Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Тульский государственный университет

Кафедра: «Автоматизированные станочные системы»

дипломный проект

Выпускная квалификационная работа дипломированного специалиста специальность 230104

«Системы автоматизированного проектирования»

Тема: «Автоматизация проектирования диафрагм в устройствах измерения расхода жидкостей и газов»

Студент группы Данильченко Н.С.

Тула, 2015 г.

Аннотация

Тема: «Автоматизация проектирования диафрагм в устройствах измерения расхода жидкостей и газов»

Разработала: Данильченко Н.С.

Руководитель: к.т.н. доц. Троицкий Д.И.

Год защиты: 2015.

Название объекта проектирования: диафрагма.

Данная подсистема предназначена для проектирования стандартных диафрагм и диафрагм с коническим входом. Она выполняет следующие функции:

- расчет параметров диафрагмы;

- формирование комплекта конструкторской документации на диафрагму.

Подсистема основана на программных продуктах КОМПАС-3D и Microsoft Office Word. В результате работы программы рассчитываются параметры диафрагмы, оформляется конструкторская документация и отчет о полученных результатах.

Основные проектные решения: автоматический расчёт параметров диафрагмы, автоматическое оформление конструкторской документации, автоматическое формирование отчета по расчету.

Содержание

• Введение
• 1. Описание объекта проектирования
• 1.1 Теоретические основы принципа измерения методом переменного перепада давления
• 1.2 Общие сведения о диафрагмах
• 1.2.1 Границы применения
• 1.2.2 Геометрические размеры стандартной диафрагмы
• 1.2.3 Геометрические размеры диафрагмы с коническим входом
• 2. Анализ процесса проектирования диафрагмы
• 3. Структурная модель автоматизированной системы проектирования диафрагм
• 4. Математическая модель
• 4.1 Стандартная диафрагма
• 4.1.1 Расчет диаметра отверстия
• 4.1.2 Расчет коэффициентов
• 4.2 Диафрагма с коническим входом
• 5. Результат работы модуля
• 5.1 Ручной расчет параметров диафрагмы
• 5.2 Результаты автоматизированного расчета
• 5.3 Сравнительный анализ
• 6. Инструкция для пользователя
• 7. Практическая реализация результатов работы
• 8. Раздел организационно-экономический
• 8.1 Основа расчета эффективности изделий, создаваемых с использованием САПР
• 8.2 Расчет себестоимости программного продукта
• 8.2.1 Затраты времени ЭВМ на внедрение и отладку
• 8.2.2 Расчёт себестоимости программного продукта
• 8.2.3 Обоснование цены прикладной программы
• 8.3 Расчёт экономического эффекта от внедрения программного продукта
• 9. Раздел по охране труда и окружающей среды
• 9.1 Описание объекта проектирования
• 9.2 Анализ вредных и опасных производственных факторов
• 9.3 Мероприятия по устранению и уменьшению действия опасных и вредных производственных факторов
• 9.3.1 Производственное помещение и размещение оборудования
• 9.3.2 Микроклимат воздуха
• 9.3.3 Производственное освещение
• 9.3.4 Шум
• 9.3.5 Эргономика организации рабочего места и режима труда
• 9.3.6 Защита от электромагнитных полей, статического электричества, излучений
• 9.3.7 Электробезопасность
• 9.3.8 Пожарная безопасность
• 9.3.9 Охрана окружающей среды
• Заключение
• Библиографический список
• Приложение 1
• Приложение 2
• Приложение 3

Введение

Актуальность

Химическая промышленность - отрасль тяжелой индустрии. Она определяет развитие НТП, расширяет сырьевую базу промышленности, строительства, является необходимым условием интенсификации сельского хозяйства (производство минеральных удобрений), удовлетворяет спрос населения на продукцию народного потребления.

Химическая промышленность состоит из следующих отраслей:

1) горно-химическая (добыча минерального сырья: апатиты, фосфориты, сера).

2) основная химия (получение кислот, щелочей, солей, минеральных удобрений).

3) химия органического синтеза (производство углеводородного сырья и полуфабрикатов для получения полимерных материалов).

4) химия полимеров (производство смол, пластмасс, синтетического каучука и химических волокон).

5) переработка полимерных материалов (изготовление шин, резины, полиэтиленовой пленки).

6) производство синтетических красителей и химических веществ.

В химической промышленности оптимальное управление многими технологическими процессами основывается на смешивании различных компонентов и ингредиентов, входящих в состав изготовляемого целевого продукта, в строго определенных соотношениях, изменение которых может привести к нарушению хода процессов и получению некачественного готового продукта. Измерение расхода веществ (жидких, газообразных, паров) широко применяется как в товароучетных и отчетных операциях, так и при контроле, регулировании и управлении технологическими процессами.

В настоящее время любое производство ведет нормировку материалов, необходимых для изготовления той или иной продукции. Так и на предприятиях химической отрасли осуществляется контроль измерения расхода веществ, идущих на изготовление сырья, минеральных удобрений и др. Расход вещества обычно требуется измерять с высокой точностью, так как на основании показателей приборов ведется расчет с потребителем.

Одним из наиболее распространенных средств измерений расхода жидкостей и газов (паров), протекающих по трубопроводам, являются расходомеры переменного перепада давления, состоящие из сужающего устройства (СУ), дифманометра, приборов для измерения параметров среды и соединительных линий. В комплект расходомерного устройства также входят прямые участки трубопроводов до и после сужающего устройства с местными сопротивлениями.

Сужающее устройство расходомера является первичным измерительным преобразователем расхода, в котором в результате сужения сечения потока измеряемой среды (жидкости, газа, пара) образуется перепад (разность) давления, зависящий от расхода. В качестве стандартных (нормализованных) сужающих устройств применяются измерительные диафрагмы, сопла, сопла Вентури и трубы-Вентури. Наиболее распространенным и часто используемым видом сужающего устройства является стандартная диафрагма, достоинством которой заключается в простоте в изготовлении и монтаже и применении в широком диапазоне чисел Рейнольдса.

Проектирование данного вида СУ представляет собой трудоемкий процесс. К тому же увеличение мощности промышленных установок приводит к росту объема и усложнению систем контроля и автоматического управления технологических процессов. Разработка лишь одной промышленной установки может включать проектирование немалого количества диафрагм.

Как видно из рисунка 1.1, в данной установке используется 7 диафрагм. В данном случае расчет займет большое количество времени. К тому же велика вероятность возникновения ошибки и получения некорректных результирующих данных.

Рисунок 1.1 - Факельная установка в цехе по производству аммиака

Таким образом, внедрение автоматизации проектирования диафрагм снизит фактор появления ошибки, ускорит процесс разработки, приведет к получению оптимальных параметров, что так необходимо для как можно более точного измерения расхода в процессе эксплуатации.

Постановка задачи

На предприятии осуществляется разработка технологических схем для химической промышленности. В качестве устройств, измеряющих расход газа, жидкости или пара, используются диафрагмы стандартные (камерные), относящиеся к стандартный сужающим устройствам, и диафрагмы с коническим входом, относящиеся к специальным сужающим устройствам.

Для одной технологической схемы может рассчитываться большое количество диафрагм. Расчет диаметра данного СУ представляет собой трудоемкий процесс, который осуществляется вручную.

Поэтому было принято решение автоматизировать процесс проектирования сужающего устройства типа «диафрагма».

Автоматизация включает разработку средств информационной поддержи следующих процессов:

- проектирования СУ (стандартная диафрагма, диафрагма с коническим входом) для измерения расхода при заданном режиме;

- выбора оптимального варианта относительного диаметра отверстия (для стандартной диафрагмы) для минимизации длины прямолинейных участков.

Результаты работы:

- рассчитанные диаметр СУ при рабочей температуре среды и диапазон перепада давления;

- рабочий чертеж диска диафрагмы, с проставленными размерами, допусками и указанными техническими требованиями.

Техническое задание на разработку САПР

Техническое задание согласно ГОСТ 34.602-89. Информационная технология. Автоматизированные системы. Техническое задание на создание автоматизированной системы.

1. Общие сведения:

- название системы - «Автоматизация проектирования диафрагм в устройствах измерения расхода жидкостей и газов»

- разработчик - Данильченко Н.С., заказчик - НИАП;

- плановые сроки начала и окончания работы по созданию системы: 9.02.09 - 20.05.09.

2. Назначение и цели создания системы:

- назначение системы: автоматизация проектирования стандартных диафрагм и диафрагм с коническим входом с целью получения параметров диафрагм с учетом минимизации длины прямолинейных участков трубопровода, выполнение расчета в соответствии с требованиями ГОСТ 8.586.1-2014 и ГОСТ 8.586.2-2014, автоматизированное оформление конструкторской документации на диафрагму.

- цели создания системы: сокращение времени на разработку проекта, получение наиболее оптимальных результатов (диаметр отверстия диафрагмы).

3. Характеристики объекта автоматизации:

- перечень документов, содержащих информацию об объекте автоматизации: ГОСТ 8.586.2-2014 «Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств» Часть 2 Диафрагмы. Технические требования; РД 50-411-83 «Методические указания. Расход жидкостей и газов. Методичка выполнения измерений с помощью специальных сужающих устройств»;

- сведения об условиях эксплуатации объекта автоматизации и характеристиках окружающей среды: используется фланцевый способ отбора давления, тип диафрагмы - ДКС, однофазная и однородная среда (газ, пар, жидкость); число Рейнольдса от до (в зависимости от метода отбора давления возможны дополнительные ограничения по числу Рейнольдса); трубопроводы круглого сечения с внутренним диаметром 50...1000 мм (для стандартной диафрагмы), 12,5..100 мм (для диафрагмы с коническим входом); стационарный или медленно меняющийся поток; скорость потока в отверстии диафрагмы не превышает скорости звука.

4. Требования к системе

4.1 Требования к системе в целом

4.1.1 Требования к структуре и функционированию системы

4.1.1.1 Перечень подсистем, их назначение и основные характеристики

В состав системы должны входить следующие подсистемы:

- подсистема расчета: получение геометрических размеров диафрагмы;

- подсистема оформления КД: разработка рабочего чертежа с указанием технических требований, простановкой размеров.

4.1.1.2 Требования к режимам функционирования системы

Для системы определены следующий режим функционирования:

- клиентское программное обеспечение и технические средства пользователей системы обеспечивают возможность функционирования 24 часа семь дней в неделю;

- серверное программное обеспечение и технические средства сервера обеспечивают возможность круглосуточного функционирования, с перерывами на обслуживание;

- исправно работает оборудование, составляющее комплекс технических средств;

- исправно функционирует системное, базовое и прикладное программное обеспечение системы.

Для обеспечения режима функционирования системы необходимо выполнять требования и выдерживать условия эксплуатации программного обеспечения и комплекса технических средств системы, указанные в соответствующих технических документах (техническая документация, инструкции по эксплуатации и т.д.).

4.1.2 Требования к численности и квалификации персонала системы

Для эксплуатации системы определены следующие роли:

- системный администратор:

- пользователь.

Основными обязанностями системного администратора являются:

- установка, модернизация, настройка и мониторинг работоспособности системного и базового программного обеспечения;

- установка, настройка и мониторинг прикладного программного обеспечения.

Основными обязанностями пользователя являются:

- эксплуатация системы в рабочих целях;

- пользователи системы должны иметь опыт работы с персональным компьютером на базе операционных систем Microsoft Windows, с пакетом прикладных программ Microsoft Office, системой твердотельного моделирования КОМПАС 3D на уровне квалифицированного пользователя.

Рекомендуемая численность для эксплуатации системы:

- администратор - 1 штатная единица;

- пользователь - число штатных единиц определяется структурой предприятия.

Штатный состав персонала, эксплуатирующего систему, должен формироваться на основании нормативных документов Российской Федерации и Трудового кодекса.

4.1.3 Требования к надежности

Система должна сохранять работоспособность и обеспечивать восстановление своих функций при возникновении следующих внештатных ситуаций:

- при сбоях в системе электроснабжения аппаратной части, приводящих к перезагрузке операционной системы (ОС), восстановление программы должно происходить после перезапуска ОС и запуска исполняемого файла системы;

- при ошибках в работе аппаратных средств (кроме носителей данных и программ) восстановление функции системы возлагается на ОС;

- при ошибках, связанных с программным обеспечением (ОС и драйверы устройств), восстановление работоспособности возлагается на ОС.

Для защиты аппаратуры от бросков напряжения и коммутационных помех должны применяться блоки бесперебойного питания.

4.1.4 Требования к эргономике и технической эстетике

Взаимодействие пользователей с прикладным программным обеспечением, входящим в состав системы должно осуществляться посредством визуального графического интерфейса (GUI). Интерфейс системы должен быть понятным и удобным, не должен быть перегружен графическими элементами и должен обеспечивать быстрое отображение экранных форм. Навигационные элементы должны быть выполнены в удобной для пользователя форме. Средства редактирования информации должны удовлетворять принятым соглашениям в части использования функциональных клавиш, режимов работы, поиска, использования оконной системы. Ввод-вывод данных системы, прием управляющих команд и отображение результатов их исполнения должны выполняться в интерактивном режиме. Интерфейс должен соответствовать современным эргономическим требованиям и обеспечивать удобный доступ к основным функциям и операциям системы.

Интерфейс должен быть рассчитан на преимущественное использование манипулятора типа «мышь», то есть управление системой должно осуществляться с помощью набора экранных меню, кнопок, значков и т. п. элементов. Клавиатурный режим ввода должен использоваться главным образом при заполнении и/или редактировании текстовых и числовых полей экранных форм.

Все надписи экранных форм, а также сообщения, выдаваемые пользователю (кроме системных сообщений) должны быть на русском языке.

Система должна обеспечивать корректную обработку аварийных ситуаций, вызванных неверными действиями пользователей, неверным форматом или недопустимыми значениями входных данных. В указанных случаях система должна выдавать пользователю соответствующие сообщения, после чего возвращаться в рабочее состояние, предшествовавшее неверной (недопустимой) команде или некорректному вводу данных.

Экранные формы должны проектироваться с учетом требований унификации:

- все экранные формы пользовательского интерфейса должны быть выполнены в едином графическом дизайне, с одинаковым расположением основных элементов управления и навигации;

- для обозначения сходных операций должны использоваться сходные графические значки, кнопки и другие управляющие (навигационные) элементы. Термины, используемые для обозначения типовых операций (добавление информационной сущности, редактирование поля данных), а также последовательности действий пользователя при их выполнении, должны быть унифицированы;

- внешнее поведение сходных элементов интерфейса (реакция на наведение указателя «мыши», переключение фокуса, нажатие кнопки) должны реализовываться одинаково для однотипных элементов.

Система должна соответствовать требованиям эргономики и профессиональной медицины при условии комплектования высококачественным оборудованием (ПЭВМ, монитор и прочее оборудование), имеющим необходимые сертификаты соответствия и безопасности Росстандарта.

4.1.5 Требования по сохранности информации при авариях

Программное обеспечение должно восстанавливать свое функционирование при корректном перезапуске аппаратных средств. Приведенное выше требование не распространяется на компоненты системы, разработанные третьими сторонами и действительны только при соблюдении правил эксплуатации этих компонентов, включая своевременную установку обновлений, рекомендованных производителями покупного программного обеспечения.

4.1.6 Требования к защите от влияния внешних воздействий

Защита от влияния внешних воздействий должна обеспечиваться средствами программно технического комплекса Заказчика.

4.1.7 Требования к патентной частоте

Установка системы в целом, как и установка отдельных частей системы не должна предъявлять дополнительных требований к покупке лицензий на программное обеспечение сторонних производителей.

4.2 Требования к функциям (задачам), выполняемым системой

Задачи подсистемы расчета:

- проверка по условиям прохождения: по числу Рейнольдса, по вспомогательным коэффициентам;

- выбор относительного диаметра отверстия диафрагмы по необходимой минимальной относительной длине прямолинейных участков измерительного трубопровода между диафрагмой и местным сопротивлением.

Задачи подсистемы оформления КД:

- разработка рабочего чертежа (вид, разрез) с указанием технических требований, простановкой размеров.

4.3 Требования к видам обеспечения

4.3.1 Требования к математическому обеспечению системы

Математические методы и алгоритмы, используемые для создания системы, а также программное обеспечение, реализующее их, должны быть сертифицированы уполномоченными организациями для использования в государственных органах Российской Федерации.

4.3.2 Требования к информационному обеспечению системы

Состав, структура и способы организации данных в системе должны быть определены на этапе технического проектирования.

4.3.3 Требования к лингвистическому обеспечению системы

Все прикладное программное обеспечение системы для организации взаимодействия с пользователем должно использовать русский язык.

4.3.4 Требования к программному обеспечению системы

При проектировании и разработке системы возможно использование любого программного обеспечения. Базовой программной платформой должна являться операционная система MS Windows.

4.3.5 Требования к техническому обеспечению

Техническое обеспечение системы должно максимально и наиболее эффективным образом использовать существующие в органах федерального агентства технические средства.

Требования к техническим характеристикам ПК пользователя:

- процессор - Intel Pentium IV 2 ГГц;

- объем оперативной памяти - 512 Мб;

- дисковая подсистема - 40 Гб.

1. Описание объекта проектирования

1.1 Теоретические основы принципа измерения методом переменного перепада давления

Измерение расхода методом переменного перепада давления в сужающем устройстве основано на зависимости перепада давления, установленным в трубопроводе неподвижным сужающим устройством, от расхода жидкости. Принцип измерения по методу переменного перепада давления основан на принципе неразрывности установившегося движения жидкости и уравнения Бернулли для жидкости Еп+Ек=const (Еп - потенциальная энергия (давление) жидкости, Ек - кинетическая (скоростная) энергия). Согласно принципу неразрывности потока, протекающей в трубопроводе жидкости, он во всех сечениях одинаков, следовательно, в один и тот же момент времени протекают одинаковые количества. Если на каком-то участке сечение сужается, то в этом месте скорость потока должна возрасти.

Следовательно, увеличение скорости вызывает уменьшение статического давления. Сужающее устройство выполняет функции первичного преобразователя (ПП), и создает в трубопроводе местное сопротивление, вследствие чего при протекании через него жидкости скорость в суженном сечении повышается по сравнению со скоростью потока до сужения. Соответственно статическое давление в суженом сечении будет меньше, чем в сечении до сужающего устройства.

В состав расходомера входят: преобразователь расхода, создающий перепад давления; дифференциальный манометр, измеряющий этот перепад и соединительные трубки между преобразователем и дифманометром.

На рисунке 2 через А-А обозначено сечение, от которого начинается сужение струи и, следовательно, постепенное возрастание средней скорости Va потока. Максимальное значение Vb эта скорость достигает в месте наибольшего сжатия струи в сечении В-В, которое расположено после диафрагмы на расстоянии, зависящем от отношения d/D и примерно равным 0.5, где D-диаметр трубы.

Рисунок 2. - Изменение давления р и средней скорости v потока при прохождении через диафрагму

Возрастание средней скорости от Va до Vb , а следовательно, и соответствующей кинетической энергии происходит за счет уменьшения начального давления Pa до давления Pb. После сечения В-В струя постепенно расширяется и в сечении С-С вновь достигает стенок трубы. При этом скорость потока будет уменьшаться, а давление возрастать. Если измеряемое вещество жидкость, плотность которой практически не зависит от давления, то в сечении С-С скорость Vc станет равной начальной скорости Va, но давление Pc будет меньше начального Pa вследствие потери энергии при прохождении жидкости через сужающее устройство. Основная часть этой потери давления происходит в мертвых зонах за диафрагмой. Струя, текущая с большой скоростью, увлекает с собой прилегающие частицы из этих зон и создает некоторое падение давления в них, что вызывает частичное движение жидкости вдоль стенок от сечения С-С к сечению В-В. В результате в мертвых зонах возникает сильное вихреобразование и происходит потеря потенциальной энергии. Остаточная потеря давления (Pa - Pc) у диафрагм составляет от 40 до 90% от перепада давления (Pa - Pb), возрастая с уменьшением относительного диаметра диафрагмы. Потеря же давления от трения и ударов в самой диафрагме составляет не более 2% от (Pa - Pb).

Закон сохранения энергии

,(2.1)

где v - скорость потока, - плотность среды.

и уравнение неразрывности струи

(2.2)

для жидкостей, у которых примут вид:

,(2.3)

где QМ - массовый расход (кг/с), Qо - объемный расход (/с); - поправочные множители на неравномерность распределения скорости в сечениях А-А и В-В; о - коэффициент сопротивления на участке от А-А и В-В, отнесенный к скорости - площадь струн в сечениях А-А и В-В.

Т. к. площадь горла струи трудно измерить, то ее можно заменить на площадь отверстия диафрагмы , с помощью коэффициента сужения струи м

(2.4)

Тогда получаем:

(2.5)

Эти средства измерительной техники (СИТ) нашли широкое применение в промышленной практике. Это объясняется простотой их конструкции, а главное - возможностью безпроливной градуировки (поверки, калибровки).

1.2 Общие сведения о диафрагмах

Диафрагма - тип стандартного сужающего устройства, выполненного в виде тонкого диска с отверстием, имеющим со стороны входа потока острую прямоугольную кромку.

Одним из основных преимуществ диафрагмы является наличие огромного теоретического и практического материала, а также четкой нормативной базы по влиянию различных факторов на соотношение между расходом и перепадом давления.

Стандартные диафрагмы имеют весьма широкую область применения. ГОСТ 8.586-2014 допускает использовать их при следующих условиях:

- однофазная и однородная среда (газ, пар, жидкость);

- число Рейнольдса от до (в зависимости от метода отбора давления возможны дополнительные ограничения по числу Рейнольдса);

- трубопроводы круглого сечения с внутренним диаметром 50...1000 мм;

- стационарный или медленно меняющийся поток;

- скорость потока в отверстии диафрагмы не превышает скорости звука.

Диафрагмы с коническим входом расширяют область применения:

- измерение расхода при малых числах Рейнольдса, что имеет практическое значение в случаях установки диафрагмы в трубопроводах малого диаметра, вязких жидкостей и горячих газов.

Существенным фактором является то, что на физические свойства собственно среды (электропроводность, плотность, вязкость и т. д.) ограничений не накладывается, ограничиваются лишь гидродинамические параметры потока.

Еще одним важным преимуществом диафрагмы является относительная простота в изготовлении и низкая стоимость по сравнению с другими типами преобразователей (при сравнительно небольших диаметрах трубопровода и давлениях). Варьируя отношение внутреннего диаметра диафрагмы d к внутреннему диаметру трубопровода D (так называемый коэффициент в = d/D), можно обеспечить требуемый диапазон по перепаду давления в достаточно широком диапазоне скоростей потока.

Однако, наряду с преимуществами, стандартные диафрагмы обладают и весьма серьезными недостатками, которые ограничивают их применение и заставляют искать альтернативные методы и средства измерения расхода. К таким недостаткам относятся:

- застойные зоны и скопление осадков;

- необходимость остановки трубопровода для монтажа/демонтажа диафрагмы;

- ограничения по диаметру и форме сечения трубопровода;

- громоздкость и сложность монтажа при больших диаметрах трубопроводов и высоких давлениях.

Применяются следующие марки стали для изготовления диафрагм: 35Л, 45Л, 20ХМЛ, 12Х18Н9ТЛ, 15К, 20К, 22К, 16ГС, 09Г2С, 10, 15, 20, 30, 35, 40,45, 10Г2, 38ХА, 40Х, 15ХМ, 30ХМ, 30ХМА, 12Х1МФ, 25X1МФ, 25Х2М1Ф, 15Х5М, 18Х2Н4МА, 38ХН3МФА, 08X13, 12X13, 20X13, 30X13, 110Х14Г14Н4Т, 08X18Н10, 12X18Н9Т, 12Х18Н10Т, 12Х18Н12Т, 08Х18Н10Т, 08Х22Н6Т, 37Х12Н8Г8МФБ, 31Х19Н9МВБТ, 06ХН28МДТ, 20Л, 25Л.

1.2.1 Границы применения

Диафрагмы применяют при следующих условиях:

Для стандартной диафрагмы:

d 0,0125 м;

0,050 м D 1 м;

0,1 0,75,

где d - диаметр отверстия сужающего устройства при рабочей температуре среды, м;

D - внутренний диаметр измерительного трубопровода при рабочей температуре среды, м;

- относительный диаметр отверстия сужающего устройства.

Значение числа Re должно быть более 5000 и 1,710⁵²D.

Для диафрагмы с коническим входом:

0,006 м d 0,050 м;

0,0125 м D 0,1 м;

Таблица 2.1. Значения граничных чисел Re

0.01	40	20000
0.04	40	40000
0.09	60	50000
0.16	120	50000
0.25	260	50000

1.2.2 Геометрические размеры стандартной диафрагмы Для стандартной диафрагмы условия приведены в соответствии с ГОСТ 8.586.2-2014

Поперечное сечение в осевой плоскости стандартной диафрагмы приведено на рисунке 3. Обозначения элементов и геометрических параметров диафрагмы приведены на рисунке 3.:

Рисунок 2.2 - Стандартная диафрагма: 1 - входной торец диафрагмы; 2 - выходной торец диафрагмы

- длина е цилиндрической части отверстия диафрагмы должна находиться в пределах от 0,005D до 0,02D;

- разность между значениями е при ее измерении в любой точке контура отверстия не должна превышать 0,001D;

- толщина Е_д диафрагмы должна быть в пределах от е до 0,05D. Если 50 мм D 64 мм, то толщина Е_д может достигать 3,2 мм. В этом случае не рекомендуется применение диафрагм с > 0,36;

- если D 200 мм, то разность между значениями Е_д, измеренными в любой точке диска диафрагмы, не должна превышать 0,001D. Если D < 200 мм, разность между значениями Е_д, измеренными в любой точке диска диафрагмы, не должна быть более 0,2 мм;

- если толщина Е_д превышает длину е, то отверстие диафрагмы должно иметь скос со стороны выходного торца;

- угол наклона образующей конуса к оси отверстия диафрагмы должен быть в пределах 45° 15°;

- диаметр d должен быть не менее 12,5 мм. Относительный диаметр должен находиться в пределах от 0,10 до 0,75.

1.2.3 Геометрические размеры диафрагмы с коническим входом

Диафрагмы с коническим входом относятся к специальным сужающим устройствам (ССУ) для трубопроводов с внутренним диаметром менее 100 мм.

Рисунок 2.3 - Диафрагма с коническим входом

Форма и основные геометрические характеристики диафрагмы с коническим входом представлены на рис. 3.3:

- длина цилиндрической части е составляет 0,021d независимо от значения . Допуск на размер на более ±0,04 мм.

- глубина скоса определяется в зависимости от и может быть определена по таблице 2.2.

Таблица 2.2.

	F	d/J
0.10	45	12
0.12	45	11.8
0.14	45	11.7
0.16	45	11.6
0.18	45	11.5
0.20	45	11.4
0.22	44.8	11.2
0.24	44.5	11.1
0.26	44.1	10.9
0.28	43.6	10.8
0.30	43.0	10.7
0.32	42.2	10.5
0.34	41.6	10.4
0.36	40.8	10.3
0.38	40.0	10.2
0.40	39.1	10.0
0.41	38.6	10.0
0.42	38.1	9.9
0.43	37.5	9.8
0.44	36.9	9.8
0.45	36.1	9.7
0.46	35.4	9.6
0.47	34.4	9.6
0.48	33.3	9.4
0.49	32.2	9.3
0.50	31.2	9.2

- угол входа F выбирают в зависимости от относительной площади диафрагмы . Допуск на угол равен ±0,03F.

- значение величины F и d/J для промежуточных необходимо выполнять по методу линейной интерполяции.

- общая толщина Е диафрагмы должна находится в пределах e+J?Е?0.1D

информационный диафрагма расход

2. Анализ процесса проектирования диафрагмы

Ни одно производство, где выпускаются и разрабатываются различного рода изделия, не может обойтись без конструкторского отдела. Любой процесс конструирования сопровождается проведением огромного числа разнообразных расчетов. Эти расчеты могут производить в связи с конструированием нового изделия, так и в связи с модернизацией уже выпускаемого изделия. Также многие предприятия ведут разработку огромных проектов, связанных с архитектурным проектированием, строительным проектированием и конструированием, проектированием инженерных сетей и систем, технологическим проектирование и т.п. Разработка таких проектов подразумевает совместную работу инженеров-конструкторов, технологов, метрологов. Но иногда задача конструктора может свестись к многократному проектированию устройства требующая сложных вычислительных расчетов, учета различных факторов, влияющих на конечный результат. Подобного рода работа является трудоемкой, требуют внимания и значительных затрат времени конструктора. В большинстве случаев конструктору приходится выполнять однотипные расчеты, протекающие по определенному алгоритму.

В рамках данного дипломного проекта был рассмотрен процесс проектирования диафрагмы для технологических схем, разрабатываемых для химической промышленности.

Для лучшего представления была составлена общая схема процесса проектирования диафрагм, используемого на предприятии, при помощи методологии IDEF0 в соответствии со стандартом Integration Definition for Function Modeling (IDEF0), изданным National Institute of Standards and Technology 21.12.1993:

Функциональная схема процесса проектирования диафрагм представлена на рисунке 2.2.



Рисунок 2.1. - Общая схема процесса проектирования диафрагмы

Рисунок 2.2. - Функциональная схема процесса проектирования диафрагм после декомпозиции

Процесс разработки начинается с задания технической характеристики и условий, в которых будет использоваться проектируемое устройство:

- гидравлические параметры среды: давление, расход, температура;

- параметры трубопровода: диаметр, материал;

- материал диафрагмы.

По заданным условиям производится расчет параметров диафрагмы. В качестве управления выступает ГОСТы, в которых указаны технические требования, предъявляемые к стандартным диафрагмам, и методика расчета для диафрагмы с коническим входом. Весь расчет проделывает инженер-конструктор. При этом в случае невозможности выбора какой-либо диафрагмы при заданных условиях, изменяют какие-либо параметры (наибольший расход, материал диафрагмы, верхний предел перепада давления). В случае если при заданных и измененных исходных данных проектирование невозможно, принимается решение об установке иного вида СУ или расходомера. Если же при заданных параметров расчет возможен, то находят параметры диафрагмы, затем оформляют конструкторскую документацию, составляют отчет о рассчитанных параметрах. Следует заметить, что для стандартной диафрагмы основные размеры определены ГОСТом, для диафрагмы с коническим входом все размеры определяются в зависимости от найденного диаметра отверстия. Для оформления КД используется графический редактор AutoCAD, для составления отчета - текстовый редактор Microsoft Word.

Теперь рассмотрим, как будет происходить процесс проектирования после внедрения ПО.

Как видно после внедрения ПО задачей инженера стало задание исходных данных для расчета и оценка получения корректных результатов расчета. Исполнителем же всего процесса проектирования становится программное обеспечение, выполняющее расчет параметров диафрагмы, оформление КД на проектируемое устройство, составление отчета.



Рисунок 2.3. - Общая схема проектирования диафрагмы после внедрения ПО

Рисунок 2.4. - Функциональная схема процесса проектирования диафрагм после внедрения ПО

Процесс проектирования происходит следующим образом: по исходным данным осуществляется расчет параметров стандартной диафрагмы, либо диафрагмы с коническим входом (блок А01), исполнитель - ПО, управление - ГОСТ, методика расчета; по полученным данным идет составление документации о произведенных расчетах (блок А03); по найденным параметрам диафрагмы оформляется КД (блок А02).

Рассмотрим алгоритм расчета параметров диафрагм. Для более удобного представления используем IDEF3.

Рисунок 2.5. - диаграмма IDEF3 процесса расчета

Рисунок 2.6 - диаграмма IDEF3 процесса расчета стандартной диафрагмы

Рисунок 2.6 - диаграмма IDEF3 процесса расчета диафрагмы с коническим входом

3. Структурная модель автоматизированной системы проектирования диафрагм

Рисунок 3.1 - Структурная модель системы

Пользователь взаимодействует с интерфейсом автоматизированной системы, подавая на вход исходные данные. Далее идет взаимодействие с основными модулями системы.

1. Модуль СУБД.

Модуль предназначен для работы с библиотеками сред, материалов. Позволяет редактировать уже имеющиеся записи, заносить новые данные.

2. Модуль математического расчета.

Cодержит объект - Tdiaf. В данном модуле реализуется математическая модель проекта.

Свойства и методы Tdiaf.

Свойства:

Таблица 4.1

Смысл	Наимен.	Тип данных	Диапазон
Относительный диаметр отверстия диафрагмы	b	real	2,9 10-39 ..1,7 1038
Минимальный массовый расход	qmin	real	2,9 10-39 ..1,7 1038
максимальный массовый расход	qmax	real	2,9 10-39 ..1,7 1038
Абсолютное давление среды	p	real	2,9 10-39 ..1,7 1038
Допустимая потеря давления	pper	real	2,9 10-39 ..1,7 1038
Плотность среды	r	real	2,9 10-39 ..1,7 1038
Динамическая вязкость среды	m	real	2,9 10-39 ..1,7 1038
Температура среды	t	byte	0..255
Показатель адиабаты	k	real	2,9 10-39 ..1,7 1038
Cреднеарифметическое отклонение профиля шероховатости	Ra	real	2,9 10-39 ..1,7 1038
постоянные коэффициенты	a0, a1, a2	real	2,9 10-39 ..1,7 1038
Диаметр трубопровода	D	real	2,9 10-39 ..1,7 1038
Диаметр отверстия диафрагмы при 20С	d20	byte	0..255
Диаметр отверстия диафрагмы при рабочей температуре	dcy	byte	0..255
Максимальное число Рейнольдса	remax	real	2,9 10-39 ..1,7 1038
Минимальное число Рейнольдса	remin	real	2,9 10-39 ..1,7 1038
Верхняя граница числа Рейнольдса	rev	real	2,9 10-39 ..1,7 1038
Нижняя граница числа Рейнольдса	ren	real	2,9 10-39 ..1,7 1038
Длина цилиндрической части	el	real	2,9 10-39 ..1,7 1038
Толщина диафрагмы	E	real	2,9 10-39 ..1,7 1038
Угол входа	F	byte	0..255
Глубина скоса	J	real	2,9 10-39 ..1,7 1038
Какая среда (газ/жидкость)	gaz	boolean	True, false

Методы:

Таблица 4.2

Смысл	Наименование	Исходные данные	Результат
Расчет максимального/минимального числа Рейнольдса (станд./кон.)	calcRemaxmin calcRemaxminkon	qmaxmin:real	real
Расчет нижней и верхней границы числа Рейнольдса (станд./кон.)	calcRe	b:real	real
	calcRevn	beta, betan, betav, renbl,revbl:real
Расчет вспомoгательной величины А	calcA	b:real	real
Pасчет вспомoгательной величины B	calcB	b:real
Pасчет коэффициента истечения С	calcC	b:real	real
Pасчет коэффициента скорости входа Е	calcE	b:real	real
Pасчет коэффициента расширения Ерs	calcEps	b:real	real
Расчет поправочного коэффициента, учитывающего шероховатость внутренней поверхности ИТ	calcK	b:real	real
Расчет температурного коэффициента линейного расширения материала	calcAlfa	t:real	real
Расчет стандартной диафрагмы	calcd
Расчет диафрагмы с коническим входом	calccondiaf

На выходе имеем параметры диафрагмы.

3. Модуль формирования комплекта конструкторской документации. Модуль позволяет сформировать 2D-чертеж диафрагмы с помощью программы Kompas-3D.

4. Модуль оформления отчета.

Данный модуль выводит в Word входные и рассчитанные данные, что позволяет создавать удобные для просмотра, хранения и печати отчеты. Вывод данных в Word происходит при помощи COM технологий. На выходе модуль имеет программный код выводы данных в Word.

4. Математическая модель

Расчет диаметра отверстия диафрагмы может быть выполнен по следующим исходным данным:

1) наименование среды,

2) параметры среды:

- qm min, qm max - минимальный и максимальный массовый расход, ;

- pв - допустимая потеря давления (верхний предел), ;

- p - давление среды, ;

- t- температура среды, С;

- для газа дополнительно -- (показатель адиабаты).

3) параметры трубопровода:

- D - внутренний диаметр трубопровода, м;

- вид труб и материал;

- состояние поверхности стенки трубопровода и условия эксплуатации.

4) материал диафрагмы.

4.1 Стандартная диафрагма

4.1.1 Расчет диаметра отверстия

Условия прохождения:

- проверка прохождения по числу Рейнольдса:

Re_в Re_max , Re_н Re_min (5.1)

; (5.2)

- для газа проверяют выполнение неравенства:

p_в0,25p (5.3)

- по вспомогательным величинам:

₁ = (B₁ - A) / A (5.4)

₂ = (B₂ - A) / A (5.5)

= |(B - A) / A| < 5 · 10^-5. (5.6)

где

; (5.7)

, (5.8)

где E₁, E₂ -- коэффициенты скорости входа при _в и _н, соответственно;

C₁ -- коэффициент истечения при Re_max и _в;

C₂ -- коэффициент истечения при Re_max и _н;

K_п1, K_п2 -- поправочный коэффициент (для диафрагм = 1)

K_ш1 -- поправочный коэффициент K_ш при Re_max и _в

K_ш2 -- поправочный коэффициент K_ш при Re_max и _н

₁ -- коэффициент расширения при _в, p_в, и p (для жидкости не учитывается);

₂ -- коэффициент расширения при _н, p_в, и p (для жидкости не учитывается).

Если величины ₁ и ₂ имеют одинаковый знак, то расчет прекращают, так как в диапазоне допускаемых значений (относительный диаметр отверстия диафрагмы) не существует значения, удовлетворяющего исходным данным.

Если величины ₁ и ₂ имеют разные знаки, то расчет продолжают.

Для определения диаметра диафрагмы используют следующее уравнение (решение уравнения может быть выполнено любым итерационным способом):

A = ECK_ш K_п ² . (5.9)

где А - вспомогательная величина, рассчитываемая по формуле

; (5.10)

Используя значение , найденное из (4.9), вычисляют диаметр отверстия диафрагмы при температуре 20 по формуле

d₂₀ = D / K_cy. (5.11)

Примечание -- При расчете внутреннего диаметра отверстия диафрагмы дополнительно проверяют, что d₂₀ находится в диапазоне допустимых значений. Если данное условие выполняется, то значение d₂₀ считается найденным.

Диаметр отверстия диафрагмы при рабочей температуре среды

d = d₂₀ K_cy (5.12)

K_cy = 1 + _{t cy} (t - 20), (5.13)

где _tcy - температурный коэффициент линейного расширения материала диафрагмы.

4.1.2 Расчет коэффициентов

Коэффициенты истечения

Коэффициент истечения определяют по уравнению:

(5.14)

, ,

Значения L₁ и принимают равными:

- L₁ = = - для фланцевого способа отбора давления.

Коэффициент расширения

Коэффициент расширения рассчитывают по формуле:

(5.15)

Поправочный коэффициент, учитывающий шероховатость внутренней поверхности измерительного трубопровода

Если значение среднеарифметического отклонения профиля шероховатости Ra (по приложению 1) не более Ra_max и не менее значения Ra_min, то поправочный коэффициент K_ш принимают равным единице.

Значение Ra_max рассчитывают по формуле

(5.16)

где А₀, А₁, А₂ - коэффициенты, зависящие от числа Re, рассчитывают по формуле

А_j = [lg(Re)]^k. (5.17)

где B_k - постоянные коэффициенты, значения которых приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1. Значения коэффициентов В_k

Коэффициент	Значение коэффициента для расчета
	А0	А1	А2
при условии 104 < Re 105
В0	8,87	6,7307	-10,244
В1	-3,7114	-5,5844	5,7094
В2	0,41841	0,732485	0,76477
В3	0	0	0
при условии 105 < Re 3106
В0	27,23	-25,928	1,7622
В1	-11,458	12,426	-3,8765
В2	1,6117	-2,09397	1,05567
В3	-0,07567	0,106143	-0,076764
при условии 3106 < Re 108
В0	16,5416	322,594	-92,029
В1	-6,60709	-132,2	37,935
В2	0,88147	17,795	-5,1885
В3	-0,039226	-0,799765	0,23583

Если в результате расчета, выполненного по формуле (5.16), полученное значение 10⁴ 15, то принимают Ra_max = 1510^_4D.

Значение 10⁴ округляют до двух значащих цифр.

Значение Ra_min рассчитывают по формуле

 (5.18)

Если в результате расчета, выполненного по формуле (5.18), получено значение 10⁴0 или число Re < 310⁶, то принимают Ra_min = 0.

Значения 10⁴ округляют до трех цифр после запятой.

Если значение среднеарифметического отклонения профиля шероховатости Ra определенного по формуле (5.18), то поправочный коэффициент K_ш рассчитывают по формуле

K_ш = 1 + 5,22^3,5( - *), (5.19)

где и * - коэффициенты трения, рассчитанные при действительном числе Re и значениях эквивалентной шероховатости трубопровода, равных ее действительному значению R_ш и условному - соответственно.

Значения и * рассчитывают по формуле

(5.20)

где А_ш, k_D, k_R - величины, значения которых рассчитывают в соответствии с таблицей 5.2.

Таблица 5.2 Значения величин А_ш, k_D, k_R

Величина	Значение величины для расчета
		*
Аш	Rш или Ra	Ramax при Ra > Ramax; Ramin при Ra < Ramin
kD	0,26954Rш/D	0,26954Ramax/D при Ra > Ramax; 0,26954Ramin/D при Ra < Ramin
kR	5,035/Re

Температурный коэффициент линейного расширения материала

Значения температурного коэффициента линейного расширения материала СУ и ИТ могут быть рассчитаны в зависимости от температуры по формуле:

_t = 10^-6 [a₀ + a₁ (t / 1000) + a₂ (t / 1000)²], (5.21)

где a₀, a₁, a₂ -- постоянные коэффициенты, определяемые в соответствии с приложением 2.

4.2 Диафрагма с коническим входом

Выбирается верхний предел измерений по заданному наибольшему измеряемому расходу, так, чтобы стандартное значение , взятое из стандартного ряда (ГОСТ 18140-84), было ближайшее к q_{m max} и не менее его. Определяют предельный номинальный перепад давления из стандартного ряда по ГОСТ 18140-84 (чем больше перепад, тем меньше относительная площадь отверстия диафрагмы).

Стандартный ряд по ГОСТ 18140-84: 1; 1.25; 1.6; 2.0; 2.5; 3.2; 4.0; 5.0; 6.3; 8.0

Условия прохождения, если среда газ:

(5.23)

(5.24)

где - поправочные множители при

Отношение перепада давлений к абсолютному давлению на входе диафрагмы должно быть для остальных сужающих устройств

(5.25)

Условия прохождения, если среда жидкость:

,(5.26)

Если плотность измеряемой среды , то

.

Если плотность измеряемой среды , то .

Вспомогательная величина с:

для газа: (5.27)

для жидкости: (5.28)

Методика расчета.

Находим допустимое значение :

(5.29)

В зависимости в от вб находим приближенное значение в

(5.30)

(5.31)

Проверяем условия прохождения по числу Рейнольдса по формулам (5.1) и (5.2).

Если значения и лежат вне области постоянства (п. 5.1.) при принятых параметрах расходомера измерение данным методом невозможно. В этом случае желательно изменить или изменить диаметр трубопровода.

Наибольший перепад давления .

Вычисляем отношение и проверяем условия 5.25 и 5.26.

Далее для жидкости вычисляем значения параметров.

Для газа подсчитываем отношение по следующей зависимости:

,(5.32)

где - средний расход

Определяем поправочный множитель , учитывая ранее найденные приближенные значения в и

(5.33)

вычисляем вспомогательную величину

: (5.34)

По условиям 5.30 или 5.31 находим .

По формуле 5.33 находим при и .

Проверяем условие -<0,001. если выполняется, то значения и считают окончательными. В противном случае определяют величину по формуле 5.29, а по ней величину и соответствующее ей значение , которое и является окончательным.

Расчет параметров диафрагмы.

Диаметр отверстия сужающего устройства при t=20 °С :



Диаметр отверстия сужающего устройства при рабочей температуре:

5. Результат работы модуля

Данный раздел дипломного проектирования отражает корректность работы САПР. Здесь мы производим ручной расчет и сверяем его с расчетом САПР. Все расчеты произведены по формулам пункта 5.

5.1 Ручной расчет параметров диафрагмы

Исходные данные:

1. Наименование среды: азот

2. Максимальный массовый расход среды: 25

3. Минимальный массовый расход среды: 14

4. Допустимая потеря давления: 0,1

5. Давление среды: 7

6. Температура среды: 30 єС

7. Плотность при температуре 20 єС: 1,25

8. Вязкость при температуре 20 єС: 1,6981

9. Показатель адиабаты: 1,4

10. Материал диафрагмы: сталь 20

11. Диаметр трубопровода: 50 мм

12. Вид труб: стальные

13. Состояние стенки трубопровода: бутимизированная, новая

Стандартная диафрагма

1. Проверяем условия:

- по давлению: p_в0,25p: 0,11,75 проходит

- определяем значения верхней границы Re_в и нижней границы Re_н диапазона допускаемых значений Re в соответствии с п. 2.2.1.:

Re_н = 1,710^{5 2}D = 1,710⁵ *(0,1)² * 0.05=85000,

Re_в = 1,710^{5 2}D = 1,710⁵ *(0,75)² * 0.05=4781250

- рассчитываем значения верхней границы Re_max и нижней границы Re_min рабочего диапазона значений Re:

;

и проверяем выполнение неравенств Re_в Re_max 4781250 374901

Re_н Re_min, 85000 209945

2. Рассчитываем вспомогательную величину А:

3. Определяем значения верхней границы _в и нижней границы _н диапазона допускаемых значений в соответствии с п.2.2.1.:

_в = 0.75

_н = 0.1

4. Рассчитываем значения вспомогательных величин B₁ и B₂

где E₁, E₂ -- коэффициенты скорости входа при _в и _н, соответственно;

C₁ -- коэффициент истечения при Re_max и _в;

C₂ -- коэффициент истечения при Re_max и _н;

K_п1 -- поправочный коэффициент K_п (для диафрагм = 1);

K_п2 -- поправочный коэффициент K_п (для диафрагм = 1);

K_ш1 -- поправочный коэффициент K_ш при Re_max и _в;

K_ш2 -- поправочный коэффициент K_ш при Re_max и _н;

₁ -- коэффициент расширения при _в, p_в, и p;

₂ -- коэффициент расширения при _н, p_в, и p.

а) коэффициент скорости входа:

б) коэффициент истечения:

;

,

в) поправочный коэффициент Кш

А_j = [lg(Re)]^k.

где B_k - постоянные коэффициенты, значения которых приведены в таблице 5.1.

Рассчитаем Кш1 при и _в = 0.75

при

Значения величин А_ш, k_D, k_R определяются по таблице 5.2

Рассчитаем Кш2 при и _н = 0.1

г) коэффициент расширения:

В1=1,21*0,511*2,06*1*0,75*0,75*0,995=0,71

В2=1,00005*0,61*1,0009*1*0,1*0,1*0,996=0,006

5. Рассчитывают значения вспомогательных величин ₁ и ₂:

Величины ₁ и ₂ имеют разные знаки, то расчет продолжают.

6. Относительно неизвестной величины решают следующее уравнение:

A = ECK_ш K_п ² .

Решение уравнения может быть выполнено любым итерационным методом. При применении метода бисекции решение уравнения выполняют в следующей последовательности:

1 итерация:

- рассчитываем значение по формуле:

- для значения рассчитывают значение вспомогательной величины B по формуле:

B = ECK_ш K_п ²

В = 0,12;

- проверяют выполнение неравенства:

= |(B - A) / A| < 5 · 10^-5

д=3,74>5 · 10^-5

Если неравенство не выполняется, то рассчитывают новое значение по формуле, в которой, если выполняется неравенство B < A, принимают _н = , рассчитанное на первом шаге итерации, в другом случае принимают _в = .

0,12>0,026, след. _в = 0,425.

2 итерация:

В = 0,042;

д=0,633>5 · 10^-5

0,042>0,026, след. _в = 0,2625.

3 итерация:

В = 0,0196;

д=-0,23<5 · 10^-5

Выбор значений осуществляют до выполнения неравенства.

Для найденного значения определяют верхнее (Re_в) и нижнее (Re_н) значения допускаемого диапазона значений чисел Re и проверяют неравенства:

- определяем значения верхней границы Re_в и нижней границы Re_н диапазона допускаемых значений Re в соответствии с п. 2.2.1.:

Re_н =85000,

Re_в = 1,710^{5 2}D = 1,710⁵ *(0,18125)² * 0.05=279238