Физические основы получения информации

метки: Давление, Перепад, Разработка, Бакалавр, Измеритель, Расход, Жидкость, Сечение

Расход в общем смысле – количество вещества, протекающее через поперечное сечение в единицу времени. Выделяют объемный и массовый расход.

Объемный расход – объем жидкости или газа, протекающие через поперечное сечение потока в единицу времени:

(1)

В формуле (1):

• объемный расход жидкости или газа, ;
• объем жидкости или газа, проходящий через поперечное сечение потока за время t, ;
• время, за которое жидкость или газа объемом V проходит через поперечное сечение потока, с;
• скорость потока, м/с;
• площадь поперечного сечения потока, ;
• Массовый расход – это масса вещества, прошедшая через некоторую известную площадь поперечного сечения за известный период времени. Единица измерения массового расхода, согласно международной системе СИ – [кг/с].

При расчете массового расхода используется, как правило, величина средней скорости потока – такой скорости прохождения вещества, при которой через заданное сечение проходит тот же расход, что и при действительном распределении скорости.

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 8 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Массовый расход может быть вычислен через плотность вещества, площадь сечения потока и среднюю скорость потока в этом сечении:

(2)

В формуле (2):

• массовый расход, кг/с;
• плотность вещества, ;
• средняя скорость потока, м/с;
• площадь сечения потока, ;

Взаимосвязь объемного и массового расхода определяется соотношением:

(3)

где – объемный расход жидкости или газа, ;

• массовый расход, кг/с;
• плотность вещества, ;
• Все рассмотренные в дальнейшем методы измерения расхода газа опираются на приведенные уравнения.

1.1.2 Метод переменного перепада давления

Наиболее популярным и изученным в науке и технике методом измерения и регистрации расхода газа является метод переменного перепада давлений на сужающем устройстве (диафрагме).

Существует огромное количество видов диафрагм, но обычно, это тонкий металлический диск, установленный в трубопроводе так, чтобы его отверстие было соосно трубке, в котором он располагается. Сужение потока начинается

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 9 Изм. Лист № документа Подпись Дата до диафрагмы, затем из-за воздействия сил инерции поток сужается до минимального сечения, далее постепенно расширяется до полного сечения трубопровода. Перед диафрагмой и за ней образуются зоны с вихревым движением, причем зона вихрей за диафрагмой больше, чем перед ней.

Средства измерения расхода и количества

... расходомера является первичным измерительным преобразователем расхода, в котором в результате сужения сечения потока из­меряемой среды (жидкости, газа, пара) ... расход, различают объемный расход или массовый расход. Объемный расход измеряется в м 3 /с (м3 /ч и т. д.), а массовый — в кг/с (кг/ч, т/ч и т. д.). Расход вещества ... промышленности/ Электромагнитные расходомеры выполняются в виде двух от­де

Рисунок 1.1 – Характер потока и график распределения статического

давления при установке сужающего устройства в трубопроводе

До сечения А-А у стенки проводящей полости и в потоке статическое давление Pa идентично. Вместе с сужением потока между A-A и B-B снижается давление в потоке, поскольку иначе невозможно нарастание скорости потока. При это нарастает и давление у стенок. Разность Δр = р1у – р2у образует перепад давления. На участке от В—В до С—С давление в потоке и у стенки постепенно возрастает до значения Pс, которое во много раз меньше, чем начальное давление Pа. Это вызвано потерями энергии на вихреобразование и удары о диафрагму, причем основная часть потерь происходит в мертвой зоне за диафрагмой. Поток, проходящий на высоких скоростях в сечении В—В, уносит с собой частицы из мертвой зоны, создавая там падение давления. Это явление вызывает движение частиц от

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 10 Изм. Лист № документа Подпись Дата сечения С-С до сечения В-В, в результате чего наблюдается сильное вихреобразование.

Зависимость расхода от перепада давлений определится как:

• объёмный расход (4)
• массовый расход (5)

где:

• объемный расход;
• массовый расход;
• коэффициент расхода;
• площадь отверстия диафрагмы;
• плотность вещества;
• давление до сужающего устройства;
• давление за сужающим устройством.

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 11 Изм. Лист № документа Подпись Дата

1.1.3 Метод постоянного перепада давления

В настоящее время большое распространение среди приборов, основанных на методе постоянного перепада давления, имеют поплавковые ротаметры. Рассмотрим процессы, происходящие в конической трубке ротаметра.

Рисунок 1.2 – Схема ротаметра

На рисунке 1.2 представлена схема поплавкового ротаметра. В ротаметре можно выделить три сечения: 1-1, где начинает сказываться возмущающее действие поплавка на поток; 2-2 – узкое кольцевое сечение потока, где имеется максимальная скорость; 3-3, в котором кончается возмущающее действие поплавка на поток.

На поплавок снизу действуют три силы: разность статических давлений не носовую и кормовую поверхности поплавка, возникающая вследствие перехода части потенциальной энергии в скорость в узком сечении 2-2; эта разность равна , где – площадь наибольшего поперечного

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 12 Изм. Лист № документа Подпись Дата сечения поплавка; динамическое давление потока, определяемое по формуле:

(6)

где – коэффициент сопротивления поплавка; – плотность и характерная скорость потока соответственно; сила трения N потока о поверхность поплавка.

Сумма этих трех сил уравновешивается весом поплавка

(7)

где – объем и плотность материала поплавка.

Из уравнения следует, что

(8)

Если пренебречь силами , то получаем, что .

Это послужило основанием считать ротаметр расходомером постоянного перепада давления. Но это постоянство лишь приближенное, потому что с увеличением расхода возрастают как динамическое давление , так и сила трения . Следовательно, с увеличением расхода перепад давления на поплавке должен уменьшиться, хотя общий перепад на ротаметре с учетом потери в присоединительных штуцерах при этом возрастает. Опыт полностью подтверждает сказанное.

Регулятор давления

... изменением степени открытия дросселирующего органа регулятора, вследствие чего автоматически изменяется гидравлическое сопротивление проходящему потоку газа. гидравлический давление газ 1. Принцип работы Автоматический регулятор давления состоит из исполнительного механизма и ...

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 13 Изм. Лист № документа Подпись Дата

1.2 Устройства регистрации расхода. Расходомеры

Средство измерения – это техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимается истинным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени (РМГ п. 5.2).

Средство измерения или регистрации расхода называют расходомером.

Расходомеры переменного давления

Рисунок 1.3 – Устройство расходомера переменного перепада давления

Наиболее широко применяют расходомеры переменного перепада, измеряющие давление по перепаду, который создается в трубопроводе сужающим устройством, установленным внутри трубопровода.

Самая простая схема измерения расхода по методу переменного перепада давления включает в себя сужающее устройство, установленное в трубопроводе, соединительные трубки, они нужны для отбора давления до и после сужающего устройства и передачи этого давления к U-образному манометру (измеритель перепада давления).

Часто манометр имеет

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 14 Изм. Лист № документа Подпись Дата преобразователь величины перепада давления в пропорциональную электрическую величину или давление воздуха. Перепад давления будет тем больше, чем больше скорость потока, т.е. чем больше расход. Поэтому, перепад давления на сужающем устройстве будет мерой расхода вещества (жидкости, газа или пара), протекающего через трубопровод.\

Расходомер переменного уровня

Рисунок 1.4 – Устройство расходомера переменного уровня

Расходомер переменного уровня – это прибор, в основе работы которого лежит зависимость между расходом жидкости и высотой ее уровня в сосуде, при этом жидкость должна постоянно поступать в сосуд и вытекать через небольшое отверстие (его обычно делают в дне или боковой стенке).

В таких расходомерах сосуд с отверстием истечения и будет преобразователем расходах.

Уровень жидкости в сосуде измеряют прямым или косвенным путем.

Сосуд может быть открытым (если жидкость вытекает из трубы в открытую емкость) или закрытым (если емкость, в которую вытекает жидкость, находится под давлением).

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 15 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Расходомеры могут быть с полностью или частично затопленным отверстием истечения. В первом случае отверстие, как правило, круглое и располагается в дне сосуда, но иногда оно может находиться внизу боковой стенки. Во втором случае отверстие истечения расположено внизу боковой стенки сосуда и имеет форму щели (поэтому их еще могут называть щелевыми расходомерами).

Расходомер постоянного перепада давления

Расходомеры постоянного перепада называются ротаметрами.

Рисунок 1.5 – Устройство расходомера постоянного перепада давления

Принцип действия ротаметров основан на регистрации изменяющегося проходного сечения отверстия для течения изучаемой среды. Существует поплавковые и поршневые ротаметры.

В первых поток вещества, перемещающийся в конусообразной трубе, поднимает поплавок, пока сечение кольцеобразного промежутка между поплавком и стенками трубки не достигает равновесия между силой воздействия вещества и массовой силой поплавка.

Системы обеспечения параметров микроклимата и состава воздуха

... воздуха. Условия производственной деятельности человека во многом зависят от качества воздушной среды, в которой эта деятельность осуществляется. Воздушная среда ... к максимальной при одинаковых температуре и давлении. Движение воздуха в рабочей зоне может быть вызвано ... теплоотдающие поверхности конструктивно объединены в одном устройстве. Рисунок 1. Схема системы центрального водяного отопления ...

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 16 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Ротаметры второго типа состоят из цилиндра с прямоугольным отверстием для течения жидкости или газа и перемещающегося поршня. Под действием вещества поршень перемещается и изменяет проходное сечение отверстия до такого размера, при котором сила, воздействующая на поршень и возникающая вследствие перепада давления до и после отверстия, не уравновесится весом поршня.

Вихревые расходомеры

Рисунок 1.6 – Устройство вихревого расходомера

Вихревыми называются расходомеры, расход которых зависит от частоты колебания давления. Колебания давления возникают в потоке в процессе вихреобразования или колебания струи либо после препятствия определенной формы, установленного в трубопроводе, либо специального закручивания потока.

Кориолисов расходомер

Рисунок 1.7 – Устройство расходомера Кориолиса

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 17 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Расходомеры данного типа являются наиболее редкими, ввиду своей дороговизны. Обычно, такие расходомеры включают в себя трубку, подвергаемую вибрационному воздействию от внешнего источника. Отсутствие среды в трубке приводит к синхронному ускорению колебаниями всех участков трубки. Если же в трубке есть течение, тогда из-за воздействия на нее ускорения, вызванного колебаниями, будет также действовать сила Кориолиса, направленная в различные стороны для входного и выходного потоков среды, что приведет к сдвигу по фазе колебаний трубки. Величина фазового рассогласования будет зависеть от массы среды, прошедшей по трубке в единицу времени.

1.2.1 Метрологическое обеспечение средств измерения расхода

Как и любые средства измерения, расходомеры нуждаются в периодической поверке. Однако данная операция, зачастую, невозможна без демонтажа и вывоза средства измерения. Это обусловлено невозможно создания условий для поверки – необходимо специальное проливочное оборудование и эталонные приборы.

Для каждого типа расходомеров существуют свои стандарты поверки. Некоторые из них:

1. ГОСТ Р 8.675-2009 «Расходомеры электромагнитные. Методики

поверки»

2. ГОСТ 8.407-80 «Расходомеры несжимаемых жидкостей.

Нормируемые метрологические характеристики»

3. ГОСТ 8.156-83 «Счетчики холодной воды. Методы и средства

поверки»

4. ГОСТ 8.122-99 ГСИ. «Ротаметры. Методика поверки»

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 18 Изм. Лист № документа Подпись Дата

1.3 Лабораторный стенд «Расход-Давление»

1.3.1 Назначение

Стенд учебный СИУ-01 «Измерительные преобразователи давления и расхода газа и жидкости в условиях генерации влияющих воздействий» предназначен для проведения лабораторных работ по измерению давления, расхода и других физических эффектов в жидкости и в газах.

Стенд позволяет задавать и определять температуру, давление и расход двух сред (воды и воздуха) различными способами измерений.

Цех по производству асбестоцементных листов

... группы: профилированные листы - волнистые и полуволнистые для кровель и обшивки стен; плоские плиты ... чистоты, насыщенности цвета, цветового рисунка, структурно-текстурных особенностей материала. ... фактический срок службы, эксплуатационные расходы на текущие и капитальные ... охлаждения асбест восстанавливает из воздуха потерянную влагу и прежние ... здоровые условия для жизни, работы и отдыха, а также ...

• Температура измеряется с помощью биметаллического термометра и

терморезистивных преобразователей с вторичными приборами:

измерителями-регуляторами.

• Давление измеряется с помощью манометров и датчиков давления с

вторичными приборами: измерителями-регуляторами.

• Расход жидкости измеряется объемным способом и с помощью

счетчика воды.

• Расход воздуха измеряется с помощью ротаметра, расходомера и

счетчика газа.

Измерительные преобразователи с электрическим выходным сигналом подключаются ко входам устройства сбора данных NI USB-6008, которое через USB-интерфейс связано с персональным компьютером для обработки и хранения полученной информации.

1.3.2 Характеристики и функциональные возможности

Конструкция стенда представлена на рисунках 1-6 приложения А.

Технические характеристики стенда представлены в таблице 2 приложения Б.

Оборудование стенда

Рассмотрим назначение, описание и работу приборов и оборудования, необходимого для проведения работы.

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 19 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Компрессоры

В составе стенда могут работать два разных компрессора: PC1010 и PRESTIGE 6 BEA.

Компрессор РС1010

Назначение

Компрессор РС1010 предназначен для заполнения сжатым воздухом ресивера стенда (рисунок А2, поз.50).

Устройство и работа

Компрессор РС1010 поршневого типа с приводом от электродвигателя.

В состав компрессора входят:

• ресивер объёмом 3,79 л с манометром;
• регулятор давления воздуха на выходе компрессора с манометром;
• кран шаровой с двумя фиксированными положениями ON и OFF для коммутации потока воздуха к потребителю;
• коммутатор включения напряжения питания рычажный с двумя фиксированными положениями ON и OFF.

Устройство и работа

Компрессор поршневого типа с приводом от электродвигателя.

Компрессор работает в автоматическом режиме. Его работой управляет реле давления, которое автоматически отключает компрессор от электрической сети при достижении установленного рабочего давления в системе и автоматически включает его при падении давления.

Ресивер (рисунок А.2, поз 50)

Ресивер предназначен для накопления воздуха и компенсации колебаний давления.

В стенде установлен ресивер VZC фирмы FESTO.

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 20 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Редукционный клапан КР1 (рисунок А.1, поз.20)

Регулятор давления предназначен для регулирования давления воздуха поступающего в пневмосистему из ресивера.

В стенде установлен регулятор фирмы FESTO.

Регулятор давления типа LR-MINI без манометра с диапазоном регулировки давления 0,5…0,7 атм.

Датчик давления воздуха (рисунок А.1, поз 25)

Датчик давления воздуха предназначен для измерения давления воздуха в ресивере (рисунок А2, поз 50).

В стенде установлен датчик фирмы FESTO с методом измерения на основе пьезорезисторного датчика давления.

Дипломная работа организация хранения архивных документов

... на хранение в государственный архивы; Архивные фонды и архивные документы органов государственной власти, учреждений, организаций, предприятий, отнесенных к государственной собственности; Архивные фонды и архивные документы органов, учреждений, организаций предприятий бывших КПСС и ВЛКСМ, принятые на хранение ...

Ротаметр (рисунок А.1, поз.36)

Ротаметр РМ-4-2,5. Характеристики представлены в приложении Б. Ротаметр установлен в связке со счетчиком БЕТАР СГБМ-1.6 и цифровым расходомером FESTO.

Расходомер воздуха (рисунок А.1, поз.34)

Датчик расхода воздуха предназначен для определения количества воздуха, проходящего через измерительный участок системы в единицу времени (сек, час).

В стенде установлен датчик расхода фирмы FESTO с тепловым методом измерения. Для высокоточных измерений малых расходов воздуха (0,05…50 л/мин) используется принцип термоанемометрии, базирующийся на переносе тепловой энергии движущимся потоком воздуха.

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 21 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Счетчик газа БЕТАР (рисунок А.1, поз.32)

Назначение

Счетчик бытовой малогабаритный СГБМ-1,6, изготовленный по техническим условиям ПДЕК.407292.001 ТУ, предназначен для измерения объема газа при учете потребления газа индивидуальными потребителями.

Счетчик СГБМ-1,6 имеет жидкокристаллический индикатор (далее ЖКИ) для указания измеренного объема в кубических метрах и долях кубического метра.

Питание счетчика осуществляется от литиевой батареи. Тип используемой батареи ER14505 SIZEAA 3,6 Vили CR2477 3 V в зависимости от исполнения электронного блока.

Устройство и принцип действия

Принцип действия счетчика основан на изменении пропорционально расходу частоты акустических колебаний газа, проходящего через струйный блок датчика расхода и счете импульсов, вырабатываемых датчиком расхода.

Счетчик состоит из:

•  датчика расхода, находящегося в герметичном корпусе и включающего в себя струйный блок и пневмоэлектропреобразователь;
•  блока электронного, производящего усиление и формирование импульсов счета, и включающего в себя отсчетное устройство;
•  литиевой батареи для питания блока электронного;
•  кожуха.

Счетчик газа СГБМ-1,6 имеет отсчетное устройство в виде ЖКИ, на котором цифры слева до точки показывают объем газа в кубических метрах, а три цифры после точки соответственно в десятых, сотых и тысячных долях кубического метра.

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 22 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Одноканальный измеритель- регулятор ТРМ1 (рисунок А.1, поз.19)

Назначение

Измеритель-регулятор микропроцессорный одноканальный ТРМ1 предназначен совместно с первичным преобразователем (датчиком) для измерения и регулирования температуры и других физических параметров, значение которых входным датчиком может быть преобразовано в сигналы напряжения постоянного то или постоянный ток.

Прибор может быть использован для измерения и регулирования технологических процессов в различных отраслях промышленности, коммунального и сельского хозяйства.

Прибор позволяет осуществить следующие функции:

 Измерение температуры и других физических величин (давления,

влажности, расхода, уровня и т.п.) с помощью стандартных датчиков;

 Отображение текущего измерения на строенном светодиодном

цифровом индикаторе;

 Регулирование измеряемой величины по двухпозиционному

(релейному) закону;

 Формирование выходного тока 4…20 мА для регистрации или

Исследование возможностей диагностирования автомобильных трансмиссий ...

... дополнительной обработки оператором. 1.2 Стенды для диагностики тягово-экономических качеств автомобилей Стенды тяговых качеств (СТК) служат для комплексного диагностирования автомобиля по таким основным показателям его ... составляющими погрешности измерения являются погрешности датчика и блока преобразования, существенного выигрыша в точности измерения получить не удается. При измерении параметров ...

управления исполнительными элементами по П-закону.

Параметры работы прибора задаются пользователем и сохраняются при отключении питания в энергонезависимой памяти прибора.

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 23 Изм. Лист № документа Подпись Дата Преобразователь избыточного давления измерительный ПД100-ДИ

Назначение

Преобразователь предназначен для непрерывного преобразования значения избыточного давления газов и некристаллизующихся (не затвердевающих) жидкостей в унифицированный электрический сигнал постоянного тока 4…20 мА.

Область применения преобразователей – системы контроля, автоматического регулирования и учета в различных отраслях промышленности и жилищно-коммунальном хозяйстве (ЖКХ).

Рабочая среда для преобразователя – жидкости (техническая вода, масла, дизельное топливо, мазут), пар, газы, парогазовые и газовые смеси при давлении, не превышающем верхний предел измерения преобразователя.

Технические характеристики приборов, установленных на стенде, представлены в таблице 3 приложения Б.

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 24 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Выводы по разделу

В ходе проведения аналитического обзора литературы выяснено следующее:

1. Существует большое количество различных способов измерения расхода газа, но не всех из них получили широкое распространение ввиду некоторых причин;

2. Наиболее популярными и легко реализуемыми методами на сегодняшний день являются метод переменного и постоянного перепада давления;

3. Для метода переменного перепада давления необходимо два датчика давления, соединенных с входом и выходом сужающего устройства. Снимая разность давлений до диафрагмы и после можно в дальнейшем с высокой точностью рассчитать расход;

4. Для метода постоянного перепада давления необходим ротаметр. Здесь величина расхода будет прямо-пропорциональна высоте подъема поплавка;

5. Измерение расхода на сужающем устройстве возможно автоматизировать, когда как измерения на ротаметре не автоматизируемы по своей сути;

6. На стенде присутствует все необходимое для проведения экспериментов оборудование

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 25 Изм. Лист № документа Подпись Дата

2 КОМПОНОВКА УЧЕБНЫХ И ОБРАЗЦОВЫХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

СТЕНДА ДЛЯ ОЦЕНКИ ТОЧНОСТИ И ВЫЯВЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ

ВЛИЯЮЩИХ ВЕЛИЧИН

2.1 Подготовка стенда к работе

2.1.1 Компоновка ученых и образцовых средств

Прежде, чем приступить к проведению эксперимента на учебном стенде, необходимо грамотно скомпоновать приборы, исходя из задач предстоящего опыта.

Для проведения эксперимента по измерению расхода газа, необходимо сформировать соответствующий тракт, состоящий из трубок, по которым будет течь газ, вентилей, регулирующих количество проходящего по тракту газа, учебных и образцовых средств регистрации расхода пройденного по тракту газа.

В качестве проводящих трубок используем трубки FESTO PUN-H-16×2.5

Рисунок 2.1 – Соединяющая трубка

Данные трубки могут эксплуатироваться в диапазоне температур от

до . При этом рабочее давление зависит от температуры. Зависимость рабочего давления от температуры представлена на рисунке 2.2.

Оценка погрешностей результатов измерений

... по обеспечению единства измерений. Количество факторов, влияющих на точность измерения, достаточно велико, и любая классификация погрешностей измерения в известной мере условна, так как различные погрешности в зависимости от условий измерительного процесса проявляются ...

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 26 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Рисунок 2.2 – Рабочее давление p как функция температуры

Присоединение трубок к вентилям тракта осуществляется штуцером СК с накидной гайкой, представленным на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 – Штуцер с накидной гайкой

Для измерения расхода газа в тракт установлены два сужающих устройства с диаметрами отверстий 1мм и 2мм соответственно. Полные характеристики диафрагм сужающих устройств представлены в приложении А.

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 27 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Рисунок 2.4 – Сужающие устройства

Разность давлений на сужающем устройстве в случае метода переменного перепада определяется при помощи манометров ТМ5 и измеритель регулятора ТРМ1. Здесь, в качестве образцового средства выступает ТМ5, поскольку он имеет более высокий класс точности (КТ 0,25; 0,5) в сравнении с ТРМ1 (КТ 2,5).

Устройства подключаются при помощи пневматических трубок.

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 28 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Рисунок 2.5 – Манометры, используемые для регистрации расхода на

диафрагме

В случае метода постоянного перепада давления, используется ротаметр РМ-4-2,5, также подключенный при помощи пневматических трубок.

Рисунок 2.6 – Ротаметр РМ-4-2,5

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 29 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Рисунок 2.7 – Расходомер FESTO Цифровой расходомер подключается последовательно к выходу ротаметра и входу счетчика СГБМ-1,6.

Рисунок 2.8 – Счетчик СГБМ-1,6 Здесь образцовым средством измерения является цифровой датчик с классом точности 0,5.

Приборы скомпонованы согласно пневмогидравлической схеме, представленной в приложении В.

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 30 Изм. Лист № документа Подпись Дата

2.1.2 Первичная настройка и опробование автоматизированного стенда

Прежде, чем приступить к проведению экспериментов на стенде, необходимо провести настройку приборов и опробование. Настройка и опробование включают в себя следующее:

1. Ознакомление с техникой безопасности перед работой со

стендом

2. Внешний осмотр соединений

3. Внешний осмотр приборов

4. Включение автоматизированного стенда

5. Пробная подача газа

Общие требования безопасности

Питание электрической части стенда осуществляется от общей сети напряжением переменного тока 220В/50Гц. Поэтому при работе со стендом следует ознакомиться с общими положениями ГОСТ Р12.1.019-2009 «Система стандартов безопасности труда (ССБТ).

Электробезопасность. Общие требования и номенклатура видов защиты».

В составе стенда имеется электрически нагреватель. Во время работы с нагревателем запрещается касаться пластиковых емкостей и трубок гидравлической системы стенда, металлических и стеклянных частей сужающих устройств, корпуса счетчика. При необходимости открывания вентилей обернуть головку вентиля тканью.

Запрещается нарушать механические и электрические соединения, как во время эксплуатации, так и при отключении стенда от питания. Запрещается нарушать герметичность пневматических соединений стенда, разливать воду по столу. Не допускать попадание воды на электрическую часть стенда.

Тема работы. Подбор фонтанной арматуры для скважины с высоким ...

... Пашков Е.Н. (Подпись) (Дата) (Ф.И.О.) ЗАДАНИЕ на выполнение выпускной квалификационной работы Бакалаврской работы Студенту: Группа ФИО 4е21 Харабаров Борис Андреевич Тема работы: Подбор фонтанной арматуры для скважины ... монтажа и обвязки устьевого оборудования. В данной дипломной работе будет рассмотрена тема надобности установки фонтанной арматуры, при добыче нефти с высоким содержанием примесей, ...

Запрещается самовольное устранение неисправностей стенда.

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 31 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Перемещение, включение стенда осуществляется только с разрешения преподавателя. Категорически запрещается работать на неисправном стенде.

Внешний осмотр соединений

Перед работой со стендом необходимо провести визуальный осмотр механических, электрических и пневматических соединений стенда.

При осмотре механических соединений, следует обратить внимание на состояние болтов и гаек, используемых для крепежа приборов. Проверить надежность крепления коллекторов воздушного и водного трактов. Проверить надежность соединения лицевой части стенда к стойкам, проверить крепления стола и устойчивость стенда. Особое внимание уделить состоянию крепежей водяного бака и ресивера.

При осмотре электрических соединений обратит внимание на состояние заземления и изоляции стенда. Убедиться, что питающие провода не имеют повреждений, потертостей, сдавленных мест.

Осмотр пневматических соединений стенда включает в себя проверку герметичности шлангов, трубок, коллекторов. Убедиться, что соединения не имеют зазоров, отсутствуют механические повреждения частей, проводящих газ или жидкость, особенно состояния герметичности бака и ресивера. Проверить состояние кранов и клапанов путем поочередного открывания и закрывания. Не допускать попадания воды в воздушный тракт.

Внешний осмотр приборов

При внешнем осмотре приборов необходимо проверить:

• состояние лакокрасочного покрытия;
• четкость изображения надписей на маркировочной табличке, а

также цифр на циферблате и роликов отсчетного устройства

• проверить наличие стрелки для стрелочных приборов

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 32 Изм. Лист № документа Подпись Дата

• проверить наличие пятен, сколов, трещин, потенциально

препятствующих считываю показаний

• проверить наличие поплавка в ротаметре, проверить целостность

колбы

• проверить целостность сужающих устройств
• для цифровых приборов проверить состояние кнопок и дисплея
• проверить состояние тумблеров и переключателей на блоке питания

и блоке управления

Обо всех замеченных неисправностях, препятствующих работе стенда, немедленно сообщить преподавателю.

Включение автоматизированного стенда

Включение автоматизированного стенда осуществляется только после ознакомления с общими требованиями безопасности, внешнем осмотре соединений и приборов и только при разрешении преподавателя.

Включения стенда производится переключением тумблера на блок питания в положение «ВКЛ» и подачей питания на стенд тумблеров «Подать питание» на блоке управления. Если при включении стенда ощущается запах плавящейся проводки, слышен треск или видны искры, следует немедленно отключить стенд кнопкой «Аварийное отключение», расположенной на блок управления, сообщить о случившемся преподавателю.

Пробная подача газа

Прежде, чем приступить к выполнению экспериментов, необходимо произвести пробную подачу газа в тракт. Для этого требуется:

• включить компрессор
• переключить тумблер «подача воздуха в ресивер» в положение

«вкл»

• накачать 3-4 атмосферы в ресивер, следя за уровнем по приборам

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 33 Изм. Лист № документа Подпись Дата

• выключить подачу воздуха
• убедиться в герметичности соединений, проверить, нет ли утечек
• пустить газ поочередно через сужающие устройства, при этом

проверить, реагируют ли измерительные приборы

• в случае исправности соединений и приборов, опустошить

ресивер ручкой регулировки давления

Только по завершении описанных операций стенд можно считать пригодным к эксплуатации. Если хотя бы один из пунктов не соответствует требованиям безопасности, работы на стенде проводить запрещается.

2.2 Сопряжение учебного стенда с персональным компьютером

2.2.1 Общие характристики

В качестве устройства сопряжения стенда и персонального компьютера используется устройство сбора данных (УСД) NI USB-6008.

Рисунок 2.9 – USB-6008. Вид сверху

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 34 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Рисунок 2.10 – USB-6008. Вид сзади

УСД NI USB-6008 присоединяется к компьютеру посредством интерфейса full-speed USB и содержит восемь каналов ввода аналоговых сигналов (AI), два канала генерации аналоговых сигналов (AO), 12 каналов цифрового ввода/вывода (DIO) и 32-разрядный счетчик.

Одной из важнейших особенностей любой микросхемы, определяющей ее функциональные возможности и особенности применения, является способ выполнения выходного каскада. Выходные каскады, использующиеся в УСБ NI USB-6008 представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Наименование режимов работы управления выходным цифровым сигналом Режим работы Терминология NI-DAQmx Open-drain Открытый коллектор (Open collector) Push-pull Активное управление

2.2.2 Аппаратная часть

Блок-схема устройства сбора данных представлена на рисунке 2.11.

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 35 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Рисунок 2.11 – Блок-схема устройства

Терминалы аналоговых сигналов используются для сбора показаний со стенда в период его эксплуатации. Снятие сигналов осуществляется с одноканальных измерителей-регуляторов ТРМ-1, цифрового счетчика СГБМ 1.6, цифрового анемометра FESTO.

Описание терминалов ввода и вывода аналоговых сигналов представлено в таблицах 5-6 приложения А.

Сигналы, которые могут быть подключены к терминалам ввода/вывода представлены в таблице 7 приложения А.

2.2.3 Аналоговый ввод

Аналоговые сигналы подаются на вход USB-6008 через соединительную панель. Схема подключения описана в таблице 7.

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 36 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Подключение сигналов в дифференциальной схеме

При дифференциальном подключении присоедините провод с положительным напряжением к терминалу AI+, а с отрицательным – к AI–.

Рисунок 2.13 – Подключение сигналов в дифференциальной схеме

При дифференциальном подключении возможно измерение сигналов с размахом ±20В в диапазоне ±20В. Однако максимальное напряжение на любом из контактов не должно превышать ±10В относительно GND.

2.2.4 Подключение приборов к УСД

Подключение используемых в процессе работы стенда датчиков производится в соответствии с электрической схемой, представленной в приложении А.

Присоединение измерителей-регуляторов осуществляется дифференциальным способом, представленным на рисунке 2.14.

Рисунок 2.14 – Подключение датчиков ТРМ1

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 37 Изм. Лист № документа Подпись Дата

2.3 Оценка точности и определение основных влияющих величин

2.3.1 Погрешность методов и средств измерения расхода газа

Метод переменного перепада давления

Как было сказано ранее, метод переменного перепада является одним из самых распространенных методов измерения расхода.

Процесс измерения расхода описывается уравнением:

(9)

где – коэффициент расширения, учитывающий увеличение удельного объема для газа;

• площадь сужающего отверстия;
• плотность;
• перепад, создаваемый сужающим устройством;
• коэффициент скорости входа, учитывающий влияние начальной скорости потока на образование коэффициента расхода ;
• плотность при стандартных условиях;
• абсолютное давление;
• температура;
• К – коэффициент сжимаемости;
• С – коэффициент истечения, представляющий собой отношение действительного расхода к теоретическому.

Произведение называют коэффициентом расхода.

Согласно [4] и [5], погрешность измерения расхода зависит от погрешностей определения коэффициента истечения, коэффициента расширения, измерения перепада давлений, плотности, средств измерения температуры и абсолютного давления. Согласно [5], погрешность коэффициента истечения при нулевых значениях погрешности определения абсолютного давления, диаметра и коэффициента шероховатости составляет:

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 38 Изм. Лист № документа Подпись Дата

где – относительный диаметр сужающего устройства.

Согласно [6] при использовании уравнения Риддера-Харриса/Галлахера погрешность коэффициента истечения значительно ниже.

Погрешность определения коэффициента расширения напрямую зависит от отношения измеряемого перепада давлений к значению абсолютного давления и согласно [4] выражается:

(10)

Таким образом, может быть выражена общая погрешность измерения расхода газа:

(11)

В выражении (11):

• погрешность вычисления;
• погрешность коэффициента истечения;
• погрешность поправочного коэффициента на шероховатость;
• погрешность поправочного коэффициента на притупление входной кромки;
• погрешность измерения внутреннего диаметра измерительного трубопровода;
• погрешность измерения диаметра диафрагмы;
• погрешность коэффициента расширения;
• погрешность измерения перепада давлений;
• погрешность измерения абсолютного давления;
• погрешность измерения температуры;
• погрешность определения коэффициента сжимаемости газа;

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 39 Изм. Лист № документа Подпись Дата

• погрешность определения плотности газа;
• Оценим погрешность метода переменного перепада давления для диафрагм в случае измерения образцовыми и учебными средствами измерения.

Для диафрагмы с диаметром входного отверстия 1мм:

В случае измерения образцовым манометром ТМ5:

;

;

• определяется классом точности термометра БТ5;
• определяются классом точности манометра ТМ5;
• относительный диаметр сужающего устройства;
• , поскольку выполнено условие ;
• Остальные параметра определяются геометрией сужающего устройства и не доступны для измерения.

Таким образом, общая погрешность метода измерения определится:

В случае измерения измерителем-регулятором ТРМ1:

;

;

;

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 40 Изм. Лист № документа Подпись Дата

;

;

Определим общую погрешность метода для диафрагмы с диаметром входного отверстия 2мм:

При использовании образцового манометра ТМ5:

;

;

;

;

;

При использовании измерителя-регулятор ТРМ1:

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 41 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Полученные данные сведем в таблицу.

Таблица 2.2 – Неисключенная систематическая составляющая погрешности при измерении методом переменного перепада давления

Основная относительная погрешность ,%

Диаметр

входного

отверстия, мм Средство измерения

ТМ5 ТРМ1

1 1,10 1,96

2 1,12 1,99

Видим, что наименьшая погрешность достигается при измерении на сужающем устройстве с меньшим диаметром входного отверстия с использованием образцовых средств.

Метод постоянного перепада давления Согласно теории ротаметров, расход через кольцевой зазор можно определить по формуле:

(12)

Где – коэффициент расхода ротаметра;

• площадь сечения кольцевого зазора. Согласно [7], средняя квадратичная относительная погрешность измерения расхода определяется выражением:

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 42 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Здесь – погрешность определения угла уклона конуса;

• погрешность высоты подъема поплавка;
• погрешность определения коэффициента сопротивления поплавка;
• погрешность определения объема поплавка;
• погрешность плотности поплавка;
• погрешность плотности рабочего газа;
• безразмерная величина, устанавливающая подобие

отношений гидравлического диаметра к диаметру поплавка;

• погрешность диаметра поплавка;
• Определим погрешность измерения расхода ротаметром РМ-4-2,5 ГУЗ.

;

• согласно [8];

;

;

(13)

Здесь величины:

• мм – ¾ рабочего диапазона ротаметра;
• угол раскрытия конуса ротаметра;
• диаметр поплавка;

Тогда общая погрешность метода определится:

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 43 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Определим погрешность счетчика БЕТАР СГБМ-1,6:

Для этого воспользуемся формулой (3), приведя к следующему виду:

(14)

Здесь составляющие общей относительной погрешности, зависящие от геометрии внутреннего измерительного узла и состава газа принимаем равными нулю.

Тогда:

1% – согласно классу точности прибора

• согласно классу точности термометра БТ5;

Оценим погрешность метода постоянного перепада давлений при измерении расхода газа счетчиком БЕТАР СГБМ-1,6 и расходомером FESTO:

• согласно паспорту на прибор.

Таблица 2.3 – Неисключенная систематическая составляющая погрешности при измерении методом постоянного перепада давления

Основная относительная

Средство измерения погрешность , %

РМ-4-2,5 ГУЗ 2,42 БЕТАР СГБМ-1,6 FESTO 0,5

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 44 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Погрешность электрической части стенда

Оценим абсолютные погрешности, вносимые устройством сбора данных NI USB-6008. Согласно [9] заполним таблицы 2.4-2.5

Таблица 2.4 – Абсолютная точность во всем диапазоне, схема с общим проводом Диапазон, В Типичное значение при Максимальное

нормальных условиях значение во всем

(мВ) рабочем диапазоне

температур (мВ) ±10 14,7 138

Таблица 2.5 – Абсолютная погрешность во всем диапазоне, дифференциальная схема

Диапазон, В Типичное значение при Максимальное

нормальных условиях значение во всем

(мВ) рабочем диапазоне

температур (мВ) ±20 14,7 138 ±10 7,73 84,8 ±5 4,28 58,4 ±4 3,59 53,1 ±2,5 2,56 45,1 ±2 2,21 42,5 ±1,25 1,70 38,9 ±1 1,53 37,5

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 45 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Выводы по разделу

В ходе компоновки стенда был собран тракт для прохождения газа. Он включает в себя последовательные и параллельные подключения приборов с помощью блоков коллекторов, вентилей, клапанов и пневмогидравлических трубок. Данный тракт пригоден для проведения измерительного эксперимента по регистрации расхода газа двум заявленными методами.

Внешний осмотр используемых приборов и агрегатов не выявил неисправностей, в следствие чего они признаются пригодными к эксплуатации.

Также была осуществлена сборка электрической части стенда, а именно подключение цифровых устройства к аналоговым входам устройства сбора данных дифференциальным методом.

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 46 Изм. Лист № документа Подпись Дата

3 РАЗРАБОТКА ВИРТУАЛЬНОГО ПРИБОРА

3.1 Среда разработки LabView

3.1.1 Общие сведения

Labview – среда графического программирования, которую используют, как правило, специалисты в различных областях науки и техники, инженеры для быстрого создания программ и макросов, решающих задачи автоматизации, тестирования, управления.

Приложения, созданные в LabView называют виртуальными приборами. По внешним и функциональным признакам и характеристикам они, как правило, похожи на свои реальные прототипы, именно поэтому и получили свое название.

Среда разработки Labview содержит обширный инструментарий, подходящий для решения разного рода задач. Здесь есть инструменты для сбора и обработки данных с АЦП, анализа, хранения, а также средства отладки.

Написание программ начинается с разработки интерфейса – лицевой панели виртуального прибора. Возможно добавление кнопок, переключателей, ручек, шкал, регуляторов, полей ввода, таблиц и иных необходимых средств. После создания лицевой панели, приступают к созданию блок-диаграммы – аналог кода в языках программирования.

Мощный графический язык позволяет увеличить полезность и качество выполняемых работ. Создание даже самых сложных программ в среде Labview занимает на порядок меньше времени, чем классических языках программирования.

Измерительная система среды имеет высокую гибкость, в сравнении с лабораторными приборами. Созданные виртуальные приборы можно менять, улучшать, модернизировать, при этом точность показаний и работы не будет уступать своим натурным аналогам.

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 47

Изм. Лист № документа Подпись Дата

3.2 Разработка программного продукта в среде Labview

3.2.1 Вкладка «Общие положения»

Рисунок 3.1 – Начальная инициализация

Начальная инициализация представляет собой открытую последовательность, имеющую возможностью передачи данных между кадрами без вспомогательных переменных и возможностью вывода данных из любого кадра структуры и содержащую в себе переменные типа string и enumeration. Данная структура позволяет запретить использования функционала вкладок до активации знака подтверждения.

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 48

Изм. Лист № документа Подпись Дата

Рисунок 3.2 – Подпрограмма обработки нажатия знака подтверждения

Подпрограмма на рисунке 3.6 заключена в event-структуру, ожидает наступления заданных событий на лицевой панели и производит их обработку, тем самым открывая доступ к функционалу вкладок только при активированном знаке подтверждения.

Рисунок 3.3 – Подпрограмма завершения работы

Подпрограмма завершения работы представляет собой case-структуру. При активации используется встроенная функция Labview для выключения программы.

3.2.2 Вкладка «Внешний осмотр и герметичность»

Рисунок 3.4 – Вкладка «Внешний осмотр и герметичность»

Вкладка представляет собой использованную ранее event-структуру с несколькими событиями. Каждое событие – локальная переменная в формате string. Невыполнение хотя бы одного события из списка приведет к блокировке последующих пунктов работы.

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 49 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Для корректного продолжения студенту необходимо подтвердить отсутствие перечисленных неисправностей приборов и соединений. При нахождении неисправности, дать краткое описание в соответствующее поле.

3.2.3 Вкладка «Калибровка»

Рисунок 3.5 – Подпрограмма снятия показаний датчиков

В данном разделе предлагается произвести калибровку виртуального прибора. Для этого необходимо снять сигналы с цифровых датчиков при нескольких значениях входного давления, после чего программа автоматически определит вид зависимости и найдет коэффициенты полинома, линеаризующего данную зависимость.

Реализована подпрограмма case структурой. Модуль DAQ Assistant отвечает за сбор данных с АЦП и их передачу в таблицу измерения.

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 50 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Рисунок 3.6 – Подпрограмма обработки данных

После получения необходимого количества точек, предлагается построить график, необходимый для определения вида зависимости показаний давления входного датчика от напряжения и дальнейшего расчета коэффициентов полинома. Полученные коэффициенты используются далее во всей работе.

Для очистки таблицы реализована соответствующая подпрограмма.

Рисунок 3.7 – Подпрограмма очистки таблицы

3.2.4 Вкладка «Метод переменного перепада давлений»

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 51 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Рисунок 3.8 – Подпрограмма снятия, обработки и вывода данных

Подпрограмма снятия обработки и вывода данных является одной из основополагающих. Она представляет собой case-структуру, к которой подведены начальные (или нулевые) значения с датчиков.

Основа программы – модуль DAQ Assistant, осуществляющий «диалог» с платой NI-6008, рассмотренной ранее. После снятия единиц напряжения с выходов датчиков, осуществляется данных усреднение и пересчет в единицы давления с использованием коэффициентов K и B уравнения прямой. Далее рассчитанные данные записываются в ячейки сформированного массива, которые, в свою очередь, собираются в таблицу измерений. Также происходит расчет разности давления и величины расхода газа на сужающем устройстве. Для регистрации давлений в первом и втором коллекторах используются соответствующие индикаторы, представленные динамически изменяющимися переменными.

После снятия величин давления и их разности, происходит расчет остальных величин:

1. Коэффициент расхода

2. Расход газа на сужающем устройстве

3. Числа Рейнольдса

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 52 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Все рассчитанные данные также добавляются в общую таблицу измерений.

Для работы с таблицей используются переменные «Очистить таблицу» и «Начать измерение». Метод, реализующий функции, представлен далее.

Рисунок 3.9 – Подпрограмма работы с таблицей

Подпрограмма работы с таблицей реализована event-структурой. Для очистки таблицы создается локальная переменная таблицы измерений, к которой подведена пара нулей. При вызове метода очистки, производится присвоение каждому значению в таблице измерений нулевого значения.

Метод «Начать измерение» осуществляет запуск подпрограммы путем активации модуля DAQ-Assistant.

Реализован метод расчета относительной погрешности результата измерения расхода газа.

Рисунок 3.10 – Подпрограмма расчета относительной погрешности

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 53 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Подпрограмма расчета относительной погрешности измерений реализована двумя массивами с ручным заполнением. Первый массив – данные с учебного измерительного прибора, взятые из таблицы. Второй массив – массив показаний образцового средства, данные с которого снимаются студентом в процессе эксперимента. Массивы соединяются в общую таблицу для последующего расчета.

3.2.5 Вкладка «Метод постоянного перепада давлений»

Рисунок 3.11 – Подпрограмма работы с ротаметром

Подпрограмма реализована while и event структурами и работает следующим образом. Создается массив, все элементы которого по умолчанию равны нулю. Далее ссылка на массив отправляется в event структуру, где происходит заполнение массива показаниями ротаметра. Event структура ждет события – нажатие кнопки «Записать» или «Очистить» для соответствующей операции.

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 54 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Рисунок 3.12 – Подпрограмма работы с ротаметром. Очистка таблица

показаний

Помимо использования ротаметра, предлагается произвести измерения расхода газа с помощью цифрового термоанемометрического датчика расхода, подпрограмма работы с которым реализована следующим образом.

Рисунок 3.13 – Подпрограмма работы с цифровым датчиком

Реализация представляет собой event структуру внутри цикла while. По нажатию кнопки происходит считывание данных с модуля DAQ Assistant, а также калибровка снятых значений и запись в таблицу измерений.

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 55 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Рисунок 3.14 – Подпрограмма градуировки ротаметра

После снятия данных с цифрового датчика, предлагается произвести градуировку показаний ротаметра, а также определение относительной погрешности его показаний. Для этого необходимо заполнить соответствующую таблицу (см. листинг).

Таблица заполняется вручную. Градуировка ротаметра производится по показаниям счетчика БЕТАР СГБМ-1,6. Показания обоих приборов вносятся в соответствующие столбцы таблицы, после чего происходит расчет градуированных значение и относительной погрешности.

Реализована подпрограмма для исследования динамических характеристик.

Рисунок 3.15 – Подпрограмма исследования динамических характеристик

Здесь с модуля DAQ Assistant данные в режиме реального времени поступают на встроенный блок Waveform, где происходит их обработка и визуализация в виде графика.

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 56 Изм. Лист № документа Подпись Дата

3.2.6 Вкладка «Графики»

Рисунок 3.16 – Подпрограмма построения графиков

Подпрограмма предназначена для построения графиков по данным, полученным в результате экспериментов. Подпрограмма реализована event и while структурой и работает следующим образом. Event структура получает ссылки на все данные, рассчитанные в ходе работы, ожидает соответствующее событие, и далее, при совершении события, строит соответствующий график и выводит его на лицевую панель.

3.2.7 Вкладка «Протокол»

Реализована подпрограмма автоматического составления протокола исследования

Рисунок 3.17 – Подпрограмма автогенерации протокола исследования

Подпрограмма реализована кадровой последовательностью внутри event структура. Структура ждет команду создания отчета, после чего

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 57 Изм. Лист № документа Подпись Дата инициализируется и создается файл, куда будут записаны результаты работы, а также фиксируется дату и время работы, номер академической группы и фамилии выполнявших. Далее, подпрограмма покадрово проходит через все вкладки и собирает информацию для записи в файл. После процедуры генерации возвращается адрес и название файла, куда производилась запись.

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 58 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Выводы по разделу

Разработанное программное обеспечение было проверено на стенде путем проведения измерительного эксперимента. Результаты тестов оказались удовлетворительными и достоверными.

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 59 Изм. Лист № документа Подпись Дата

4 СРЕДА ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ FLOWWORKS

4.1 SolidWorks Flow Simulation

4.1.1 Общие сведения

Flow simulation – программное обеспечение, полностью интегрированное в SolidWorks для расчёта жидкостных и газовых потоков внутри и снаружи модели SolidWorks, а также рассчитывающее теплопередачу от, к и между этими моделями конвекцией, излучением и теплопроводностью с помощью технологий вычислительной гидргазодинамики (CFD).

Flow simulation моделирует движение потока, на основе решения уравнения Навье-стокса, которое являет интерпретацией законов сохранения массы, импульса и энергии для потока жидкости. Под жидкостью здесь понимается и газ и жидкость, в виду отсутствия в русском языке аналога слову fluid. Уравнения дополнены выражениями состояния жидкости, которые определяют природу жидкости и эмпирическими зависимостями плотности, вязкости и теплопроводности жидкости от температуры. Несжимаемые неньютоновские жидкости рассматриваются по зависимости их динамической вязкости от скорости деформации сдвига и температуры, а сжимаемые жидкости рассматриваются по зависимости их плотности от давления. Ещё одна часть уравнений отвечает за геометрию потока, граничные и начальные условия. Законы сохранения массы, импульса и энергии для потока жидкости в декартовой системе координат, которая вращается с угловой скоростью Ω вокруг оси, проходящей через начало системы координат можно записать следующим образом:

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 60 Изм. Лист № документа Подпись Дата

где u – скорость газа;

• плотность газа;
• внешние массовые силы, действующие на единицу массы текущей среды.

Помимо использования программы для моделирования как средства исследования важной составляющей является метод исследования. Метод сопутствует научному познанию на всех этапах его продвижения вперёд и представляет собой предписание по последовательности познавательных операций, соответствующих предмету и цели научного поиска и позволяет с высокой вероятностью получить достоверную информацию касательно изучаемого объекта. Метод или субметод, которым руководствуются при моделировании, в значительной степени определяется теми средствами, которыми пользуется исследователь.

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 61 Изм. Лист № документа Подпись Дата

4.1.2 Метод конечных элементов

Основная идея МКЭ заключается в разделении рассчитываемой системы на отдельные части – конечные элементы (КЭ).

Объединение КЭ между собой в узлах приводит к разрешающей системе уравнений. Наибольшее распространение получил вариант МКЭ, в котором за неизвестные принимаются перемещения узлов (общее название для линейных и угловых перемещений – степень свободы).

Матрица коэффициентов уравнений составляется простым суммированием матриц жесткости конечных элементов. Такой подход реализуется независимо от того, из каких КЭ состоит система: стержневых, пластинчатых, объемных. Разбиение на конечные элементы будет происходить при помощи построение сетки в области расчетов следующим образом.

Рисунок 4.1 – Пример разбиения расчетной области

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 62 Изм. Лист № документа Подпись Дата

4.2 Моделирование в среде SolidWorks Flow Simulation

На данном этапе была создана твердотельная модель трубки ротаметра с поплавком

В среде SolidWorks построение сложной модели осуществляется в 2 этапа.

На первом этапе были созданы отдельные элементы проточной части, такие как соединители, трубопровод, трубка ротаметра. Построение осуществлялось в полном соответствии с чертежами, представленными в Приложении В.

Результаты моделирования представлены на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2 – Элементы проточной части

На втором этапе отдельные модели были объединены в сборку (между ними были выставлены условия сопряжения, каждый из объектов жестко закреплен с остальными).

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 63 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Созданная сборка представлена на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3 – Готовая модель проточной части расходомера

4.2.1 Препроцессинг

Препроцессинг – это этап подготовки, задание начальных и граничных условий, а также задание необходимых констант для исследования, анализа модели.

В программе SolidWorks препроцессинг осуществляется в несколько этапов:

1) Выбор единиц измерения. В качестве системы единиц измерения выбрана система СИ.

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 64 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Рисунок 4.4 – Выбор системы единиц измерения

2) Выбор типа задачи. Т.к. в нашем случае происходит исследования проточной части, то выбираем тип задачи «Внутренняя».

Рисунок 4.5 – Выбор типа задачи

3) Выбор текучей среды. Исследуемый расходомер предназначен для работы с газообразной и жидкой средой, поэтому в качестве текучей среды выбираем газ.

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 65 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Рисунок 4.6 – Выбор текучей среды

4) Выбор материалов. Для трубки ротаметра – «Кварцевое стекло», для соединительных элементов – «Сталь», для поплавка – «Эбонит».

Рисунок 4.7 – Выбор материалов

5) Начальные условия. В качестве начальных условий выбираем давление 105 Па и температура 20ºС.

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 66 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Рисунок 4.8 – Задание начальных условий

6) Граничные условия. Это известные нам данные и параметры, которые нам известны заранее.

Рисунок 4.9 – Задание граничных условий

7) Цели. На данном этапе выбираем величину, которая должна быть рассчитана средой Flow Simulation. В нашем случае это «Полное давление» и «Скорость».

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 67 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Рисунок 4.10 – Задание цели

8) Сетка. В программе SolidWorks для выполнения расчетов необходимо построить сетку для разбиения на конечные элементы.

Построение базовой сетки осуществляется автоматически без возможности последующей корректировки. Предусмотрены инструменты управления плотностью сетки, но назначить переменную плотность в зависимости от направления невозможно.

Изменение порядка конечных элементов в зонах значительного градиента плотности энергии деформирования осуществляется с помощью адаптивной сетки.

Рисунок 4.11 – Панель настройки сетки

Варьировать размер сетки можно передвижением ползунка, цифра под ним показывает, насколько мелкая сетка будет использована, чем больше сетка, тем меньше размер ячейки.

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 68 Изм. Лист № документа Подпись Дата

В ручном режиме настройки размера ячеек можно задавать минимальную толщину стенки, задавать минимальный зазор. Данные параметры можно связать с размером ячейки в зависимости от его значения.

4.2.2 Постпроцессинг

Постпроцессинг – это вывод результатов расчета в удобном для пользователя представлении. Можно наглядно увидеть результаты, получить их в виде таблицы, графиков.

Контроль сходимости процесса выполнялся по двум параметрам:, полное давление и скорость потока.

Результаты вычисления приведены на рисунке 4.12.

Рисунок 4.12 – Результаты

Также, с помощью полученных результатов можно нагляндо отследить физические особенности процесса при разных положениях поплавка.

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 69 Изм. Лист № документа Подпись Дата

a)

б)

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 70 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Рисунок 4.13 – Поля давлений (а) и скоростей (б) в начале трубки

а)

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 71 Изм. Лист № документа Подпись Дата

б)

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 72 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Рисунок 4.14 – Поля давлений (а) и скоростей (б) в середине трубки

а)

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 73 Изм. Лист № документа Подпись Дата

б)

Рисунок 4.15 – Поля давлений (а) и скоростей (б) в конце трубки

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 74 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Полученные модели полей давлений и скоростей для различных состояний поплавка ротаметра используются качестве наглядного примера при составлении учебно-методического пособия.

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 75 Изм. Лист № документа Подпись Дата

4.2 Анализ полученных моделей

Проанализируем полученные модели. Рассмотрим условия гидродинамического равновесия поплавка:

(16)

где – давление,

• эффективная площадь поплавка,
• масса поплавка.

В процессе исследования возникла проблема с отысканием величины эффективной площади сечения – это является полновесной темой для научного исследования и не является целью выпускной квалификационной работы, поэтому в качестве эффективной площади взято максимальной сечение поплавка.

Для анализа результатов, построим таблицу исследования.

Таблица 4.1 – Результаты исследования

P1 P2 Q Sэфф Q\S L P

600 490 20 110

700 615 25 85

800 725 30 75

900 835 35 65

1500 1440 40 60

2000 1950 45 50

2200 2160 0,4 0,015 26,66667 50 40

2800 2760 55 40

3000 2980 60 20

3500 3490 65 10

4000 3990 70 10

4500 4490 75 10

5000 4990 80 10

Здесь введены следующие обозначения:

• P2 – давление в некотором отступе над поплавком, Па;
• P2 – давление в некотором отступе под поплавком, Па;

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 76 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Q – масса поплавка, кг;

• Sэфф – эффективная площадь сечения, м;
• L – высота подъема поплавка в метках шкалы ротаметра;
• P – разность давлений.

Давление, Па Цвет

2980

2985

2990

2995

3000

Рисунок 4.16– Распределение давлений для середины трубки

Рисунок 4.17 – Статическое равновесие поплавка

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 77 Изм. Лист № документа Подпись Дата

На графике можно определить точку статического равновесия поплавка – P=26,6 Па, L = 58. Можно сделать вывод о том, что статическое равновесия поплавка достигается примерно в середине трубки, что соответствует экспериментальным данным, а значит результаты расчета в среде FlowSimulation можно считать достоверными.

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 78 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Выводы по разделу

Разработанные визуальные модели полей давлений и скоростей в трубке ротаметра признаны удовлетворительными и достоверными и будут использованы как наглядные примеры при составлении учебно методического пособия.

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 79 Изм. Лист № документа Подпись Дата

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Все поставленные цели и задачи, а именно: изучение функциональных возможностей стенда, изучения методов и средств регистрации расхода газа, изучение физики этого процесса, а также разработка программы и получение визуальных картин течения газа в трубке ротаметра выполнены успешно.

Как результат – правильно работающая программа, в которой учитываются желания студента получить простой и наглядный материал, легкий для усвоения и не требующий каких-либо усилий для обработки. Со стороны преподавателя – исключение недопониманий при составлении протоколов и сдачи отчетов.

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 80 Изм. Лист № документа Подпись Дата

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/diplomnaya/razrabotka-izmeritelya-perepada-davleniyabakalavra/

1. Кремлевский, П.П. Расходомеры и счетчики количества веществ / П.П. Кремлевский. – Л.: Машиностроение, 1989

2. Селиванов, М.Н. Качество измерений. Метрологическая справочная

книга / М.Н. Селиванов, А.Э. Фридман, Ж.Ф. Кудряшов – Л.: Лениздат,

1987.

3. Сутулов, А.Н. Стенд учебный СИУ-01. Измерительные

преобразователи давления и расхода газа и жидкости в условиях генерации

влияющих воздействий / А.Н. Сутулов – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2011.

4. Лепявко, А. П. Расходомеры и счетчики жидкости и газа. Поверка и

калибровка. Учебное пособие/ А. П. Лепявко – М: АСМС, 2005 – 99 с.

5. ГОСТ 8.563.1-97. Измерение расхода и количества жидкостей и газов

методом переменного перепада давления. Диафрагмы, сопла ИСА 1932 и

трубы Вентури, установленные в заполненных трубопроводах круглого

сечения. М.: ИПК Издательство стандартов, 1997.

6. ГОСТ 8.586.1-5–2005 Измерение расхода и количества жидкостей и

газов с помощью стандартных сужающих устройств. М.: ИПК Издательство

стандартов, 2007.

7. МУ44-75 Методические указания по пересчету градуировочных

характеристик расходомеров постоянного перепада давления. М.: ИПК

Издательство стандартов, 1975.

8. Гост 267-73 Резина. Методы определения плотности. М.: ИПК

Издательство стандартов, 1973

9. USB-6008/6009 – National Instruments. –

ftp://ftp.ni.com/pub/branches/russia/daq/ni_usb_6008_6009.pdf .

10. LabView – http://www.labview.ru/

11. Кочевский, А. Н. Возможности моделирования течений жидкости и

газа с помощью современных программных продуктов, 2005/ А. Н.

Кочевский – Сума: Издательство СумГУ, 2005. – 36

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 81 Изм. Лист № документа Подпись Дата

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Рисунок А.1 – Стенд. Вид спереди

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 82 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Продолжение приложения А

Рисунок А.2 – Стенд. Вид сзади

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 83 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Продолжение приложения А

Рисунок А.3 – Вид на сливной коллектор на баке

Рисунок А.4 – Панель управления

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 84 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Продолжение приложения А

Рисунок А.5 – Блок коллекторов

ВН1 ВН1

1 2

Рисунок А.6 – Измерительные коллекторы

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 85 Изм. Лист № документа Подпись Дата

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Таблица Б.1 – Технические характеристики стенда «СИУ-01 ИПДРТ»

Характеристика Значение

Давление подводимого газа, мПа 0,8-1,0

Напряжения питания, В 220

Потребляемая мощность, не более, 2,0

кВт

Габаритные размеры, не более, мм 2100*1010*640

Масса, не более, кг 80

Ёмкость ресивера, л 6

Таблица Б.2 – Технические характеристики приборов стенда

Прибор Характеристика Значение

Напряжение питания, В 220

Максимальное давление, бар 8

Компрессор РС1010 Время набора до максимума, 128

с

Вес, кг 9,09

Напряжение питания, В 220

Максимальное давление, атм 8 Компрессор PRESTIGE 6 Производительность, л/мин 160 BEA Объем ресивера, л 6

Время заполнения ресивера, 30

с

Верхний предел измерения, 2,5

м3/ч

Допускаемая основная

РМ-4-2,5

погрешность от верхнего 1,5%

предела, %

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 86 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Продолжение приложения Б Продолжение таблицы Б.2

Прибор Характеристика Значение

Рабочая температура, -10 — +50 ;

Влажность, не более при +35 95

,%

Атмосферное давление, кПа 84-106,7

Наибольшее рабочее давление, 5

Счетчик кПа газа БЕТАР Диапазон измерения расхода 0,04-1,6

газа, м3/ч

в диапазоне от Qмин 3%

до 0,2Qмакс

в диапазоне от 1%

Пределы допускаемой 0,2Qмакс до Qмакс

для КТ1,0

относительной погрешности, %

в диапазоне от 1,5%

0,2Qмакс до Qмакс КТ

1,5

Выходной сигнал постоянного 4-20

тока, мА

Вид статический Линейная, возрастающая ПД100-ДИ характеристики

преобразования

Предел допускаемой основной ±0,5 %

погрешности γ

Погрешность входного сигнала ±1,0

Дополнительная погрешность, |γ| = 0,5 ±0,45 %

%* |γ| = 1,0 ±0,6 %

ТРМ1 Предел основной приведенной

погрешности, % 2,5

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 87 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Продолжение приложения Б Продолжения таблицы Б.2

Прибор Характеристика Значение

Напряжение питания, В 220

Количество счетных 7

СИ8 разрядов

Дискретность отсчёта 0,01

времени, с

*В стенде установлены преобразователи с |γ| = 0,5 и верхним

пределом измерения давления 0,1 МПа.

Таблица Б.3 – Основные характеристики УСД USB-6008 Характеристика USB-6008 Разрешение при аналоговом вводе 12 бит*

11 бит** Максимальная частота 10кГц дискретизации, один канал Максимальная частота 10кГц дискретизации, несколько каналов Конфигурация цифрового Открытый коллектор вводы/вывода * дифференциальное подключение ** подключение с общим проводом

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 88 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Продолжение приложения Б Таблица Б.4 – Обозначения терминалов ввода/вывода fналоговых сигналов

Модуль Терминал Схема Дифференциальная

подключения с схема

общим проводом подключения

1 GND GND

2 AI0 AI 0+

3 AI 4 AI 0 4 GND GND

5 AI 1 AI 1+

6 AI 5 AI 1 7 GND GND

8 AI 2 AI 2+

9 AI 6 AI 2 10 GND GND

11 AI 3 AI 3+

12 AI 7 AI 3 13 GND GND

14 AO 0 AO 0

15 AO 1 AO 1

16 GND GND

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 89 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Продолжение приложения Б Таблица Б.5 – Обозначения терминалов ввода/вывода цифровых сигналов

Модуль Терминал Сигнал

17 P0.0

18 P0.1

19 P0.2

20 P0.3

21 P0.4

22 P0.5

23 P0.6

24 P0.7

25 P1.0

26 P1.1

27 P1.2

28 P1.3

29 PFI 0

30 +2,5 V

31 +5 V

32 GND

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 90 Изм. Лист № документа Подпись Дата

Продолжение приложения Б Таблица Б.6 – Описание сигналов Наименование Источник Направление Описание сигнала опорного передачи

напряжения GND — — Ground – Точка подключения

опорного напряжения при аналоговом

вводе в схеме с общим проводом,

точка вытекания тока смещения при

дифференциальном вводе сигнала, при

генерации аналоговых сигналов, при

цифровом вводе/выводе, для

обеспечения питания постоянным

напряжением +5В, для обеспечения

опорным напряжением +2.5В AI <0…7> Различный Ввод Каналы ввода аналоговых сигналов 0 7. Служат для измерений

напряжения в схеме с общим

проводом; каждая линия

предназначена для ввода одного

сигнала. В дифференциальной схеме

AI 0 и AI 4 являются положительной

и отрицательной линиями канала 0.

Следующие пары линий также

образуют дифференциальные

входные каналы: ,

AI 6> и . AO 0 GND Вывод Канал вывода аналогового сигнала –

Генерация напряжения в нулевом

канале AO 1 GND Вывод Канал вывода аналогового сигнала –

Генерация напряжения в первом

Канале P1.<0…3> GND Двунаправленные Ввод/вывод цифровых сигналов – P0.<0…7> Каждый из каналов можно

индивидуально настраивать на ввод

или вывод. +2,5В GND Вывод Источник опорного наgряжения. +5 В GND Вывод Источник постоянного напряжения

+5В и максимальным током 200 мА PFI 0 GND Ввод В зависимости от настройки, ввод

цифрового триггера или счетчика.

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 91 Изм. Лист № документа Подпись Дата

ПРИЛОЖЕНИЕ В

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 92

Изм. Лист № документа Подпись Дата

Продолжение приложения В

Лист

ЮУрГУ – 12.03.01.2017.1382 ВКР 93

Изм. Лист № документа Подпись Дата