多功能动态模拟实验装置检测方法设计doc88.docx
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多功能动态模拟实验装置检测方法设计doc88
目录
1引言1
2题目介绍及背景意义1
3背景知识1
4实验装置简介3
5参数检测与控制4
5.1实验管流体进出口温度测量4
5.1.1温度检测方法4
5.1.2依据的原理4
5.1.3仪表种类选用4
5.1.4误差分析6
5.2实验管壁温测量6
5.2.1检测方法及依据6
5.2.2仪表种类选用6
5.2.3误差分析6
5.3水域温度测量7
5.3.1检测方法及依据7
5.3.2仪表选用7
5.3.3误差分析8
5.4水位测量8
5.4.1水位测量方法8
5.4.2依据原理8
5.4.3仪表种类选用8
5.4.4误差分析11
5.5流量测量11
5.5.1流量测量方法11
5.5.2依据原理11
5.5.3仪表种类的选择12
5.5.4误差分析13
5.6进出口的差压测量14
5.6.1差压测量方法14
5.6.2依据原理14
5.6.3仪表种类选用15
5.6.4误差分析16
6课程设计总结16
7参考文献16
1引言
能源对于一个国家的经济发展具有决定性的影响。
在我国,火力发电是电力工业的主要组成部分,火力发电量约占总发电量的70%左右,而换热器是火力发电厂的重要设备之一。
换热器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火力发电厂的换热器造成极大的经济损失,因此对污垢的监测就显得尤为重要。
2题目介绍及背景意义
1、测出管道换热面有垢一侧的污垢热阻,能够方便监视管道状态,发现危险能够及时报警,使系统运行更可靠,同时也能推算出工质含杂质量,为除杂质提供参考。
2、通过对各种测量方法的思考及各种资料的查阅,加深了对本门课程的认识。
3、通过在模拟的实战环境中系统锻炼,使学习能力、思维能力、动手能力、工程创新能力得到综合提高。
3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。
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mf,污垢层平均厚度δf和污垢热阻Rf。
这三者之间的关系由下式表示:
(1)
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:
(3)
图1b为两侧有污垢时的温度分布,其总传热热阻为
(4)
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
。
于是从式(4-4)减去式(3)得:
(5)
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:
(6)
(7)
若在结垢过程中,q、Tb均得持不变,且同样假定
,则两式相减有:
(8)
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。
4实验装置简介
如图2所示的实验装置是基于测量新技术—软测量技术开发的多功能实验装置。
图2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3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
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
5参数检测与控制
5.1实验管流体进出口温度测量
实验管流体进口(20~40℃)、出口温度(20~80℃)。
5.1.1温度检测方法
选用热电阻温度计测量试验管流体进、出口温度。
5.1.2依据的原理
当针对实验管内的流体温度在20~80℃之间,属于低温范围温度测量。
另外实验管道的管径较小,为Φ25mm,不宜采用体积较大的测温仪表。
考虑这些实际情况,采用热电阻的温度测量方法更为合理。
5.1.3仪表种类选用
通过以上分析,我们选取某厂家生产的一种用于小管径的测温传感器,产品适用于DN15、DN20、DN25等小管径进行精确测温。
一、装配热电阻特点
压簧式感温元件,抗振性能好;
·测温精度高;
·机械强度高,耐压性能好;
·进口薄膜电阻元件,性能可靠稳定。
二、装配热电阻工作原理
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。
三、装配热电阻主要技术参数
型 号
分度号
测温范围
精度等级
允许误差
WZP
Pt100
-200-+500
A级
±(0.15+0.002)ltl
B级
±(0.30+0.005)ltl
WZC
Cu50 Cu100
-50-+100
---
±(0.30+0.005)ltl
热电阻感温元件100℃时的电阻值(R100)和它在0℃时的电阻R0比值:
(R100/R0)
分度号Pt100:
A级R0=100±0.06Ω
B级R0=100±0.12Ω
R0/R100=1.3850
分度号Cu50:
R0=50±0.05Ω
R0/R100=1.428±0.02
如下图:
图4小管径测温传感器及其安装示意图
5.1.4误差分析
1)由于热电阻通电后会产生自升温现象,从而带来误差,并且该误差无法消除,故规定最大电流〈6mA。
2)热电阻安装时,其插入深度不小于热电阻保护管外径的8倍~10倍,尽可能使热电阻受热部分增长。
热电阻尽可能垂直安装,以防在高温下弯曲变形。
3)热电阻在使用中为了减小辐射热和热传导所产生的误差,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的黑色系数。
5.2实验管壁温测量
实验管道在恒温水槽中,通过与水槽中的水进行热交换传热,壁温范围20~80℃。
5.2.1检测方法及依据
因实验管壁与水浴是相互接触的,水浴温度一定会影响管壁温度。
所以要想测出管壁温度就一定要避免水浴温度的干扰,使水浴与管壁测点隔离。
故可以选用一个接触式隔热温度计进行测量。
薄膜铂热电阻感温元件刚好适合。
5.2.2仪表种类选用
膜式铂电阻外型尺寸小、灵敏度高、响应快、绝缘性能好、稳定性好、耐震耐腐蚀使用寿命长等优点,特别是pt500和Pt1000Pt2000高阻值热电阻,其分辨率相当于常规铂电阻pt100的5~10倍。
某公司生产膜式铂电阻主要技术指标:
测量范围50~~500℃;测量精度A级±0.15+0.002t.(℃),B级±0.3+0.05t.(℃)0℃;阻值偏差A级±0.06(Ω),B级±0.12(Ω)。
5.2.3误差分析
(1)水浴与管壁分开的面积太大,影响流体的流量及换热。
所以温度计的体积应尽可能小。
(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。
5.3水域温度测量
该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。
5.3.1检测方法及依据
此实验装置要求测量水温并控制水浴温度保持恒定。
水浴温度是最容易测量的,用一个AD590就可直接得到电信号,不用经过复杂处理,AD590的测温范围为-55℃~+150℃,能够满足测量要求。
AD590是利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器。
它精度高、价格低、不需辅助电源、线性好,这种器件在被测温度一定时,相当于一个恒流源。
该器件具有良好的线性和互换性,测量精度高,并具有消除电源波动的特性。
即使电源在5~15V之间变化,其电流只是在1μA以下作微小变化。
5.3.2仪表选用
图5AD590温度传感器
它的主要特性如下:
1、流过器件的电流(mA)等于器件所处环境的热力学温度(开尔文)度数,即:
mA/K式中:
—流过器件(AD590)的电流,单位为mA;
T—热力学温度,单位为K。
2、AD590的测温范围为-55℃~+150℃。
3、AD590的电源电压范围为4V~30V。
电源电压可在4V~6V范围变化,电流变化1mA,相当于温度变化1K。
AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压,因而器件反接也不会被损坏。
4、输出电阻为710MW。
5、精度高。
AD590共有I、J、K、L、M五档,其中M档精度最高,在-55℃~+150℃范围内,非线性误差为±0.3℃。
5.3.3误差分析
使用前需要调零点,电位器R2用于调整零点,R4用于调整运放LF355的增益。
调整方法如下:
在0℃时调整R2,使输出VO=0,然后在100℃时调整R4使VO=100mV。
如此反复调整多次,直至0℃时,VO=0mV,100℃时VO=100mV为止。
最后在室温下进行校验。
例如,若室温为25℃,那么VO应为25mV。
冰水混合物是0℃环境,沸水为100℃环境。
5.4水位测量
其水位要求测量并控制,以适应不同流速的需要。
因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。
法兰式差压变送器正就可以测量黏稠、有沉淀、有腐蚀或易冻结的液体。
5.4.1水位测量方法
选用法兰式差压变送器来测水位变化,并输出一个电信号经计算机处理,输出控制信号控制一个步进式电机,由它来带动阀门控制水位。
5.4.2依据原理
差压式液位计是利用容器内的溶液改变时,液柱产生的静压也相应变化的原理而工作的。
其特性为:
检测元件在容器中几乎不占空间,只需在容器壁上开一个或两个孔即可;
检测元件只有一两个导压管,结构简单,安装方便,便于操作维护,工作可靠;
采用法兰式差压变送器可以解决高粘度、易凝固、易结晶、腐蚀性、含有悬浮物介质的液位测量问题;差压式液位计通用性强,可以用来测量液位,也可以用来测量压力和流量等参数。
遇到含有杂质、结晶、凝聚或易自聚的被测介质,用普通的差压变送器可能引起连接管线的堵塞,此时需要采用法兰式差压变送器;
5.4.3仪表种类选用
ZP3501L法兰式液位变送器可对各种容器进行精密的液位和密度测量。
通过管道法兰将变送器固定于容器上,液位膜片组件有平面式和插入式;法兰口径规格:
3英寸和4英寸;压力等级:
1501b和3001b。
根据测量介质的种类可选用316不锈钢、哈氏合金或钽膜片。
图6ZP3501法兰式液位变送器
一、技术规格
量程代号
量程
测量范围
最小值
最大值
1
0.374KPa
37.4KPa
-37.4~37.4KPa
2
1.868KPa
186.8KPa
-186.8~186.8KPa
3
6.9KPa
690KPa
-690~690KPa
输出:
两线制4~20mADC并叠加符合HART协议的过程变量数字信号。
电源:
供电电压12.5~45VDC
负载限制:
回路最大负载电阻Rma×取决于供电电压,HART通讯要求负载电阻不低于250Ω,不高于600Ω。
通讯距离:
最大通讯距离为1.5Km,多站通讯最多可接15台智能变送器。
输出显示:
四位半数字显示,五位LCD液晶显示、指针式。
防爆形式:
本安型:
ExiaⅡCT5
零点迁移范围:
零点可随意正迁移或负迁移,但不得使设定的测量范围上下限和量程超出极限值
二、温度范围
1、环境温度:
-40~85℃(选用LCD指示表时为-20~70)℃
2、测量介质温度:
-40~104℃
3、压和单向超压范围
1501b法兰:
3.45Kpa(绝压)~1.89Mpa(37℃),
3001b法兰:
3.45Kpa(绝压)~4.9Mpa(37℃),
4、相对湿度:
5~98%RH
5、启动时间:
5秒内启动
6、容积变化量:
小于0.16㎝³.
7、阻尼调整:
时间常数0.2~25秒
8、故障报警:
如传感器或电路出现故障,自诊断功能将自动输出3.9或21.0mA
9、组态保护:
为了避免变送器的组态数据被随意改动,可通过软件或保护开关锁定存贮的数据。
三、结构参数
1、接液件材料
隔离膜片:
316L不锈钢,哈氏合金、蒙乃尔或钽。
排气/排气阀:
316不锈钢,哈氏合金、蒙乃尔。
法兰及过渡接头:
碳钢镀镉、碳钢镀锌、316不锈钢、哈氏合金。
“O”形圆:
氟橡胶
2、非接液件材料
灌充液:
硅油
螺栓:
碳钢镀锌
电气壳体:
低铜铝合金
盖子“O”形圆:
丁碃橡胶
涂层:
聚酯环氧树脂
3、压力接口
高压测:
ANSI管法兰3"和4",1501b和3001b
低压侧:
1/4——18NPT螺纹
(过渡接头引压口:
1/2——14NPT螺纹)
4、电气接口
导线管连接口M20*1.5、1/2——14NPT螺纹
5、重量
法兰
规格等级
插入筒长度
0(平面式)
2"
4"
6"
3"1501b
4"1501b
3"3001b
4"3001b
8.9
11.6
11.1
15.7
9.8
12.9
12.1
17
10.3
13.9
12.5
18
10.7
14.8
12.9
22.9
5.4.4误差分析
由于差压式液位计测量受水、汽密度变化影响,需要采取补偿措施.常采用双室平衡容器。
法兰式差压变送器会有零点迁移现象,影响测量,使用前需进行调零。
5.5流量测量
5.5.1流量测量方法
流量测量方法大致可以归纳为以下几类:
1、利用伯努利方程原理,通过测量流体差压信号来反映流量的差压式流量测量法;
2、利用标准小容积来连续测量流量的容积式测量;
3、通过直接测量流体流速来得出流量的速度式流量测量法;
4、以测量流质量流量为目的的质量流量测量法。
这里选用超声波流量计测量。
管内流体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,且在实验过程中实验管道会有污垢形成及污垢会发生随流体脱落情况,因此流量检测仪表应该选择非接触式流量计,以防止使用接触式流量计在脱落过程发生污垢卡涡轮叶片、对接触部分摩擦致伤等各种情况。
而在非接触式流量计中,常常使用的有电磁流量计和超声波流量计。
而电磁流量计的外壳、屏蔽线、测量导管都要接地。
要求单独设置接地点,不要连接在电机或上、下管道上并且安装地点要远离一切磁源(如大功率电机、变压器等),相比较因此在此我选用更易于安装的超声波流量计。
5.5.2依据原理
时差法超声波流量计由超声波换能器、电子转换线路、流量显示累积系统3部分组成。
它利用超声波在横向穿过流动的液体时,在其顺流和逆流介质中,其超声波的速度有差异而形成速度差(时间差)。
时差法超声波流量计就是利用该原理对流体的流速和流量进行测量的如图1示,所超声波入射到管道流体中,顺流传播时间与逆流传播时间之差与流体的流速有确定的对应关系。
超声波测流量的作用原理有传播速度法、多普勒法、波束偏移法、噪声法、相关法、流速—液面法等多种方法。
图6超声测速原理
5.5.3仪表种类的选择
该实验装置中流量检测仪表选用由厂商:
重庆声立特仪表有限公司生产的超声波流量计,其型号为:
SUF-300B,如图7所示。
图7SUF-300B实物图
SUF-300B固定安装管外夹装型高精度时差式超声波流量计测量量程比大于400:
1,这种极宽的量程使仪表可以测量正常流速的流量,也可测量因管道和阀门泄漏引起的微流量,SUF-300B固定安装管外夹装型高精度时差式超声波流量计系统的测量范围包括零流量。
读数精确、可靠,特别在低流量区域,性能大大优于各种文丘利机械式、差压式和涡街式流量计性能;自动雷诺数补偿,可确保测量层流、管径大小头和管路扰动区域流量的精确度。
非接触式,安装简便,成本低,免维护
其流速测量范围为-12~+12m/s(包括零流量),而实际流速在0.28~2.26m/s范围内,灵敏度高:
可检测最小流量为0.0003m/s重复性好:
0.01%读数;其小管径测量范围在12mm~50mm之间,包含实验管径;标准传感器的传感器温度-40℃~150℃之间。
超声波流量计的安装:
(一)选择安装位置
选择安装管段对测试精度影响很大,所选管段应避开干扰和涡流这两种对测量精度影响较大的情况:
1、避免在控制循环泵,即有强磁场和震动干扰处安装机器;
2、选择管材应均匀致密,易于超声波传输的管段;
3、要有足够长的直管段,安装点上游直管段必须要大于250mm(10D),下游要大于125mm(5D)。
(二)确定探头安装方式
超声波流量计一般有两种探头安装方式,即Z法和V法。
但是此D<200mm而被测量流体浊度高,用V法测量收不到信号或信号很弱,因此采用Z法安装。
(三)求得安装距离,确定探头位置
在水平管道上,选择管道的中部,避开顶部和底部(顶部可能含有气泡、底部可能有沉淀);先确定一个点,按安装距离在水平位置量出另一个点,然后测出此点在管道另一侧的对称点。
(四)管道表面处理
确定探头位置之后,在两安装点±100mm范围内,使用角磨砂轮机、锉、砂纸等工具将管道打磨至光亮平滑无蚀坑。
要求:
光泽均匀,无起伏不平,手感光滑圆润。
需要特别注意,打磨点要求与原管道有同样的弧度,切忌将安装点打磨成平面,用酒精或汽油等将此范围擦净,以利于探头粘接。
(五)微调探头位置
接完线后把探头内部用硅胶注满,放置半小时,然后用硅胶和卡具把探头固定到打磨好的管道上(注意探头方向,引线端向外),然后观察仪表的信号强度、良度与传输时间比,如发现不好,则细微调整探头位置,直到仪表的信号达到规定的范围之内:
(信号强度:
一般应大于6.5,少数可根据现场具体情况另定。
)
(信号良度:
低峰值一般为7~14,高峰值一般为25~80。
)
(传输时间比:
在100±4范围之内,此值必须稳定。
)
(六)固定探头
仪表信号调整好以后,用所配卡具将探头固定好,注意不要使钢丝绳倾斜,以免拉动探头,使探头移位,再用硅胶将探头与管道接触的四周封住。
此胶凝固大约需一天时间,在未干之前必须注意探头防水。
(信号线的外屏蔽线必须可靠接地)。
5.5.4误差分析
1、噪声影响
超声波流量计可能会受附近超声波噪声源的不利影响。
这种噪声源包括减少可听见噪声的无噪声阀、压力调节器和管道的其他重要节流部件。
流量计生产厂家正在积极地解决这个问题。
计量站设计人员应向生产厂家请求协助。
现场经验表明:
最好找出流量计上游潜在的噪声源,在流量计和噪声源之间设置弯头会有助于减轻额外的超声波噪声。
2、流体清洁度影响
超声波传送器表面的堆积物(压缩机油、冷凝液等)可能会使装置不经过流体传送超声波脉冲。
这可能会引起所谓的超声波路径“脱落”,路径“脱落”会增加计量误差。
3、换能器安装位置引起的误差
时差法超声波流量测量的测量精度与超声波换能器的安装尺寸有十分紧密的关系。
4、流体温度变化引起的误差
由流速、流量计算式(6)、(7)可知,流速、流量大小与声速成正比,而声速是随着温度的变化而变化的,由于温度变化而产生的误差比较大,必须加以修正。
温度为T时,被测流体的声速为:
式中
———温度T为0℃时的声速
———被测流体声速温度系数
温度的变化还可引起黏度变化,黏度的变化又引起雷诺数Re的变化,雷诺数Re引起的n取值的不同导致流量修正系数的变化,影响流量的测量结果,可知引起的误差很大,因此必须根据不同的温度对K值进行修正。
5、测量电路不对称引入的误差
从图6可以看出,在流量测量时,换能器和换能器同时顺流、逆流向对方发射超声波信号,从理论上讲顺逆两组超声波信号之间的时差完全是流体流速引起的。
但实际上,由于换能器控制采集电路与换能器控制采集电路不可能绝对的一致,在顺流向发射超声波信号时,由硬件电路造成的延时与向发射超声波信号时的延时并不完全一样。
因此,在系统超声波流量测量时,为了消除测量电路本身不对称(及换能器装置等)引入的误差,必须进行零流量的校核。
零流量的校核,就是验证系统超声波流量测量在没有流量流过时,是否会显示流量值。
如果由于电子器件和传感器的原因,造成时差测量误差,系统就会显示“虚假流速”值。
换言之,即使没有流量流过系统超声波流量测量装置,由于传感器间超声波传递速度的差异,系统也会显示有流量流过。
零流量校核时,将超声波换能器按照理论位置安装好,使测量用的管道中充满油,但不打开阀让管道内的油处于静止状态,记录下此种状态下系统所测出的时差(指TransducerB至TransducerA的时间减去TransducerA至TransducerB的时间,有正有负),通过对静态时差的大量测量和统计,可以选取一个合适的静态时差带入流量计算中,这样就可以在一定程度上消除测量电路本身不对称带来的测量误差。
5.6进出口的差压测量
进出口的压力差可通过差压计来测量,差压计的两个输入端分别接在压力测量点3、7,输出值即为入口和出口压差。
5.6.1差压测量方法
选用压阻式差压传感器测量,其灵敏度高,阻值大,响应快,精度高,工作可靠。
5.6.2依据原理
基于某些物质的压电效应。
某些物质(物体),如晶体硅、锗等,当受到外力作用时,不仅几何尺寸会发生变化,而且晶体的电阻率也发生了变化,这种现象叫压阻效应。
利用压阻效应原理生产的压力计,通过测量阻值的变化对应压力的变化。
5.6.3仪表种类选用
WP401系列扩散硅压力变送器具有工作可靠、性能稳定、安装使用方便、体积小、重量轻、性能价格比高等点,能在各种正负压力测量中得到广泛应用。
采用进口扩散硅或芯体作为压力检测元件,传感器信号经高性能电子放大器转换成0-10mA或4-20mA统一输出信号。
可替代传统的远传压力表,霍尔元件、差动变送器,并具有DDZ-Ⅱ及DDZ-Ⅲ型变送器性能。
能与各种型号的动圈式指示仪、数字压力表、电子电位差计配套
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