Теплотехнические измерения

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Состав курсовой работы

2. Выбор технических средств измерения

3. Пояснения к графической части

4. Пояснения к расчетной части

4.1 Расчет суживающего устройства

4.2 Порядок расчета дроссельного устройства

4.3 Конструкция расходомерных диафрагм

4.4 Расчет измерительной схемы автоматического потенциометра

4.5 Расчет измерительной схемы автоматического моста

Литература

ВВЕДЕНИЕ

Определяющая роль в решении задач обеспечения эффективности производства, надежности и безопасности эксплуатации технологического оборудования принадлежит автоматизированным системам управления технологическими процессами (АСУ ТП). Базовой системой любой современной АСУ ТП является система автоматического контроля, позволяющая получать измерительную информацию о режимных параметрах технологических процессов. Вопросы организации измерений, выбора средств измерений и измеряемых параметров тесно связаны со спецификой технологических процессов и должны быть решены на стадии проектирования соответствующих технологических установок, т. е. инженер теплоэнергетик, участвующий в проектировании технологической установки, должен иметь соответствующие знания методов измерения различных физических величин и навыки их применения.

Эти знания будущие специалисты, обучающиеся по специальности 140104 "Промышленная теплоэнергетика" получают при изучении дисциплины "Теплотехнические измерения". Курсовая работа, предусмотренная рабочей программой этой дисциплины, способствует закреплению, углублению и обобщению знаний, полученных студентами за время обучения, и применению этих знаний к комплексному решению конкретных инженерных задач по разработке схем теплотехнического контроля теплоэнергетических установок.

Курсовая работа включает в себя разработку измерительного канала контроля одного из параметров технологической установки, выбор средств измерения, расчет суживающего устройства или измерительной схемы вторичного прибора в зависимости от варианта задания.

1. СОСТАВ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

Курсовая работа по проектированию измерительного канала контроля физического параметра технологического процесса состоит из пояснительной записки и графической части.

Текстовая часть (пояснительная записка) курсовой работы включает следующие основные разделы:

· Введение;

· Выбор технических средств измерения;

· Расчет погрешности измерительного канала;

· Расчет суживающего устройства (измерительной схемы вторичного прибора);

Графическая часть работы включает:

· функциональную схему разработанного измерительного канала;

· чертёж суживающего устройства (монтажный чертеж установки первичного преобразователя на технологическом оборудовании).

2. ВЫБОР ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ

Эта часть пояснительной записки включает в себя описание технологического процесса и обоснование выбора метода измерения заданного физического параметра. Основные проектные решения принимаются на основе анализа технологического процесса и действующих государственных и отраслевых нормативных документов.

Конкретные типы средств измерения выбирают с учетом особенностей технологического процесса и его параметров.

В первую очередь принимают во внимание такие факторы, как пожаро и взрывоопасность, агрессивность и токсичность среды, дальность передачи сигналов информации, требуемая точность и быстродействие. Эти факторы определяют выбор методов измерения технологических параметров, требуемые функциональные возможности приборов ( показание, запись и т.д.), диапазоны измерения, классы точности, вид дистанционной передачи и т.д.

Приборы и преобразователи следует подбирать по справочной литературе, исходя из следующих соображений:

- для контроля одинаковых параметров технологического процесса необходимо применять однотипные средства измерения, выпускаемые серийно;

- при большом числе одинаковых параметров рекомендуется применять многоточечные приборы;

- класс точности приборов должен соответствовать технологическим требованиям;

- для контроля технологических процессов с агрессивными средами необходимо предусматривать установку специальных приборов, а в случае применения приборов в нормальном исполнении нужно защищать их.

Наиболее распространенные типы промышленных вторичных приборов, входящих в Государственную систему промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП), представлены в таблице 1.

Таблица 1

Входной сигнал	Тип измерительного прибора
Давление сжатого воздуха	ПВ
Постоянное напряжение	КСП
Постоянный ток	КСУ
Электрическое сопротивление	КСМ
Взаимоиндуктивность	КСД

Приборы ПВ являются вторичными приборами пневматической системы "Старт" и применяются для измерения любых технологических параметров, предварительно преобразованных в давление сжатого воздуха (унифицированный пневматический сигнал).

Автоматические потенциометры КСП, уравновешенные мосты КСМ, миллиамперметры КСУ применяют для измерения и записи температуры и других параметров, изменение которых может быть преобразовано в изменение напряжения постоянного тока, активного сопротивления, силы постоянного тока.

Потенциометры КСП-4 в зависимости от модификации могут работать или в комплекте с одной или несколькими (если прибор многоточечный) термопарами стандартных градуировок, или с одним или несколькими источниками постоянного напряжения.

Уравновешенные мосты КСМ-4 работают в комплекте с одним или несколькими термометрами сопротивления стандартных градуировок, а миллиамперметры КСУ-4 - в комплекте с одним или несколькими источниками сигналов постоянного тока.

Вторичные приборы КСД работают в комплекте с первичными измерительными преобразователями, снабженными дифференциально-трансформаторными датчиками.

Каждый тип приборов, указанных выше, выпускается в различных модификациях, отличающихся размерами, диапазонами измерения, количеством входных сигналов, наличием вспомогательных устройств и т.д.

Выбирая тот или иной прибор по функциональному признаку, необходимо простоту и дешевизну аппаратуры сочетать с требованиями контроля и регулирования данного параметра. Наиболее важные параметры следует контролировать самопишущими приборами, более сложными и дорогими, чем показывающие приборы. Регулируемые параметры технологического процесса необходимо, также контролировать самопишущими приборами, что имеет значение для корректировки настройки регуляторов.

При выборе вторичных приборов для совместной работы с однотипными датчиками одной градуировки и с одинаковыми пределами измерения следует учитывать, приборы КСП, КСМ, КСД выпускаются с числом точек 3,6,12. В многоточечных приборах имеется переключатель, автоматически и поочередно подключающий датчик к измерительной схеме. Печатающее устройство, расположенное на каретке, отпечатывает на диаграмме точки с порядковым номером датчика.

При выборе вида унифицированного сигнала канала связи от датчика до вторичного прибора принимается во внимание длина канала связи. При длине до 300 м можно применять любой унифицированный сигнал, если автоматизируемый технологический процесс не является пожаро- и взрывоопасным. При пожаро- и взрывоопасности и расстоянии не более 300 м целесообразно использовать пневматические средства автоматизации, например приборы системы "Старт". Электрические средства измерения характеризуются гораздо меньшим запаздыванием и превосходят пневматические средства по точности (класс точности большинства пневматических приборов - 1,0, электрических - 0,5). Применение электрических средств упрощает внедрение вычислительных машин.

Выбирая датчики и вторичные приборы для совместной работы, следует обращать внимание на согласование выходного сигнала датчика и входного сигнала вторичного прибора.

Например, при токовом выходном сигнале датчика входной сигнал вторичного прибора тоже должен быть токовым, причем род тока и диапазон его изменения у датчика и вторичного прибора должны быть одинаковыми. Если это условие не выполняется, то следует воспользоваться имеющимися в ГСП промежуточными преобразователями одного унифицированного сигнала в другой (табл.2).

Таблица 2

Наиболее распространенные промежуточные преобразователи ГСП

Тип преобразователя	Входной сигнал	Выходной сигнал
ПТ-ТП 68	ЭДС термопары	Постоянный ток 0...5 мА
ПТ-ТС 68	Электрическое сопротивление	Постоянный ток 0...5 мА
НП-ТЛ1-М	ЭДС термопары	Постоянный ток 0...5 мА
НП-СЛ1-М	Электрическое сопротивление	Постоянный ток 0...5 мА
НП-3	Напряжение постоянного тока 0...2 В	Постоянный ток 0...5 мА
ЭПП-63	Постоянный ток 0...5 мА	Давление сжатого воздуха 0,2...1,0 кгс/см2

Промежуточный преобразователь НП-3 используется в качестве нормирующего для преобразования выходного сигнала дифференциально-трансформаторного преобразователя в унифицированный токовый сигнал.

Преобразователь ЭПП-63 осуществляют переход с электрической ветви ГСП на пневматическую.

При выборе датчиков и приборов следует обращать внимание не только на класс точности, но и на диапазон измерения. Следует помнить, что номинальные значения параметра должны находиться в последней трети диапазона измерения датчика или прибора. При невыполнении этого условия относительная погрешность измерения параметра значительно превысит относительную приведенную погрешность датчика или прибора. Таким образом, не следует выбирать диапазон измерения с большим запасом (достаточно иметь верхний предел измерения, не более чем на 25% превышающий номинальное значение параметра).

Если измеряемая среда химически активна по отношению к материалу датчика или прибора (например, пружинного манометра, гидростатического уровнемера, дифманометра для измерения расхода по методу переменного перепада давлений), то его защиту осуществляют с помощью разделительных сосудов или мембранных разделителей.

Разработанный измерительный канал изображается на рисунке в виде функциональной схемы, выполненной по ГОСТ 21.404--85.

На функциональной схеме показывается часть технологической установки с размещенным на ней первичным преобразователем, промежуточный преобразователь и измерительный прибор. Выбранные средства измерения заносятся в спецификацию приборов. Примеры изображения отдельных измерительных каналов приведены на рисунках 1-5.

Рис.1. Индикация и регистрация температуры (TIR).

101-1 Термоэлектрический термометр тип ТХА, гр. ХА, пределы измерения от -50 С до 900 С, материал корпуса Ст0Х20Н14С2, марка ТХА-0515;

101-2 Преобразователь термоЭДС в стандартный токовый сигнал 0…5 мА, гр. ХА, марка Ш-72;

101-3 Миллиамперметр показывающий регистрирующий на 2 параметра, марка А-542.

Рис. 2. Пример схемы контроля давления. Индикация давления (PI).

201-1 Манометр пружинный М-….

202-1 Пневматический первичный преобразователь давления, предел измерения 0… 1,6 МПа, выходной сигнал 0,02…0,1 МПа, марка МС-П-2 (манометр сильфонный с пневмовыходом);

202-2 Электроконтактный манометр с сигнальной лампой ЭКМ-1;

202-3 Лампа сигнальная Л-1.

Рис. 3. Сигнализация давления (PA).
Рис. 4. Индикация и регистрация давления (PIR, эл.).

204-1 Первичный преобразователь давления со стандартным токовым выходом 0…5 мА, марка МС-Э (или Сапфир-22ДИ и т.д.);

204-2 Миллиамперметр показывающий регистрирующий на 2 параметра, марка А-542.

Рис. 5. Схемы контроля расхода.

301-1 Диафрагма марки ДК6-50-II-а/г-2 (диафрагма камерная, давление Р_у = 6 атм, диаметр D_у = 50 мм);

301-2 Дифманометр с пневмовыходом 0,02…0,1 МПа, марка ДС-П1 (для пневматической схемы) или Сапфир-22ДД (для электрической схемы);

302-1 Ротаметр РД-П (с пневмовыходом) или РД-Э (с электрическим выходом).

Для измерения расхода жидкости первичные преобразователи устанавливаются в сечении трубопровода, поэтому на схеме их обозначения изображаются встроенными в трубопровод.

При использовании сужающих устройств, например, диафрагм, перепад давлений на них замеряется дифманометрами, поэтому схемы автоматизации аналогичны схемам контроля давления.

Функциональная схема теплового контроля является основанием для составления заказной спецификации средств измерения.

Спецификация на все показанные на функциональной схеме приборы и преобразователи оформляется в виде таблицы. Пример спецификации для фрагмента функциональной схемы контроля температуры приведен в таблице 3.

Таблица 3

Форма спецификации к функциональной схеме (рис. 1).

поз.	Измеряемые параметры среды	Наименование и техническая характеристика	Марка	Кол-во	Примечание
101-1	Температура в аппарате	Термоэлектрический термометр тип ТХА, гр. ХА, пределы измерения от -50 С до 900 С	марка ТХА-0515	1	На трубопроводе
101-2	Температура в аппарате	Преобразователь термоЭДС в стандартный токовый сигнал 0…5 мА, гр. ХА	марка Ш-72	1	по месту
101-3	Температура в аппарате	Миллиамперметр показывающий регистрирующий на 2 параметра	марка А-542	1	На щите

3. ПОЯСНЕНИЯ К ГРАФИЧЕСКОЙ ЧАСТИ

Разрабатываемые графические документы:

Лист 1. Схема теплового контроля.

Лист 2. Монтажный чертеж. Установка первичного преобразователя на технологическом оборудовании.

Лист 3. Чертеж суживающего устройства или измерительная схема вторичного прибора в зависимости от варианта задания.

Все чертежи выполняются в графическом редакторе AUTOCAD в полном соответствии с требованиями ЕСКД. Форматы чертежей А4.

4. ПОЯСНЕНИЯ К РАСЧЕТНОЙ ЧАСТИ

4.1 Расчет суживающего устройства

Дроссельные диафрагмы для измерения расхода среды могут использоваться без предварительной градуировки в трубопроводах круглого сечения с диаметром не менее 50 мм при m=d²/D² от 0,05 до 0,64 (d -- диаметр отверстия диафрагмы, D -- внутренний диаметр трубопровода) в случае наличия определенной длины прямых участков до и после диафрагм. Жидкость должна заполнять все сечение, фазовое состояние ее не должно изменяться. Расход среды может быть задан в единицах массы G -- кг/сек или в единицах объема Q -- м³/сек. Расчетные формулы для определения расхода среды имеют вид

,

,

где -- коэффициент расхода; е -- поправочный коэффициент на расширение среды (для газообразных сред); F₀ -- площадь проходного сечения диафрагмы, м²; -- плотность среды перед диафрагмой, кг/м³; P₁ - P₂=ДР -- перепад давления на диафрагме, Па.

Диафрагма должна быть выбрана таким образом, чтобы при всех значениях ожидаемого расхода среды коэффициент расхода б был величиной постоянной. Минимальное значение критерия Re, при дальнейшем росте которого коэффициент расхода б остается постоянной величиной, называется предельным значением критерия Рейнольдса.

При минимальном расходе среды значение Re должно быть больше Re_пред.

4.2 Порядок расчета дроссельного устройства

1. Задаются следующие исходные величины:

а) измеряемая среда;

б) параметры среды (давление, температура, состав);

в) максимальный и минимальный расходы среды;

г) допустимая величина потери давления на дроссельном устройстве или перепад давления на диафрагме.

2. По величине максимального расхода определяется внутренний диаметр трубопровода по формуле

, м,

где w -- средняя скорость среды в трубопроводе, м/сек.

Значения средней скорости потоков для расчета трубопроводов даны в таблице 4.

Таблица 4

Протекающая среда	Средняя скорость, м /сек
Жидкости	1--2
Газы: низкого давления среднего давления	2--10 10--20
Пар: низкого давления среднего давления высокого давления	20--40 40--60 60--80

Часто расход газа задается в нормальных кубических метрах в единицу времени (например, м³н/сек). В этом случае для перехода к массовому расходу объемный расход следует умножить на плотность газа при нормальных условиях с_н. Значения с_н для горючих газов и воздуха приведены в таблице 5.

Для определения плотности пара рекомендуется пользоваться hs -- диаграммой. По параметрам пара р и t по hs -- диаграмме определяется удельный объем . Плотность пара будет равна

.

Таблица 5

Физические параметры горючих газов и воздуха

№	Наименование среды	Динамический коэффициент вязкости, 106 , Пасек при температуре, 0С	Плотность при нормальных условиях, сн, кг/м3н
		0	100	200
1 2 3 4 5 6	Газ доменных печей (коксовых) Газ коксовых печей (очищенный) Газ природный бугурусланский Газ природный елшанский Газ природный дашавский Воздух	16,45 12,5 10,75 10,4 10,43 17,16	20,6 15,6 13,6 13.1 13,2 21,77	24,6 18,6 16,5 15,9 15,9 25,89	1,296 0,483 0,884 0,765 0,730 1,293

По подсчитанному значению диаметра выбирается ближайший стандартный по специальным руководствам или же, в случае отсутствия последних, может быть принят из таблицы 7. Для трубопроводов с температурой выше 450°С можно принять для расчета внутренний диаметр такой же, как и для труб с температурой до 450°С.

3. Выбирают расчетную величину расхода, которая соответствует верхнему пределу измерения дифференциального манометра расходомера. В качестве расчетного можно принимать максимальный расход.

4. Определяют значение критерия Рейнольдса для принятого расчетного расхода (Re_pacч) из выражения

,

где f -- площадь сечения трубопровода, м².

Таблица 6

Динамический коэффициент вязкости, м * 10⁷ Пасек, воды и водяного пара

t,	р, атм
°С	1	20	40	60	80	100	150
1	2	3	4	5	6	7	8
0	178	178	178	177	177	177	176
10	130,5	130,5	130,5	130,5	130,5	131,5	31,5
20	100	100	100	100	100	100	100
30	80,1	80,1	80,2	80,2	80,2	80,2	80,3
40	65,3	65,3.	65,3	65,4	65.5	65,5	65,6
50	54,9	54,9	55,0.	55,0	55,1	55,1	55,2
60	46,9	46,9	47,0	47,0	47.1	47,1	47,2
70	40,5	40,5	40,5	40,6	40,7	40,7	40,8
80	35,4	35,4	35,5	35,5	35,6	35,6	35,7
90	31,5	31,5	31,6	31,6	31,6	31,6	31,7
100	1,195	28,2	28,3	28,3	28,4	28,4	28,5
120	1,275	23,7	23,8	23,8	23,9	23,9	24,0
140	1,3	20,1	20,2	20,2	20,3	20,3	20,4
160	1,43	17,4	17.5	17,5	17,6	17,6	17,7
180	1,51	15,3	15,4	15,4	15,5	15,5	15,6
200	1,59	13,6	13,7	13,7	13,8	13,8	13,9
220	1,67	1,69	12,6	12,6	12,7	12,7	123
240	1,76	1,77	11,5	11,6	11,6	11,7	11,8
260	1,83	1,84	1,87	10,7	10.7	10,8	10,9
280	1,92	1,93	1,95	1,98	9,9	10,0	10,1
300	2,0	2,01	2,03	2,06	2,10	9,1	9,2
320	2,09	2,09	2,11	2.14	2,17	2,22	8,64
340	2,17	2,18	2,20	2,22	2,2	2,29	7,78
360	2,2	2,27	2,28	2,30	2,32	2,36	2,51
380	2,34	204	2,37	2,38	2,40	2,44	2,56
400	2,42	2,43	2,45	2,46	2,49	2,52	2,62
420	2,51	2,52	2,5	2,55	2,58	2,60	2,68
440	2.60	2,61	2,62	2,64	2,66	2,68	2,76
460	2,69	2,70	2,71	2,72	2,74	2,76	2,84
480	2,78	2,78	2,79	2,80	2,82	2,84	2,91
500	2,88	2,88	2,89	2,90	2,92	2,94	2,99
520	2,95	2,96	2,97	2,98	3,00	3,01	3,07
1	2	3	4	5	6	7	8
540	3,04	3,05	3,06	3,07	3,09	3,10	3,16
560	3,14	3,14	3,15	3,16	3,18	3,19	3,25
580	3,22	3,22	3,23	3,24	3,26	3,28	3,33
600	3.33	3,34	3,35	3,6	3,37	3,38	3,42

Примечание. Над чертой -- вода, под чертой -- пар.

Таблица 7

Значения стандартных диаметров трубопроводов

Рабочая температура, 0С	Рабочее давление, атм	Внутренний диаметр, мм
до 200	до 10 до 16	53,0 68,0 80,5 106,0 51,0 66,5 104
до 300	до 25	51,0 70,0 83,0 102,0 126,0
до 450	до 64 до 100	69,0 82,0 100,0 125,0 150,0 164,0 205,0 259,0 307,0 359,0 406,0 462,0 50,0 68,0 80,0 98,0 123,0 147,0 162,0 203,0 255,0 305,0 357,0 404,0 456,0

Для горючего газа и воздуха динамический коэффициент вязкости приведен в таблице 5, для воды и водяного пара - в таблице 6. При определении численных значений динамического коэффициента вязкости следует применять линейное интерполирование. В первом приближении можно считать, что динамический коэффициент вязкости газов не зависит от давления, а определяется лишь одной температурой.

5. Выбирают максимальный расчетный перепад давления

ДР = Р₁--P₂.

Если задана допустимая потеря давления Р_v, то ориентировочно можно принять ДР = 2Р_v. Величина ДР определяется типом дифманометра-расходомера.

6. Определяют диаметр трубопровода при рабочей температуре t по уравнению

,

где ₀ -- средний коэффициент линейного теплового расширения материала трубопровода; K_t -- поправочный множитель на тепловое расширение. Значения K_t приведены в таблице 8.

Таблица 8

Поправочный множитель K_t на тепловое расширение трубопровода и диафрагм

Материалы	Температура, °С
	100	200	300	400	500	600
Сталь марок 20, 20Н, 15М, 15ХМ, 12МХ	1,0009	1,0021	1,0036	1,0050	1,0066	1,0082
Сталь марок Х23Н13, Х18Н25С2	1,0010	1,0025	1,0045	1,0066	1,0081	1,0093
Сталь марки 1х18Н9Т	1,0012	1,0029	1,0048	1,0066	1,0082	1,0099
Бронза	1,0014	1,0031	1,0050	1,0069	1,0091	--
Чугун	1,0007	1,0017	1,0030	1,0044	1,0060	--

7. Определяют диаметр расточки диафрагмы d в следующей последовательности:

а) подсчитывают значения mб из соотношений



,

.

Величину е берут из таблицы 9 по подсчитанному значению ДС/P₁, принимая m = 0,3 (в первом приближении).

Таблица 9

Значения поправочного множителя на расширение среды, е

ДР/P1	х=1,3	х=1,4
	m=0	m=0,3	m=0,5	m=0,7	m=0	m=0,3	m=0,5	m=0,7
0,00	1,000	1,000	1,000	1,000	1,000	1,000	1,000	1,000
0,02	0,994	0,993	0,992	0,991	0,994	0,993	0,992	0,991
0,04	0,988	0,987	0,985	0,983	0,988	0,987	0,985	0,983
0,08	0,975	0,973	0,969	0,964	0,976	0,974	0,970	0,965
0,16	0,948	0,944	0,936	0,926	0,950	0,946	0,938	0,929
0,32	0,895	0,887	0,871	0,850	0,900	0,892	0,876	0,855

б) для найденного значения mб находят величину m.

Для нахождения значения m по известной величине mб строят графическую зависимость mб = f(m) при принятом значении D. Для этого по данным таблицы 10 берут четыре соответствующих значения m и mб и строят график mб = f(m). При определении mб нужно проводить интерполяцию, если диаметр трубопровода отличается от указанного в таблице. Желательно, чтобы из 4 точек две имели значение mб больше и две меньше, чем получилось при расчете по формуле. По построенному графику определяют численное значение m. Величину m рекомендуется определять с числом значащих цифр, соответствующих погрешности порядка 0,1%.

Таблица 10

Зависимость произведения mб от m и D

m	D, мм
-	300	200	100	50
0,05	0,03005	0,03020	0,03047	0,03065
0,75	0,04518	0,04541	0,04581	0,04610
0,10	0,06038	0,06070	0,06123	0,06265
0,125	0,07578	0,07618	0,07668	0,07740
0,15	0,0913	0,0918	0,0926	0,0933
0,20	0,1231	0,1237	0,1248	0,1258
0,25	0,1560	0,1567	0,1582	0,1597
0,30	0.1902	0,1910	0,1929	0,1948
0,35	0,2257	0,2268	0,2289	0,2314
0,40	0,2640	0,2652	0,2678	0,2707
0,45	0,3042	0,3056	0,3088	0,3021
0,50	0,3475	0,3492	0.3530	0,3569
0,55	0,3938	0,3960	0,4003	0,4048
0,60	0,4440	0,4467	0,4517	0,4569
0,65	0,4992	0.5024	0,5082	0,5112
0,70	0,5614	0.5653	0,5720	0,5788

в) определяют предварительное значение диаметра расточки диафрагмы при температуре +20°С из соотношения

8. Определяют потерю напора Р_v в диафрагме при расчетном расходе из соотношения

, Па.

Значение К, являющегося функцией от m, берется из таблицы 11.

9. Производят проверку определения диаметра расточки отверстия диафрагмы d.

Таблица 11

m	0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7
К	1,0	0,88	0,78	0,68	0,57	0,47	0,37	0,27

Следует иметь в виду, что коэффициент расхода определяется из соотношения

где б_u -- исходный коэффициент расхода; K₁ -- поправочный множитель, который вводится при значении Re меньше предельного; К₂ -- поправочный множитель на относительную шероховатость труб; К₃ -- поправочный множитель на неостроту входной кромки.

а) по формуле подсчитывают значение б. Для этого по подсчитанному значению m, пользуясь таблицей 12, определяют б_u с точностью не менее третьего знака (применяется интерполирование в промежутке). Затем по таблице 13 определяют произведение К₂К₃ (при этом m и D известны). При расчетном расходе Re должен быть больше Re_пред поэтому K₁=1.

б) определяют точное значение е по известным значениям m и ДС/P₁ по данным таблицы 9 (при приближенной оценке m принимался равным 0,3).

в) определяют массовый или объемный расход по формулам

, кг/сек,

, м³/сек.

Таблица 12

Значения исходного коэффициента расхода б_u и предельные значения критериев Рейнольдса (Rе_пред)

m	бu	Reпред
0,05	0,598	23000
0,10	0,602	30000
0,15	0,608	45000
0,20	0,615	57000
0.25	0,624	75000
0,30	0,634	93000
0,35	0,645	110000
0,40	0,660	130000
0,45	0,676	160000
0,50	0,695	185000
0,55	0,716	210000
0,60	0,740	240000
0,65	0,768	270000

Таблица 13

Произведение поправочных множителей K₂K₃, для нормальных диафрагм

m	D, мм
-	300	200	100	50
0,05	1,005	1,010	1,019	1,025
0,15	1,001	1.0065	1,015	1,023
0,25	1,000	1,0045	1,014	1,024
0,35	1,000	1,0045	1,014	1,025
0,45	1,000	1,0045	1,015	1,026
0,55	1,000	1,0055	1,0165	1,028
0,65	1,000	1,0065	1,018	1,03

Если полученное значение расхода отличается от расчетной величины расхода в пределах ±0,5%, то расчет выполнен правильно. Если расхождение не превышает ±2%, допускается уточнить диаметр отверстия диафрагмы по уравнениям

 или ,

где G (Q)-- расчетный расход; G*(Q*) -- расход, полученный при проверке расточки диафрагмы.

При расхождениях больше 2% расчет выполняется вновь.

10. Определяют наименьший расход, при котором не нужно вводить поправочный множитель К₁ из выражений

или .

Предельное значение Re определяется по таблице 12 по подсчитанному значению m.

4.3 Конструкция расходомерных диафрагм

Для измерения расхода среды получили распространение три вида нормализованных сужающих устройств: расходомерная диафрагма, расходомерное сопло и сопло Вентури, имеющие посредине круглое отверстие. Опытным путем для этих сужающих устройств найдены точные значения коэффициента расхода б, что позволяет применять их без предварительной градуировки.

Нормализованные сужающие устройства могут применяться в трубопроводах диаметром не менее 50 мм при значениях m: 0,05--0,64 -- для диафрагм, 0,05--0,65 -- для сопл и 0,05--0,6 -- для сопл Вентури.

По способу отбора давления к дифманометру расходомерные диафрагмы и сопла делятся на камерные и бескамерные (с точечным отбором, рис. 1). Более совершенными из них являются камерные устройства. Внутренний диаметр корпуса диафрагмы равен (с допускаемым отклонением +1%) диаметру трубопровода D₂₀.

Рис.9. Нормализованные диафрагмы: (верхняя половина -- камерная, нижняя -- бескамерная).

В камерной диафрагме давления к дифманометру передаются посредством двух кольцевых уравнительных камер, расположенных в ее корпусе перед и за диском с отверстием, соединенных с полостью трубопровода двумя кольцевыми щелями или группой равномерно расположенных по окружности радиальных отверстий (не менее четырех с каждой стороны диска). Кольцевая камера перед диском называется плюсовой, а за ним -- минусовой. Наличие у диафрагмы кольцевых камер позволяет усреднить давление по окружности трубопровода, что обеспечивает более точное измерение перепада давления. Площадь аb поперечного сечения кольцевой камеры должна составлять не менее половины площади кольцевой щели или группы отверстий, площадь каждого из которых равна 12--16 мм². Толщина h внутренней стенки кольцевой камеры берется не менее двойной ширины кольцевой щели.

Отбор перепада давления в бескамерной диафрагме производится с помощью двух отдельных отверстий в ее корпусе или во фланцах трубопровода перед и за диском. В этом случае измеряемый перепад давления является менее представительным, чем при кольцевых камерах.

Ширина с кольцевой щели и диаметр отдельного отверстия для отбора давления у камерных и бескамерных диафрагм при m 0,45 не превышает 0,03 D₂₀, а при m >0,45 лежит в пределах 0,01--0,02 D₂₀. Одновременно размер с не должен выходить за пределы 1--10 мм.

Толщина Е диска диафрагм не превышает 0,05 D₂₀. Отверстие в нем диаметром d₂₀ является расчетной величиной. Со стороны входа потока оно имеет острую входную кромку под углом 90°, за которой расположена цилиндрическая часть длиной е, составляющей 0,005--0,02 D₂₀. При толщине диска Е > 0,02 D₂₀ цилиндрическая часть отверстия оканчивается на выходе потока коническим расширением под углом ц, равным 30--45°. При m > 0,5 величина е примерно равна 1/3 Е.

Точность измерения расхода при помощи диафрагм зависит от степени остроты входной кромки отверстия, влияющей на значение коэффициента расхода б. Кромка не должна иметь скруглений, заусенцев и зазубрин. При d₂₀ < 125 мм она должна быть настолько острой, чтобы луч света не давал от нее отражения.

Допускаемое смещение оси отверстия сужающих устройств относительно оси трубопровода не должно превышать 0,5--1 мм.

Для изготовления проточной части диафрагм и сопл применяются материалы, устойчивые против коррозии и эрозии, т. е. нержавеющая сталь, а в некоторых случаях -- латунь или бронза.

На ободе сужающего устройства или на прикрепленной маркировочной пластинке обычно наносятся: обозначение типа устройства и заводской номер; диаметры d₂₀ и D₂₀; стрелка, указывающая направление потока; марка материала; знаки "+" и "--" соответственно со стороны входа и выхода потока. Кроме того, к сужающему устройству прилагается выпускной аттестат, в котором указываются: наименование и расчетные параметры измеряемой среды; величины, полученные при расчете сужающего устройства (m, б, е, d₂₀ и др.); формула, по которой проверялась правильность расчета; основные характеристики сужающего устройства и дифманометра.

Изготовляются следующие нормализованные диафрагмы: камерные типа ДК на условное давление до 10 МПа для трубопроводов диаметром 50--500 мм и бескамерные типа ДБ на давление до 32 МПа для диаметров 50--3000 мм.

На рис. 10 показана бескамерная диафрагма типа ДБ, установленная между фланцами трубопровода.

Рис. 10. Диафрагмы с фланцевым отбором давления: а -- во фланцах; 6 -- в обойме

4.4 Расчет измерительной схемы автоматического потенциометра

Расчет измерительной схемы автоматического потенциометра рекомендуется производить в следующей последовательности. Измерительная схема автоматического потенциометра изображена на рис. 11.



Рис. 11. Измерительная схема автоматического потенциометра

В схеме и расчетных формулах приняты следующие обозначения: R₁ -реохорд; R₂ - шунт реохорда, служащий для подгонки сопротивления реохорда к стандартному значению R_P = 90, 100, 300 Ом; R_ПР - приведенное сопротивление цепи реохорда; R₃ - резистор для установки начального значения шкалы прибора; R₅ - резистор для установки диапазона шкалы прибора; R₄ и R₆ - подгоночные резисторы, R₄ = R₆= 1Ом; R₉- медный резистор, служащий для компенсации изменения температуры свободных концов термопары; R₈, R₁₁ - резистор в цепи источника питания; л - нерабочие участки реохорда, R₈ = 790 Ом; t = 20 °С; л= (0,02. ..0,35); Е(t_Н, t₀ ) - ЭДС термопары при температуре рабочего конца t_H (начало шкалы) и расчетной температуре свободных концов t₀; Е(t_К, t₀ ) - ЭДС термопары при температуре рабочего конца t_К (конец шкалы) и расчетной температуре свободных концов t₀; I₁ - номинальное значение силы тока в верхней ветви измерительной схемы, I₁ = 310^-3 А; I₂ номинальное значение силы тона в нижней ветви измерительной схемы, I₂= 210^-3 А; R - сопротивление измерительной схемы прибора, R_uc= 1000 Ом.

Расчет измерительной схемы производиться без учета подгоночных резисторов R₄ и R₆.

Приведенное сопротивление цепи реохорда

. (2)

Учитывая, что , определим значение сопротивления резиотора R₅

. (3)

Значение сопротивления резистора R₁₀ необходимо определять из условия, что падение напряжения на реаисторе R₁₀ равно ЭДС нормального элемента:

. (4)

Если измерительная схема прибора уравновешена в начале шкалы (точка а), то по закону Кирхгофа получим следующее уравнение:

. (5)

При равновесии измерительной схемы в конце шкалы можно записать уравнение

. (6)

Из уравнений (5) и (6) можно получить выражение для определения сопротивлений R₃ и R₇:

; (7)

. (8)

Для определения сопротивления резистора R₉ необходимо записать уравнение (5) для двух значений температуры окружающей среды t_H = 0 °С и t_Н = 20 °С. При этом изменением тока I₂ пренебрежем:

. (9)

. (10)

Разность уравнений (9) и (10) дает:

. (11)

Учитывая, что сопротивление медного резистора R₉ при изменении температуры окружающей среды будет изменяться в соответствии с зависимостью:

, (12)

где б = 4,2610^-3 К^-1 - температурный коэффициент сопротивления меди.

Из уравнений (11) и (12) получим:

. (13)

В (13) t₁= 20 °С, величина

представляет собой чувствительность в интервале температур 0...20°С. В реальных условиях для диапазона температур 0...100°С принято считать

, (14)

где - ЭДС термопары при температуре рабочего конца 100 и свободных концов при 0 °С. Сопротивление резистора R₉ необходимо считать для градуировок XK₆₈, ХА₆₈, ПП₆₈. Для градуировок ПP 30/6₆₈, РК и PC сопротивление резистора R₉ принимается равным 5 Ом и выполнять из манганина.

Определим сопротивление измерительной схемы прибора относительно точек в-г:

. (15)

Тогда с учетом (15) получим



. (16)

Обычно сопротивление резистора R₈ принимают равным 790 Ом, а сопротивление резистора R₁₁ определяют из зависимости:

. (17)

Сопротивление подгоночных резисторов R₄ и R₆ принимаются равными 1 Ом, причем на 0,5 Ом следует уменьшить сопротивление резисторов R₃ и R₅ , a оставшиеся 0,5 Ом являются дополнительными. С учетом этого необходимо подкорректировать полученные значения сопротивлений резисторов R₃ и R₅.

; (18)

. (19)

Сопротивления резисторов измерительной схемы необходимо считать с точностью: R₃, R₅, R₉ - ±0,05 Ом; R₁₀, R₇, R₁₁ - ±0,5 Ом.

4.5 Расчет измерительной схемы автоматического моста

Измерительная схема автоматического моста изображена на рисунке 12.



Рис.12. Измерительная схема автоматического моста

На рисунке и в расчетных формулах приняты следующие обозначения: R₁ - реохорд; R₂ - шунт реохорда, служащий для подгонки сопротивления реохорда к стандартному значению R_Р = 90,100, 300 Ом; R_ПР - приведея ное сопротивление цепи реохорда; R₃ и R₄ - резисторы для установки начального значения шкалы моста; R₅ и R₆ - резисторы для установки верхнего значения шкалы прибора; R₄ и R₅ - подгоночные резисторы, R₄ = R₅ = 4 Ом (расчет охемы выполняется, если движки резисторов R₄ и R₅ находятся, в среднем положении); R₇, R₉, R₁₀ - резисторы мостовой схемы; R₈ - резистор для ограничения тока в цепи питания; R_л - резистор для подгонки сопротивления внешней линии; R_t - термометр сопротивления; ~ 6,3В - напряжение источника питания; л -нерабочие участки реохорда, л= 0,020...0,035.

При трехпроводной схеме подключения термометра сопротивления, изображенной на рисунке 12, суммарное сопротивление соединительного провода R_cn и подгоночного резистора R_л равно

, (20)

где R_вн - сопротивление внешнее цепи моста, Ом.

Сила тока I₁, протекающего через термометр сопротивления, должна выбираться по ГОСТ 6651-84 из ряда: 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 2,0; 5,0; 10,0; 15,0; 20,0; 50,0 мА. При этом изменение сопротивления термометра при 0°С за счет выделяющейся теплоты не должно превышать 0,1%. Сила тока указывается в технических условиях на термометр сопротивления конкретного типа. В технических измерениях обычно используются термометры сопротивления с номинальной статической характеристикой НСХ 50 П, гр 21, 50 М, гр 23, для которых силу тока следует принимать равной 5 или 10 мА.

Для заданных пределов измерения температуры t_н и t_в по ГОСТ 6651-84 определяем W_tв и W_tн при W₁₀₀ = 1,3910 для платиновых и W₁₀₀ = 1,4280 для медных термометров.

Сопротивления термометра, отвечающие начальной t_н и конечной t_в отметкам шкалы, рассчитываются по формуле

(21)

где R₀ - сопротивление термометра при 0 °С, Ом.

Сопротивление резистора R₇ должно быть таким, чтобы изменение сопротивления термометра при изменении температуры от t_н до t_в вызвало изменение тока I₁ на величину, не превышающую 10...20%, т.е.

, (22)



где I_1min и I_1max - сила тока в цепи термометра при его сопротивлении, отвечающем соответственно конечной R_tв и начальной R_tн отметкам шкалы моста, мА; з - коэффициент равный 0,8...0,9.

Падение напряжения между точками а и б при сопротивлении термометра, соответствующем начальной и конечной отметкам шкалы моста, равно:

, (23)

. (24)

Решение уравнений (22)-(24) позволяет получить формулу для определения сопротивления резистора R₇:

. (25)

Сумма сопротивлений (R₃ + R₄ /2) принимается при расчете в среднем равной 5 Ом.

В формуле (25) R_ПР неизвестно и, так как сопротивление R₇ рассчитывается первым из резисторов мостовой схемы, расчетную формулу упрощают, cчитая

. (26)

Полученное значение R₇ обычно округляют до значения, кратного 10 Ом.

Чтобы найти значение сопротивления резистора R₁₀ , запишем условие равновеоия измерительной мостовой схемы в любой точке шкалы;



. (27)

После преобразования выражения (27) получим

(27)

Чтобы изменение сопротивления линии связи при изменениях температуры окружающей среды не влияло на показания прибора, необходимо так подобрать резисторы схемы, чтобы в последнем уравнении члены, содержащие R_л в левой и правой частях, были равны и сократились:

. (28)

Так как относительная погрешность увеличивается к началу шкалы, целесообразно добиться полной компенсации температурной погрешности при начальном положении движка реохорда (з = 0). Тогда

. (29)

Учитывая, что наибольшей чувствительностью обладают попарно равноплечие мосты, равенство (29) оказывается удовлетворяющим и этому требованию.

Составим уравнения равновесия измерительной схемы моста при двух значениях сопротивления термометра:

(30)



и

. (31)

В результате совместного решения уравнений (30) и (31) получим

. (32)

Для определения сопротивления резистора R₉ необходимо подставить полученное значение R_ПР в уравнение (30). После преобразований получим следующее квадратное уравнение:

(33)

Если

,

,

,

То

. (34)

Приведенное сопротивление реохорда как сопротивление параллельной цепи равно

, (35)

откуда

. (36)

Определим значение тока I₀ в цепи источника питания:

;

.

Откуда

;

. (37)

Зная ток I₀, можно определить сопротивление резистора R₈:

. (38)

Для проверки правильности расчета следует проверить значение коэффициента з по формуле

. (39)



Сопротивление резисторов измерительной схемы необходимо считать с точностью: R₃, R₆ - ±0,05 Ом; R₇, R₈, R₉, R₁₀ - ±0,5 Ом.

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ 2.001-70 ЕСКД. Общие положения.

2. Методические указания по оформлению курсовых и дипломных проектов для студентов специальности "Автоултизацкя теплоэнергетических процессов". - Киев: КПИ, 1982.

3. ГОСТ 2.301-68. (СТ. СЭВ 1181-78) ЕСКД. Форматы.

4. ГОСТ 2.302-68. (СТ. СЭВ 118C-78). ЕСКД. Масштабы.

5. ГОСТ 24.302-80. Система технической документации на АСУ. Общие требования к выполнению схем.

6. Госкомитет по науке и технике. Общеотраслевые руководящие методические материалы по созданию АСУТП в отраслях промышленности (ОРММ-2 АСУТП). - М., 1979.

7. Клюев А.С., Глазов Б.В., Дубровский А.Х. Проектирование систем автоматизации технологических процессов: Справочное пособие. - М.: Энергия, 1980.

8. ГОСТ 24.206-80. Система технической документации на АСУ. Требования к содержанию документов по техническому обеспечению.

9. СТ СЭВ 1986-79. Обозначения условные графические в схемах. Оборудование энергетическое основное и трубопровода.

10. СТ СЭВ 1178-78. Линии. Основные правила выполнения.

11. ГОСТ 21.404-85. Система проектной документации для строительства. Автоматизация технологических процессов. Обозначения условные приборов и средств автоматизации в схемах.

12. ГОСТ 2.304-81. Шрифты чертежные.

13. ГОСТ 2.307-68. Нанесение размеров и предельных отклонений.

14. ГОСТ 2.303-68. Линии.

15. Канарский Б.Д. и др. Автоматические приборы, регуляторы и вычислительные системы. - Д.: Машиностроение, 1976.

16. Глинков Г.М., Маковский В.А., Дотман С.Д. Проектирование систем контроля и автоматического регулирования металлургических процессов: Пособие по курсовому и дипломному проектированию. - М.: Металлургия, 1970.

17. Шипетин Л.И. Техника проектирования систем автоматизации технологических процессов. - М.: Машиностроение, 1976.

18. Правила измерения расхода газов и жидкостей стандартными сужающими устройствами РД-50-2/3-80. - М.: Изд-во стандартов, 1982. -318 с.

19. Правила 28-64. Измерения расхода жидкостей, газов и паров стандартными диаграммами и соплами. - М.: Изд-во стандартов, 1980.

20. Отраслевые нормы. Монтаж приборов измерения и средств автоматизации. Т. 3. (Измерительные сужающие устройства). Министерство энергетики и электрификации СССР, 1967.

21. ГОСТ 24.203-80. Система технической документации на АСУ. Требования к содержанию общесистемных документов.

22. ГОСТ 24.301-80. Система технической документации на АСУ. Общие требования к выполнению текстовых документов.

23. Альбом графиков к правилам 28-64 измерения расхода жидкостей, газов и паров стандартными диафрагмами и соплами. - М.: Изд-во стандартов, 1964.

24. Нестеренко А.Д. и др. Справочник по наладке автоматических устройств контроля и регулирования. - Киев: Наукова думка, 1976.

25. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. -II.: Энергия, 1978.

26. Андреев А.А. Автоматические показывающие, самопишущие и регулирующие приборы. - Л.: Машиностроение, 1973.

27. ГОСТ 2.105-79 (СТ СЭВ 2667-80).

28. ГОСТ 2.501-68. Правила учета и хранения.

29. Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации: Номенклатурный каталог. Ч. I. - М.: ЦНИИТЭПцриборостроения, средств автоматизации и систем управления, 1984. - 171 с.

30. Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации: Номенклатурный каталог. Ч. 2. - М.: ЦНИИТЭПцриборостроения, средств автоматизации и систем управления, 1984. - 155 с.

31. Государственная система промышленных Приборов и средств автоматизации: Номенклатурный каталог. Ч. 3. - М.: ЦНИИТЭПцриборостроения, средств автоматизации и систем управления, 1984. - 52 с.

32. Приборы, средства автоматизации и вычислительной техники для атомной энергетики: Номенклатурный каталог ГСП. Доп. к Ч. I. - М.: ЦНИИТЭПцриборостроения, средств автоматизации и систем управления, 1983. - 167 с.

33. Иванова Г.М., Кузнецов Н.Д., Чистяков B.C. Теплотехнические измерения и приборы. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 232 с.