Метрологический расчет и конструирование измерительной системы измерения температуры воды в трубопроводе

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА АТП

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проектированию по теплотехническим измерениям и приборам по теме: Метрологический расчет и конструирование измерительной системы измерения температуры воды в трубопроводе

Выполнил студент группа АТП 01-2: Неклюдов С.А.

Пермь, 2005

Содержание

Введение

1. Теория метода измерения температуры и обзор литературных источников

2. Полный анализ погрешностей метода

3. Синтез измерительной системы. Обоснование выбора технических средств

4. Статические характеристики звеньев и системы

5. Полный анализ и расчет погрешностей измерительной системы. Метрологическая точность работы системы при заданных условиях.

Заключение

Список использованной литературы

Приложения

Введение

В курсовом проекте необходимо произвести метрологический расчет измерительной системы методом ТЭДС, где измеряемым параметром является температура воды в трубопроводе.

Вторичный прибор - регистрирующий. Выходной сигнал с измерительного преобразователя - токовый, ГСП.

Технологические процессы современных промышленных объектов требуют контроля различных параметров. Температура является термодинамическим параметром, пропорциональным кинетической энергии хаотического движения частиц, образующих физическое тело, которое находится в том или ином состоянии.

Для измерения температуры применяют различные системы измерения.

Наиболее распространены системы измерения температуры, состоящие из первичных измерительных преобразователей (чувствительных термометрических элементов, являющихся составной частью термоэлектрических термопреобразователей и термопреобразователей сопротивления) и измерительных приборов (автоматических потенциометров, мостов, логометров, милливольтметров, миллиамперметров), соединенных между собой каналами связи.

1. Теория метода измерения температуры и обзор литературных источников

Термоэлектрический метод измерения температур основан на строгой зависимости термоэлектродвижущей силы (термо-э.д.с.) термоэлектрического термометра от температуры.

Термоэлектрические термометры широко применяются для измерения температур до 2500°С в различных областях техники и в научных исследованиях. Они могут использоваться для измерения температуры от --200°С, но в области низких температур термоэлектрические термометры получили меньшее распространение, чем термометры сопротивления. В области высоких температур (выше 1300--1600°С) термоэлектрические термометры находят применение главным образом для кратковременных измерений; для длительного же измерения высоких температур они применяются только в отдельных особых случаях.

Следует иметь в виду, что с ростом температуры возрастает влияние агрессивных свойств среды и продолжительность работы термоэлектрических термометров быстро снижается. Созданию надежных высокотемпературных термоэлектрических термометров для длительного применения уделяется в настоящее время большое внимание как у нас, так и за границей.

К числу достоинств термоэлектрических термометров следует отнести достаточно высокую степень точности, возможность централизации контроля температуры путем присоединения нескольких термоэлектрических термометров через переключатель к одному измерительному прибору, возможность автоматической записи измеряемой температуры с помощью самопишущего прибора, возможность раздельной градуировки измерительного прибора и термоэлектрического термометра.

2. Полный анализ погрешностей метода

Точность системы измерения температуры является ее важной характеристикой. В каждом конкретном случае уровень точности определяется критерием целесообразности. Поэтому и метод, и аппаратурный состав системы измерения должны обеспечить требуемую точность измерения температуры. В общем случае всегда предпочтительнее использовать метод и аппаратуру, которые гарантировали бы некоторый запас точности измерения, чтобы не заниматься оценкой всякого рода поправок и введением их в результат измерений.

В настоящее время при оценке погрешностей измерительных устройств и систем используют детерминистский подход, который регламентирует погрешность в пределах «от -- до», «не больше чем» и т. п.

В большинстве случаев допустимые значения погрешностей элементов системы измерения нормированы с большим запасом и их предельные значения не говорят о реальной погрешности элементов.

Приборы системы измерения температуры фиксируют действительное значение температуры, которое отличается от истинного на значение погрешности. Погрешности вызываются многими факторами и в отношении характера и причин их появления делятся на систематические и случайные.

Систематическими называют погрешности, остающиеся постоянными или изменяющиеся по определенному закону при повторных измерениях одной и той же величины.

Случайными называют погрешности, изменяющиеся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины.

К систематическим относятся погрешности: инструментальные; появившиеся в результате неправильной установки измерительного устройства; возникающие вследствие внешних влияний; метода измерения (теоретические погрешности); субъективные.

Инструментальными называют погрешности, причина появления которых заключается в свойствах применяемых средств измерений. Эти погрешности определяют точностные характеристики каждого элемента системы измерения и системы в целом. Причины возникновения этой погрешности заложены в неточном регулировании каждого элемента системы, в погрешностях градуировки элементов и т. п.

Методические погрешности -- это по грешности, присущие используемому методу измерения. Для измерительных систем температуры эти погрешности вызваны условиями теплообмена термопреобразователя и объекта.

Инструментальная и методические погрешности в зависимости от измерения стационарных или нестационарных температур разделяются на статические и динамические. При проведении динамических измерений проявляются оба вида погрешностей -- статические и динамические, которые тесно связаны между собой. Поэтому при динамических измерениях правильнее говорить о статико-динамических погрешностях. С некоторым приближением динамическую погрешность можно определить как разность погрешностей в динамическом и статическом режимах.

На рис.1 показана взаимосвязь между перечисленными видами погрешностей.

Рис.1. Взаимосвязь погрешностей систем измерения температуры

Между случайными и систематическими погрешностями отсутствует четкая граница. Всегда имеется сопредельная группа погрешностей, которая с равным успехом может быть отнесена как к тем, так и к другим.

К систематическим погрешностям относят прежде всего методические погрешности, обусловленные тепловыми закономерностями взаимодействия термопреобразователя с объектом измерения (поверхностью, средой).

Источниками возникновения методических погрешностей могут быть: искажение температурного поля объекта в месте установки термопреобразователя, а также искажение процесса теплообмена объекта с другими физическими телами; перепад температуры между объектом измерения и окружающими физическими телами; нестационарность тепловых процессов и возникающие вследствие этого динамические погрешности из-за термической инерции термопреобразователей; преобразование кинетической энергии набегающего газового потока в тепловую при торможении потока на неподвижном термопреобразователе.

Все остальные погрешности систем измерения температуры целесообразно рассматривать как случайные. К ним относятся погрешности, обусловленные нестабильностью отдельных звеньев системы измерения вследствие возникновения возмущающих воздействий, влияющих факторов; погрешности, обусловленные классом точности от дельных элементов системы, и т. д.

Например, к случайным погрешностям следует отнести нестабильность градуировочных характеристик термопреобразователей сопротивления и термоэлектрических преобразователей, ошибки измерений при аттестации термопреобразователей сопротивления, неоднородность состава термоэлектродов.

Часть этих погрешностей оценивают расчетным путем, часть -- экспериментально.

Суммарная допускаемая погрешность измерений ? (нормируемая исходя из общих требований к точности изучения данного процесса) включает в себя прежде всего следующие допускаемые погрешности измерения:

инструментальную (всей системы измерений) ?_и;

методическую ?_м;

динамическую ?_д.

Динамическая погрешность обусловлена динамическими характеристиками всей системы измерения.

При стационарном температурном процессе динамическая погрешность обращается в нуль и суммарная допускаемая погрешность распределяется между инструментальной и методической погрешностями.

Все составляющие (?_и, ?_м и ?_д) суммарной допускаемой погрешности могут иметь систематические и случайные части.

Систематическую составляющую инструментальной погрешности измерительного прибора или первичного преобразователя можно определить в процессе поверки в лабораторных условиях. Ее можно устранить введением поправки или с помощью корректора нуля.

Случайную составляющую инструментальной погрешности, обусловленную вариацией прибора (допускаемой в соответствии с классом точности прибора или первичного преобразователя), снизить нельзя, и ее необходимо учитывать в полной мере при оценке суммарной случайной погрешности системы измерения.

Суммарная случайная инструментальная погрешность измерения температуры с помощью термопреобразователя сопротивления складывается из двух основных по грешностей: погрешности градуировочной характеристики термопреобразователя ?_г и по грешности измерения сопротивления термопреобразователя, т. е. погрешности измерительного прибора ?_пр. Ее значение в статическом режиме определяется по формуле

.

Допускаемые отклонения сопротивлений термопреобразователей сопротивления указаны в ГОСТ 6651--84.

Значение погрешности, вызванной изменением температуры линии связи, для двух проводной схемы подключения термопреобразователя сопротивления можно определить по формуле

,

где ?t -- погрешность, °С; R_л -- сопротивление линии при температуре t₁, при которой производилась ее подгонка, Ом; t₂ -- температура, при которой линия находится в эксплуатации, °С; R₀ -- сопротивление термопреобразователя при 0 °С, Ом; ? =1/?_л, ?_л - температурный коэффициент сопротивления материала линии, °С^-1; ?=(R₁₀₀-R₀)/(100R₀)-температурный коэффициент сопротивления материала чувствительного элемента, °С^-1, R₁₀₀ -сопротивление термопреобразователя при 100 °С, Ом.

Значения температурных коэффициентов сопротивлений в диапазоне температур 0-- 100°С следующие: для платины ?= 0,0039°С^-1, для меди ? = 0,00427°С^-1, для никеля ? =0,0069°С^-1, для вольфрама ? =0,0048°С^-1.

3. Синтез измерительной системы. Обоснование выбора технических средств

Анализ исходных данных

Определение режима течения среды.

Расход воды составляет , скорость движения составит

где S-площадь поперечного сечения трубопровода;

где d - диаметр трубопровода;

число Рейнольдса

где р - плотность водяного пара при 360?С;

? - динамическая вязкость среды;

Re= 7329 < 10000, режим переходный, следовательно не требуется виброустойчивое исполнение защитной арматуры датчика

Выбор термоэлектрического преобразователя [6]

На основании анализа исходных данных был выбран ТХК-0806 (полное обозначение 5Ц2.821.625-07) со следующими характеристиками:

· номинальная статическая характеристика - XK(L);

· пределы измерения (0 ? +600?) ?С;

· материал защитной арматуры сталь 08X13;

· длина монтажной части 200 мм;

· условное давление 4 МПа;

· устойчивость к механическим воздействиям- виброустойчивый, исполнение L₃ по ГОСТ 12997-84;

· область применения - газообразные и жидкие химически неагрессивные, а также агрессивные среды, не разрушающие защитную арматуру;

Выбор обосновывается тем, что хромель-копелевые термопары развивают т.э.д.с превышающую т.э.д.с других стандартных термопар.

Особенности конструкции ТХК см. в приложении.

Выбор удлиняющих термоэлектродных проводов

Выбранные провода имеют следующие характеристики:

· Тип термоэлектрического термометра - ТХК

· Термоэлектродные провода:

Положительный: хромель - цвет фиолетовый

Отрицательный: копель - цвет желтый

· Обозначение проводов - ХК

· ТЭДС в паре между жилами при температуре рабочего конца 100?С и свободных концов 0?С, мВ - 6,95

· Допускаемое отклонение значения ТЭДС - ±0,20

Выбор измерительного преобразователя

Измерительный преобразователь предназначен для преобразования сигналов термоэлектрических преобразователей в унифицированный электрический сигнал постоянного тока 0-5 мА или напряжения постоянного тока 0-10 В.

Технические данные:

Модификация приборов - Ш72-18

Номинальная выходная величина - I, мА

Тип датчика - ТХК

Обозначение градуировки - ХК

Диапазон измерения, ?С - 0 - 600

Основная погрешность, % - ± 0,4

· Быстродействие, с - не более 1

· Диапазон изменения сопротивления нагрузки, кОм:

для сигнала 0-5 мА - не более 2,5

для сигнала 0-10 В - не менее 2

· Питание от сети переменного тока

напряжение, В - 220 + 10%

- 15%

частота, Гц - 50 ± 1

· Потребляемая мощность, В А - не более 12

· Вероятность безотказной работы

в течение 2000 ч - не менее 0,9

· Средний срок службы, лет - не менее 6

· Масса, кг - не более 5

Выбор вторичного прибора [5]

Прибор показывающий и регистрирующий ГСП ДИСК-250 предназначен для измерения силы и напряжения постоянного тока, а также неэлектрических величин, преобразованных в указанные сигналы и активное сопротивление

ДИСК250- напряжение питания 220 В;

· Первичный преобразователь:

Тип - ТХК

Номинальная статическая характеристика ХК(L)

· Пределы измерения шкала (-0 ?) ? (+600?) ?С;

· минимальная цена деления шкалы 10?С;

· номер диаграммного диска 2210;

· основная погрешность ±1;

4. Статические характеристики звеньев и системы

Рис.2. Структурная схема измерительной системы: 1 - термоэлектрический преобразователь; 2 - термоэлектрические провода; 3 - измерительный преобразователь; 4 - вторичный прибор



k всей системы:

Статической характеристикой измерительной системы будет зависимость показаний на шкале прибора ДИСК-250 от температуры рабочей среды в трубопроводе.

Рис.3. Статическая характеристика измерительной системы.



5. Полный анализ и расчет погрешностей измерительной системы. Метрологическая точность работы системы при заданных условиях

Погрешность, вызванная лучистым теплообменом между поверхностью термопреобразователя и стенками трубы.

где С=?₀* ?_Т Вт/(м² К⁴);

?₀-константа излучения абсолютно черного тела

?_Т - коэффициент черноты поверхности термоприемника;

? - коэффициент теплоотдачи от газа к термоприемнику;

Т_Т - температура рабочей части термоприемника;

Т_В.С - температура внутренней стенки трубы;

разность t_Т-t_Ж и составляет ошибку измерения, связанную с лучистым теплообменом между поверхностью термоприемника и стенками трубы. Для уменьшения разности t_Т-t_Ж нужно:

уменьшить С - защитная трубка должна иметь полированную поверхность; увеличить ?, т.е. добиться максимальной скорости измеряемого газа вблизи датчика.

Погрешность вследствие подвода теплоты по теплоприемнику (защитной арматуре).



где tсt - температура стенки в которой закреплен верхний конец защитной трубки ;

t_T -температура термопреобразователя;

t_C - температура среды ;

l - длина погруженной части защитной трубки ;

( ? - коэффициент теплоотдачи от газа к защитной трубке;

d - наружный диаметр защитной трубки ;

? - коэффициент теплопроводности материала защитной трубки ;

s - площадь поперечного сечения защитной трубки ).

Как видно из уравнения для уменьшения ошибки измерения необходимо: уменьшить разность температур t_T - t_C изоляцией трубопровода на участке установки термопреобразователя ; увеличить длину погружения термопреобразователя в среду, температуру которой измеряют; увеличить А , а следовательно и ?; увеличить d/s (т.е. уменьшить толщину стенок защитной трубки), уменьшить ? данная погрешность сводится к минимуму при наладке (т.к. носит постоянный мультипликативный характер) и в оценке точности системы не учитывается.

Датчик ТСП имеет класс В (допустимое отклонение сопротивления ±0,1% от номинального значения ?ТСП=0,1%). Погрешность носит аддитивный характер.

Основная погрешность вторичного прибора ДИСК-250 по показаниям и измерению не выходит за пределы допускаемых значений равному ±0,5%.Точность полученной системы измерения будет определяться выражением

погрешность носит аддитивный характер.

Заключение

В данном курсовом проекте произведен синтез измерительной системы измерения температуры воды в трубопроводе методом термометра сопротивления. На основании данных сделан выбор технических средств ИС и определены технические и метрологические характеристики. В результате ИС имеет очень малую приведенную погрешность - 0.509% в пределах измерения (-80±10°С) со шкалой вторичного прибора (-120°С)-(+30°С), что обуславливается минимальным количеством звеньев и их хорошими метрологическими характеристиками.

измерительный погрешность температура

Список использованной литературы

1. Н.Д. Кузнецов, В.С. Чистяков. Сборник задач и вопросов по теплотехническим измерениям и приборам; Энергоатомиздат ,1984 г.

2. В.П. Преображенский. Теплотехнические измерения и приборы. М.:”Энергия”,1978 г.

3. Наладка средств измерений и систем технологического контроля. Справочное пособие; под ред. Клюева А.С., М; Энергоатомиздат ,1984 г.

4. Промышленные приборы и автоматы; справочник под ред. В.В. Черенкова Л. - Ленинградское отделение машиностроения .1987 г.

5. Прибор регистрирующий ГСП ДИСК-250. Техническое описание и инструкция по эксплуатации 2.556.051 ТО.Э. Внешторгиздат, 1989.

6. Приборы и средства автоматизации. Отраслевой каталог. Москва 1990г.

Приложение

Монтажная схема внешних соединений

Установочный чертеж тс в трубопроводе



Размещено на Allbest.ru

...