Министерство Образования и Науки Российской Федерации

Казанский Национально-иследовательский Технический университет

им. А.Н. Туполева

Кафедра стандартизации, сертификации и технологического менеджмента

Курсовой проект

по дисциплине:

Методы и средства измерений, испытания и контроля

на тему:

Разработка расходомера переменного перепада давления с трубой Вентури

Выполнила:

студентка группы 3573

……….

Проверил:

Доцент кафедры ССТМ

Сабитов А.Ф.

Казань,2012

Содержание

Определения

Обозначения и сокращения

Введение

1.1 Корреляционные расходы

1.2. Измерение расхода среды методом переменного перепада давления

2. Расчет ТФХ газовой смеси

3. Расчет диаметра СУ

4. Выбор дифманометра и проектирование СУ

4.1. Выбор дифманометра

4.2. Выбор материала СУ

4.3. Обоснование размеров СУ

5. Метрологические характеристики спроектированного расходометра

5.1. Расчет неопределенности результата измерений

5.2. Определение класса точности расходомера

5.3. Расчет шкалы расходомера

Заключение

Приложение А Расчет коэффициента β с помощью программы MATHCAD

Приложение Б Чертеж шкалы расходомера

Список использованных источников

Определения

Применены термины по ГОСТ 8.586.1.-8.586.5

1. Расход – это количество вещества, протекающее через данное сечение в единицу времени.

2. Расходомер – прибор, измеряющий расход вещества.

3. Преобразователь расхода – устройство, непосредственно воспринимающее измеряемый расход (например, диафрагма, сопло, напорная трубка) и преобразующее его в другую величину (например, в перепад давления), которая удобна для измерения.

4. Перепад давления на сужающем устройстве – разность между значениями статического давления среды до и после сужающего устройства с учетом разности высоты положения отверстий для отбора давления до и после сужающего устройства.

5. Сужающее устройство – техническое устройство, устанавливаемое в измерительном трубопроводе, со сквозным отверстием для создания перепада давления среды путем уменьшения площади сечения трубопровода (сужения потока).

6. Стандартное сужающее устройство – сужающее устройство, геометрические характеристики и условия применения которого регламентированы настоящим стандартом ГОСТ 8.586.2 – ГОСТ 8.586.4.

7. Отверстие стандартного сужающего устройства – круглое отверстие сужающего устройства, соосное трубопроводу при установке сужающего устройства в трубопровод.

8. Труба Вентури – тип стандартного сужающего устройства, которое состоит из входного цилиндрического участка, сходящейся конической части (конфузора), горловины и расходящейся конической части (диффузора).

9. Число Рейнольдса - отношение силы инерции к силе вязкости потока, рассчитываемое по формуле

Re=

10. Показатель адиабаты (изоэнтропии) газа - отношение относительного изменения давле­ния к соответствующему относительному изменению плотности газа в процессе изменения его состоя­ния без теплообмена с окружающей средой, рассчитываемое по формуле k =

Примечание: Значение показателя адиабаты зависит от типа газа, его температуры и давления. Показатель адиабаты используют в формулах для расчета коэффициента расширения.

11. Коэффициент истечения - отношение действительного значения расхода жидкости к его теоретическому значению, вычисляемое по формуле

С =

Значение коэффициента скорости входа Е определяют по формуле

E =

Примечание: Произведение СЕ называется «коэффициентом расхода».

12. Коэффициент расширения – поправочный коэффициент, учитывающий уменьшение плотности газа, обусловленное уменьшением его статического давления после сужающего устройства или в его горловине.

Примечание: коэффициент расширения равен единице, если измеряемая среда – жидкость, и меньше единицы, если измеряемая среда – газ.

13. Неопределенность – параметр, связанный с результатом измерений и характеризующий рассеяние значений, которые могли бы быть обоснованно приписаны измеряемой величине.

Обозначения и сокращения

Дифманометр – дифференциальный манометр;

ИТ – измерительный трубопровод;

СУ – сужающее устройство;

ТФХ – теплофизические характеристики.

Обозначение	Наименование величины	Единица величины
С	Коэффициент истечения	1
сp	Удельная теплоемкость при постоянном давлении	Дж/(кг К)
d	Диаметр отверстия сужающего устройства при рабочей температуресреды	м
	Диаметр отверстия сужающего устройства при температуре 20 °C	м
D	Внутренний диаметр измерительного трубопровода или входной части тру­бы Вентури при рабочей температуре среды	м
	Внутренний диаметр измерительного трубопровода или входной части тру­бы Вентури при температуре 20 °C	м
	Наружный диаметр преобразователя температуры, термометра или их за­щитной гильзы (при ее наличии)	м
E	Коэффициент скорости входа	1
H	Энтальпия	Дж/моль
K	Коэффициент сжимаемости	1
	Поправочный коэффициент, учитывающий притупление входной кромки диафрагмы	1
	Коэффициент, учитывающий изменение диаметра отверстия сужающего устройства, вызванное отклонением температуры среды от 20 °C	1
	Коэффициент, учитывающий изменение диаметра трубопровода, вызван­ное отклонением температуры среды от 20 °C	1
	Поправочный коэффициент, учитывающий шероховатость внутренней по­верхности измерительного трубопровода	1
1	Длина	м
L	Относительная длина, L = l/D	1
М	Молярная масса	кг/моль
р	Давление среды	Па
Ра	Атмосферное давление	Па
Ри	Избыточное давление среды	Па
qv	Объемный расход среды при рабочих условиях	м3/с
	Массовый расход среды	кг/с

Обозначение	Наименование величины	Единца величины
qc	Объемный расход среды, приведенный к стандартным условиям	м3/с
	Радиус входной кромки диафрагмы	м
	Начальный радиус входной кромки диафрагмы	м
Rà	Среднеарифметическое отклонение профиля шероховатости	м
Rш	Эквивалентная шероховатость внутренней поверхности измерительного тру­бопровода	м
R	Универсальная газовая постоянная R = 8,31451	Дж /(моль К)
Re	Число Рейнольдса	1
t	Температура среды	°С
T	Абсолютная (термодинамическая) температура среды: Т= 273,15 + t	К
	Стандартная неопределенность результата измерений величины у	Зависит от единицы величины
	Относительная стандартная неопределенность результата измерений величи­ны у	%
Uy	Расширенная неопределенность величины у	Зависит от единицы величины
	Относительная расширенная неопределенность величины у	%
w	Продольная составляющая локальной скорости среды в измерительном тру­бопроводе	м/с
у	Любой контролируемый параметр	Зависит от единицы величины
Z	Фактор сжимаемости	1
	Температурный коэффициент линейного расширения материала	°С–1
	Относительный диаметр отверстия сужающего устройства	1
p	Перепад давления на сужающем устройстве	Па
	Потеря давления в устройстве подготовки потока, или в струевыпрямителе, или в сужающем устройстве	Па
	Коэффициент расширения	1
К	Показатель адиабаты	1
	Динамическая вязкость среды	Па с
	Плотность среды	кг/м3
	Коэффициент расхода	1
	Относительная погрешность результата измерений	%

Введение

Оценка современного состояния заданного параметра среды.

На сегодняшний день измерение среды газов и их теплофизических характеристик стали легко доступными. Причем данное измерение ТФХ проводится с повышенной точностью. С развитием промышленности их значение лишь приобретает важность. Самая ответственная задача в организации учета газа – это выбор метода измерения, подходящего для индивидуальных условий измерений и предполагаемых расходов и объемов. Применение того или иного метода измерения обусловленно необходимостью знания и наличия полной информации об измеряемой среде и предполагаемой точности измерения расхода газа.

При выборе метода измерений и средств измерения со вспомагательным техническим оборудованием, учитывают:

- режимы течения газа - это диапазоны изменения расхода газа с характеристикой динамических изменений (прерывистыми, переменными, пульсирующими);

- параметры состояния газа и его физико-химические показатели (такие как, давление и температура газа, постоянство состава газа и наличие механических примесей или конденсата в потоке газа);

- конструктивные особенности узла учета – это внутренний диаметр трубопровода, их количество, наличие местных сопротивлений и регуляторов давления;

- нормы погрешности измерений.

Актуальность ее измерения с требуемой точностью.

Актуальность измерения заданного параметра среды с требуемой точностью в наше время не вызывает сомнений. Это необходимо для управления, ведения и стабилизации производства. Благодаря таким измерениям, можно обеспечить оптимальный режим технологических процессов в энергетике, металлургии, в химической, нефтяной и многих других отраслях промышленности. А также для автоматизации производства и достижения при этом максимальной эффективности.

Цель курсового проекта – проектирование расходомера переменного перепада давления с трубой Вентури, при заданных температуре и давлении.

Задачами курсового проекта являются:

1) развитие навыков самостоятельных решений инженерных задач;

2) расчет теплофизических характеристик газовой смеси при указанном составе, температуре и давлении;

3) расчет всех размеров сужающего устройства;

4) выбор дифференциального манометра.

1.1. Корреляционные расходомеры.

1.1.1. Принцип действия

Потоки измеряемого вещества редко бывают однородными, так как плотность, электрическая проводимость, температура и т. д. подвержены изменению.  Вычислить  объемный расход потока можно имея параметры потока в двух сечениях, находящихся на некотором удалении L и, учитывая поперечное сечение потока.

Схема корреляционного расходомера (рис. 1):

- параметры потока фиксируются  преобразователями 1 и 2 в сечениях А и Б расходомера;

- сигналы в сечениях случайного характера и имеют корреляционную связь.

Сигнал в сечении А опережает сигнал в сечении Б на некоторое время. Вычисление этого времени происходит с помощью коррелометра (см. рис.1, блок 3,4,6) вычислительного устройства 5. Далее в блоке 6 происходит преобразование сигнала. Блок 6 установлено регулирующее устройство изменения Т задержки. Блок 3 умножает сигналы, а блок 4 показывает среднюю величину сигнала за определенное время.

1.1.2. Структурная схема

Рис.1 Схема корреляционного расходомера

1.1.3. Метрологические характеристики

,

где – теплоемкость (для газа при постоянном давлении) при температуре (Т₁-Т₂)/ 2, Дж/кгК;

- поправочный коэффициент, учитывающий потери тепла в окружающую среду, погрешность измерения из-за неравномерности распределения температур по сечению трубопровода и возможность повышения Т₁ за счет теплопередачи от нагревателя.

Из уравнения следует, что при W = const расход Q_M обратно пропорционален , и соответствующая кривая является гиперболой. При этом чувствительность прибора падает с ростом расхода. Если же автоматически поддерживатьW = const путем изменения мощности W нагрева, то между Q_M и W будет прямая пропорциональность, за исключением области малых скоростей, где уравнение неприменимо.

1.1.4. Область применения

Корреляционные расходомеры предназначены в первую очередь для измерения многофазных веществ и различных потоков, имеющих какие-либо неоднородности. Иногда случайные изменения какого-либо параметра потока, например температуры с помощью нагревателя, создаются искусственным путем. Перед преобразователями корреляционного расходомера надо иметь прямой участок трубы. Длина такого участка после колена должна быть не менее (5–10)диаметров трубы.

1.1.5. Преимущества и недостатки

Достоинства корреляционных расходомеров: возможность применения для измерения расхода загрязненных сред, многофазных потоков и расплавленных металлов; отсутствие потери давления; отсутствие контакта с измеряемым веществом в большинстве случаев.

Недостатки корреляционных расходомеров: длительность процесса измерения, так как с уменьшением времени измерения погрешность возрастает; ограниченная точность, обычно погрешность измерения расхода не менее 1,5-2 %.

1.2. Измерение расхода среды методом переменного перепада давления

Расходомеры с СУ – важнейшие среди расходомеров переменного перепада давления. Они являются наиболее универсальными, так как позволяют измерять расход жидкостей, газов и пара, протекающих в трубопроводах, практически при любых давлениях и температурах. Их работа основана на зависимости от расхода перепада давления, образующегося на сужающем устройстве в результате частичного прехода потенциальной энергии потока в кинетическую.

Расходомеры состоят из сужающего устройства – диаграммы, сопло, трубы Вентури – устанавливаемого на трубопроводе и создающего местное сужение потока. Перепад давления в сужающем устройстве измеряется с помощью дифманометра; величина перепада давления является мерой скорости потока в сужающем устройстве и, следовательно, мерой расхода.

Измеряемая среда: смесь из трех компонентов – азота, диоксида углерода и кислорода.

Состав смеси в массовых долях g:

0,1N₂ + 0,2 O₂ + 0,7 CO₂

Рабочие значения параметров смеси:

- температура смеси Т=900К;

- абсолютное давление смеси =1,4 МПа.

Для вывода уравнения расхода и установления размеров СУ при измерении расхода газовой смеси методом переменного перепада давления требуется рассчитать число Рейнольдса, коэффициент истечения и коэффициент расширения газовой смеси, в которые входят следующие характеристики измеряемой среды:

- плотность газовой смеси, кг/м³ ;

- динамическую вязкость газовой смеси, Пас;

γ – показатель изоэнтропии (адиабаты) газовой смеси.

Для расчета указанных ТФХ измеряемой среды необходимо знание молярной массы, фактора сжимаемости, изохорной и изобарной теплоемкостей и динамической вязкости компонентов газовой смеси.