Разработка расходомера переменного перепада давления(РППД) с соплом Вентури

Обозначения и сокращения 4
Определения (по ГОСТ 15528-86) 6
Введение 8
1 Обзор заданных видов расходомеров. 10
1.1 Классификация и принцип действия допплеровских ультразвуковых расходомеров 10
1.2 Задачи, решаемые с помощью стандартизации и сертификации 17
1.3 Расходомеры переменного перепада давления с сужающими устройствами 19
1.4 Структурная схема расходомера с соплом Вентури 23
1.5 Теплофизические характеристики измеряемой среды 28
2 Расчёт теплофизических характеристик водяного пара 29
3. Расчет диаметра СУ 33
4 Проектирование сужающего устройства. 36
4.1 Описание дифманометра 36
4.2 Выбор материала СУ 43
5 Определение метрологических характеристик 48
5.1 Расчет неопределенности результата измерений 48
5.2 Расчет шкалы расходомера 52
Заключение 54
Список использованных источников 55
Приложения 57

В сильфонных днфманометрах измеряемый перепад давления хотя и воспринимается сильфонами, но обычно лишь в незначительной мере уравновешивается их упругими силами. Основную противодействующую силу создают винтовые пружины. Благодаря этому существенно снижается влияние упругих сил сильфонов на погрешность измерения и упрощается переход на другой предел измерения посредством смены винтовых пружин (сильфонный же узел остается неизменным).Рисунок 4 – Двухсильфонный дифференциальный манометрНа рисунке 4 показано устройство сильфонного блока дифманометров ДСС и ДСП. Сильфоны 6 и 13 приварены к гайкам 7 и 11, ввинченным в перегородку 10, которая сжата болтами между крышками 3 и 15. Давление ру поступает через штуцер 4 и действует на сильфон 6, а давление р, — через штуцер 14 и воздействует на сильфон 13. На конце штока 12, связывающего конусные днища 2 и 20 сильфонов, имеется диск 16 с несколькими винтовыми, пружинами 17. Другие концы последних укреплены на основании 18, связанном шпильками 19 с перегородкой 10. Внутренние полости сильфонов и перегородки заполняются под вакуумом жидкостью (33 % глицерина и 67 % воды) с низкой температурой (—17 °С) замерзания. Изменение перепада давления вызывает частичное перетекание жидкости из одного сильфона в другой, перемещение штока 12 и изменение натяга противодействующих пружин 17. При этом поворачивается рычаг 8, нижний конец которого прижат к диску 23 на штоке 12. Рычаг 8 укреплен (рис. 102) на левом утолщенном конце стержня 9, опирающемся на шариковый подшипник 24. К этому концу приварен левый конец тонкостенной торсионной трубки 25, а ее правый конец — к выходному концу корпуса муфты 26. Поворот рычага 8 вызывает закручивание тонкостенной трубки 25 вокруг ее правого конца и поворот стержня 9 на некоторый угол. Правый конец стержня 9 соединен передаточным механизмом со стрелкой или пером прибора. Торсионная трубка 25 герметически разделяет концы стержня 9. Защита сильфонов 6 и 13 от случайной перегрузки достигается с помощью резиновых кольцевых клапанов 1 и 21, прижимаемых к кольцевым седлам в перегородке 10, и при этом прекращается перетекание жидкости из одного сильфона в другой. При увеличении окружающей температуры часть жидкости через отверстия во внутренней стенке сильфона 6 перетекает в небольшой (три гофра) сильфон 5. днище которого не связано со штоком 12. Этим устраняется влияние температуры на показания прибора. С помощью клапана 22 можно изменять скорость перетекания жидкости из одного рабочего сильфона в другой, а значит, и степень успокоения дифманометра. Внизу полостей, образованных крышками 3 и 15, предусмотрены сливные отверстия, закрываемые пробками.В рассматриваемом дифманометре перепад давления Δр, действующий на эффективную площадь Ра сильфонов, уравновешивается в основном винтовыми пружинами и, кроме того, упругими силами сильфонов и моментом закручивания Л4Т торсионной трубки в соответствии с уравнением:где n и с0 — число винтовых пружин и жесткость каждой из них; s — перемещение сильфонов и пружин; R — радиус рычага торсионной трубки; с — жесткость каждого сильфона.Манометр дифференциальный показывающий ДСП-160-М1Рисуонк 5 – Общий вид дифманометра1. НазначениеДифференциальные манометры (дифманометры) сильфонные предназначены для измерения:а) расхода жидких и газообразных сред по методу переменного перепада давлений в стандартных сужающих устройствах (расходомеры);б) разности давлений жидких и газообразных сред (перепадомеры);в) уровня жидких сред, находящихся под атмосферным, вакуумметрическим или избыточным давлением (уровнемеры).2. Технические характеристики дифманометра ДСП-160М1.Предельно допускаемые рабочие избыточные давления, кгс/см263; 160; 250; 3202.Предельные номинальные перепады давлений, кгс/см20,063; 0,1; 0,16; 0,25; 0,4; 0,63; 1; 1,6; 2,5 – на избыточное давление до 63 и 160 кгс/см20,4; 0,63; 1,6; 2,5; 4; 6,3 – на избыточное давление до 250 и 320 кгс/см23. Классы точности1; 1,54. Верхние пределы измерений: а) дифманометров-расходомеров выбираются из ряда А=а·10n, где а – одно из чисел ряда, n – целое (положительное или отрицательное) число или нуль1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3,2; 4; 5; 6,3; 8б) дифманометров-перепадомеровдолжны соответствовать предельным номинальным перепадам давленияв) дифманометров-уровнемеров выбираются из ряда63; 100; 160; 250; 400; 630; 1000; 1600; 2500; 4000; 6300; 10000; 16000 см0,63; 1; 1,6; 2,5; 4; 6,3; 10; 16; 25; 40; 63; 100; 160 м5. Температура окружающей среды, °С ДСП-160-М1 –40…+70 6. Относительная влажность, %до 807. Изготавливаются поТУ 25-7310.0063-878. Код ОКП42 12539. Габаритные размеры, мм: 195х153х13610. Масса, кг, не более164.2 Выбор материала СУТрубу, кольцевые трубки изготавливают из коррозионностойкого по отношению к воде материала, температурный коэффициент линейного расширения которого известен в рабочем диапазоне температур. Выбранным материалом является сталь марки 12Х18Н10Т, согласно [5]. Для изготовления шпилек, согласно [7], используют сталь марки 45Х14Н14В2М. Для изготовления гаек и шайб используют сталь марки: 12Х18Н10Т.Обоснование размеров СУПрофиль сопла Вентури приведен на рисунке 6. Он состоит из входной торцевой поверхности, перпендикулярной к осевой линии сопла, сужающейся части с закругленным профилем, цилиндрической горловины и диффузора.Рисунок 6 – Геометрический профиль сопла ВентуриВходная торцевая плоскость А ограничена окружностями диаметром 1,5d=390 мми диаметром D .Дуга окружности В касается плоскости А при d < 2 D /3. Радиус R 1равен (0,2 ± 0,006) d при β ≥ 0,5. Центр окружности находится на расстоянии 0,2 d от входного торца и на расстоянии 0,75 d от оси сопла.Дуга окружности С касается дуги окружности В и горловины Е. Ее радиус R 2равен (1/3 ± 0,01 ) d для β ≥ 0,5. Центр окружности расположен на расстоянии 5 d /6 от оси сопла и на расстоянии ап= 0,3041 d от входного торца А.Горловина (рисунок 6) состоит из части Е длиной 0,3 d и части F длиной от 0,4 d до 0,45 d . Значение d рассчитывают в соответствии с ГОСТ 8.586.1 [формула (5.4)]. Горловина должна быть цилиндрической. Значение любого диаметра в любом поперечном сечении горловины сопла не должно отличаться от среднего значения диаметра более чем на 0,05%. Диффузор (рисунок 6) должен быть соединен с частью F горловины без радиусного сопряжения. Заусенцы должны быть сняты. Угол конусности φ (см. рисунок 6) диффузора должен быть не более 30°. Профиль СВ имеет следующие характеристики:– чистота обработки внутренней поверхности сопла Вентури должна удовлетворять условию:R a < 10-4 d .= 10-4·350=0,035 ммПринимаем Ra=0,02 мм.– минимальная длина входного цилиндрического участка равна:0,25D+250=0,25·350=87,5 мм– внутренняя поверхность входного цилиндра может быть не обработана, если ее качество такое же, как качество поверхности входной конической части ;R1 = 0,2D ± 0,006D = 0,2·350 ± 0,006·350 = 70 мм ± 2,1 мм;R2 = 1/3d ± 0,01d = 0,333·260 ± 0,01·260 =86,58мм ± 2,6 мм;R3 = 10d = 10·260 мм = 2600 мм.Сужающаяся коническая часть имеет угол конуса 21° ± 1° (рисунок 3). Эта часть ограничена на входе плоскостью, проходящей через пересечение поверхностей и (или их продолжением), и на выходе – плоскостью пересечения поверхностей и (или их продолжением).Общая длина сужающейся конической части , измеренная параллельно оси ТВ, приблизительно равна:2,7(D-d)=2,7(350-260)=243 ммГорловина цилиндрической формы. На входе горловина ограничена плоскостью, проходящей через пересечение части с горловиной (или их продолжениями), на выходе – плоскостью пересечения горловины с поверхностью диффузора (или их продолжениями). Длина горловины , т.е. расстояние между указанными плоскостями, равна:(1±0,03)d=(1±0,03)260=260±7,8 мм.Значение диаметра горловины рассчитывается по [10] (формула 5.4):D=d20KСУ,d20=d/КСУгде рассчитывается по [10] (формула 5.6): где – температурный коэффициент линейного расширения материала СУ; – рабочая температура, Значение температурного коэффициента линейного расширения для материала: сталь 12Х18Н10Т рассчитывается по формуле Г.1 [10]:где – постоянные коэффициенты, определяемые в соответствии с таблицей Г.1 [10].Для марки стали 12Х18Н10Т значение коэффициентов следующие:Температурный коэффициент линейного расширения материала равен:Коэффициент равен:КСУ=1+1,82·10-5·(300-20)=1,005Тогда значение диаметра СУ при температуре 20ºС равно:d20=298/1,005=258,7 мм.Шероховатость горловины и поверхностей сопряжения равна:Ra=10-4d=10-4258,7=0,026 мм.Диффузор E имеет угол (рисунок 6).Отбор давленияДля ТВ с литой (без обработки) входной конической частью расстояние между осью отверстия для отбора давления, расположенного до ТВ, и плоскостью пересечения поверхностей и (или их продолжениями) согласно 5.4.7 [4] равно:Расстояние между плоскостью пересечения поверхностей и горловины (или их продолжениями) и осью отверстий для отбора давления, расположенных в горловине, равно:(0,05±0,02)d=17,5±0,6мм.Если d больше33,3 мм, то диаметр отверстий для отбора давления должен быть от 4 до 10 мм. При этом диаметр отверстий для отбора давления до трубы Вентури должен быть не более 0,1 D, а в горловине трубы Вентури - не более 0,13 d, как следует из 5.4.2 [4]Диаметр отверстий для отбора давления равен 8 мм.До трубы Вентури и в ее горловине должно быть не менее чем по четыре отверстия для отбора давления. Оси отверстий должны образовывать между собой равные углы и должны быть расположены в плоскости, перпендикулярной к оси трубы Вентури.Площадь свободного сечения кольцевой камеры усреднения или пьезометрического кольца должна быть не менее половины общей площади отверстий отбора.По данным размерам составляется чертеж сужающего устройства.Эскиз СУ приведён в приложении А.5 Определение метрологических характеристик5.1 Расчет неопределенности результата измеренийНеопределенность расхода при измерении массового расхода водяного пара определяется по формуле 10.13 [8]:Гдеu′C– неопределенность коэффициента истечения;u′Кш– неопределенность поправочного коэффициента ;u′Кп– неопределенность поправочного коэффициента ;u′D– неопределенность измерения условного диаметра трубопровода;u′d– неопределенность измерения диаметра горловины СУ;u′ε– неопределенность коэффициента расширения;u′∆p– неопределенность результата измерения перепада давления;u′ρ– неопределенность результата измерения плотности водяного пара при рабочих условиях;Неопределенность коэффициента истечения рассчитывается по [8] (пункт 10.3.1): где – методическая составляющая неопределенности измерения коэффициента истечения СУ; – составляющая неопределенности коэффициента истечения, которая обусловлена сокращением длины прямолинейных участков; – составляющая неопределенности коэффициента истечения, которая обусловлена сокращением длины прямолинейных участков между СУ и гильзой термометра; – составляющая неопределенности смещения оси отверстия СУ относительно ИТ; – составляющая неопределенности определения высоты уступа в месте стыка двух секций ИТ;Методическая составляющая неопределенности измерения коэффициента истечения СУ определяется согласно [4] (пункт 5.7.1):Составляющая неопределенности так как местных сопротивлений перед СУ нет;Составляющая неопределенности по пункту 6.3.5 [8];Составляющая неопределенности так как нет смещения оси отверстия СУ относительно ИТ;Составляющая неопределенности так как трубопровод на расстоянии 2D от СУ не является составным.Таким образом, неопределенность коэффициента истечения СУ равна:Неопределенность поправочного коэффициента для ТВ равна 0%.Неопределенность поправочного коэффициента для ТВ равна 0%.Неопределенность размера при контроле условного диаметра трубопровода определяется в соответствии с [8] (пункт 10.3.2):Неопределенность измерения диаметра горловины СУ определяется в соответствии с [8] (пункт 10.3.2):Относительная стандартная неопределенность коэффициента расширения рассчитывается по формуле 10.18 [8]:Где –составляющая метода, неопределенность коэффициента расширения СУ; – неопределенность результата измерения – неопределенность результата измерения – неопределенность поправочного коэффициента на притупление входной кромки трубы; рассчитывается по [4] (пункт 5.8):где – перепад давления на СУ, – абсолютное давление водяного пара, Случайной составляющей пренебрегаем;Неопределенность коэффициента расширения равна:%.Неопределенность результата измерения перепада давления находится по классу точности дифманометра:Неопределенность результата определения плотности водяного пара в рабочих условиях определяется по показанию прибора АПК-1:После подстановки данных в уравнение неопределенности расхода:Определение класса точности расходомераПредел допускаемой относительной погрешности средства измерения перепада давления определяется по формуле в соответствии с [9]: где – любое целое число; – отвлеченное положительное число, выбираемого из ряда значений :(1; 1,5; 2; 2,5; 4; 5; 6;)Так как неопределенность расхода водяного пара равна %, предел допускаемой погрешности расходомера равен:Класс точности на приборе обозначается в виде 1.5.2 Расчет шкалы расходомераШкала расходомера строится по уравнению номинальной функции преобразования.,согласно 5.1.Предельное значение объемного расхода 0,601 м3/с. С целью упрощения процедуры считывания показаний со шкалы дифманометра, применим коэффициент 10-2 к значениям расхода и укажем его на шкале дифманометра.Угол поворота стрелки задается по часовой стрелке. Максимальный угол поворота 270º.Согласно [7] шкала расходомера неравномерна. Точность показаний гарантируется в пределах от 30 до 100% от qo. Вследствие этого на часть шкалы в интервале от 0º до 81º оцифрованные отметки не наносятся.Па, Где - номинальный перепад давления, Па.ПаВ таблице 5.1 показана зависимость угла поворота стрелки от величины объемного расхода.Таблица 5.1 - Зависимость угла поворота стрелки от величины объемного расхода средыОцифрованные отметки шкалы, м3/с∙10-2∆р, Паα,º60,1250027040,2160026637,8100023734,663022824,340011517,625081000На основании данных таблицы 5.1 составляется чертеж шкалы расходомера. (Приложение Б).ЗаключениеВ процессе курсового проектирования были изучены методы и средства измерения расхода различных сред, в том числе водяного пара ультразвуковым методом (допплеровский преобразователь), а так же изученыосновы измерения расхода по переменному перепаду давления на сужающих устройствах.Помимо этого были рассчитаны теплофизические характеристикиводяного пара; рассчитаны все размеры СУ по ГОСТ 8.586.3-2005 ГСИ. Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств. Часть 3. Сопла и сопла Вентури. Технические требования. Выбран дифференциальный манометр для измерения перепада давления на СУ «сопло Вентури», и материалы деталей сопла и элементов крепежа. Разработан сборочный чертеж и чертеж сопла Вентури. Были определены метрологические характеристики разработанного расходомера.Список использованных источников1. Сабитов А.Ф., Ахметова А. З. Расчеты теплофизических характеристик газов и газовых: Учебное пособие. Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2008.2. В.Н. Зубарев, А.Д. Козлов, В.М. Кузнецов и др. Теплофизические свойства технически важных газов при высоких температурах и давлениях: Справочник – М.: Энергоатомиздат, 1989.3. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник. Л.: Машиностроение, 1989.4. ГОСТ 8.586.3-2005 ГСИ. Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств. Часть 3. Сопла и сопла Вентури. Технические требования.5. ГОСТ 8.563.1-97. Диафрагмы, сопла ИСА 1932 и трубы Вентури, установленные в заполненных трубопроводах круглого сечения. Технические условия.6. ГОСТ 12815-80. Фланцы арматуры, соединительных частей и трубопроводов на Pу от 0,1 до 20,0 МПа (от 1 до 200 кгс/см2). Типы. Присоединительные размеры и размеры присоединительных поверхностей.7. ГОСТ 12816-80. Фланцы арматуры, соединительных частей трубопроводов на Pу от 0,1 до 20,0 МПа (от 1 до 200 кгс/см2). Общие технические требования.8. ГОСТ 8.586.5-2005. Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств.9.Сергеев А.Г.Метрология. Учебное пособие для вузов. – М.:Логос, 2001.10. ГОСТ 8.586.1-2005. Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств. Методика выполнения измерений.11. Кремлевский П.П. Измерение расхода многофазных потоков. – Л.: Машиностроение, 1982.12. ГОСТ 5365-83. Приборы электроизмерительные. Циферблаты и шкалы. Общие технические требования.13. ГОСТ 7.32-2001. Отчет о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления. 14. ГОСТ 16037-80. Соединения сварные стальных трубопроводов. Основные типы, конструктивные элементы и размеры. 15. ГОСТ 5632-72. Стали высоколегированные и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки.ПриложенияПриложение А.Чертёж сужающего устройстваПриложение Б.Чертёж шкалы расходомераПриложение В.Эскиз сужающего устройства в сборе