1. Оценка современного состояния измерения расхода жидких и газообразных энергоносителей.

С развитием промышленности большое значение приобрели расходомеры жидкости, газа и пара. На данный момент для измерения расхода жидких и газообразных энергоносителей применяется свыше 600 видов различных расходомеров.

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. Расходомеры способствуют повышению качества изготовления продукции, устранению брака, экономии исходных материалов.

В настоящее время к расходомерам предъявляется более десятка требований, удовлетворить которые совместно достаточно сложно и не всегда возможно. К этим требованиям относятся: высокая точность измерения (приведенная погрешность от 0,1 до 1,5%), надежность, независимость результатов измерения от изменения плотности вещества, быстродействие прибора, большой диапазон измерения (от 0,001мі/час до 27000 мі/час), необходимость измерения расхода веществ не только в обычных, но и в экстремальных условиях при очень низких и очень высоких давления (до 900 бар) и температурах (от - 273 єС до +700 єС).

2. Актуальность измерения расхода

На сегодняшний день актуальна проблема измерения расхода газовых сред с высокой точностью. Повышение точности достигается как за счет применения новых прогрессивных методов и приборов (тахометрических, электромагнитных, ультразвуковых и т.п.), так и за счет совершенствования старых классических методов.

3. Цели и задачи курсового проекта

Цели:

1. Выполнение задания на курсовой проект.

2. Развитие навыков самостоятельных решений различных инженерных задач при выполнении полученного задания.

Задачи:

1. Изучение НТД на расходомеры переменного перепада давления с соплом ИСА 1932, чертежей, а также другой дополнительной литературы.

2. Изучение системы Mathcad 14.0.0.163 для решения необходимых математических задач.

3. Изучение метода переменного перепада давления.

1. Измерение расхода среды

1.1 Средства измерения расхода

Большое разнообразие и сложность требований, предъявляемых к расходомерам и счетчикам, явилось причиной разработки и создания значительного числа разновидностей приборов.

Расходомер - прибор или устройство из нескольких частей, измеряющий расход вещества (жидкости, газа или пара).

Условно расходомеры и счетчики можно подразделить на следующие группы.

А. Приборы, основанные на гидродинамических методах:

переменного перепада давления;

переменного уровня;

обтекания;

вихревые;

парциальные.

Б. Приборы с непрерывно движущимся телом:

тахометрические;

силовые (в том числе вибрационные).

В. Приборы, основанные на различных физических явлениях

тепловые;

электромагнитные;

акустические;

оптические;

ядерно-магнитные;

ионизационные.

Г. Приборы, основанные на особых методах:

коррекционные;

меточные;

ионизационные.

Среди приборов группы А исключительно широкое применение получили расходомеры с СУ, относящиеся к прибором переменного перепада давления. Для малых расходов жидкостей и газов служат ротаметры и поплавковые приборы, относящиеся к расходомерам обтекания весьма перспективны вихревые расходомеры.

Из группы Б значительное применение находят различные разновидности тахометрических расходомеров: турбинные, шариковые и камерные (роторные, с овальными шестернями), последние - в качестве счетчиков газа, нефтепродуктов и других жидкостей.

Среди разнообразных приборов группы В чаще других применяют электромагнитные расходомеры для измерения расхода электропроводных жидкостей и ультразвуковые (разновидность акустических) для измерения жидкостей и частичного газа. Реже встречаются тепловые - для измерения малых расходов жидкостей и газов.

Меточные и концентрационные расходомеры, относящиеся к группе Г, служат для разовых измерений, например при проверке промышленных расходомеров на месте их установки. Корреляционные приборы перспективные, в частности, для измерения двухфазных сред.

Количество вещества можно измерять либо в единицах массы килограмм (кг), тонна (т), либо в единицах объема кубический метр (м³), литр (л). В соответствии с выбранными единицами может производиться измерение либо массового расхода Q_м (единицы кг/с, кг/ч, т/ч и т.д.), либо объемного расхода Q_o (единицы м³/с, л/с, м³/ч и т.д.). Единицы массы дают более полные сведения о количестве или расходе вещества, чем единицы объема, так как объем вещества, особенно газов, зависит от давления и температуры. При измерении объемных расходов газов для получения сопоставимых значений результаты измерения приводят к определенным (так называемым нормальным) условиям. Такими нормальными условиями принято считать температуру t_н = 20°С, давление р_н = 101325 Па (760 мм ртутного столба) и относительную влажность ц=0. В этом случае объемный расход обозначается Q_н и выражается в объемных единицах.

Q = k

где k - коэффициент, зависящий от параметров сужающего устройства, плотности и вязкости вещества;

ДP - перепад давлений.

1.2 Меточные расходомеры

Меточными называют расходомеры, основанные на измерении времени перемещения какой-либо характерной части (метки) потока на контрольном участке пути.

Метку в потоке создают, как правило, искусственным путем. Метки могут быть самые разнообразные: ионизационные, радиоактивные, физико-химические, тепловые, оптические, ядерно-магнитные и др. Соответственно различны будут устройства для создания метки и ее детектирования при прохождении ею контрольного участка пути. Радиоактивные, физико-химические и некоторые оптические метки создают путем ввода в поток постороннего вещества-индикатора. В большинстве остальных случаев метка образуется в самом потоке без ввода постороннего вещества. Меточные расходомеры - приборы не непрерывного, а дискретного действия, но при высокой частоте образования меток можно практически говорить о непрерывном измерении расхода. Значительно чаще меточные расходомеры применяют не в качестве эксплуатационных приборов для непрерывного измерения, а для различных лабораторных и исследовательских работ, и в частности при градуировке и поверке других расходомеров.

Погрешность измерения расхода у меточных расходомеров колеблется от плюс минус (0,1ч0,2) до (2-3) процентов в зависимости от рода метки, измерительной аппаратуры, способа детектирования и соответствия скорости перемещения метки средней скорости потока. Наибольшая точность достигается при отсутствии необходимости в отборе проб в контрольных сечениях. Длина контрольного участка, в зависимости от рода метки, может быть от нескольких миллиметров до нескольких километров.

Меточные расходомеры могут быть с одним или двумя детекторами метки. В первом случае рисунок 1.2 (а) контрольное расстояние L считается от места ввода метки 1 до детектора 2, во втором рисунок 1.2 (б) - между двумя детекторами 2 к 3.

Рисунок 1.2 - Принципиальные схемы меточных расходомеров

Обычно у меточных расходомеров расстояние L в процессе измерения остается неизменным, но были разработаны расходомеры, у которых время Дт поддерживалось постоянным путем автоматического перемещения одного из детекторов и изменения таким образом расстояния L, которое в этом случае будет измеряемой величиной. В этом случае достигается линейность шкалы, но усложняется устройство. Такие расходомеры не получили распространения.

1.3 Приборы с электромагнитными метками

Исходные данные

Измеряемая среда: смесь из трех компонентов - азота, диоксида углерода и воздуха.

Состав смеси в массовых долях g:

0,2O₂+ 0,3N₂ + 0,5CO₂.

Рабочие значения параметров смеси:

1. Температура смеси Т = 900 К;

2. Абсолютное давление смеси р = 1,1 МПа.

Для построения математической модели расходомера, предназначенного для измерения расхода жидких и газообразных энергоносителей, требуется рассчитать тепловые сопротивления между некоторыми элементами. Формулы тепловых сопротивлений содержат коэффициенты теплообмена, которые, в свою очередь, зависят от теплофизических параметров газового потока.

Из работы [2], в частности, следует, что для расчета коэффициентов теплообмена требуется определить, по крайней мере, следующие ТФХ газового потока:

с - плотность среды, кг/м;

з - динамическую вязкость среды, Па·с;

н - кинематическую вязкость среды, м? с;

k_см - показатель адиабаты газовой среды;

С - удельную изобарную теплоемкость среды, Вт·с/ (кг·К);

С - удельную изохорную теплоемкость среды, Вт·с/ (кг·К).

2.1 Методика расчета

Расчет указанных ТФХ может быть произведен в следующей последовательности.

1. Составляется таблица необходимых физических констант компонентов по данным справочника [18]. Для удобства пользования составленной таблицей и проведения дальнейших расчетов каждому компоненту газовой смеси может быть присвоен свой номер, а сами физические константы компонентов следует при этом проиндексировать соответствующими номерами:

Таблица 2.1 Исходные данные. Физические характеристики компонентов газовой смеси

2. Вычисляется кажущаяся молярная масса газовой смеси по формуле:

м_см =

После подстановки имеем

3. Вычисляются объемные доли компонентов газовой смеси по формуле:

После подстановки числовых значений имеем

Проверяется условие:

4. Вычисляются парциальные давления компонентов газовой смеси по формуле с точностью до двух знаков после запятой:

p_i = r_ip [МПа].

После подстановки имеем:

p₁ = 0,2618Ч1,2 МПа » 0,31 МПа;

p₂ = 0,1353Ч1,2 МПа » 0,16 МПа;

p₃ = 0,6029Ч1,2 МПа » 0,72 МПа.

5. Составляются таблицы из близлежащих по температуре и давлению ТФХ компонентов газовой смеси для проведения интерполяции (по данным справочника [18]).

Таблица 2.2 - ТФХ кислорода при Т = 900 К

Таблица 2.3 - ТФХ азота при температуре Т = 900 К

Таблица 2.4 - ТФХ диоксида углерода при Т = 900 К

6. Формула линейной одномерной интерполяции в этом случае примет вид:

где Y - значение искомой ТФХ компонента газовой смеси при парциальном давлении p ();

p_м - ближайшее меньшее табличное значение давления;

р_б - ближайшее большее табличное значение давления;

Y_м - табличное значение ТФХ при давлении p_м;

Y_б - табличное значение ТФХ при давлении р_б.

7. Вычисляется фактор сжимаемости смеси:

z 0,2618·1,00093+ 0,1353·1,0005 + 0,6029·1,00158 = 1,0014.

8. Вычисляется плотность смеси:

9. Вычисляется динамическая вязкость газовой смеси по формуле (2.4), которая в общем случае при n = 4 имеет вид:

где

В принятых индексах формула преобразуется в следующий вид:

где

Коэффициенты ?_ij при этом принимают вид:

После подстановки коэффициенты ?_ij принимают значения:

ц₁₂ =

и далее аналогично, подставляя значения з_i, з_j, м_i, м_j в предыдущую формулу получаем:

ц₁₁ = 1; ц₁₂ = 0,98; ц₁₃ = 1,245; ц₂₁ = 1,019; ц₂₂ = 1; ц₂₃ = 1,283; ц₃₁ = 0,788;

ц₃₂ = 0,781; ц₃₃ = 1.

10. Вычисляется коэффициент кинематической вязкости смеси:

.

11. Вычисляется удельная изобарная теплоемкость смеси по формуле:

= 0,3?1, 1471 + 0,2?1, 0722

+ 0,5?1, 2063= 1,162

12. Вычисляется удельная изохорная теплоемкость смеси по формуле:

= 0,3?0, 8491 + 0,2?0, 812

0,5?0, 0151= 0,925

13. Вычисляется показатель адиабаты газовой смеси:

k_см =

В итоге получают ТФХ смеси:

- плотность смеси;

- динамическая вязкость смеси;

- кинематическая вязкость смеси;

k_см =1,256 - коэффициент теплопроводности смеси;

- удельная изобарная теплоемкость смеси;

С=925 - удельную изохорную теплоемкость среды, Вт·с/ (кг·К).

3. Расчет размеров сужающего устройства

3.1 Расчет перепада давления и относительного диаметра отверстия

Расход среды - количество среды, протекающей через отверстие или горловину СУ в единицу времени.

Массовый расход выражают массой среды в единицу времени, объемный расход при рабочих условиях измерений - действительным объемом среды в единицу времени, стандартный объемный расход - приведенным к стандартным условиям в соответствии с требованиями ГОСТ 2939 "Газы. Условия для определения объема".

По формуле (5.1) ГОСТ 8.586.1-2005 уравнение массового расхода имеет вид:

. (1)

1. Число Рейнольдса, которое характеризует отношение силы инерции к силе вязкости потока:

Re = ;

2. Рассчитывают массовый расход

.

По формуле (5.9) ГОСТ 8.586.5-2005 [стр.7] выбираем ближайшее большее из ряда предпочтительных чисел. Таким образом, q_{m= 3,2 кг/с}

3. Максимальное значение объемного расхода при рабочих условиях по ГОСТ 8.586.1-2005:

.

4. Минимальное значение массового расхода при рабочих условиях:

5. Рассчитывается плотность смеси при стандартных условиях:

.

6. Коэффициент истечения С - отношение действительного значения расхода жидкости к его теоретическому значению. В общем случае коэффициент истечения зависит от типа СУ (потери энергии на нем), места расположения отверстий для отбора давления, от относительного диаметра отверстия СУ, числа Рейнольдса, неравномерности распределения скоростей по сечению (вызванной местными сопротивлениями и шероховатостью трубопровода и т.д.).

Коэффициент истечения С сопел ИСА 1932 определяется по формуле (5.1) ГОСТ 8.586.3-2005 (стр.5):

С=.

7. Расчитывается коэффициент скорости входа, согласно формуле (3.6) ГОСТ 5.586.1-2005 (стр.4):

.

8. Значение поправочного коэффициента на шероховатость внутренней поверхности измерительного трубопровода К_ш для сопел ИСА 1932 принимается равным единице: .

9. Поправочный коэффициент К_п на притупление входной кромки отверстия сопла ИСА 1932 не учитывается.

10. Коэффициент, учитывающий изоэнтропическое расширение газа на СУ, называют коэффициентом расширения. Он определяется по формуле (5.2) ГОСТ 5.586.3-2005 [стр.5]:

, где

Показатель изоэнтропии (адиабаты) смеси является термодинамической характеристикой потока сжимаемых сред, отображающей термодинамический процесс, происходящий без теплообмена с окружающей средой (к=1,256).

11. При подстановке данных коэффициентов в формулу (1), получим:

12. Проверяется выполнение неравенства:

Др_в?0,25р

13. По данным ГОСТ 8.586.3 - 2005 определяется значения верхней границы Re_в и нижней границы Re_н диапазона допускаемых значений Re для выбранного СУ:

Re_н = 1,5•10⁴

Re_в = 2•10⁶

14. Рассчитываем значения верхней границы Re_max и нижней границы Re_min рабочего диапазона значений Re по формулам:

Re_max==3·10⁵

Re_min==1,84 ·10⁵

15. Проверяется выполнение неравенств:

Re_в ?Re_max

Re_н ?Re_min

2·10⁶?3·10⁵

1,5·10⁴?1,84·10⁵

16. Рассчитывается значение вспомогательной величины А по формуле:

где

с - плотность газовой смеси, кг/мі

17. По данным ГОСТ 8.586.3-2005 определяется значение верхней границы в_в и нижнее границы в_н диапазона допускаемых значений в для выбранного типа СУ:

в_в = 0,316;

в_н = 0,775.

18. Рассчитываются значения вспомогательных величин В1 и В2 по формулам:

где

Е₁, Е₂ - коэффициенты скорости входа при в_в и в_н, соответственно;

С₁ - коэффициент истечения при Re_max и в_в;

С₂ - коэффициент истечения при Re_min и в_н;

К_п1 - поправочный коэффициент К_п, для СУ К_п1 = 1;

К_п2 - поправочный коэффициент К_п, для СУ К_п2 = 1;

К_ш1 - поправочный коэффициент К_ш при Re_max и в_в;

К_ш2 - поправочный коэффициент К_ш при Re_min и в_н;

е₁ - коэффициент истечения при в_в, Др_в, к и р;

е₂ - коэффициент истечения при в_н, Др_в, к и р;

где - показатель адиабаты;

;

В₁ = 0,603;

В₂ = 0,009;

19. Рассчитываются значения вспомогательных величин д1 и д2 по формулам:

д1 = (В₁ - А) /А;

д2 = (В₂ - А) /А;

д1 = 13,02;

д2 = - 0,7;

20. Относительно неизвестной величины в решается следующее уравнение:

А = 0,877

21. Рассчитываем значение в по формуле:

в = (в_в + в_н) /2;

в = (0,775-0,316) /2 = 0,351;

22. Для значения в рассчитывается значение вспомогательной величины В по формуле:

В = 0,033;

23. Проверяется выполнение неравенства:

Неравенство не выполняется 0,958 ? 5•10;

Выполняется неравенство В‹ А. В этом случае принимается в_н = в = 0,351.

3.2 Расчет потери давления

1. Согласно ГОСТ 8.586.3-2005 потерю давления ?щ определяют по формуле:

?щ = (1 - в^1,9) •?р;

?щ = (1 - 0,351 ^1.9) •0,0063 •10 ⁶ = 5844 Па;

2. Расчет диаметра отверстия или горловины СУ при рабочей температуре среды d формула 3.1 ГОСТ 5.586.1-2005 (стр.3):

d = в?D = 0,351•0,5 м = 0,2412 м = 241,2 мм.

3. Для удобства дальнейших расчетов вычислим E, е.

.

.

4. Выбор дифференциального манометра и проектирование сужающего устройства

4.1 Выбор дифференциального манометра

Перепад давления на сужающем устройстве определяют с помощью дифференциального манометра ДСП-160-М1 путем его подсоединения через соединительные трубки к отверстиям для отбора давления. Он предназначен для измерения и визуального контроля параметров расхода жидкости, газа или пара по перепаду давления в сужающих устройствах, перепада избыточного и вакуумметрического давлений и уровня жидкости.

Выбор дифференциального манометра ДСП-160-М1 обосновывается тем, что он соответствует требованиям, предъявляемым к продукции данного вида, а технические характеристики ДСП-160-М1 позволяют использовать его в проектируемом расходомере. Основные характеристики дифференциального манометра ДСП-160-М1 приведены в табл.4.1.

Таблица 4.1 - характеристики дифференциального манометра ДСП-160-М1

4.2 Выбор материала сужающего устройства

5.1 Расчет погрешности

Неопределенность расхода среды при измерении объемного расхода газа, приведенного к стандартным условиям, в случае независимости с и с_с (например, с определяют с помощью плотномера) рассчитывается по формуле:

,

Где - относительная стандартная неопределенность коэффициента истечения;

- относительная стандартная неопределенность;

- относительная стандартная неопределенность;

- относительная стандартная неопределенность;

- относительная стандартная неопределенность;

- относительная стандартная неопределенность коэффициента расширения;

- неопределенность по плотномеру при стандартных условиях;

- неопределенность результата измерения Дp;

- неопределенность по плотномеру при рабочих условиях.

Составляющие неопределенности расхода среды.

1. Относительную стандартную неопределенность коэффициента истечения с учетом влияющих факторов рассчитывают по формуле:

, где

- неопределенность коэффициента истечения сопла ИСА 1932 равна 2в-0,4;

- составляющая неопределенности коэффициента истечения, которая обусловлена сокращением длины прямолинейных участков, равна 0% т.к. местных сопротивлений перед СУ нет.

- составляющая неопределенности коэффициента истечения, которая обусловлена сокращением длины прямолинейных участков между СУ и гильзой термометра, равна 0%, согласно (7).

- согласно (5) равна 0,3%

- согласно (5) равна 0%

- значение принимают равным 0,02%, по 10.3.2 (7)

- значение равно 0,1 % согласно 10.3.2 (7)

Подставим значения:

;

.

2. Относительную стандартную неопределенность коэффициента расширения рассчитывают по формуле

,

где

3. Неопределенность коэффициента расширения рассчитывают

по п.5.1.7.2 ГОСТ 8.586.3-2005, при условии, что неопределенности , , равны нулю.

Неопределенность результата измерения Др определяется классом точности дифференциального манометра. Поскольку класс точности дифманометра по заданию должен быть не ниже 2,0, то в своей работе я выбираю дифманометр с классом точности 1,0. Отсюда, %.

Значение % при стандартных условиях берется из паспорта плотномера. Значение % по паспорту плотномера при рабочих условиях.

4. Относительную стандартную неопределенность принимают равной Ѕ значения , которое находим согласно (5) (подпункт 5.3.3.3) . Т.к. поправочный коэффициент для сопел ИСА 1932 равен 1, то данная неопределенность равна 0%.

5. Относительную стандартную неопределенность принимают равной Ѕ значения , которое рассчитывают в соответствии с (5) (подпункт 5.3.3.4)

, где

- поправочный коэффициент, равный 1 по табл.6 (4);

- дополнительная составляющая неопределенность, обусловленная заменой текущего значения радиуса входной кромки диафрагмы на его усредненное значение

.

Подставляя получим, что равна 0%.

В результате вычислений неопределенности с использованием программы Mathcad получим:

.

5.2 Определение класса точности расходомера

Согласно [8], предел допускаемой относительной погрешности средства измерения определяется по формуле:

д = ±q • 10ⁿ,

где q - отвлеченное положительное число, выбираемое из ряда значений:

1 1,5 2 2,5 4 5 6;

где n - любое целое число.

Так как предел допускаемой погрешности сопла ИСА 1932 равен , а класс точности дифманометра - 1,0, то предел допускаемой погрешности расходомера принимаю равным - 1,5% (класс точности 1,5). Класс точности расходомера будет указан на шкале дифманометра.

Номинальная функция преобразования (зависимость объемного расхода от перепада давления на сужающем устройстве) определяется оп формуле:

Таким образом,

5.3 Расчет шкалы расходомера

Шкала расходомера строится по уравнению номинальной функции преобразования.

,

согласно 5.1 .

Предельное значение объемного расхода 0,603 м³/с. С целью упрощения процедуры считывания показаний со шкалы дифманометра, применим коэффициент 10^-2 к значениям расхода. Коэффициент будет указан на шкале дифманометра.

Угол поворота стрелки задается по часовой стрелке. Максимальный угол поворота 270є.

Согласно [7] шкала расходомера неравномерна. Точность показаний гарантируется в пределах от 30 до 100% от q_o. Вследствие этого на часть шкалы в интервале от 0є до 81є оцифрованные отметки не наносятся.

Па

, где

- номинальный перепад давления, Па.

Па

В таблице 5.1 показана зависимость угла поворота стрелки от величины объемного расхода.

Таблица 5.1 - Зависимость угла поворота стрелки от величины объемного расхода среды

На основании данных таблицы 5.1 составляется чертеж шкалы расходомера. (Приложение 1).

Заключение