Резюме Біографія Реферат

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Введення
• Мета роботи, задачі
• Огляд методів і засобів вимірювання витрати рідини в напірному трубопроводі великого діаметру
• 1.1. Основні поняття і визначення
• 1.2. Класифікація витратомірів рідини в закритих напірних трубопроводах
• 1.3. Тахометричні витратоміри
• 1.4. Витратоміри змінного перепаду тиску
• 1.5. Вихрові витратоміри
• 1.6. Безконтактні витратоміри
• 1.6.1. Ультразвукові витратоміри
• 1.6.2. Електромагнітні витратоміри
• 1.7. Витратоміри, що працюють за принципом вимірювання середньої швидкості в поперечному перерізі труби
• 1.7.1. Витратоміри з напірними пристроями
• 1.7.2. Витратоміри з електромагнітними перетворювачами швидкості
• Висновок
• Список джерел

Введення

Водні ресурси відіграють життєво важливу роль в розвитку народного господарства та існування суспільства. Саме тому однією з ключових проблем розвитку інфраструктури Донецької області є забезпечення надійного функціонування систем водопостачання. Проблема є значущою, оскільки її вирішення сприятиме підвищенню якості наданих споживачам послуг, а отже, і збереженню здоров'я населення, підвищенню його добробуту.

Раціональне використання водних ресурсів в свою чергу здійснюється за рахунок вдосконалення управління технологічними процесами очищення, подачі та розподілу води. Розглянуті заходи обов'язково передбачають застосування ефективних сучасних систем обліку витрати води, які повинні замінити собою наявні морально застарілі витратоміри.

Цель работы, задачи

Цель и задачи исследований. Целью магистерской работы является обоснование структуры расходомера питьевой воды в напорных трубопроводах большого диаметра.

Для достижения поставленной цели необходимо:

– разработать математическую модель МГД-преобразователя скорости с локальным магнитным полем;

– исследовать зависимость выходного сигнала МГД-преобразователя с локальным магнитным полем от поперечного градиента скорости на основе изучения пространственного распределения магнитного поля;

– на основе результатов выполненных исследований определить оптимальное соотношение конструктивных параметров МГД-преобразователя скорости;

– обосновать структуру разрабатываемого измерительного прибора.

Огляд методів і засобів вимірювання витрати рідини в напірному трубопроводі великого діаметру.

На сьогоднішній день розроблено та використовується велика кількість витратомірів рідини, які реалізують різні методи вимірювання. Вони відрізняються метрологічними характеристиками, областю застосування, експлуатаційними показниками. Однак до всіх сучасних витратомірів висуваються єдині жорсткі вимоги, які можна розділити на дві групи:

– до першої групи відносять індивідуальні вимоги, що стосуються приладів для вимірювання витрати: висока точність, надійність; незалежність результатів вимірювання від фізико-хімічних властивостей вимірюваного середовища, а також від зміни щільності речовини; швидкодія і широкий діапазон вимірювань;

– до другої групи належать вимоги, які характеризують всю групу витратомірів: необхідність вимірювання витрати різноманітної номенклатури речовин, які відрізняються фізико-хімічними властивостями; необхідність вимірювання різних значень витрат при різних тисках і температурах.

Ні один з існуючих типів витратомірів не може в повній мірі задовольнити відразу всім зазначеним вимогам. Тому необхідною умовою успішного вирішення поставленої вимірювальної задачі є правильний вибір методу вимірювання і засобу. При виборі того чи іншого засобу вимірювання слід виходити з реальних умов його експлуатації, властивостей вимірюваної речовини, його параметрів і значень її витрати, а також з обґрунтованих вимог до точності вимірювання. Крім метрологічних характеристик засобу вимірювання, необхідно також враховувати його споживчі якості: ступінь складності вимірювального пристрою, вартість, енергоспоживання, матеріаломісткість, функціональність, зручність експлуатації.

1.1. Основні поняття і визначення

Витратою рідини називають Вимірювальний прилад або сукупність приладів, призначених для вимірювання витрати рідини (газу).

Масовий витратомір рідини вимірює масова витрата рідини (газу). Об'ємний витратомір не вимірює об'ємний витрата рідини (газу) Масовий M і об'ємний Q витрати пов'язані співвідношенням: M = ρ · Q де ρ - щільність рідини [2].

Методом вимірювання називають спосіб експериментального визначення значення фізичної величини, тобто сукупність використовуваних при вимірюваннях фізичних явищ і засобів вимірювань.

Вимірювальним перетворювачем називають засіб вимірювань витрати рідини (газу), призначений для вироблення сигналу вимірювальної інформації у формі, зручній для передачі, подальшого перетворення, обробки і (або) зберігання, але не піддається безпосереднього сприйняття спостерігачем.

Інформаційно-вимірювальною системою називають сукупність засобів вимірювань, з'єднаних між собою каналами зв'язку, призначених для отримання сигналів вимірювальної інформації у формі, зручній для автоматичної обробки, передачі та (або) використання в автоматичних системах управління [3].

1.2. Класифікація витратомірів рідини в закритих напірних трубопроводах

Основні існуючі прилади, призначені для вимірювання витрати рідини в закритих напірних трубопроводах, можна класифікувати за різними ознаками. Якщо в якості основного ознаки прийняти наявність або відсутність рухомого елемента в гідравлічному тракті вимірювального перетворювача, то засоби вимірювання витрати можна розділити на дві групи [4]:

– прилади, первинні вимірювальні перетворювачі яких містять рухомі елементи в гідравлічному тракті;

– прилади, первинні вимірювальні перетворювачі яких не містять рухомих елементів в гідравлічному тракті.

До першої групи приладів належать:

– витратоміри постійного перепаду тиску (ротаметри, поплавкові витратоміри);

– об'ємні витратоміри (поршневі, дискові, кільцеві, гвинтові, з овальними шестернями, лопатеві);

– тахометричні витратоміри (крильчасті, турбінні, кулькові);

– витратоміри лобового опору (з кутовим переміщенням, з аксіальним переміщенням).

Друга група приладів об'єднує в собі витратоміри з трансформацією потоку (порушенням поля течії) і без трансформації його. До приладів з трансформацією потоку відносять:

– витратоміри змінного перепаду тиску (діафрагми, сопла, труби і сопла Вентурі;

– витратоміри з генерацією пульсацій тиску (вихрові витратоміри, витратоміри з закруткою потоку).

До приладів без трансформації потоку відносять:

– меточные витратоміри (з теплової міткою, з радіоактивною міткою, з оптично непрозорого міткою);

– ультразвукові витратоміри;

– калориметричні витратоміри;

– електромагнітні витратоміри.

Далі розглядаються вимірювальні засоби, які є найбільш поширеними для вимірювання витрати рідини в закритих напірних трубопроводах.

1.3. Тахометричні витратоміри

Найбільш поширеними тахометрическими приладами для вимірювання витрати рідини є турбінні витратоміри. Типова конструкція турбінного витратоміра показана на малюнку. 1.1. Він складається з трьох основних елементів: турбінного первинного перетворювача 1, вторинного перетворювача 2, відлікової системи (реєстратора) 3. Турбінний перетворювач являє собою аксіальну лопатеву турбіну, що спирається на ударні підп'ятники або підшипники 4. Потік вимірюваної середовища, спираючись на похилі лопаті турбіни, надає їй обертального руху з кутовою швидкістю ω, пропорційну витраті Q [2].

Вторинний перетворювач являє собою індукційну котушку. У загальному випадку лопаті турбіни виготовляються з феромагнітного матеріалу. При перетині магнітного поля котушки лопатями турбіни в котушці наводиться пульсуючий струм. Частота пульсацій наведеного струму пропорційна кутовій швидкості обертання турбіни, а, отже, і вимірюваної витраті. В якості вторинних перетворювачів використовують також індуктивні котушки, в яких при обертанні феромагнітної турбіни створюється періодична зміна індуктивності, викликає відповідне зміна одного з параметрів струму в котушці.

Електромагнітний чутливий елемент створює ефект гальмування турбіни, що при низьких швидкостях руху речовини може позначатися на кутовий швидкості турбіни. Тому при вимірюванні малих витрат речовини застосовуються інші конструкції чутливих елементів, наприклад, фотоелектричні [2,5].

Імпульси пульсуючого струму реєструються відлікової системою. Число імпульсів, зареєстрованих системою за одиницю часу, характеризує вимірюваний витрата речовини. Якщо припустити, що на турбіну не діють ніякі моменти, що перешкоджають її обертання, то залежність між кутовою швидкістю обертання турбіни і витратою буде визначатися наступним виразом:

ω=A × Q     (1.1)

де ω – кутова швидкість обертання турбіни;

А – коефіцієнт, що визначається конструктивними параметрами турбінного датчика;

Q – вимірюваний витрата.

насправді ж на турбіну діють моменти сил гідравлічного тертя рідини, моменти сил тертя в опорах та інші. Дія цих моментів буде характеризувати так звана зона не чуттєвості приладу, тобто найменший витрата Q₀, яка необхідна для того, щоб подолати моменти опору і зрушити турбіну з місця або змінити її постійну швидкість обертання. З урахуванням цього виразу (1.1) отримаємо робочий рівняння турбінних витратомірів [2]:

ω=A × (Q-Q₀)

Найбільший вплив на показання турбінних перетворювачів витрати мають місцеві гідравлічні опори, які створюють сильне одностороннє стиснення потоку, а також опори, які викликають гвинтове рух.

Перевагами турбінних витратомірів є простота конструкції, велика чутливість і великий діапазон вимірювань, можливість вимірювання як малих, так і досить великих витрат рідини з широким діапазоном фізико-хімічних властивостей, мала інерційність і внаслідок цього відносно малі динамічні похибки при вимірюванні середніх і миттєвих значень витрат. Також важливою перевагою таких витратомірів є лінійна залежність їх вихідного сигналу від швидкості потоку в установленому для приладу діапазоні.

До недоліків турбінних витратомірів можна віднести: необхідність індивідуального градуювання і внаслідок цього необхідність наявності градуювальних установок високої точності; вплив зміни в'язкості вимірюваного середовища і гідродинамічних параметрів потоку на покази приладів; наявність опор, які зношуються, різко скорочує термін служби приладів.

1.4. Витратоміри змінного перепаду тиску

Принцип дії витратомірів цього типу, об'єднаних єдиним методом вимірювань, заснований на вимірюванні перепаду тиску, що утворюється в результаті місцевого зміни швидкості потоку рідини. Для вимірювання витрати рідини з перепадом тиску необхідні три пристрої, об'єднані загальним поняттям витратомір змінного перепаду тиску [2]:

– звужуючий пристрій, є основною частиною таких витратомірів та створює перепад тиску в потоці вимірюваної середовища за рахунок місцевого зміни швидкості потоку;

– вимірювальний прилад - манометр, безпосередньо вимірює перепад тиску;

– з'єднувальний пристрій, передає перепад тиску від потоку до манометру.

Звужуючий пристрій створює місцеве звуження потоку. Характер і розподіл тиску і швидкостей уздовж потоку при проходженні речовиною ділянки трубопроводу, в якій встановлено звужуючий пристрій, показані на малюнку. 1.2

Швидкість потоку у звуженому перерізі II підвищується, частина потенційної енергії тиску переходить у кінетичну. В результаті цього статичний тиск в перерізі II стає менше статичного тиску в перерізі I, де на потік ще не позначився вплив звужуючого пристрою. Різниця цих тисків залежить від швидкості руху (або витрати) рідини, що протікає в трубопроводі. На практиці місця для відбору тисків найчастіше обирають безпосередньо з боку входу і виходу потоку [6, 7].

Основне рівняння витрати нестисливої рідини через звужуючий пристрій має вигляд:

де α - коефіцієнт витрати звужувального пристрою; S₀ - площа отвору звужувального пристрою; g - прискорення сили тяжіння; γ- щільність рідини; Δp = (p1 - p2 ) – виміряний перепад тисків

В даний час найбільш поширені звужуючі пристрої трьох типів: нормальна діафрагма, нормальне сопло і сопло (труба) Вентурі.

Нормальна діафрагма являє собою тонкий диск з отвором з гострою прямокутної кромкою з боку входу потоку [2].

Тиску в плоскій діафрагмі відбирають з допомогою окремих свердлінь. Для усереднення тисків просвердлюють кілька отворів, рівномірно розподілених по окружності труби в площинах відбору тисків. Трубки, що виходять з отворів, об'єднуються двома збірними колекторами, від яких тиску передаються в манометр.

Тиску в камерних діафрагмах відбирають з камер, сполучених з трубою кільцевими щілинами [2]. Перевагою камерних діафрагм є відбір дійсних середніх тисків і в зв'язку з цим дещо менш жорсткі вимоги до довжини прямолінійних ділянок трубопроводу до і після діафрагми; недоліком – необхідність спеціальних ущільнювальних пристроїв для герметизації камер[2].

Нормальне сопло виконують у вигляді насадки, має з боку входу плавне округлення, а з боку виходу - розвинену циліндричну частину. На виході сопла є розточування, оберігає вихідну кромку від пошкоджень. Відбір статичних тисків проводиться так само, як і в випадку нормальних діафрагм [4].

Сопло Вентурі відрізняється від нормального сопла тим, що має видовжену циліндричну частину, переходить безпосередньо в дифузор [4].

Труба Вентурі складається з вхідної частини – конфузора, середньої частини – циліндричної та вихідної частини – дифузора. Перед конфузора встановлюється у прямолінійний ділянку. Такі труби використовуються на трубопроводах діаметром (100 ... 800) мм. Відбір тисків здійснюється через кільцеві камери, з'єднані з трубопроводом не менше ніж у шести місцях.

Трубі Вентурі потрібно в 2 рази менше пряма ділянка, ніж діафрагмі, і має широкий (10: 1 і навіть 20: 1) діапазон вимірювань. Труба Вентурі застосовується для пульп і забруднених рідин. Коротка труба Вентурі застосовується для чистих рідин. При використанні напоровыпрямителя мінімальний прямий ділянку перед трубою Вентурі стає рівним двом умовним діаметрів трубопроводу [4].

Перевагами витратомірів змінного перепаду тиску зі звужують пристроями є відсутність рухомих частин, простота серійного виготовлення, повірка ме тодом розрахунку, низька вартість. До недоліків приладів цього типу можна віднести: вимоги до довжини прямолінійних ділянок трубопроводу перед приладом і після нього, порівняно більша погрішність вимірювання у діапазоні вимірюваних витрат, великі похибки при вимірюванні пульсуючих потоків, вимога сталості фазового стану речовини, неможливість монтажу і демонтажу без зупинки потоку в трубі [4].

1.5. Вихрові витратоміри

Вихровими називають витратоміри, дія яких заснована на залежності частоти коливань тиску, що виникають у потоці в процесі вихреобразования або коливання струменя, від витрати [7].

Принцип роботи витратомірів з тілом, розташованим в потоці, заснований на фіксації коливань потоку, що виникають при обтіканні тіла [8]. Тіло, яке знаходиться на шляху потоку, змінює напрямок руху струменів, оточуючі його, і збільшує їх швидкість за рахунок відповідного зменшення тиску. За миделевому перерізі тіла починається зворотний процес зменшення швидкості і збільшення тиску. Одночасно з цим на передній частині тіла створюється підвищений тиск, а на задній частині - знижений. Прикордонний шар, що оточує тіло, пройшовши його миделевое розтин, відривається від тіла і під впливом зниженого тиску за тілом змінює напрямок руху, утворюючи вихор (малюнок. 1.3). Це відбувається як у верхніх, так і нижніх точках обтічного тіла. Але оскільки розвиток вихору з одного боку тіла перешкоджає такому ж його розвитку з іншого боку, то утворення вихорів з тієї та іншої сторони відбувається по черзі. При цьому за обтічним тілом утворюється вихрова доріжка Кишені [7].

Використовується кілька варіантів перетворення вихрових коливань потоку у вихідний сигнал. В основному використовуються періодичні коливання тиску або швидкості струменів з двох сторін обтічного тіла.

Залежність між витратою і частотою сходу вихорів має вигляд:

Q = (S × d/Sh)× f

де S - площа найменшого перерізу потоку навколо тіла обтікання; d - характерний розмір тіла обтікання; Sh - критерій Струхаля, що характеризує безрозмірну частоту процесу.

В якості тіл обтікання найбільше поширення отримали циліндри, тригранні і чотиригранні призми. Похибка вимірювання витрати у всьому нормованому діапазоні становить ± 1,0% [8].

До достоїнств вихрових витратомірів слід віднести відсутність рухомих частин, простоту і надійність перетворювача витрати, незалежність показань від тиску і температури, великий діапазон вимірювання, лінійність шкали, малу похибку на рівні ± (0,5 ... 1,5)%, частотний вимірювальний сигнал, стабільність показань, відносно проста вимірювальна схема, можливість отримання універсальної градуювання. До недоліків вихрових витратомірів відносяться значна втрата тиску, що досягає (30 ... 50) кПа, і деякі обмежені можливості їх застосування: вони непридатні при малих швидкостях через труднощі виміру сигналу, яка має малу частоту, і виготовляються тільки для труб, що мають діаметри (25 ... 300) мм. Застосування їх для великих труб викликає складності, а при дуже малих діаметрах є стійке вихреобразования [7].

1.6. Безконтактні витратоміри

Особливу увагу звертають на безконтактні витратоміри, що забезпечують вимірювання витрати без безпосереднього контакту їх чутливих елементів з вимірюваної середовищем і без порушення поля течії потоку. Таке вимірювання можна здійснити тільки за результатами взаємодії поля течії і допоміжного фізичного поля, джерело якого має бути розміщене в перетворювачі витрати безконтактного витратоміра.

Варто відзначити, що іноді до безконтактним витратомірів відносять такі їх типи, чутливі елементи яких мають безпосередній контакт з вимірюваної середовищем, хоча і не міняють його характер течії. Крім того, деякі типи безконтактних витратомірів можуть містити додатковий гідравлічний перетворювач, що змінює вихідний характер перебігу вимірюваної середовища з метою розширення функціональних можливостей витратоміра. Такі витратоміри можна віднести до безконтактним умовно назвати квазибезконтактнимы [9].

Методи безконтактних вимірювань, а також вимірювань витрати без застосування пристроїв, розташованих усередині трубопроводу, є найбільш перспективними. До них, насамперед, відносять електромагнітний і ультразвуковий методи [10].

1.6.1. Ультразвукові(акустичні) витратоміри

Основою ультразвукового методу вимірювання витрати є залежність від неї того чи іншого ефекту, що виникає при проході ультразвукових коливань через потік рідини.

Ультразвукові витратоміри реалізують різні способи вимірювання. Найбільш часто на практиці використовують два способи вимірювання, що відрізняються взаємним просторовим розташуванням напрямів вектора швидкості рідини і вектора поширення звукової хвилі.

Перший спосіб заснований на визначенні отклониния рухомим середовищем ультразвукового променя, спрямованого під прямим кутом до вектора руху потоку. По суті, вимірює зменшення кількості акустичної енергії, що потрапляє на приймач із зростанням швидкості потоку.

Недоліком даного способу є низька чутливість, тому частіше застосовується різновид цього способу, який полягає в тому, що промінь спрямовують під невеликим кутом відносно діаметру труби і приймають після багаторазового відбиття від стінок труби, як показано на рисунку. 1.4, а). Таким чином, досягається збільшення відстані, яку проходить промінь. Чутливість такої конструкції вище, ніж у основного способу, однак слід зазначити, що показання істотно залежать від ступеня корозії і забруднення внутрішніх поверхонь труби, що відбивають коливання. Крім того, швидкість звуку в середовищі залежить від температури рідини, її кінематичної в'язкості і ступеня забруднення рідини. Ця залежність призводить до зростання похибки при зміні фізико-хімічних властивостей вимірюваної рідини.

Для виключення впливу залежності швидкості звуку від різних факторів використовують інший спосіб, у якому витрата рідини визначається за різницею швидкості поширення звуку в напрямку потоку і проти нього. Ультразвукові коливання при цьому направляють під кутом до напрямку руху потоку. На рисунку. 1.4, б) показана одноканальна, а на малюнку. 1.4, в), г) – двоканальні конструкції перетворювачів витратомірів, які реалізують зазначений метод формування та прийому акустичних коливань

Якщо площини випромінюють і приймають акустичних перетворювачів розташовані під деяким кутом θ до осі труби, то звуковий коливання проходять в вимірюваної рідини шлях довжиною L під кутом α, рівний α = 90° - θ. Позначимо через νL швидкість потоку, усереднену по довжині L. Проекція швидкості νL на напрям L буде дорівнювати νL cosα. Якщо акустичні коливання спрямовані в бік руху потоку, то час τ1 проходження ними відстані L визначається виразом:

τ₁ = L / (c + ν_L × cosα) (1.1)

де з - швидкість поширення акустичних коливань в нерухомій рідини.

При зворотному напрямку акустичних коливань τ₂ проходження ними тієї ж відстані визначиться виразом:

τ₂ = L / (c + ν_L × cosα) (1.2)

Віднімаючи (1.2) в (1.1), отримаємо:

Враховуючи, що , Отримаємо:

В даному способі розрізняють кілька різновидів.

В час-імпульсному методі вимірюється різниця часу Δτ проходження коротких імпульсів в напрямку потоку і проти нього шляху довжиною L. Ця різниця пов'язана з середньою швидкістю потоку νL виразом (1.3). У цьому методі залишається залежність від швидкості ультразвуку в середовищі, але існують можливості компенсації цієї залежності, наприклад, установкою додаткової пари резонаторів.

В частотно-імпульсному методі кожен імпульс (або кілька імпульсів), що надійшли в приймач, порушують генерацію нового імпульсу. Вимірюючи частоту повторення імпульсів по потоку і проти нього, обчислюють витрати. Перевагою даного методу є незалежність характеристики від швидкості звуку.

Фазовий метод передбачає вимірювання різниці фаз сигналу по потоку і проти нього. Метод заснований на тому, що при зміні швидкості потоку сигнал приходить до приймача з різною фазою. Дійсно, якщо початкові фази обох звукових коливань, які мають період Т і частоту f, абсолютно однакові, отримаємо:

Підставляючи значення (1.3) (1.4), отримаємо вираз, що визначає залежність між Δφ і середньою швидкістю потоку νL на відстані L:

де ω = 2πf - кругова частота коливань.

Існує ще один різновид ультразвукових витратомірів - допплеровские витратоміри. Допплерівський метод заснований на виникненні зсуву частот при відображенні звукового променя від рухомої частинки або неоднорідності потоку, наприклад, від газового пухирця. Недоліком методу є вимога наявності таких неоднорідностей.

Для реалізації ультразвукового методу застосовують кілька основних конструкцій первинного перетворювача.

У моноблочної конструкції перетворювач являє собою відрізок труби з фланцями. Пьезопреобразователь змонтований на трубі стаціонарно. Даний перетворювач калібрується на повірочної установці і поставляється повністю готовим до використання.

В конструкції з врізаними пьезопреобразовательным випромінювачем і приймачем монтуються стаціонарно на існуючому трубопроводі.

В конструкції з накладними пьезопреобразовательным випромінювачем і приймачем монтуються на існуючому трубопроводі з допомогою спеціальних притискних пристроїв.

З перерахованих конструкцій маленькі похибки вимірювання витрати в моноблочної конструкції. Найгірші показники похибок в конструкції з накладними пьезопреобразовательными випромінювачами. До переваг останніх двох конструкцій можна віднести можливість вимірювання витрати в трубах великих діаметрів (Понад 1000 мм) [8].

1.6.2. Електромагнітні витратоміри

В даний час тверду позицію серед пристроїв вимірювання витрати рідких речовин займають електромагнітний витратомір. Цей тип витратоміра найбільш повно задовольняє вимогам. Він має досить високу точність вимірювання, широкий лінійний динамічний діапазон. Крім того, він не має механічних частин, що контактують з рідиною, а тому він здатний легко відповідати санітарно-гігієнічним вимогам.

Робота електромагнітного витратоміра рідини заснована на ефекті Фарадея. У провіднику, пересе кают силові лінії поля індукується ЕРС, пропорційна швидкості руху м не залежить від фізичних властивостей рухомої середовища. При цьому напрямок ЕРС, що виникає в провіднику, є перпендикулярним напрямку руху провідника і напрямку магнітного поля [2].

За вимірюваним ефектом електромагнітні витратоміри можуть бути віднесені до трьох типів [11]:

– кондукционные електромагнітні витратоміри - прилади, дія яких заснована на вимірюванні індукованого електричного поля(рисунок 1.5);

Резюме Біографія