Теплотехнические измерения

Курсовая работа
  • Выбор технических средств измерения;
  • Расчет погрешности измерительного канала;
  • Расчет суживающего устройства (измерительной схемы вторичного прибора);
  • Графическая часть работы включает:

    • функциональную схему разработанного измерительного канала;
    • чертёж суживающего устройства (монтажный чертеж установки первичного преобразователя на технологическом оборудовании).

    2. ВЫБОР ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ

    Эта часть пояснительной записки включает в себя описание технологического процесса и обоснование выбора метода измерения заданного физического параметра. Основные проектные решения принимаются на основе анализа технологического процесса и действующих государственных и отраслевых нормативных документов.

    Конкретные типы средств измерения выбирают с учетом особенностей технологического процесса и его параметров.

    В первую очередь принимают во внимание такие факторы, как пожаро и взрывоопасность, агрессивность и токсичность среды, дальность передачи сигналов информации, требуемая точность и быстродействие. Эти факторы определяют выбор методов измерения технологических параметров, требуемые функциональные возможности приборов ( показание, запись и т.д.), диапазоны измерения, классы точности, вид дистанционной передачи и т.д.

    Приборы и преобразователи следует подбирать по справочной литературе, исходя из следующих соображений:

    • для контроля одинаковых параметров технологического процесса необходимо применять однотипные средства измерения, выпускаемые серийно;
    • при большом числе одинаковых параметров рекомендуется применять многоточечные приборы;
    • класс точности приборов должен соответствовать технологическим требованиям;
    • для контроля технологических процессов с агрессивными средами необходимо предусматривать установку специальных приборов, а в случае применения приборов в нормальном исполнении нужно защищать их.

    Наиболее распространенные типы промышленных вторичных приборов, входящих в Государственную систему промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП), представлены в таблице 1.

    Таблица 1

    Входной сигнал

    Тип измерительного прибора

    Давление сжатого воздуха

    ПВ

    Постоянное напряжение

    КСП

    Постоянный ток

    КСУ

    Электрическое сопротивление

    КСМ

    Взаимоиндуктивность

    КСД

    Приборы ПВ являются вторичными приборами пневматической системы «Старт» и применяются для измерения любых технологических параметров, предварительно преобразованных в давление сжатого воздуха (унифицированный пневматический сигнал).

    Автоматические потенциометры КСП, уравновешенные мосты КСМ, миллиамперметры КСУ применяют для измерения и записи температуры и других параметров, изменение которых может быть преобразовано в изменение напряжения постоянного тока, активного сопротивления, силы постоянного тока.

    Потенциометры КСП-4 в зависимости от модификации могут работать или в комплекте с одной или несколькими (если прибор многоточечный) термопарами стандартных градуировок, или с одним или несколькими источниками постоянного напряжения.

    Уравновешенные мосты КСМ-4 работают в комплекте с одним или несколькими термометрами сопротивления стандартных градуировок, а миллиамперметры КСУ-4 — в комплекте с одним или несколькими источниками сигналов постоянного тока.

    Вторичные приборы КСД работают в комплекте с первичными измерительными преобразователями, снабженными дифференциально-трансформаторными датчиками.

    Каждый тип приборов, указанных выше, выпускается в различных модификациях, отличающихся размерами, диапазонами измерения, количеством входных сигналов, наличием вспомогательных устройств и т.д.

    Выбирая тот или иной прибор по функциональному признаку, необходимо простоту и дешевизну аппаратуры сочетать с требованиями контроля и регулирования данного параметра. Наиболее важные параметры следует контролировать самопишущими приборами, более сложными и дорогими, чем показывающие приборы. Регулируемые параметры технологического процесса необходимо, также контролировать самопишущими приборами, что имеет значение для корректировки настройки регуляторов.

    При выборе вторичных приборов для совместной работы с однотипными датчиками одной градуировки и с одинаковыми пределами измерения следует учитывать, приборы КСП, КСМ, КСД выпускаются с числом точек 3,6,12. В многоточечных приборах имеется переключатель, автоматически и поочередно подключающий датчик к измерительной схеме. Печатающее устройство, расположенное на каретке, отпечатывает на диаграмме точки с порядковым номером датчика.

    При выборе вида унифицированного сигнала канала связи от датчика до вторичного прибора принимается во внимание длина канала связи. При длине до 300 м можно применять любой унифицированный сигнал, если автоматизируемый технологический процесс не является пожаро- и взрывоопасным. При пожаро- и взрывоопасности и расстоянии не более 300 м целесообразно использовать пневматические средства автоматизации, например приборы системы «Старт». Электрические средства измерения характеризуются гораздо меньшим запаздыванием и превосходят пневматические средства по точности (класс точности большинства пневматических приборов — 1,0, электрических — 0,5).

    Применение электрических средств упрощает внедрение вычислительных машин.

    Выбирая датчики и вторичные приборы для совместной работы, следует обращать внимание на согласование выходного сигнала датчика и входного сигнала вторичного прибора.

    Например, при токовом выходном сигнале датчика входной сигнал вторичного прибора тоже должен быть токовым, причем род тока и диапазон его изменения у датчика и вторичного прибора должны быть одинаковыми. Если это условие не выполняется, то следует воспользоваться имеющимися в ГСП промежуточными преобразователями одного унифицированного сигнала в другой (табл.2).

    Таблица 2

    Наиболее распространенные промежуточные преобразователи ГСП

    Тип преобразователя

    Входной сигнал

    Выходной сигнал

    ПТ-ТП 68

    ЭДС термопары

    Постоянный ток 0…5 мА

    ПТ-ТС 68

    Электрическое сопротивление

    Постоянный ток 0…5 мА

    НП-ТЛ1-М

    ЭДС термопары

    Постоянный ток 0…5 мА

    НП-СЛ1-М

    Электрическое сопротивление

    Постоянный ток 0…5 мА

    НП-3

    Напряжение постоянного тока 0…2 В

    Постоянный ток 0…5 мА

    ЭПП-63

    Постоянный ток 0…5 мА

    Давление сжатого воздуха 0,2…1,0 кгс/см 2

    Промежуточный преобразователь НП-3 используется в качестве нормирующего для преобразования выходного сигнала дифференциально-трансформаторного преобразователя в унифицированный токовый сигнал.

    Преобразователь ЭПП-63 осуществляют переход с электрической ветви ГСП на пневматическую.

    При выборе датчиков и приборов следует обращать внимание не только на класс точности, но и на диапазон измерения. Следует помнить, что номинальные значения параметра должны находиться в последней трети диапазона измерения датчика или прибора. При невыполнении этого условия относительная погрешность измерения параметра значительно превысит относительную приведенную погрешность датчика или прибора. Таким образом, не следует выбирать диапазон измерения с большим запасом (достаточно иметь верхний предел измерения, не более чем на 25% превышающий номинальное значение параметра).

    Если измеряемая среда химически активна по отношению к материалу датчика или прибора (например, пружинного манометра, гидростатического уровнемера, дифманометра для измерения расхода по методу переменного перепада давлений), то его защиту осуществляют с помощью разделительных сосудов или мембранных разделителей.

    Разработанный измерительный канал изображается на рисунке в виде функциональной схемы, выполненной по ГОСТ 21.404—85.

    На функциональной схеме показывается часть технологической установки с размещенным на ней первичным преобразователем, промежуточный преобразователь и измерительный прибор. Выбранные средства измерения заносятся в спецификацию приборов. Примеры изображения отдельных измерительных каналов приведены на рисунках 1-5.

    Рис.1. Индикация и регистрация температуры (TIR).

    101-1 Термоэлектрический термометр тип ТХА, гр. ХА, пределы измерения от -50 С до 900 С, материал корпуса Ст0Х20Н14С2, марка ТХА-0515;

    101-2 Преобразователь термоЭДС в стандартный токовый сигнал 0…5 мА, гр. ХА, марка Ш-72;

    101-3 Миллиамперметр показывающий регистрирующий на 2 параметра, марка А-542.

    Рис. 2. Пример схемы контроля давления. Индикация давления (PI).

    201-1 Манометр пружинный М-….

    202-1 Пневматический первичный преобразователь давления, предел измерения 0… 1,6 МПа, выходной сигнал 0,02…0,1 МПа, марка МС-П-2 (манометр сильфонный с пневмовыходом);

    202-2 Электроконтактный манометр с сигнальной лампой ЭКМ-1;

    202-3 Лампа сигнальная Л-1.

    Рис. 3. Сигнализация давления (PA).

    Рис. 4. Индикация и регистрация давления (PIR, эл.).

    204-1 Первичный преобразователь давления со стандартным токовым выходом 0…5 мА, марка МС-Э (или Сапфир-22ДИ и т.д.);

    204-2 Миллиамперметр показывающий регистрирующий на 2 параметра, марка А-542.

    Рис. 5. Схемы контроля расхода.

    301-1 Диафрагма марки ДК6-50-II-а/г-2 (диафрагма камерная, давление Р у = 6 атм, диаметр Dу = 50 мм);

    301-2 Дифманометр с пневмовыходом 0,02…0,1 МПа, марка ДС-П1 (для пневматической схемы) или Сапфир-22ДД (для электрической схемы);

    302-1 Ротаметр РД-П (с пневмовыходом) или РД-Э (с электрическим выходом).

    Для измерения расхода жидкости первичные преобразователи устанавливаются в сечении трубопровода, поэтому на схеме их обозначения изображаются встроенными в трубопровод.

    При использовании сужающих устройств, например, диафрагм, перепад давлений на них замеряется дифманометрами, поэтому схемы автоматизации аналогичны схемам контроля давления.

    Функциональная схема теплового контроля является основанием для составления заказной спецификации средств измерения.

    Спецификация на все показанные на функциональной схеме приборы и преобразователи оформляется в виде таблицы. Пример спецификации для фрагмента функциональной схемы контроля температуры приведен в таблице 3.

    Таблица 3

    Форма спецификации к функциональной схеме (рис. 1).

    поз.

    Измеряемые параметры среды

    Наименование и техническая характеристика

    Марка

    Кол-во

    Примечание

    101-1

    Температура в аппарате

    Термоэлектрический термометр тип ТХА, гр. ХА, пределы измерения от -50 С до 900 С

    марка ТХА-0515

    1

    На трубопроводе

    101-2

    Температура в аппарате

    Преобразователь термоЭДС в стандартный токовый сигнал 0…5 мА, гр. ХА

    марка Ш-72

    1

    по месту

    101-3

    Температура в аппарате

    Миллиамперметр показывающий регистрирующий на 2 параметра

    марка А-542

    1

    На щите

    3. ПОЯСНЕНИЯ К ГРАФИЧЕСКОЙ ЧАСТИ

    Разрабатываемые графические документы:

    Лист 1. Схема теплового контроля.

    Лист 2. Монтажный чертеж. Установка первичного преобразователя на технологическом оборудовании.

    Лист 3. Чертеж суживающего устройства или измерительная схема вторичного прибора в зависимости от варианта задания.

    Все чертежи выполняются в графическом редакторе AUTOCAD в полном соответствии с требованиями ЕСКД. Форматы чертежей А4.

    4. ПОЯСНЕНИЯ К РАСЧЕТНОЙ ЧАСТИ

    4.1 Расчет суживающего устройства

    Дроссельные диафрагмы для измерения расхода среды могут использоваться без предварительной градуировки в трубопроводах круглого сечения с диаметром не менее 50 мм при m=d 2 /D2 от 0,05 до 0,64 (d — диаметр отверстия диафрагмы, D — внутренний диаметр трубопровода) в случае наличия определенной длины прямых участков до и после диафрагм. Жидкость должна заполнять все сечение, фазовое состояние ее не должно изменяться. Расход среды может быть задан в единицах массы G — кг/сек или в единицах объема Q — м3 /сек. Расчетные формулы для определения расхода среды имеют вид

    где — коэффициент расхода; е — поправочный коэффициент на расширение среды (для газообразных сред); F 0 — площадь проходного сечения диафрагмы, м2 ; — плотность среды перед диафрагмой, кг/м3 ; P1 — P2 =ДР — перепад давления на диафрагме, Па.

    Диафрагма должна быть выбрана таким образом, чтобы при всех значениях ожидаемого расхода среды коэффициент расхода б был величиной постоянной. Минимальное значение критерия Re, при дальнейшем росте которого коэффициент расхода б остается постоянной величиной, называется предельным значением критерия Рейнольдса.

    При минимальном расходе среды значение Re должно быть больше Re пред .

    4.2 Порядок расчета дроссельного устройства

    1. Задаются следующие исходные величины:

    • а) измеряемая среда;
    • б) параметры среды (давление, температура, состав);
    • в) максимальный и минимальный расходы среды;
    • г) допустимая величина потери давления на дроссельном устройстве или перепад давления на диафрагме.

    2. По величине максимального расхода определяется внутренний диаметр трубопровода по формуле

    , м,

    где w — средняя скорость среды в трубопроводе, м/сек.

    Значения средней скорости потоков для расчета трубопроводов даны в таблице 4.

    Таблица 4

    Протекающая среда

    Средняя скорость, м /сек

    Жидкости

    1—2

    Газы:

    низкого давления

    среднего давления

    2—10

    10—20

    Пар:

    низкого давления

    среднего давления

    высокого давления

    20—40

    40—60

    60—80

    Часто расход газа задается в нормальных кубических метрах в единицу времени (например, м 3 н/сек).

    В этом случае для перехода к массовому расходу объемный расход следует умножить на плотность газа при нормальных условиях сн . Значения сн для горючих газов и воздуха приведены в таблице 5.

    Для определения плотности пара рекомендуется пользоваться hs — диаграммой. По параметрам пара р и t по hs — диаграмме определяется удельный объем . Плотность пара будет равна

    Таблица 5

    Физические параметры горючих газов и воздуха

    Наименование среды

    Динамический коэффициент вязкости, 10 6 , Пасек при температуре, 0 С

    Плотность при нормальных условиях, с н , кг/м3 н

    0

    100

    200

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    Газ доменных печей (коксовых)

    Газ коксовых печей (очищенный)

    Газ природный бугурусланский

    Газ природный елшанский

    Газ природный дашавский

    Воздух

    16,45

    12,5

    10,75

    10,4

    10,43

    17,16

    20,6

    15,6

    13,6

    13.1

    13,2

    21,77

    24,6

    18,6

    16,5

    15,9

    15,9

    25,89

    1,296

    0,483

    0,884

    0,765

    0,730

    1,293

    По подсчитанному значению диаметра выбирается ближайший стандартный по специальным руководствам или же, в случае отсутствия последних, может быть принят из таблицы 7. Для трубопроводов с температурой выше 450°С можно принять для расчета внутренний диаметр такой же, как и для труб с температурой до 450°С.

    3. Выбирают расчетную величину расхода, которая соответствует верхнему пределу измерения дифференциального манометра расходомера. В качестве расчетного можно принимать максимальный расход.

    4. Определяют значение критерия Рейнольдса для принятого расчетного расхода (Re pac ч ) из выражения

    где f — площадь сечения трубопровода, м 2 .

    Таблица 6

    Динамический коэффициент вязкости, м * 10 7 Пасек, воды и водяного пара

    t,

    р, атм

    °С

    1

    20

    40

    60

    80

    100

    150

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    7

    8

    0

    178

    178

    178

    177

    177

    177

    176

    10

    130,5

    130,5

    130,5

    130,5

    130,5

    131,5

    31,5

    20

    100

    100

    100

    100

    100

    100

    100

    30

    80,1

    80,1

    80,2

    80,2

    80,2

    80,2

    80,3

    40

    65,3

    65,3.

    65,3

    65,4

    65.5

    65,5

    65,6

    50

    54,9

    54,9

    55,0.

    55,0

    55,1

    55,1

    55,2

    60

    46,9

    46,9

    47,0

    47,0

    47.1

    47,1

    47,2

    70

    40,5

    40,5

    40,5

    40,6

    40,7

    40,7

    40,8

    80

    35,4

    35,4

    35,5

    35,5

    35,6

    35,6

    35,7

    90

    31,5

    31,5

    31,6

    31,6

    31,6

    31,6

    31,7

    100

    1,195

    28,2

    28,3

    28,3

    28,4

    28,4

    28,5

    120

    1,275

    23,7

    23,8

    23,8

    23,9

    23,9

    24,0

    140

    1,3

    20,1

    20,2

    20,2

    20,3

    20,3

    20,4

    160

    1,43

    17,4

    17.5

    17,5

    17,6

    17,6

    17,7

    180

    1,51

    15,3

    15,4

    15,4

    15,5

    15,5

    15,6

    200

    1,59

    13,6

    13,7

    13,7

    13,8

    13,8

    13,9

    220

    1,67

    1,69

    12,6

    12,6

    12,7

    12,7

    123

    240

    1,76

    1,77

    11,5

    11,6

    11,6

    11,7

    11,8

    260

    1,83

    1,84

    1,87

    10,7

    10.7

    10,8

    10,9

    280

    1,92

    1,93

    1,95

    1,98

    9,9

    10,0

    10,1

    300

    2,0

    2,01

    2,03

    2,06

    2,10

    9,1

    9,2

    320

    2,09

    2,09

    2,11

    2.14

    2,17

    2,22

    8,64

    340

    2,17

    2,18

    2,20

    2,22

    2,2

    2,29

    7,78

    360

    2,2

    2,27

    2,28

    2,30

    2,32

    2,36

    2,51

    380

    2,34

    204

    2,37

    2,38

    2,40

    2,44

    2,56

    400

    2,42

    2,43

    2,45

    2,46

    2,49

    2,52

    2,62

    420

    2,51

    2,52

    2,5

    2,55

    2,58

    2,60

    2,68

    440

    2.60

    2,61

    2,62

    2,64

    2,66

    2,68

    2,76

    460

    2,69

    2,70

    2,71

    2,72

    2,74

    2,76

    2,84

    480

    2,78

    2,78

    2,79

    2,80

    2,82

    2,84

    2,91

    500

    2,88

    2,88

    2,89

    2,90

    2,92

    2,94

    2,99

    520

    2,95

    2,96

    2,97

    2,98

    3,00

    3,01

    3,07

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    7

    8

    540

    3,04

    3,05

    3,06

    3,07

    3,09

    3,10

    3,16

    560

    3,14

    3,14

    3,15

    3,16

    3,18

    3,19

    3,25

    580

    3,22

    3,22

    3,23

    3,24

    3,26

    3,28

    3,33

    600

    3.33

    3,34

    3,35

    3,6

    3,37

    3,38

    3,42

    Примечание. Над чертой — вода, под чертой — пар.

    Таблица 7

    Значения стандартных диаметров трубопроводов

    Рабочая температура, 0 С

    Рабочее давление, атм

    Внутренний диаметр, мм

    до 200

    до 10

    до 16

    53,0 68,0 80,5 106,0

    51,0 66,5 104

    до 300

    до 25

    51,0 70,0 83,0 102,0 126,0

    до 450

    до 64

    до 100

    69,0 82,0 100,0 125,0 150,0 164,0 205,0 259,0 307,0 359,0 406,0 462,0

    50,0 68,0 80,0 98,0 123,0 147,0 162,0 203,0 255,0 305,0 357,0 404,0 456,0

    Для горючего газа и воздуха динамический коэффициент вязкости приведен в таблице 5, для воды и водяного пара — в таблице 6. При определении численных значений динамического коэффициента вязкости следует применять линейное интерполирование. В первом приближении можно считать, что динамический коэффициент вязкости газов не зависит от давления, а определяется лишь одной температурой.

    5. Выбирают максимальный расчетный перепад давления

    ДР = Р 1 —P2 .

    Если задана допустимая потеря давления Р v , то ориентировочно можно принять ДР = 2Рv . Величина ДР определяется типом дифманометра-расходомера.

    6. Определяют диаметр трубопровода при рабочей температуре t по уравнению

    где 0 — средний коэффициент линейного теплового расширения материала трубопровода; Kt — поправочный множитель на тепловое расширение. Значения Kt приведены в таблице 8.

    Таблица 8

    Поправочный множитель K t на тепловое расширение трубопровода и диафрагм

    Материалы

    Температура, °С

    100

    200

    300

    400

    500

    600

    Сталь марок 20, 20Н, 15М, 15ХМ, 12МХ

    1,0009

    1,0021

    1,0036

    1,0050

    1,0066

    1,0082

    Сталь марок Х23Н13, Х18Н25С2

    1,0010

    1,0025

    1,0045

    1,0066

    1,0081

    1,0093

    Сталь марки 1х18Н9Т

    1,0012

    1,0029

    1,0048

    1,0066

    1,0082

    1,0099

    Бронза

    1,0014

    1,0031

    1,0050

    1,0069

    1,0091

    Чугун

    1,0007

    1,0017

    1,0030

    1,0044

    1,0060

    7. Определяют диаметр расточки диафрагмы d в следующей последовательности:

    а) подсчитывают значения mб из соотношений

    Величину е берут из таблицы 9 по подсчитанному значению ДС/P 1 , принимая m = 0,3 (в первом приближении).

    Таблица 9

    Значения поправочного множителя на расширение среды, е

    ДР/P 1

    х=1,3

    х=1,4

    m=0

    m=0,3

    m=0,5

    m=0,7

    m=0

    m=0,3

    m=0,5

    m=0,7

    0,00

    1,000

    1,000

    1,000

    1,000

    1,000

    1,000

    1,000

    1,000

    0,02

    0,994

    0,993

    0,992

    0,991

    0,994

    0,993

    0,992

    0,991

    0,04

    0,988

    0,987

    0,985

    0,983

    0,988

    0,987

    0,985

    0,983

    0,08

    0,975

    0,973

    0,969

    0,964

    0,976

    0,974

    0,970

    0,965

    0,16

    0,948

    0,944

    0,936

    0,926

    0,950

    0,946

    0,938

    0,929

    0,32

    0,895

    0,887

    0,871

    0,850

    0,900

    0,892

    0,876

    0,855

    б) для найденного значения mб находят величину m.

    Для нахождения значения m по известной величине mб строят графическую зависимость mб = f(m) при принятом значении D. Для этого по данным таблицы 10 берут четыре соответствующих значения m и mб и строят график mб = f(m).

    При определении mб нужно проводить интерполяцию, если диаметр трубопровода отличается от указанного в таблице. Желательно, чтобы из 4 точек две имели значение mб больше и две меньше, чем получилось при расчете по формуле. По построенному графику определяют численное значение m. Величину m рекомендуется определять с числом значащих цифр, соответствующих погрешности порядка 0,1%.

    Таблица 10

    Зависимость произведения mб от m и D

    m

    D, мм

    300

    200

    100

    50

    0,05

    0,03005

    0,03020

    0,03047

    0,03065

    0,75

    0,04518

    0,04541

    0,04581

    0,04610

    0,10

    0,06038

    0,06070

    0,06123

    0,06265

    0,125

    0,07578

    0,07618

    0,07668

    0,07740

    0,15

    0,0913

    0,0918

    0,0926

    0,0933

    0,20

    0,1231

    0,1237

    0,1248

    0,1258

    0,25

    0,1560

    0,1567

    0,1582

    0,1597

    0,30

    0.1902

    0,1910

    0,1929

    0,1948

    0,35

    0,2257

    0,2268

    0,2289

    0,2314

    0,40

    0,2640

    0,2652

    0,2678

    0,2707

    0,45

    0,3042

    0,3056

    0,3088

    0,3021

    0,50

    0,3475

    0,3492

    0.3530

    0,3569

    0,55

    0,3938

    0,3960

    0,4003

    0,4048

    0,60

    0,4440

    0,4467

    0,4517

    0,4569

    0,65

    0,4992

    0.5024

    0,5082

    0,5112

    0,70

    0,5614

    0.5653

    0,5720

    0,5788

    в) определяют предварительное значение диаметра расточки диафрагмы при температуре +20°С из соотношения

    8. Определяют потерю напора Р v в диафрагме при расчетном расходе из соотношения

    , Па.

    Значение К, являющегося функцией от m, берется из таблицы 11.

    9. Производят проверку определения диаметра расточки отверстия диафрагмы d.

    Таблица 11

    m

    0

    0,1

    0,2

    0,3

    0,4

    0,5

    ………..