检测技术及仪表课设

第1章绪论

1.1 课题背景与意义

1.1.1 实验装置简介

如图1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。

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。

图 1-1 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1-2 实验装置流程图

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

1.1.2研究污垢传热的理论知识

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m

f

，污

垢层平均厚度δ

f 和污垢热阻R

f

。这三者之间的关系由下式表示：

f

f

f

f

f

f

m

Rδ

λ

λ

ρ

1

=

= 1-1

9

10

4

1

6

5

3

2

12

11

7

8

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3（a ）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：

c w c c R R R U 21/1++= 1-2

图3（b ）为两侧有污垢时的温度分布，其总传热热阻为

f f w f f f R R R R R U 2211/1++++= 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f c f c R R R R 2211,==。于是从式(4-4)减去式(3)得：

c

f f f U U R R 1

121-

=

+ 1-4 式(5)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：

q T T R R R U b c s c w c c /)(/1,121-=++= 1-5 q T T R R R R U b f s f f w c f /)(/1,121-=+++= 1-6

若在结垢过程中，q 、Tb 均得持不变，且同样假定f c R R 22=，则两式相减有：

q T T R c s f s f /)(,1,1-= 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。

1.1.3 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。

1.1.4 题目介绍

本课设题目以一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。

该实验装置上，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（20~40℃）、出口温度（20~80 ℃），

2、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~500mm

4、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

5、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章参数检测与控制

2.1进出口温度水浴温度测量

2.1.1 仪表种类选用及依据

选型：采用安徽天康（集团）股份有限公司生产的 WZPK-231型铠装热电阻。

依据: 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2-1 WZPK-231铠装热电阻

2.1.2 注意事项

首先由于热惰性使热电阻变化滞后温度变化，为消除它的引起的误差，应尽可能地减小铠装热电阻保护管外径，适当增加热电阻的插入深度使热电阻受热部位增加。

热电阻应按规定接线，一般采用三线制。连接导线应采用绝缘(最好是屏敞)

铜线，其截面积应≥1.0平方毫米，导线的阻值应按显示仪表的规定配准。

要经常检查保护管状况，发现氧化或变形应立即采取措施，要定期进行校验。

另外还有就是关于铠装热电阻的安装场所的说法：铠装热电阻的安装位置应尽可能保持垂直，但在有流速时则必须倾斜安装。接线盒出孔应向下方。

热电阻应避免安装在炉旁或距加热体太近之处，应尽量安装在没有震动或震动很小的地方，同时要便于施工和维护。

2.1.3 可能误差

①分度误差。取决于材料纯度和加工工艺

②通电发热误差。由于电阻导电后产生自升温现象，从而带来测量误差。该误差无法消除，但可以规定最大工作电流值。

③线路电阻误差。通过三线、四线制接法可减小误差。

④附加热电动势。电阻丝与引线接点处构成热偶，可通过节点靠近，同温等方法减小或消除误差

2.2 实验管壁温测量

2.2.1 仪表种类选用及依据

选型：采用上海双旭电子有限公司生产的WZP-1312U元件。

依据：薄膜铂热电阻元件用陶瓷和铂特制而成，在高温下能够保持优良的稳定性，适合在 -50 ℃∽ 4OO ℃的温度下使用.铂薄膜通过激光喷溅在陶瓷表层，因而薄膜铂热电阻元件具有良好的防振动和防冲击性能。薄膜表面覆盖以陶瓷，因此元件能够承受高电压并有良好的绝缘性。可避免水浴对管壁温度测量的干扰。

2.2.2 可能误差

①分度误差。取决于材料纯度和加工工艺

②通电发热误差。由于电阻导电后产生自升温现象，从而带来测量误差。该误差无法消除，但可以规定最大工作电流值。

③线路电阻误差。通过三线、四线制接法可减小误差。

④附加热电动势。电阻丝与引线接点处构成热偶，可通过节点靠近，同温等方法减小或消除误差

2.3 水位的测量

2.3.1 仪表种类选用及依据

选型：江苏省苏科仪表有限公司生产的SK1151/3351LT型法兰式液位变送器。测量范围：差压为0~6.2~690Kpa。静压为2.5Mpa。

图2-2 法兰式液位变送器

依据：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，双法兰式差压变送器可以解决高黏稠、有沉淀、有腐蚀或易冻结的液体测量问题。关键原材料，元器件和零部件均源自进口，整机经过严格组装和测试，该产品具有设计原理先进、品种规格齐全、安装使用简便等特点。同时与传统的系列产品在安装上可直接替换，有很强的通用性和替代能力。该系列产品除设计小巧精致外，更推出具有HART现场总线协议的智能化功能。

2.3.2 注意事项

安装、连线正确，使用前须调试。最后结果需要进行温度补偿。安装变送器时注意保护变送器引出电缆。在工业现场使用时，建议使用金属管保护或者架空。

2.3.3 可能误差

由于随时有水的流入和排出，液面不能长时间保持静止，造成测量压力不稳定，读数发生偏差；温度补偿和线性修正中存在误差。

2.4 实验管内流体流量的测量

2.4.1 仪表种类选用与依据

采用大连杰特仪表有限公司生产的JT-1000F 固定式超声波流量计。用超声波在流体中的传播速度或超声波多普勒原理测量流体的流速从而计算流量。

依据：超声波流量计安装方便，不用在管道上打孔或切断流量。管径可达10m ，并且价格并不受管径大小的影响。

测量的可靠性高，有效防止噪声电路等的影响。不受流体参数的影响（如粗糙度，导电率等），也不对流体参数产生影响。

图2-3固定式超声波流量计

2.4.2注意事项

1、正确选择

这是超声波流量计能够正常工作的基础。如果选型不当，或会造成流量无法测量，或者用户使用不便等后果。具体选型原则，前面已做了详细的介绍。

2、合理安装

换能器安装不合理是超声波流量计不能正常工作的主要原因。安装换能器需要考虑位置的确定和方式的选择两个问题。确定位置时除保证足够的上、下游直管段外，

尤其要注意换能器尽量避开有变频调速嚣、电焊机等污染电源的场合。

3、及时核校

对于现场安装固定式超声波流量计数量大、范围广的用户，可以配备一台同类型的便携式超声波流量计，用于核校现场仪表的情况。一是坚持一装一校，即对每一台新

装超声波流量计在安装调试时进行核校，确保选位好、安装好、测量准;二是对在线运行的超声波流量计发生流量突变时，要利用便携式超声波流量计进行及时核校，查清流

量突变的原因，弄清楚是仪表发生故障还是流量确实发生了变化。

4、定期维护

与其他流量仪表相比，超声波流量计的维护量是比较小的。对于外贴换能器超声波流量计，安装以后无水压损失，无潜在漏水，只需定期检查换能器是否松动，与管道之间的粘合剂是否良好即可;插入式超声波流量计，要定期清理探头上沉积的杂质、水垢等有无漏水现象;如果是一体式超声波流量计，要检查流量计与管道之间的法兰链接是否良好。

2.4.3 可能误差

速度分布不均引起的超声波射线轨迹的变化；紊流的速度分布较层流均匀，所以紊流引起的误差小于层流。

超声波流量计的安装对测量结果影响很大，两个传感器之间的距离有严格的，一定要按照规定的尺寸安装。

流量计的上下游要有足够的直管段。一般要求上游5~10倍直管段，下游3~5倍直管段。

管道内径误差：1%的内径误差会导致2%的流量测量误差。

管道的壁厚误差：壁厚误差只对夹装探头有影响。

2.5 差压测量

2.5.1仪表种类选用与依据

选用压阻式压力传感器基于以下几点：

依据：

①压阻式压力传感器的灵敏系数比金属应变式压力传感器的灵敏度系数要大50-100倍。有的时候压阻式压力传感器的输出不需要放大器就可直接进行测量。

②由于它采用集成电路工艺加工，因而结构尺寸小，重量轻。

③压力分辨率高，它可以检测出十几帕斯卡的差压。

④频率响应好，它可以测量几十千赫的脉动压力。

⑤由于传感器的力敏元件及检测元件制在同一块硅片上，所以它工作可靠，综合精度高，且使用寿命长。

检测过程：被测介质——传感器——电子线路——输出信号。我们可以利用具有压阻效应的介质将压力信号转化成电信号，再经过变换后送给计算机处理。

43.4.2仪表种类选用以及依据

选型：选用佛山市顺德昊胜传感仪器有限公司生产的扩散硅压力变送器。

规格：量程: 0～5KPA～60～150(MPa) PTH702型压力传感器最大压力可做到800MPA

综合精度: 0.1%FS、0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS

输出信号: 4～20mA(二线制)、0～5V、1～5V、0～10V(三线制)

供电电压: 24DCV(9～36DCV)

介质温度: -20～85～150~300~500℃ PTH701最高测量介质温度可达1200℃。环境温度: 常温(-20～85℃)

产品零点温漂移：≤±0.05%FS℃

量程温度漂移：≤±0.05%FS℃

安全过载： 150%FS

极限过载： 200%FS

响应时间： 5 mS(上升到90%FS)

负载电阻: 电流输出型：最大800Ω；电压输出型：大于50KΩ

绝缘电阻: 大于2000MΩ (100VDC）

密封等级: IP65

长期稳定性能: 0.1%FS/年

振动影响: 在机械振动频率20Hz～1000Hz内，输出变化小于0.1%FS

电气接口(信号接口): 四芯屏蔽线、四芯航空接插件、紧线螺母

机械连接(螺纹接口): 1/2-20UNF、M14×1.5、M20×1.5、M22×1.5等，其它螺纹可依据客户要求设计

依据：不锈钢隔离膜片一体化结构，可适应恶劣环境

■小体积，高精度，高性价比，高稳定性,产品寿命长,经久耐用

■防雷击，抗电磁/射频干扰,传输距离长

■供电电源范围宽（10~40V）,并且不需稳压

■无灌充液体，温补范围广,受温度影响极小

■我公司生的各型号压力传感器,压力变送器,除PTH802系列的差压传感器,风压传感器,差压变送器,微压差传感器只兼容气体外,任一款产品都能兼容各种流体

■特别强调,我公司传感器产品全部可按客户要求的参数设计定做生产采用进口精品高稳定性压阻式芯体,精度高,寿命长,一般正常使用可达到10年,耐用性特别强,分辩率高,响应时间快，电路以ASIS高性能放大电路，经过数千次疲劳冲击，高，低温循环老化及精密的数字温度补偿工艺，再经过不锈钢全封焊（激光焊接）。外壳挑选上乘304,316钢材材质,经久耐用.兼容性广

昊胜压力传感器外壳结构人性化设计,机械连接口和电气连接口全部可按客户要求定制.在封装方面全是采用激光焊接,密封性好,防潮防水能力强,达到IP68标准。

图2-4 压阻式压力传感器示意图

2.5.2 注意事项

垂直安装，挑选适合的量程，使得测量值在量程的1/3以上。垂直安装，螺纹连接的产品在安装和拆卸时，必须用扳手紧六方*作，安装时不能拧的过紧，严禁夹持其它部位安装、拆卸，避免损坏相关联结部件。引压孔端不得有尖硬物伸入，以免损毁敏感膜或隔离膜，严禁敲打、撞击、摔跌。

应注意如下几种使用情况：

1、被压力系统瞬时出现较大过载压力。

2、压力检测时，加压设备如水泵扬程过大，压力强，造成液位高速运动冲击敏感膜膜片，大动量冲击附加压造成过载。

3、用活塞压力计标定时，活塞故障卡死未发现，导致压力冲开时高过载冲击敏感膜。

4、由于恒流电源对扩散硅传感器的自补偿功能，原则上推荐采用恒流源供电。

5、扩散硅传感器零位输出不能直接采用单臂联电阻法进行消除，可采用软件归零法、差动输入修整法、T型电阻网络修正等。

6、严禁用尖硬物、螺丝刀、手指直接按压腊片试压，这样最容易造成不可修复性损坏。

2.5.3 可能误差

由于采用半导体材料硅制作，传感器对温度比较敏感，如不采用温度补偿，其温度误差较大。为了补偿温度效应的影响，一般还可在膜片上沿对压力不敏感的晶向生成一个电阻，这个电阻只感受温度变化，可接入桥路作为温度补偿电阻，以提高测量精度。压阻式压力传感器缺点是工艺较复杂和造价高。

两个压力检测点应选在能准确及时地反映被测压力的真实情况。因此, 取压点不能处于流束紊乱的地方, 即要选在管道的直线部份, 即离局部阻力较远

的地方。

心得体会

历时两周的课程设计结束了，领过两周的查阅资料，上网找各种仪表的型号参数及注意事项和误差分析，使我对各种测量仪表有了更深刻的认识。

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

4.杨善让等，换热设备污垢与对策，科学出版社，2003

5.王建国等，检测技术及仪表，北京：中国电力出版社，2007