Разработка расходомера переменного перепада давления с диафрагмой

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство образования и науки Российской Федерации

Казанский национальный исследовательский технический университет

им. А.Н. Туполева - КАИ (КНИТУ-КАИ)

Институт Автоматики и Электронного Приборостроения

Кафедра стандартизации, сертификации и технологического менеджмента

Курсовой проект

по дисциплине: «Методы и средства измерений, испытания и контроля»

на тему: Разработка расходомера переменного перепада давления с диафрагмой

Выполнил: студент группы

Тухфатуллина А.Т

Проверил: Доцент, к.т.н.,

Сабитов А. Ф.

Казань 2015г

Определения

Применены термины по ГОСТ 8.586.1.-8.586.5

1. Расход - это количество вещества, протекающее через данное сечение в единицу времени.

2. Расходомер - прибор, измеряющий расход вещества.

3. Преобразователь расхода - устройство, непосредственно воспринимающее измеряемый расход (например, диафрагма, сопло, напорная трубка) и преобразующее его в другую величину (например, в перепад давления), которая удобна для измерения.

4. Расходомер переменного перепада давления с сужающим устройством -совокупность первичного преобразователя, средств измерения перепада давления, абсолютного статического давления, температуры, компонентного состава среды, средств ручного или автоматизированного определения средних значений измеряемых параметров, автоматического вычислителя расхода и количества, дополнительных устройств б измерительном трубопроводе (фильтры, местные сопротивления и др.) и в измерительном канале средств измерения (импульсные трубопроводы и др.)

5. Перепад давления на сужающем устройстве - разность между значениями статического давления среды до и после сужающего устройства с учетом разности высоты положения отверстий для отбора давления до и после сужающего устройства.

6. Сужающее устройство - техническое устройство, устанавливаемое в измерительном трубопроводе, со сквозным отверстием для создания перепада давления среды путем уменьшения площади сечения трубопровода (сужения потока).

7. Стандартное сужающее устройство - сужающее устройство, геометрические характеристики и условия применения которого регламентированы настоящим стандартом ГОСТ 8.586.2 - ГОСТ 8.586.4.

8. Отверстие стандартного сужающего устройства - круглое отверстие сужающего устройства, соосное трубопроводу при установке сужающего устройства в трубопровод.

9. Диафрагма представляет собой тонкий диск с круглым отверстием, ось которого располагается по оси трубы. Передняя (входная) часть отверстия имеет цилиндрическую форму, а затем переходит в коническое расширение. Передняя кромка должна быть прямоугольной (острой) без закруглений и заусениц.

10. Число Рейнольдса - отношение силы инерции к силе вязкости потока, рассчитываемое по формуле:

Re=

11. Коэффициент истечения - отношение действительного значения расхода жидкости к его теоретическому значению, вычисляемое по формуле

С =

Значение коэффициента скорости входа Е определяют по формуле

E =

Примечание: Произведение СЕ называется «коэффициентом расхода».

12. Коэффициент расширения - поправочный коэффициент, учитывающий уменьшение плотности газа, обусловленное уменьшением его статического давления после сужающего устройства или в его горловине.

Примечание: коэффициент расширения равен единице, если измеряемая среда - жидкость, и меньше единицы, если измеряемая среда - газ.

13. Неопределенность - параметр, связанный с результатом измерений и характеризующий рассеяние значений, которые могли бы быть обоснованно приписаны измеряемой величине.

Обозначения и сокращения

Дифманометр - дифференциальный манометр;

ИТ - измерительный трубопровод;

СУ - сужающее устройство;

ТФХ - теплофизические характеристики.

Обозначение	Наименование величины	Единица величины
С	Коэффициент истечения	1
сp	Удельная теплоемкость при постоянном давлении	Дж/(кг К)
d	Диаметр отверстия сужающего устройства	м
	Диаметр отверстия сужающего устройства при температуре 20 °C	м
D	Внутренний диаметр измерительного трубопровода или входной части трубы Вентури при рабочей температуре среды	м
	Внутренний диаметр измерительного трубопровода или входной части трубы Вентури при температуре 20 °C	м
	Наружный диаметр преобразователя температуры, термометра или их защитной гильзы (при ее наличии)	м
E	Коэффициент скорости входа	1
H	Энтальпия	Дж/моль
K	Коэффициент сжимаемости	1
	Поправочный коэффициент, учитывающий притупление входной кромки диафрагмы	1
	Коэффициент, учитывающий изменение диаметра отверстия сужающего устройства, вызванное отклонением температуры среды от 20 °C	1
	Коэффициент, учитывающий изменение диаметра трубопровода, вызванное отклонением температуры среды от 20 °C	1
	Поправочный коэффициент, учитывающий шероховатость внутренней поверхности измерительного трубопровода	1
1	Длина	м
L	Относительная длина, L = l/D	1
М	Молярная масса	кг/моль
р	Давление среды	Па
Ра	Атмосферное давление	Па
Ри	Избыточное давление среды	Па
qv	Объемный расход среды при рабочих условиях	м3/с
	Массовый расход среды	кг/с
Обозначение	Наименование величины	Единца величины
qc	Объемный расход среды, приведенный к стандартным условиям	м3/с
	Радиус входной кромки диафрагмы	м
	Начальный радиус входной кромки диафрагмы	м
Rа	Среднеарифметическое отклонение профиля шероховатости	м
Rш	Эквивалентная шероховатость внутренней поверхности измерительного трубопровода	м
R	Универсальная газовая постоянная R = 8,31451	Дж /(моль К)
Re	Число Рейнольдса	1
t	Температура среды	°С
T	Абсолютная (термодинамическая) температура среды: Т= 273,15 + t	К
	Стандартная неопределенность результата измерений величины у	Зависит от единицы величины
	Относительная стандартная неопределенность результата измерений величины у	%
Uy	Расширенная неопределенность величины у	Зависит от единицы величины
	Относительная расширенная неопределенность величины у	%
w	Продольная составляющая локальной скорости среды в измерительном трубопроводе	м/с
у	Любой контролируемый параметр	Зависит от единицы величины
Z	Фактор сжимаемости	1
	Температурный коэффициент линейного расширения материала	°С-1
	Относительный диаметр отверстия сужающего устройства	1
p	Перепад давления на сужающем устройстве	Па
	Потеря давления в устройстве подготовки потока, или в струевыпрямителе, или в сужающем устройстве	Па
	Коэффициент расширения	1
К	Показатель адиабаты	1
	Динамическая вязкость среды	Па с
	Плотность среды	кг/м3
	Коэффициент расхода	1
	Относительная погрешность результата измерений	%

Введение

Актуальность данной темы заключается в повышение требований к качеству продукции и эффективности производства.

Первоначально в XIX в. наибольшее развитие получили счетчики воды и газа, преимущественно в коммунальном хозяйстве городов. Затем в XX в. наряду со счетчиками все более широкое применение стали получать приборы для измерения расхода самых различных жидких и газообразных веществ.

В настоящее время роль и значение расходомеров и измерителей количества очень велика. Они необходимы для проведения научных исследований, для управления технологическими процессами почти во всех отраслях промышленности, для контроля работы стационарных и транспортных энергетических установок, для управления самолетами и космическими кораблями. Помимо этого рассматриваемые приборы необходимы для коммунального и сельского хозяйства.

Без расходомеров невозможно обеспечить оптимальный технологический режим важнейших технологических процессов в таких отраслях промышленности, как энергетическая, металлургическая, нефтяная, химическая, целлюлозно-бумажная, пищевая и мн. др. Без этих приборов нельзя также и автоматизировать соответствующие процессы, и получить у них максимальный к. п. д. Таким образом, расходомеры способствуют повышению качества изготовляемой продукции, устранению брака, экономии исходных материалов и автоматизации производства.

Очень большое экономическое значение для народного хозяйства имеет также измерение количества нефти, воды, газа и других веществ, транспортируемых по трубопроводам и передаваемых для потребления различным предприятиям, городам, районам и даже отдельным странам. Значение этих измерений в ближайшие годы возрастает еще больше, если учесть стремительные темпы развития добычи нефти и газа и строительство крупных магистральных нефте- и газопроводов.

В настоящее время к приборам для измерения расхода и количества жидкостей и газов предъявляется много разнообразных и, в некоторых случаях, трудно выполнимых требований [5). Рассмотрим основные из них.

1. Повышение точности измерения. Значительная часть приборов, служащих для измерения расходов и количеств, имеет класс точности в пределах 1--2. Если принять, что измерения преимущественно производятся на середине шкалы прибора, то относительная погрешность этих измерений составит ±2--4%. С учетом же нестабильности различных влияющих обстоятельств действительная погрешность будет еще выше. Между тем многие современные технологические процессы, а также операции, связанные с продажей нефтепродуктов и газа, требуют значительно более точного измерения. Отсюда возникает необходимость разработки и создания приборов, имеющих класс 0,2--0,5.

2. Увеличение надежности действия приборов. Непрерывное повышение роли измерительных приборов в управлении производством вынуждает повышать требования к надежности и долговечности расходомеров и измерителей количества. По мере внедрения автоматизации производства требования к надежности приборов будут еще более повышаться.

Улучшение динамических свойств приборов. Если ранее к измерительным приборам главным образом предъявлялись требования лишь точности и надежности, то теперь в связи со все возрастающей необходимостью измерения быстроменяющихся расходов, увеличением скорости протекания технологических процессов и широким применением расходомеров в системах автоматического управления возникают требования к увеличению их быстродействия, т. е. к повышению их динамических характеристики (уменьшению постоянной времени, увеличению частоты свободных колебаний и т. п.). Часть современных расходомеров, например тахометрические, электромагнитные, ультразвуковые и другие, обладает хорошими динамическими свойствами, у других же, например тепловых, динамические характеристики значительно хуже.

3. Очень большой диапазон измеряемых расходов. Последние годы характеризуются значительным расширением границ измерении как в сторону весьма малых, так и в сторону очень больших расходов, отношение наибольших измеряемых расходов к наименьшим уже достигло, а частично и превзошло миллиардную величину как для жидкостей, так и для газов. Действительно, теперь требуется измерять расходы жидкостей по крайней мере от 10-2 - до 107кг/ч, а газов от 10 -4до 105 кг/ч. В отдельных случаях, например па оросительных станциях, уже надо измерять расходы воды в 5*107--1 * 10 8 кг/ч. Недалеко время, когда в больших магистральных газопроводах надо будет измерять расходы газа, равные 106 кг/ч. Между тем, имеющиеся расходомеры и счетчики предназначены преимущественно для измерения средних расходов. При измерении же очень больших и очень малых расходов возникают специфические трудности, требующие своего преодоления.

4. Широкая номенклатура измеряемых веществ. Сравнительно недавно требовалось измерять расходы лишь воды, водяного пара и газа. Теперь же надо измерять расходы около тысячи одних только различных жидкостей, имеющих разные плотности и вязкости, а зачастую еще отличающиеся агрессивными, абразивными, токсичными или взрывоопасными свойствами.

Целью курсового проекта является разработать расходомер переменного перепада давления с диафрагмой с требуемой точностью. Цель достигается посредством решения задач:

- определение метода и средства измерения расхода водяного пара, с указанием области применения, а также метрологических характеристик;

расчет ТФХ водяного пара при указанном составе, температуры и давлении;

проектирование СУ;

- определение метрологических характеристик спроектированного расходомера.

расходомер давление пар метрологический

1. Расходомеры обтекания с изменяющимся перепадом давления

1.1 Общая характеристика

Расходомерами обтекания называются приборы, основанные на зависимости от расхода вещества перемещения тела, воспринимающего динамическое давление обтекающего его потока.

Так как поток ограничен стенками трубопровода, то условия обтекания тела будут существенно отличными от условий обтекания такого же тела, помещенного в свободный поток. В большинстве случаев между стенками трубы и обтекаемым телом остается весьма небольшое проходное сечение, обычно кольцевой формы. В этом сечении создается значительная скорость за счет соответствующего падения давления, поэтому на обтекаемое тело помимо динамического давления действует также и разность статических давлений.

Формы обтекаемых тел различны: поплавок, поршень, шар, диск, крыло и т. п. У большинства приборов обтекаемое тело перемещается прямолинейно, обычно вдоль своей вертикальной оси. В особой группе приборов тело поворачивается вокруг оси подвеса. Величина перемещения или угла поворота является мерой расхода.

Характер работы рассматриваемых расходомеров зависит от того, создается ли противодействующая сила только весом тела или же еще и другим способом, например с помощью пружины. Расходомеры системы обтекания классифицируются следующим образом:

Расходомеры постоянного перепада давления (обтекаемое тело свободно): ротаметры; поплавковые; поршневые.

Б. Расходомеры с изменяющимся перепадом давления (обтекаемое тело свободно): поплавково-пружинные; поплавково-архи- медовые; шариковые с движением в криволинейной трубке.

Расходомеры с поворотной лопастью: с грузовым уравновешиванием; с пружинным уравновешиванием; компенсационные.

Схемы основных типов расходомеров обтекания показаны на рис. 1. Ротаметр (рис. 1, а) представляет собой коническую, обычно стеклянную трубку, расходящуюся вверх, внутри которой перемещается поплавок. Шкала наносится непосредственно на стеклянной трубке. У поплавкового расходомера (рис. 1, б) конический поплавок перемещается в тонком круглом отверстии. Имеются и другие формы поплавков, например дисковый, перемещающийся в коническом седле подобно изображенному на рис. 1, г. В поршневом расходомере (рис. 1, в) обтекаемым телом является поршень, движущийся внутри втулки, имеющей одно или несколько боковых отверстий. Поплавковые и поршневые расходомеры обычно снабжаются электрическим или пневматическим преобразователем хода поплавка или поршня. Связь с преобразователем производится с помощью штока, укрепляемого на обтекаемом теле. Иногда конец штока непосредственно связан с отсчетным устройством. Все эти приборы основаны на измерении вертикального перемещения тела, изменяющего при этом площадь проходного отверстия, поэтому перепад давления по обе стороны поплавка остается почти постоянным.

Рис. 1. Схемы расходомеров обтекания

Поплавково-пружинный расходомер с осью, перпендикулярной к потоку, и вертикальным перемещением поплавка изображен на рис. 1, г, а с осью, параллельной потоку, и горизонтальным перемещением поплавка -- на рис. 1, д. Б этих приборах, как, например, на рис. 1, д, площадь проходного отверстия может не меняться при перемещении поплавка. В поплавково - архимедовом расходомере роль пружины выполняет архимедова сила -- изменение гидростатического давления на тело, связанное с поплавком и частично погруженное в более тяжелую жидкость.

Шариковый расходомер показан на рис. 1, е. В изогнутой по дуге окружности, обычно стеклянной трубке постоянного сечения, под давлением потока перемещается шарик. Противодействующей силой является проекция веса шарика на ось трубки. Перепад давления в приборе пропорционален квадрату расхода.

Схемы расходомеров с поворотной лопастью изображены на рис. 1, ж, з. В первом случае плоскость лопасти перпендикулярна к потоку, во втором -- она параллельна потоку. С увеличением расхода лопасть поворачивается вокруг оси подвеса. Угол поворота является мерой расхода. Противодействующая сила создается весом крыла или деформацией пружины. Имеются также компенсационные расходомеры, в которых давление на лопасть уравновешивается посторонней силой, например давлением сжатого воздуха.

Из всех перечисленных расходомеров обтекания наиболее широкое распространение получили ротаметры. Затем, сравнительно часто, применяются поплавковые расходомеры и расходомеры с поворотной лопастью. Остальные встречаются редко. Ротаметры применяются для измерения небольших расходов жидкости и газа, имеющих незначительное давление. Расходомеры поплавковые и с поворотной лопастью могут применяться при более значительных давлениях и при больших расходах. Расходомеры обтекания сравнительно просты по устройству, надежны в работе и имеют диапазон измерения, доходящий до 8--10, а у расходомеров с поворотной лопастью -- даже до 12--15. Приведенная погрешность большинства рассматриваемых приборов лежит в пределах ± (1--2) %.

1.2 Поплавково-пружинные расходомеры

Поплавково-пружинными называются расходомеры обтекания, основанные на зависимости от расхода перемещения поплавка, нагруженного пружиной. Конструктивно эти приборы бывают близки к поплавковым (см. рис. 143, б, г), но в отличие от последних перепад давления у них резко возрастает с увеличением расхода.

Основы теории поплавково-пружинных расходомеров

Следует различать два варианта поплавково-пружинных расходомеров: с вертикальным и с горизонтальным перемещением поплавка. Первый случай является более общим, так как в уравнение равновесия входит вес G поплавка. Очевидно, в этом случае имеем:

(p1-p2)f + R=G + ch,

Где p1-p2 -- разность статических давлений, действующих на площадь поплавка f; R -- динамическое давление и сила трения, действующие со стороны потока на поплавок; с -- коэффициент жесткости пружины, нагружающей поплавок; h -- высота подъема поплавка.

Если поток направлен сверху вниз, то в этом уравнении вес G будет стоять со знаком минус.

Уравнение расхода (131), выведенное для ротаметров, сохраняет свою силу и в данном случае. Подставляя в него значение (p1-p2) из предыдущего уравнения, получим

В большинстве случаев при сильной пружине весом поплавка можно пренебречь. При горизонтальном же перемещении поплавка вес G вообще отсутствует в исходном уравнении. Тогда уравнение расхода упрощается и принимает вид

Так как

где fт -- сечение трубопровода перед поплавком, то, подставляя это значение R в предыдущее уравнение и решая его относительно Q, получим

Если, кроме веса пренебречь еще и силой R, то уравнение расхода принимает следующий простой вид:

Характер шкалы прибора будет определяться полученными уравнениями и законом изменения площади проходного отверстия fK с высотой h подъема поплавка.

Рассмотрим наиболее важные случаи.

Площадь отверстия fк постоянная и не изменяется с высотой подъема h (см., например, рис. 162). Тогда из обоих уравнений (142) и (143) следует, что расход Q пропорционален h. Следовательно, чувствительность прибора возрастает по направлению к концу шкалы.

Площадь отверстия fK растет пропорционально высоте h, так что fK = kh, где k = const. Подставляя это значение fк в уравнение (143), получим

Этот случай довольно близко соответствует обычным поплавковым парам (см. рис. 156). Здесь чувствительность прибора уменьшается по направлению к концу шкалы, которая будет аналогичной шкале расходомера с прямоугольным отверстием истечения.

Закон изменения площади fк обеспечивает шкалу, пропорциональную расходу Q = ah, где а = const. Подставляя это значение Q в уравнение (140) и решая его относительно fK, найдем

, где

Так как fк = р (r2c -- r2п), где гс и гп -- радиусы седла и поплавка, то, следовательно,

Если силой R можно пренебречь, то уравнение упрощается и принимает вид

r2c - r2п =

Эти уравнения позволяют определить профиль седла при заданном радиусе rп цилиндрического поплавка или же профиль поплавка при заданном радиусе rс цилиндрического отверстия.

Поплавково-пружинные расходомеры могут быть выполнены также и поршневого типа с проходным отверстием в цилиндрической втулке.

Устройство поплавково-пружинных расходомеров

Рис.2 Схема расходомера

Рис.3 Поплавково-пружинный расходомер

Одним из первых поплавково-пружинных расходомеров явился паромер Попова [10], состоящий из поршня, связанного штоком с пружиной и перемещавшегося в бронзовой втулке, с рядом продольных щелей, суживающихся кверху. Таким образом, здесь имелась возможность получить пропорциональность между расходом и ходом поршня.

В последние годы поплавково-пружинные расходомеры вновь стали находить применение на практике. На рис. 2 показана принципиальная схема расходомера, получившего распространение в Японии для измерения расхода нефти и других жидкостей, а также пульп [481. Поток поступает по трубе 1. Роль поплавка выполняет колокол 2 полусферической формы, нагруженный пружиной 3 и несущий плунжер 4, являющийся элементом дифференциально-трансформаторного преобразователя перемещения коло кола 2. Разработан ряд подобных приборов для труб диаметром от 10 до 260 мм, охватывающих расходы от 30--150 л/ч до 200-- 1000 м3/ч при давлении до 2 МПа (20 кгс/см2) и температуре до 120° С.

В Индии для измерения расходов жидкости предложен расходомер (рис. 3), который состоит из шарового поплавка 3, перемещающегося в верхней цилиндрической трубке 4 и связанного с пружиной 2, укрепленной в днище нижней трубки 1. При отсутствии расхода поплавок занимает нижнее положение. Здесь кольцевая площадь проходного сечения постоянна и не зависит от величины подъема поплавка h, поэтому расход Q будет пропорционален h. Кроме того, в Индии же были предложены поплавковые расходомеры, в которых роль пружины выполняет гидростатическое давление на хвостовую часть поплавка, погруженную в жидкость более тяжелую, чем измеряемая.

Все рассмотренные расходомеры имеют вертикальный ход поплавка. На рис. 4 показан расходомер, в котором подвижная система, состоящая из диафрагмы 4 и магнитной втулки 5 вместе с охватывающей их обоймой, перемещается горизонтально и при этом сжимает пружину 2. Натяг последней регулируется гайкой 1. Подвижная система движется внутри немагнитной трубки 6, снаружи которой находится индуктивная катушка 3.

1.3 Шариковые расходомеры обтекания

Принципиальная схема устройства шарикового расходомера обтекания показана на рис. 4. В цилиндрической полукольцевой трубке находится шарик, который занимает крайнее нижнее положение при отсутствии движения жидкости. По мере возникновения расхода шарик все выше поднимается в трубке. Угол И, определяющий положение шарика, есть мера расхода. Равновесие шарика можно рассматривать под действием двух сил: веса

G = V (рш -- р) g

Коэффициент сопротивления Шш зависит от числа Re и отношения dш/dT диаметров шарика и трубки. Результаты экспериментов по определению зависимости Шш от Re для четырех отношений dш/dT = 0,1; 0,2; 0,4 и 0,6 приведены в [44]. Как показали опыты, допустимы углы И, не превосходящие 60°. При больших углах шарик становится неустойчивым. Это объясняется тем, что сила F приложена не в центре шарика [26 ], а на расстоянии х от наружной стенки, большем, чем dш/2. При этом создается момент, стремящийся вращать шарик по часовой стрелке. При И>6О° этот момент преодолевает силу трения о стенку трубы и шарик начинает вращаться.

и гидродинамического давления потока

Если принять, что сила F приложена в центре шарика, то, очевидно,

G sin И = F.

Отсюда

Это уравнение дает зависимость между расходом Q и углом И

Достоинства и недостатки:

Расходомеры переменного перепада давления (РППД) с сужающим устройством получили исключительно широкое распространение и составляют не менее 70-80 % всех расходомеров, установленных не только у нас, но и за рубежом.

Причиной этого являются следующие три очень важных их достоинства.

Универсальность применения. Они пригодны для измерения расхода любых однофазных сред, а в известной мере и двухфазных. Кроме того, они пригодны для измерения расходов самой различной величины в трубах, практически, любого диаметра и, практически, при любом давлении и температуре.

Удобство массового производства. Индивидуально изготавливается только преобразователь расхода - сужающее устройства. Все же остальные части, и в том числе наиболее сложные, дифманометр и вторичный прибор, могут изготовляться крупно-серийно. Их устройство не зависит ни от рода измеряемой среды, ни от величины расхода.

3. Отсутствие необходимости в образцовых расходомерных установках в случае применения в качестве преобразователей расхода стандартных сужающих устройств, установленных в трубах, имеющих диаметр не менее 50 мм.

Наряду с этим расходомеры с сужающим устройством имеют и недостатки, из которых наиболее важным является квадратичная зависимость между расходом и перепадом, следствием чего является неравномерность шкалы, весьма малый диапазон измерения, Qmax/Qmin = 3/1 и затруднения, возникающие при применении их для измерения переменных расходов.

К числу других их недостатков можно отнести ограниченные точность и быстродействие и наличие ртути в некоторых типах дифманометров.

2. Расчет ТФХ водяного пара

Измеряемая среда: водяной пар

Рабочие значения параметров газа:

- температура газа t = 230-300 °C

-абсолютное давление газа p = 1,3-1,6 МПа

-объемный расход среды qv = 63-250 т/час

Из учебного пособия [3] следует формула для расчета коэффициента динамической вязкости:

где - приведенная температура перегретого водяного пара;

- температура перегретого водяного пара в ;

- приведенное давление перегретого водяного пара;

- абсолютное давление перегретого водяного пара в

tпр=0,831 ; tпр2=0,691; tпр3=0,575; tпр4=0,478; tпр5=0,397; tпр6=0,330

рпр=0,07 Мпа; рпр2=0,005 Мпа; рпр3=0,0003 Мпа; рпр4=0,18*10-4 Мпа.

Подставляем:

з = 10-7 *[(-15,472+271,28-78,034+9,568)+0,07*(94,942-129,626)+0,005*(-19,052+180,130-169,44)+0,0003*(-1281,1+5908,78-9108,1+4694,2)] = 10-7* *[(187,342-2,42788-0,04181+0,064134) = 184,936*10-7 Па

Показатель адиабаты перегретого водяного пара вычисляется по формуле

Подставляем:

г = (1,151215+0,2379+0,0844)+0,07*(0,2568-0,344)+0,005*(-39,0946+207,88-410,53+356,88-115,51)+0,0003*(18,125-77,908+110,8-52,09)=1,473515-0,006104-0,001873-0,0003219=1,465

Плотность перегретого водяного пара вычисляется по формуле

где - коэффициент сжимаемости перегретого водяного пара,

Подставляем:

Ж = 1+0,07*(0,5306-2,006+2,4-1,599)+0,005*(67,87-429,83+1074,47-1327,9+813,10-198,33)+0,0003*(179,74-1295,27+3692,23-5206,32+3625,22-993,24)+0,000018*(151,1386-1164,06+3587,17-5527,14+4264,67-1317,89) =

= 1-0,0472-0,0031+0,000708-0,00011 = 0,950

В итоге плотность водяного пара равна:

отсюда с = 6,550 кг/м3

Из ГОСТ 8.586.1-2005 следует формула для Re - числа Рейнольдса:

, где

qm - массовый расход газа, т/час;

з - динамическая вязкость;

D - диаметр условного прохода трубопровода, мм

(согласно [1] пункт 5.1.5)

qv=250 т/час=250*1000 кг/3600с=69,44 м3/с

кг/с

Значение qm выбирается из а*10n, где n - целое (положительное или отрицательное) число или нуль;

а - одно из чисел ряда: 1;1,25;1,6;2;2,5;3,2;4;5;5,3;8.

Значение qm при а=1,25 и n=1, то qm=12,5 кг/с; з=184,936*10-7 Па*с; р=3,14;

D=704 мм, подставляем:

Таблица 1. Результаты расчетов 2ой главы

Обозначение	Наименование	Данные
м	Молярная масса среды	18,015 г/моль
Ж	Коэффициент сжимаемости	0,950
с	Плотность водяного пара	6,550 кг/м3
з	Динамический коэффициент вязкости	184,936*10-7 Па*с
Re	Число Рейнольдса	12,5*105
г	Показатель адиабаты	1,465

3. Расчет диаметра СУ

Массовый расход газовой смеси в общем случае рассчитывается по формуле из [3]:

Где

Кш - поправочный коэффициент, учитывающий шероховатость внутренней поверхности ИТ. Принимаемый = 1;

E - коэффициент скорости входа=1;

C - коэффициент истечения;

- коэффициент расширения;

d - диаметр горловины СУ, м;

- плотность газовой смеси, кг/м3;

- перепад давления на СУ, Па.

Необходимо определить диаметр СУ - d. Из ГОСТ 8.586.1-2005 следующая формула в=d/D, d=в*D.

Значение коэффициента в , согласно [3] (пункт 5.1.2), должно удовлетворять условию 0,30 ? в ? 0,75.

Значения перепада давления (при ? 16 МПа) выбираются из ряда предпочтительных чисел:

0,01МПа;

0,016МПа;

0,025МПа;

0,04МПа;

0,063МПа;

0,1МПа;

0,16МПа;

0,25МПа.

Параметр находится при помощи функции root в пакете программ MATHCAD (Приложение А).

В таблице 2 показаны значения перепада давления и соответственные значения коэффициента .

Таблица 2 - Результаты вычислений в программе MATHCAD

0,0063	0,027
0,01	0,308
0,016	0,666
0,025	1,091

Из полученных значений условию 0,30 ? ? 0,75 удовлетворяют 2 значения.

При = 0,01*106 при в = 0,308

При = 0,016*106 при в = 0,666

Оставшиеся значения коэффициента лежат за пределами установленных границ.

Для каждой пары значений и рассчитывается потеря давления.

Потеря давления определяется согласно формуле из ГОСТ 8.586.2-2005.

Для этого нужно рассчитать А, С.

А1 = 0,014 при в1 = 0,308 А2 = 0,025 при в2 = 0,666

С1 = 0,599 (А1 = 0,014 при в1 = 0,308) С2 = 0,603 (А2 = 0,025 при в2 = 0,666)

Потеря давления считается по формуле:

Дщ1= 1,393*104

Дщ2=1,488*104

Наилучшим является тот вариант, в котором потеря давления будет наименьшей:

Дщ1= 1,393*104

Следовательно, выбирается пара значений: Дp = 0,01Мпа, в = 0,308.

Вычисляется диаметр отверстия СУ по формуле согласно ГОСТ 8.586.1-2005

(пункт 3.2.12): d = в*D.

d = 0,308*0,704 м = 0,216 м = 216 мм.

4. Выбор дифманометра и проектирование СУ

4.1 Выбор дифманометра

Перепад давления на СУ определяется с помощью дифманометра показывающего сигнализирующего ДСП-4Сг-М1 путем его подсоединения через соединительные трубки к отверстиям для отбора давления.

Дифманометр показывающий сигнализирующий ДСП-4Сг-М1имеет технические характеристики, приведенные в таблице 3.

Таблица 3

Наименование технической характеристики	Наиболее ближайшее подходящее значение
Предельно допускаемое рабочее избыточное давление, МПа	6,3·106
Предельный номинальный перепад давления, МПа	0,01·106
Класс точности	1
Верхний предел измерений	25

4.2 Выбор материала СУ

Диафрагму, изготавливают из коррозионно эрозионно-стойкого по отношению к среде материала, температурный коэффициентлинейного расширения которого известен в рабочем диапазоне температур. Выбранным материалом

-для диафрагмы является сталь 09Г2С ГОСТ 8.586-2005;

-для камеры диафрагмы сталь 09Г2С;

-для трубы сталь 10Г2 ГОСТ 20295-85;

-для фланца сталь 10Г2 ГОСТ 12820-80;

-для шайбы пружинной сталь 65Г ГОСТ 6402-70;

-для шпильки с резьбой сталь 40Х ГОСТ 9066-75;

-для гайки сталь 40Х ГОСТ 9066-75.

4.3 Обоснование размеров СУ

Поперечное сечение в осевой плоскости стандартной диафрагмы приведено на рисунке 5.

1 - входной торец диафрагмы; 2 - выходной торец диафрагмы

Рисунок 5 - Стандартная диафрагма

Отверстие диафрагмы должно быть соосно с ИТ. Торцевые стороны диафрагмы должны быть плоскими и параллельными друг другу.

Конструкция диафрагмы и узла ее крепления должна гарантировать, что под действием перепада давления на ней или других напряжений уклон диафрагмы не будет превышать в рабочих условиях ± 1%.

Допускается считать требование к отсутствию деформации диафрагмы под действием перепада давления выполненным, если толщина диафрагм удовлетворяет следующим условиям согласно ГОСТ 8.586.2-2005 п. 5.1.5,3:

Где

Ед - толщина диафрагмы, м;

Еу - модуль упругости материала диафрагмы, Па;

ут - предел текучести материала диафрагмы при рабочей температуре, Па;

D' - внутренний диаметр опоры выходного торца диафрагмы в узле ее крепления, м;

Для определения ут и Еу используются справочные данные или информацию, предоставляемую производителем материала.

Е в пределах от 0,005D до 0,002D=»0,00352-0,001408, е=0,005

б=45є ± 15є.

На кромке G не допускается наличие каких-либо дефектов - вмятин, рисок, заусенцев и т.п. G <0,0004d=» G<0,00018

Кромки Н и I должны быть без заусенцев, фасок или закругления. Допускаются небольшие дефекты (например, одиночная царапина).

ут = 350 Мпа , Еу = 200000 Мпа из справочника.

?рmax = 0,25*106 Па

l1 = 1+0,1*D = 1,07 м

l2 = 0,5+0,02*D = 0,51 м

После подстановки получаем:

а = 2,688;

b = 94,069;

И = -408,238;

с = 11,665

Ед = 0,023;

Q = -1,171*104;

А = 22,566;

В = 6,03;

0,023?0,704/22,566+6,03+11,665=0,704/40,261

0,023?0,0174

0,05*0,704=0,0352 не превышает

Значение диаметра горловины d рассчитывается по [2] (формула 5.4.):

d = d20 *KCY

рассчитывается по [2] (формула 5.6.):

KCY = 1+бtCY (t-20)

- температурный коэффициент линейного расширения материала СУ;

- рабочая температура, °С.

Значение температурного коэффициента линейного расширения для стали марки 09Г2С рассчитывается по [2] (формула Г.1):

где - постоянные коэффициенты, определяемые в соответствии с таблицей Г.1 [11].

Для марки стали 09Г2С значения коэффициентов следующие:

а0 = 10,680

а1 = 12,000

а2 = 0

Температурный коэффициент линейного расширения материала равен:

бtCY = 10-6 [10,680+12,000*(265/1000)+0*(265/1000)2] = 1,386*10-5

КСУ = 1+1,386*10-5*(265-20) = 1,003

Тогда значение диаметра горловины d равно:

d20 = 0,216/1,003 = 0,215

5. Метрологические характеристики спроектированного расходомера

5.1 Расчет неопределенности результата измерений

Неопределенность расхода при измерении массового расхода газа рассчитывается по [4], формула (10.14):

где

- неопределенность коэффициента истечения;

- неопределенность поправочного коэффициента Кш;

- неопределенность поправочного коэффициента Кп;

- неопределенность измерения условного диаметра трубопровода;

- неопределенность измерения диаметра горловины СУ;

- неопределенность коэффициента расширения;

- неопределенность результата измерения перепада давления;

- неопределенность результата измерения плотности газовой смеси при рабочих условиях.

Неопределенность коэффициента истечения рассчитывается по ГОСТ 8.586.5-2005 (формула 10.17):

, где

- методическая составляющая неопределенности измерения коэффициента истечения СУ;

- составляющая неопределенности коэффициента истечения, которая обусловлена сокращением длины прямолинейных участков;

- составляющая неопределенности коэффициента истечения, которая обусловлена сокращением длины прямолинейных участков между СУ и гильзой термометра;

- составляющая неопределенности смещения оси отверстия СУ относительно ИТ;

- составляющая неопределенности определения высоты уступа в месте стыка двух секций ИТ.

Методическая составляющая неопределенности измерения коэффициента истечения СУ определяется согласно ГОСТ 8.586.2-2005

UCo' = 1.667в-0,5

Составляющая неопределенности , так как местных сопротивлений перед СУ нет;

Составляющая неопределенности , по пункту 6.3.5 ГОСТ 8.586.2-2005;

Составляющая неопределенности , так как нет смещения оси отверстия СУ относительно ИТ;

Составляющая неопределенности , так как трубопровод на расстоянии 2D от СУ не является составным.

Таким образом, неопределенность коэффициента истечения СУ равна:

UC' = 0,5*(1,667*0,308-0,5) = 0,0067 %

Неопределенность поправочного коэффициента Кп для диафрагмы равна 0.

Неопределенность поправочного коэффициента Кш для диафрагмы рассчитывается по:

UКш' = [(кш-1)/Кш] UКш' = 0

Неопределенность измерения условного диаметра трубопровода определяется в соответствии с ГОСТ 8.586.5-2005 (пункт 10.3.2):

Неопределенность измерения диаметра горловины СУ определяется в соответствии с ГОСТ 8.586.5-2005 (пункт 10.3.2):

Неопределенность результата измерения плотности водяного пара определяется по показанию плотномера плотномер GD402 для рабочих условий: ?с = 0,05 кг/м3.

Uс' = 50*(?с/с) = 0,382 %

5.2 Определение класса точности расходомера

Предел допускаемой относительной погрешности средства измерения определяется по формуле в соответствии с [10]:

q·10n

где n- любое цело число;

q - отвлеченное положительное число, выбираемого из ряда значений

(1; 1,5; 2; 2,5; 4; 5; 6)

1·100=1,%

Класс точности на приборе обозначается в виде 1.

5.3 Расчет шкалы расходомера

Шкала расходомера строится по уравнению номинальной функции преобразования по ГОСТ 8.586.1-2005:

где

E - коэффициент скорости входа;

Кш - поправочный коэффициент, учитывающий шероховатость внутренней поверхности ИТ;

C - коэффициент истечения;

- коэффициент расширения;

d - диаметр горловины СУ, м;

- плотность газовой смеси, кг/м3;

- перепад давления на СУ, Па.

Предельное значение шкалы расходомера равно 20 кг/с. Угол поворота стрелки задается против часовой стрелки. Максимальный угол поворота 270°.

Шкала расходомера неравномерна. Точность показаний гарантируется в пределах от 30 до 100% от qm. Вследствие этого на часть шкалы в интервале от 0 до 30% от qm, оцифрованные отметки не наносятся.

где

, М2 = 0 при D ? 0,07112 м, L1 и L2 принимаются равными 0 для углового способа отбора давления.

С = 0,599

==0,993?1.

qm = 0.15*40000=30

Уравнение угла поворота стрелки:

- номинальный перепад давления, Па;

- суммарный угол поворота стрелки, равный 270°.

В таблице 4 показана зависимость угла поворота стрелки от величины массового расхода.

Оцифрованные отметки шкалы, кг/с
0	0	0
5	400	10,8
10	1600	43,2
15	3600	97,2
20	6300	170,0
25	10000	270

На основании данных таблицы 4 составляется чертеж шкалы расходомера

Заключение

В процессе выполнения задания на курсовой проект были изучены методы и средства измерения расхода газовой смеси с указанием области применения, а также изучен принцип измерения расхода по переменному перепаду давления на СУ, заданному в виде диафрагмы. Кроме того, были рассчитаны ТФХ водяного пара при указанном в задании температуре и давлении; рассчитаны все размеры СУ по ГОСТ 8.586 - 2005. Так же был выбран тип дифференциального манометра, используемого для измерения перепада давления на СУ, и материал деталей СУ и элементов присоединения его к трубопроводу. Разработан чертеж общего вида и чертеж детали диафрагмы. Были определены следующие метрологические характеристики спроектированного расходомера:

- номинальная функция преобразования;

- неопределенность результата измерения;

- класс точности;

- потеря давления;

- чертеж шкалы расходомера.

Результаты курсового проекта могут быть использованы в процессе проектирования расходомера, состоящего из сужающего устройства в виде диафрагмы и дифференциального манометр, для учета расхода водяного пара.

Список использованных источников

ГОСТ 8.009-84. Государственная система обеспечения единства измерений. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений.

ГОСТ 8.586.1-2005. Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств, часть 1. Принцип метода измерений и общие требования.

ГОСТ 8.586.2-2005. Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств, часть 2. Диафрагмы. Технические требования.

ГОСТ 8.586.5-2005. Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств. Часть 5. Методика выполнения измерений.

ГОСТ 7.32-2001. Структура и правила оформления.

ГОСТ 5520-79. Прокат листовой из углеродистой, низколегированной и легированной стали для котлов и сосудов, работающих под давлением. Технические условия.

ГОСТ 20295-85. Трубы стальные сварные для магистральных газонефтепроводов. Технические условия.

Кремлевский П. П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник. Л.: Машиностроение, 1989.

Приложение А

Расчет коэффициента с помощью программы MATHCAD

Размещено на Allbest.ru

...