检测技术及仪表课程设计报告.docx
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检测技术及仪表课程设计报告
第一章绪论
1.1课程设计目的
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课题介绍
本课设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，完成此实验装置所需参数的检测。
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。
1.3实验背景知识
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。
1.4实验原理
1.4.1检测方法
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
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。
这里选择热学法中的污垢热阻法。
1.4.2热阻法原理简介
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式表示：
（1-1）
图1-1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：
（1-2）
图1b为两侧有污垢时的温度分布，其总传热热阻为：
（1-3）
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
（1-4）
于是两式相减得：
（1-5）
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：
（1-6）
（1-7）
若在结垢过程中，q、Tb均得持不变，且同样假定
（1-8）
则两式相减有：
（1-9）
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。
1.5实验装置
图1-2多功能动态模拟实验装置外形图
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。
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。
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。
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
图1-3实验装置流程图
1.6需要检测和控制的主要参数
（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循环水泵，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。
第二章被测参数及仪表选用
2.1实验管进出口温度测量
2.1.1仪表的选择
由于实验装置的进出口管直径较小，采用体积较大的温度计会增加流动阻力，从而影响流速。
而且由给定的参数可知，试验管流体进、出口的温度为20℃～40℃，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。
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。
目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜：
铂电阻精度高，适用于中性和氧化性介质，稳定性好，具有一定的非线性，温度越高电阻变化率越小；铜电阻在测温范围内电阻值和温度呈线性关系，温度线数大，适用于无腐蚀介质，超过150易被氧化。
国内最常用的有R0=10Ω、R0=100Ω和R0=1000Ω等几种，它们的分度号分别为Pt10、Pt100、Pt1000；铜电阻有R0=50Ω和R0=100Ω两种，它们的分度号为Cu50和Cu100。
其中Pt100和Cu50的应用最为广泛。
本设计中选用了WZPK-233S|铠装Pt100热电阻。
热电阻在环境温度为15—35°C，相对湿度不大于80%，试验电压为10—100V（直流）电极与外套管之间的绝缘电阻>100MΩ。
铠装热电阻是利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。
2.1.2仪表的特点
铠装铂电阻作为一种温度传感器，它比装配式铂电阻直径小，易弯曲，适宜安装在管道狭窄和要求快速反应、微型化等特殊场合。
其可对-200~600℃温度范围内的气体、液体介质和固体表面进行自动检测，并且可直接用铜导线和二次仪表相连接使用，由于它具有良好的电输出特性，可为显示仪、记录仪、调节器、扫描器、数据记录仪以及电脑提供精确的输入值。
铠装电阻外保护管采用不锈钢，内充满高密度氧化物质绝缘体，因此它具有很强的抗污染和优良的机械强度，适合安装在环境恶劣的场合。
图2-1WZPK-233S铠装薄膜铂热电阻
2.1.3仪表的参数及结构
表2-1铠装薄膜铂热电阻外径安装固定装置标准尺
安装固定装置标准尺
铠装薄膜热电阻外径（d）
6
5
4
3
D
直径60
直径50
D0
直径42
直径36
D1
直径24
直径20
d0
直径9
直径7
S
22
19
有表一可知，本次设计中的管径为25mm,所以选用电阻外径为4m、5m、6m的热电阻都可以。
图2-2热电阻测量端结构图
2.1.4测量注意事项
在使用过程中注意以下产生误差的可能性：
（1）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。
但可用传热条件好的温度计来尽可能减少。
（2）热电阻的引线对测量结果会有较大的影响。
三线制接法可补偿连接导线的电阻引起的测量误差。
2.1.5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。
（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。
（5）热电阻安装时，其插入深度不小于热电阻保护管外径的8-10倍，尽可能使热电阻受热部分增长。
热电阻尽可能垂直安装，以防在高温下弯曲变形。
（6）热电阻在使用中为了减小辐射热和热传导所产生的误差，应尽量使保护套管表面和被测介质温度接近，减小热电阻保护套管的黑色系数。
2.2实验管壁温度测量
实验管道在恒温水槽中，通过与水槽中的水进行热交换传热，壁温范围20~80℃。
2.2.1检测方法设计以及依据
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。
接触式测温中热电阻和热电偶比较适合，但热电偶冷端处理困难，且温差较小误差大。
用光刻技术制作一个薄片热电阻外层加上隔热层贴在管壁温度侧点上，三组值同时测量取平均值，以达到精确测温效果。
2.2.2仪表种类选用以及设计依据
膜式铂电阻是近年来发达国家的一种铂热电阻新技术，这种新型热电阻是有外型尺寸小、灵敏度高、响应快、绝缘性能好、稳定性好、耐震耐腐蚀使用寿命长等优点，特别是pt500和Pt1000Pt2000高阻值热电阻，其分辨率相当于常规铂电阻pt100的5~10倍。
2.2.3测量注意事项以及误差分析
（1）水浴与管壁分开的面积太大，影响流体的流量及换热。
所以温度计的体积应尽可能小。
（2）外界环境变化会影响管壁温度，故使外界环境温度保持稳定。
（3）固定螺纹或者固定法兰安装。
（4）由于热电阻与仪表之间一般都有一段较长的距离,因此两根连接导线的电阻随温度的变化,将同热电阻阻值的变化一起加在不平衡电桥的一个臂上,使测量产生较大的误差。
为减小这一误差,一般在测温热电阻与仪表连接时,采用三线制接法。
2.3水浴温度测量
2.3.1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。
2.3.2热电偶工作原理
热电偶温度计由三部分组成：
1、热电偶（感温元件）；2、测量仪表；3、连接热电偶和测量仪表的导线（补偿导线及铜线）。
图2-3最简单的热电偶测温系统
它是由两种不同材料的导体A和B焊接而成，焊接的一端插入被测介质中，感受被测温度，称为工作端或热端，另一端与导线相连，称为冷端或自由端。
两种不同成分的导体两端经焊接、形成回路，直接测温端叫测量端，接线端子端叫参比端。
当测量端和参比端存在温差时，就会在回路产生热电流，接上显示仪表，仪表上就批示出热电偶所产生的热电流，接上显示仪表，仪表上就批示同热电偶所产生的热电动势的温度值。
2.3.3仪表种类选用以及依据
选用铜－镍铜热电偶，这是在低温下应用得很普遍的热电偶,测量温度范围（－200～＋200℃）,稳定性好,低温时灵敏度高并且价格低廉。
分度号为T。
图2-4铜－镍铜热电偶测温器
2.3.4测量注意事项及误差分析
（1）测温点的选择
热电偶的安装位置，即测温点的选择是最重要的。
测温点的位置，对于工艺过程而言，一定要具有典型性、代表性，否则将失去测量意义。
（2）插入深度
热电偶插入被测场所时，沿着传感器的长度方向将产生热流。
当环境温度低时就会有热损失。
致使热电偶与被测对象的温度不一致而产生测温误差。
总之，由热传导而引起的误差，与插入深度有关。
2.4水位测量
2.4.1检测方法设计以及依据
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。
与其他液位传感器相比，电容液位测量具有灵敏性好、输出电压高、误差小、动态响应好、无自热现象、对恶劣环境的适用性强等优点。
所以，我们采用此方法来测量补水箱内的水位。
此外，实验装置要求水位还可控制，以适应不同流速的需要。
所以这里我们把电容传感器输出的信号传递给一个单片机系统，并且通过一个显示装置（数码管或LCD）得以显示该水位。
通过单片机对信号的分析运算，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。
图2-5补水箱水位测量及控制总体框图
2.4.2仪表种类选用以及依据
常见的电容传感器测量电路有变压器电桥式、运算放大器式及脉冲宽度式等。
这类仪表适用于腐蚀性液体、沉淀性液体以及其它化工工艺液体液面的连续测量与位式测量，或单一液面的液位测量。
经过比较分析，我们采用某生产厂家生产的UCD-628系列电容式液位计，其采用电容法测量原理，适用于电力、冶金、化工、食品、制药、污水处理、锅炉汽包等的液位测量。
该电容式液位计有以下特点：
（1）结构紧凑，体积小，安装维护简单，统一外形尺寸。
（2）多种信号输出形式，可用于不同系统配置。
（3）测水位范围0.1~2m。
（4）浸入液体的测量部分，只有一条四氟软线或四氟棒式探极作为传感，可靠性高。
（5）全密封铝合金外壳及不锈钢联接件。
（6）对高温压力容器与测量常温常压一样简单，且测量值不受被测液体的温度、比重及容器的形状、压力影响。
（7）完善的过流、过压、电源极性保护。
2.4.3测量注意事项
（1）电容式液位计应垂直安装，并固定以防止晃动引起的误差。
（2）应采用非隔离两线制、三线制或测量、输出、电源三端隔离四线制多种电路结构方式。
（3）注意得使用高频电路。
2.5流量测量
2.5.1仪表的选择
由于要对试验管内的液体流量进行测量，所要测量的管段的直径很小大约25ｍｍ左右，流量范围0.5~4m3/h，并且考虑到管内有污垢，水并不洁净，用接触法测量会导致测量仪器的表面结垢，影响测量的精度．因此考虑非接触式测量方法。
电磁流量计是非常好的选择。
在这里选用XJ-LDC系列分体式电磁流量计。
图2-6XJ-LDC系列分体式电磁流量计
2.5.2仪表的工作原理
分体式电磁流量计是一种根据法拉第电磁感应定律来测量管内导电介质体积流量的感应式仪表，采用单片机嵌入式技术，实现数字励磁，同时在电磁流量计上采用CAN现场总线，属国内首创，技术达到国内领先水平。
XJ-LDC系列分体式电磁流量计在满足现场显示的同时，还可以输出4～20mA电流信号供记录、调节和控制用，现已广泛地应用于化工、环保、冶金、医药、造纸、给排水等工业技术和管理部门。
电磁流量计除可测量一般导电液体的流量外，还可测量液固两相流，高粘度液流及盐类、强酸、强碱液体的体积流量。
2.5.3仪表的主要特点
仪表结构简单、可靠，无可动部件，工作寿命长。
无截流阻流部件，不存在压力损失和流体堵塞现象。
无机械惯性，响应快速，稳定性好，可应用于自动检测、调节和程控系统。
测量精度不受被测介质的种类及其温度、粘度、密度、压力等物理量参数的影响。
采用聚四氟乙烯或橡胶材质衬里和Hc、Hb、316L、Ti等电极材料的不同组合可适应不同介质的需要。
备有管道式、插入式等多种流量计型号。
采用EEPROM存贮器，测量运算数据存贮保护安全可靠。
具备一体化和分离型两种型式。
2.5.4仪表的技术指标
仪表精度：
管道式0.5级、1.0级；插入式2.5级
测量介质：
电导率大于5μS/cm的各种液体和液固两相流体。
流速范围：
0.2～8m/s
工作压力：
1.6MPa
环境温度：
-40℃～+50℃
介质温度：
聚四氟乙烯衬里≤180℃；橡胶材质衬里≤65℃。
2.5.5误差分析
（1）当管道中有气泡时，会产生误差，所以应该保证流体流动稳定，无气泡。
（2）周围存在电磁干扰会是传感器产生误差，应注意避免电磁干扰。
2.6差压测量
2.6.1检测方法设计以及依据
首先，测量管道的管径较小使得我们不能采用安装体积较大的差压计，且实验装置给出的压降范围为0~50mm水柱（500Pa），它是一个很小的差压，用普通的差压计测量方法很难精确的测量，因此我们选用U型管差压计。
2.6.2仪表种类选用以及依据
针对差压范围0~50mm水柱，我们选用某厂家生产的C1系列注模压差计。
它采用垂直+倾斜型的结构和低挥发红油。
测量范围很广，在小读数时读数也很方便，可以测量正压，负压和差压。
它的技术指标如下：
介质：
空气和非易燃，兼容的气体。
外壳：
白色ABS塑料
精度：
满刻度的±3%
内部最大工作压力：
70KPa
过压保护：
溢流管可以缓解中等过压最大工作温度：
85°C
表2-3差压表的型号及范围
型号
范围
使用液体
C1-3
0-3英寸水柱
红油
C1-80
0-80毫米水柱
红油
C1-700PA
10-0-700PA
红油
图2-7注模差压计
因此，我们选用C1-80型号的差压计。
2.6.3测量注意事项
1、红油压差表配有两根管，一根是白色，一根是红色的，红色的接“High”，白色的接“Low”。
2、红油压差表安装时的位置一定要在水平与垂直的方向上。
第三章心得体会
通过这次的课程设计，我发现了我的不足，尤其是在准备材料方面，有些仪表的选择不恰当，导致我浪费了很多时间和精力，可是我也收获了很多，通过查阅资料文献，更加熟悉了检测技术及仪表这门课程，也更加了解了学校开设这门课程的重要性。
从中我学会了怎么找出自己的错误，以及怎么去高效地解决问题。
首先，我们要充分利用所学知识，在实践中进一步理解和掌握所学知识，真正达到学以致用的目的。
不能盲目的查找资料，要首先对问题细心的考虑，真正理解设计任务，有了初步的设计思想后，再对所需求的资料进行查找，查找到资料后，先将资料上的知识弄懂学会，使其真正变成自己的知识后，再进行运用。
其次，在选用仪表时，要充分考虑和比较各个仪表之间在各个方面的优缺点，根据实际情况的要求进行选择。
并且要熟悉仪器的性能，以求更准确的达到检测效果。
在本次课设过程中，我也通过各种途径增加了阅历、以及知识。
充分利用网络、图书管以及课堂中所学的知识，将知识学以致用，并细心请教老师、同学，才会获得此次课设的成功。
参考文献
[1]孙灵芳等，一种新型在线冷却水动态模拟试验装置，仪器仪表学报，2002，NO.3增刊；
[2]孙灵芳等，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，NO.3；
[3]杨善让等，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增刊；
杨善让等，换热设备污垢与对策，科学出版社，2003。
[4]
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