Министерство Образования и Науки Российской Федерации

Казанский Государственный Технический Университет им. А.Н. Туполева

Кафедра стандартизации, сертификации и технологического менеджмента

Курсовой проект

по дисциплине:

Методы и средства измерений, испытаний и контроля

На тему:

Разработка расходомера переменного перепада давления с соплом Вентури.

Выполнил:

Руководитель: доцент кафедры ССТМ Сабитов А.Ф.

Оценка:

Дата:

Казань 2008 г.

Содержание

Определения	3
Обозначения и сокращения	6
Введение	9
1.1 Корреляционные расходомеры	11
1.1.1 Принцип действия	11
1.1.2 Структурная схема	12
1.1.3 Метрологические характеристики	13
1.1.4 Область применения	13
1.1.5 Преимущества и недостатки	14
1.2 Измерение расхода среды методом переменного перепада давления	14
1.3 Теплофизические характеристики измеряемой среды	16
2.1 Расчет ТФХ водяного пара	18
3.1 Расчет диаметра СУ	23
4.1 Выбор дифманометра	21
4.2 Выбор материала СУ	27
4.3 Обоснование размеров СУ	28
4.4 Отбор давления	31
5.1 Расчет неопределенности результата измерений	32
5.2 Определение класса точности расходомера	35
5.3 Расчет шкалы расходомера	35
Заключение	39
Приложение А - Расчет коэффициента η, κ, ρ, Z с помощью программы MATHCAD	40
Приложение Б - Расчет коэффициента β, Re с помощью программы MATHCAD	41
Приложение В - Расчет потери давления с помощью программы MATHCAD	42
Приложение Г - Расчет неопределенности результата измерений с помощью программы MATHCAD	43
Приложение Д - Чертеж шкалы расходомера	44
Список использованных источников	45

Определения

Применены термины по ГОСТ 8.586.1-5-2005.

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. Сопло Вентури – тип стандартного сужающего устройства, которое состоит из сужающейся части с закругленным профилем, цилиндрической горловины и диффузора.

9. Диаметр отверстия сужающего устройства – диаметр части отверстия сужающего устройства, имеющий минимальную площадь поперечного сечения.

10. Относительный диаметр отверстия сужающего устройства – отношение диаметра отверстия сужающего устройства к внутреннему диаметру измерительного трубопровода перед сужающим устройством, рассчитываемое по формуле .

11. Объемный расход среды – объем среды при рабочих условиях,

протекающей через отверстие сужающего устройства в единицу времени.

12. Массовый расход среды – масса среды, протекающей через отверстие

сужающего устройства в единицу времени.

13. Число Рейнольдса – отношение силы инерции к силе вязкости

потока, рассчитываемое по формуле

14. Показатель адиабаты (изоэнтропии) газа – отношение

относительного изменения давления к соответствующему относительному изменению плотности газа в процессе изменения его состояния без теплообмена с окружающей средой.

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

15. Коэффициент истечения – отношение действительного значения

расхода жидкости к его теоретическому значению, вычисляемое по формуле

Значение коэффициента скорости входа E определяют по формуле

Примечание – произведение C·E называется «коэффициентом расхода».

16. 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.

17. 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;

СВ – топло Вентури;

ТФХ – теплофизические характеристики.

Таблица 1 – Условные обозначения величин

Обозначение	Наименование величины	Единица величины
C	Коэффициент истечения	1
d	Диаметр отверстия сужающего устройства при рабочей температуре среды	м
d20	Внутренний диаметр измерительного трубопровода или входной части трубы Вентури при рабочей температуре среды	м
D	Внутренний диаметр измерительного трубопровода или входной части трубы Вентури при рабочей температуре	м
K	Коэффициент сжимаемости	1
Kсу	Коэффициент, учитывающий изменение диаметра отверстия сужающего устройства, вызванное отклонением температуры среды от 20 °C	1
Кш	Поправочный коэффициент, учитывающий шероховатость внутренней поверхности измерительного трубопровода	1
p	Давление среды	Па
pa	Атмосферное давление	Па
pu	Избыточное давление среды	Па
qv	Объемный расход среды при рабочих условиях	м3/с
qm	Массовый расход среды	кг/с
Ra	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
T	Абсолютная (термодинамическая) температура среды: T=273,15 + t	К
uy	Стандартная неопределенность результата измерений величины y
u′y	Относительная стандартная неопределенность результата измерений величины y
Uy	Расширенная неопределенность величины y	Зависит от единицы величины
U′y	Относительная расширенная неопределенность величины y	%
Z	Фактор сжимаемости	1
αt	Температурный коэффициент линейного расширения материала	ºС-1
β	Относительный диаметр отверстия сужающего устройства	1
∆p	Перепад давления на сужающем устройстве	Па
∆ω	Потеря давления в сужающем устройстве	Па
ε	Коэффициент расширения	1
κ	Показатель адиабаты	1
η	Динамическая вязкость среды	Па·с
ρ	Плотность среды	кг/м3

Введение

Оценка современного состояния измерения заданного параметра среды.

В наше время измерение заданного параметра среды, в частности, газов, является повсеместно доступным и достаточно точным. Основной задачей измерений теплофизических характеристик газов и их среды является выбор метода, которым они будут проводиться. При выборе способа измерений нужно принимать во внимание как объемы газа и индивидуальные условия среды, так и предполагаемую точность измерения. При выборе метода и средств измерений необходимо учитывать такие факторы, как режимы течения газа, параметры состояния газа и его теплофизические показатели, особенности конструкции узла учета, погрешности измерений и другие.

Одним из важнейших устройств, применяющимся для измерения заданного параметра среды, являются расходомеры. Расходомеры необходимы для управления производством. Без них нельзя обеспечить оптимальный режим технологических процессов в энергетике, металлургии, в химической, нефтяной, целлюлозно-бумажной и многих отраслях промышленности. Эти приборы требуются также для автоматизации производства и достижения при этом максимальной эффективности. В настоящее время к расходомерам предъявляются много требований, среди которых высокая точность измерения, надежность, бычтродействие, независимость результатов измерений от изменения плотности вещества. Кроме того, могут предъявляться требования к большому диапазону измерений, и возможности измерения расхода в экстремальных условиях

Актуальность измерения параметров среды 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, целлюлозно-бумажной и многих других отраслях промышленности. А также для автоматизации производства и достижения при этом максимальной эффективности. Актуальность измерения расхода жидкости, газа и пара заключается в необходимости максимальной экономии энергетических и водных ресурсов страны.

3. Цель курсового проекта:

Целью курсового проекта является проектирование расходомера переменного перепада давления с сужающим устройством в виде сопла Вентури при заданных температуре T=800K и давлении 1.2МПа.

4. Задачи курсового проекта:

Задачами курсового проекта являются:

1) Развитие навыков самостоятельных решений инженерных задач;

1. 2) Изучение стандартов ГОСТ 8.586.1-5-2005;

2. 3) Расчет теплофизических характеристик газовой смеси при заданном составе, температуре и давлении

3. 4) Расчет всех размеров сужающего устройства

Глава 1

1.1 Расходомер с осциллирующим крылом

1.1.1 Структурная схема.

Схема преобразователя с осциллирующим крылом (Рис. 1)

Преобразователь расхода состоит из двух одинаковых крыльев 1 и 2, поверхности которых расположены вдоль направления движения воздуха. Крылья сдвинуты немного (расстояние е) относительно друг друга, и между ними определено относительное расстояние b для прохода воздуха. Нижнее крыло 2 неподвижно, верхнее крыло 1 может поворачиваться вокруг оси О.

1.1.2 Принцип действия

Установлено, что при правильно выбранных значениях отрицательного угла атаки α неподвижного угла верхнее крыло 1 начинает начинает осциллировать вокруг точки О при скоростях воздуха, не меньших некоторого значения, зависящего от массы крыла. Между частотой колебаний крыла и скоростью воздуха наблюдается достаточно хорошая пропорциональность. Основная причина этих колебаний — периодический срыв вихрей с криволинейной поверхности крыла. Поэтому данный расходомер можно рассматривать как частный случай вихревого. Для указанных а рисунке размеров крыльев были приняты: b = 10 мм, e = 20-30 мм, р = 22-23 мм и α = 3-5º.

Чем легче крыло, тем меньше значение скорости воздуха v_min , начиная с которого крыло начинает осциллировать. Но чем меньше жесткость крыла, тем раньше наступает вибрация крыла, т.е. тем меньше значение наибольшей v_max измеряемой скорости воздуха. Наилучший диапазон измерения скоростей от 3 до 22 м/с оказался у крыла из пенопласта шириной 76 мм, а длиной 914 мм. При этом частота колебаний f возрастала от 5 до 37 Гц. Отношение f/v сохранялось постоянным в пределах ± 4 %, но повторяемость f при данном v сохранялась с погрешностью не более ± 0.5 %.

1.1.3 Связь измерения расходов веществ с задачами, решающимися при помощи управления качеством

Роль расходомеров в управлении качеством трудно переоценить. Особенно актуальны они сейчас, когда резко возросла необходимость экономии энергетических и водных ресурсов, которые все более и более дорожают. Без расходомеров нельзя решить такие задачи обеспечения качества, как обеспечение управления и оптимизацию технологических режимов во многих отраслях промышленности. Счетчики расхода необходимы для учета массы или объема нефти, газа, пара, воды и других веществ, транспортируемых по трубам и потребляемых отдельными объектами. Без них очень трудно контролировать утечки и исключить потери ценных продуктов.

1.2 Измерение расхода методом переменного перепада давления

Одним из самых распространенных принципов измерения расхода жидкостей, газов и паров является принцип переменного перепада давления на сужающем устройстве. Широкое использование этого принципа связано с рядом присущих ему преимуществ. К их числу относятся: простота и надежность, отсутствие движущихся частей, легкость серийного изготовления средств измерений практически на любые давления и температуры измеряемой среды, низкая стоимость, возможность измерения практически любых расходов и, что особенно существенно, возможность получения градуировочной характеристики расходомеров расчетным путем, т. е. без использования дорогостоящих расходоизмерительных метрологических установок. В соответствии с рассматриваемым принципом в трубопровод устанавливают сужающее устройство. При протекании измеряемого потока через отверстие сужающего устройства увеличивается скорость потока по сравнению с его скоростью до сужения. Благодаря этому давление потока на выходе из сужающего устройства уменьшается и на сужающем устройстве создается перепад давления, измеряемый дифманометром.

В данном курсовом проекте разрабатывается расходомер переменного перепада давления с сужающим устройством — соплом Вентури с кольцевой щелью.

Сопло Вентури (рис. 2) состоит из сужающейся входной части 1 с закругленным профилем, цилиндрической шейки 2 и диффузора (конусообразного выхода) 3 и применяется для измерения расхода по разности давлений в агрессивных и неагрессивных газах, жидкостях и паре. Положительное измерение выполняется через одинарные отверстия, а отрицательные измерения - как правило, через 4 отверстия с доступом в кольцевую камеру. Сопло Вентури представляет собой сварную конструкцию из средне- или высокоуглеродистой стали с фланцами по обеим концам. Они используются в случаях, когда надо избежать потерь давления и, вследствие этого, энергии. Если сравнивать измерительные диафрагмы с соплами Вентури, то остаточные потери давления в соплах Вентури примерно на 80% ниже, и их круглый профиль менее чувствителен, чем продольный конец диафрагмы.

Р ис. 2. Сопло Вентури

Теплофизические характеристики измеряемой среды.

В данном курсовом проекте измеряемой средой является смесь газов.

Рабочие параметры среды:

Температура смеси T=800K

Абсолютное давление p=1.2МПА

Таблица 1 – Характеристики измеряемой среды

Обозначение	Наименование	Единица измерения
T	Температура газовой смеси	К
p	Абсолютное давление	МПа
p1,2,3	Парциальные давления компонентов газовой смеси	МПа
см	Плотность газовой смеси	кг/м3
см	Динамическая вязкость смеси	Па·с
γсм	Показатель адиабаты смеси	1
Zсм	Фактор сжимаемости смеси	1

2. Расчет ТФХ газовой смеси

По данным справочника [6] составляется таблица необходимых физических констант компонентов. Для удобства пользования составленной таблицей и проведения дальнейших расчетов каждому компоненту газовой смеси присвоен свой номер, а сами физические константы компонентов при этом проиндексированы соответствующими номерами.

Таблица 2 - Физические характеристики компонентов газовой смеси

, номер компонента	Компонент газовой смеси	Массовая доля	,
1		0,1	28,013
2		0,2	32,000
3		0,7	44,011

Вычисляется кажущаяся молярная масса газовой смеси по формуле:

После подстановки:

Вычисляются объемные доли компонентов газовой смеси по формуле:

После подстановки:

Проверяется условие (2.2) [1]:

Вычисляются парциальные давления компонентов газовой смеси по формуле 2.3 [1] с точностью до двух знаков после запятой:

После подстановки:

По данным справочника [2] составляются таблицы из близлежащих по температуре и давлению ТФХ компонентов газовой смеси для проведения интерполяции.

Таблица 3 - ТФХ азота при температуре

0,1	1,0004	826	1122	354
1	1,0040	826	1124	354,3

Таблица 4 - ТФХ кислорода при температуре

0,1	1,0003	791	1051	420,1
1	1,0027	791	1052	420,6

Таблица 5 - ТФХ диоксида углерода при температуре

0,1	1,0001	979	1168	348,9
1	1,0009	979	1171	349,9

С помощью интерполяционных формул и по данным из таблиц 3 – 4 вычисляются ТФХ компонентов газовой смеси и сводятся в таблицу 6.

Формула линейной одномерной интерполяции в этом случае примет вид:

где

- значение искомой ТФХ компонента газовой смеси при парциальном давлении ( );

- ближайшее меньшее табличное значение давления;

- ближайшее большее табличное значение давления;

- табличное значение ТФХ при давлении ;

- табличное значение ТФХ при давлении .

Расчет ТФХ для азота:

Вычисляется :

Вычисляется :

Вычисляется :

Вычисляется :

Расчет ТФХ для кислорода:

Вычисляется :

Вычисляется :

Вычисляется :

Вычисляется :

Расчет ТФХ для диоксида углерода:

ТФХ диоксида углерода высчитываются при помощи экстраполяции, так как его парциальное давление ниже табличного.

Формула линейной одномерной экстраполяции в этом случае примет вид:

Вычисляется :

Вычисляется :

Вычисляется :

Вычисляется :

Таблица 6 - ТФХ компонентов газовой смеси при температуре и соответствующих парциальных давлениях

, номер компо- нента	Компо- нент газовой смеси	Парциа- льное давление
1		0,895	1,0036	826	1123,77	354,26
2		0,224	1,00063	791	1051,14	420,17
3		0,081	1,000083	979	1167,94	348,88

Вычисляется фактор сжимаемости газовой смеси по формуле:

После подстановки:

Вычисляется плотность газовой смеси по формуле:

После подстановки:

Вычисляется динамическая вязкость газовой смеси по формуле 2.4 [1], которая в общем случае при = 3 имеет вид:

где

В принятых индексах формула преобразуется в следующий вид:

где

Коэффициенты при этом принимает вид:

……………………………………………………………

После подстановки коэффициенты принимают значения:

Вычисленные значения коэффициентов сведены в таблицу 7.

Таблица 7 - Значения коэффициентов

Индекс
1	2			3
Индекс		1	1		0,98						1,251
		2	1,018		1						1,288
		3	0,784		0,777						1

При рассчитанных коэффициентах и объемных долях вычисляются комплексы , результирующие значения которых приведены в таблице 8.

Таблица 8 – Значения комплексов

1,013	1,033	0,797

В итоге коэффициент динамической вязкости газовой смеси равен:

Вычисляется удельная изохорная теплоемкость газовой смеси по формуле:

Вычисляется удельная изобарная теплоемкость газовой смеси по формуле:

Вычисляется показатель адиабаты газовой смеси по формуле:

В итоге ТФХ измеряемой среды (газовой смеси) равны:

Рассчитывается массовый расход газовой смеси по формуле:

где

– предельное значение числа Рейнольдса;

– число Пи;

– динамическая вязкость газовой смеси,

– диаметр условного прохода трубопровода,

Значение выбирается из ряда , где

– целое (положительное или отрицательное) число или нуль;

– одно из чисел ряда 1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3,2; 4; 5; 6,3; 8.

Значение q_m:

, ;

Табл. 9. Результаты расчетов 2-ой главы

Обоз-ие	Наименование	Данные
	Средняя молярная масса среды	29,842	кг/кмоль
p1	Парциальное давление азота	0,895	МПа
p2	Парциальное давление кислорода	0,224	МПа
p3	Парциальное давление диоксида углерода	0,081	МПа
zсм	Фактор сжимаемости	1,0026
	Плотность газовой смеси	5,369	кг/м3
	Динамический коэф-т вязкости	366,123·10-7	Па·с
r1	Объемная доля азота	0,746
r2	Объемная доля кислорода	0,186
r3	Объемная доля углекислого газа	0,068
	Удельная изобарная теплоемкость	1113,66	Дж/(кг·К)
	Удельная изохорная теплоемкость	834,3	Дж/(кг·К)
γсм	Показатель адиабаты	1,335