检测关键技术及仪表专业课程设计方案报告.doc

第一章 绪论

1.1 课程设计目
针对“应用技术主导型”普通工科高等教诲特点，从工程创新理念出发，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、适应当前经济社会发展需要“工程应用型人才”。
通过在模仿实战环境中系统锻炼，使学生学习能力、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课题简介
本课设题目以多功能动态实验装置为对象，规定综合此前所学知识，完毕此实验装置所需参数检测。设计检测方案，涉及检测办法，仪表种类选用以及需要注意事项，并分析误差产生因素等等。
1.3 实验背景知识
换热设备污垢形成过程是一种极其复杂能量、质量和动量传递物理化学过程，污垢存在给广泛应用于各工业公司换热设备导致极大经济损失，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难题之一。
1.4 实验原理
1.4.1 检测办法
按对沉积物监测手段分有：热学法和非传热量污垢监测法。
热学法中又可分为热阻表达法和温差表达法两种；
非传热量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。
这些监测办法中，对换热设备而言，最直接并且与换热设备性能联系最密切莫过于热学法。这里选取热学法中污垢热阻法。
1.4.2 热阻法原理简介
表达换热面上污垢沉积量特性参数有：单位面积上污垢沉积质量mf，
污垢层平均厚度δf和污垢热阻Rf。这三者之间关系由式表达：

（1-1）

图1-1 清洁和有污垢时温度分布及热阻
普通测量污垢热阻原理如下：
设传热过程是在热流密度q为常数状况下进行，图1a为换热面两侧处
于清洁状态下温度分布，其总传热热阻为：
（1-2）
图1b为两侧有污垢时温度分布，其总传热热阻为：
（1-3）
忽视换热面上污垢积聚对壁面与流体对流传热系数影响，则可以为
（1-4）
于是两式相减得：

（1-5）
该式表白污垢热阻可以通过清洁状态和受污染状态下总传热系数测量而间接测量出来。
实验研究或实际生产则经常规定测量局部污垢热阻，这可通过测量所规定部位壁温表达。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，换热面有垢一侧污垢热阻可以通过测量清洁状态和污染状态下壁温和热流而被间接测量出来。
1.5 实验装置

图1-2 多功能动态模仿实验装置外形图
如图所示实验装置是东北电力大学节能与测控研究中心杨善让专家课题
组基于测量新技术—软测量技术开发多功能实验装置。
本实验装置模仿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。管内流体普通为人工配制易结垢高硬度水或是具有固体微粒等致垢物质。

1-恒温槽体；2-实验管段；3-实验管入口压力；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-实验管出口压力；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需要检测和控制重要参数
(1) 温度：涉及实验管流体进口（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，其水位规定测量并控制循环水泵，以适应不同流速需要，水位变动范畴200mm~500mm；
(3) 流量：实验管内流体流量需要测量，管径Φ25mm，流量范畴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，范畴为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仪表选取
 由于实验装置进出口管直径较小，采用体积较大温度计会增长流动阻力，从而影响流速。 并且由给定参数可知，实验管流体进、出口温度为 20℃～ 40℃，温度范畴小，此两处温度比较低，测量不便，适合测量此段温度重要有液体膨胀式、双金属、热电偶及热电阻等温度传感器，而咱们实验设备有上位机采集信息，因此最佳选用热电偶或者热电阻。
热电阻是中低温区最惯用一种温度检测器。它重要特点是测量精度高， 性能稳定。其中铂热电阻测量精准度是最高，它不但广泛应用于工业测温， 并且被制成原则基准仪。 当前应用最广泛热电阻材料是铂和铜：铂电阻精度 高，合用于中性和氧化性介质，稳定性好，具备一定非线性，温度越高电阻变 化率越小；铜电阻在测温范畴内电阻值和温度呈线性关系，温度线数大，合用于 无腐蚀介质， 超过 150 易被氧化。 国内最惯用有 R0=10Ω 、R0=100Ω 和 R0=1000 Ω 等几种， 它们分度号分别为 Pt10、Pt100、Pt1000； 铜电阻有 R0=50Ω 和 R0=100 Ω 两种，它们分度号为 Cu50 和 Cu100。其中 Pt100 和 Cu50 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，相对湿度不不不大于 80%，实验电压为 10—100V（直流）电极与外套管之间 绝缘电阻>100MΩ 。
铠装热电阻是运用物质在温度变化时，其电阻也随着发生变化特性来测量 温度。当阻值变化时，工作仪表便显示出阻值所相应温度值。
2.1.2仪表特点
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，适当 安装在管道狭窄和规定迅速反映、微型化等特殊场合。其可对-200~600℃温度范 围内气体、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， 由于它具备良好电输出特性， 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准输入值。铠装电阻外保护管采用不锈钢， 内布满高密度氧化物质绝缘体，因而它具备很强抗污染和优良机械强度，适合安装在环境恶劣场合。

图2-1 WZPK-233S铠装薄膜铂热电阻
2.1.3仪表参数及构造
表2-1 铠装薄膜铂热电阻外径安装固定装置原则尺
安装固定装置原则尺
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，本次设计中管径为 25mm,因此选用电阻外径为 4m、5m、6m 热电阻都可以。

图2-2 热电阻测量端构造图
2.1.4测量注意事项
在使用过程中注意如下产生误差也许性：
(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。但可用传热条件好温度计来尽量减少。
(2) 热电阻引线对测量成果会有较大影响。三线制接法可补偿连接导 线电阻引起测量误差。
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测量误差。可通过串联电位器调节，此外规定三线、四线接线办法也可以减小误差。
（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，对于测量回路也许产生影响。可通过节点接近，同温等办法减小或消除。
（5）热电阻安装时，其插入深度不不大于热电阻保护管外径8-10倍，尽量使热电阻受热某些增长。热电阻尽量垂直安装，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，通过与水槽中水进行热互换传热，壁温范畴20~80 ℃。
2.2.1检测办法设计以及根据 
由测量情形可知管壁温度用普通热电偶和热电阻都不易测量，测温环境规定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，但热电偶冷端解决困难，且温差较小误差大。用光刻技术制作一种薄片热电阻外层加上隔热层贴在管壁温度侧点上，三组值同步测量取平均值，以达到精准测温效果。
2.2.2仪表种类选用以及设计根据
膜式铂电阻是近年来发达国家一种铂热电阻新技术，这种新型热电阻是有外型尺寸小、敏捷度高、响应快、绝缘性能好、稳定性好、耐震耐腐蚀使用寿命长等长处，特别是pt500和Pt1000 Pt 高阻值热电阻，其辨别率相称于常规铂电阻pt1005~10倍。
2.2.3测量注意事项以及误差分析
（1）水浴与管壁分开面积太大，影响流体流量及换热。因此温度计体积应尽量小。
（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普通均有一段较长距离,因而两根连接导线电阻随温度变化,将同热电阻阻值变化一起加在不平衡电桥一种臂上,使测量产生较大误差。为减小这一误差,普通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检测办法设计以及根据
由实验装置规定分析，水槽内水浴温度是一种存在一定变化物理量，而水浴温度又通过稳控器来实时监控。因而，测温仪表规定较高敏捷性和精准度。 另一方面，水浴温度变化范畴在20~80℃之间，属于低温范畴。
综合以上规定，咱们采热电偶温度测量法。
2.3.2热电偶工作原理
热电偶温度计由三某些构成：1、热电偶（感温元件）；2、测量仪表；3、连接热电偶和测量仪表导线（补偿导线及铜线）。

图2-3 最简朴热电偶测温系统
它是由两种不同材料导体A和B焊接而成，焊接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热电流，接上显示仪表，仪表上就批示同热电偶所产生热电动势温度值。
2.3.3 仪表种类选用以及根据
选用铜－镍铜热电偶，这是在低温下应用得很普遍热电偶,测量温度范畴(－200～＋200℃),稳定性好,低温时敏捷度高并且价格低廉。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）测温点选取
热电偶安装位置，即测温点选取是最重要。测温点位置，对于工艺过程而言，一定要具备典型性、代表性，否则将失去测量意义。
（2）插入深度 
热电偶插入被测场合时，沿着传感器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温度不一致而产生测温误差。总之，由热传导而引起误差，与插入深度关于。
2.4水位测量
2.4.1检测办法设计以及根据
实验装置补水箱内水为人工配制易结垢高硬度水或是具有固体微粒等致垢物质。其介电常数与空气差别很大。而电容式液位测量是运用被测对象物质导电率，将液位变化转换成电容变化来进行测量一种液位计。与其她液位传感器相比，电容液位测量具备敏捷性好、输出电压高、误差小、动态响应好、无自热现象、对恶劣环境合用性强等长处。因此，咱们采用此办法来测量补水箱内水位。
此外，实验装置规定水位还可控制，以适应不同流速需要。因此这里咱们把电容传感器输出信号传递给一种单片机系统，并且通过一种显示装置（数码管或LCD）得以显示该水位。通过单片机对信号分析运算，使得当补水箱内水位超过水位变动范畴（200~500mm）时，产生一种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 仪表种类选用以及根据
常用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。此类仪表合用于腐蚀性液体、沉淀性液体以及其他化工工艺液体液面持续测量与位式测量，或单一液面液位测量。
通过比较分析，咱们采用某生产厂家生产UCD-628系列电容式液位计，其采用电容法测量原理，合用于电力、冶金、化工、食品、制药、污水解决、锅炉汽包等液位测量。
该电容式液位计有如下特点：
（1）构造紧凑，体积小，安装维护简朴，统一外形尺寸。
（2）各种信号输出形式，可用于不同系统配备。
（3）测水位范畴0.1~2m。
（4）浸入液体测量某些，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同样简朴，且测量值不受被测液体温度、比重及容器形状、压力影响。
（7）完善过流、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各种电路构造方式。
（3）注意得使用高频电路。
2.5 流量测量
2.5.1仪表选取
由于要对实验管内液体流量进行测量，所要测量管段直径很小大概25ｍｍ左右，流量范畴0.5~4m3/h，并且考虑到管内有污垢，水并不干净，用接触法测量会导致测量仪器表面结垢，影响测量精度．因而考虑非接触式测量办法。电磁流量计是非常好选取。在这里选用XJ-LDC系列分体式电磁流量计。

图2-6 XJ-LDC系列分体式电磁流量计
2.5.2 仪表工作原理
分体式电磁流量计是一种依照法拉第电磁感应定律来测量管内导电介质体积流量感应式仪表，采用单片机嵌入式技术，实现数字励磁，同步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同步，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普通导电液体流量外，还可测量液固两相流，高粘度液流及盐类、强酸、强碱液体体积流量。
2.5.3 仪表重要特点
仪表构造简朴、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，响应迅速，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种类及其温度、粘度、密度、压力等物理量参数影响。
采用聚四氟乙烯或橡胶材质衬里和Hc、Hb、316L、Ti等电极材料不同组合可适应不同介质需要。
备有管道式、插入式等各种流量计型号。
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：电导率不不大于5μS/cm各种液体和液固两相流体。
流速范畴：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，因此应当保证流体流动稳定，无气泡。
（2）周边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检测办法设计以及根据
一方面，测量管道管径较小使得咱们不能采用安装体积较大差压计，且实验装置给出压降范畴为0~50mm水柱（500Pa），它是一种很小差压，用普通差压计测量办法很难精准测量，因而咱们选用U型管差压计。
2.6.2仪表种类选用以及根据
针对差压范畴0~50mm水柱，咱们选用某厂家生产C1系列注模压差计。它采用垂直+倾斜型构造和低挥发红油。测量范畴很广，在小读数时读数也很以便，可以测量正压，负压和差压。
它技术指标如下：
介质： 空气和非易燃，兼容气体。
外壳： 白色ABS塑料
精度： 满刻度±3%
内部最大工作压力： 70 KPa
过压保护：溢流管可以缓和中档过压 最大工作温度：85°C

表2-3 差压表型号及范畴
型号
范畴
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
因而，咱们选用C1-80型号差压计。
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，红色接“High”，白色接“Low”。
2、红油压差表安装时位置一定要在水平与垂直方向上。

第三章 心得体会

通过这次课程设计，我发现了我局限性，特别是在准备材料方面，有些仪表选取不恰当，导致我挥霍了诸多时间和精力，可是我也收获了诸多，通过查阅资料文献，更加熟悉了检测技术及仪表这门课程，也更加理解了学校开设这门课程重要性。从中我学会了怎么找出自己错误，以及怎么去高效地解决问题。
一方面，咱们要充分运用所学知识，在实践中进一步理解和掌握所学知识，真正达到学以致用目。不能盲目查找资料，要一方面对问题细心考虑，真正理解设计任务，有了初步设计思想后，再对所需求资料进行查找，查找到资料后，先将资料上知识弄懂学会，使其真正变成自己知识后，再进行运用。
另一方面，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优缺陷，依照实际状况规定进行选取。并且要熟悉仪器性能，以求更精确达到检测效果。
在本次课设过程中，我也通过各种途径增长了阅历、以及知识。充分运用网络、图书管以及课堂中所学知识，将知识学以致用，并细心请教教师、同窗，才会获得本次课设成功。

参照文献

[1] 孙灵芳等，一种新型在线冷却水动态模仿实验装置，仪器仪表学报，，NO. 3 增刊；
[2] 孙灵芳等，一种新型电子水解决器阻垢率在线监测评价办法及装置，工业水解决， ，NO.3；
[3] 杨善让等，冷却水解决技术阻垢效果评价办法研究与实行，《工业水解决》.11增刊；
[4] 杨善让等， 换热设备污垢与对策，科学出版社，。