Методы измерения расхода жидкости и газа. Конструирование модели расходомера, основанного на методе переменного перепада давления

Московский  Авиационный институт

(Государственный  технический университет). 
 
 
 
 

Факультет № 3 «Системы управления, информатики  и электроэнергетики».

Кафедра №303 «Измерительно-вычислительные комплексы». 
 

                                                    

Курсовой  проект

по курсу  «Физические основы получения информации»

на тему «Методы измерения расхода жидкости и газа. Конструирование модели расходомера, основанного на методе переменного перепада давления». 
 
 

Выполнила: студентка группы 03-308

Сухарева Н.М. 

Проверил: доцент, кандидат технических наук

Захарян Р.Р. 
 

Москва 2010. 

Содержание.

Введение

1. Аналитическая часть.                                                                                  5
1. Современные требования к приборам                                               5
2. Метод переменного перепада давлений                                             8
3. Турбинные (тахометрические) расходомеры                                    13
2. Расчетная часть.                                                                                           21
1. Задание                                                                                                   21
2. Метод переменного перепада давления                                           22
3. Турбинный расходомер                                                                        24

3. Конструирование  расходомера основанного на методе  переменного перепада давления.                                                                                            26

    3.1. Выбор сужающего устройства                                                         26

   3.2. Выбор и описание работы расходомерного комплекта                  29

4. Заключение                                                                                                     31

5.   Список используемой литературы                                                              32 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение.[2]

    Современные автоматизированные системы управления техническими процессами требуют значительного количества и разнообразия средств измерений, обеспечивающих выработку сигналов измерительной информации в форме, удобной для дистанционной передачи, сбора, дальнейшего преобразования, обработки и передачи.

     Во  многих сферах производства применяются технические устройства, предназначенные для измерения массового или объемного расхода, - расходометры.

     Расходомеры необходимы прежде всего при управлении технологическими процессами, обеспечении оптимальных режимов работы энергетических установок и тепловых двигателей, определение «расходных характеристик» объектов и процессов (например, при оценки удельных расходов топлива различных двигателей, дебита нефтяных и газовых скважин и т.п.), при учетных операциях. Без них нельзя обеспечить оптимальный режим технологических процессов в энергетики, металлургии, в химической, нефтяной и многих других отраслях промышленности. Эти проборы требуются также для автоматизации производства и достижении при этом максимальной его эффективности.

     Расходомеры нужны для управления самолетами и космическими кораблями, для контроля работы оросительных систем в сельском хозяйстве, для учета массы или объема нефти, газа и многих других веществ, транспортируемых по трубам и потребляемых различными объектами. Без этих измерений очень трудно контролировать утечки и исключать потери ценных продуктов. Снижение погрешности измерения хотя бы на 1% может обеспечить многомиллионный экономический эффект. Роль и значение расходомеров и счетчиков жидкости, газа и пара еще более возрастает в связи с необходимостью максимальной экономии энергетических и водных ресурсов. 

     В данной работе будут рассмотрены два из наиболее современных расходомера – турбинного и перепада давления, сравнение их характеристик и разработка расходомера с характеристиками, удовлетворяющими современным требованиям.

       В теоретической части будут  подробно рассмотрены требования, предъявляемые к приборам, выполнение  которых обеспечивает большую  точность, меньшие погрешности прибора;  также обзор метода переменного перепада давления и турбинных расходомеров, их достоинства и недостатки. В расчетной части будет произведен расчет главных характеристик обоих расходомеров и построение их характеристик. Последняя часть курсовой работы содержит разработку, конструирование, описание разработанного расходомера, основанного на методе переменного перепада давления. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.Аналитическая часть.[4]

1.1. Современные требования к приборам.

     В настоящее время к расходомерам предъявляется много требований, удовлетворить которые совместно достаточно сложно и не всегда возможно.

     Имеются две группы требований. К первой группе относятся индивидуальные требования, предъявляемые к приборам для  измерения расхода и количества: высокая точность, надежность, независимость  результатов измерения от измерения плотности вещество, быстродействие и значительный диапазон измерения. Ко второй группе относятся требования, которые характеризуют всю группу расходомеров: необходимость измерения расхода и количества очень разнообразной номенклатуры вещество с отличающимися свойствами, различных значений расхода от очень малых до чрезвычайно больших и при различных давлениях и температурах.

      Рассмотрим  основные требования.

      1) Высокая точность измерения — одно из основных требований, предъявляемых особенно к счетчикам и дозаторам. Если раньше погрешность измерения в 1,5 —2 % считалась нормальной и достаточно удовлетворительной, то в настоящее время нередко требуется иметь погрешность не более 0,2 —0,5 %. Повышение точности достигается как за счет применения новых прогрессивных методов и приборов (тахометрических, электромагнитных, ультразвуковых и т.п.), так и за счет совершенствования старых классических методов. К числу наиболее точных относятся камерные счетчики жидкости (в частности, с овальными шестернями и лопастные). Погрешность первых не более 0,5 %, а вторых даже не более 0,2 % от измеряемой величины. Расходомеры и счетчики о сужающими устройствами менее точны. Снижение их погрешности достигается с помощью износоустойчивых диафрагм, а также при повышении точности дифманометров и применении вычислительных устройств для учета изменения плотности вещества.

      2) Надежность (наряду с точностью) — одно из главных требований, предъявляемых к расходомерам и счетчикам количества. Основным показателем надежности является время, в течение которого прибор сохраняет работоспособность и достаточную точность. Это время зависит как от устройства прибора, так и от его назначения и условий применения.

      Тахометрические приборы, элементы которых при измерении  непрерывно движутся, имеют меньший срок службы. Так, у турбинных расходомеров износ оси и опор будет тем меньше, чем лучше смазывающая способность измеряемого вещества и чем оно чище. Для повышения надежной работы этих расходомеров необходимо применение фильтров или других очистных устройств. В технических условиях на некоторые тахометрические расходомеры турбинного типа указывается шестилетний срок нормальной работы.

      3) Большой диапазон измерения (Q_max/Q_min) необходим, когда значения расхода могут изменяться в значительных пределах. У приборов с линейной характеристикой, например электромагнитных, этот диапазон равен восьми — десяти. У расходомеров с сужающими устройствами он очень мал и равен трем. Повысить его до девяти-десяти можно путем подключения к сужающему устройству двух дифманометров с разными Dp_max. У тепловых расходомеров можно посредством изменения мощности нагревателя получить многопредельную шкалу с очень большим общим диапазоном измерения.

      4) Независимость результатов измерения от изменения плотности вещества. Это требование особенно важно при изменении расхода газа, у которого плотность зависит от температуры и давления. В большинстве случаев необходимо иметь устройства, автоматически вводящие коррекцию в показания прибора при изменении плотности измеряемого вещество. Лишь у тепловых и силовых расходомеров, измеряющих массовый расход, изменение плотности измеряемого вещества очень мало сказывается на результатах измерения.

      Необходимость удовлетворения вышеперечисленных  разнообразных и сложных требований обусловила создание многочисленных видов расходомеров, основанных на самых различных методах измерения. Ни один из них не может удовлетворить одновременно всем предъявленным требованиям. При выборе того или иного прибора надо исходить из свойств измеряемого вещества, его параметров и значений его расхода, а также из обоснованных требований к точности измерения, учитывая при этом степень сложности измерительного устройства и условия его эксплуатации. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      1.2.Метод переменного перепада давлений.[4]

      Метод переменного перепада давлений основан  на использовании сужающего устройства (диафрагма, сопло, труба Вентури  и т.п.), создающего перепад давления, измеряемый дифференциальным манометром прямого или уравновешивающего  преобразования.

      Объемный  Q_o и массовый Q_M расходы выражаются соответственно формулами:

        (1)

        (2)

где F₀ — площадь отверстия сужающего устройства; a — его коэффициент расхода; (p₁-p₂) — перепад давлений; r — плотность вещества. Для получения линейной зависимости между показаниями расходомера и измеряемым расходом перепад давлений удобно измерять при помощи дифференциального манометра с ферродинамическим обратным преобразователем, уравновешивающая сила которого пропорциональна квадрату тока в его обмотках. Более точными являются расходомеры, в которых разность давлений Dр, создаваемая сужающим устройством, уравновешивается давлением, создаваемым компрессором (рис. 1)

      Поскольку давление, развиваемое компрессором К, пропорционально квадрату частоты вращения его ротора, то частота вращения двигателя Д, измеряемая тахометром Т, пропорциональна расходу, а общее число оборотов ротора, определяемое счетчиком Сч, указывает на количество вещества, прошедшего через трубопровод.

      Метод переменного перепада давлений является одним из наиболее распространенных методов измерения расхода жидких и газообразных веществ, находящихся при давлениях до 100 МПа и температурах до нескольких сотен градусов. Метод позволяет независимо градуировать сужающие устройства и дифференциальные манометры.

Рис. 1. Схема преобразователя переменного перепада давления. 

      В зависимости от принципа действия преобразователя  расхода данные расходомеры подразделяются на шесть самостоятельных групп, внутри которых имеются конструктивные разновидности преобразователей.

      1) Расходомеры с сужающими устройствами — важнейшие среди расходомеров переменного перепада давления. Они уже давно нашли применение в качестве основных промышленных приборов для измерения расхода жидкости, газа и пара. Они основаны на зависимости от расхода перепада давления, создаваемого сужающим устройством, в результате которого происходит преобразование части потенциальной энергии потока в кинетическую.