Учреждение образования

«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Факультет химической технологии и техники

Кафедра АППиЭ

Специальность – автоматизация технологических процессов и производств

Пояснительная записка курсовой работы

по дисциплине «Метрология, методы и приборы технических измерений»

Тема: Разработка устройства измерения расхода воздуха с помощью теплового расходомера

Выполнил:

студент 3 курса группы 4 __________ Н. М. Брель

подпись, дата

Руководитель:

______________________________ __________ А. В. Лапето

должность, ученая степень, ученое звание подпись, дата

Курсовая работа защищена с оценкой __________

Руководитель ____________ А. В. Лапето

Подпись

Минск 2015

Содержание

1. Литературный обзор и описание метода измерения……………………4

2. Расчёт чувствительного элемента датчика…….……………………......14

3. Эквивалентная схема ЧЭ……………...………………………….….…...16

4. Расчёт измерительного преобразователя..………………………..……..17

5. Расчёт нормирующего преобразователя с выходом 0-5 мА…………...19

6. Составление структурной схемы измерительного устройства..…..…...21

7. Выбор АЦП, ЦАП и вторичных приборов……………...………………22

8. Описание динамических свойств измерительного устройства………..28

9. Построение статических характеристик…………………………………29

10. Расчет погрешности измерительного устройств…………………..…….31

Введение

Количество жидкости, газа или пара, проходящее через данное сечение трубопровода в единицу времени, называется расходом этого вещества. В зависимости от того, в каких единицах он измеряется, различают объемный и массовый расходы. Объемный расход измеряется в м³/с (м³/ч и т. д.), а массовый – в кг/с (кг/ч, т/ч и т. д.).

Расход вещества измеряется с помощью расходомеров, представляющих собой средства измерений или измерительные приборы расхода. Многие расходомеры предназначены не только для измерения расхода, но и для измерения массы или объема вещества, проходящего через средство измерения в течение любого, произвольно взятого промежутка времени. В этом случае они называются расходомерами со счетчиками или просто счетчиками. Масса или объем вещества, прошедшего через счетчик, определяется по разности двух последовательных во времени показаний отсчетного устройства или интегратора.

1. Литературный обзор и описание метода измерения

Тепловые расходомеры – это расходомеры, измеряющие зависящий от расхода эффект теплового воздействия на поток или тело, контактирующий с потоком. Тепловые расходомеры используют при измерении расхода газа и, иногда, при измерении расхода жидкости.

Тепловые расходомеры по конструкции отличаются: способом нагрева, расположением нагревателя (снаружи или внутри трубопровода), характером функциональной зависимости между расходом и измеряемым сигналом. Основной способ нагрева – электрический омический. Индуктивный нагрев используется редко. Иногда применяется нагрев с помощью электромагнитного поля и с помощью жидкостного теплоносителя. По способу теплового взаимодействия с потоком тепловые расходомеры можно разделить на калориметрические, термоконвективные и термоанемометрические. При электрическом омическом нагреве у калориметрических расходомеров нагреватель расположен внутри, а у термоконвективных – снаружи трубы. Иногда калориметрическими расходомерами называютотдельные расходомеры с наружным нагревом.

У калориметрических и термоконвективных расходомеров измеряется разность температур газа или жидкости (при постоянной мощности W нагрева) или же мощность W (при постоянной разности температур). У термоанемометров измеряется сопротивление R нагреваемого тела (при постоянной силе тока I) или же сила тока I (при постоянном сопротивлении).

Термоанемометрические расходомеры для вычисления местных скоростей потоков стали применяться первыми, далее - калориметрические расходомеры с внутренним нагревом. Потом стали внедряться термоконвективные расходомеры с наружным расположением нагревателя. Термоконвективные расходомеры разделяются на квазикалориметрические и теплового пограничного слоя. В квазикалориметрических расходомерах вычисляется разность температур потока, или мощность нагрева. В расходомерах теплового пограничного слоя вычисляется разность температур пограничного слоя или мощность нагрева, используются при измерении расхода преимущественно в трубопроводах диаметром 0,5-2,0-100мм. В трубах большого диаметра используются:

• парциальные расходомеры с нагревателем на обводной трубе;

• парциальные расходомеры с тепловым зондом;

• парциальные расходомеры с наружным нагревом ограниченного участка трубы.

Достоинством калориметрических и термоконвективных расходомеров является то, что они измеряют массовый расход при постоянной теплоемкости среды, отсутствие контакта с измеряемой средой. Недостаток термоконвективных расходомеров – большая инерционность. Для повышения быстродействия используют корректирующие схемы и импульсный нагрев. Термоанемометры малоинерционны и используются при измерении местных скоростей. Погрешность термоконвективных расходомеров находится в пределах ±1,5-3%. У калориметрических расходомеров погрешность равна ± 0,3-1%.

Иногда используют тепловые расходомеры с нагревом электромагнитным полем или жидкостным теплоносителем. Достоинство тепловых расходомеров с нагревом электромагнитным полем – относительно низкая инерционность, их применяют для измерения расхода электролитов и диэлектриков, селективно-серых агрессивных жидкостей. Электромагнитное поле образуется с помощью излучателей энергии высокой частоты, сверхвысокой частоты или инфракрасного диапазона. Расходомеры с жидкостным теплоносителем используются для измерения расхода пульп, расхода газожидкостных потоков.

Предел использования термоконвективных расходомеров – 150-200°С, реже – 250°С, при использовании нагрева электромагнитным полем или жидкостным теплоносителем – до 450°С.

Калориметрические расходомеры основаны на зависимости от мощности нагрева среднемассовой разности температур потока. Калориметрический расходомер состоит из нагревателя, расположенного внутри трубопровода, и двух термопреобразователей для измерения температур до и после нагревателя. Термопреобразователи располагаются обычно на равных расстояниях от нагревателя. Распределение температур по обе стороны от источника нагрева будет зависеть от расхода вещества. При отсутствии расхода температурное поле симметрично. При появлении расхода эта симметрия нарушается. При малых скоростях потока температура падает вследствие притока холодного вещества сильнее, чем температура, которая при малых скоростях может даже возрастать. В результате вначале с ростом расхода растет разность температур. Но при достаточном увеличении расхода температура станет постоянной, равной температуре притекающего вещества, в то время как Т2 будет падать.. При этом разность температур будет уменьшаться с увеличением расхода. Рост разности температур при малых значениях расхода почти пропорционален расходу. Затем этот рост замедляется и после достижения максимума начинается падение разности температур по гиперболическому закону. Расположение термопреобразователей влияет на градуировочные кривые. Пропорциональность между разностью температур и расходом наблюдается до скорости потока 0,2 м/с.

Калориметрические расходомеры с внутренним нагревом не получили распространения в промышленности из-за малой надежности работы в эксплуатационных условиях нагревателей и термопреобразователей, располагаемых внутри трубопровода. Они более пригодны для различных исследовательских и экспериментальных работ. Кроме того, целесообразно применять их в качестве образцовых приборов для поверки и градуировки других расходомеров. При этом особенно ценным является то, что они измеряют массовый расход, а сами могут быть проградуированы путем измерения мощности W и разности температур. Оценивая погрешность измерения W значениями ±0,1-0,15% , а измерения разности температур — значениями ±0,1-0,2% , можно в случае поправочного коэффициента обеспечить измерение расхода с относительной приведенной погрешностью ±0,3-0,5%. При необходимости потери тепла в окружающую среду можно оценить с помощью тепломера, измеряющего тепловой поток через стенку.

Термоконвективными называются тепловые расходомеры, у которых нагреватель, и термопреобразователь размещаются снаружи трубопровода, что увеличивает эксплуатационную надежность расходомеров и удобство для применения. Передача тепла от нагревателя к измеряемой среде производится за счет конвекции через стенку трубы.

Разновидности термоконвективных расходомеров:

• квазикалориметрические расходомеры:

o с симметричным расположением термопреобразователей;

o с нагревателем, совмещенным с термопреобразователем;

o с нагревом непосредственно стенки трубы;

o с асимметричным расположением термопреобразователей;

• расходомеры, измеряющие разность температуры пограничного слоя;

• расходомеры особых разновидностей для труб большого диаметра.

Квазикалометрические расходомеры (первая группа) имеют градуировочные характеристики аналогичные калориметрическим расходомерам и две ветви: восходящую и нисходящую, а у расходомеров второй группы — только одну ветвь, так как у них преобразователь начальной температуры изолирован от нагревательного участка трубы. Кроме того, квазикалориметрические расходомеры применяются преимущественно для труб диаметром от 0,5-1,0 мм и выше.

Чем больше диаметр трубы, тем в меньшей степени прогревается центральная часть потока, и прибор все в большей мере измеряет лишь разность температур пограничного слоя, которая зависит от его коэффициента теплоотдачи, а значит, и от скорости потока. При малых диаметрах прогревается весь поток и здесь так же, как и в калориметрических расходомерах, измеряется разность температур потока с той и другой стороны нагревателя.

Тепловые расходомеры, измеряющие разность температур пограничного слоя. Расходомеры пограничного слоя отличаются от ранее рассмотренных тем, что тепло от нагревателя не достигает термопреобразователя, который расположен первым по ходу потока. Для этого первый по ходу потока термопреобразователь достаточно удален от нагревателя, а между ними располагается теплоизолирующая прокладка. Второй термопреобразователь располагается возможно ближе к нагревателю. Благодаря этому полностью отсутствует начальная ветвь градуировочной кривой и кривая имеет монотонный характер. Другой их существенный признак – отсутствие прогрева центральной части потока, так как применяют их для труб с диаметром не менее 50 мм. В результате в них измеряется не разность средних температур потока до и после нагревателя, а разность температур с обеих сторон пограничного слоя.

Расходомеры особых разновидностей трубопроводов большого диаметра. При измерении расхода веществ, имеющих высокую температуру, а также веществ, температура которых может существенно изменяться, следует стабилизировать или вообще исключить потерю тепла в окружающую среду. Этого можно достичь с помощью схемы, отличие схемы заключается в применении дополнительного компенсационного нагревателя, установленного по всей длине измерительного участка. Нагреватель поддерживает заданную разность температур в поперечном сечении теплоизоляции независимо от температуры и расхода измеряемого вещества. Эта разность контролируется дифференциальной термопарой, сигнал которой поступает в автоматический регулятор, управляющий через блок питания током, поступающим в компенсационный нагреватель. Для измерения расхода в трубах большого диаметра служит метод, основанный на применении теплового зонда.

Термопреобразователями служат термопары (точнее, термобатареи) или термометры сопротивления. В микрорасходомерах, где сложно разместить необходимое число спаев термопар, обычно применяют термометры сопротивления (медные и никелевые). В остальных отечественных расходомерах применяют преимущественно термобатареи (медь-константановые и хромель-копелевые) с числом спаев 8-30. Получаемая термо-ЭДС лежит в пределах 1-10мВ. Спаи термобатареи располагают последовательно в местах измерения температур, и таким образом получаемая термо-ЭДС, соответствует разности температур. Спаи должны быть изолированы от стенки трубы и в то же время их температура должна быть как можно ближе к соответствующим температурам стенки. Для изоляции служат синтетические смолы и цемент. Сами же спаи и термоэлектроды должны иметь минимальные размеры, а в эпоксидные компаунды, которые закрепляют спаи на поверхности трубы, рекомендуется добавлять теплопроводные примеси (например, измельченный графит).

Третий элемент конструкции преобразователей термокондуктивных расходомеров – устройство, которое должно максимально уменьшить теплообмен преобразователя с окружающей средой. Это надо как для уменьшения потерь тепла, так и влияния внешних тепловых возмущений. Для этого служат наружный кожух, имеющий теплоизоляционное покрытие, и дополнительная внутренняя труба. Между ними образуется воздушная изоляционная прослойка. Кроме того, эффективно применение внутри кожуха многослойных отражательных экранов из алюминиевой фольги и стеклоленты. При необходимости можно применять дополнительный компенсационный нагреватель, поддерживающий заданную разность температур в поперечном сечении теплоизоляции.

Термоанемометры основаны на зависимости между потерей тепла непрерывно нагреваемого тела и скоростью газа или жидкости, в которых это тело находится. Основное назначение термоанемометров – измерение местной скорости и ее вектора. Они могут служить и для измерения расхода, когда известно соотношение между местной и средней скоростью потока, или когда последняя непосредственно измеряется с помощью термоанемометра. Кроме того, существуют конструкции термоанемометров, специально предназначенных для измерения расхода.

Большинство термоанемометров относится к термокондуктивному типу со стабильной силой тока нагрева или же с постоянным сопротивлением нагреваемого тела. У первых измеряется электрическое сопротивление тела, являющееся функцией скорости потока, а у вторых – сила греющего тока, которая должна возрастать с ростом скорости потока. Кроме того, в одной группе термокондуктивных преобразователей ток нагрева одновременно служит и для измерения, а в другой – нагревающий и измерительные токи разделены. Через один резистор течет ток нагрева, а через другой, получающий тепло от первого, – ток, который необходим для измерения.

К достоинствам термоанемометров относятся большой диапазон измеряемых скоростей, начиная от весьма малых, и высокое быстродействие, позволяющее измерять скорости, изменяющиеся с частотой в несколько тысяч герц. Недостаток термоанемометров с проволочными чувствительными элементами – хрупкость последних и изменение градуировки по причине старения и перекристаллизации материала проволоки вследствие динамических нагрузок и высокой температуры нагрева.

Первичные преобразователи термоанемометров разделяются на проволочные, пленочные и терморезисторные.

Чувствительный элемент проволочного преобразователя – тонкая и обычно короткая проволочка из платины, вольфрама, никеля. Концы проволочки (термонити) приваривают к концам двух манганиновых стерженьков, укрепленных на жестком основании. Наибольшую температуру нагрева проволочки (до 1000°С) допускает платина. Торированный вольфрам может работать до 600°С. Но, во избежание быстрого старения материала, обычно проволочку нагревают только до 400–500°С. При измерении же вещества, имеющего высокую температуру, термонить укрепляют на основании, охлаждаемом проточной водой. Для предохранения термонити от поломки при большой скорости газового потока предложено защищать ее стеклянной оболочкой.

Пленочный преобразователь термоанемометра состоит из круглого стеклянного полого стержня диаметром в несколько миллиметров с клинообразным или конусообразным концом, на которое распылена пленка платины толщиной 50-100А в виде небольшой полоски (1х0,2 мм). Концы полоски соединены с проводами, проходящими внутри стеклянного стержня. Иногда наносится еще вторая пленка большего размера для температурной компенсации. Пленочные преобразователи значительно прочнее проволочных и могут служить для измерения скоростей газа от 1,5 м/с вплоть до 400–500 м/с при температурах до 500°С и скоростей жидкости до 18 м/с при температуре до 60°С. Их инерционность немного больше, чем у проволочных и возрастает с уменьшением скорости. Верхний частотный предел уменьшается от 100 кГц при скорости воздуха 300 м/с до 1 кГц при скорости 1 м/с.

Чувствительным элементом терморезисторного преобразователя служит миниатюрный полупроводниковый терморезистор, обычно в виде шарика или бусинки. Их достоинства – простота конструкции, механическая прочность и высокая чувствительность. Недостаточная стабильность градуировки в значительной степени уменьшена. Применение их в качестве термоанемометров для измерения скоростей жидкостей и газов при очень высокой температуре все более расширяется. Постоянная времени у них несколько больше, чем у проволочных и пленочных термоанемометров, и в зависимости от размера терморезистора составляет 0,5–2,5 с.

Часто преобразователь термоанемометра состоит из двух терморезисторов, один из которых измерительный, а другой – компенсирующий изменение температуры потока.

Кроме того, встречаются термоанемометры, в которых цепь нагрева отделена от цепи измерения. Терморезистор обычно располагается внутри проволочного нагревателя. Возможны разные конструкции: например, нагреватель намотан на трубку, внутри которой находится терморезистор, или же спираль нагревателя с помощью стекла закрепляется на полупроводниковом шарике и затем запаивается в стеклянный капилляр.

Преобразователи термоанемометрических расходомеров. Преобразователь термоанемометрического расходомера отличается от преобразователя обычного термоанемометра тем, что чувствительный элемент (термонить) находится не в какой-то одной точке потока, а более или менее равномерно распределен по всему его сечению. Погрешность прибора – ±2,5%.

Тепловые расходомеры с излучателями. Существенный недостаток рассмотренных калориметрических и термоконвективных расходомеров – их большая инерционность. В связи с этим были разработаны тепловые расходомеры, у которых нагрев потока производится с помощью энергии электромагнитного поля высокой частоты ВЧ (порядка 100 МГц), сверхвысокой частоты СВЧ и инфракрасного диапазона ИК.

В первом случае для нагрева протекающей жидкости снаружи трубопровода устанавливают два электрода, к которым подается напряжение высокой частоты от источника, каким может служить мощный ламповый генератор. Электроды вместе с жидкостью между ними образуют конденсатор. Мощность, выделяемая в виде теплоты в объеме жидкости, находящемся в электрическом поле, пропорциональна его частоте и зависит от диэлектрических свойств жидкости.

Хотя скорость прогрева жидкости в электрическом поле весьма велика, тем не менее достигаемая конечная температура зависит от скорости движения жидкости и уменьшается с увеличением последней. Это позволяет судить о расходе путем измерения степени нагрева жидкости. При очень большой скорости жидкость уже не успевает прогреваться в конденсаторе ограниченных размеров. В случае измерения расхода растворов электролитов, электропроводность которых сильно зависит от температуры, измерение степени нагрева целесообразно осуществлять путем измерения электропроводности жидкости. При этом нагревательный элемент совмещается с чувствительным и достигается наибольшее быстродействие расходомера. В расходомерах применяется метод сравнения электропроводности в трубке, где протекает жидкость, и в аналогичной замкнутой емкости с электродами, где находится такая же жидкость при постоянной температуре. Измерительная схема состоит из высокочастотного генератора, подающего через разделительные конденсаторы напряжение на два колебательных контура. Параллельно одному из них подключен конденсатор с проточной жидкостью, а к другому – конденсатор с неподвижной жидкостью. При изменении расхода последней изменяется падение напряжения на одном из контуров, а, следовательно, и разность напряжений между обоими контурами, которая и измеряется. Эта схема пригодна для электролитов. Если жидкость обладает очень большой электропроводностью, то для измерения степени ее нагрева можно применять обычные термопреобразователи, например, термопары. Но в этом случае быстродействие прибора уменьшится.

Высокочастотный нагрев можно применить и для диэлектрических жидкостей, основываясь на зависимости диэлектрической проницаемости жидкости от температуры.

Тепловые расходомеры с жидкостным или газовым теплоносителем. Для измерения расхода пульп, высокотемпературных сред и различных веществ в потенциально опасных технологических процессах были предложены и нашли применение тепловые расходомеры с жидкостным теплоносителем, обычно водой. При этом в большинстве случаев вода охлаждает, а не нагревает измеряемое вещество.

Вода, расход которой поддерживается постоянным (например, с помощью напорного бака с переливом), проходит через теплообменник, охлаждая измеряемое вещество, протекающее через трубу.

Теплоизоляционный кожух защищает от внешнего теплообмена измерительный участок трубы и теплообменник. На входе и выходе из последнего установлены термопреобразователи, контролирующие разность температур воды, а в начале и в конце измерительного участка – термопреобразователи, контролирующие разность температур измеряемого вещества.

Большую чувствительность можно получить, если применять в качестве термопреобразователей полупроводниковые терморезисторы, включенные в две мостовые схемы, разность напряжений на выходе которых с помощью автоматического компенсатора делается равной нулю. Необходима, хорошая термоизоляция всего преобразователя и достаточная длина участка между теплообменником и термопреобразователем, контролирующим выходную температуру измеряемого вещества, с тем чтобы в зоне его установки была достигнута равномерность температурного поля. Особенно трудно это обеспечить при малых скоростях в ламинарной и переходной областях. Эффективно применение завихрителей потока, а также барботажное перемешивание с помощью воздуха.

По характеру работы рассматриваемые тепловые расходомеры относятся к калориметрической группе.

Вспомогательный теплоноситель в тепловых расходомерах применяется не только в качестве основного источника нагрева или охлаждения измеряемого вещества. Так, не всегда можно обеспечить экспериментальную градуировку теплового расходомера с электрическим нагревом. В этом случае вспомогательный теплоноситель, нагреваемый за счет потери тепла преобразователем расходомера, может обеспечить расчетную градуировку.

Парциальные тепловые расходомеры. Термоконвективные тепловые преобразователи расхода изготовляют обычно лишь для труб малого диаметра. В случае применения этих преобразователей в качестве парциальных они могут служить также и для измерения средних и больших расходов.

Иногда встречаются схемы парциальных термоконвективных расходомеров, где автоматически поддерживается постоянный расход в обводной трубке путем изменения степени открытия регулирующего клапана в основном трубопроводе. В основном трубопроводе между местами присоединения обводной трубки установлен клапан. Самоуравновешивающийся электрический мост, снабженный пневматическим реле на выходе, поддерживает постоянную разность температур в термоконвективном преобразователе, перемещая с помощью пневматического исполнительного механизма клапан так, чтобы перепад на концах обводной трубки, а значит, и расход в ней оставался неизменным. Расход определяют по степени открытия клапана, чтобы избежать малой скорости в обводной трубке и ее засорения.

Тепловые микрорасходомеры. Тепловые расходомеры термоконвективного типа, не имеющие контакта с измеряемым веществом, весьма удобны для измерения малых расходов как жидкостей, так и газов при любом давлении последних. Чтобы иметь развитую начальную восходящую ветвь градуировочной кривой (при постоянной мощности нагрева) чаще применяют симметричное расположение термопреобразователей относительно нагревателя.

Рисунок . Конструкция термоанемометрического расходомера: 1 – датчик температуры нагревательного элемента; 2 – нагревательный элемент; 3 – датчик температуры потока.

Принцип работы термометрического анемометра связан с использованием конвекционного переноса тепла подвижной средой от нагретой поверхности. Чувствительным элементом такого анемометра является нагретая проволока или поверхность, обычно из платины или вольфрама. Подогрев элемента обычно осуществляется постоянным током, проходящим через него с поддержанием постоянной температуры элемента. Иногда можно встретить конструкции с непрямым подогревом измерительной проволоки. Для определения скорости потока в приборе измеряется конвекционный перенос тепла от проволоки, который является функцией от скорости движения среды, омывающей элемент.

Обычно проволока промышленных термоанемометров для измерений в газовых потоках имеет 4–10 мкм в диаметре и длину 1 мм. Другой конструкцией является поверхностный чувствительный элемент с подкладкой из жаростойкого стекла с напылённым покрытием или фольгой из платины.

Уравнение теплового баланса на нагревателе можно записать в виде:

;

I – сила электрического тока, проходящего через нагревательный элемент;

R_w – электрическое сопротивление нагревательного элемента;

h – коэффициент теплообмена нагревательного элемента;

A_w – площадь поверхности нагревателя, омываемая подвижной средой;

ΔT=T₁–T₂ – разница температур нагревателя и среды.

Сопротивление нагревателя R_w зависит от температуры:

;

α – температурный коэффициент электрического сопротивления;

R_c – величина электрического сопротивления при температуре калибровки;

T₁^c – температура калибровки.

Коэффициент теплообмена h является функцией скорости потока V и может быть описан эмпирической зависимостью:

;

a, b, c — постоянные, определяемые при калибровке датчика (c = 0,5).

На основе записанных уравнений можно определить скорость потока, а значит и расхода:

;

К преимуществам термоанемометрического метода измерения относятся высокая чувствительность, высокое быстродействие, простота конструкции. Недостатки: достоверная работа возможна только в чистых потоках с неизменными теплофизическими характеристиками и необходимость очищения элемента от загрязнений.