Средства измерений технологических параметров

Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт управления бизнес-процессами и экономики

Кафедра менеджмент производственных и социальных технологий

КУРСОВАЯ РАБОТА

Средства измерений  технологических параметров

Руководитель                       _________________            О.Н. Усталова

подпись, дата

Студент, ПЭ 10-09               _________________            А.Д. Останова

подпись, дата

Красноярск 2012

Содержание

ВВЕДЕНИЕ 3

1 Методы и средства измерения расхода жидкости 4

1.1 Характеристика расхода жидкости 4

1.2 Методы измерения расхода жидкости 5

1.3.Метод, основанный на разности времен распространения ультразвуковых волн, направленных за потоком и против него 7

1.4 Метод, основанный на геометрическом сносе ультразвуковой волны 8

1.5 Метод, основанный на доплеровском сдвиге частоты ультразвукового сигнала 9

2 Средство измерения расхода жидкости ультразвуковой расходометр             US-800…………………………………………………………………………….10

2.1 Принцип действия прибора 10

2.2 Устройство прибора 11

3 Эксплуатация расходомера US-800 12

3.1 Технические и метрологические характеристики 12

3.2 Режимы эксплуатации 14

3.3 Назначение и использование 15

3.4 Поверка 16

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 18

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 19

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 В последнее время в России растет применение расходомеров-счетчиков жидкости в сферах строительства и ЖКХ. На этом рынке наблюдается большое разнообразие приборов учета от различных производителей и с различными физическими принципами.

Значение счетчиков и, особенно расходомеров жидкости очень  велико. Раньше основное применение имели  счетчики воды преимущественно в  промышленности. Но в дальнейшем все большее значение приобрели расходомеры жидкости и в коммунальном хозяйстве.

Расходомеры необходимы прежде всего для управления производством. Без них нельзя обеспечить оптимальный режим технологических процессов в энергетике, металлургии, в химической, нефтяной, целлюлозно-бумажной и многих других отраслях промышленности. Эти приборы требуются также для автоматизации производства и достижения при этом максимальной его эффективности.

Расходомеры нужны для  управления самолетами и космическими кораблями, для контроля работы оросительных систем в сельском хозяйстве и  во многих других случаях. Кроме того, они требуются для проведения лабораторных и исследовательских  работ.

Счетчики жидкости и газа необходимы для учета массы или  объема нефти, газа и других веществ, транспортируемых по трубам и потребляемых различными объектами. Без этих измерений  очень трудно контролировать утечки и исключать потери ценных продуктов. Снижение погрешности измерений  расхода 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 страны.

 

  1. Методы и  средства измерения расхода жидкости

1.1 Характеристика  расхода жидкости

Количество вещества , протекающее через поперечное сечение потока в единицу времени, называют расходом. В зависимости от особенностей технологического процесса и состояния вещества различают объемный Q (в м3/с) и массовый расходы M (в кг/с) .

Массовый и объемный расходы  связаны зависимостью, аналогичной  зависимости между массой и объемом вещества, представленной в формуле 1

M=ρ*Q.                                                          (1)

 Если использовать приведенное выше понятие средней скорости потока, то объемный расход может быть выражен по примеру формулы 2

Q=Vср*F,                                                       (2)

где F -  площадь поперечного сечения потока.

Для жидкостей и газов , как правило , употребляется объемный , а для паров — массовый расходы. Когда жидкости смешаны с сыпучими веществами , измерение их расхода удобнее выражать в единицах массового расхода.

Так как для неустановившихся потоков средняя скорость случайным  образом изменяется во времени, то и расход в общем случае является случайной величиной (случайным процессом). При этом возможно измерять лишь отдельные статистические характеристики этого процесса, а именно, мгновенный расход – значение расхода в данный момент времени; средний расход – усредненное за какой-либо промежуток времени значение расхода; «пиковый» расход – максимальное значение расхода, которое наблюдалось на заданном отрезке времени.

Мгновенные расходы измеряют при управлении технологическими процессами, обеспечении оптимальных режимов работы энергетических установок и тепловых двигателей. Средние расходы измеряют при испытаниях, определении «расходных характеристик» объектов и процессов. И «пиковые» расходы характерны для исследовательских работ, связанных с долгосрочными процессами поведения грунтовых и сточных вод, паводковых явлений в открытых каналах и руслах.

1.2 Методы измерения  расхода жидкости

Для измерения расхода  жидкостей можно назвать пять основных методов : объемный , скоростной , дроссельный , индукционный и обтекания. Рассмотрим наиболее популярные методы.

Сущность объемного метода заключается в суммировании отмеренных в единицу времени объемов  жидкости.

Скоростной метод основан  на измерении соответствующей расходу  скорости протекания жидкости по трубопроводу .

 Дроссельный метод  является развитием скоростного  и состоит в измерении перепада  давления , создаваемого дроссельным устройством при движении вещества в трубопроводе. Перепад давления пропорционален изменению скорости.

Индукционный метод основан  на измерении э. д. с. индуктируемой  потоком электропроводной жидкости. Значения э. д. с. пропорциональны скорости потока жидкости в трубопроводе, и следовательно, ее расходу.

Метод обтекания основан  на измерении вертикального перемещения  поплавка в зависимости от расхода  вещества, обтекающего поплавок в  камере прибора. Каждому значению расхода  соответствует определенное положение  поплавка: чем больше расход , тем выше расположен поплавок.

Перечисленные методы измерения  расхода определители конструкции  измерительных приборов и области  их применения. Рассмотрим вкратце  принципиальные схемы расходомеров.

Объемные расходомеры  применяют преимущественно для  измерения расхода вязких жидкостей (жирные кислоты, мазуты , масла и другие нефтепродукты). Измеряющим органом прибора являются калиброванные камеры, устанавливаемые в рассечку трубопровода. Прибор объемов , вытесненных из измерительных камер под действием разности давлений среды до и после камеры. На этом принципе устроены мазутомеры, бензомеры.

Скоростные расходомеры  служат для измерения расхода  и масел и называются, поэтому водо- и масломерами. Измерительный орган скоростного расходомера — крыльчатка, которая помещается в поток измеряемой жидкости. Прибор отсчитывает число оборотов крыльчатки в единицу времени.

Дроссельные расходомеры  применяют для измерения расхода  всевозможных жидкостей , паров и газов . Дроссельный расходомер состоит из двух частей : дросселя , устанавливаемого непосредственно в трубопровод с измеряемой средой , и дифманометра, место которого определяется эксплуатационной целесообразностью . Дроссель — сужающее устройство создает перепад давления измеряемой среды. С помощью соединительных линий сужающее устройство соединяется с дифманометром, который и фиксирует изменения перепада давлений , соответствующие расходу.

Индукционные расходомеры  применяют для измерения расхода  электропроводных агрессивных , вязких, абразивных жидкостей, пульп и жидких металлов. Измерительным органом служит трубопровод-датчик с введенными в него электродами-съемниками, передающими на усилитель индуктируемую потоком э. д. с. В основу работы прибора положен закон электромагнитной индукции. Ток , проходящий через индукционную катушку, создает внутри датчика магнитное поле. Измеряемая жидкость , протекая по трубе , пересекает силовые линии магнитного поля. При этом в жидкости, как в движущемся проводнике, индуктируется э. д. с. , пропорциональная средней скорости потока, а следовательно , и расходу жидкости . Электроды расположенные диаметрально противоположно, снимают эту э. д. с. , которая усиливается и измеряется .

Расходомеры обтекания —  ротаметры применяются для измерения  небольших расходов ряда жидких и  газообразных сред. Измерительным органом является поплавок, вертикальное положение которого определяется значением расхода. Противодействующей силой является вес поплавка. Положение поплавка отсчитывают по шкале. Для дистанционной передачи служит индукционная катушка, к которой присоединяют выносной прибор. Показания этого прибора определяются положением поплавка благодаря тому, что сердечник индукционной катушки связан со штоком поплавка.

В курсовой работе рассматривается расходометр жидкости, работающий на методе измерения с помощью ультразвука. Поэтому следует подробней рассмотреть этот метод. В настоящее время известны три метода измерения расхода вещества с помощью ультразвука.

1.3.Метод, основанный на разности времен распространения ультразвуковых волн, направленных за потоком и против него

Ультразвуковые колебания перемещаются подвижной средой. Поверхностью отражения  для импульса зондирования является естественная внутренняя поверхность  трубопровода или специальный экран, встроенный  трубопровод. При этом средняя скорость измеренной среды может определяться на основании эффекта сноса ультразвукового колебания подвижной средой и изменения времени прохождения луча как векторная разность скоростей ультразвуковых колебаний по направлению движения измерительной среды и против нее. Наглядный пример данного метода представлен на рисунке 1.

 

Рисунок 1 – Метод 1.3.1

Измерительные схемы основаны на измерении разности времен, сдвига фаз разности частот прохождения ультразвуковых сигналов, обусловленных скоростью потока.

Времяимпульсная схема измеряет разности продолжительности прохождения коротких импульсов, которые направлены по потоку и против него. Фазовая — измеряется разность фазовых сдвигов УЗ колебаний, которые направлены по потоку и против него. Частотная — измеряется разность частот повторения коротких импульсов или пакетов УЗ колебаний, которые направлены по потоку и против него

1.4 Метод, основанный на геометрическом сносе ультразвуковой волны

Ультразвуковые волны излучаются в измеряемую среду по нормали  к направлению движения потока. Два  приемных пьезоэлемента устанавливаются рядом таким образом, что при недвижном измеряемом потоке интенсивности колебаний, принятых каждым пьезоэлементом, равны. При движении измеряемого потока ультразвуковые волны распространяются в направлении потока, при этом интенсивность ультразвуковых колебаний на приемных пьезоэлементах разная. Измеренная разность сигналов на приемных пьезоэлементах является мерой расхода потока вещества. Графически метод представлен на рисунке 2.

 

Рисунок 2 – Метод 1.3.2

 

1.5 Метод, основанный на доплеровском сдвиге частоты ультразвукового сигнала

Передающий пьезоэлемент излучает гармонический ультразвуковой сигнал в измеряемую среду и воспринимает отраженный от неоднородностей потока, имеющий доплеровский сдвиг частот сигнал. Мерой расхода является доплеровская разность частот излучаемого и отраженного сигналов. Графически метод представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 – Метод 1.3.3

 

  1. Средство  измерения расхода жидкости ультразвуковой расходометр US-800

Для высокоточных измерений  расхода целесообразно применять  метод, основанный на разности времен распространения ультразвуковых волн, направленных по потоку и против него. В связи с этим в рамках данной курсовой работы будет описываться ультразвуковой расходомер US-800.

Ультразвуковой счетчик  расходомер жидкости US-800  разработан с учетом особенностей эксплуатации узлов учета в РФ, имеет встроенную защиту от перенапряжения и помех  в питающей сети, полную гальваническую развязку каналов измерения от трубопровода, первичный преобразователь из нержавеющей  стали, не создающий потерь давления и не требующий обслуживания, высокие  степени защиты от климатических воздействий, возможность эксплуатации при отрицательных температурах и широкие коммуникативные возможности.

2.1 Принцип действия  прибора

Расходомеры US-800 относятся  к время-импульсным ультразвуковым расходомерам, принцип работы которых основан на измерении разности времен прохождения импульсов ультразвукового колебания по направлению движения потока жидкости и против него.

 Возбуждение импульсов  производится пьезоэлектрическими  преобразователями (далее - ПЭП), устанавливаемыми на измерительном  участке трубопровода, в котором  производится измерение расхода  жидкости.

 В зависимости от установки  ПЭП относительно сечения потока, скорость последнего измеряется  по двум или одному лучам ультразвуковых колебаний. ПЭПы работают попеременно в режиме приемник-излучатель и обеспечивают излучение в жидкость и прием из нее ультразвуковых импульсов под углом к оси трубопровода. Движение жидкости вызывает изменение времени полного распространения ультразвуковых сигналов по потоку и против него. Принцип действия прибора представлен на рисунке 4.

Рисунок 4 – Принцип действия расходомера US-800

2.2 Устройство  прибора

Ультразвуковой расходомер US-800 состоит из электронного блока и ультразвукового преобразователь расхода (далее - УПР). На рисунке 5 представлены два выше указанных элемента.

Рисунок 5 –  Устройство прибора

 

Электронный блок (далее – ЭБ) - устройство, содержащее электронные узлы формирования и преобразования ультразвуковых импульсов, вычисления расхода, объема и вывода информации на основе измеренных времен распространения ультразвуковых импульсов.

 Конструктивно электронный блок представляет собой приборный корпус из пластмассы для настенного монтажа.

Ультразвуковой преобразователь расхода - участок трубы с установленными датчиками ПЭП. УПР, изготовленный в заводских условиях, представляет собой отрезок трубы из нержавеющей или кислотостойкой стали, к торцам которой приварены два фланца по ГОСТ 12815-80. В средней зоне трубы приварены держатели. Держатели служат для установки ПЭП, которые устанавливаются с паронитовыми прокладками и фиксируются в держателях гайками. УПР бывает двух видов : однолучевой и двухлучевой.

В однолучевом УПР устанавливаются два ПЭП, которые размещаются на оси проходящей через диаметр поперечного сечения УПР.

Двухлучевой ультразвуковой преобразователь расхода УПР содержит две пары ПЭП, которые размещены на осях параллельных друг другу и проходящих через равные хорды поперечного сечения.

  1. Эксплуатация  расходомера US-800

3.1 Технические  и метрологические характеристики

Ультразвуковой расходомер измеряет средний объемный расход воды в зависимости от диаметра условного прохода (далее – ДУ) трубопровода в соответствии с таблицей 1.

Таблица 1 – Средний объемный расход воды

Пределы допускаемых  относительных погрешностей измерительных  каналов электронного блока  приведены  в таблице 2.

Таблица 2 –  Относительные погрешности измерительных каналов электронного блока

Пределы допускаемой относительной  погрешности, %

 При измерении времени распространения  ультразвуковых импульсов и расхода

При преобразовании расхода в частотный(импульсный) сигнал

При преобразовании расхода в аналоговый сигнал

При измерении объема

При измерении времени наработки

±0,4

±0,1

±0,4

±0,5

±0,1


Пределы допускаемых относительных погрешностей расходомеров US-800, определенных на установке поверочной по эталонному расходомеру-счетчику приведены в таблице 3.

Таблица 3 –  Пределы допускаемых погрешностей расходомера US-800

Основные технические  характеристики и рабочие условия  эксплуатации ЭБ приведены в таблице 4.

Таблица 4 –  Технические характеристики и рабочие  условия ЭБ

Рабочие условия эксплуатации УПР расходомеров приведены в таблице 5.

Таблица 5 – Рабочие условия УПР

Стоимость стандартной комплектации расходомера-счетчика US800 значительно колеблется в зависимости от диаметра УПР. Средняя стоимость от одноканальных расходомеров от 20 000 руб до 370 000 руб. Цена на двух канальные расходомеры значительно выше, цена может доходить до 700 000 руб.

3.2 Режимы эксплуатации

US800 имеет два режима функционирования:

    • режим работы;
    • режим программирования.

В режиме работы выполняются  следующие функции:

  • измерение текущего среднего объемного расхода и накопление объема в счетчиках жидкости по каждому из каналов;
  • отображение текущих расходов, счетчиков объема и времени наработки на цифровом индикаторе по инициативе пользователя;
  • сигнализация работоспособного состояния и возникающих сбоев по каждому из каналов измерения на светодиодных индикаторах;
  • приема/передачи информации;
  • автоматическая компенсация смещения нуля канала измерения по инициативе пользователя.

Режим программирования служит для доступа к программируемым параметрам US800. Программируемые параметры определяют функционирование US800 в режиме работы, поэтому их некорректный ввод может привести к ошибкам в измерениях и отображении информации на индикаторе, к потере связи.

3.3 Назначение и использование

Расходомер-счетчик жидкости ультразвуковой US800 предназначен для измерения среднего объемного расхода и объема жидкостей, протекающих в одном или двух напорных трубопроводах. US800 измеряет расход и объем жидкостей, свойства и течение которых в трубопроводе с условным диаметром от 15 до 2000 мм соответствуют условиям:

    • число Рейнольдса не ниже 5000;
    • максимальная скорость не более 12 м/с;
    • полное заполнение трубопровода под давлением до 6,3 МПа;
    • температура от 0 до +150 оС;
    • содержание газообразных и твердых веществ не более 1% от объема.

US800 может использоваться на предприятиях всех отраслей промышленности как средство измерения расхода и объема по одному или двум трубопроводам:

    • горячей, холодной, в том числе питьевой воды;
    • промышленных и бытовых стоков;
    • агрессивных жидкостей (кислот, щелочей и т.п.), мазута, масел;
    • жидких пищевых продуктов, кроме газированных напитков;
    • любой другой жидкости, отвечающей приведенным выше условиям.

3.4 Поверка

US800, применяемые в сферах, в которых осуществляется государственный надзор, подлежат первичной и периодической поверкам органами Государственной метрологической службы согласно указаниям ПР 50.2.006-94.

Межповерочный интервал – 4 года.

При проведении поверки должны выполнятся следующие операции:

а) внешний осмотр;

б) опробование;

в) определение метрологических  характеристик.

При проведении поверки должны применяться средства измерений, указанные в таблице 6. Допускается применение других средств поверки, с характеристиками не хуже, чем характеристики средств, указанных в таблице 6. Все средства измерений, используемые при поверке US800, должны быть поверены и иметь соответствующие документы с отметками о действующей поверке.

 

Таблица 6 – Средства измерений используемые при поверке


При внешнем осмотре проверить  комплектность и маркировку, наличие пломбирования, отсутствие видимых механических повреждений.

Результаты внешнего осмотра  считать положительными, если установлено соответствие внешнего вида и состояния US800 требованиям эксплуатационной документации на него.

При опробовании US800 устанавливается его работоспособность в соответствии с указаниями руководства по эксплуатации US800.421364.001 РЭ Часть1. Произвести 2-3 пробных измерения, контролируя расход по показаниям эталонного и поверяемого расходомеров-счетчиков.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В курсовой работе приведены  принципы измерения расхода жидкости. Представлены существующие приборы  измерения данной величины, а так  же их принципы действия. Одним из подходящих и высокоточных приборов оказался ультразвуковой расходомер U800, который основывается на измерении разности времен прохождения импульсов ультразвукового колебания по направлению движения потока жидкости и против него. Выбранный прибор состоит из электронного блока и ультразвукового преобразователь расхода. В пункте 2 курсовой работы описывается эксплуатация прибора, включающая метрологические и технические характеристики, режимы работы и методы поверки. Расходомеры US800, применяемые в сферах, в которых осуществляется государственный надзор, подлежат первичной и периодической поверкам органами Государственной метрологической службы согласно указаниям ПР 50.2.006-94, и межповерочный интервал составляет 4 года. Указаны так же средства измерений участвующие при поверке. В конце представлена стоимость расходомера US800. Стоимость стандартной комплектации расходомера-счетчика US800 значительно колеблется в зависимости от диаметра УПР.

 

 

 

СПИСОК  ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

  1. Хансуваров К.И., Цейтлин В.Г. Техника измерения давления , расхода, количества и уровня жидкости, газа и пара: Учебное пособие – М.: Издательство стандартов, 1990. 287с., ил.
  2. Цейтлин В.Г Расходоизмерительная техника – М.; Издательство стандартов , 1997 – 239 с.
  3. Кремлевский П. П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник. — 4-е изд., перераб. и доп. — Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989. — 701 с. ил.
  4. Приложение к свидетельству № 43735 от утверждении типа средств измерений – 7 с.
  5. Руководство по эксплуатации, монтажу и поверке US800.421364.001 РЭ – 110 с.