Массовый расходомер воздуха
Министерство образования и науки РФ
Казанский национальный исследовательский технический университет
им. А.Н. Туполева (КАИ)
Кафедра приборов и информационно-измерительных систем
Курсовой проект
по дисциплине «Измерительные преобразователи и электроды»
на тему: Массовый расходомер воздуха.
Выполнил: студ.гр.3401 ___________(Мингазева Д.А)
Принял: к.т.н., доцент
____________(Маковеев В.М)
«______» ______________ 2012
Казань, 2012 г.
Содержание
Введение…………………………………………………………
- Обзор научно-технической литературы …………………………………..4
- Разработка структурной схемы разрабатываемого устройства……….34
- Разработка функциональной схемы устройства…………………………35
- Расчет основных элементов и устройств датчика………………………..38
- Расчет погрешностей массового расходомера…………………………...53
- Конструктивное исполнение устройства……………………………………..55
Введение
В медицине задача измерения скорости движения среды или ее расхода возникает достаточно часто. Так, при диагностике органов дыхания приходится измерять целый ряд параметров: объем вдоха, объем форсированного вдоха, объем выдоха, остаточный объем и т.д. подобная задача возникает и при диагностике сердечно сосудистого тракта, в системах искусственного кровообращения.
Необходимо отметить, что расход среды (газа, жидкости) – это величина, которая не поддается в настоящее время непосредственному измерению. Большинство методов его измерения основаны на измерении какого-то параметра движущейся среды, например, скорости. А затем, с помощью известных зависимостей, переходят к расходу.
В медицинских исследованиях наиболее часто приходится измерять массовый расход среды. В данной курсовой работе будет разработано устройство для измерения массового расхода воздуха.
Обзор научно-технической литературы
Расходомерами называются такие приборы, которые измеряют расход вещества, т. е. количество вещества, протекающего по трубопроводу -в единицу времени.
По способам измерения расходомеры можно разделить на:
- расходомеры переменного перепада давления — приборы, принцип действия которых основан на измерении перепада давления на установленном внутри трубопровода сужающем устройстве; этот перепад давления служит мерой расхода протекающего по трубопроводу вещества;
- расходомеры обтекания — приборы, принцип действия которых основан на восприятии динамического напора протекающего по трубопроводу вещества чувствительным элементом прибора (поплавком, поршнем, гидродинамической трубкой и т. д), помещенным в поток; в результате этот чувствительный элемент перемещается, и величина перемещения служит мерой расхода;
- расходомеры с непрерывным движением приемных устройств — приборы, чувствительный элемент которых под действием динамических усилий потока совершает вращательное или колебательное движения; скорость движения чувствительного элемента служит мерой расхода;
4) электрические расходомеры — приборы, принцип действия которых основан на измерении изменяющихся в зависимости от расхода электрических параметров системы: измеряемое вещество — чувствительный элемент прибора; величина какого-либо выбранного для измерения электрического параметра служит мерой расхода;
- тепловые расходомеры — приборы, принцип действия которых основан на измерении служащего мерой расхода количества тепла, отданного каким-либо нагретым элементом потоку вещества;
- ультразвуковые расходомеры — приборы, принцип действия которых основан на измерении параметров ультразвуковых колебаний, распространяющихся в потоке измеряемого вещества.
Рис 1.1 Классификация приборов для измерения расхода жидкости, газа и пара.
Требования к расходомерам различаются в зависимости от приоритета решаемых задач. Можно выделить 7 основных характеристик расходомеров и счетчиков:
1. Надежность
2. Точность измерения
3. Незначительная погрешность
измерения при изменении
4. Быстродействие прибора
5. Широкий и очень широкий диапазон изменения
6. Возможность измерения
расхода в обычных и
7. Способность расходомеров (счетчиков) измерять потоки (расходы) различных веществ
К сожалению, приборы не могут сочетать в себе все вышеперечисленные требования одновременно. Поэтому при выборе расходомеров (счетчиков) потребитель будет исходить из приоритетности требуемых характеристик к измерению расхода (количества) вещества.
1. Надежность: время, в
течение которого прибор
2. Точность измерения: принципиальная характеристика, особенно при измерении не мгновенного расхода, а массу или объем проходящего вещества. Теперь погрешность в пределах 0,2-0,5 % считается нормой, хотя в прошлом погрешность 1,5-2 % была достаточной. 0,2-0,5 %-достаточно малая погрешность, измеряемая лопастными, ролико-лопастными счетчиками жидкостей. В трубопроводах больших диаметров как правило используют расходомеры с сужающими устройствами. Для улучшения точности применяют преобразователи температуры, давления или плотности. От преобразователей сигналы поступают в программные устройства, которые корректируют показания расходомера. Некоторые вихревые, тахометрические, ультразвуковые, электромагнитные расходомеры имеют точность измерения в пределах 0,25-1,0 %, но лишь отдельные расходомеры из них можно применять в трубопроводах с большим диаметром.
3. Незначительная погрешность
измерения при изменении
4. Быстродействие прибора
(динамические показатели) актуально
в устройствах автоматического
регулирования потока (расхода) при
измерении быстро часто
5. Широкий и очень широкий диапазон изменения (Qmax/Qmin).
Широкий диапазон: у расходомеров, имеющих линейную характеристику он варьируется от 8 до 20 и более, а у расходомеров с сужающими устройствами с квадратичными характеристиками, диапазон измерения находится в пределах от 3 до 10.
Очень широкий диапазон расходов. Разброс параметров расхода (потока) жидкости измеряется в диапазоне от 10-2 до 107-108 кг/ч, газов — в диапазоне от 10-4 до 105-106 кг/ч, т. е. измеряемые величины отличаются на 10 порядков. Предпочтительнее с точки зрения простоты измерять средние расходы. Труднее всего считывать самые малые и самые большие потоки (расходы).
6. Возможность измерения
расхода в обычных и
Расходомеры переменного перепада давления
Расходомерами переменного перепада давления называются измерительные приборы, принцип действия которых основан на измерении перепада давления, создаваемого при протекании жидкого или газообразного вещества каким-либо сужающим устройством, установленным внутри трубопровода.
При протекании жидкого или газообразного вещества через сужающее устройство вследствие перехода части потенциальной энергии давления в кинетическую энергию средняя скорость потока в суженном сечении повышается. В результате этого статическое давление потока после сужающего устройства становится меньше, чем перед ним. Разность этих давлений (перепад давления) зависит от расхода протекающего вещества и может служить мерой расхода.
Комплект расходомера состоит из установленного в трубопроводе сужающего устройства, соединительных (импульсных) трубок с вспомогательными устройствами (разделительными или уравнительными сосудами, запорной арматурой и т. п.) и, наконец, измерителя перепада давления — дифференциального манометра. Часто дифференциальный манометр имеет преобразователь величины перепада давления в пропорциональную электрическую величину или давление воздуха для дистанционной передачи измерения на вторичный прибор.
При рассмотрении сужающих устройств в настоящей главе основное внимание уделяется нормальным сужающим устройствам (нормальным диафрагмам, соплам, соплам и трубам Вентури), получившим широкое применение при промышленных измерениях; по сужающим устройствам других типов приводится только область их применения.
Рассматриваемый метод измерения расхода применим при соблюдении следующих условий измерения:
а) измеряемое вещество заполняет все поперечное сечение трубопровода;
б) поток вещества является
практически установившимся, т. е.
скорость потока и давление в одном и том
же месте могут лишь
медленно изменяться во времени;
в) фазовое состояние вещества не должно меняться при протекании вещества через сужающее устройство, т. е. жидкость не испаряется, пар остается перегретым, растворенные в жидкости газы не выделяются.
Настоящий метод применим
для измерения расхода
Поплавковые дифманометры.
Принцип действия поплавковых дифманометров поясняется схемой, приведенной на рис.1. 2,а. Два сообщающихся сосуда заливаются какой-либо уравновешивающей жидкостью — водой, маслом или ртутью. В сосуде, к которому подводится большее давление (плюсовый сосуд), размещен поплавок, связанный шарнирно-рычажной передачей с показывающим устройством прибора. Сосуд, к которому подводится меньшее давление, называется минусовым сосудом. Под действием разности давлений затворная жидкость перетекает из плюсового сосуда в минусовый, и по положению уровня, а следовательно, и поплавка можно судить о величине измеряемой разности давлений. Имея величину разности давлений , из уравнений равновесия уравновешивающей жидкости и равенства переместившихся объемов получим:
где - соответственно удельные веса уравновешивающей жидкости и вещества, находящегося над уравновешивающей жидкостью;
- соответственно площади поперечного сечения плюсового и минусового сосудов.
Из приведенной формулы видно, что предел измерения поплавкового дифманометра может меняться с изменением соотношения площадей Заводы-изготовители обычно выпускают дифманометры, у которых плюсовый сосуд изготавливается как неизменный конструктивный узел, а минусовые сосуды — сменные.
Поскольку расход и перепад давления не имеют линейной зависимости, положение поплавка изменяется с изменением расхода также нелинейно.
Кольцевые дифманометры.
Принцип действия кольцевых дифманометров поясняется схемой, приведенной на рис. 1.2,б. Этот прибор представляет собой полое кольцо, заполненное до половины какой-либо затворной жидкостью: водой, маслом, ртутью; в верхней части кольца имеется глухая перегородка. Кольцо опирается на неподвижную подушку призмой и под действием разности давлений может поворачиваться на некоторый угол .
В состоянии равновесия приближенно можно считать, что момент от груза относительно оси вращения равен моменту силы, действующей на перегородку:
где - вес груза;
- расстояние от центра тяжести груза до оси вращения;
- средний радиус кольца;
– площадь перегородки;
– угол поворота кольца.
Отсюда
Величины F, R, G, а постоянны для конкретного прибора, поэтому при жестком соединении стрелки прибора с кольцом шкала будет неравномерной. Для получения равномерной шкалы применяют параболические лекала (выпрямляющие устройства).
Из формулы (1.3) следует, что показания прибора не зависят от удельного веса измеряемого вещества над затворной жидкостью. Это существенно, так как изменение условий измерения, например, окружающей температуры, не отражается на показаниях прибора.
Изменение предела измерения кольцевого дифманометра достигается сменой груза или изменением величины а, что позволяет, не меняя установленного сужающего устройства, менять пределы измерения всей измерительной установки.
Дифманометры колокольные.
Чувствительным элементом колокольного дифманометра является колокол (рис. 1.2,в), помещенный в сосуд, заполненный затворной жидкостью (обычно трансформаторным маслом). Большее давление подводится в пространство под колоколом, меньшее — в пространство над колоколом. Под действием измеряемой разности давлений колокол выходит из состояния равновесия и перемещается до тех пор, пока сумма выталкивающей силы и разности давлений на дно колокола, умноженной на его площадь, не станет равной весу колокола.
Высота перемещения колокола пропорциональна измеряемой разности давлений и служит ее мерой, а следовательно, и мерой расхода. Зависимость высоты перемещения колокола от измеряемой разности давлений выражается соотношением
где – площадь поверхности затворной жидкости под колоколом;
– площадь поперечного сечения стенок колокола;
- удельный вес затворной жидкости;
- удельный вес над затворной жидкостью.
Основным достоинством колокольных дифманометров является высокая чувствительность, что определило их широкое применение для измерения расходов газа, находящегося при малом статическом давлении,
Мембранные дифманометры.
Чувствительным элементом этих дифманометров служат мембраны, представляющие собой эластичные пластины, заделанные по периметру в измерительную коробку. Мембранные дифманометры выпускаются с упругой и с вялой мембраной.
Материалом для изготовления упругих мембран служат нержавеющие стали, бронза, латунь, томпак, нейзильбер. Для уменьшения жесткости мембраны гофрируют.
На рис.1. 2,д показана схема дифманометра с упругой мембраной. Между крышкой и основанием измерительной коробки стянуты болтами две металлические гофрированные мембраны и расположенная между ними профилированная подушка, имеющая ряд сквозных отверстий, которые соединяют полости, между мембранами. Пространство между мембранами заполняется дистиллированной водой.
Большее давление подводится под мембрану, а меньшее—в полость над мембраной. Под действием измеряемой разности давлений нижняя мембрана прогибается вверх, выдавливая воду через отверстия в подушке и воздействуя таким образом на верхнюю мембрану, прогиб которой служит мерой разности давлений.
Для более стабильной характеристики мембраны необходимо делать ее более мягкой, а противодействующее усилие создавать при помощи добавочного упругого элемента, например винтовой пружины.
Материалом для изготовления вялых мембран служат пропитанные бензо-масло-керосиностойкой синтетической резиной ткани (капрон, шелк), резина, пластмассы.
Схема дифманометра с вялой мембраной показана на рис. 1.2,е. Для соблюдения постоянства рабочей площади мембраны центр ее выполнен жестким (металлический диск).
Сильфонные дифманометры.
Чувствительным элементом этих дифманометров (рис. 1.2,г) являются размещаемый в измерительной коробке прибора тонкостенный гофрированный стакан (сильфом) и упирающаяся в него винтовая пружина.
Большее давление подводится в пространство, окружающее сильфон, меньшее — внутрь сильфона. Под действием измеряемой разности давлений сильфон сжимается, величина деформации сильфона служит мерой разности давлений, а следовательно, и расхода.
Характеристика сильфона (зависимость хода от усилия) линейна в значительном диапазоне воздействующих на него усилий.
Как мембранные, так и сильфонные дифманометры характерны тем, что величина деформации, служащая мерой расхода, не зависит от удельного веса вещества, заполняющего пространства снаружи и внутри чувствительных элементов.
Рис 1.2 Схемы дифманометров.
а - поплавкового дифманометра; б – кольцевого дифманометра; в – колокольного дифманометра; г – сильфонного дифманометра; д – дифманометра с упругой мембраной; е – дифманометра с вялой мембраной
Расходомеры обтекания
Ротаметры
Ротаметры, как и поршневые расходомеры, часто называют расходомерами постоянного перепада давления, поскольку перепад давления измеряемого вещества на чувствительном элементе этих приборов (поплавке, поршне) на всем диапазоне измерений с некоторым приближением может считаться постоянным.
Схема ротаметра представлена на рис. 1.3. Он состоит из вертикальной конусной трубы, расширяющейся кверху, внутри которой помещается поплавок, свободно плавающий в потоке измеряемого вещества. Этими элементами исчерпывается минимум деталей, принципиально необходимых для работы ротаметра.
Рис 1.3 Схема ротаметра.
Наиболее часто применяемая форма поплавка показана на рис. 1.3. Нижняя, коническая, часть переходит в среднюю, цилиндрическую, и заканчивается бортиком, на котором вырезаны косые канавки, вызывающие непрерывное вращение поплавка. Это необходимо для центрирования поплавка во время измерения для предохранения от соприкосновения поплавка с трубой, для снижения порога чувствительности прибора и, наконец, для сигнализации засоренности трубки (прекращением вращения поплавка). В последнее время от этого отказываются и центровку поплавка производят при помощи направляющих.
Значение расхода связывается с параметрами потока и характеристиками прибора следующим выражением:
(1.5)
где – коэффициент расхода;
- площадь кольцевого
зазора между трубкой и
– площадь лобового сечения поплавка;
– удельные веса
собственно поплавка и
При измерении расходов газов в формулу (1.5) необходимо было бы ввести поправочный коэффициент на изменение удельного веса вещества при протекании через суженное сечение. Но поскольку в ротаметрах перепады давлений на поплавке малы (порядка 0,05 кГ/см2), с большой степенью точности можно считать =1.
Из формулы (1.5) вытекает, что показания ротаметра будут справедливы до тех пор, пока все входящие в формулу параметры имеют градуировочные значения.
При изменении параметров измеряемого вещества (давления, температуры, вязкости) определение действительной величины расхода пo показаниям ротаметра может быть выполнено по формуле:
где ,, - значения расхода, коэффициента расхода и удельного веса вещества для рабочих условий измерения.
При конструировании ротаметров стремятся свести к минимуму влияние изменения удельного веса измеряемого вещества. Это достигается выдерживанием соотношения = 2.
Конструктивные формы ротаметров отличаются большим разнообразием. Труба выполняется из стекла или металла. Ротаметры со стеклянной трубой применяются для измерения расхода веществ, имеющих умеренные параметры (, =100°С). Ротаметры с металлической трубой применяются при более высоких параметрах (до 64). Стеклянные ротаметры бывают обычно показывающие, металлические с дистанционной электрической или пневматической передачей показаний. Показания ротаметров с формой поплавка, показанной на рис. 1.3, зависят от вязкости и удельного веса измеряемого вещества, поэтому отыскивались такие формы поплавка (дисковые, тарельчатые, катушечные), при которых изменение вязкости и удельного веса вещества мало влияет на показания прибора.
Во многих случаях возникла необходимость снабдить поплавок длинным хвостовиком. Хвостовик может служить указателем расхода в металлических ротаметрах, грузодержателем для легких поплавков или нести сердечник электрического датчика.
В последнее время в ротаметрах используются радиоактивные датчики перемещения. Для этого в поплавок или его хвостовик заделывается небольшое количество радиоактивного вещества (кобальт-60), снаружи трубы помещается дифференциальная ионизационная камера.
Поршневые и поплавковые расходомеры
Устройство поршневого расходомера показано на рис.1.4. В корпусе прибора 1запрессована цилиндрическая бронзовая втулка 2, имеющая круглое входное отверстие и прямоугольное выходное. Внутри втулки перемещается поршень 3, причем положение поршня определяется величиной расхода вещества и служит его мерой.
При изменении расхода изменяется сила, действующая на поршень снизу, и он опускается или поднимается, открывая или прикрывая выходное отверстие до тех пор, пока сила, создаваемая разностью давлений на поршень снизу и сверху, не станет равной действующему весу поршня. Так как вес поршня вместе с грузами и его площадь — величины постоянные, то и перепад давления в состоянии равновесия остается практически постоянным.
Конструктивно корпус, втулка и поршень выполнены таким образом, что при крайнем нижнем положении поршня входное отверстие остается полностью открытым, а выходное полностью закрытым.
Изменение максимального предела измерения прибора достигается изменением ширины выходного отверстия и веса грузов.
При измерении расхода веществ с высокой температурой крышка прибора снабжается ребристым охладителем 6; при измерении расхода веществ с низкой температурой и большой вязкостью крышка прибора снабжается полостью, через которую пропускают пар или другое греющее вещество.
Поплавковые расходомеры по своему принципу действия аналогичны описанным выше ротаметрам и поршневым расходомерам с той лишь разницей, что разность давлений, возникающих при протекании измеряемого вещества через прибор, действует на поплавок, относительно седла, находящегося в корпусе вентильного типа.
Рис 1.4 Расходомер постоянного перепада типа ППЭ.
1 – корпус; 2 – втулка с двумя
отверстиями; 3 – поршень; 4 – сердечник;
5 – индукционная катушка; 6 –
ребристый охладитель; 7 – коробка
с зажимами для
Поплавковые расходомеры бывают с дисковым или дисково-цилиндрическим поплавком и с коническим поплавком. В первом случае поплавок перемещается внутри седла, выполненного в виде конуса или сопла (рис.1.5), во втором случае — внутри седла, выполненного в виде диска.
При дисковых поплавках вязкость измеряемого вещества мало влияет на показания прибора. Проведенные на масле, воде и паре опыты показали, что при числах Рейнольдса, отнесенных к диаметру поплавка, больших 1000, показания поплавковых расходомеров с дисковым поплавком не зависят от вязкости. Это является преимуществом этого типа по сравнению с расходомерами переменного перепада давления.
Рис 1.5 Расходомер постоянного перепада с погруженным поплавком.
1 – поплавок; 2 – измерительное
сопло; 3 – шток; 4 – втулка с
уплотнительной набивкой; 5 – диск,
предохраняющий измерительный
Расходомеры гидродинамические
На рис. 1.6 приведены схемы различных типов гидродинамических расходомеров, отличающихся друг от друга лишь формой тела, воспринимающего гидродинамическое усилие потока измеряемого вещества. В первом случае это поворотная заслонка, во втором— поворотный диск (может быть тело другой формы) и, наконец, буек в форме обтекаемого тела.
Рис 1.6 Расходомеры гидродинамические.
а - с поворотным крылом; б – с эксцентричным диском; в – с гидродинамической трубой.
Если известна средняя скорость потока измеряемого вещества и, то усилие, воспринимаемое погруженным в поток телом, будет определяться выражением
где С — коэффициент сопротивления, зависящий от формы тела и числа Рейнольдса;
- удельный вес измеряемого вещества;
- ускорение земного тяготения;
- площадь наибольшего поперечного сечения тела;
- угол между направлением потока и направлением перемещения тела. Для расходомеров с поворотным крылом и поворотным диском этот угол равен углу поворота крыла или диска.
Для расходомеров первых двух типов мерой расхода служит положение крыла или диска. В самом деле, если записать уравнение моментов действующих сил относительно оси вращения
,
то
где - расстояние от центра тяжести крыла или диска до оси вращения;
- площадь поперечного сечения трубопровода.
Расходомер, схема которого приведена на рис. 1.6,в, разработан А. С. Сафаряном в НИИ Автоматика для измерения расхода пульпы на горнообогатительных фабриках. В отличие от рассмотренных расходомер с гидродинамическим буйком измеряет усилие как меру расхода.
- Масс-спектрометрия
- Мастер-класс: понятие, формы и классификация
- Мастер на все руки
- Мастерство актера. Работа над ролью
- Мастерство и вдохновение на уроке
- Мастерство классного руководителя: сущность, методика его работы
- Мастерство эккурсовода
- Массовые опросы: возможность оценить информированность населения относительно товара,марки,бренда,фирмы
- Массовые праздники как форма досуга населения
- Массовые праздники как форма организации досуга населения (на примере Масленицы)
- Массовые социально-психологические явления
- Массовые сцены в театре
- Массовые увольнения: правовое регулирование
- Массовый комуникации и медиапланирование
