|
|
Разработка расходомера. метрология. Разработка расходомера с сужающим устройством и определение его метрологических характеристик
Метрологические характеристики средства измерений - характеристики свойств средства измерений, оказывающих влияние на результаты и погрешности измерений, предназначенные для оценки технического уровня и качества средства измерений, для определения результатов измерений и расчетной оценки характеристик инструментальной составляющей погрешности измерений. Характеристики, устанавливаемые нормативно-техническими документами, называются нормируемыми, а определяемые экспериментально — действительными. Номенклатура метрологических характеристик, правила выбора комплексов нормируемых метрологических характеристик для средств измерений и способы их нормирования определяются стандартом ГОСТ 8.009-84 «ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений».
В соответствии с ГОСТ 8.009-84 метрологические характеристики (МХ) средств измерений можно разделить на следующие группы:
характеристики, предназначенные для определения результатов измерений (без введения поправки). Такие МХ можно назвать номинальными;
характеристики погрешностей СИ. Сюда же можно отнести характеристики чувствительности СИ к влияющим величинам;
динамические характеристики СИ;
неинформативные параметры выходного сигнала СИ.
Номинальные метрологические характеристики однозначной и многозначной мер включают значения мер, представляемые именованными числами (одно – Y, или множество значений многозначной меры Yi). Для штриховых мер обязательны также и характеристики, связанные со шкалой. Эти и некоторые другие метрологические характеристики многозначных штриховых мер могут выбираться из общей номенклатуры МХ аналоговых средств измерений, которая приведена далее.
Кроме номинальных обязательно нормируются характеристики погрешностей любой меры, а остальные (динамические и другие МХ) нормируются только по необходимости.
Для измерительного преобразователя или прибора интегральной МХ является функция преобразования СИ. Она может быть задана в виде формулы, таблицы или графика, причем следует различать номинальную функцию преобразования (приписанная СИ идеальная функция) и градуировочную характеристику СИ (реализованная зависимость между величинами на входе и на выходе средства измерений).
Частные МХ измерительного преобразователя (ИП) могут включать следующие номинальные характеристики:
диапазон измерений – область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средства измерений;
пределы измерений (нижний и верхний), соответствующие наименьшему и наибольшему значениям диапазона измерений;
чувствительность СИ – отношение сигнала на выходе ИП, отображающего измеряемую величину, к вызывающему его сигналу на входе ИП;
порог чувствительности— наименьшее изменение измеряемой величины, которое вызывает заметное изменение выходного сигнала.;
цена единицы наименьшего разряда кода или номинальная ступень квантования, если она больше цены единицы наименьшего разряда кода (для преобразователей с дискретным устройством выдачи измерительной информации);
При недостаточности данных характеристик, остальные МХ преобразователей выбирают из той же номенклатуры, что и для измерительных приборов.
 Для измерительных приборов, как и для преобразователей также может быть задана функция преобразования СИ (интегральная МХ) в виде формулы, таблицы или графика. Для конкретного прибора может также использоваться и градуировочная характеристика. Для измерительных приборов с неименованными устройствами отображения информации или выходными устройствами, градуированными не в единицах измеряемой физической величины, эти МХ входят в перечень нормируемых характеристик и могут использоваться в паспортах и другой документации.
К метрологическим характеристикам относятся погрешности СИ.
Погрешность средства измерений — это разность между показаниями СИ и истинным (действительным)" значением измеряемой величины. Поскольку истинное значение физической величины неизвестно, то на практике пользуются ее действительным значением. Для рабочего СИ за действительное значение принимают показания рабочего эталона низшего разряда (допустим, 4-го), для эталона 4-го разряда, в свою очередь, — значение величины, полученное с помощью рабочего эталона 3-го разряда.
Характеристики погрешности измерительного прибора (преобразователя):
Абсолютная погрешность – выражается формулой:
Абсолютная погрешность выражается в единицах измеряемой величины и не всегда характеризует точность измерений.
Относительная погрешность измерения — отношение абсолютной погрешности измерения к опорному значению измеряемой величины, в качестве которого может выступать, в частности, её истинное или действительное значение.
Случайная погрешность — составляющая погрешности результата измерения, изменяющаяся случайным образом (по знаку и значению) в серии повторных измерений одного и того же размера величины с одинаковой тщательностью.
Приведённая погрешность — это отношение максимально возможной абсолютной погрешности к нормирующему значению.
Основная погрешность – погрешность, которую имеет СИ при использовании в нормальных условиях.;
Дополнительная погрешность – изменение погрешности СИ, вызванное отклонением одной из влияющих величин от ее нормативного значения.
Аддитивная (погрешность нуля) – погрешность, которая остается постоянной при всех значениях измеряемой величины.
Мультипликативная (погрешность чувствительности) – погрешность, которая линейно возрастает (или убывает) с увеличением измеряемой величины.
Значение среднего квадратичного отклонения случайной составляющей погрешности.
При определении оценок систематической составляющей погрешности СИ необходимо учитывать, что эти систематические составляющие рассматриваются как случайные величины на множестве СИ данного типоразмера.
Класс точности СИ — обобщенная характеристика, выражаемая пределами допускаемых (основной и дополнительной) погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность. Классы точности конкретного типа СИ устанавливают в НД. При этом для каждого класса точности устанавливают конкретные требования к метрологическим характеристикам, в совокупности отражающим уровень точности СИ данного класса.
По способу получения результата измерения делят на:
прямые;
косвенные.
Прямыми называют измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. Примером прямых измерений могут служить: измерение длины линейкой, массы с помощью весов, температуры стеклянным термометром и т. д.
В данной работе метрологические характеристики расходомера определяются косвенным методом.
Косвенными называют измерения, при которых искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. При косвенных измерениях путем прямых измерений находят значения величин-аргументов, а значение измеряемой величины Y определяют путем вычисления по формуле:
где X1, X2, …, XN – величины - аргументы
Результаты измерений аргументов и оценки их погрешностей могут быть получены из прямых, косвенных, совокупных, совместных измерений. Сведения об аргументах могут быть взяты из справочной литературы, технической документации.
Неопределенность — параметр, связанный с результатом измерения и характеризующий рассеяние значений, которые могли бы быть приписаны измеряемой величине.
Для количественной оценки неопределенности используются понятия стандартной и расширенной неопределенности. Стандартная неопределенность – неопределенность результата измерений, выраженная как среднеквадратичное отклонение (для неопределенности типа А). Для оценки неопределенности типа В необходима дополнительная информация: предварительные данные измерений; свойства материалов и приборов, относящиеся к измерениям; вид распределения и др. Например, для симметричного равномерного распределения стандартная неопределенность типа В равна – , где bi - границы отклонения измеряемой величины от результата измерений. Расширенная неопределенность – величина, определяющая интервал вокруг результата измерений, в пределах которого можно ожидать находится большая часть значений (аналог доверительного интервала). Расширенная неопределенность отличается от стандартной на коэффициент охвата k, который равен коэффициенту Стьюдента. Во многих практических случаях k=2 для нормального закона распределения и 1,65 для равномерного (Р=0,95).
При оценке относительной расширенной неопределенности результатов измерений расхода и количества среды определяют интервал вокруг результата измерения, в пределах которого находятся значения, которые с 95%-ным уровнем доверия могут быть приписаны измеряемой величине. При оценивании доверительных границ погрешностей результата косвенного измерения обычно принимают вероятность, равную 0,95 или 0,99. Использование других вероятностей должно быть обосновано.
Относительную расширенную неопределенность результата измерений величины Y при 95%-ном уровне доверия рассчитывают по формуле:
 относительная стандартная неопределенность результата измерений величины Y.
Относительная расширенная неопределенность должна быть представлена не более чем двумя значащими цифрами.
Если задана погрешность СИ, то относительную стандартную неопределенность результата измерений величины Y рассчитывают по следующим формулам:
при известной основной абсолютной погрешности  или основной относительной погрешности :
при известной приведенной основной погрешности  , если нормирующим параметром принят диапазон измерений (Yв – Yн):
если нормирующим параметром принят верхний предел измерений:
3. Расчёт диаметра отверстия сужающего устройства
Исходные данные к проекту:
Измеряемая среда – воздух;
Тип СУ – диафрагма;
Внутренний диаметр трубопровода – 149 мм;
Расход – Qmin=1200 м3/ч;
Qmax=300 м3/ч;
Температура – 20 ;
Рабочее давление (избыточное) – 0.5 МПа;
Перепад давлений на СУ – 50000 Па
Материал трубопровода—сталь оцинкованная.
Относительная влажность воздуха – 85%
Расчёт диаметра отверстия сужающего устройства в промышленности выполняется по алгоритму, изложенному в ГОСТ 8.586.1-2005 (приложение В).
Трубопровод и диафрагма изготавливаются из нержавеющей стали 12х18н10т имеющей коэффициент линейного расширения α = 16,4*10-6 1/°С. Исходя из этого внутренний диаметр при температуре 20 °С равен:
Плотность воздуха в рабочих условиях определяется по упрощенной формуле ГОСТ OIMPL R111-1-2009 (E.3):
где h – относительная влажность воздуха, %;
P – рабочее давление, Па;
t – рабочая температура, ºС.
Динамическая вязкость при 20 °С определяется согласно ГСССД МР 112 и равна μ = 0,00001004Па*с.
З
Зная минимальный и максимальный объемный расход, найдем массовый расход. Связь массового расхода среды, объемного расхода среды при рабочих условиях и объемного расхода среды, приведенного к стандартным условиям, устанавливает следующая формула:
 , где  - плотность измеряемой среды
Расчет выполняют в следующей последовательности:
По данным соответствующей части комплекса стандартов определяют значения верхней и нижней границы числа Рейнольдса  и  допускаемых значений для выбранного типа сужающих устройств (СУ). Для диафрагмы используется ГОСТ 8.586.2-2005 (пункт 5.3.1). Предположим, что отношение диаметра сужающего отверстия к диаметру трубопровода β<0.56, следовательно число Рейнольдса должно быть не менее 16000*β2.
Рассчитаем значение верхней границы Remax и нижней границы Remin рабочего диапазона значений Re по формулам:
Проверяют выполнение неравенств:  .  .
421276>5000
Неравенство выполняется, продолжаем выполнять расчет.
Рассчитаем вспомогательную величину А по формуле (ГОСТ 8.586.1-2005 формула B. 13):
Рассчитаем вспомогательную величину А по формуле (ГОСТ 8.586.1-2005 формула B. 13):
А = 
По данным соответствующей части комплекса стандартов определяем значения верхней и нижней границы относительного диаметра βн и βв допускаемых значений для выбранного типа сужающего устройства. Для диафрагм используется ГОСТ 8.586.2-2005 (пункт 5.3.1), в котором:
βн=0.1 βв=0.75
Рассчитаем значения вспомогательных величин B1 и В2 по формулам (ГОСТ 8.586.1-2005 формула B. 14 и B.15):
В1=Е1×С1×Кш1×Кп1×β2в×ε1
В2=Е2×С2×Кш2×Кп2×β2н×ε2
а) Е1 и Е2 - коэффициенты скорости входа при βв и βн , соответственно, определяются уравнением 3.6 из ГОСТ 8.586.1-2005 (пункт 3.3.9):
б) Коэффициенты истечения C1 и C2 , которые определяются уравнением 5.6 из ГОСТ 8.586.2-2005 (пункт 5.3.2.1):
Значение L1для углового способа отбора давления равно нулю.
Для обоих коэффициентов число Рейнольдса берётся равным Remax. Коэффициент А для данного уравнения определяется следующим образом:
Коэффициенты расширения ε находятся следующим образом:
где ∆p – перепад давления на диафрагме, Па;
P – абсолютное давление в месте сужения, Па;
κ – показатель адиабаты для воздуха согласно ГСССД МР 112 равный 1,403.
C1 - коэффициент истечения при Remax и βв
C2 - коэффициент истечения при Remax и βн
С1=0.59537
C2=0.596508
в) Шероховатость внутренней поверхности измерительного трубопровода примем удовлетворяющей требованиям ГОСТ 8.586.1-2005 (пункт 7.1.5) без дефектов и различных осадков в виде пыли, песка, металлической окалины и других загрязнений, поэтому коэффициенты учитывающие шероховатость внутренней поверхности измерительного трубопровода Кш1 и Кш2 примем равными 1.
г) Аналогичным образом примем радиус входной кромки диафрагмы не превышающим 0.0004d, т.к. диафрагма должна быть изготовлена соответствующей требованиям ГОСТ 8.586.2-2005. В этом случае коэффициенты, учитывающие притупление входной кромки диафрагмы Кп1 и Кп2 равны 1.
С учетом изложенного выше вспомогательные величины  и  будут равны
Далее рассчитывают значения вспомогательных величин  и  по формулам:
Если величины и имеют разные знаки, то расчет продолжают.
6) Относительно неизвестной величины β решают следующие уравнение:
Решение данного уравнения может быть выполнено любым итерационным методом. Используем для этого метод бисекции:
а) рассчитываем значение β по формуле:
 = 0,425
б) для значения β рассчитываем значение вспомогательной величины В при  по формуле:
в) проверяем выполнение неравенства
Если неравенство не выполняется, то рассчитываем новое значение β по формуле из пункта а, в котором если Bн=β, рассчитанное на первом шаге итерации, в другом случае принимаем βв=β.
Для нового значения β рассчитываем значение вспомогательной величины В. Выбор новых значений β для замены βв и βн продолжают до выполнения неравенства.
После выполнения 11 итераций были получены следующие значения:
Используя найденное значение β вычисляем диаметр отверстия диафрагмы по формуле (ГОСТ 8.586.1-2005 формула B.20):
и диаметр при 20 °С:
В соответствии с ГОСТ 8.586.2-2005 (пункт 5.3.1) диаметр диафрагмы должен удовлетворять условию :
d  0.0125 м
Так как диаметр СУ удовлетворяет условию, то диаметр считаем найденным.
4 Выбор дифференциального манометра
Диапазон измерений перепада давления на СУ для газа рассчитывается следующий образом:
Исходя из этого диапазона выбирают соответствующий дифференциальный манометр. Существует большое количество производителей манометров, но основными критериями при выборе дифманометра являются такие характеристики, как верхний номинальный предел измерений, предельно допустимое рабочее избыточное давление, предел допустимой погрешности. Для данного расходомера ДДМ-03-60 ДД / ДДМ-03-60 ДД-Ех подходит дифманометр диапазоном измерений 0-60 кПа, предельно допустимым избыточным давлением 2,5 МПа и приведенной погрешностью 1,5%.
Микропроцессорный датчик давления ДДМ-03 предназначен для преобразования избыточного давления (ДИ), разрежения (ДВ) и разности давлений (ДД) воздуха, нейтральных газов, воды, масла в стандартный токовый сигнал (4-20)мА..
Класс точности – 0.45, датчик предназначен для работы при температуре окружающего воздуха от -40 до +85ºС. Степень защиты от воздействия пыли и воды – IP54.
4.1 Расчет камеры усреднения давления
Отбор давления в расходомере может осуществляться через камеры усреднения (1) либо через отдельные отверстия (2).
Рисунок 2 – Камера усреднения давления
Диаметр ширины кольцевых щелей aдолжен удовлетворять следующим условиям для β<0.65:
0,005D≤а≤0.03D
0,0000745≤а≤0,00447
0,745мм≤а≤4,47мм
Т.е. должен быть не менее 0,745 мм и не более 4,47 мм. Кольцевые щели выполняют прерывистыми или сплошными по всему периметру корпуса камеры усреднения.
Глубина щели f должна быть больше или равна удвоенной кольцевой щели а, т.е. должна быть не менее 1,49 мм.
Внутренняя полость камеры должна иметь площадь не менее чем половина общей площади щели. Для трех кольцевых отверстий площадью 2 мм2 каждое, внутренняя полость должна иметь площадь не менее 3 мм2.
Внутренний диаметр корпуса камеры усреднения должен находится в пределах от Dдо 1,04D(149 – 154,96 мм). Длина корпуса камеры усреднения до диафрагмы с не должна превышать 0,65D(96,85 мм). Данные требования распространяются и на внутренний диаметр корпуса камеры усреднения и ее длину после СУ.
Отверстия, предназначенные для передачи давления на соответствующие СИ, выполненные в стенке корпуса каждой из камер, должны иметь круглое сечение диаметром от 4 до 10 мм.
Камеры усреднения до и после диафрагмы могут быть взаимно несимметричными, но должны соответствовать установленным требованиям.
4.2 Требования к трубопроводу
При входе в СУ поток должен быть стабилизированным. Поток считается стабилизированным, если длина прямолинейных участков ИТ соответствует требованиям раздела 6 ГОСТ 8.586.2-2005
Для корректных измерений расхода поток измеряемой среды должен быть стабильным. Для этого необходимо обеспечить необходимую минимальную длину прямолинейных участков.
Необходимая минимальная длина прямолинейных участков ИТ до и после диафрагмы определяется в зависимости от значения относительного диаметра отверстия диафрагмы и вида местного сопротивления.
Длина прямолинейного участка после диафрагмы до любого местного сопротивления для β от 0,4 до 0,5 должна быть не менее 6D (0.894 м) для обеспечения стабильного потока и уменьшения неопределенности измерений. Длина прямолинейного участка до диафрагмы выбирается в зависимости от типа местного сопротивления. Для примера возьмем заглушенный тройник, не изменяющий направление потока, для него необходима длина прямолинейного участка не менее 10 диаметров трубопровода или 1,49 м.
5. Выбор термометра сопротивления
Измерять температуру среды будем на прямолинейном участке ИТ до или после СУ.
Во всех случаях необходимо стремиться к тому, чтобы ПТ или его защитная гильза (при ее наличии) как можно меньше загромождали проходное сечение ИТ.
Согласно ГОСТ 8.586.5-2005 пункт (6.3.3), так как измеряемая среда – газ с рабочей температурой 20°С, ПТ или его защитную гильзу (при ее наличии) погружать в ИТ на глубину от 0.3 D до 0.7 D (примем 0.4D – 59.6 мм)
Наилучшим расположением ПТ при их установке является радиальное (рисунок 4.1).
Рисунок 3 - Схема установки ПТ
Согласно ГОСТ 8.586.5-2005 (пункт 6.3.6) при измерении температуры потока после СУ следует выполнять требования:
ПТ не допускается устанавливать от СУ на расстоянии более 15D;
если диаметр Dt(Dt=8мм) не превышает 0,13D (19.37 мм), то ПТ устанавливают на расстоянии не менее 5D от СУ (745 мм);
между СУ и ПТ должны отсутствовать местные сопротивления .
Руководствуясь данными положения установим ПТ после СУ на расстоянии 5D (745 мм).
Выбираем термометр сопротивления ТС-1199/014, предназначенный для измерения температуры жидких, газообразных сред и твердых тел. Диапазон измеряемых температур: -50 - 6000С. Длина монтажной части L=80 мм, диаметр монтажной части – 8мм, классом точности γ=0,1%. Материал соединительной головки - стеклонаполненный полиамид. Рн=0,4 МПа (номинальное давление).
 
Рисунок 4 - Термометр сопротивления исполнения ТСП-1199/014
|
|
|
Скачать 0.75 Mb.
2