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）

f

f

f

f

f

f

m

Rδ

λ

λ

ρ

1

=

=

c

w

c

c

R

R

R

U

2

1

/1+

+

=

f

f

w

f

f

f

R

R

R

R

R

U

2

2

1

1

/1+

+

+

+

=

f

c

f

c

R

R

R

R

2

2

1

1

,=

=

c

f

f

f U

U

R

R

1

1

2

1

-

=

+

q

T

T

R

R

R

R

U

b

f

s

f

f

w

c

f

/)

(

/1

,1

2

1

-

=

+

+

+

=

（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。

q

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

c R R 22=q

T T R c s f s f /)(,1,1-=

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，水位变动围200mm~500mm；

(3) 流量：实验管流体流量需要测量，管径Φ25mm，流量围0.5~4m3/h；

(4) 差压：由于结垢导致管流动阻力增大，需要测量流动压降，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；铜电阻在测温围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。国最常用的有R0=10Ω、R0=100Ω和R0=1000 Ω等几种，它们的分度号分别为Pt10、Pt100、Pt1000；铜电阻有R0=50Ω和R0=100 Ω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℃温度围的气体、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，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-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：