Разработка расходомера переменного перепада давления (РППД) с диафрагмой

При измерении расхода жидкости широкое распространение получили диафрагмы, благодаря простоте конструкции, удобству монтажа и демонтажа. Стандартные диафрагмы, представляющие собой диск с отверстием, могут быть с угловым или фланцевым способом отбора перепада давления.Диафрагмы выполняются камерными или бескамерными. В бескамерных диафрагмах отбор перепада давления осуществляется через отверстия в трубопроводе или фланцах.Кольцевые камеры предназначаются для осреднения и выравнивания давления по периметру сечения. В результате этого повышается точность измерения. Камеры выполняют в ободах или обоймах диафрагмы. Для труб диаметром более 400 мм камеры выполняются в виде кольцевой трубки, охватывающей трубопровод.Согласно ГОСТ 8.586 – 2005 (ИСО 5167 - 2003) для вывода уравнения расхода и установления размеров сужающих устройств при измерении расходов методом переменного перепада давления требуется вычислить следующие теплофизические характеристики измеряемой среды:ρсм – плотность смеси, кг/м3;ŋсм – динамическая вязкость смеси, ;ᵞсм - показатель адиабаты смеси, б/р.2 Расчёт теплофизических характеристик водыПеречень исходных данных для расчёта:  1.Измеряемая среда - вода  2.Температура среды - 150°С 3.Абсолютное давление в МПа–0,2  4.Класс точности дифманометра - 1,0  5.Предельное значение числа Рейнольдса 100.000  6.Диаметр условного прохода 500 мм. 7. Максимальный массовый расход 1000 т/час.8.Материал и состояние внутренней поверхности трубопровода: сталь новая бесшовная холоднокатаная 12,5 мкм, горячетянутая 6,3 мкм. 9.Способ отбора давлений: трёхрадиусный.10.Способ присоединения к трубопроводу – фланцевый на болтах.11. Расходомер должен иметь класс точности не ниже 2,0.Требуется рассчитать приведенную температуру водыtпр и приведенное давление pпр для определения коэффициента динамической вязкости η. По данным справочника [1 ]:,где t – заданная температура среды, ºC;t=150 ºC.,где р – абсолютное давление воды, МПа. р=0,2МПа.Рассчитываются значения t и p:;.Коэффициент динамической вязкости воды вычисляется по формуле:Определяем показатель адиабаты среды (вода)k по формуле:Для нахождения плотности воды, нужно найти Z – коэффициент сжимаемости, [1]:Вычисляем плотность воды, [1]:;кг/м3.Параметры η, κ, ρ, Z находится при помощи программы MATHCAD.Число Рейнольдса определяется по формуле 3.2 [10]:;где – массовый расход воды, – число Пи; – динамическая вязкость воды, – диаметр условного прохода трубопровода, Отсюда массовый расход определяется выражением:Значение выбирается из стандартного ряда чисел qm =0,02 кг/с.Составим таблицу рассчитанных теплофизических характеристик измеряемой среды (воды):Таблица 2 - Результаты расчетов 2-ой главыОбозна-чениеНаименованиеПолучен-ные данныеЕдиница измеренияTТемпература воды423,15КpАбсолютное давление0,2МПаtпрПриведенная температура перегретого воды0,6531рпрПриведенное давление воды0,0091Плотность воды1,056кг/м3Коэффициент динамической вязкости1,71·10-5Па·сkПоказатель адиабаты8,75813 Расчёт размеров сужающего устройства в виде диафрагмы3.1 Нахождение номинальной функции преобразования РППДВ соответствии с ГОСТ 8.586.1 – 2005 (формула 5.2) зависимость массового расхода от номинального перепада давления ∆p имеет вид:qm = (πd2/4) Кш Кп СE (2ρ∆p)0.5где С – коэффициент истечения воды, Е – коэффициент входа.Номинальный перепад давления на сужающем устройстве ∆pn имеет следующий диапазон измерений в МПа:∆pn = 0.0063;∆pn = 0.01;∆pn = 0.016;∆pn = 0.025;∆pn = 0.04;∆pn = 0.063;∆pn = 0.1;∆pn = 0.16;∆pn = 0.25.Кш – коэффициент шероховатости, Кп – коэффициент притупления и коэффициент скорости входа Е равны:Кш = 1 так как труба новая и гладкая, поэтому шероховатости нет;Кп = 1 так как кромка в ходе работы ещё не притупилась;Е = 1, так как градиент скоростей по сечению трубопровода равномерный.Согласно ГОСТ 8.586.2 – 2005(п.п. 5.3.2) коэффициент истечения С и коэффициент расширения ε равны:При D ≥ 0.07112 м M2 = 0Отсюда получаем формулу для коэффициента истечения:Для воды ε=1.Согласно ГОСТ 8.586.1 – 2005(формула 3.1)число Рейнольдса согласно ГОСТ 8.586.1 – 2005(формула 3.2) равно:ОтсюдаВерхние пределы для расходомеров выбираются из следующего ряда чисел: 1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3,2; 4; 5; 6,3; 8.Полученное значение приводим к формуле: (3.1)Где n – целое число из ряда: 0; ±1; ±2; ±3…=0,741приводим к ближайшему из ряда для верхних пределов и получаем, что =0,8 отсюда следует, что:.Получаем уравнение для массового расхода с двумя неизвестными:Решим это уравнение в программе MathCad (Приложения А-В)По результатам решения этого уравнения получаем:∆pn = 0,0063 Мпа; β = 0,18;∆pn = 0,01 Мпа; β = 0,16;∆pn = 0,016 Мпа; β = 0,14;∆pn = 0,025 Мпа; β = 0,13;∆pn = 0,04 Мпа. β = 0,10.Так как наименьшая потеря давления будет при β = 0,18, то ∆pn = 0,0063 Мпа.Из формулы согласно ГОСТ 8.586.1 – 2005(формула 3.1) получим формулу для расчёта диаметра сужающего устройства при рабочих условиях:После подстановки данных получаем чтоДля расчёта диаметра сужающего устройства при нормальных условиях необходимо определиться с выбором марки стали для диафрагмы с учётом заданной среды.3.2 Выбор марки стали для диафрагмыВ связи с тем, что задана среда водыи нормальная температура смеси 423,15 К, необходимо подобрать сталь, которая используется для сосудов сводой. Выбираемнизколегированнуюсталь повышенной прочности марки 18Г2А ГОСТ19281. Применяется при температурах от -60 до +600 С̊ .Для данной стали по ГОСТ 8.586.1 – 2005 (Приложение Г, формула Г.1) рассчитаем значение температурного коэффициента линейного расширения материала сужающего устройства:Где – постоянные коэффициенты, которые определяются, в соответствии с маркой стали по ГОСТ 8.586.1 – 2005 (таблица Г.1)Для марки стали 18Г2А:После подстановки данных получаем что:По формуле 5.6 из ГОСТ 8.586.1 – 2005:Согласно формуле В.20 из ГОСТ 8.586.1 – 2005 (Приложение В):После подстановки данных получаем:мНеобходимо проверить входит ли данное значение в диапазон согласно ГОСТ 8.586.2(п.5.3.1):Данное условие выполняется, поэтому диаметр сужающего устройства можно считать найденным.Чертёж диафрагмы приведён в приложении С.Трёхрадиусный способ отбора проиллюстрирован на рисунке 3.Рисунок 3 – Трёхрадиусный способ отбора давлений.4 Метрологические характеристики проектируемого РППД4.1 Номинальная функция преобразованияНоминальная функция преобразования для спроектированного РППД выражается через уравнение расхода:4.1.1Граничные функции преобразования и класс точности расходомераВ соответствии с классом точности расходомера равным 1,0 границы номинальной функции преобразования будут отклоняться на ±1,0%.4.1.2 Потеря давленияПотеря давления вычисляется по формуле 8.12 ГОСТ 8.586.2 – 2005:Так как β = 0,18, ∆р = 0,0063 МПа получаем, что потеря давления равна:4.2 Расчёт шкалы расходомераШкала расходомера строится по уравнению номинальной функции преобразования:В программе Mathcadпостроим график зависимости массового расхода от номинального перепада давления (Приложение Б) и определим соответствующие значения массового расхода и номинального перепада давления.Предельное значение шкалы расходомера равно 1000000/3600=158,73 кг/с.Угол поворота стрелки задаётся по часовой стрелке. Максимальный угол поворота равен 270̊.Шкала расходомера неравномерная с гарантированной точностью в пределах от 30 до 100% от , первая треть шкалы не оцифровывается.Угол поворота стрелки равен:В таблице 4.4 показана зависимость угла поворота стрелки от величины массового расхода.Таблица 4.4Оцифрованные отметки шкалы, , α,̊000не оцифрованы99014702250262064306042803520969640051311124520150128507019314456602421606300270На основании данных таблицы 4.4 строится чертеж шкалы расходомера (Приложение В Чертеж шкалы расходомера).ЗаключениеВ настоящее время измерение расхода методом переменного перепада давления является популярной и широко применяемой технологией. Самым распространенным первичным преобразователем расхода является стандартное сужающее устройство - диафрагма. Принцип действия расходомеров РППД основан на измерении расхода среды (жидкости, газа, пара) методом переменного перепада давления.В ходе выполнения курсового проекта был спроектирован расходомер переменного перепада давления с сужающим устройством в виде диафрагмы, с классом точности не хуже заданного и были определены его метрологические характеристики. С учётом рассчитанных теплофизических характеристик воды и номинальной функции преобразования была построена шкала расходомера на основе графика зависимости массового расхода от перепада давления на сужающем устройстве.Список использованных источниковЗубарев В.Н., Козлов А.Д., Кузнецов В.М. и др. теплофизические свойства технически важных газов при высоких температурах и давлениях: Справочник. – М.:Энергоатомиздат, 1989 г.Сабитов А.Ф., Хафизов И.И. Методы и средства измерений, испытаний и контроля. Расчёты теплофизических характеристик реальных газов и газовых смесей при проектировании и эксплуатации средств измерений. Казань: Издательство Казан.гос.техн.унив-та, 2004 г.Кремлёвский П.П. Расходомеры и счётчики количества: Справочник. Л.:Машиностроение. 1989 г.ГОСТ 8.586.1 – 2005. Измерение расхода и количества жидкостей и газов методом переменного перепада давления. Методика выполнения измерений с помощью сужающих устройств.ГОСТ 8.586.2 – 2005.Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью сужающих устройств. Диафрагмы. Технические требования.СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯИЗМЕРЕНИЙ РАСХОДА И ОБЪЕМА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И СЫРЬЕВЫХ РЕСУРСОВ В. А. Фафурин, И. А. Яценко, Р. И. Ганиев, Н. А. Николаев. http://www.teplopunkt.ru/articles/0138_fva_rpp.htmlЖуравлев В.Н., Николаева О.И. Машиностроительные стали. Справочник. Изд. 3-е, перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1981. – 391 сТ10.06.52 2 РР Вода, водяной пар, природный газ.Алгоритмы расчета.ПриложенияПриложение Аβ:=0,18∆p:=6300ε:=1Q=0,741Приложение БПриложениеВПриложение ГЭскиз шкалы