多功能動態(tài)模擬實驗設(shè)計

1、目錄1.工程背景：22.溫度測量32.1檢測方法設(shè)計3熱電阻溫度計測進出口溫度和水浴溫度3熱電偶溫度計測管壁溫度32.2設(shè)計依據(jù)32.3儀表種類選用3熱電阻溫度計選用鎧裝鉑電阻溫度計3熱電偶溫度計選用熱套式熱電偶溫度計42.4選用依據(jù)42.5測量注意事項42.6誤差分析53.水位測量53.1檢測方法設(shè)計：磁浮子液位計測水位53.2設(shè)計依據(jù)53.3儀表種類選用：UHC系列磁性浮子式液位計63.4選用依據(jù)63.5測量注意事項73.6誤差分析74.流量測量74.1檢測方法設(shè)計74.2設(shè)計依據(jù)84.3儀表種類選用：LUGB型渦街流量計94.4選用依據(jù)94.5測量注意事項94.6誤差分析95.差壓測量9

2、5.1檢測方法設(shè)計：用電容式差壓傳感器測差壓95.2設(shè)計依據(jù)105.3儀表種類選用：WS1151系列電容式壓力/差壓變送器105.4選用依據(jù)105.5測量注意事項105.6誤差分析116.參考文獻12多功能動態(tài)模擬實驗設(shè)計1.工程背景：換熱設(shè)備污垢的形成過程是一個極其復雜的能量、質(zhì)量和動量傳遞的物理化學過程，污垢的存在給廣泛應用于各工業(yè)企業(yè)的換熱設(shè)備造成極大的經(jīng)濟損失，因而污垢問題成為傳熱學界和工業(yè)界十分關(guān)注而又至今未能解決的難題之一。污垢熱阻可以通過清潔狀態(tài)和受污染狀態(tài)下總傳熱系數(shù)的測量而間接測量出來。實驗研究或?qū)嶋H生產(chǎn)則常常要求測量局部污垢熱阻，這可通過測量所要求部位的壁溫表示。如圖1所示

3、的實驗裝置是東北電力大學節(jié)能與測控研究中心楊善讓教授為首的課題組基于測量新技術(shù)軟測量技術(shù)開發(fā)的多功能實驗裝置?；诒緦嶒炑b置，先后完成國家、東北電力公司、省、市多項科研項目并獲獎，鑒定結(jié)論為國際領(lǐng)先。目前承擔國家自然科學基金、973項目部分實驗工作。圖1 多功能動態(tài)模擬實驗裝置外形圖本實驗裝置的模擬換熱器是由恒溫水浴作為熱源加熱實驗管段（約2m），水浴溫度由溫控器、電加熱管以及保溫箱體構(gòu)成。水浴中平行放置兩實驗管，獨自擁有補水箱和集水箱，構(gòu)成兩套獨立的實驗系統(tǒng)?？梢宰銎叫袠訉嶒灪蛯Ρ葘嶒灐楂@取水處理藥劑的效果、強化換熱管的污垢特性、污垢狀態(tài)下強化管的換熱效果等等，管內(nèi)流體一般為人工配制的易結(jié)

4、垢的高硬度水或是含有固體微粒等致垢物質(zhì)。1-恒溫槽體；2-試驗管段；3-試驗管入口壓力；4-管段出口溫度測點；5-管壁溫度測點；6-管段出口溫度測點；7-試驗管出口壓力；8-流量測量；9-集水箱；10-循環(huán)水泵；11-補水箱；12-電加熱管 圖2 實驗裝置流程圖2.溫度測量2.1檢測方法設(shè)計2.1.1熱電阻溫度計測進出口溫度和水浴溫度針對實驗管內(nèi)的流體溫度在2080之間，屬于低溫范圍溫度測量。另外實驗管道的管徑較小，為25mm，不宜采用體積較大的測溫儀表?？紤]這些實際情況，采用熱電阻的溫度測量方法更為合理。電阻溫度計是利用金屬導體或金屬氧化物半導體做測溫質(zhì)，利用導體或半導體的電阻值隨溫度的增加

5、而增加這一特性來進行溫度測量的。2.1.2熱電偶溫度計測管壁溫度熱電偶溫度計由三部分組成：1.熱電偶（感溫元件）；2.測量儀表；3.連接熱電偶和測量儀表的導線（補償導線及銅線）。它是有兩種不同材料的導體 A 和 B 焊接而成，焊接的一端插入被測介質(zhì)中，感受被測溫度，稱為工作端或熱端，另一端與導線相連，稱為冷端或自由端。兩種不同成分的導體兩端經(jīng)焊接、形成回路，直接測溫端叫測量端，接線端子端叫參比端。當測量端和參比端存在溫差時，就會在回路地產(chǎn)生熱電流，接上顯示儀表，儀表上就批示出熱電偶所產(chǎn)生的熱電流，接上顯示儀表，儀表上就批示同熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢的溫度值。2.2設(shè)計依據(jù)實驗管流體進、出口溫度，

6、管壁溫度和水浴溫度大約控制在之間，屬于低溫測量，所以只需采用簡單的接觸式溫度計即可。實驗中，我們還需得到精度較高的溫度值并將其轉(zhuǎn)換為電信號輸出，低溫測量時熱電阻溫度計精度比熱電偶溫度計要高。所以綜合考慮選擇熱電阻溫度計較好。對于測量管壁溫度，由于熱電阻溫度計不好安裝，所以選用熱電偶溫度計。2.3儀表種類選用2.3.1熱電阻溫度計選用鎧裝鉑電阻溫度計鎧裝式鉑電阻溫度計通常由鎧裝鉑熱電阻感溫元件、安裝固定裝置和接線裝置等主要部件組成。圖3 鎧裝鉑電阻測量端結(jié)構(gòu)形式2.3.2熱電偶溫度計選用熱套式熱電偶溫度計適合于蒸汽管道、鍋爐及其他對溫度、壓力、流速有所要求的場所。主要用于測量電站蒸汽管道及鍋爐溫

7、度.結(jié)構(gòu)采用熱套保護管與電偶可分離方式,使用時,用戶可將熱套焊接或機械固定在設(shè)備上,然后裝上電偶就可工作。圖4 熱套式熱電偶2.4選用依據(jù)鎧裝鉑電阻作為一種溫度傳感器，它比裝配式鉑電阻直徑小，易彎曲，適宜安裝在管道狹窄和要求快速反應、微型化等特殊場合。其可對-200600溫度范圍內(nèi)的氣體、液體介質(zhì)和固體表面進行自動檢測，并且可直接用銅導線和二次儀表相連接使用，由于它具有良好的電輸出特性，可為顯示儀、記錄儀、調(diào)節(jié)器、 掃描器、數(shù)據(jù)記錄儀以及電腦提供精確的輸入值。電阻外保護管采用不銹鋼，內(nèi)充滿高密度氧化物質(zhì)絕緣體，因此它具有很強的抗污染和優(yōu)良的機械強度，適合安裝在環(huán)境惡劣的場合。熱套式熱電偶主要用

8、于測量電站蒸汽管道及鍋爐溫度.結(jié)構(gòu)采用熱套保護管與電偶可分離方式,使用時,用戶可將熱套焊接或機械固定在設(shè)備上,然后裝上電偶就可工作,它的優(yōu)點是提高了保護管的工作壓力和使用壽命,又便于電偶的維修或更換,目前這種結(jié)構(gòu)形式被國外廣泛采用。2.5測量注意事項熱電阻溫度計測量實驗管進、出口溫度時應注意接線方式，采用三線制接線可較好地消除引線電阻的影響，測量準確度高。 熱電偶的熱電動勢是熱電偶工作端的兩端溫度函數(shù)的差，而不是熱電偶冷端與工作端兩端溫度差的函數(shù)；熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢的大小，當熱電偶的材料是均勻時，與熱電偶的長度和直徑無關(guān)，只與熱電偶材料的成份和兩端的溫差有關(guān)；當熱電偶的兩個熱電偶絲材料成份確

9、定后，熱電偶熱電勢的大小，只與熱電偶的溫度差有關(guān)；若熱電偶冷端的溫度保持一定，這進熱電偶的熱電勢僅是工作端溫度的單值函數(shù)。2.6誤差分析分度誤差。該誤差取決于材料純度和加工工藝。通電發(fā)熱誤差。由于電阻通電后會產(chǎn)生自升溫現(xiàn)象，從而帶來測量誤差。該誤差無法消除，但可用規(guī)定最大電流6。線路電阻不同或變化引入的測量誤差?？赏ㄟ^串聯(lián)電位器調(diào)整，此外規(guī)定三線、四線接線方法也可以減小誤差。附加熱電動勢。電阻絲與引線接點處構(gòu)成熱偶，若節(jié)點溫度不同將產(chǎn)生附加電動勢，對于測量回路可能產(chǎn)生影響?？赏ㄟ^節(jié)點靠近，同溫等方法減小或消除。3.水位測量3.1檢測方法設(shè)計：磁浮子液位計測水位磁浮子液位計根據(jù)浮力原理和磁性耦合

10、作用研制而成。它的結(jié)構(gòu)如圖6所示，主體是一根連通管體，通過法蘭與用戶容器連接，連通管體內(nèi)有一磁性浮子，隨著液位的升降而升降。管體外面固定由翻柱組成的指示器，翻柱由紅綠兩色組成，液位未上升前為綠色，當被測容器中的液位升降時，液位計主體管中的磁性浮子也隨之升降，浮子內(nèi)的永久磁鋼通過磁耦合傳遞到磁翻柱指示器，驅(qū)動紅、綠翻柱翻轉(zhuǎn)180°。當液位上升時翻柱由綠色轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色，當液位下降時翻柱由紅色轉(zhuǎn)變?yōu)榫G色，指示器的紅綠交界處為容器內(nèi)部液位的實際高度，從而實現(xiàn)液位清晰的指示。圖5 磁浮子液位計的結(jié)構(gòu)圖 圖6 磁浮子液位計的原理圖3.2設(shè)計依據(jù)基于水位測量，首先想到的是浮子式液位計，因為它結(jié)構(gòu)簡單

11、，工作可靠，測量范圍較大，不易受到外界環(huán)境的影響，并且能連續(xù)指示水位。但由于試驗流體為易結(jié)垢的高硬度水，久而久之，浮子也會受到腐蝕，導致浮子所受浮力發(fā)生變化，影響測量結(jié)果。另外，浮子上承受的力除重錘的重力外，還有繩索本身的重力，以及繩與滑輪之間的摩擦力等，它們隨位置和運動方向而改變，使浮子的吃水線相對于浮子上下移動，也會帶來測量誤差?？紤]到上述因素，選擇了磁浮子液位計來測量補水箱的水位。它可用于各種塔、罐、槽、球型容器和鍋爐等設(shè)備的介質(zhì)液位檢測。該種液位計可以做到高密封，防泄漏和適用于高溫、高壓、耐腐蝕的場合。它彌補了玻璃板（管）液位計指示清晰度差、易破裂等缺陷，且全過程測量無盲區(qū)，顯示清晰、

12、測量范圍大。由于測量顯示部分不與介質(zhì)直接接觸，所以對高溫、高壓、有毒、有害、強腐蝕介質(zhì)更顯其優(yōu)越性。因此，它比傳統(tǒng)的玻璃板（管）液位計具有更高的可靠性、安全性、先進性、實用性。3.3儀表種類選用：UHC系列磁性浮子式液位計本液位計在就地指示的基礎(chǔ)上還可制成帶上下限報警或電遠傳。輸出4-20mA.DC標準信號，實現(xiàn)遠程指示、控制及檢測。磁性浮子液位計主要技術(shù)指標：測量范圍：5008000mm精確度：±5mm ，±10mm（高溫型） 介質(zhì)密度：0.452g/cm介質(zhì)密度差：0.15g/cm（測量界位）介質(zhì)溫度：-80+450介質(zhì)粘度：0.4Pa.s，對于粘度大的介質(zhì)或溫度低時易

13、結(jié)晶的介質(zhì)，可根據(jù)用戶要求選用加熱夾套式液位計。環(huán)境振動：頻率25HZ，振幅0.5mm接口法蘭：采用化工部1997年最新頒發(fā)的HG2059220635-97法蘭標準。圖7 UHC系列磁性浮子式液位計3.4選用依據(jù)由于本液位計直觀醒目、安全可靠，檢測功能齊全、測量范圍寬、使用壽命長、安裝維護方便等特點。所以廣泛用于石油、化工、電力、冶金、環(huán)保等部門的液位檢測與控制。它具有以下特點：適合容器內(nèi)液體介質(zhì)的液位、界面的測量。除現(xiàn)場指示，還可配 遠傳變送器、報警開關(guān)、檢測功能齊全。指示新穎、讀數(shù)直觀、醒目、觀察指示器的方向可根據(jù)用戶需要改變角度。測量范圍大，不受貯槽高度的限制。結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、維護方

14、便、耐腐蝕、無需電源、防爆。3.5測量注意事項 a.安裝時液位計筒體內(nèi)不允許有鐵屑、焊渣等異物進入，以免卡死浮子，液位計必須垂直安裝。b.液位計與容器之間應安裝截止閥，以便檢修清洗時關(guān)閉液料，液位計周圍不允許有強磁場，以免影響正常工作。c.安裝完畢，翻柱可能是花的，或使用過程中，由于液位突變等其它原因造成個別翻柱不翻轉(zhuǎn)，這時可用磁鋼進行較正，使零位(液位)以上翻成綠色。d.液位計命使用時，應先打開上閥門，然后緩慢打開下閥門，防止磁浮子急速上升，造成翻柱翻亂。e.使用過程中應定期進行清洗，清除筒體內(nèi)的污垢雜質(zhì)。f.對超過3.5米以上的液位計需考慮增加中間加固支承耳朵攀以增加其強度與穩(wěn)定.3.6誤

15、差分析 安裝誤差：液位計安裝傾斜，會給讀書帶來誤差； 裝置誤差：浮子運動不夠靈活或被卡死，會給測量帶來誤差，這是主要誤差； 讀數(shù)誤差：讀數(shù)時應平視液面的最低點。4.流量測量4.1檢測方法設(shè)計渦街流量計基本原理是流體流經(jīng)阻擋體或者是特制的元件時，產(chǎn)生了流動振蕩，通過測定其振蕩頻率來反映通過的流量。當流體流動受到一個垂直于流動方向的非流線型阻體的阻礙時，柱體的下游兩側(cè)會發(fā)生明顯的旋渦，左右兩側(cè)旋渦的旋轉(zhuǎn)方向相反（如圖8所示），這種旋渦稱為卡門渦街。這些渦列多數(shù)是不穩(wěn)定的，只有形成相互交替的內(nèi)旋的兩排渦列，且渦列寬度與同列相鄰的兩旋渦的間距之比滿足（對圓柱形旋渦發(fā)生體）時，渦街達到穩(wěn)定。圖8 渦街流

16、量計原理根據(jù)卡門渦街原理，渦列頻率（交替產(chǎn)生的頻率）與管內(nèi)平均流速有如下關(guān)系 （式2）式中 渦列發(fā)生體兩側(cè)流體的平均流速，m/s；渦列發(fā)生體特征寬度，m；斯特羅哈爾數(shù)（無量綱系數(shù)），它與旋渦發(fā)生體的形狀及雷諾數(shù)有關(guān)旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道內(nèi)橫截面積之比。 （式3）式中 管道內(nèi)徑，m。瞬時體積流量（m3/s） （式4）儀表系數(shù) （式5）式中 通過流量記的體積流量，L/s;流量計輸出的信號頻率，Hz；渦街流量計儀表系數(shù)，L-1。 由上式可知，在斯特羅哈爾數(shù)為常數(shù)的基礎(chǔ)上，通過渦街流量計的體積流量與旋渦頻率成正比。儀表系數(shù)僅與旋渦發(fā)生體幾何參數(shù)有關(guān)，而與流體物性和組分無關(guān)。因此，只要測出流量計輸

17、出的信號頻率，就可以求出通過渦街流量計的體積流量。4.2設(shè)計依據(jù)由于試驗所用的流體為人工配制的易結(jié)垢的高硬度水或是含有固體微粒等致垢物質(zhì)，其導電率變化較大，不固定，所以不宜采用電磁式流量計。試驗管段管徑只有25mm，空間很小，幾乎很難再在管中放置大的節(jié)流件，這樣會造成壓力損失，使流速減小，從而影響流量測量。所以也不宜采用節(jié)流式流量計和渦輪式流量計。渦街流量計主要用于工業(yè)管道介質(zhì)流體的流量測量,如氣體、液體、蒸氣等多種介質(zhì)。其特點是壓力損失小,量程范圍大,精度高,在測量工況體積流量時幾乎不受流體密度、壓力、溫度、粘度等參數(shù)的影響。無可動機械零件，因此可靠性高,維護量小。儀表參數(shù)能長期穩(wěn)定。渦街流

18、量計采用壓電應力式傳感器,可靠性高,可在-20+250的工作溫度范圍內(nèi)工作。有模擬標準信號,也有數(shù)字脈沖信號輸出,容易與計算機等數(shù)字系統(tǒng)配套使用,是一種比較先進、理想的流量儀表。4.3儀表種類選用：LUGB型渦街流量計LUGB型渦街流量計適用于測量過熱蒸汽、飽和蒸汽、壓縮空氣和一般氣體、水和液體的質(zhì)量流量和體積流量。4.4選用依據(jù)與國內(nèi)其他同類產(chǎn)品相比，它具有以下功能特點：無可動部件，運行可靠，性能較好，使用壽命長。測量被測流體，不直接接觸傳感器，性能穩(wěn)定。輸出信號是與流量成正比的脈沖信號或輸出420mA標準電流信號。壓力損失較少，故比差壓流量計具有節(jié)能特點。測量量程比大，可達1：10。而差壓

19、式只有1：3。結(jié)構(gòu)簡單而牢固，安裝方便，維修費用極少。4.5測量注意事項正確地選擇安裝點和正確安裝傳感器都是非常重要的環(huán)節(jié)，若在安裝環(huán)節(jié)失誤輕者影響測量精度，重者會影響傳感器的使用壽命，甚至損壞傳感器。（1）渦街流量計盡量安裝在遠離振動源和電磁干擾較強的地方，振動存在的地方必須采用減振裝置，減少管道受振動的影響。 （2）直管段的配置，前后直管段要滿足渦街流量計的要求，所配管道內(nèi)徑也必須和渦街流量變送器內(nèi)徑一致。 （3）傳感器避免安裝在溫度變化很大的場所和受到設(shè)備的熱輻射。4.6誤差分析 旋渦發(fā)生體的雷諾數(shù)發(fā)生變化，導致斯特羅哈爾數(shù)不在常數(shù)范圍內(nèi)，變化，給測量帶來誤差。 頻率檢測產(chǎn)生的誤差給流量

20、測量帶來誤差。 環(huán)境溫度變化給測量帶來誤差。5.差壓測量5.1檢測方法設(shè)計：用電容式差壓傳感器測差壓圖9所示是一種電容式差壓傳感器示意圖。左右對稱的不銹鋼基座內(nèi)有玻璃絕緣層，其內(nèi)側(cè)的凹形球面除邊緣部分外均鍍有金屬膜作為固定電極，中間被夾緊的彈性膜片作為可動測量電極，左、右固定電極和測量電極經(jīng)導線引出，從而組成了兩個電容器。不銹鋼基座和玻璃絕緣層中心開有小孔，不銹鋼基座兩邊外側(cè)焊上了波紋密封隔離膜片，這樣測量電極將空間分隔成左、右兩個腔室，其中充滿硅油。當隔離膜片感受兩側(cè)壓力的作用時，通過硅油將差壓傳遞到彈性測量膜片的兩側(cè)從而使膜片產(chǎn)生位移，其位移量和壓力差成正比。電容極板間距離的變化，將引起兩

21、側(cè)電容器電容值的改變。此電容量的變化經(jīng)過適當?shù)淖儞Q器電路，可以轉(zhuǎn)換成反應被測差壓的標準電信號輸出。圖9 電容式差壓傳感器5.2設(shè)計依據(jù)由于結(jié)垢導致流動管內(nèi)阻力增大，所以需要測量流動壓降。一般，我們都會想到測出試驗管的出口壓力和入口壓力，然后相減即可求出流動壓降。但這種方法存在它的弊端，因為壓力測量需要進行溫度補償，當兩側(cè)壓力溫度補償不一致時，相減后就會給測量帶來較大誤差，而且這種誤差會積累起來，最后使測量結(jié)果存在嚴重偏差。所以，最好的測量方法就是采用壓力變送器。綜合考慮，我選擇了電容式壓力傳感器。它結(jié)構(gòu)堅實，靈敏度高，過載能力大，精度高，其精確度可達，可以測量壓力和差壓。5.3儀表種類選用：WS1151系列電容式壓力/差壓變送器基本