43451

Проектирование системы для измерения расхода по методу переменного перепада давления

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Описание принципа измерения расхода по методу переменного перепада давления Расчет и выбор сужающего устройства Датчики давления серии Метран44ДД Список использованных источников Введение Одним из самых распространенных принципов измерения расхода жидкостей газов и паров является принцип переменного перепада давления на сужающем устройстве.

Русский

2013-11-05

147.5 KB

104 чел.

Министерство образования и науки РФ

Пермский государственный технический университет

Березниковский филиал

Кафедра автоматизации технологических процессов

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по курсу: Технологические измерения и приборы

тема: «Проектирование системы для измерения расхода

по методу переменного перепада давления»

       Выполнил: студентка гр. АТП-00

           Ерыпалова М.Н.

Проверил: ст. преподаватель

  Краев С.Л.

г. Березники, 2004.


Оглавление

[1] Введение

[1.1]
2. Описание принципа измерения расхода по методу переменного перепада давления

[2] Расчет и выбор сужающего устройства

[3]
4. Разработка и описание схемы измерения расхода с обоснованием выбора необходимых приборов и оборудования

[3.1] 4.1. Датчики давления серии Метран-44-ДД

[3.2] 4.2. Диафрагма

[3.3] 4.3. Показывающий и регистрирующий прибор ДИСК-250ДД

[4]
5. Составные части диафрагмы

[5]
6. Приборы, необходимые для измерения расхода

[6]
7. Пример реального использования спроектированной системы измерения

[7] 9. Список использованных источников


  1.  Введение

Одним из самых распространенных принципов измерения расхода жидкостей, газов и паров является принцип переменного перепада давления на сужающем устройстве.

Широкое использования этого принципа связано с рядом присущих ему преимуществ. К их числу относятся:

  •  простота и надежность,
  •  отсутствие движущихся частей,
  •  легкость серийного изготовления средств измерений практически на любые давления и температуры измеряемой среды,
  •  низкая стоимость,
  •  возможность измерения практически любых расходов

и, что особенно существенно,

  •  возможность получения градуировочной характеристики расходомеров расчетным путем, т.е. без использования дорогостоящих расходоизмерительных метрологических установок.


2. Описание принципа измерения расхода по методу переменного перепада давления

В трубопроводе, по которому протекает контролируемое вещество, устанавливается специальное сужающее устройство, проходное сечение которого, соосное с трубопроводом, значительно меньше его по сечению (рис. 1).

Рис. 1. Схема, поясняющая характер изменения потока

и график распределения статического давления:

IIII – сечения потока.

Вследствие перехода части потенциальной энергии потока в кинетическую его средняя скорость в суженном сечении повышается, в результате, статическое давление в данном сечении становится меньше статического давления перед сужающим устройством.

Характер изменения статического давления р на участке трубопровода l, где установлено сужающее устройство, показан на графике. Изменение давления струи по оси трубопровода практически совпадает с изменением давления около его стенки, за исключением участка, расположенного непосредственно перед торцом сужающего устройства и в самом сужающем устройстве, где давление потока по оси трубы снижается (пунктирная линия). В начале участка поток установившийся, в сечении I еще не сказывается возмущающее воздействие сужающего устройства, а абсолютное статическое давление равно . Перед самым сужающим устройством, где поток начал деформироваться и скорость его упала, абсолютное статическое давление возросло до величины . Далее поток начинает проходить через сужающее устройство, его скорость возрастет, а давление падает и у торца сужающего устройства (за ним) примет значение р2. Пройдя сужающее устройство, поток, по инерции еще продолжает сужаться; самая узкая его часть будет в сечении II при абсолютном статическом давлении . После этого поток вновь расширяется до полного сечения трубопровода и в сечении III становится установившимся.

Однако давление р3 в этом сечении будет меньше давления сечении I на величину рп (потеря давления), так как часть кинетической энергии потока израсходовалась на преодоление трения в сужающем устройстве и на завихрение до и после сужения (мертвые зоны).

Разность (перепад) давлений до и после сужающего устройства тем больше, чем больше расход вещества, и, следовательно, может служить мерой расхода.

Зависимость между расходом несжимаемой жидкости и перепадом давления можно установить, пользуясь уравнением Бернулли и уравнением неразрывности струи (предполагается, что поток жидкости идеальный: отсутствуют обмен энергией с окружающей средой и трение, скорости потока В любой точке сечения I, а также сечения II одинаковы, трубопровод горизонтальный):

,     (1)

где v1 и v2  скорости потока в сечениях I и II; ρ1 и ρ2 – плотности жидкости в сечениях I и II; S1 и S2 – площади сечений I и II.

Уравнение Бернулли показывает, что для двух сечений сплошного потока общая энергия его неизменна, а условие неразрывности утверждает, что при любом движении капельной жидкости ее объем, втекающий в рассматриваемый неподвижный объем и вытекающий из него, равны между собой.

Так как при прохождении через сужающее устройство плотность жидкости почти не изменяется ρ1 = ρ2 = ρ, можно записать

    (2)

Решая систему (2) относительно v2, получим:

  (3)

Объемный расход равен произведению скорости на площадь сечения потока, т. е.

  (4)

Это уравнение справедливо для идеального потока несжимаемой жидкости. Если же перейти к реальным потокам сжимаемых сред, а также учесть, что практически перепад давления  измеряется у торцов сужающего устройства, где он равен , а вместо площади потока S2 в самом узком месте пользуются площадью сечения самого сужающего устройства S0, то уравнение для измерения объемного расхода (в м3/с) реального потока примет следующий вид:

    (5)

Для определения массового расхода (в кг/с) применяется следующее равенство:

    (6)

В уравнениях (5), (6) приняты следующие обозначения α – коэффициент расхода – безразмерная величина, определяемая только экспериментально; зависит от типа сужающего устройства, его модуля т=(d/D)'2 (где d и D соответственно диаметры проходных сечений сужающего устройства и трубопровода) и характера потока (критерия Рейнольдса). Этот коэффициент показывает, во сколько раз действительный расход вещества, протекающего через сужающее устройство, меньше или больше теоретического

;

ε – поправочный множитель, учитывающий изменение плотности измеряемой среды при прохождении через сужающее устройство; зависит от типа и модуля сужающего устройства, величины отношения  (где р – абсолютное давление измеряемой среды) и показателя адиабаты компонента. Для жидкостей ε = 1. Для практического использования уравнений (5) и (6) в них производят следующие преобразования: S0 выражают через диаметр сужающего устройства, т. е. S0 =  (м переводят мм), а секундный расход выражают через часовой. После этого рабочие формулы объемного (в м3/ч) и массового (в кг/ч) расходов будут иметь следующий вид:

    (7)

    (8)

где Δр = р1р2, Н/м2, или Δр = (р1р2) 9,81, кгс/см2, тогда

Полученные зависимости справедливы для горизонтальных, наклонных и вертикальных трубопроводов. Они показывают, что расход связан с перепадом давления квадратичной зависимостью.


  1.  Расчет и выбор сужающего устройства

Программный комплекс "Расходомер-СТ", в.4.40 от 27.01.00, с/н:004-450055

(Pазработчик: ВНИИ расходометрии, Казань)

Владелец данной копии программы: ОАО «Ависма»

Расчет N 19 от 29.4.2004,

выполнен в соответствии с ГОСТ 8.563.1-97, ГОСТ 8.563.2-97.

Характеристика измеряемой среды

Измеряемая среда – ВОЗДУХ

       влажный

Относительная влажность………………………………………………………………….…80 %

Барометрическое давление...............…………………………………………………..….....760 мм рт.ст

Избыточное давление....................………………………………………………………….0,04 МПа

* Абсолютное давление....................………………………………………………………0,14132 МПа

Температура............................…………………………………………………………………25 град.C

 * Плотность в стандартных условиях……………………………………………………....1,2044 кг/м3

 * Плотность сухой части при ее парциальном давлении и рабочей температуре…….…1,6212 кг/м3

 * Плотность в рабочих условиях...........…………………………………………………….1,6402 кг/м3

 * Показатель адиабаты…………………………………………………………………………..1,4

 * Динамическая вязкость..................……………………………………………………….0,0000183 * Па  с

Характеристика сужающего устройства

Сужающее устройство:

Диафрагма с угловым способом отбора давления

* Диаметр сужающего устройства

в стандартных условиях.................………………………………………………………….201,1 мм

* Диаметр сужающего устройства

в рабочих условиях.....................…………………………………………………………..201,12 мм

Материал сужающего устройства………………………………………………………..Сталь 12Х18Н9Т

* Поправочный коэффициент на расширение

материала сужающего устройства.........………………………………………………………...1

* Радиус закругления входной кромки......……………………………………………………..0,05 мм

* Поправочный коэффициент на неостроту

входной кромки диафрагмы..........……………………………………………………...……….1

* Наибольшее значение шероховатости

поверхности входного торца диафрагмы...…………………………………………….0,020112 мм

* Наибольшее значение шероховатости отверстия

диафрагмы.............................…………………………………………………………...0,0020112 мм

* Наибольшее значение шероховатости

поверхности выходного торца диафрагмы.………………………………………………….0,01 мм

* Толщина диафрагмы   от..................………………………………………………………….1,565 мм

*                                       до..................…………………………………………………………..15,65 мм

* Допуск на изготовление диаметра СУ.....…………………………………………………0,14077 мм

Характеристика трубопровода

Диаметр трубопровода в стандарт.условиях………………………………………………….313 мм

* Диаметр трубопровода в раб. условиях...…………………………………………………...313,01 мм

Материал трубопровода..................………………………………………………………………Сталь 20

* Поправочный коэффициент на расширение

материала трубопровода................……………………………………………………………….1

Абсолютная эквивалентная шероховатость

стенок трубопровода....................……………………………………………………………….0,1 мм

* Поправочный коэффициент на шероховатость

трубопровода...........................……………………………………………………………………1

Характеристика измерительного участка

Первое (против потока) местное сопротивление

Отвод (колено)

Второе (против потока) местное сопротивление

Тройник

Местное сопротивление после сужающего устройства

Есть

Расстояние между первым местным сопротивлением и сужающим устройством..................6,88639 м

диаметр трубопровода между 1-м и 2-м МС………………………………………………………..313 мм

Расстояние между первым и вторым местными сопротивлениями……………………………4381,9 мм

Расстояние между сужающим устройством и местным сопротивлением после него..…...…2,19112 м

* Суммарная погрешность, вводимая в связи с сокращением длин

прямых участков трубопроводов.........………………………………………………………………0,5  %

   Гильзы термометра нет

Комплексные параметры расходомера

* Относительный диаметр СУ...............……………………………………………………………0,6425

* Число Рейнольдса при максимальном измеряемом расходе.....................…………………...525041,7

Перепад давления на сужающем устройстве………………………………………………………400 кгс/м2

* Коэффициент расхода сужающего устройства………………………………………………….0,6636

* Коэффициент расширения................…………………………………………………………….0,99069

* Коэффициент истечения..................……………………………………………………………..0,60443

* Потери давления........................…………………………………………………………………...227,95 кгс/м2

Верхний предел измеряемого расхода

сухой части в стандартных условиях.....…………………………………………………………7000 м3

Расчет расхода (проверка) при верхнем пределе перепада давления:

Обьемный расход:

* - сухой части в стандартных условиях.....……………………………………………………..7000,01 м3

* - влажного газа в стандартных условиях………………………………………………………7082,01 м3

Массовый расход

* - сухой части………………………………………………….........................………………….2,34199 кг/с

* - влажного газа…………………………………………………………………………………..2,36942 кг/с

Примечание: Знаком "*" отмечены расчетные величины.

Исполнитель:______________________________


4. Разработка и описание схемы измерения расхода с обоснованием выбора необходимых приборов и оборудования

Дифманометр-расходомер и сужающее устройство связаны двумя соединительными трубами. Мы применим медные трубки.

В процессе работы соединительные трубки необходимо периодически продувать для очистки и удаления из них влаги

Схема расходомера (рис. 2) состоит из следующих основных частей:

а) стандартного сужающего устройства 1, установленного в трубопроводе, по которому протекает контролируемое вещество;

б) дифференциального манометра-расходомера 3 жидкостного (поплавкового, колокольного, кольцевого) или пружинного (мембранного, сильфонного), шкала которого градуирована в единицах расхода (м3/ч, кг/ч) или в %. В зависимости от требований дифманометр может быть показывающим, самопишущим, сигнализирующим и регулирующим. Выбирать дифманометр необходимо, руководствуясь ГОСТ 18140 – 77; предельный номинальный перепад давления выбирается из ряда чисел, указанных в ГОСТе, а верхний предел измерения дифманометра Qп (по наибольшему измеряемому расходу Qmax, причем Qп должен быть ближайшим большим к Qmax числом из приведенного ряда чисел;

в) соединительных (импульсных) линий 2, служащих для соединения с дифманометром-расходомером мест отбора до и после сужающего устройства, проложенных трубами из стали, меди, алюминия диаметром 10–15 мм или полиэтилена диаметром 8 мм. Длина соединительных линий от сужающего устройства до дифманометра не должна превышать 50 м.

Рис. 2. Схема установки расходомера:

1 – сужающее устройство; 2 – соединительные линии;

3 – дифманометр-расходомер.

4.1. Датчики давления серии Метран-44-ДД

Датчики давления серии Метран-44-ДД предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования, управления и обеспечивают непрерывное преобразование значения измеряемого параметра в унифицированный токовый сигнал.

Датчики работают со вторичной регистрирующей и показывающей аппаратурой, регуляторами и другими устройствами автоматики, воспринимающими стандартный токовый сигнал.

Датчики имеют трехмембранную конструкцию преобразователя разности давлений, защищенную патентом.

Датчики Метран-44-ДД выпускаются только с микропроцессорным преобразователем, который имеет преимущества перед датчиками с аналоговым преобразователем по всем показателям: метрологическим, функциональным, эксплуатационным.

Датчики Метран-44-ДД с микропроцессорным преобразователем предназначены для измерения разности давлений.

Для измерения разности давлений мною выбран

Метран-44-ДД-4420-02-МП-t10-025-63кПа-10-42-К1/4”-ТУ4212-002-12580824-94

Устройство и работа датчика

Датчик давления состоит из преобразователя давления – измерительного блока (ИБ) и электронного преобразователя (ЭП).

При измерении разности давлений (ДД) датчиками Метран-44 положительное и отрицательное давления подаются в камеры " + " и "-" соответственно.

Разность давлений рабочей среды воздействует на мембрану и посредством тяги вызывает деформацию чувствительного элемента, скрепленного с мембраной тензопреобразователя.

Измерительная мембрана защищена с двух сторон разделительными мембранами, полость между которыми заполнена кремнийорганической жидкостью; разность давлений рабочей среды воздействует на разделительные мембраны.

Чувствительный элемент – пластина монокристаллического сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами (структура КНС), соединенная с металлической мембраной тензопреобразователя. Тензорезисторы соединены в мостовую схему. Деформация измерительной мембраны (деформация мембраны тензопреобразователя) приводит к пропорциональному изменению сопротивления тензорезисторов и разбалансу мостовой схемы.

Микропроцессорный электронный преобразователь датчиков с МП принимает аналоговый сигнал от преобразователя давления и преобразовывает его в цифровой код.

Микроконтроллер принимает цифровой сигнал, производит коррекцию и линеаризацию характеристики преобразователя давления, передает цифровой сигнал в цифро-аналоговый преобразователь, который преобразует его в выходной токовый.

Энергонезависимая память АЦП предназначена для хранения коэффициентов коррекции характеристик преобразователя давления.

Блок регулирования и установки параметров предназначен для изменения параметров датчика.

Применение микропроцессорной электроники обеспечило возможность самодиагностики, контроля, и настройки параметров датчиков непосредственно на месте эксплуатации.

Контроль и настройка параметров датчика осуществляются с помощью трехкнопочного переключателя и индикаторного устройства (жидкокристаллический индикатор ЖКИ).

Разъем и трехкнопочный переключатель расположены под крышкой ЭП.

4.2. Диафрагма

Диафрагма представляет собой тонкий диск, установленный в трубопроводе так, чтобы отверстие в диске было концентрично внутреннему контуру сечения трубопровода и находилось под углом 30 – 45º.

Диафрагма (сужающие устройства) предназначена в комплекте с датчиками разности давлений для измерения расхода жидкостей, пара, газа методом переменного перепада давлений.

Стандартная диафрагма – наиболее простое и распространенное сужающее устройство. Ее применяем без индивидуальной градуировки для трубопроводов D50 мм при условии, что 0,05 ≤ m ≤0,7.

Мною выбрана диафрагма

ДКС 0,6-300-А/Б-1-ГОСТ 8563.1, износоустойч.

4.3. Показывающий и регистрирующий прибор ДИСК-250ДД

Прибор применяется для измерения и регистрации активного сопротивления, силы и напряжения постоянного тока, а также неэлектрических величин, преобразованных в указанные выше сигналы. Этот прибор обеспечивает сигнализацию и регулирование параметров техпроцесса, преобразование входного сигнала в выходной непрерывный токовый сигнал.

Приборы ДИСК-250ДД воспринимают токовый выходной сигнал от датчиков избыточного давления, уровня, перепада давлений и других, имеют встроенные источник питания (БП) датчиков с U = 36 В и Iн = 50 мА и устройство корнеизвлечения (БК).

Мною выбран

Диск-250ДД АBCD, УХЛ4.2, 4-20 мА, 0-7000 м3/ч, 0-5 мА, ТУ 25-0521.104-85


5. Составные части диафрагмы

Наименование

Количество

Корпус кольцевой плюсовой камеры

1

Корпус кольцевой минусовой камеры

1

Диафрагма

1

Прокладка ПОН 0,6 ГОСТ 1481-80

1

Патрубок. Труба 16*2 ГОСТ 8732-78

2

Прокладка

2

Фланец

2

Шпилька М 30*300

8

Гайка М 30 ГОСТ 5915-70

16


6. Приборы, необходимые для измерения расхода

Наименование

Количество

Измерительное устройство

Метран-44-ДД-4420-02-МП-t10-025-63 кПа-10-42-К1/4”-ТУ 4212-002-12580824-94

1

Прибор регистрирующий

Диск-250ДД АBCD, УХЛ4.2, 4-20 мА, 0-7000 м3/ч, 0-5 мА, ТУ 25-0521.104-85

1

Диафрагма

ДКС 0,6-300-А/Б-1-ГОСТ 8563.1, износоустойч.

1

Блок питания

БП 96/36-2/80-ТУ 689400-006-13282997-96

1


7. Пример реального использования спроектированной системы измерения

Расходомеры необходимы, прежде всего, для управления производством. Без них нельзя обеспечить оптимальный режим технологических процессов в энергетике, металлургии, в химической, нефтяной, целлюлозно-бумажной и многих других отраслях промышленности. Эти приборы требуются также для автоматизации производства и достижения при этом максимальной его эффективности.

Расходомеры нужны для управления самолетами и космическими кораблями, для контроля работы оросительных систем в сельском хозяйстве и во многих других случаях. Кроме того, они требуются для проведения лабораторных и исследовательских работ.


8. Заключение

Измерение расхода на основе переменного перепада давления – наиболее изученный и распространенный в производственной практике метод.

Значение счетчиков и, особенно расходомеров жидкости, газа и пара очень велико. Раньше основное применение имели счетчики воды и газа преимущественно в коммунальном хозяйстве городов. Но с развитием промышленности все большее значение приобрели расходомеры жидкости, газа и пара.


9. Список использованных источников

1. Основы автоматизации химических производств и техника вычислений / Мелюшев Ю.К. // Учебник для техникумов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Химия, 1982;

2. Технологические измерения и приборы для химических производств / Кулаков М.В. //Учебник для вузов по специальности «Автоматизация и комплексная механизация химико-технологических процессов» – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1983 – 424 с.;

3. Номенклатурный каталог «Метран» 2001.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

13405. Методика і техніка шкільного демонстраційного експерименту із розділу Молекулярна фізика і термодинаміка (10 клас) 938.5 KB
  Тема: Методика і техніка шкільного демонстраційного експерименту із розділу Молекулярна фізика і термодинаміка 10 клас 1. Модель Штерна для визначення швидкості руху молекул газу Обладнання: обертальний диск демонстраційний метр сірники пластилін кінопроектор. ...
13406. Методика і техніка шкільного демонстраційного експерименту із розділу «Електричне поле» (10 кл) 2.08 MB
  Тема: Методика і техніка шкільного демонстраційного експерименту із розділу Електричне поле 10 кл Електризація діелектриків і провідників. Обладнання: 1 ізолюючий штатив з насадкою яка легко обертається; 2 палички: ебонітова із органічного скла металев...
13407. Методика і техніка шкільного демонстраційного експерименту з розділу «Електричний струм» (11 кл.). 4.05 MB
  Тема: Методика і техніка шкільного демонстраційного експерименту з розділу Електричний струм 11 кл.. 1. ЕРС. Внутрішній опір джерела струму. Закон ома для повного кола. Обладнання: 1гальванічний елемент демонстраційний 2 вольтметр демонстраційний з додатковим о...
13408. Методика і техніка шкільного демонстраційного експерименту із розділу «Електромагнітне поле» (10 кл.) 2.12 MB
  ТЕМА: Методика і техніка шкільного демонстраційного експерименту із розділу Електромагнітне поле 10 кл. Демонстрація спектрів магнітного поля. Обладнання: прилади для проекціювання спектрів магнітного поля; коробочкасито із залізними ошурками; проекцій
13409. Методика і техніка шкільного демонстраційного експерименту із розділу Хвильова і квантова оптика (10 кл.) 1.65 MB
  Тема: Методика і техніка шкільного демонстраційного експерименту із розділу Хвильова і квантова оптика 10 кл. Кільця Ньютона Обладнання: апарат проекційний з лампою розжарювання або дуговою лампою кільця Ньютона з набору по дифракції та інтерфе
13410. Створення дидактичних засобів у програмі Microsoft Word 609 KB
  исципліна Інформаційні технології та ТЗН ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1011. Тема: Створення дидактичних засобів у програмі Microsoft Word. Мета: Сформувати практичні навички створення дидактичних засобами програми Microsoft Word. Основні поня...
13411. Введення і редагування тексту засобами MS Excel 229 KB
  Автори: Бондар Н.П. Глушак О.М.Дисципліна Інформаційні технології та ТЗН ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №12. Тема: Введення і редагування тексту засобами MS Excel. Мета: Формувати практичні вміння та навички введення редагування тексту та налаштування роботи в MS Excel...
13412. Форматування таблиць засобами MS Excel 293 KB
  Автори: Бондар Н.П. Глушак О.М.Дисципліна Інформаційні технології та ТЗН ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №13. Тема: Форматування таблиць засобами MS Excel. Мета: Формувати практичні вміння та навички форматування таблиць в програмі MS Excel.
13413. Робота зі списками в MS Excel 53 KB
  Автори: Бондар Н.П. Глушак О.М. Дисципліна Інформаційні технології та ТЗН ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №15. Тема: Робота зі списками в MS Excel. Мета: Формувати практичні вміння та навички роботи із засобами сортування та фільтрації в MS Excel. ...