Московский Государственный Университет
Путей Сообщения
Кафедра «Теплоэнергетика железнодорожного транспорта»
Курсовая работа
по дисциплине «Теплотехнические измерения»
Выполнил
студент группы ТЭН-312
Москва 2008
Задание
1. Разработать измерительный канал для контроля расхода воды через котёл КВГМ-60(выбрать технические средства измерения, дать их описание).
2. Выполнить расчёт измерительной схемы автоматического моста КСМ-4, работающего в паре с термометром сопротивления ТСМ(50)
Начальная отметка шкалы 100 °С
Конечная отметка шкалы 250 °С
Пояснительная записка:
1. Введение (краткое описание технологической установки с обоснованием выбора параметров измерительного канала для контроля заданной физической величины, принципа и метода их измерения);
2. Глава 1 (Описание преобразователей, расчёт погрешности измерения);
3. Глава 2 (расчёт измерительной схемы автоматического моста КСМ-4);
4. Список использованной литературы.
5. Приложение 1 (чертёж монтажа первичного преобразователя. Формат А4);
6. Приложение 2 (чертёж измерительной схемы автоматического моста КСМ-4. Формат А4).
Введение
Котёл КВГМ-60- котёл водогрейный газомазутный с теплопроизводительностью 60 Гкал/ч, рабочее давление 1,0-2,5 МПа(10-25 кгс/см2), расход воды 471 т/ч, для котлов с теплопроизводительностью 10 Гкал/ч-расход воды равен 123,5 т/ч. В газомазутных котлах топочная камера полностью экранирована. Все экраны выполнены из труб, диаметром 60×3 мм, присоединяемых непосредственно к коллекторам, диаметром 219×10 мм. Для организации движения воды по секциям экранов в коллекторах установлены перегородки. В задней части топочной камеры имеется промежуточная экранированная стенка, которая образует камеру догорания. Трубы топочных экранов размещены с шагом 64 мм, а экраны промежуточной стенки с шагами S1=128 мм и S2=182 мм (установлены в два ряда).
Необходимо обеспечить постоянство расхода воды через котел, так как изменения расхода питательной воды могут вызвать значительные температурные напряжения в металле.
В нашем варианте нужно разработать систему измерения расхода воды через котёл.
По принципу измерений расходомеры классифицируют по следующим основным группам.
1. Расходомеры переменного перепада давления (с сужающими устройствами; с гидравлическими сопротивлениями; центробежные; с напорными устройствами; струйные), преобразующие скоростной напор в перепад давления.
2. Расходомеры обтекания (расходомеры постоянного перепада— ротаметры, поплавковые, поршневые, гидродинамические), преобразующие скоростной напор в перемещение обтекаемого тела
3. Тахометрические расходомеры (турбинные с аксиальной или тангенциальной турбиной; шариковые), преобразующие скорость потока в угловую скорость вращения обтекаемого элемента (лопастей турбинки или шарика).
4. Электромагнитные расходомеры, преобразующие скорость движущейся в магнитном поле проводящей жидкости в ЭДС.
5. Ультразвуковые расходомеры, основанные на эффекте увлечения звуковых колебаний движущейся средой.
6. Инерциальные расходомеры (турбосиловые; кориолисовы; гигроскопический), основанные на инерционном воздействии массы движущейся с линейным или угловым ускорением жидкости.
7. Тепловые расходомеры (калориметрические; термомнемометрические), основанные на эффекте переноса тепла движущейся средой от нагретого тела.
8. Оптические расходомеры, основанные на эффекте увлечения света движущейся средой (Физо-Френели) или рассеяния света движущимися частицами (Доплера).
9. Меточные расходомеры (с тепловыми, ионизационными, магнитными, концентрационными, турбулентными метками), основанные на измерении скорости или состоянии метки при прохождении ее между двумя фиксированными сечениями потока.
Для измерения расхода воды мы используем метод переменного перепада давления и в качестве сужающего устройства выбираем диафрагму.
Измерения расхода воды в соответствии с МИ 1948-88 должны проводиться при соблюдении следующих условий:
1) характер движения потока на прямых участках трубопроводов до и после сужающего устройства должен быть стационарным;
2) измеряемое вещество должно заполнять все поперечное сечение трубопровода перед сужающим устройством и за ним;
3)фазовое состояние потока не должно изменяться при его течении через сужающее устройство;
4)на поверхностях сужающего устройства не должны образовываться отложения, изменяющие его конструктивные параметры и геометрические размеры;
5)температура измеряемой среды от 0 до 50°С, давление до 1 МПа.
Глава 1
1. Выбор диафрагмы.
По способу отбора давления к дифманометру расходомерные диафрагмы делятся на камерные и бескамерные (с точечным отбором). Более совершенными из них являются камерные устройства. Выбираем тип сужающего устройства – камерная диафрагма нормальная, материал – сталь 12Х18H10Т.
/>
Рис.1-1камерная диафрагма
На рис.1-1,показана половина камерной диафрагмы. Внутренний диаметр корпуса диафрагмы равен (с допускаемым отклонением+1%)диаметру трубопровода D20.
В камерной диафрагме давления к дифманометру передаются посредством двух кольцевых уравнительных камер, расположенных в ее корпусе перед и за диском с отверстием, соединенных с полостью трубопровода двумя кольцевыми щелями или группой равномерно расположенных по окружности радиальных отверстий (не менее четырех с каждой стороны диска). Кольцевая камера перед диском называется плюсовой, а за ним—минусовой. Наличие у диафрагмы кольцевых камер позволяет усреднить давление по окружности трубопровода, что обеспечивает более точное измерение перепада давления.
Отбор перепада давления в бескамерной диафрагме производится с помощью двух отдельных отверстий в ее корпусе или во фланцах трубопровода перед и за диском. В этом случае измеряемый перепад давления является менее представительным, чем при кольцевых камерах.
Точность измерения расхода при помощи диафрагм зависит от степени остроты входной кромки отверстия, влияющей на значение коэффициента расхода α. Кромка не должна иметь скруглений, заусенцев и зазубрин. При d20
Допускаемое смещение оси отверстия сужающих устройств относительно оси трубопровода не должно превышать 0,5—1 мм.
Для изготовления проточной части диафрагм и сопл применяются материалы, устойчивые против коррозии и эрозии, т. е. нержавеющая сталь, а в некоторых случаях — латунь или бронза.
На ободе сужающего устройства или на прикрепленной маркировочной пластинке обычно наносятся: обозначение типа устройства и заводской номер; диаметры d20 и D20; стрелка, указывающая направление потока; марка материала; знаки+и—соответственно со стороны входа и выхода потока. Кроме того, к сужающему устройству прилагается выпускной аттестат, в котором указываются:
наименование и расчетные параметры измеряемой среды; величины, полученные при расчете сужающего устройства (m, α, ε, d20и др.); формула, по которой проверялась правильность расчета; основные характеристики сужающего устройства и дифманометра.--PAGE_BREAK--
/>
Рис.1-2.Установка камерной диафрагмы в трубопроводе типа ДК
На рис.1-2,показана камерная диафрагма типа ДК, установленная между фланцами трубопровода на условное давление до10МПа для трубопроводов диаметром50—500мм.
Наиболее простым сужающим устройством является диафрагма, которая может быть выполнена в любой механической мастерской.
Основная погрешность диафрагм и сопл составляет ±:0,6—2,5%. С повышением значения m она увеличивается, а с ростом диаметра трубопровода D20 — уменьшается.
2. Установка дифманометра.
Механические и электрические дифманометры и работающие с ними в комплекте вторичные приборы устанавливаются в местах, не подверженных вибрации и тряске, а также действию высокой или низкой температуры и влажности окружающего воздуха. Влияние температуры не должно вызывать у электрических дифманометров чрезмерный нагрев обмоток.
/>
Рис.1-3.Преобразователь измерительный разности давлений Сапфир-22ДД
В качестве вторичного прибора мы выбираем преобразователь измерительный разности давлений САПФИР-22ДД.
Прибор предназначен для работы в системах контроля, регулирования и управления технологическими процессами путем
непрерывного преобразования разности давления среды в стандартный токовый выходной сигнал с передачей его во вторичную аппаратуру или исполнительные механизмы. Приборы используются для измерения расхода жидкостей, газа, пара, уровня жидкости. Преобразователи «Сапфир-22ДД» могут устанавливаться на объектах атомной энергетики.
/>
Рис. 1-4. Преобразователь Сапфир-22 (а — блок-схема: ИБ — измерительный блок, ВЗУ — встроенное электронное устройство, БПС — блок преобразования сигнала; б — конструкция: 1 — штуцер, 2 — камера, 3 — стальная мембрана, 4 — заполнитель (кремнийорганическая жидкость), 5 — тензопреобразователь, 6 — выводы, 7 — электронное устройство; в — общий вид: 1 — датчик, 2 — электронный блок)
Преобразователь состоит из измерительного блока и электронного устройства.
Измеряемый параметр подается в камеру измерительного блока и линейно преобразуется в деформацию чувствительного элемента и изменение электрического сопротивления тензорезисторов тензопреобразователя, размещенного в измерительном блоке.
Электронное устройство преобразователя преобразует это изменение сопротивления в токовый выходной сигнал.
Чувствительным элементом тензопреобразователя является пластина из монокристаллического сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами (структура КНС), прочно соединяется с металлической мембраной тензопреобразователя. Тензопреобразователь мембранно-рычажного типа размещен внутри основания в замкнутой полости, заполненной кремний-органической жидкостью, и отделен от измеряемой среды металлическими гофрированными мембранами. Мембраны приварены по наружному контуру к основанию и соединены между собой центральным штоком, который связан с концом рычага тензопреобразователя с помощью тяги. Фланцы уплотнены прокладками. Воздействие измеряемой разности давлений вызывает прогиб мембран, изгиб мембраны тензопреобразователя и изменение сопротивления тензорезисторов.
Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из измерительного блока в электронное устройство по проводам через гермоввод. Измерительный блок выдерживает воздействие односторонней перегрузки рабочим избыточным давлением. Это обеспечивается тем, что при перегрузке одна из мембран ложится на профилированную поверхность основания.
Электронный преобразователь (ПЭС) включает в себя:
— преобразователь изменения сопротивления тензомоста в выходной сигнал, выполненный в виде отдельной микросборки ПСТ-М;
— элементы, обеспечивающие работу ПСТ-М в заданных режимах;
— элементы, входящие в схему температурной компенсации и линеаризации выходной характеристики измерительного блока;
— элементы для настройки начального значения выходного токового сигнала и диапазона измерения.
В качестве вторичного прибора мы выбираем прибор ДИСК-250.
Приборы серии ДИСК-250 применяются для измерения, регистрации, сигнализации и регулирования параметров техпроцессов (температуры, давления, уровня, расхода и т. д.) в металлургии, энергетике, химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, пищевой, целлюлозно-бумажной и других отраслях промышленности.
Показывающий и регистрирующий прибор ДИСК-250 предназначен для измерения и регистрации силы (только ДИСК-250) и напряжения постоянного тока, а также неэлектрических величин, преобразованных в указанные сигналы. В основу работы прибора ДИСК-250 положен принцип электромеханического следящего уравновешивания. Входной сигнал от датчика предварительно усиливается и лишь после этого производится уравновешивание его сигналом компенсирующего элемента (реохорда). Затем входной сигнал поступает на усилитель входного сигнала с жесткой отрицательной обратной связью, где сигнал нормализуется по верхнему пределу измерения. Таким образом, с выхода усилителя входного сигнала снимается сигнал, нормализованный по нижнему и верхнему пределам измерений. Сигнал с реохорда, преобразованный усилителем реохорда в напряжение, изменяющееся от плюс 0,5 до плюс 8,5 вольт, сравнивается на входе усилителя небаланса с сигналом усилителя входного сигнала.
Работа прибора происходит следующим образом. При изменении значения измеряемого параметра на входе усилителя небаланса появляется сигнал разбаланса, который усиливается этим усилителем и управляет работой двигателя, который, в свою очередь, перемещает движок реохорда до тех пор, пока сигнал с усилителя реохорда не станет равным (по абсолютной величине) сигналу с усилителя входного сигнала. Таким образом, каждому значению измеряемого параметра соответствует определенное положение движка реохорда и связанного с ним указателя прибора.
Определение погрешности измерения расхода.
При оценке погрешности измерения расхода допускают следующие упрощения:
составляющие погрешности не имеют корреляционной связи и считаются независимыми друг от друга;
закон распределения составляющих погрешностей принимают нормальным (закон Гаусса);
предельную погрешность измерения принимают равной максимальной погрешности однократного измерения при доверительной вероятности 0,95, при этом =2;
составляющей или совокупностью составляющих погрешностей, равных или менее 30% результирующей погрешности, пренебрегают.
Средняя квадратическая относительная погрешность измерения расхода (ф.114), %:
/>
/>— средняя квадратическая относительная погрешность коэффициента расхода;
/>— средняя квадратическая относительная погрешность коэффициента расширения сужающих устройств;
/>— средняя квадратическая относительная погрешность коэффициента коррекции расхода на число Рейнольдса;
/>— средняя квадратическая относительная погрешность дифманометра;
/>— средняя квадратическая относительная погрешность измерения плотности в нормальных условиях;
/>— средняя квадратическая относительная погрешность измерения давления;
/>— средняя квадратическая относительная погрешность измерения температуры;
/>— средняя квадратическая относительная погрешность коэффициента сжимаемости.
Определение средней квадратической относительной погрешности коэффициента расхода для диафрагм с фланцевым способом отбора (ф. 119):
/>
/>
/>= 0,05 ; продолжение
--PAGE_BREAK--
Тогда
/>
/>
/>= 0,15 (п. 8.1.3).
Тогда
/>
Таким образом
/>
Определение средней квадратической относительной погрешности коэффициента расширения сужающих устройств (ф.127):
/>
/>
/>
где />= 0,0005 – половина последнего разряда значения показателя адиабаты;
=1,2937 – показатель адиабаты;
к = 2 – квантильный множитель.
Таким образом
/>
/>
где />— класс точности прибора.
Таким образом
/>
/>
где />— класс точности прибора.
Таким образом
/>
После расчета всех составляющих определим среднюю квадратическую относительную погрешность коэффициента расширения для диафрагм с фланцевым способом отбора:
Коэффициент расширения ε=1, поэтому
/>/>
Определение средней квадратической относительной погрешности коэффициента коррекции расхода на число Рейнольдса (ф.129):
/>
Согласно п.7.2.3. kRe1, значит (1-kRe)0, а следовательно и значение средней квадратической относительной погрешности коэффициента коррекции расхода на число Рейнольдса будет очень мало (0). Поэтому значением этой погрешности можно пренебречь.
Определение средней квадратической относительной погрешности дифманометра (ф.134):
/>
где />— класс точности прибора.
Таким образом
/>
Определение средней квадратической относительной погрешности измерения плотности в нормальных условиях.
Так как значение плотности, используемое в данной курсовой работе – табличное значение, погрешность ее определения будет равна (ф.140):
/>
где />= 0,0005 – половина последнего разряда значения плотности;
=0,633 – значение плотности.
Таким образом
/>
Определение средней квадратической относительной погрешности измерения давления (ф.142):
/>
где />— класс точности прибора.
Таким образом
/>
Определение средней квадратической относительной погрешности измерения температуры (ф.143):
/>
где Nt– диапазон шкалы измерений термометра;
/>— класс точности прибора.
Таким образом
/>
Значением средней квадратической относительной погрешности коэффициента сжимаемости можно пренебречь.
Исходя из вышеизложенных расчетов, определим значение средней квадратической относительной погрешности измерения расхода сухой части влажного газа:
/>
Погрешность вторичного прибора:
/>
Общая погрешность измерения расхода:
/>
Эта погрешность не превышает предела погрешности измерительного канала по техническому заданию. продолжение
--PAGE_BREAK--
Определим массовый расход
/>кг/ч
Таким образом, массовый расход Q = 471 ± 11,93 кг/ч.
Абсолютная погрешность измерения расхода:
/>
Глава 2. Расчет измерительной схемы автоматического моста КСМ-4
Измерительная схема автоматического моста изображена на рисунке
Рис.2-1. Измерительная схема автоматического моста
На рисунке и в расчетных формулах приняты следующие обозначения: R1 — реохорд; R2 — шунт реохорда, служащий для подгонки сопротивления реохорда к стандартному значению RР = 90,100, 300 Ом; RПР — приведённое сопротивление цепи реохорда; R3 и R4 — резисторы для установки начального значения шкалы моста; R 5 и R6 — резисторы для установки верхнего значения шкалы прибора; R 4 и R5 — подгоночные резисторы, R4 = R5 = 4 Ом (расчет схемы выполняется, если движки резисторов R4 и R5 находятся, в среднем положении); R7, R 9, R10 — резисторы мостовой схемы; R8 — резистор для ограничения тока в цепи питания; Rл — резистор для подгонки сопротивления внешней линии; Rt — термометр сопротивления; ~ 6,3в — напряжение источника питания; λ -нерабочие участки реохорда, λ= 0.020...0.035. Мы берём λ=0.025. При трехпроводной схеме подключения термометра сопротивления, изображенной на рисунке, суммарное сопротивление соединительного провода Rcn и подгоночного резистора Rл равно.
/>
где Rвн =15 Ом сопротивление внешнее цепи моста, Ом.
Сила тока I1 , протекающего через термометр сопротивления, должна выбираться по ГОСТ 6651-84 из ряда: 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 2,0; 5,0; 10,0; 15,0; 20,0; 50,0 мА. При этом изменение сопротивления термометра при 0 °С за счет выделяющейся теплоты не должно превышать 0,1%. Сила тока указывается в технических условиях на термометр сопротивления конкретного типа. В технических измерениях обычно используются термометры сопротивления с номинальной статической характеристикой НСХ 50 П, гр 21, 50 М, гр 23, для которых силу тока следует принимать равной 5 или 10 мА.
Мы принимаем силу тока, равную 5 мА.
Для заданных пределов измерения температуры tни tнпо ГОСТ 6651-84 определяем Wtви Wtнпри W100= 1,3910 для платиновых и W100= 1,4280 для медных термометров.
Сопротивления термометра, отвечающие начальной tни конечной tвотметкам шкалы, рассчитываются по формуле
/>(21)
/>
/>
где R— сопротивление термометра при 0 °С, Ом.
Сопротивление резистора R7должно быть таким, чтобы изменение сопротивления термометра при изменении температуры от tндо tввызвало изменение тока I1на.величину, не превышающую 10...20%, т.е.
/>(22)
где Imin и Imax — сила тока в цепи термометра при его сопротивлении, отвечающем соответственно конечной Rtви начальной Rtн. отметкам шкалы моста, мА; η— коэффициент равный 0,8...0,9. Максимальное значение тока Imax, протекающего через ТС, принимаем равным 0.007 А.
/>А
Падение напряжения между точками а и б при сопротивлении термометра, соответствующем начальной и конечной отметкам шкалы моста, равно:
/>(23)(24)
Решение уравнений (22)-(24) позволяет получить формулу для определения сопротивления резистора R7:
/>(25)
Сумма сопротивлений (R3+R4/2) принимается при расчете равной в среднем 5 Ом.
В формуле (25) RПРнеизвестно и, так как сопротивление R7
рассчитывается первым из резисторов мостовой схемы, расчетную формулу упрощают, cчитая
/>(26)
Берём />.
/>Ом
Полученное значение R7обычно округляют до значения, кратного 10 Ом. Чтобы найти значение сопротивления резистора R10, запишем условие равновесия измерительной мостовой схемы в любой точке шкалы;
/>
После преобразования выражения (27) получим
/>
Чтобы изменение сопротивления линии связи при изменениях температуры окружающей среды не влияло на показания прибора, необходимо так подобрать резисторы схемы, чтобы в последнем уравнении члены, содержащие Rлв левой и правой частях, были равны и сократились:
/>(28)
Так как относительная погрешность увеличивается к началу шкалы, целесообразно добиться полной компенсации температурной погрешности при начальном положении движка реохорда ( η= 0).
Тогда
/>Ом (29)
Учитывая, что наибольшей чувствительностью обладают попарно равноплечие мосты, равенство (29) оказывается удовлетворяющим и этому требованию.
Составим уравнения равновесия измерительной схемы моста при двух значениях сопротивления термометра: RtH
/>(30)
и RtВ
[Rtв+Rл+(R3+ R4) + λRПР]R10=[(1-λ) RПР+R7](Rл+R9) (3I)
В результате совместного решения уравнений (30) и (31) получим
RПР=( Rtв— RtH) R10/( R9+ R10+ Rл)(1-2λ) (32)
Для определения сопротивления резистора R9необходимо подставить полученное значение RПРв уравнение (30). После преобразований получим следующее квадратное уравнение: продолжение
--PAGE_BREAK--
/>
/>(33)
Если
(1-2λ) = a
а=(1-2*0,025)=0.95,
/>
B = 0,025(103,5+71,4)+0,95(220+2,5+10)-71,4 = 156.2;
/>
С= (2,5+220)(0,025(103,5+71,4)-0,95*6)-2,5*71,4-220*103,5= -26638.6875;
то
/>
/>Ом (34)
RПР=(103,5-71,4)*220/(104,34+220+2,5)0,95=22.57 Ом.
/>
/>=26,12 Ом (36)
Определим значение тока I0 в цепи источника питания:
/>
Откуда
/>(37)
/>
/>
/>
Зная ток I, можно определить сопротивление резистора R8:
/>(38)
/>=285.745 Ом
Для проверки правильности расчета следует проверить значение коэффициента ηпо формуле
/>(39)
/>
/>Ом
R9 =104.34 Ом ,RПР=22.57 Ом.
/>Ом
R6=26,12 Ом
ЛИТЕРАТУРА
1. Иванов С.Г., Горячкин Н.Б. Теплотехнические измерения и приборы: Методические указания к курсовой работе по дисциплине «Теплотехнические измерения». — М.: МИИТ, 2007. — 44с.
2. Методические указания по оформлению курсовых и дипломных проектов для студентов специальности «Автоматизация теплоэнергетических процессов». — Киев: КПИ, 1982.
3. ГОСТ 24.302-80. Система технической документации на АСУ. Общие требования к выполнении схем.
4. Клюев А.С, Глазов Б.В., Дубровский А.Х. Проектирование систем автоматизации технологических процессов: Справочное пособие. — М.: Энергия, 1980.
5. СТ СЭВ 1178-78. Линии. Основные правила выполнения.
6. ГОСТ 21.404-85. Система проектной документации для строительства. Автоматизация технологических процессов. Обозначения условные приборов и средств автоматизации в схемах.
7. Канарский Б.Д. и др. Автоматические приборы, регуляторы и вычислительные системы. — Д.: Машиностроение, 1976.
8. Глинков Г.М., Маковский В.А., Дотман С.Д. Проектирование систем контроля и автоматического регулирования металлургических процессов: Пособие по курсовому и дипломному проектированию. — М.: Металлургия, 1970.
9. Правила измерения расхода газов и жидкостей стандартными сужающими устройствами РД-50-2/3-80. — М.: Изд-во стандартов, 1982. -318 с.
10. Правила 28-64. Измерения расхода жидкостей, газов и паров стандартными диафрагмами и соплами. — М.: Изд-во стандартов, 1980.20. Отраслевые нормали. Монтаж приборов измерения и средств автоматизации. Т. 3. (Измерительные сужающие устройства). Министерство энергетики и электрификации СССР, 1967.
11. Альбом графиков к правилам 28-64 измерения расхода жидкостей, газов и паров стандартными диафрагмами и соплами. — М.: Изд-во стандартов, 1964.
12. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. -II.: Энергия, 1978.
13. Иванова Г.М., Кузнецов Н.Д., Чистяков B.C. Теплотехнические измерения и приборы. — М.: Энергоатомиздат, 1984. — 232 с.
Приложение
Спецификация к функциональной схеме разработанного измерительного канала.
поз.
Измеряемые параметры среды
Наименование и техническая характеристика
Марка
Кол-во
Примечание
101-1
Расход воды в котле
Диафрагма камерная, давление Ру-6 атм, диаметр Dу=50мм.
ДК6-50-II-а/г-2
1
На трубопро-воде
101-2
Расход воды в котле
дифманометр-расходомер Сапфир 22-ДД
22-ДД
1
По месту
101-3
Расход воды в котле
Прибор регистрирующий диск
250
1
На щите