ДонНТУ   Портал магистров

Смешная Алина Вячеславовна

Факультет компьютерных информационных технологий и автоматики

Кафедра электронной техники

Специальность Приборостроение

Исследование и обоснование структуры расходомера питьевой воды для напорных трубопроводов большого диаметра

Научный руководитель: к.т.н., доц. Коренев Валентин Дмитриевич

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• Актуальность темы
• Цель и задачи исследования, планируемые результаты
• Обзор методов и средств измерения расхода жидкости в напорном трубопроводе большого диаметра
• 1. Классификация средств измерений расхода в трубопроводах
• 1.1 Расходомеры переменного перепада давления
• 1.2 Трубы Вентури
• 1.3 Турбинные расходомеры
• 1.4 Вихревые расходомеры
• 1.5 Электромагнитные расходомеры
• 1.6 Трубка Пито – Прандтля
• 1.7 Расходомеры с гидрометрическими вертушками
• 1.8 Расходомеры с МГД-преобразователями локальной скорости
• Выводы
• Литература

Введение

Для сохранения такого важного ресурса жизнеобеспечения, как вода, необходимо широкое применение приборов контроля и учета ее потребления – расходомеров. Без расходомеров невозможно обеспечить нормальное функционирование не только коммунальных служб, но и работу промышленных и сельскохозяйственных предприятий. Они нужны для учета веществ, транспортируемых по трубам и потребляемых различными объектами. Без применения расходомеров сложно не только вести учет потребления ресурса и обеспечивать его экономию, но и трудно контролировать утечки и исключать его потери.

Актуальность темы

Актуальность темы магистерской диссертации обусловлена необходимостью внедрения на пунктах водоснабжения крупных городов современных электронных систем централизованного измерения и учета расхода питьевой воды в напорных (заполненных) трубопроводах большого диаметра. Расход капельных жидкостей в таких трубопроводах определяется, как правило, косвенным методом, по результатам измерений площади поперечного сечения трубы и скорости в расходной точке этого сечения (способом площадь-скорость). В настоящее время для измерения расхода жидкости в полностью заполненном трубопроводе применяют, чаще всего, приборы, основанные на использовании электромагнитного (магнитогидродинамического – МГД) метода измерения расхода или скорости. Метод позволяет создавать недорогие и надежные приборы, характеризующиеся высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками, высокой стабильностью показаний и их независимостью от физико-химических свойств рабочей жидкости, возможностью передачи информации о значении измеряемого расхода (скорости) в виде электрического сигнала на большие расстояния без потерь и искажений.

Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью диссертационной работы является исследование и обоснование структуры расходомера питьевой воды для напорных трубопроводов большого диаметра, обладающего высокими эксплуатационными и метрологическими характеристиками.

Для достижения поставленной цели в работе:

• выполнен анализ современных методов, способов и средств измерения расхода жидкости в напорных (заполненных) трубопроводах большого диаметра;

• выполнен аналитический обзор современных методов и средств измерения локальной скорости потоков капельных жидкостей в трубопроводе круглого сечения;

• получена математическая модель МГД-преобразователя скорости, устанавливающая связь выходного сигнала преобразователя с измеряемой составляющей вектора скорости потока жидкости;

• выполнен анализ электрохимических процессов, протекающих на границе раздела жидкость-рабочая поверхность чувствительного электрода МГД-преобразователях скорости;

• проведены исследования особенностей процессов формирования выходных сигналов МГД-преобразователей скорости (и расхода) при применении в них разных магнитных полей;

• с учетом результатов выполненных исследований в работе выполнен синтез структурной схемы расходомера питьевой воды для напорных трубопроводов большого диаметра.

Обзор методов и средств измерения расхода жидкости в напорном трубопроводе большого диаметра

Все средства измерения расхода по методу измерения разделяют на два класса: прямого измерения расхода и косвенного измерения расхода. Приборы, построенные на основе первого метода, измеряют непосредственно расход жидкости в трубопроводе [2]. Приборы, реализующие метод косвенного измерения расхода способом скорость-площадь, определяют расход жидкости в трубопроводе по скорости потока в одной точке поперечного сечения трубопровода (точке средней скорости) и его площади [1,6,7]. В последнем случае измерение расхода основывается на закономерностях турбулентного течения жидкости в трубе, согласно которым локальная скорость потока V в точке, отстоящей на расстоянии [(0,242 ± 0,013) × R] от внутренней поверхности трубы, равна средней скорости жидкости в данном сечении – V = Vср, а значит – пропорциональна ее расходу:

где Q – объемный расход жидкости; Vср – средняя скорость жидкости;

S – площадь поперечного сечения трубы.

1. Классификация средств измерений расхода в трубопроводах

1.1 Расходомеры переменного перепада давления

Схема расходомера переменного перепада давления представлена на рис.1.1

У такого расходомера диафрагма, установленная в трубопроводе на пути движения жидкости, создает перепад давления, измеряя который можно определить объемный расход [2].

где α – коэффициент, учитывающий сжатие потока и профиль скорости в потоке,

ε – коэффициент, учитывающий изменение плотности потока в сужающем устройстве,

F – площадь сечения трубопровода,

ρ – плотность жидкости,

ΔР – измеряемый перепад давлений.

Эти средства измерения расхода нашли широкое применение в промышленной практике, что объясняется простотой их конструкции, а главное – возможностью беспроливной градуировки (поверки, калибровки). Но, несмотря на большое разнообразие сужающих устройств и специально разработанных конструкций, высокой точности измерения расхода с помощью этих средств измерений достичь не удается.

1.2 Трубы Вентури

Трубы (и сопла) Вентури (рис 1.2) более стойки к износу и обеспечивают прохождение механических примесей. Однако на точность измерения этих средств измерений существенным образом влияет состояние трубопровода (необходима частая чистка труб) и длина прямого участка трубопровода до и после измерительного преобразователя.

Трубы (и сопла) Вентури имеют ряд преимуществ по сравнению с диафрагмами: меньшими гидравлическими сопротивлениями, большей стабильностью показаний, более широким диапазоном измерений и т.д. Но они практически не применяются на трубопроводах средних и больших диаметров, поскольку вес трубы Вентури большого диаметра может достигать нескольких тонн. Это значительно усложняет их монтаж, увеличивает трудоемкость и стоимость изготовления.

1.3 Турбинные расходомеры

Характерной особенностью конструкции этих средств измерения (рис. 1.3) является наличие вращающегося элемента – турбины, скорость вращения которой прямо пропорциональна объемному расходу жидкости [7].

Турбинный расходомер состоит из трех основных элементов: турбинного первичного преобразователя 1, вторичного преобразователя 2, отсчетной системы (регистратора) 3. Турбинный преобразователь представляет собою аксиальную лопатную турбину, вращающуюся в подшипниках 4. Поток измеряемой среды, воздействуя на наклонные лопатки турбины, придает ей вращательное движение с угловой скоростью ω, пропорциональной расходу измеряемой среды Q.

Достоинства турбинных расходомеров: простота конструкции; высокая чувствительность; широкий динамический диапазон измерений; возможность измерения малых расходов; малая инерционность и, как следствие, малые динамические погрешности при измерении мгновенных значений расхода; линейная зависимость их выходного электрического сигнала от измеряемого расхода (скорости) в нормированном диапазоне измерения.

Основные недостатки: необходимость индивидуальной градуировки; влияние изменения вязкости и гидродинамических параметров потока на показания прибора; наличие опор, изнашиваемых в процессе эксплуатации, что приводит к снижению точности и необходимости частых градуировок.

1.4 Вихревые расходомеры

Сущность метода заключается в создании в потоке движущейся жикости устойчивой вихревой структуры (рис 1.4), возбуждение которой достигается закручиванием потока или посредством обтекания потоком неподвижного тела специальной формы. Существует несколько разновидностей вихревых расходомеров [2], но конечным критерием любой конструкции являются пульсации давления жидкости, которые характеризуются числом Рейнольдса Re , представляющим собой отношение сил инерции к силам вязкого трения в потоке, и числом Струхаля Sh=f·d/V, определяющим периодические процессы, связанные с движением жидкости.

Статическая характеристика преобразования вихревых расходомеров имеет следующий вид:

где V – скорость потока;

D – диаметр трубопровода;

ν – кинематическая вязкость измеряемой жидкости;

f – частота пульсаций давления жидкости, в результате периодического срыва вихрей;

d – диаметр тела, вызывающего периодические срывы вихрей.

Достоинства вихревых расходомеров: линейная характеристика преобразования, высокая точность (погрешность в пределах ± 0,5÷1,5%), простота преобразования, отсутствие подвижных частей, малая инерционность, частотный выходной сигнал. Однако такие расходомеры при больших диаметрах трубопроводов (свыше 250-300 мм) работают в низкочастотной области и не обеспечивают устойчивого вихреобразования [2]. К недостаткам вихревых расходомеров также можно отнести чувствительность к загрязнению измеряемой среды.

1.5 Электромагнитные расходомеры

К перспективным средствами измерению расхода жидкостей с ионной проводимостью (проводников второго рода, к которым принадлежит питьевая вода) относятся электромагнитные (магнитогидродинамические) преобразователи, принцип действия которых основан на фундаментальном законе электродинамики – явлении электромагнитной индукции. В соответствии с ним в проводящей среде, движущейся в магнитном поле, индуцируется электрическое поле, напряженность Е которого пропорциональная значению индукции В магнитного поля и значению скорости движения среды V и не зависит от физических свойств среды (проводимости, температуры, вязкости и т.п.). Направлен вектор напряженности электрического поля перпендикулярно вектору скорости движения проводника и вектору индукции приложенного магнитного поля [4]:

Электрическое поле, индуцируемое в жидкости, потенциально [2]:

где φ – потенциал электрического поля, индуцируемого в жидкости

Электромагнитный кондукционный расходомер состоит из (рис. 1.6): а) измерительного участка трубопровода 1, выполненного из немагнитного материала и имеющего внутреннее изоляционное покрытие; б) магнитной системы 2, расположенной снаружи трубопровода; в) двух электродов 3 (Э1 и Э2), предназначенных для съема индуцируемой в жидкости разности потенциалов, и расположенных на концах диаметра трубы, перпендикулярного направлению движения жидкости и направлению силовых линий магнитного поля, заподлицо с внутренней поверхностью трубопровода.

Важным достоинством электромагнитных расходомеров является отсутствие выступающих или движущихся в потоке частей. Поэтому такие приборы не нарушают гидродинамическую структуру потока и не создают дополнительного гидравлического сопротивления. Они не требуют постоянного ухода и могут с успехом применяться при измерении расхода жидкостей с примесями и взвесями, кислот, щелочей и многих других загрязненных и агрессивных сред [2–4], но для трубопроводов большего диаметра технически сложно сформировать во всем сечении трубы однородное магнитное поле требуемой напряженности посредством магнитной системы, располагающейся на поверхности трубопровода, из–за значительного веса и габаритов магнитной системы.

1.6 Трубка Пито – Прандтля

Трубка Пито – Прандтля образует перепад давления в зависимости от скорости потока, существующей в месте её установки. В настоящее время известны трубки Пито – Прандтля различных модификаций, однако их применение для измерений локальной скорости в потоках жидкости ограничивается, в основном, лабораторными исследованиями. Это связано, прежде всего, с требованием отсутствия взвесей, примесей и осадков в измеряемой жидкости. Трубкам Пито – Прандтля присущ ряд недостатков, главными из которых являются: а) большая инерционность; б) низкая чувствительность (порядка 15-20 см/с); нелинейность градуировочной характеристики, особенно сказывающаяся при измерении малых скоростей – менее (3 – 5) м/с [5].

1.7 Расходомеры с гидрометрическими вертушками

Основным элементом таких расходомеров является гидрометрическая вертушка. Обычно она аксиального типа. Скорость вращения вертушки пропорциональная скорости потока в точке расположения центра вертушки. Практически расходомеры с гидрометрическими вертушками измеряют скорость потока в точке поперечного сечения трубопровода.

Расходомеры с гидрометрическими вертушками для трубопроводов больших диаметров характеризуются незначительными потери напора, которые вызываются размещением первичного измерительного преобразователя скорости (вертушки) в исследуемом потоке. В этом их достоинство.

К недостаткам таких приборов следует отнести наличие в трубопроводе подвижных частей расходомера и, как следствие, необходимость иметь достаточно сложную систему их смазки. По сравнению с напорными трубками гидрометрические вертушки имеют большие габариты [2].

1.8 Расходомеры с МГД-преобразователями локальной скорости

Недостатки электромагнитных расходомеров, основанных на методе прямого измерения, связанные с большими габаритами, расходом железа и меди, а также энергопитания вынуждают отказаться от таких средств измерений и использовать электромагнитные преобразователи скорости с магнитным полем, локализованным в зоне установки чувствительных электродов. Такие, вводимые в поток электромагнитные расходомеры с локальным магнитным полем, оказываются проще и дешевле, а их преимущество возрастает с увеличением диаметра трубопровода. Магнитное поле в области чувствительных электродов преобразователя создается миниатюрной катушкой, питаемой переменным током. [3,4]. Кроме того, для повышения чувствительности расходомера могут применяться различного рода концентраторы магнитного поля, располагаемые непосредственно в окрестности электродов.

Перспективность электромагнитных расходомеров с локальным магнитным полем обусловлена тем, что они имеют небольшие габариты, минимально возмущают поток, технологичны, прочны, обладают низкой металлоемкостью и малым энергопотреблением, легко устанавливаются посредством стандартных вводов в трубопроводах непрерывного действия и т.д. [2,7]. Высокие эксплуатационные показатели таких расходомеров по праву выдвигают их в число наиболее перспективных приборов для измерения расхода водных сред в трубопроводах больших диаметров.

Выводы

1.В настоящее время отсутствуют надежные измерители, обеспечивающие получение достоверной информации о расходе жидких сред в трубопроводах больших диаметров и удовлетворяющие всем требованиям, предъявляемым к современным средствам измерения расхода.

2.Средства измерения расхода можно разделить на два класса: прямого измерения расхода и косвенного измерения расхода. Приборы, реализующие метод прямого измерения, измеряют непосредственно расход жидкости в трубопроводе; приборы, реализующие метод косвенного измерения, определяют расход жидкости в трубопроводе по скорости потока в одной точке поперечного сечения трубопровода (точке средней скорости) и его площади.

3.Наиболее полно задаче измерения расхода жидких сред в заполненных трубопроводах больших диаметров отвечают расходомеры, основанные на методе определения расхода по скорости потока в одной точке поперечного сечения трубопровода и его площади.

Литература

1. ГОСТ 8.361-79. Методика выполнения измерений по скорости в одной точке сечения трубы. Введ. 01.07.90. - Изд-во стандартов, 1979. -14с.
2. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества вещества: Справочник. - Кн. 2 – СПб.: Политехника, 2004. – 412 с.
3. Корсунский Л.М. Электромагнитные гидрометрические приборы. – М.: Стандартгиз, 1964. – 180с.
4. Шерклиф Дж. Теория электромагнитного измерения расхода: Пер. с. англ. – М.: Мир, 1965. – 268 с.
5. Зори А.А. Методы, средства, системы измерения и контроля параметров водных сред: монография / А.А. Зори, В.Д. Коренев, М.Г. Хламов – Донецк: РИА ДонГТУ, 2000. – 388 с.
6. ГОСТ 8.439-81. Методика выполнения измерений методом площадь-скорость. Введ. 23.09.81. – Изд-во стандартов, 1982. – 51 с.
7. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://elib.gstu.by/bitstream....