Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат по темі випускної роботи

Зміст

Вступ

Для збереження такого важливого ресурсу життєзабезпечення, як вода, необхідно широке застосування приладів контролю та обліку її споживання – витратомірів. Без витратомірів неможливо забезпечити нормальне функціонування не тільки комунальних служб, а й роботу промислових і сільськогосподарських підприємств. Вони потрібні для обліку речовин, що транспортуються по трубах і споживаних різними об'єктами. Без застосування витратомірів складно не тільки вести облік споживання ресурсу і забезпечувати його економію, але і важко контролювати витоку і виключати його втрати.

Актуальність теми

Актуальність теми магістерської дисертації обумовлена необхідністю впровадження на пунктах водопостачання великих міст сучасних електронних систем централізованого вимірювання та обліку витрати питної води в напірних (заповнених) трубопроводах великого діаметру. Витрата крапельних рідин в таких трубопроводах визначається, як правило, непрямим методом, за результатами вимірювань площі поперечного перерізу труби і швидкості у видатковій точці цього перетину (способом площа-швидкість). В даний час для вимірювання витрати рідини в повністю заповненому трубопроводі застосовують, найчастіше, прилади, засновані на використанні електромагнітного (магнітогідродинамічного – МГД) методу вимірювання витрати або швидкості. Метод дозволяє створювати недорогі і надійні прилади, що характеризуються високими метрологічними та експлуатаційними характеристиками, високою стабільністю показань і їх незалежністю від фізико-хімічних властивостей робочої рідини, можливістю передачі інформації про значення вимірюваної витрати (швидкості) у вигляді електричного сигналу на великі відстані без втрат і спотворень.

Мета і завдання дослідження, плановані результати

Метою дисертаційної роботи є дослідження та обґрунтування структури витратоміра питної води для напірних трубопроводів великого діаметру, що володіє високими експлуатаційними та метрологічними характеристиками.

Для досягнення поставленої мети в роботі:

    • виконано аналіз сучасних методів, способів і засобів вимірювання витрати рідини в напірних (заповнених) трубопроводах великого діаметру;

    • виконано аналітичний огляд сучасних методів і засобів вимірювання локальної швидкості потоків крапельних рідин в трубопроводі круглого перетину;

    • отримано математичну модель МГД-перетворювача швидкості, що встановлює зв'язок вихідного сигналу перетворювача з вимірюваної складової вектора швидкості потоку рідини;

    • виконано аналіз електрохімічних процесів, що протікають на межі розділу рідина-робоча поверхня чутливого електрода МГД-перетворювачах швидкості;

    • проведено дослідження особливостей процесів формування вихідних сигналів МГД-перетворювачів швидкості (і витрати) при застосуванні в них різних магнітних полів;

    • з урахуванням результатів виконаних досліджень в роботі виконано синтез структурної схеми витратоміра питної води для напірних трубопроводів великого діаметру.

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

Всі засоби вимірювання витрати за методом вимірювання поділяють на два класи: прямого вимірювання витрати і непрямого вимірювання витрати. Прилади, побудовані на основі першого методу, вимірюють безпосередньо витрата рідини в трубопроводі [2].Прилади, що реалізують метод непрямого вимірювання витрати способом швидкість-площа, визначають витрату рідини в трубопроводі по швидкості потоку в одній точці поперечного перерізу трубопроводу (точці середньої швидкості) і його площі [1,6,7]. В останньому випадку вимірювання витрати грунтується на закономірностях турбулентного течії рідини в трубі, згідно з якими локальна швидкість потокуV у точці, віддаленій на відстані [(0,242 ± 0,013) × R] від внутрішньої поверхні труби, дорівнює середній швидкості рідини в даному перерізі – V = Vср, а значить – пропорційна її витраті:

формула 1

де Q – об'ємна витрата рідини; Vср – середня швидкість рідини;

S – площа поперечного перерізу труби.

1. Класифікація засобів вимірювань витрати в трубопроводах

1.1 Витратоміри змінного перепаду тиску

Схема витратоміра змінного перепаду тиску представлена на рис.1.1

Схема витратоміра змінного перепаду тиску

Рисунок 1.1 – Схема витратоміра змінного перепаду тиску

У такого витратоміра діафрагма, встановлена в трубопроводі на шляху руху рідини, створює перепад тиску, вимірюючи який можна визначити об'ємний витрата [2].

формула 2

де α – коефіцієнт, що враховує стиснення потоку і профіль швидкості в потоці,

ε – коефіцієнт, що враховує зміну щільності потоку в звужує пристрої,

F – площа перетину трубопроводу,

ρ – щільність рідини,

ΔР – вимірюваний перепад тисків.

Ці засоби вимірювання витрати знайшли широке застосування в промисловій практиці, що пояснюється простотою їх конструкції, а головне – можливістю безпролівного градуювання (повірки, калібрування). Але, незважаючи на велику різноманітність звужують пристроїв і спеціально розроблених конструкцій, високої точності вимірювання витрати за допомогою цих засобів вимірювань досягти не вдається.

1.2 Труби Вентурі

Труби (і сопла) Вентурі (рис 1.2) більш стійкі до зносу і забезпечують проходження механічних домішок. Однак на точність вимірювання цих засобів вимірювань істотно впливає стан трубопроводу (необхідна часта чистка труб) і довжина прямої ділянки трубопроводу до і після вимірювального перетворювача.

Схема труби Вентурі

Рисунок 1.2 – Схема труби Вентурі

Труби (і сопла) Вентурі мають ряд переваг в порівнянні з діафрагмами: меншими гідравлічними опорами, більшою стабільністю показань, більш широким діапазоном вимірювань і т.д. але вони практично не застосовуються на трубопроводах середніх і великих діаметрів, оскільки вага труби Вентурі великого діаметру може досягати декількох тонн. Це значно ускладнює їх монтаж, збільшує трудомісткість і вартість виготовлення.

1.3 Турбінні витратоміри

Характерною особливістю конструкції цих засобів вимірювання (рис. 1.3) є наявність обертового елемента – турбіни, швидкість обертання якої прямо пропорційна об'ємній витраті рідини [7].

Схема турбінного витратоміра

Рисунок 1.3 – Схема турбінного витратоміра

Турбінний витратомір складається з трьох основних елементів: турбінного первинного перетворювача 1, вторинного перетворювача 2, відлікової системи (реєстратора) 3. Турбінний перетворювач являє собою аксіальну лопатну турбіну, що обертається в підшипниках 4. Потік вимірюваного середовища, впливаючи на похилі лопатки турбіни, надає їй обертальний рух з кутовою швидкістю ω, пропорційної витраті вимірюваного середовища Q.

Переваги турбінних витратомірів: простота конструкції; висока чутливість; широкий динамічний діапазон вимірювань; можливість вимірювання малих витрат; мала інерційність і, як наслідок, Малі динамічні похибки при вимірюванні миттєвих значень витрати; лінійна залежність їх вихідного електричного сигналу від вимірюваної витрати (швидкості) в нормованому діапазоні вимірювання.

Основні недоліки: необхідність індивідуальної градуювання; вплив зміни в'язкості і гідродинамічних параметрів потоку на показання приладу; наявність опор, що зношуються в процесі експлуатації, що призводить до зниження точності і необхідності частих градуювань.

1.4 Вихрові витратоміри

Сутність методу полягає в створенні в потоці рухомої жикості стійкої вихровий структури (рис 1.4), збудження якої досягається закручуванням потоку або за допомогою обтікання потоком нерухомого тіла спеціальної форми. Існує кілька різновидів вихрових витратомірів [2], але кінцевим критерієм будь-якої конструкції є пульсації тиску рідини, які характеризуються числом Рейнольдса Re , що представляє собою відношення сил інерції до сил в'язкого тертя в потоці, і числом Струхаля Sh=f·d/V, визначальним періодичні процеси, пов'язані з рухом рідини

Схема вихрового витратоміра

Рисунок 1.4 – Схема вихрового витратоміра

Статична характеристика перетворення вихрових витратомірів має наступний вигляд:

формула 3

де V – швидкість потоку;

D – діаметр трубопроводу;

ν – кінематична в'язкість вимірюваної рідини;

f – частота пульсацій тиску рідини, в результаті періодичного зриву вихорів;

d – діаметр тіла, що викликає періодичні зриви вихорів.

Переваги вихрових витратомірів: лінійна характеристика перетворення, висока точність (похибка в межах ± 0,5÷1,5%), простота перетворення, відсутність рухомих частин, мала інерційність, частотний вихідний сигнал. Однак такі витратоміри при великих діаметрах трубопроводів (понад 250-300 мм) працюють в низькочастотної області і не забезпечують стійкого вихреобразования [2]. До недоліків вихрових витратомірів також можна віднести чутливість до забруднення вимірюваного середовища.

1.5 Електромагнітні витратоміри

До перспективним засобами вимірювання витрати рідин з іонною провідністю (провідників другого роду, до яких належить питна вода) відносяться електромагнітні (магнітогідродинамічні) перетворювачі, принцип дії яких заснований на фундаментальному законі електродинаміки – явищі електромагнітної індукції. Відповідно до нього в провідному середовищі, що рухається в магнітному полі, індукується електричне поле, напруженість Е якого пропорційна значенню індукції В магнітного поля і значенням швидкості руху середовища V і не залежить від фізичних властивостей середовища (провідності, температури, в'язкості і т.п.). Спрямований вектор напруженості електричного поля перпендикулярно вектору швидкості руху провідника і вектору індукції прикладеного магнітного поля [4]:

формула 4
До пояснення принципу роботи електромагнітного перетворювача витрати (швидкості)

Рисунок 1.5 – До пояснення принципу роботи електромагнітного перетворювача витрати (швидкості)

Електричне поле, індуковане в рідині, потенційно [2]:

формула 5

де φ – потенціал електричного поля, індукованого в рідині

Електромагнітний кондукційний витратомір складається з (рис. 1.6): а) вимірювального ділянки трубопроводу 1, виконаного з немагнітного матеріалу і має внутрішнє ізоляційне покриття; б) магнітної системи 2, розташованої зовні трубопроводу; в) двох електродів 3 (Э1 і Э2), призначених для знімання індукованої в рідині різниці потенціалів, і розташованих на кінцях діаметра труби, перпендикулярного напрямку руху рідини і напрямом силових ліній магнітного поля, урівень з внутрішньою поверхнею трубопроводу.

Конструкція електромагнітного витратоміра

Рисунок 1.6 – Конструкція електромагнітного витратоміра

Важливою перевагою електромагнітних витратомірів є відсутність виступаючих або рухомих в потоці частин. Тому такі прилади не порушують гідродинамічну структуру потоку і не створюють додаткового гідравлічного опору. Вони не вимагають постійного догляду і можуть з успіхом застосовуватися при вимірюванні витрати рідин з домішками і суспензіями, кислот, лугів і багатьох інших забруднених і агресивних середовищ [2–4], але для трубопроводів більшого діаметру технічно складно сформувати у всьому перетині труби однорідне магнітне поле необхідної напруженості за допомогою магнітної системи, що розташовується на поверхні трубопроводу, через значну вагу і габаритів магнітної систем.

1.6 Трубка Піто – Прандтля

Трубка Піто – Прандтля утворює перепад тиску в залежності від швидкості потоку, існуючої в місці її установки. В даний час відомі трубки Піто – рандтля різних модифікацій, проте їх застосування для вимірювань локальної швидкості в потоках рідини обмежується, в основному, лабораторними дослідженнями. Це пов'язано, перш за все, з вимогою відсутності суспензій, домішок і опадів у вимірюваної рідини. Трубкам Піто – Прандтля властивий ряд недоліків, головними з яких є: а) велика інерційність; б) низька чутливість (близько 15-20 см/с); нелінійність градуювальної характеристики, особливо яка при вимірюванні малих швидкостей – менш (3 – 5) м/с [5].

1.7 Витратоміри з гідрометричними вертушками

Основним елементом таких витратомірів є гідрометрична вертушка. Зазвичай вона аксіального типу. Швидкість обертання вертушки пропорційна швидкості потоку в точці розташування центру вертушки. Практично витратоміри з гідрометричними вертушками вимірюють швидкість потоку в точці поперечного перерізу трубопроводу.

Витратоміри з гідрометричними вертушками для трубопроводів великих діаметрів характеризуються незначними втрати напору, які викликаються розміщенням первинного вимірювального перетворювача швидкості (вертушки) в досліджуваному потоці. В цьому їх перевага.

До недоліків таких приладів слід віднести наявність в трубопроводі рухомих частин витратоміра і, як наслідок, необхідність мати досить складну систему їх змащення. У порівнянні з напірними трубками гідрометричні вертушки мають великі габарити [2].

1.8 Витратоміри з МГД-перетворювачами локальної швидкості

Недоліки електромагнітних витратомірів, заснованих на методі прямого вимірювання, пов'язані з великими габаритами, витратою заліза і міді, а також енергоживлення змушують відмовитися від таких засобів вимірювань і використовувати електромагнітні перетворювачі швидкості з магнітним полем, локалізованим в зоні установки чутливих електродів. Такі, що вводяться в потік електромагнітні витратоміри з локальним магнітним полем, виявляються простіше і дешевше, а їх перевага зростає зі збільшенням діаметра трубопроводу. Магнітне поле в області чутливих електродів перетворювача створюється мініатюрної котушкою, що живиться змінним струмом. [3,4]. Крім того, для підвищення чутливості витратоміра можуть застосовуватися різного роду концентратори магнітного поля, розташовані безпосередньо в околиці електродів.

Перспективність електромагнітних витратомірів з локальним магнітним полем обумовлена тим, що вони мають невеликі габарити, мінімально обурюють потік, технологічні, міцні, мають низьку металоємність і малим енергоспоживанням, легко встановлюються за допомогою стандартних вводів в трубопроводах безперервної дії і т. д. [2,7]. Високі експлуатаційні показники таких витратомірів по праву висувають їх в число найбільш перспективних приладів для вимірювання витрати водних середовищ в трубопроводах великих діаметрів.

Висновок

1.В даний час відсутні надійні Вимірювачі, що забезпечують отримання достовірної інформації про витрату рідких середовищ в трубопроводах великих діаметрів і задовольняють всім вимогам, що пред'являються до сучасних засобів вимірювання витрати.

2.Засоби вимірювання витрати можна розділити на два класи: прямого вимірювання витрати і непрямого вимірювання витрати. Прилади, що реалізують метод прямого вимірювання, вимірюють безпосередньо витрата рідини в трубопроводі; прилади, що реалізують метод непрямого вимірювання, визначають витрату рідини в трубопроводі по швидкості потоку в одній точці поперечного перерізу трубопроводу (точці середньої швидкості) і його площі.

3.Найбільш повно завданню вимірювання витрати рідких середовищ в заповнених трубопроводах великих діаметрів відповідають витратоміри, засновані на методі визначення витрати по швидкості потоку в одній точці поперечного перерізу трубопроводу і його площі

Література

  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....