Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине: "Теория измерений"

на тему:

"ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА ПАРА"

Содержание

• Задание на курсовое проектирование
• 1. Измерение расхода водяного пара
• 2. Чертеж сужающего устройства и схема соединительных линий при измерении расхода пара
• 3. Канал измерения разности давления (ДД)
• 3.1 Выбор датчика разности давления
• 3.2 Выбор образцового сопротивления
• 3.3 Расчет статических номинальных метрологических характеристик (МХ) измерительного канала (ИК)
• 3.4 Расчет систематической составляющей погрешности ИК и среднеквадратического отклонения (СКО) систематической составляющей погрешност
• 4. Канал измерения избыточного давления (ДИ)
• 4.1 Выбор датчика избыточного давления
• 4.2 Выбор образцового сопротивления
• 4.3 Расчет статических номинальных метрологических характеристик (МХ) измерительного канала (ИК)
• 4.4 Расчет систематической составляющей погрешности ИК и среднеквадратического отклонения (СКО) систематической составляющей погрешности
• 5. Канал измерения температуры
• 5.1 Выбор термометра
• 5.2 Расчет моста
• 5.3 Выбор усилителя
• 5.4 Расчет статических номинальных метрологических характеристик (МХ) измерительного канала (ИК)
• 5.5 Расчет систематической составляющей погрешности ИК и среднеквадратического отклонения (СКО) систематической составляющей погрешности
• 6. Выбор аналогового коммутатора
• 7. Выбор аналого-цифрового преобразователя (АЦП)
• 8. Определение систематической составляющей погрешности объемного расхода
• Список используемой литературы

Задание на курсовое проектирование

Измеряемая среда - водяной пар. Ожидаемый расход пара: номинальный - 0,6 м³/с; максимальный - 0,8 м³/с. Статическое избыточное давление в трубопроводе 3 МПа. Температура +340⁰С. Номинальный диаметр трубопровода (при 20⁰С) - 200 мм. Допустимая потеря давления в сужающем устройстве - 0,2 МПа. Допустимая погрешность измерения расхода - 2 %.

1. Измерение расхода водяного пара

Расчет сужающего устройства для измерения расхода (Q₀) водяного пара производится по следующей методике

Определяем недостающие для расчета данные

- Абсолютное давление измеряемой среды перед сужающим устройством определяется как сумма барометрического и избыточного давлений

,

где - барометрическое давление (Р_б = 1 кгс/см² = 9,8066*10⁴ Па);

- избыточное давление().

.

- Плотность измеряемой среды в рабочих условиях ( и t=340⁰С).

Приложение 3

32	236,35	11.83

- Определяем значение D, соответствующее рабочей температуре t = 340⁰С вещества в трубопроводе по формуле:

,

где - внутренний диаметр трубопровода перед сужающим устройством при температуре t = 20⁰С (D = 200 мм);

-средний коэффициент линейного теплового расширения материала сужающего устройства (трубопровода) в интервале от 20 до t°С, 1/град

(=11,5*10^-6);

t - температура измеряемой среды перед сужающим устройством (t = 340⁰С).

- Динамическая вязкость измеряемой среды в рабочих условиях

Температура, 0С	100	150	200	250	300	400
Динамическая вязкость, 10-5 Па*с	12,56	14,42	16,28	18,05	19,63	23,05

Принимаем .

- Принимаем показатель адиабаты равным k =1,38.

Принимаем сужающее устройство Сопло, руководствуясь следующими соображениями

а) при одних и тех же значениях модуля и перепада давления сопло позволяет измерять больший расход, чем диафрагма, а при D ? 300 мм обеспечивает также более высокую точность измерения в сравнении с диафрагмой (особенно при малых модулях);

б) при одних и тех же значениях модуля и расхода потеря давления в сопле значительно меньше, чем в диафрагме;

в) точность измерения расхода газов и пара при применении сопла выше, чем при применении диафрагмы;

г) изменение или загрязнение входного профиля сужающего устройства в процессе эксплуатации влияет на коэффициент расхода диафрагмы в значительно большей степени, чем на коэффициент расхода сопла.

1.3. Верхний предел измерений дифманометра Q_П (Q_ОП, Q_НИ, Q_МП) выбираем по заданному наибольшему измеряемому расходу Q_max = 0,8 м³/с = 2880 м³/ч так, чтобы стандартное значение Q_П было ближайшее большее по отношению к значению Q_mах. Таким образом принимаем Q_П = 3200 м³/ч.

1.4. Принимаем модуль сужающего устройства из следующих соображений:

- при применении сопел и сопел Вентури неточность поправки на число Рейнольдса ДQ оказывает наименьшее влияние на коэффициент расхода, когда 0,5 ? m ? 0,65.

Таким образом принимаем m = 0.5.

1.5. По значению m вычисляю:

- Коэффициент расхода а_И по формуле:

а_И = 0,9100 + 0,6258m - 1.4m² + 1.6667m³ , при m = 0,5 а_И = 1.0812;

- Значение коэффициента расхода б по формуле:

а = а_И *k₂,

где k₂ - поправочный множитель на шероховатость трубы (k₂ = 1,005).

пар давление аналоговый коммутатор

а = ,0812*1,005 = 1,0866.

1.6. Определяем предельный номинальный перепад давления дифманометра ДРн. Пусть задана допустимая потеря давления в сужающем устройстве, при наибольшем измеряемом расходе Qmах.

Определяем допустимую потерю давления Р_ПД при расходе, равном выбранному верхнему пределу измерений дифманометра Q_П = 3200 м³/ч.

.

Предельный перепад давления дифманометра ДРн выбираем из ряда стандартных чисел. Следовательно, ДРн = 250 кПа.

1.7. Определяем число Рейнольдса при расходе равном Q_СР = 2520 м³/ч.

.

Т.к. рассчитанное число Рейнольдса > для данного модуля m = 0.5, то расчет продолжаем дальше.

1.8. Определяем наибольший перепад давления в сужающем устройстве для кольцевых, сильфонных и мембранных дифманометров по формуле:

1.9. Определяем поправочный множитель по формуле:

.

1.10. Подсчитываем отношение

.

1.11. Определяем поправочный множитель по формуле:

1.12. Подсчитываем (с четырьмя значащими цифрами) искомое значение d₂₀ диаметра отверстия сужающего устройства при 20 °С:

; .

1.13. Для поплавковых дифманометров, заполненных ртутью, над которой находится газ плотностью 14 кг/м³, или маслом, над которым находится газ плотностью 0,9 кг/м³, а также для кольцевых, колокольных, сильфонных и мембранных дифманометров определяем объемный расход соответствующий наибольшему перепаду давления

.

2. Чертеж сужающего устройства и схема соединительных линий при измерении расхода пара

L = 0.604*d₂₀; l = 0.304*d₂₀;l₁ = 1.5* d₂₀;l₂ = 0.3* d₂₀; r₁ = 0.2* d₂₀;

r₂ = 0.333*d₂₀.

L = 0.604* = 85.734 мм;

l₂ = 0.3* = 42.58 мм;

r₁ = 0.2* = 28.388 мм;

l = 0.304* = 43.15 мм;

r₂=0.333* =47.267 мм;

l₁ = 1.5* = 212.9169 мм.

Рисунок 1

Схема соединительных линий при измерении расхода пара (дифманометр расположен выше сужающего устройства)

1 - сужающее устройство;

2 - уравнительный сосуд;

3 - дифманометр;

4 - вентиль;

5 - отстойный сосуд;

6 - газосборник;

7 - продувочный вентиль.

Расчет погрешности измерения расхода (Q0) водяного пара, по трем каналам

3. Канал измерения разности давления (ДД)

3.1 Выбор датчика разности давления

Датчики давления предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами и обеспечивают непрерывное преобразование значения измеряемого параметра - давления избыточного, разрежения, давления - разрежения, разности давлений, гидростатического (уровня) в стандартный токовый сигнал дистанционной передачи.

Датчики Метран-43 предназначены для преобразования давления рабочих сред: жидкостей, газа и пара.

Датчики имеют как обыкновенное, так и взрывоопасное исполнение.

Выбираем датчик разности давления

Наименование датчика	модель	Pmax, кПа	Pmin	Ряд пределов Измерения по ГОСТ 22520, кПа
			АП	МП, МП1
М-43Ф-ДД	3494-03	630	160	25	25, 40 ,60, 100, 160, 250, 400, 630

Рассчитываем погрешность для данного датчика:

- Основная погрешность ;

- Дополнительная погрешность, вызванная воздействием вибрации, не превышает значений , определяемых формулой:

,

где - максимальный верхний предел измерений для данной модели датчика ();

- давление настройки модели ().

.

- Дополнительная погрешность датчика , вызванная изменением температуры окружающего воздуха в рабочем диапазоне температур, выраженная в процентах от диапазона изменения выходного сигнала на каждые 10 ⁰С, не превышает значений, определяемых формулами в зависимости от электронного преобразователя:

,

где - принимает значение: для датчиков со значением , равным 0,25.

.

- После воздействия предельных температур изменение значения выходного сигнала датчика не должно превышать значений , определяемого формулой:

,

где - абсолютное значение предела допускаемой основной погрешности ().

.

- Определяем суммарную погрешность для данного датчика

3.2 Выбор образцового сопротивления

Выбор образцового сопротивления необходимо для преобразования выходного сигнала датчика разности давления (I = 20 мА) в напряжение U, соответствующее стандартному ряду для АЦП. Следовательно, необходимо подобрать образцовое сопротивление таким образом, чтобы U = В.

Рассчитываем номинальную мощность:

Данное сопротивление выбираем из справочника, равное С2-13:

- Номинальное сопротивление 249 Ом;

- Номинальная мощность 0,25 Вт;

- Допускаемые отклонения .

3.3 Выбор аналогового коммутатора

Выбираем аналоговый коммутатор типа Ф240, имеющий погрешность передачи измерительного сигнала 0,025 %.

Данный коммутатор предназначен для коммутирования напряжения постоянного тока в диапазоне от 50 мВ до 180 В при токе до 100 мА.

3.4 Выбор аналога-цифрового преобразователя (АЦП)

АЦП предназначен для преобразования постоянного напряжения или тока в цифровой код.

Выбираем АЦП типа К1108ПВ2, имеющий следующие основные характеристики:

- Диапазон входного напряжения - от 0 до 5 В;

- Число разрядов - 12;

Основная погрешность преобразователя 0.2%

3.5 Расчет статических номинальных метрологических характеристик (МХ) измерительного канала (ИК)

,

где - номинальная статическая функция преобразования ИК;

а - начальное смещение;

А - чувствительность.

;

Вычислим чувствительности для каждого элемента данного измерительного канала:

Чувствительность ДД вычисляем следующим образом:

Чувствительность промежуточного звена : ;

Чувствительность АК: ;

Чувствительность АЦП:

Т.к. принимаем 12-ти разрядный АЦП, значит 5В=4096ед,

тогда

Теперь можем вычислить :

;

;

Подставим полученные значения в формулу номинальной статической функции преобразования ИК:

3.6 Расчет систематической составляющей погрешности ИК и среднеквадратического отклонения (СКО) систематической составляющей погрешности

Так как все компоненты данного канала измерения заданы своей случайной погрешностью, то систематическая составляющая погрешности в канале измерения отсутствует.

Проведем расчет, чтобы убедиться в достоверности вышесказанного:

В,b - случайные составляющие погрешности. Следовательно, B=0, b=0

Вычисляем вспомогательные величины:

Входная величина X=P=0,4 кПа

при i = 0,1,2..N-1;

при i = 0,1,2..N-1;

т.к Gk-составляющая систематической погрешности.

;

;

; - общая крутизна ошибки математического ожидания.

;

;

Из расчета видно, что систематическая составляющая в данном канале отсутствует.

3.7 Расчет предела допускаемого значения СКО случайной составляющей погрешности ИК

,

где N - количество компонентов в ИК, N=4;

[0..q] - диапазон изменения входного сигнала;

- предел допускаемого значения систематической составляющей погрешности компонента,

Вычисляем вспомогательные величины:

; ; при i=1,2..N;

при i=2,3..N;

;

;

;

;

при i=1,2..N;

;

;

;

при i=1,2..N;

= = 1

=

= =

;

при j>i+1.

т.к. - предел допускаемого значения систематической составляющей погрешности компонента равен 0, то большинство членов входящих в состав формулы не учитываются, т.к. так же равны 0.



4. Канал измерения избыточного давления (ДИ)

4.1 Выбор датчика избыточного давления

Наименование датчика	модель	Pmax, МПа	Pmin	Ряд пределов Измерения по ГОСТ 22520, МПа
			АП	МП, МП1
М-43-ДИ	3163	16	4,0	1,0	1.0, 1.6, 2.5, 4.0, 6.0, 10, 16

Рассчитываем погрешность для данного датчика:

- Основная погрешность ;

- Дополнительная погрешность, вызванная воздействием вибрации, не превышает значений , определяемых формулой:

,

где - максимальный верхний предел измерений для данной модели датчика ();

- давление настройки модели ().

.

- Дополнительная погрешность датчика , вызванная изменением температуры окружающего воздуха в рабочем диапазоне температур

,

где принимает значение: для датчиков со значением , равным 0,25.

.

- После воздействия предельных температур изменение значения выходного сигнала датчика не должно превышать значений , определяемого формулой:

,

где - абсолютное значение предела допускаемой основной погрешности ().

.

- Определяем суммарную погрешность для данного датчика

4.2 Выбор образцового сопротивления

Выбор образцового сопротивления производим аналогично как в первом канале.

Преобразуем выходной сигнал датчика избыточного давления (I = 20 мА) в напряжение U = В, соответствующее стандартному ряду для АЦП.

Рассчитываем образцовое сопротивление:

Вычисляем номинальную мощность:

Данное сопротивление выбираем из справочника, равное С2-13:

- Номинальное сопротивление 249 Ом;

- Номинальная мощность 0,25 Вт;

- Допускаемые отклонения .

4.3 Расчет статических номинальных метрологических характеристик (МХ) измерительного канала (ИК)

,

где - номинальная статическая функция преобразования ИК;

а - начальное смещение;

А - чувствительность.

;

Вычислим чувствительности для каждого элемента данного измерительного канала:

Чувствительность ДИ вычисляем следующим образом:

Чувствительность промежуточного звена : ;

Чувствительность АК: ;

Чувствительность АЦП:

Т.к. принимаем 12-ти разрядный АЦП, значит 5В=4096ед,

тогда

Теперь можем вычислить :

;

;

Подставим полученные значения в формулу номинальной статической функции преобразования ИК:

4.4 Расчет систематической составляющей погрешности ИК и среднеквадратического отклонения (СКО) систематической составляющей погрешности

Так как все компоненты данного канала измерения заданы своей случайной погрешностью, то систематическая составляющая погрешности в канале измерения отсутствует.

Проведем расчет, чтобы убедиться в достоверности вышесказанного:

В,b - случайные составляющие погрешности. Следовательно, B=0, b=0

Вычисляем вспомогательные величины:

Входная величина X=P=0,4 кПа

при i = 0,1,2..N-1;

при i = 0,1,2..N-1;

т.к Gk-составляющая систематической погрешности.

;

;

; - общая крутизна ошибки математического ожидания.

;

;

Из расчета видно, что систематическая составляющая в данном канале отсутствует.

4.5 Расчет предела допускаемого значения СКО случайной составляющей погрешности ИК

,

где N - количество компонентов в ИК, N=4;

[0..q] - диапазон изменения входного сигнала;

- предел допускаемого значения систематической составляющей погрешности компонента,

Вычисляем вспомогательные величины:

; ; при i=1,2..N;

при i=2,3..N;

;

;

;

;

при i=1,2..N;

;

;

;

при i=1,2..N;

= = 1

=

= =

;

при j>i+1.

т.к. - предел допускаемого значения систематической составляющей погрешности компонента равен 0, то большинство членов входящих в состав формулы не учитываются, т.к. так же равны 0.

5. Канал измерения температуры

5.1 Выбор термометра

Выбор термометра сопротивления производим следующим образом

Выбираем тип термометра сопротивления

Для выбора термометра будем руководствоваться следующими соображениями:

- Т.к. измерять температуру будем в середине диаметра трубопровода (D = 200 мм по заданию), то необходимо выбрать длину монтажной части, равную ;

- Номинальное сопротивление средового платинового термометра =100 Ом.

Следовательно, принимаем термометр типа ТП 237-01.

Вычисляем основную погрешность термометра при заданных значениях (=100 Ом, Т = 613 К)

Для термометров сопротивления предел допускаемого значения основной погрешности определяется по формуле:

,

где - предел допускаемого значения систематической составляющей погрешности ;

- предел допускаемого значения среднего квадратического отклонения составляющей погрешности (при Т = 613 К)

.

.

Вычисляем относительную погрешность данного термометра

.

Таким образом, мы получили

- сопротивление термометра (при T = 273 К);

- сопротивление датчика при рабочей температуре T = 613 K определяем по формуле:

,

где S - чувствительность датчика (S = 0,4 Ом/К при 100 Ом).

.

5.2 Расчет моста

Мост предназначен для измерения электрических сопротивлений в цепях постоянного тока, для поверки измерительных приборов и устройств к термометрам сопротивления.

Выбираем номиналы сопротивлений

- R₁, R₃ = 10 кОм;

- R₂ = 100 Ом;

- ;

Принимаем напряжение питания моста U_П = 20 В.

Из справочника выбираем прецизионные резисторы типа С2-13:

- Номинальное сопротивление R = 100 Ом и 10 кОм;

- Номинальная мощность 0,25 Вт;

- Допускаемые отклонения .

Определяем изменение напряжения под воздействием температуры

При рабочей температуре 613 К:

, следовательно

Вычисляем абсолютные значения погрешностей сопротивлений:

;

;

Среднеквадратическое отклонение составляющей погрешности моста



5.3 Выбор усилителя

Для оцифровки аналогового сигнала принимаем АЦП с диапазоном преобразуемых сигналов .

Следовательно, необходимо выбрать усилитель для изменения выходного сигнала термометра, с коэффициентом усиления

.

Выбираем усилитель типа И37 предназначенный для усиления напряжения постоянного тока, имеющий следующие основные характеристики:

- Коэффициент усиления k = 10;

- Основная погрешность данного усилителя составляет не более .

5.4 Расчет статических номинальных метрологических характеристик (МХ) измерительного канала (ИК)

,

где - номинальная статическая функция преобразования ИК;

а - начальное смещение;

А - чувствительность.

;

;

при i = 1,2..N-1.

Расчет систематической составляющей погрешности ИК и среднеквадратического отклонения (СКО) систематической составляющей погрешности. Так как все компоненты данного канала измерения заданы своей случайной погрешностью, то систематическая составляющая погрешности в канале измерения отсутствует.

Проведем расчет, чтобы убедиться в достоверности вышесказанного:

В,b - случайные составляющие погрешности. Следовательно, B=0, b=0

Вычисляем вспомогательные величины:

Входная величина X=P=0,4 кПа

 при i = 0,1,2..N-1;

при i = 0,1,2..N-1;

т.к Gk-составляющая систематической погрешности.

;

;

; - общая крутизна ошибки математического ожидания.

;

;

Из расчета видно, что систематическая составляющая в данном канале отсутствует.

5.5 Расчет систематической составляющей погрешности ИК и среднеквадратического отклонения (СКО) систематической составляющей погрешности

,

где B, b - случайные составляющие погрешности.

,

где , - дисперсии мультипликативной и аддитивной составляющей систематической погрешности.

Вычисляем вспомогательные величины:

х - входная величина ();

при i = 0,1,2..N-1;

при i = 0,1,2..N-1;

при i = 0,1,2..N-1;

;

при i = 0,1,2..N-1;

;

;

;

;

;

.

6. Выбор аналогового коммутатора

Коммутатор предназначен для коммутирования напряжения постоянного тока в диапазоне от 50 мВ до 180 В при токе до 100 мА.

Выбираем аналоговый коммутатор типа Ф240, имеющий погрешность передачи измерительного сигнала 0,025 %.

7. Выбор аналого-цифрового преобразователя (АЦП)

АЦП предназначен для преобразования постоянного напряжения или тока в цифровой код.

Выбираем АЦП типа Ф733/1, имеющий следующие основные характеристики:

- Диапазон преобразуемых сигналов ;

- Основная погрешность преобразователя вычисляется по формуле:

,

где - конечное значение диапазона измерения (=);

Х - измеряемая величина (Х = 4,72 В).

8. Определение погрешности объемного расхода

Рассчитываем случайную составляющую измерения объёмного расхода

Т.к. систематическая составляющая погрешности у каждого канала отсутствует, то в данном случае её расчёт не требуется.

Рассчитываем относительную погрешность измерения расхода водяного пара:

Так как рассчитанная погрешность меньше допустимой по заданию, то расчет завершен.

Список используемой литературы

1. Ю.Н. Андреев, А.И. Антонян и др. Резисторы (справочник). Под. Ред. И.И. Четверткова. - М.: Энергоиздат, 1981. - 352с.

2. К.К. Илюнин, Д.И. Леонтьев, Л.И. Набебина и др. Справочник по электроизмерительным приборам. Под. ред. К.К. Илюнина. Изд. 2-е, перераб. и доп. Л., "Энергия"

Размещено на Allbest.ru