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.

      Принцип действия вышеуказанных расходомеров основан на зависимости перепада давления, создаваемого суживающим устройством, в результате которого происходит преобразование части потенциальной энергии потока в кинетическую, от расхода газа. Имеется много разновидностей суживающих устройств. Так, на рис. 2, а, б показаны стандартные диафрагмы, на рис. 2, в — стандартное сопло, на рис. 2, г, д, е — диафрагмы для измерения загрязненных веществ — сегментная, эксцентричная и кольцевая. На следующих семи позициях рис. 8.1 показаны суживающие, применяемые при малых числах Рейнольдса (для веществ с большой вязкостью); так, на рис. 2, ж, з, и изображены диафрагмы: соответственно двойная, с входным конусом, с двойным конусом, а на рис. 2, к, л, м, н — сопла: соответственно «полукруга», «четверть круга», комбинированное и цилиндрическое. На рис. 2, о изображена диафрагма с переменной площадью отверстия, автоматически компенсирующая влияние изменения давления и температуры вещества. На рис. 2, п, р, с, т приведены расходомерные трубы — соответственно труба Вентури, сопло Вентури, труба Долла и сопло Вентури с двойным сужением. Для них характерна очень малая потеря давления.

Рис. 2 Первичные преобразователи расходомеров переменного перепада давления. 

      2) Расходомеры с гидравлическим сопротивлением основаны на зависимости от расхода перепада давления, создаваемого гидравлическим сопротивлением. Режим потока в таком сопротивлении стремятся создать ламинарным, с тем чтобы перепад давления был бы пропорционален расходу. Применяются подобные расходомеры преимущественно для измерения малых расходов, когда сопротивлением является одна или несколько капиллярных трубок (рис.2 у).

      3) Центробежные расходомеры созданы на основе зависимости от расхода перепада давления, образующегося в закруглении трубопровода в результате действия центробежной силы в потоке. В качестве преобразователей применяется колено (рис.2 х) или (значительно реже) кольцевой участок трубы (рис. 2 у). Чаще всего они служат для измерения расхода воды и реже — газа.

      4) Расходомеры с напорным устройством, в котором создается перепад давления в зависимости от расхода в результате местного перехода кинетической энергии струи в потенциальную. Преобразователь с дифференциальной трубкой Пито (рис.2 г), в которой имеются отверстия для отбора полного и статического давлений. Кроме этих преобразователей, служащих для измерения местной скорости, встречаются преобразователи с усредняющими (или интегрирующими) напорными трубками (рис.2 ш). Обычно усреднение полного давления ведется по диаметру или по радиусу, а при сильно деформированных потоках — по двум перпендикулярным диаметрам. В соответствующих трубках имеется ряд отверстий для приема полного давления. Использование усредняющих напорных трубок особенно целесообразно для измерения расхода воды и газа в трубопроводах большого диаметра.

      5) Расходомеры с напорным усилителем имеют преобразователь расхода, в котором сочетаются напорное и сужающее устройство. Перепад давления в них создается как в результате местного перехода кинетической энергии струи в потенциальную, так и частичного перехода потенциальной энергии в кинетическую. Соответствующие преобразователи - сочетание диафрагмы и трубки Пито(рис.2 я), комбинация трубок Пито и Вентури (рис.2 α) и сдвоенная трубка Вентури (рис.2 β).

      6) Расходомеры ударно-струйные основаны на зависимости от расхода перепада давления, возникающего при ударе струи. Струя, вытекающая из суженного отверстия входной трубки, создает давление p₁ во внутренней полости сильфона, снаружи которого действует меньшее давление p₂, равное давлению уходящей жидкости в выходной трубке. Ударно-струйные расходомеры применяются лишь для измерения малых расходов жидкости и газа.

      Достоинства:

      -Универсальность  применения (в широком диапазоне изменения давления, температур и расходов).

      -удобство  массового производства.

      -отсутствие  необходимости в образцовых расходомерных  установках для градуировки и  поверки. 

      Недостатком метода являются:

      -относительно большие погрешности (1 — 2%), обусловленные демпфирующим действием сужающего устройства,

      -нелинейной зависимостью между расходом и перепадом давлений,

      -неравномерным распределением давления,

      -износом сужающего устройства,

      -изменением плотности вещества,

      -малый  диапазон измерения. 
 
 
 
 
 
 
 

      1.3. Турбинные (тахометрические) расходомеры. [2,4]

      Тахометрическими  называются расходомеры и счетчики, имеющие подвижный, обычно вращающийся  элемент, скорость которого пропорциональна  объемному расходу. Они подразделяются на турбинные, шариковые, роторно-шаровые и камерные.

      Для создания тахометрического расходомера  скорость движения элемента надо предварительно преобразовать в сигнал, пропорциональный расходу и удобный для измерения. В этом случае необходим двухступенчатый  преобразователь расхода. Его первая ступень — турбинка или другой элемент, скорость движения которого пропорциональна объемному расходу, а вторая ступень - тахометрический преобразователь, вырабатывающий измерительный сигнал, обычно частоту электрических импульсов, пропорциональную скорости движения тела.

      Турбинные тахометрические расходомеры и  счетчики количества могут изготовляться  для труб диаметром от 4 до 750 мм, для давлений до 250 МПа и температур от -240 до +700 °С. У нас турбинные приборы применяются преимущественно для измерения расхода и количества воды, различных нефтепродуктов и других жидкостей.

      Турбинные преобразователи расхода могут  быть c аксиальной и с тангенциальной турбинкой. У первых лопасти расположены по винтовой линии, а ось совпадает с осью потока. У вторых ось перпендикулярна к направлению потока, а прямые лопасти расположены радиально по отношению к оси. Аксиальные турбинки встречаются чаще, чем тангенциальные. Последние применяют лишь при небольших диаметрах труб, обычно до 50 мм.

      Зависимость числа оборотов п в единицу времени от объемного расхода Qo у аксиальной турбинки выражается в общем виде уравнением

      n = j (Q₀, n, r, M_c, D, d_н, d_в, z, l, H),

      где n и r — кинематическая вязкость и плотность измеряемой жидкости; M_с — момент сопротивления тахометрического преобразователя; D — диаметр трубопровода; d_н и d_в — наружный и внутренний диаметры лопастей турбинки; z — число, а l — осевая длина лопастей; H — шаг лопастей по винтовой линии.

      Отношение n/Q_o, входящее в критерий и являющееся основной характеристикой расходомера, будет зависеть только от числа Re = p₂ и от критерия M_cD/pQ₀². Поэтому характеристика расходомера определяется главным образом числом Рейнольдса.

      При средних и больших значениях Re отношение n/Q_o сохраняет практически постоянное значение и шкала расходомера имеет почти линейный характер. Диапазон измерения Q_max/Q_min с линейной градуировкой, не зависящей от свойств (вязкости и плотности) вещества, возрастает от 5 — 10 при малых диаметрах труб и малых скоростях до 15 — 20 при больших скоростях и больших диаметрах. С уменьшением значения Re при переходе от турбулентного к ламинарному движению начинает все сильнее сказываться влияние вязкости, и относительная скорость вращения турбинки n/Q_o падает, градуировка становится нелинейной. Этому способствует и усиление влияния момента сопротивления Мс. Часто в переходной зоне от турбулентного к ламинарному движению вначале наблюдается даже некоторое повышение n/Q_o, и на соответствующей кривой в данном месте образуется максимум.

      Нарушение линейности характеристики в некоторых случаях имеет место не только в области малых, но и в области больших значений Re.

      Влияние вязкости.

      Возможны  три режима движения жидкости в проточной  части турбинки: ламинарный, переходный и турбулентный. Основной диапазон работы соответствует турбулентному режиму. Здесь, в автомодельной области между w и Q_o сохраняется (в пределах ±0,5 %) пропорциональность при условии постоянства вязкости измеряемой жидкости. Переход на более вязкую жидкость вызывает иногда небольшое увеличение отношения w/Q_o и уменьшение области постоянства w/Q_o, так как переходный режим от турбулентного к ламинарному наступает при больших расходах Q_oп. Сказанное иллюстрирует рис. 3, где по данным работы на оси абсцисс отложена частота f импульсов, пропорциональная w, а на оси ординат — отношение f/Q_o (1—n = 2×10^-6м²/с; 2—n = 5×10^-6м²/с; 3—n = 14×10^-6м²/с).

      Возрастание Q_o прямо пропорционально увеличению вязкости, что обусловлено неизменностью критического числа Рейнольдса. Возрастание же w/Qo с увеличением вязкости происходит не всегда (см. кривые 2 и 3 на рис. 8) и объясняется рядом причин, среди которых толщина пограничного слоя и характер профиля скоростей в .проточной части преобразователя.

Рис. 3. Влияние вязкости на линейность характеристики турбинного расходомера. 

      Степень возрастания зависит от конструкции  турбинного преобразователя. Она снижается с уменьшением высоты лопастей и уменьшением угла их подъема (хода лопастей). Влияние вязкости как на w/Q_o, так и на Q_oп, уменьшается с увеличением диаметра турбинки. Эффективное средство для уменьшения О_оп — установка перед турбинкой сетки или другого устройства, турбулизующего поток.

      Некоторое возрастания отношения w/Q_o происходит в переходной области от турбулентного к ламинарному режиму (см. кривую 1 на рис. 2). При этом на кривой образуется горб с последующим падением w/Q_o, причем темп снижения w/Q_o по мере уменьшения Q_o все возрастает, пока не достигнет постоянного значения в области ламинарного режима. Причинами появления горба на кривой w/Q_o могут быть как заострение профиля скоростей, так и увеличение толщины пограничного слоя, сопровождающееся уменьшением живого сечения проточной части и возрастанием скорости в ней. Подобный горб возникает не всегда, а лишь при некотором соотношении профиля проточной части и вязкости жидкости. Так, уменьшение зазора между лопатками и стенкой трубы и увеличение густоты решетки профиля (отношение хорды лопаток к их шагу) способствует возрастанию горба.

      Уравнение измерений.

     Уравнение равномерного вращения лопастной турбинки имеет вид:

     Где  - движущий момент на роторе турбинки, сообщаемый ей потоком измеряемой среды;

   - сумма моментов сопротивления. 

      На основе известного уравнения Эйлера (на котором базируются все расчеты турбинных двигателей) для осевого входа потока движущий момент

     где a и b – коэффициенты, определяемые конструктивными  параметрами турбинного датчика (радиусом лопастей R, радиусом ступицы турбинки r, углом наклона лопастей α) и зависящие от числа Рейнольдса в области неавтомодельного потока.

     Если  предположить, что на турбинный датчик не действует никаких моментов, препятствующих его вращению, то есть что  ,то на основании предыдущей формулы зависимость между угловой скоростью вращения датчика и расходом Q определяется уравнением

     Где  A=a/b.

В действительности же на турбинку действуют моменты  сил гидравлического трения жидкости, момент сил трения в опорах и ряд других. Действие этих моментов будет характеризоваться так называемой зоной нечувствительности прибора, то есть тем наименьшим расходом ( ), который необходим для того, чтобы преодолеть моменты сопротивления и сдвинуть турбинку с места или изменить ее установившуюся скорость вращения.

     С учетом сказанного получаем рабочее  уравнение турбинных расходомеров 

Так как коэффициент  A и определяются в процессе непосредственной градуировки, то уравнение (4), решенное относительно , называют иногда градировочной зависимостью турбинных расходомеров.