Массовый расходомер воздуха

Министерство образования  и науки РФ

Казанский национальный исследовательский  технический университет 

им. А.Н. Туполева (КАИ)

Кафедра приборов и информационно-измерительных  систем

 

 

 

 

 

Курсовой  проект

по  дисциплине «Измерительные преобразователи  и электроды»

на тему: Массовый расходомер воздуха.

 

 

 

 

Выполнил: студ.гр.3401 ___________(Мингазева Д.А)

Принял: к.т.н., доцент

____________(Маковеев В.М)

 

 

«______»  ______________ 2012

 

 

Казань, 2012 г.

Содержание

Введение………………………………………………………………………….3

1. Обзор научно-технической литературы …………………………………..4
2. Разработка структурной схемы разрабатываемого устройства……….34
3. Разработка функциональной схемы устройства…………………………35
4. Расчет основных элементов и устройств датчика………………………..38
5. Расчет погрешностей массового расходомера…………………………...53
6. Конструктивное исполнение устройства……………………………………..55

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение 

В медицине задача измерения  скорости движения среды или ее расхода  возникает достаточно часто. Так, при диагностике органов дыхания приходится измерять целый ряд параметров: объем вдоха, объем форсированного вдоха, объем выдоха, остаточный объем и т.д. подобная задача возникает и при диагностике сердечно сосудистого тракта, в системах искусственного кровообращения.

Необходимо отметить, что  расход среды (газа, жидкости) – это  величина, которая не поддается в  настоящее время  непосредственному измерению.  Большинство методов его измерения основаны на измерении какого-то параметра движущейся среды, например, скорости. А затем, с помощью известных зависимостей, переходят к расходу.

В медицинских исследованиях  наиболее часто приходится измерять массовый расход среды. В данной курсовой работе будет разработано устройство для измерения массового расхода воздуха.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Обзор научно-технической  литературы

Расходомерами называются такие  приборы, которые измеряют расход вещества, т. е. количество вещества, протекающего по трубопроводу -в единицу времени.

По способам измерения  расходомеры можно разделить  на:

1. расходомеры переменного перепада давления — приборы, принцип действия которых основан на измерении перепада давления на установленном внутри трубопровода сужающем устройстве; этот перепад давления служит мерой расхода протекающего по трубопроводу вещества;
2. расходомеры обтекания — приборы, принцип действия которых основан на восприятии динамического напора протекающего по трубопроводу вещества чувствительным элементом прибора (поплавком, поршнем, гидродинамической трубкой и т. д), помещенным в поток; в результате этот чувствительный элемент перемещается, и величина перемещения служит мерой расхода;
3. расходомеры с непрерывным движением приемных устройств — приборы, чувствительный элемент которых под действием динамических усилий потока совершает вращательное или колебательное движения; скорость движения чувствительного элемента служит мерой расхода;

4) электрические расходомеры — приборы, принцип действия которых основан на измерении изменяющихся в зависимости от расхода электрических параметров системы: измеряемое вещество — чувствительный элемент прибора; величина какого-либо выбранного для измерения электрического параметра служит мерой расхода;

5. тепловые расходомеры — приборы, принцип действия которых основан на измерении служащего мерой расхода количества тепла, отданного каким-либо нагретым элементом потоку вещества;
6. ультразвуковые расходомеры — приборы, принцип действия которых основан на измерении параметров ультразвуковых колебаний, распространяющихся в потоке измеряемого вещества.

 

Рис 1.1 Классификация приборов для измерения расхода жидкости, газа и пара.

 

Требования к расходомерам различаются в зависимости от приоритета решаемых задач. Можно выделить 7 основных характеристик расходомеров и счетчиков:

1. Надежность 

2. Точность измерения 

3. Незначительная погрешность  измерения при изменении плотности  вещества 

4. Быстродействие прибора 

5. Широкий и очень широкий  диапазон изменения 

6. Возможность измерения  расхода в обычных и критических  рабочих условиях 

7. Способность расходомеров (счетчиков) измерять потоки (расходы) различных веществ

К сожалению, приборы не могут  сочетать в себе все вышеперечисленные  требования одновременно. Поэтому при  выборе расходомеров (счетчиков) потребитель  будет исходить из приоритетности требуемых  характеристик к измерению расхода (количества) вещества.

1. Надежность: время, в  течение которого прибор безотказно  работает и показывает изначальную  точность. Это зависит от производителя  и модели (типа) расходомера или  счетчика и от условий его  эксплуатации. Например, ротаметры  финской компании Kytola рассчитаны на срок работы не менее 10 лет. Меньший срок службы у тахометрических счетчиков и расходомеров, так как у них движущийся ротор и высокая зависимость от чистоты измеряемой жидкости и ее смазывающих характеристик. Ряд турбинных расходомеров имеют 6-летний межповерочный период.

2. Точность измерения:  принципиальная характеристика, особенно  при измерении не мгновенного  расхода, а массу или объем  проходящего вещества. Теперь погрешность в пределах 0,2-0,5 % считается нормой, хотя в прошлом погрешность 1,5-2 % была достаточной. 0,2-0,5 %-достаточно малая погрешность, измеряемая лопастными, ролико-лопастными счетчиками жидкостей. В трубопроводах больших диаметров как правило используют расходомеры с сужающими устройствами. Для улучшения точности применяют преобразователи температуры, давления или плотности. От преобразователей сигналы поступают в программные устройства, которые корректируют показания расходомера. Некоторые вихревые, тахометрические, ультразвуковые, электромагнитные расходомеры имеют точность измерения в пределах 0,25-1,0 %, но лишь отдельные расходомеры из них можно применять в трубопроводах с большим диаметром.

3. Незначительная погрешность  измерения при изменении плотности  вещества. Только тепловые (массовые) расходомеры способны относительно  точно давать показания расхода  при варьирующейся плотности  вещества. Для расходомеров других  конструктивных принципов измерения  необходимы устройства корректирующие меняющуюся температуру, плотность, давление измеряемой среды (для измерения расхода газа это принципиальный вопрос).

4. Быстродействие прибора  (динамические показатели) актуально  в устройствах автоматического  регулирования потока (расхода) при  измерении быстро часто меняющихся  расходов. Динамические показатели принято оценивать величиной постоянной времени Т расходомера (это время, за период которого показания резкого перепада расхода от Q₁ до Q₂ меняется на 2/3 от величины (Q₁ -Q₂). Градация быстродействия достаточно велика: от Т, измеряемого сотыми и тысячными секунды у расходомеров турбинных, до Т в десятки сек. у расходомеров тепловых. Для повышения динамических показателей у тепловых расходомеров используют дифференцирующие измерительные схемы. Промежуточное положение занимают расходомеры с СУ. Величина времени Т у них будет падать в зависимости от уменьшения длины соединительных трубок, измерительного объема дифманометра и предельного перепада давлений.

5. Широкий и очень широкий диапазон изменения (Qmax/Qmin).

 Широкий диапазон: у  расходомеров, имеющих линейную характеристику он варьируется от 8 до 20 и более, а у расходомеров с сужающими устройствами с квадратичными характеристиками, диапазон измерения находится в пределах от 3 до 10.

 Очень широкий диапазон  расходов. Разброс параметров расхода  (потока) жидкости измеряется в  диапазоне от 10-2 до 107-108 кг/ч, газов  — в диапазоне от 10-4 до 105-106 кг/ч,  т. е. измеряемые величины отличаются на 10 порядков. Предпочтительнее с точки зрения простоты измерять средние расходы. Труднее всего считывать самые малые и самые большие потоки (расходы).

6. Возможность измерения  расхода в обычных и критических  рабочих условиях при экстремально  низких до -255°С (криогенные жидкости) и экстремально высоких температурах (перегретый пар сверхвысокого давления до +600°С). Такие условия предполагают более жесткие требования к конструкции расходомеров, что в конечном итоге сказывается на стоимости оборудования.

Расходомеры переменного  перепада давления

Расходомерами переменного  перепада давления называются измерительные приборы, принцип действия которых основан на измерении перепада давления, создаваемого при протекании жидкого или газообразного вещества каким-либо сужающим устройством, установленным внутри трубопровода.

При протекании жидкого или  газообразного вещества через сужающее устройство вследствие перехода части  потенциальной энергии давления в кинетическую энергию средняя  скорость потока в суженном сечении  повышается. В результате этого статическое  давление потока после сужающего  устройства становится меньше, чем  перед ним. Разность этих давлений (перепад  давления) зависит от расхода протекающего вещества и может служить мерой расхода.

Комплект расходомера  состоит из установленного в трубопроводе сужающего устройства, соединительных (импульсных) трубок с вспомогательными устройствами (разделительными или уравнительными сосудами, запорной арматурой и т. п.) и, наконец, измерителя перепада давления — дифференциального манометра. Часто дифференциальный манометр имеет преобразователь величины перепада давления в пропорциональную электрическую величину или давление воздуха для дистанционной передачи измерения на вторичный прибор.

При рассмотрении сужающих устройств в настоящей главе  основное внимание уделяется нормальным сужающим устройствам (нормальным диафрагмам, соплам, соплам и трубам Вентури), получившим широкое применение при промышленных измерениях; по сужающим устройствам других типов приводится только область их применения.

Рассматриваемый метод измерения  расхода применим при соблюдении следующих условий измерения:

а)  измеряемое вещество заполняет все поперечное сечение трубопровода;

б)  поток вещества является практически установившимся, т. е. 
скорость потока и давление в одном и том же месте могут лишь 
медленно  изменяться  во времени;

в) фазовое состояние вещества не должно меняться при протекании вещества через сужающее устройство, т. е. жидкость не испаряется, пар остается перегретым, растворенные в жидкости газы не выделяются.

Настоящий метод применим для измерения расхода коллоидальных растворов, когда по степени дисперсности и физическим свойствам эти растворы лишь незначительно отличаются от жидкости, находящейся в одной фазе.

Поплавковые дифманометры.

Принцип действия поплавковых дифманометров поясняется схемой, приведенной на рис.1. 2,а. Два сообщающихся сосуда заливаются какой-либо уравновешивающей жидкостью — водой, маслом или ртутью. В сосуде, к которому подводится большее давление (плюсовый сосуд), размещен поплавок, связанный шарнирно-рычажной передачей с показывающим устройством прибора. Сосуд, к которому подводится меньшее давление, называется минусовым сосудом. Под действием разности давлений затворная жидкость перетекает из плюсового сосуда в минусовый, и по положению уровня, а следовательно, и поплавка можно судить о величине измеряемой разности давлений. Имея величину разности давлений , из уравнений равновесия уравновешивающей жидкости и равенства переместившихся объемов получим:

                                                                                         (1.1)

где - соответственно удельные веса уравновешивающей жидкости и      вещества, находящегося над уравновешивающей жидкостью;

- соответственно площади поперечного сечения плюсового и минусового сосудов.

Из приведенной формулы  видно, что предел измерения поплавкового дифманометра может меняться с изменением соотношения площадей Заводы-изготовители обычно выпускают дифманометры, у которых плюсовый сосуд изготавливается как неизменный конструктивный узел, а минусовые сосуды — сменные.

Поскольку расход и перепад  давления не имеют линейной зависимости, положение поплавка изменяется с изменением расхода также нелинейно.

Кольцевые дифманометры.

Принцип действия кольцевых дифманометров поясняется схемой, приведенной на рис. 1.2,б. Этот прибор представляет собой полое кольцо, заполненное до половины какой-либо затворной жидкостью: водой, маслом, ртутью; в верхней части кольца имеется глухая перегородка. Кольцо опирается на неподвижную подушку призмой и под действием разности давлений может поворачиваться на некоторый угол .