污垢热阻检测仪表课程设计

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2目录一、题目介绍...........................3二、设计目的...........................3三、背景知识...........................3四、实验装置简介........................6五、实验需要检测和控制的参数...............7六、参数检测与控制.......................86.1温度测量...................................86.1.1流体进出口温度........................86.1.2实验管壁温测量........................126.1.3水浴温度测量.........................136.2水位测量..................................156.3流量测量..................................176.4进出口差压测量............................20（2）可能产生误差的原因....................22七课程设计总结........................23参考文献.............................243一、题目介绍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。二、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。三、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。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4Rf1Rf2Rf1Rf2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：ffffffmR1(1)图一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，图一（a）Tb1Rc2Rw壁（a）洁净（b）污染壁污垢沉积层RwTs1Tb1Tb2Ts1Ts25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：cwccRRRU21/1(2)图一（b）为两侧有污垢时的温度分布，其总传热热阻为ffwfffRRRRRU2211/1(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fcfcRRRR2211,。于是从式(3)减去式(2)得cfffUURR1121（4）式(4)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：qTTRRRUbcscwcc/)(/1,121（5）qTTRRRRUbfsffwcf/)(/1,121（6）若在结垢过程中，q、Tb均得持不变，且同样假定fcRR22，则两式相减有qTTRcsfsf/)(,1,1(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。6四、实验装置简介本文采用的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。它先后完成国家、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。其外形图如图二所示：图二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7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。其原理图如图三所示：图三实验装置原理图图中各数字代表的含义如下：1-恒温槽体2-试验管3-试验管入口压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-电加热管五、实验需要检测和控制的参数1、温度：包括实验管流体进口（20℃-40℃）、出口温度（20℃-80℃）125877346691011112220V冷却水入口出口82、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—500mm4、流量：实验管内流体流量需要测量，管径Φ25mm，流量范围0.5—4m3/h5、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水柱六、参数检测与控制6.1温度测量该实验中温度测量是最复杂的，也是最多的，它包括试验管进出口温度、试验管壁温及恒温水浴温度。温度测量条件、测量要求不同则测量温度的仪表选择就不一样，下面就详细介绍各温度的测量和控制。6.1.1流体进出口温度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。9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。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10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。图四WZPK-233U铠装薄膜铂热电阻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。11安装固定装置标准尺铠装薄膜铂热电阻外径（d）φ6φ5φ4φ3Dφ60φ50D0φ42φ36D1φ24φ20d0φ9φ7S2219表一铠装薄膜铂热电阻外径安装固定装置标准尺有表一可知，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。图五热电阻测量端结构图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。126.1.2实验管壁温测量由于该实验装置的实验管壁温度（20℃-80℃），需要测量外管壁的温度，针对性能、安装对比各种测温装置，选用铠装热电偶进行测量，因为它具有能弯曲便于安装、耐高压、热响应时间快、体积小等优点；可以安装在狭窄或结构复杂的测量场合；它可以直接测量各种生产过程中从-20～100℃(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为0℃。图六（a）补偿导线式图六（b）K型铠装热电偶注意事项在使用中，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。13误差分析首先由于材料的纯度和加工工艺可能引起分度误差；另外由于电阻通电以后会产生自升温现象，从而带来测量误差；电阻丝与引线接点处构成热电偶，若接点处温度不同将产生附加电动势。6.1.3水浴温度测量此实验装置要求测量水温并控制水浴温度保持恒定。水浴温度是最容易测量的，用一个AD590不用经过复杂处理，就可直接得到电信号。AD590是利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器。它精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，这种器件在被测温度一定时，相当于一个恒流源。该器件具有良好的线性和互换性，测量精度高，并具有消除电源波动的特性。即使电源在5～15V之间变化，其电流只是在1μA以下作微小变化。它的主要特性如下：(1)流过器件的电流(μA)等于器件所处环境的热力学温度(开尔文)度数：Ir/T=1(1)式中，Ir—流过器件(AD590)的电流，单位为μA；T—热力学温度，单位为K；14(2)AD590的测温范围为-55℃~+150℃；(3)AD590的电源电压范围为4～30V，可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件即使反接也不会被损坏；(4)输出电阻为710mΩ；(5)精度高，AD590在-55℃~+-150℃范围内，非线性误差仅为±0.3℃。注意事项：其输出电流是以绝对温度零度（-273℃）为基准，每增加1℃，它会增加1μA输出电流，因此在室温25℃时，其输出电流Iout=（273+25）=298μA。Vo的值为Io乘上10K，以室温25℃而言，输出值为10K×298μA=2