电阻主要由接线盒、保护管、接线端子、绝缘套管和感温元件组成。
工业用铜热电阻可直接和二次仪表相连接使用。
可以测量各种生产过程中从-200℃至420℃范围内的液体、蒸汽和气体介质及固体表面的温度。
工业用热电阻作为测量温度的传感受器，通常和显示仪表、记录仪表和电子调节器配套使用。
它可以直接测量各种生产过程中从-200℃至420℃范围内的液体、蒸汽和气体介质以及固体表面温度。
由于铜热电阻具有良好的电输出特性，可为显示仪、记录仪、调节器、扫描器、数据记录仪以及计算机提供准确的温度变化信号。
其参数见下表：
表2-1-1WZCK-230热电阻参数
热电阻类别
产品型号
分度号
测温范围
℃
保护管材料
直径d
mm
热响应时间
τ0.5s
固定螺纹规格
Mo
铜热电阻
WZCK-230
Cu50
-50~100
不锈钢
1Cr18Ni9Ti
Φ6
≤120
M27×2
表2-1-2热电阻长度规格
Φ6
总长L
mm
225
250
300
350
450
550
650
900
1150
置深l
mm
75
100
150
200
300
400
500
750
1000
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2-1-3热电阻三线制接法
2.1.3测量注意事项
1、热电阻应尽量垂直装在水平或垂直管道上，安装时应有保护套管，以方便检修和更换；
2、测量管道内温度时，元件长度应在管道中心线上（即保护管插入深度应为管径的一半）；
3、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，弯头及管道和设备的死角附近装设热电阻；
4、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，热电阻应该有足够的插入深度。
2.1.4误差产生原因
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<6mA，传热条件好来尽可能减小；
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、四线接线方波等也能减小误差；
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热电动势，对于测量回路可能产生影响。
可通过接点靠近，同温等办法减小或消除。
2.2实验管壁温度测量和控制
2.2.1检测方法设计及依据
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。
经过综合考虑，选择了薄膜铂热电阻。
工业用薄膜铂热电阻作为新一代的温度测量和调节传感器，通常用来和显示仪表等配套，以直接测量各种生产过程中-79℃～600℃范围内液体，蒸汽和气体介质及固定表面等温度，用真空沉积的薄膜技术把铂溅射在陶瓷基片上，膜厚在2μm以内，用玻璃烧结料把Ni（或Pd）引线固定，经激光调阻制成薄膜元件。
绕线铂电阻（陶瓷、玻璃、云母）：
用φ0.02～0.04㎜高纯铂丝绕制而成。
2.2.2仪表种类选用及依据
选用日本生产的CRZ-2005-1000-A薄膜铂热电阻，分度号为Pt1000，见下图，
图2-2-1薄膜铂热电阻
薄膜铂热电阻的优点，已成为铂热电阻元件的主体，其鲜明的优点体现如下：
1、体积细小目前最小尺寸的薄膜铂热电阻元件，其宽度为3μm，长度1.6mm，厚度为0.6mm;
2、响应时间快在τ0.5的条件下，水流速V=0.2m/s时仅为0.05s，空气流速V=1m/s时仅为4s;
3、一致性好自动化的生产和检测线，使元件具有良好的一致性;
4、机械性能好抗震、抗振动等机械性能明显优于绕丝类铂热电阻元件;
5、精度高除常规的B级、A级外，还可提供1/3B级及1/10B级精度的元件;
6、测温范围宽从-196℃到1000℃的薄膜铂热电阻元件已经出现并投入应用，最高温度达到1250℃的产品已在研发，不久将可面市;
7、结构多样化从传统的带引线结构，到无引线的SMD产品以及适应于各种特殊领域的特殊结构的产品已经面市;
8、长期稳定性好在元件的极限温度工作超过1000小时后，其电阻值的变化<0.02%;
9、标称阻值多从Pt6.8到Pt10k的产品均已投入市场;
10、价格便宜由于元件用铂量大幅度减少并采用自动化生产，使得薄膜铂热电阻元件的价格逐步走低，A级精度的元件价格将低于10元/支;
其参数见下表：
表2-2-1CRZ-2005-1000-A参数
型号
分度号
规定电流
宽（mm）
长l（mm）
厚B（mm）
CRZ-2005-1000-A
Pt1000
0.5mA
2
5
1
表2-2-2铂电阻元件的误差
级别
零度时阻值误差（%）
温度误差（℃）
温度系数TCR误差（ohm/ohm/℃）
A
±0.06
±（0.15+0.002|T|）
0.003851±0.000005
表2-2-3铂电阻元件的热响应时间
型号
热响应时间T0.9（秒）
空气
水
V=1.0m/s
V=3.0m/s
CRZ-2005-1000-A
16
11
0.3
表2-2-4铂电阻元件的自热系数
型 号
自热系数（mW/℃）
空气
静水
V=1.0m/s
静止
CRZ-2005-1000-A
4
2
20
2.2.3测量注意事项
1、直接使用元件或制成温度传感器测温时，避免超过测温量程，短时间内虽不会损坏亦影响产品寿命和精度；
2、用CRZ元件组装温度传感器时，在使用高温固化环氧胶灌封时，应注意其在固化过程中应力的变化，否则可能损坏元件（一般为开路）；在使用氧化镁或氧化铝充填过程中，应避免元件直接接触保护管尖锐的内表面，否则在振动过程中，有可能使元件的瓷片边缘破损，造成元件开路损坏；
3、在制作温度传感器时，必须保证灌封材料的高度绝缘性能，否则会导致产品的电气绝缘性能降低，并且影响元件的测试数据，一般会导致测试电阻值偏低。
2.2.4误差产生原因
1、由于薄膜铂热电阻元件的工作电流较小，因此，由于工作电流而产生偏差，使测量造成误差，且工作电流的大小与产生的温度偏差成正比；
2、引线的长短、材质的不同，引线在不同的环境温度下电阻值也发生变化；
3、测量线路和显示仪表的误差。
它是由显示仪表本身的准确度等级和线路电阻决定的。
如用Cu50型铜电阻测温，在规定条件下铜导线的电阻为5欧,仪表指示被测温度为40°。
若此时环境温度变化10°，则两线制连接的导线会给测量值带来约2°的误差，三线制链接会带来0.1°的误差。
此外，引线电阻、连接导线的阻值变化也将引起误差；
4、其他误差。
这是指除上述误差以外的，由屏蔽绝缘不良、插入深度不够、热电阻劣化等所引起的误差。
2.3水浴温度测量和控制
2.3.1检测方法设计及依据
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。
热电偶具有以下特点：
1、装配简单，更换方便；
2、压簧式感温元件，抗震性能好；
3、测量精度高；
4、测量范围大（－200℃～1300℃，特殊情况下－270℃～2800℃）；
5、热响应时间快；
6、机械强度高，耐压性能好；
7、耐高温可达2800度；
8、使用寿命长。
2.3.2仪表种类选用及依据
选用型号为WRNK-15B，分度号为K型铠装热电偶，其测温范围为0~260℃，在流速≤9m/s的情况下进行，采用套管能有效的防止热电偶腐蚀，均符合实验要求。
套管式热电偶，作为温度测量和控制的传感器与显示仪表配套，以直接测量和控制生产过程中气体，液体和蒸气的温度。
不仅用于发电厂管道测温，同时也用于其他工业部门的测温。
热电偶如下图
图2-3-1WRNK-15B热电偶
其参数如下：
表2-3-1WRNK-15B参数
名 称
型 号
分度号
测温范围℃
公称压力MPa
流速m/s
保护管材料
单支热电偶
WRNK-15B
K
0～260
≤2
≤9
1Cr18Ni9Ti
置入深度（mm）：
50，100，150，200，250，300，350，400，450，500
该套管热电偶的优点有：
1、测量精度高。
因直接与被测对象接触，不受中间介质的影响；
2、构造简单，使用方便。
热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。
2.3.3测量注意事项
1、在生产中由于被测对象不同，环境条件不同，测量要求不同，和热电阻的安装方法及采取的措施也不同，需要考虑的问题比较多，但原则上可以从测温的准确性、安全性、维修方便三个方面来考虑。
2、为避免测温元件损坏，应保证其人足够的机械强度，为保护感温元件不受磨损应加保护屏或保护管等，为确保安全、可靠，测温元件的安装方法应视具体情况（如待测介质的温度、压力、测温元件的长度及其安装位置、形式等）而定。
3、对于测量管道中心流体温度的热电偶，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，那热电偶或热电阻插入深度应选择100毫米；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。
2.3.4误差产生原因
1、安装不当引入的误差
如热电偶安装的位置及插入深度不能反映炉膛的真实温度等，换句话说，热电偶不应装在太靠近门和加热的地方，插入的深度至少应为保护管直径的8～10倍；热电偶的保护套管与壁间的间隔未填绝热物质致使炉内热溢出或冷空气侵入，因此热电偶保护管和炉壁孔之间的空隙应用耐火泥或石棉绳等绝热物质堵塞以免冷热空气对流而影响测温的准确性；热电偶冷端太靠近炉体使温度超过100℃；热电偶的安装应尽可能避开强磁场和强电场，所以不应把热电偶和动力电缆线装在同一根导管内以免引入干扰造成误差；热电偶不能安装在被测介质很少流动的区域内，当用热电偶测量管内气体温度时，必须使热电偶逆着流速方向安装，而且充分与气体接触。
2、绝缘变差而引入的误差
如热电偶绝缘了，保护管和拉线板污垢或盐渣过多致使热电偶极间与炉壁间绝缘不良，在高温下更为严重，这不仅会引起热电势的损耗而且还会引入干扰，由此引起的误差有时可达上XX。
3、热惰性引入的误差
由于热电偶的热惰性使仪表的指示值落后于被测温度的变化，在进行快速测量时这种影响尤为突出。
所以应尽可能采用热电极较细、保护管直径较小的热电偶。
测温环境许可时，甚至可将保护管取去。
由于存在测量滞后，用热电偶检测出的温度波动的振幅较炉温波动的振幅小。
测量滞后越大，热电偶波动的振幅就越小，与实际炉温的差别也就越大。
当用时间常数大的热电偶测温或控温时，仪表显示的温度虽然波动很小，但实际炉温的波动可能很大。
为了准确的测量温度，应当选择时间常数小的热电偶。
时间常数与传热系数成反比，与热电偶热端的直径、材料的密度及比热成正比，如要减小时间常数，除增加传热系数以外，最有效的办法是尽量减小热端的尺寸。
使用中，通常采用导热性能好的材料，管壁薄、内径小的保护套管。
在较精密的温度测量中，使用无保护套管的裸丝热电偶，但热电偶容易损坏，应及时校正及更换。
4、热阻误差
高温时，如保护管上有一层煤灰，尘埃附在上面，则热阻增加，阻碍热的传导，这时温度示值比被测温度的真值低。
因此，应保持热电偶保护管外部的清洁，以减小误差。
第3章水位的测量和控制
3.1检测方法设计及依据
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。
电容式液位计的特点是无可动部件，与液体密度无关，但要求液体的介电常数与空气介电常数差别足够大，且需用高频电路。
对于测量高温、高压、低温、高粘度、腐蚀性、泥浆等特殊介质，或在用其他方法难以检测的各种恶劣条件下的某些特殊场合，可以选用电容式物位计。
综合考虑，选用电容式液位计。
3.2仪表种类选用及依据
选用型号为标准型套管式UYZ-511B电容式液位计，介质温度范围为-40~85℃，满足实验中水温的要求。
见下图：
图3-1UYZ-511B
其由6个功能部件组成：
1、传感转换部件，2、温度缓冲器，3、散热装置，4、安全火花型防爆栅，5、显示仪表，6、测量电极。
其工作原理如下：
图3-2UYZ-511B工作原理
当被测液位发生变化时，传感电容量产生相应变化，经传感器前置线路转换成直流信号，再传送到显示仪表放大成标准电信号输出，并使电流表直接指示。
显示仪表是通用的，表面上的直型条形给出液位指示，同时有绿色指针供高低料位报警位置的鉴定。
通过外接信号输出至计算机内，对液位的高低进行控制，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。
其参数如下：
表3-1UYZ-511B参数
型号
非防爆型
UYZ-511B
传感器结构
内电极
聚四氟乙烯护套
1Cr18Ni杆
外电极
—
结构型式
套管式
最大测量范围
3m
适用范围
不粘滞导电介质
如水，某些酸性溶液，炭黑
传感器介质使用温度
标准型
-40~85℃
图3-3UYZ-511B主要技术指标
3.3测量注意事项
1、介质的介电常数应稳定（对于非导电介质）；
2、对于软缆型传感器，安装时需考虑传感器周围均衡，应远离爬梯等；
3、安装时应远离设备出入口；
4、同轴型传感器应防堵；
5、如果被测介质是导电的粘滞性介质，当液位下降时，由于电极套管上仍粘附一层被测介质，因此会造成虚假的液位指示，在这种情况下应定期清洗探头。
而在测量粘滞性非导电液体时，当液位下降后，光电极上会附上一薄层介质，但这不影响仪表的正常测量。
3.4误差产生原因
液体本身的物理参数会对液位测量有影响，包括液体的电导率、介电常数和腐蚀情况等，对测量液位的敏感元件的材料选用起决定性作用。
电容极板结构对测量的影响在液位测量中起关键性作用，电容极板本身结构，比如尺寸、长度等直接决定着液位测量的精度。
增加初始值，可以使寄生电容和相对电容传感器的电容量较小。
电容极板板间距离大，寄生电容就大、精度就低；板间距离小，寄生电容就小、精度就高。
所以应根据实际情况，选择合适的电容极板尺寸。
另外电容传感器的材料和电信号引线的选用，也会对液位测量的精度产生影响。
第4章流量的测量和控制
4.1检测方法设计及依据
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。
基于以上考虑，选用靶式流量计比较合适。
靶式流量计是基于力学原理的一种流量计，它在工业上的开发应用已有数十年的历史。
中国于20世纪70年代开发电动、气动靶式流量变送器它是电动、气动单元组合仪表的检测仪表。
新型靶式流量计的力转换器采用应变式力转换器，它完全消除了上述力平衡机构的缺点，新型靶式流量计还把微电子技术和计算机技术应用到信号转换器和显示部分，流量计具有一系列优点，相信今后在众多流量计中发挥重要的作用。
4.2仪表种类选用及依据
选用SST-YFNCCIAS-20含义为：
SST系列电容式靶式流量计，介质为液体，连接方式为法兰管道式，壳体为不锈钢，法兰公称压力1.6Mpa，温度为常温（-20~80℃），4~20mA电流输出，本安型，传感器材质为316不锈钢，公称通径20mm。
如下图
图4-1法兰管道式
其特点如下：
1、适用管径范围宽：
Φ10~Φ2000至更大；
2、适用温度范围广：
-196°C~500°C；
3、适用高/低压力工况：
0~42MPa；
4、适用各种介质：
气体、液体（包括高粘度液体、浆体）、蒸汽；
5、适用于低流速介质，其可测量最低流速为0.08m/s。
工作原理：
当介质在测量管中流动时，因其自身的动能通过阻流件（靶片）时而产生的压差，并对阻流件有一作用力，其作用力的大小与介质流速的平方成正比。
阻流件（靶片）接受的作用力F，经刚性连接的传递件（测杆）传至电容力传感器，电容力传感器产生电压信号输出。
由此，此电压信号经前置放大、AD转换及计算机处理后，即可得到相应的瞬时流量和累积总量。
图4-2工作原理
其主要技术参数如下表：
表4-1主要技术参数
被测介质
液体；气体；蒸汽
公称直径
法兰式20mm
公称压力
1.6MPa
介质温度
-20~80℃
精确度
±0.2%
范围度
1：
3（液体）
补偿形式
温度补偿；压力补偿
重复性
0.05%～0.08%
供电电源
机内自备锂电池（3.6V）；外供电源24VDC
输出形式
现场显示；4～20mA二线制；脉冲0～5V；RS485/RS232；GPRS无线远传
测量管材料
碳钢；不锈钢；亦可按用户要求协商提供
防爆标志
本安型（ExiaIICT4）；隔爆型（ExdIICT4）
防护等级
IP65；IP67
法兰规格
流量计连接法兰规格执行GB/T系列标准，也可以根据用户要求特殊加工
表4-2外形尺寸
公称通径
DN（mm）
总宽
总高
A
B
20
150
350
4.3测量注意事项
1、常温型、低温型、高温型流量计视不同工况采用水平、垂直或倒置式安装；
2、为保证流量计准确计量，要求设置前后直管段；
3、因工艺需要可采用垂直安装，被测介质流向可由下至上，也可由上至下；
4、流量计口径与相连的管道口径尺寸尽量相同，以减少流动干扰，造成计量误差；
5、法兰式流量计安装时，应注意法兰之间密封垫片内孔尺寸大于流量计和工艺管道通径6-8mm及否同轴，以避免因其产生干扰流而影响计量精确度；
6、对于新完工的工艺管道，应先进行初步吹扫后再安装流量计；
7、测量管外壁上箭头所指方向为被测介质流向；
8、流量计壳体必须可靠接地；
9、不充许直接在流量计测量管前后端安装阀门、弯头等极大改变流体流态的部件；
10、如果需要在流量计前后管道上安装阀门、弯头等部件也应尽量保证前后直管段长度。
4.4误差产生原因
1、安装时流量计与连接管道相对同心度出现较大错位，密封垫片未同心，从而形成节流阻件，极大影响被测介质流态；
处理方法：
调整安装状态。
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