检测仪表课程设计过程检测技术与仪表

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1、课 程 设 计 报 告学生姓名:学 号：学 院:自动化工程学院班 级:题 目:过程检测技术与仪表指导教师： 职称: 2011 年 6月 20日目录1.设计背景及装置介绍32.设计内容与成果要求43.详细测量方案53.1.温度测量部分53.1.1实验管流体进出口及水浴温度53.1.1.1选择方法设计及依据53.1.1.2仪表种类选用以及依据；53.1.1.3热电阻的误差分析63.1.1.4注意事项73.1.2实验管壁温73.1.2.1选择方法设计及依据73.1.2.2仪表种类选用以及依据83.1.2.3误差分析93.1.2.4注意事项103.2.水位测量部分103.2.1选择方法设计及依据103

2、.2.2仪表种类选用以及依据103.2.3误差分析123.2.4注意事项123.3流量测量部分123.3.1检测方法设计以及依据123.3.2仪表种类选用以及依据123.3.3误差分析133.3.4注意事项143.4差压测量部分143.4.1检测方法设计以及依据143.4.2仪表种类选用以及依据143.4.3误差分析153.4.4注意事项164.设计心得165.参考文献161.设计背景及装置介绍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

3、。 我们采用污垢监测的热学法中的污垢热阻法来对沉积物进行监测。图1-1 清洁和有污垢时的温度分布及热阻如图，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，图1b为两侧有污垢时的温度分布，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，则易得出式1及式2。 (1) 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。 (2)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。 125834679101112220V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

4、;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。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。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

5、验系统。通过平行样实验和对比实验，可以进行水处理药剂的效果评价；强化换热管的污垢特性；污垢状态下强化管的换热效果评价等等。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。以上为设计背景。2.设计内容与成果要求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。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（2040）、出口温度（2080 ） ，实验管壁温（2080 ）以及水浴温度（2080 ） 2、水位：补水箱上位安装，距

6、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200mm500mm3、流量：实验管内流体流量需要测量，管径25mm，流量范围0.54m3/h4、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水柱成果要求：1设计说明书2检测方法设计以及依据；3仪表种类选用以及依据；4测量注意事项，并分析可能产生误差的原因。3.详细测量方案3.1.温度测量部分3.1.1实验管流体进出口及水浴温度本设计采用铠装薄膜铂热电阻WZPK-305U传感器测量实验管流体进出口及水浴温度。3.1.1.1选择方法设计及依据选择依据由于入口，出口及水浴温度均在 20-80范围内，

7、属于中低温测量。热电阻是利用金属导体或金属氧化物半导体做测温质，利用导体或半导体阻值随温度变化这一现象测量温度。热电阻具有测量范围宽，精度高，稳定性好等优点。是中低温区最常用的一种温度检测器。其他的温度检测器件，如热电偶，并不能有一种相当线性的电阻随温度变化特性，而热电阻这种线性度极好的电阻温度特性，大大简化了信号处理电路的设计制作。铂热电阻测温为目前使用最广泛的热电阻测温计。其精度高，线性好，测温范围宽，稳定性和复现性好，但价格较高。而铜电阻则易产生腐蚀，长期稳定性差；而镍电阻适用温度范围较窄；铂电阻适于对成本考虑较强，对热响应讲究的场合，所以选用铂电阻进行测量。0-850热电阻的温度特性为

8、： 3.1.1.2仪表种类选用以及依据；本设计采用铠装薄膜铂热电阻WZPK-305U传感器。图3-1 铠装薄膜铂热电阻WZPK-305U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，具有很强的抗污染和优良的机械强度，质量稳定、使用寿命长等优点。安装方式：将阀门固定在需要测量温度的管道上，在底座内的管道上钻孔，将组装好的本实用新型通过阀门安装在管道上，探头杆头部的温度传感器进入管道内的液体中，进行管道内液体温度的测量，在不停产、停止管道内液体流动

9、的条件下，将温度传感器安装在管道内，可以准确测量管道内液体温度，安全可靠，并可以方便的进行检修、更换。技术参数：1、分度号：PT1002、测温范围：-200-4503、允差值：A+-（0.15+0.002ItI）、B+-（0.3+0.005ItI）4、安装固定方式：固定螺纹、活动螺纹、固定法兰、活动法兰、活络管接头5、接线方式：接线盒、插头式、直接引线式、手柄式、6、保护管直径：10mm12mm14mm16mm20mm25mm7、接线盒形式电气出口：M20*1.5;NPT1/28、防护等级：IP659、保护官材质：1Gr18Ni9Ti、316L、哈氏合金10、精度：+-0.25%3.1.1.3

10、热电阻的误差分析1）分度误差，即元件初始误差，还有其他的误差源会影响热电阻温度传感器的总精度，器件应用时的机械缺陷，如线材的弯曲,使用中不慎产生的冲击,器件受 热膨胀时由于外壳的收缩所引起的应力,以及震动等,均会对传感器的测量重复 性产生长周期的影响. 以上所述的机械应力会影响热电阻的稳定性,也会影响热电阻的精度。2）其次是激励电流对热电阻的加热效应, 因为热电阻需要用激励电流才能将电 阻的变化转换为电压,人们希望流过电阻的激励电流大些,以使输出信号大大高于系统的噪声电平,但这样做的负面效应传感器会自行发热,因为电流与电阻产生了热功率使器件温度升高,而这一温升又使电阻增加。3）附加热电动势。电

11、阻丝与引线接点处构成热电偶，若节点温度不同将产生附加热电动势，对于测温回路可能产生影响。可通过接点靠近，同温等办法减小或消除。4）将器件连接至电路的其余部分是极为重要的一环，有三种形式可考虑采用：下图所示二线方式是最为经济的，但激励电流同埋流经引线及热电阻，引线与热电阻一起暴露于同温度下，引线电阻会随温度而变化，故二导线引线方式精度较差，可改在三线或四线方式,以完全消除导线引入的误差。3.1.1.4注意事项使用时应采用三线制连接方式以减少导线电阻对测温的影响；另外还要保持工作电源的稳定性，减少其对测量结果的影响；保护套管的截面积尺寸和材料保持一致。图3-2 热电阻三线制接法图3.1.2实验管壁

12、温本设计采用天仪/WRN-120 WRN-220热电偶测温计测量实验管壁温。3.1.2.1选择方法设计及依据该实验装置的实验管壁温度为20-80 。采用热电偶测温法测量其温度。热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。测量范围广。常用的热电偶从-50+1600均可边续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269(如金铁镍铬)，最高可达+2800(如钨-铼)。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。 将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路。当导

13、体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。热电偶种类很多。根据工业标准化的要求可分为标准化和非标准化热电偶。综合各类热电偶性能，本设计采用K型标准化热电偶测温计。K型热电偶是目前用量最大的廉金属热电偶，其用量为其他热电偶的总和。K型热电偶丝直径一般为.24.0，使用温度为-2001300。 K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中。广泛为用户所采用。 K型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的

14、气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛。它可以直接测量各种生产过程中从-20100(热电阻)范围内的液 体,蒸汽和气体介质以及固体表面的温度.为了保证冷端温度固定不变,使用补 偿导线将冷端延长到一个温度稳定的地方再将冷端处理表3-1 K型热电偶分度表3.1.2.2仪表种类选用以及依据本设计采用天仪/WRN-120 WRN-220热电偶测温计测量实验管壁温。图3-3 天仪/WRN-120 WRN-220热电偶测温计主要技术参数 电气出口：M20x1.5,NPT1/2 精度等级：I 、 II 防护等级：IP65 公称压力：常压3.1.2.3误差分析 1.安装不当引入的误差热电偶不应装在太靠近门和加

15、热的地方，插入的深度至少应为保护管直径的810倍，安装的位置及插入深度不能反映炉膛的真实温度。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。热电偶的安装应尽可能避开强磁场和强电场，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

16、，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百度。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。为了准确地测量温度，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

17、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。3.1.2.4注意事项在使用中，补偿导线应具有与所匹配的热电偶的热电动势称值相同的特性.。而且补偿导线与热电偶正负极性不能接错，补偿导线与热电偶接点温度必须相同。3.2.水位测量部分本设计采用Sonometer

18、30外置式超声波液位传感器测量并控制补水箱水位。3.2.1选择方法设计及依据装置补水箱上位安装，距地面2m，并且需要控制水箱内水位以适应不同流速的需要，水位变动范围200mm500mm。超声波液位计是由微处理器控制的数字物位仪表.在测量中脉冲超声波由传感器发出，声波经物体表面反射后被同一传感器接收，转换成电信号。并由声波的发射和接收之间的时间来计算传感器到被测物体的距离。由于采用非接触的测量，被测介质几乎不受限制，可广泛用于各种液体和固体物料高度的测量。连续测量液位时，利用反射原理，发射换能器发出超声脉冲，到达液面后反射回来由接受换能器接收，根据声波往返时间，在已知声速的条件下判断液位（实际上

19、是超声测距原理）。发射和接收可由同一换能器完成，分时先发射随即转为接受。如果换能器装在液面以上的气体介质中垂直向下发射和接收，则称为气介式，其最大特点是不必和液体接触，便于防腐蚀和渗漏，而且对于有黏性的液体的液体及含有颗粒杂志或气泡的液体，也不妨碍工作。由于气介式在防腐和维护方便比液介式优越得多，且可测黏性及含杂质的液体，所以气介式的应用更为广泛。3.2.2仪表种类选用以及依据本设计采用HQCSB-100超声波液位计测量并控制补水箱水位。图3-4 HQCSB-100超声波液位计产品优点、1）独家采用物理全封闭探头2）独特探头设计，适应16公斤压力环境3）先进回波跟踪算法4）多种补偿模式5）点阵

20、式液晶，全中文菜单6）灵活的测量模式技术参数：测量范围：0.305m、 8m 、10m 、12m 、15m工作频率：30 KHz、20KHz、10KHz 、5KHz；信号输出：4-20mA ，0-5V（10V） RS485，RS232，开关量PNP（NPN）,继电器输出(定货约定） 现场显示：4位 LED最大负载:24VDC 550（4-20mA） 供电电压：24VDC (1824V) 最大功消耗：1.2W(55mA，DC24V) 测量误差：量程的0.5(空气中) 分辨率：2mm （温度补偿内置）响应时间：1.5s发射波束角：10 过程压力：正常大气压 环境温度：2050 (耐高温,耐水气须定

21、制) 相对湿度：100 防护等级：IP653.2.3误差分析要来自超声测距中的影响,其中影响较大的是环境温度,触发时间,相应 时间和换能器之间的间隔。3.2.4注意事项安装超声波液位计时必须考虑超声波液位计的盲区问题，当液位进入盲区后，超声波变送器就无法测量液位了，所以在确定超声波液位计的量程时，必须留出 50 公分的余量，安装时变送器探头必须高出最高液位 50 公分左右。这样才能保证对液位的准确监测及保证超声波液位计的安全。3.3流量测量部分本设计采用LKB-1 HFS-25靶式流量计测量实验管内流体流量。3.3.1检测方法设计以及依据本设计要求测量实验管内流体流量，管径25mm，流量范围0

22、.54m3/h。靶式流量计是20世纪60年代迅速发展起来的流量计。适用于低速测量，测量小流量对外界的震动干扰不敏感，耐高温，可测量高温介质；测量精度高，重复性好，精度可达千分之二；在大部分情况下可以测量高粘度流体，对流体的粘度变化不敏感；适用于液体以及气体测量，对于混合型介质，多相流介质，一定程度上也可以计算。不会因为流体产生的气旋现象影响计量精度，不怕管道杂志影响，不怕堵塞，压力损失小，只有传统孔板的六分之一，小于涡街，节能效果明显。靶式流量计的工作原理为：当介质在测量管中流动时，因其自身的动能与靶板产生压差，而产生对靶板的作用力，使靶板产生微量的位移，其作用力的大小与介质流速的平方成正比，

23、其数学公式： F = CdAV2/2 F:靶板所受的作用力 Cd：流体阻力系数 A：靶板对测量管轴向投影面积 ：工况下介质密度 V：介质在测量管中的特征流速3.3.2仪表种类选用以及依据本设计采用LKB-1 HFS-25靶式流量计测量实验管内流体流量。图3-5 LKB-1 HFS-25靶式流量计优点：耐高温高压，大口径管道，性能可靠智能化结构设计，具有参数设定标校及故障提示功能六位液晶显示，可显示瞬时流量，累积流量具有上下限报警以及脉冲输出功能指示表头可以轴向360旋转具有温度补偿和软件修正功能主要技术参数：测量范围0-400th精度等级：0.5FS1.0FS2.0FS输出信号：420mA二线

24、制输出与流量成线性关系供电电压：1236VDC公称压力：1.62.54.06.4MPa环境温度：3060(特殊：-4080）介质温度：普通型100（无散热片）高温型400（带散热片）接液材质：测量室为碳钢或1Cr18i9Ti；其余为1Cr18Ni9Ti；外壳材质：铸铝法兰标准：DIN2501特殊型由用户选择电缆接口：M20*1.5（内螺纹）防护等级：IP65负载特性：最大负载电阻50*（电源电压12）=60024V报警输出：集电极开路形式，最大输入电流100mA，最大开关电压30VDC，带有偏差带控制脉冲输出：最小脉宽50ms，可双路输出最大累积流量显示值50000单位，自动复位阻尼时间：11

25、00秒任意可调防爆形式、防爆标志、防爆合格证编号3.3.3误差分析1）流体密度的影响。2）流量系数的影响。3）应变电桥的影响。4）靶杆变形的影响。5）传感器的零点误差。6）二次仪表的误差。3.3.4注意事项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。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。3.4差压测量部分本设计采用HDP801液差压变送器测量管内压降。3.4.1检测方法设计以及依据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。因其测量的差压为较低的压力，因此要求测量的灵敏度要高。压阻式传感器是指利用单晶硅材料

26、的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。压阻式传感器用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量的测量和控制。其特点为灵敏度高，灵敏度比金属应变片高50倍以上，阻值大，响应快，测量范围宽，精度高，易于微小型化。图3-6 压阻式压力传感器3.4.2仪表种类选用以及依据本设计采用HDP801液差压变送器测量管内压降。图3-7 HDP801液差压变送器本系列产品采用OEM硅压阻式差压充油芯体组装而成。外壳为全不锈钢结构，具有很强的耐腐蚀性，两个压力接口为M201.5螺纹连接,可直接安装在测量管道上或通过

27、引压管连接。主要应用于航空，航天，汽车，医疗设备等领域的差压、液位、流量测控等。主要参数:量 程: 010KPa35MPa耐 压: 三倍量程值综合精度: 0.2%FS、0.5%FS (非线性+重复性+滞后) 输出信号: 420mA(二线制)、05V、15V、010V(三线制) 供电电压: 24DCV(936DCV) 介质温度: -2085(HDP801)、-20150(HDP801H) 环境温度: 常温(-2085) 负载电阻: 电流输出型：最大800；电压输出型：大于50K 绝缘电阻: 大于2000M (100VDC) 密封等级: IP65 长期稳定性能: 0.1%FS/年 振动影响: 在机

28、械振动频率20Hz1000Hz内，输出变化小于0.1%FS 电气接口(信号接口): 引线、赫丝曼接头、航空接插件、PG7法兰 机械连接(螺纹接口): M121、M201.5、G1/2 3.4.3误差分析1）任何一种应变片当测量的环境温度发生变化时，其阻值都会因环境的变化发生变化。2）由于弹性元件与应变片的线性膨胀系数很难一致，但它们又是相互黏贴在一起，所以温度发生变化时就会发生附加的应变，从而造成测量误差。3.4.4注意事项电阻应变片压力传感器需采用各种相应的温度补偿措施。4.设计心得经过这次课程设计，虽然设计时间比较短暂，设计水平较专业技术人员仍然有很大差距，但是通过寻找相关仪表的经历，我更

29、进一步了解到检测技术及仪表中关于测量方法与测量仪表的选择要求, 并且了解更多的仪表的使用方法及环境条件，也了解到更多的仪表种类，巩固了所学知识，增强了独立思考与设计的能力。同时也达到了本次课程设计的初衷：“从工程创新的理念出发，以工程思维模式为主”。旨在培养实践能力，创新意识。通过在模拟的实战环境中系统锻炼，使我的学习能力，思维能力，动手能力，工程创新能力都得到综合提高。5.参考文献 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):146-1482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):46-483 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):49-514 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，200316