污垢热阻检测仪表课程设计.docx

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1、1 引言 32 系统总体设计 32.1 设计采用的方法 32.2 设计要求 42.3 试验装置图 42.4 试验装置原理图 53 各参数的检测和控制 53.1 温度测量 73.2 水位测量 93.3 流量测量 103.4 差压测量 114 数据采集卡的选择 124.1 功能特点 124.2 AD转换部分 135 上位机监控界面图 14【参考文献】 14摘 要： 本文介绍了一种污垢测量方法热阻法，它通过我校以杨善让教授为首研发的基于测量新技术的多功能动态模拟实验装置来实现的。 其中需要检测和控制的参数主要有：温度： 实验管流体进、 出口温度、 实验管壁温、 水浴温度； 水箱水位； 实验管内流体流

2、量及差压。通过补水箱、集水槽、模拟换热器以及监控系统来检测控制这些参数，从而达到测量污垢的目的。关键词：污垢热阻一、题目介绍污垢和腐蚀问题是各类换热设备普遍存在的，每年由此带来的经济损失，据初步调查，可分别占一个国家工业总产值的0.3%和发达工业国家国民生产总值的0.2%到 0.4%。这些污垢和腐蚀问题绝大部分是由冷却水水质不良造成。 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。本文采用的是我校以杨善让教授为首， 自主研发的基于测量

3、新技术的多功能动态模拟实验装置。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。2. 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。3. 背景

4、知识同流量测量一样， 对于污垢测量， 目前有很多方法， 但每种方法都受条件限制，因此好方法不多。按对沉积物的监测手段污垢测量可分为： 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； 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是热学法。本文将简单介绍污垢监测的热学法中的污垢热阻法。3.2 设计要求污垢测量是个复杂的过程， 为达到测量目的， 需要对如下参数进行检测和控制：（ 1）温度：试验管流体进、出口温度，试验管壁温，模拟换热器中

5、恒温水浴的温度。（ 2）水位：补水箱安装距地面2 米，需要检测其水位，水位变动范围是200mnr500mm而且在不同流速时，用循环水泵来控制水位。(3)流量：需测量试验管内流体的流量，且管径为25mm流量范围 0.54m3/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,范围为050mmK柱。3.3 试验装置图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一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1所示:图1多功

6、能动态模拟实验装置外形图3.4 试验装置原理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。其原理图如图2所示：图2实验装置图9图中各数字代表的含义如下：1-恒温梢体2-试验管段3-试验管入口压力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

7、9-集水箱10-循环水泵11- 补水箱12-电加热管3.5 污垢热阻法数学模型的建立单位面积上的污垢沉积质表示换热面上污垢沉积量的特征参数有：量m,污垢层平均厚度 储和污垢热阻R。这三者之间的关系由下式表下:mfRf1ffRfi(a)清洁(b)污垢图3清洁和有污垢时的温度分布及热阻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：1/Uc = Rc Rw Rc(2)图3 (b)为两侧有污垢时的温度分布，其总传热热阻为1/Uf =Rf +Rfi +Rw +Rf2 + %(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

8、，则可认为 =Rf,Rc = R2f。于是从式(3)减去式(2)得11Rfi + Rf2 = (4)U f Uc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：1/Uc =Ric +Rw +R2c =(Tsi,cTb)/q(5)1/Uf =% +Rw+Rf +R2f =(Tsi,f -Tb)/q(6)若在结垢过程中，q、Tb均得持不变，且同样假定R2c = R2f,则两 式相减有Rf =(Tsi,f -Tsi,c)/q这样，换热面

9、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。4.各参数的检测和控制4.1 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。4.1.1 试验管流体进、出口温度测量由给定的参数可知，试验管流体进口的温度为20 c40 C,出口温度为20c80C,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双金属、 热电偶及热电阻等温度传感器。 选 用了 WZPK-233S岂装Pt100热电阻。热电阻在环境温度为

10、1535摄氏度，相对湿度不大于80%试验电压为10100V (直流)电极与外套管 之间的绝缘电阻100MD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变化时，工示出阻值所粕热电加元件 Platinum HI D elements弓I线 Lead vire套管Sleeve度的。当阻值 作仪表便显 对应的温度。1.1.1.1 端结构图1.1.1.2 仪表主要特点(a)热响应时间少，减小动态误差；(b)直径小，易弯曲，长度不受限制，适宜安装在管道狭窄和要 求快速反应、微型化等特殊场合；(c)测量精度高；(d)进口薄膜电阻元件，性能可靠稳定；(e)可对-200600 c温度范围

11、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；(f)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。1.1.1.3 误差分析主要存在分度误差、通电分度误差、线路电阻不同或变化引入的误 差、附加电动势及传感器热容量等。1.1.2 试验管壁温测量试验管壁温主要指处于恒温水浴中两根平行管管壁的温度，由于试验管壁温范围为20c 80 C,并且被测管道进行水浴加热，所以选用 了 WRNK-031型卡箍式热电偶。卡箍式管壁热电偶、热电阻是专为测温 管壁

12、温度而设计的，它采用卡箍式夹紧装置，无需焊接，就可将温度探 头上的加热板与管道压接，具有装拆方便，反应灵敏、抗压耐震和测量 可靠等优点。同时该产品装上温度转换器后，具有抗干扰、精度高、稳 定性好等优点并且节省了补偿导线， 是天然气、石化、电站等行业中管 道温度测量的新型温度传感器。为了避免水浴的影响，安装时先在管壁 上开一个和热电偶测量端能良好接触的梢（深度大约是壁厚的一半），安装后缝隙最好能用和管壁导热系数相当的材料填充。图5 WRNK-031G型卡箍式热电偶1.1.2.1 误差分析导热误差，传热误差，辐射误差以及水浴影响，另外由于冷端温度也会产生误差。1.1.2.2 注意事项尽量避免水浴影

13、响，并进行恰当的冷端处理。1.1.3 水浴温度测量模拟换热器中的水域是恒温的，温度范围是20 80 ，由于实验管内的流体会在该水域内换热， 因此水域温度会变化。 为了保持水域温度恒定，需要有相关设备来控制。1.1.3.1 仪表的选择及依据测出水域水温后， 为了保持水温恒定， 需要由相关设备来控制加热棒开始或停止工作， 而单纯的温度传感器使做不到的。 它另外还需要有类似单片机的东西， 才能实现比较和控制， 在此该实验选择的是LM235。LM235是美国国家半导体公司（NS）生产的一种高精度易校正的集成温度传感器，系列器件灵敏度为10mV/K具有小于1Q的动态阻抗， 工作电流范围从400区AmA工

14、作电压为030V,测量温度范围是一40125C,而且成本低。LM135是集成的温度传感器，它不仅能测温，而且还能将采集到的温度信号与设定值进行比较， 然后用比较结果去控制加热棒的工作。模拟换热器采用的是220V 的交流电，因此需要将交流电通过整流电路变为直流后，再经过降压器使工作电压降到30V,这样LM235M能正常工作了。1.1.3.2 误差分析交流电通过整流电路转换成直流时，可能由于整流不够好，输出的电压中带毛刺，从而影响后续电路的工作效果，这就可能产生误差。4.2 水位测量该实验设备有两个水箱一一集水箱和补水箱， 这里的水位测量指的是补水箱的水位。补水箱是上位安装的，且距离地面2米。4.

15、2.1 仪表的选择及依据补水箱水位的变动范围是 200mrrr 500mm当水位超过或低于水箱变动范围时，需要有个设备来控制循环水泵开始或停止工作。因此在水位传感器之后接A/D、D/A、8051等，来进行控制，在此水位传感器选 的是浮子式水位传感器，其水位控制的原理如图四所示：图四水位控制原理图18K4241921。传感器工作4.2.2 浮子式水位传感器的工作原理该实验选择的浮子式水位传感器的型号为时， 测绳带动线轮做旋转运动， 与线轮同轴连接的编码器就输出与液位对应的数字信号送至智能测控仪， 从而达到了对液位的实时测量与显示的目的。4.2.3 水位传感器的技术指标(a)量程：05米(b)测量

16、精度：0.1%x量程士 1(c)工作电压：DC5W 30V(d)远传距离：1200米4.2.4 误差分析与自由状态下的浮子不同， 浮子式液位传感器中的浮子通过某种传动方式把液位传到容器外， 不可能完全自由漂浮； 其次浮子受本身的重力之外还受绳子的重力； 另外绳子与滑轮之间还存在摩擦阻力。 这些因素都是可能产生的原因。4.3 流量测量被测流体在试验管段内流动，管径为25mm流量范围0.54m3/h., 由于管径很小，流量小，而且还带有污垢，因此流量计的选择很重要。4.3.1 流量计的选择及依据迄今为止， 流量的测量准确度较低， 流量计的通用性很差， 特别是对腐蚀性流体、 赃物流体、 高粘性流体的

17、流量的测量还需要更多的发展。对于该实验的污垢流体，本文选择的是靶式流量计。靶式流量计是20 世纪 60 年代迅速发展起来的流量计。 它的特点是适用于低速测量， 测量小流量时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， 可以测量高黏度流体， 对流体的黏度变化不敏感； 适用于液体以及气体测量， 对于混合型介质， 多相流介质， 一定程度上也可以测量；测量有些介质时， 不会因为流体产生的气旋现象影响计量精度； 不怕管道杂质影响，不怕堵塞；压力损失较小，只有传统孔板的六分之一，小于涡街，节能效果明显。经过上网查询最终选择使用江苏华宁仪表有限

18、公司生产的靶式流量计。4.3.2 靶式流量计特点(a)耐高温高压，大口径管道，性能可靠；(b)智能化结构设计，具有参数设定标校及故障提示功能；( c )六位液晶显示，可显示瞬时流量，累积流量；(d)具有上下限报警以及脉冲输出功能；(e)指示表头可以轴向360旋转；( f )具有温度补偿和软件修正功能。4.3.3 误差分析由于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。4.4 差压测量由于流体是人工配制的易结垢的高硬度水或是含有固体微粒等致垢的流体， 当它在试验管段内流动时， 容易在内结垢， 使管

19、内流动阻力 增大，这就在试验管段的两端产生流动压降。4.4.1 仪表的选择及依据由给定参数知，流体在试验管段入口、出口处的压降为0-50mm水柱，即0490Pa所以压差很小。该实验选择的是压阻式压力传感 器，它的工作原理是：固体（应变片）受力后电阻率发生变化。选用PTP801一体化型微差压传感器（液压）。4.4.1.1 仪表选择的依据（a）可测差压：弹簧管压力计、液柱式压力计不能测差压，压阻式压力传感器的两边有两个压力腔， 分别输入被测差压或参考差压。 该 实验中高压腔接试验管段出口处、 低压腔接试验管段入口处， 这样就能 方便地测出两端的压降。（b）测量范围广：弹簧管、膜式微压计的测压范围小

20、，通常是一 105109Pa,远远小于该处的测压范围。而压阻式压力传感器得测量范 围广，一般为1060MPa能满足测量范围。（ c ）精度高：液柱式压力计虽然构造简单，但是测量误差大，由于该实验的压差本来就很小， 采用液柱式会使结果明显出错。 而压阻式压力传感器得精度可达士( 0.20.02) %( d )易于微小型化：目前国内生产的压阻式压力传感器直径为1.82.0mni可满足管径为25mm勺试验管段。4.4.2 误差分析对于压阻式压力传感器， 当测量温度变化时， 应变片的阻值都会随着温度变化。 而管内流体的温度是变化的， 因此这产生误差； 另外由于弹性元件与应变片的线膨胀系数很难完全一致，

21、 但它们又是相互粘贴在一起的， 所以温度发生变化时就会出现附加的应变， 从而造成测量误差。5. 课程设计总结在这次课程设计中， 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， 但经过不断地查找资料， 让我积累了很多仪器仪表的基础知识， 深刻的体会到检测仪表对现代工程建设的重要性。 我更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。【参考文献】1. 孙灵芳等 . 一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.33. 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， 200.11 增刊4. 杨善让等 . 换热设备污垢与对策. 学出版社， 2003