Кориолисовый расходомер

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Национальный исследовательский томский политехнический университет

Институт неразрушающего контроля

Кафедра точного приборостроения

Выпускная квалификационная работа

на соискание квалификации бакалавра техники и технологии

по направлению «Приборостроение» ФЮРА.407281.178

КОРИОЛИСОВЫЙ РАСХОДОМЕР

Студент группы 1Б73 К.В. Равдин

Руководитель

доцент, к.т.н. Л.Б. Гурин

Консультант по технологии

доцент, к.т.н. А.Н. Гормаков

Томск 2011

Содержание

Введение

1. Расходометрия

2. Обзор принципов измерения расхода

2.1 Расходомеры, основанные на гидродинамических методах

2.2 Расходомеры с непрерывно движущимся телом

2.3 Расходомеры, основанные на различных физических явлениях

2.4 Расходомеры, основанные на особых методах

3. Выбор схемы, описание работы кориолисовых расходомеров

4. Уравнения, описывающие работу кориолисова расходомера

5. Расчет параметров расходомера

6. Разработка конструкции

7. Электрическая схема измерения массового расхода

8. Технология производства кориолисова расходомера

8.1 Служебное назначение кориолисова расходомера

8.2 Определение сборочного состава

8.3 Выбор организационной формы сборки и метода сборки

8.4 Разработка технологического процесса сборки

8.5 Разработка операционной карты изготовления разделителя потока ФЮРА.747171.178.008

8.6 Анализ технологичности кориолисова расходомера как сборочной единицы

Заключение

Список используемых источников

Приложение

Введение

В связи с развитием рыночной экономики возникает необходимость реорганизации системы учета сырьевых и продуктовых потоков. Все потоки по своему типу, например на нефтеперерабатывающем заводе можно разделить на: входящие (сырье на завод), внутрицеховые, межцеховые, выходящие (продукция с завода). Однако их область не ограничивается только нефтяной промышленностью. Без расходомеров нельзя обеспечить управление, и тем более оптимизацию технологических режимов в энергетике, металлургии, целлюлозно-бумажной, пищевой и во многих других отраслях промышленности. Без этих приборов невозможны автоматизация и достижение максимальной эффективности производства.

Расходомеры необходимы и для управления транспортными средствами, в том числе судами, самолетами и космическими кораблями. Они нужны для контроля над оросительными системами в сельском хозяйстве, требуются для проведения лабораторных и исследовательских работ.

Возрастающие требования к качеству измерения расхода на узлах коммерческого учета вызывают необходимость замены ряда устаревших приборов на современные. Причем они должны удовлетворять ряду качественных критериев: высокая точность измерения, быстродействие, высокая надежность, малая зависимость точности измерения от изменения плотности вещества, широкая номенклатура измеряемых веществ.

Приборы, отвечающие этим требованием, относятся к прямому методу измерения массы продукта. Таким прибором является кориолисовый массовый расходомер. Данный расходомер относится к группе приборов с непрерывно движущимся телом силового типа. Он обладает точностью выше, чем все остальные расходомеры, имеет ряд преимуществ перед объемными расходомерами. В первую очередь это измерение массового расхода напрямую. Это особенно важно на химическом производстве, где необходим точный учет жидкостей.

Измерение расхода и количества является сложной задачей, поскольку на показания приборов влияют физические свойства измеряемых потоков: плотность, вязкость, соотношение фаз в потоке и т.п. Физические свойства измеряемых потоков, в свою очередь, зависят от условий эксплуатации, главным образом от температуры и давления. Измерение массового расхода исключает необходимость в переводе объемного расхода в массовый, путем вычисления.

Главной задачей является подробное рассмотрение понятия, закона, лежащего в основе принципа действия прибора, а так же разработка конструкции кориолисова расходомера, его основных узлов и измерительных устройств (датчиков). Полученная конструкция должна быть технологична и удобна в эксплуатации.

1. Расходометрия

Для начала ознакомимся с несколькими важными терминами, относящимися к теме.

Расход - это количество (масса или объем) вещества, протекающего через заданное сечение трубопровода (канала) в единицу времени.

Расходомер - это прибор или устройство, состоящее из нескольких частей, измеряющих расход вещества (жидкости, газа или пара) (ГОСТ 15528 - 86).

Устройство, непосредственно воспринимающее измеряемый расход (например, диафрагма, сопло, напорная трубка) и преобразующее его в другую величину (например, в перепад давления), которая удобна для измерения, называется преобразователем расхода.

Вычислитель - это специализированный микроконтроллер, запрограммированный для выполнения расчетов расхода и количества вещества, энергосодержания и др. параметров.

Массовый расход Q_m измеряется в единицах массы, деленных на единицу времени (килограмм в секунду - кг/с, килограмм в час - кг/ч и т.д.).

Объемный расход Q₀ измеряется в единицах объема, деленных на единицу времени (кубических метрах в секунду - м³/с, кубических метрах в час - м³/ч и т.д.).

Единицы массы дают более полные и точные сведения о количестве или расходе вещества, чем единицы объема. Последние могут правильно определять количество вещества, если известны его давление и температура. Особенно это относится к измерению расхода газа, плотность которого сильно зависит и от температуры и от давления. В связи с этим на их фоне предпочтительнее выглядят массовые расходомеры, которые не требуют дополнительных преобразований, что увеличивает погрешность.

Измерительные системы являются разновидностью средств измерений, и на них распространяются все общие требования к средствам измерений. Измерительная система - это совокупность измерительных, связующих, вычислительных компонентов, образующих измерительных устройств (компонентов измерительной системы), функционирующих как единое целое и предназначенных: для получения информации о состоянии объекта; машинной обработки результатов; регистрации и индикации результатов измерений и результатов их машинной обработки; преобразований данных. [9]

2. Обзор принципов измерения расхода

Большое разнообразие и сложность требований, предъявляемых к расходомерам и счетчикам, явилось причиной разработки и создания значительного числа разновидностей этих приборов. При выборе необходимо исходить из свойств измеряемого вещества, его параметров, а также обоснованности требований к точности измерения, учитывая при этом как степень важности удовлетворения тем, или другим требованиям, так и сложность измерительного устройства и условия его эксплуатации и поверки.

Условно расходомеры и счетчики можно подразделить на следующие группы:

A. Приборы, основанные на гидродинамических методах:

1) переменного перепада давления;

2) переменного уровня;

3) обтекания;

4) вихревые;

5) парциальные.

Б. Приборы с непрерывно движущимся телом:

6) тахометрические;

7) силовые (в том числе вибрационные).

B. Приборы, основанные на различных физических явлениях:

8) тепловые;

9) электромагнитные;

10) акустические;

11) оптические;

12) ядерно-магнитные;

13) ионизационные.

Г. Приборы, основанные на особых методах:

14) корреляционные;

15) меточные;

16) концентрационные.

2.1 Расходомеры, основанные на гидродинамических методах

Среди приборов группы А исключительно широкое применение получили расходомеры с сужающим устройством, относящиеся к приборам переменного перепада давления. Для малых расходов жидкостей и газов служат ротаметры и поплавковые приборы, относящиеся к расходомерам обтекания. Сравнительно новые и весьма перспективны - вихревые расходомеры.

Расходомеры с сужающим устройством основаны на зависимости от расхода перепада давления, образующего на сужающем устройстве в результате частичного перехода потенциальной энергии в кинетическую.

Причиной широкого распространения таких расходомеров являются следующие их достоинства:

1. Универсальность применения. Они пригодны для измерения расхода, каких угодно однофазных, а в известной мере и двухфазных, сред при самых различных давлениях и температурах.

2. Удобство массового производства. Индивидуально изготовляется только преобразователь расхода - сужающее устройство. Все остальные части, в том числе диффманометр и вторичный прибор, могут изготавливаться серийно; их устройство не зависит ни от вида, ни от параметров измеряемой среды.

3. Отсутствие необходимости в образцовых установках для градуировки. Градуировочная характеристика стандартных сужающих устройств может быть определена расчётным путём.

Наряду с этим, расходомеры с сужающим устройством имеют недостатки, наиболее существенными из которых являются следующие:

1. Квадратичная зависимость между расходом и перепадом, что не позволяет измерять расход менее 30% максимального из-за высокой погрешности измерения и затрудняет использование этих приборов для измерения расходов, изменяющихся в широких пределах.

2. Ограниченная точность, причём погрешность измерения колеблется в широких пределах (1,5%-3%) в зависимости от состояния сужающего устройства, диаметра трубопровода, постоянства давления и температуры измеряемой среды. [6]

Принцип действия приборов переменного уровня основан на зависимости уровня жидкости в сосуде от расхода при свободном истечении ее через калиброванное отверстие (щель) в дне или боковой стенке.

Эти расходомеры применяются для измерения расхода загрязненных жидкостей, известкового молока, диффузионного сока, сусла-самотека и т.п.

Щелевые расходомеры хорошо зарекомендовали себя при измерении сильно загрязненных и быстро кристаллизующихся жидкостей и растворов. Диапазон измерения 0,1-50 м³/ч; основная погрешность устройства в комплекте с вторичным прибором ±3,5%.

Вихревые расходомеры построены на принципе измерения скорости измеряемой среды пропорциональной частоте образования вихрей за телом обтекания. [6]

Преимущественно данный тип расходомеров измеряет: жидкость, газ и пар. Измерение жидкостей ограничено вязкостью, поэтому этот тип применяется, прежде всего, для измерения расхода пара и газов. Ограничения - достаточно дороги для диаметров больше 200 мм.

Главными достоинствами этих расходомеров является: независимость точности измерения расхода от изменений температуры, давления и плотности измеряемой среды, высокая повторяемость и стабильность показаний, простота конструкции, легкость в монтаже, низкая стоимость обслуживания.

2.2 Расходомеры с непрерывно движущимся телом

Из группы Б значительное применение находят различные разновидности тахометрических расходомеров: турбинные, шариковые и камерные (роторные, с овальными шестернями и др.), последние - в качестве счетчиков газа, нефтепродуктов и других жидкостей.

Рассмотрим поподробней расходомеры группы Б, к которым относиться кориолисовый силовой расходомер.

Силовыми называются расходомеры, в которых с помощью силового воздействия, зависящего от массового расхода, потоку сообщается ускорение того или другого рода, и измеряется какой-либо параметр, характеризующий степень этого воздействия или его эффекта.

Ускорение потока возникает в процессе изменения его первоначального движения. В зависимости от характера этого изменения и сообщаемого при этом ускорения силовые расходомеры разделяются на:

1) кориолисовые;

2) гироскопические;

3) турбосиловые.

Принцип действия турбосиловых расходомеров основан на закручивании потока жидкости в результате силового воздействия, пропорционального массовому расходу.

Гироскопическими называются силовые расходомеры, в которых возникает и измеряется гироскопический момент. Преобразователь гироскопического расходомера состоит из участка трубы в виде петли кольцевой или другой формы, которая вращается с постоянной угловой скоростью вокруг оси Х. Кориолисовые и гироскопические расходомеры объединяют в одну общую подгруппу, вибрационные расходомеры. Объединяет их то, что подвижный элемент преобразователя не вращается, а лишь совершает непрерывные колебания с постоянной или периодически затухающей амплитудой под влиянием внешнего силового воздействия. Во всех вибрационных преобразователях расхода в подвижном элементе возникает кориолисово ускорение и соответствующе силы, создающие момент М_к, пропорциональный массовому расходу Q_м. который действует навстречу вращающему моменту.

Для измерения расхода однофазных веществ (жидкости или газа) в большинстве случаев наиболее целесообразны турбосиловые расходомеры (особенно при измерении больших расходов). Гироскопические расходомеры пригодны лишь для измерения малых расходов в трубах, имеющих диаметр менее 50 мм. Кориолисовы расходомеры занимают промежуточное положение.

Преобразователи турбосиловых и кориолисовых расходомеров, не имеющие электропривода, проще, компактнее и надежнее в работе. Но угловая скорость вращения их зависит от расхода, измерительная схема сложнее и чаще приходится применять измерительные пружины. При этом точность измерения будет зависеть от совершенства упругих свойств пружин, влияния температуры на эти свойства и возможности их изменения во времени и при изменении частоты их вращения из-за отсутствия или несовершенства динамической балансировки.

Преобразователи с внешним электроприводом сложны и нерациональны. Электропривод лучше иметь внутри преобразователя, когда их роторы совмещены друг с другом, а статор отделен диамагнитной втулкой. Относительно просты расходомеры с электроприводом, у которых расход определяется измерением мощности, питающей электродвигатель. Но у них шкала с подавленным нулем (мощность при нулевом расходе), а пропорциональность между мощностью или силой питающего тока и расходом сохраняется лишь в определенных пределах.

Если вязкость измеряемого вещества может существенно изменяться, надо применять двухроторные турбосиловые или кориолисовы расходомеры с компенсацией вязкости. При этом роторы и зазоры у них должны быть совершенно одинаковы, равно как и характеристики электродвигателей, вращающих роторы.

Предпочтительно применение силовых расходомеров для измерения расхода двухфазных сред, в частности нефтегазовых потоков. Но при этом возникает опасность расслоения фаз при вращении подвижного элемента преобразователя расхода, особенно в турбосиловых расходомерах. В меньшей степени это явление наблюдается в кориолисовых расходомерах, поэтому они нашли применение для измерения расхода нефтегазовых потоков, но нес вращающимся ротором, а с колеблющейся (вибрирующей) трубой при небольшой частоте ее вибрации.

Тахометрическими называются расходомеры и счетчики, имеющие подвижный, обычно вращающийся элемент, скорость движения которого пропорциональна объемному расходу. Они подразделяются на турбинные, крыльчатые, шариковые, роторно-шаровые и камерные. Иногда крыльчатки называют турбинками, различаются они конструкцией лопаточного аппарата и подачей потока.

Измеряя скорость движения подвижного элемента, получаем расходомер, а измеряя общее число оборотов (или ходов) его - счетчик количества (объем или массу) прошедшего вещества. Счетчики воды и газа давно получили широкое распространение, т.к. для этого надо лишь соединить вал турбинки или другого преобразователя расхода через зубчатый редуктор со счетным механизмом. Для создания же тахометрического расходомера скорость движения элемента надо предварительно преобразовать в сигнал, пропорциональный расходу и удобный для измерения. В этом случае необходим двухступенчатый преобразователь расхода. Его первая ступень - турбинка, шарик или другой элемент, скорость движения которого пропорциональна объемному расходу, а вторая ступень - тахометрический преобразователь, вырабатывающий измерительный сигнал, обычно частоту электрических импульсов, пропорциональную скорости движения тела. Здесь измерительным прибором будет электрический частотомер: цифровой или аналоговый. Если его дополнить счетчиком электрических импульсов, то получим наряду с измерением расхода так же и измерение количества прошедшего вещества. Тахометрические расходомеры появились значительно позже упомянутых ранее счетчиков количества жидкости и газа и не получили еще столь широкого распространения. Их существенные достоинства - быстродействие, высокая точность и большой диапазон измерения. Так, если погрешность турбинных счетчиков воды (ось которых через редуктор связана со счетным механизмом) равна ±2%, то у измерителей количества, имеющих тахометрический преобразователь, эта погрешность снижается до ±0,5%. Причина в том, что этот преобразователь почти не нагружает ось турбинки в отличие от редуктора и счетного механизма. Погрешность же турбинного расходомера от 0,5 до 1,5%, в зависимости от точности частотомера.

Основной недостаток турбинных расходомеров - изнашивание опор, и поэтому они непригодны для веществ, содержащих механические примеси. Кроме того, с увеличением вязкости вещества диапазон линейной характеристики уменьшается, что исключает их применение для очень вязких веществ. Но смазывающая способность измеряемого вещества желательна для турбинных расходомеров. Это делает их более пригодными для жидкостей, чем для газов.

Шариковые расходомеры служат для измерения расхода жидкостей, главным образом воды, в трубах диаметром до 150-200 мм. Их важное достоинство - возможность работы на загрязненных средах.

Камерные приборы наряду с турбинными отличаются большим разнообразием подвижных элементов, дающих наименование разновидностям этих приборов: роторные, поршневые, дисковые, с овальными шестернями, лопастные, винтовые и т.д. По сравнению с турбинными и шариковыми счетчиками количества они могут обеспечить большую точность и больший диапазон измерения. Так, несмотря на связь вала подвижного элемента с редуктором и счетным механизмом, погрешность у некоторых из них составляет всего ±(0,2…0,5)%. Кроме того, камерные счетчики пригодны для измерения количества жидкости любой вязкости, в том числе и очень большой. Но они чувствительны к загрязнениям и механическим примесям. [2]

2.3 Расходомеры, основанные на различных физических явлениях

Среди разнообразных приборов группы В чаще других применяют электромагнитные расходомеры для измерения расхода электропроводных жидкостей и ультразвуковые (разновидность акустических) для измерения жидкостей и частично газа. Реже встречаются тепловые - для измерения малых расходов жидкостей и газов.

Принцип измерения электромагнитных расходомеров основан на законе электромагнитной индукции. Электропроводящая жидкость есть проводник, электромагнитное поле создают катушки внутри расходомера, с электродов снимается ЭДС пропорциональное скорости жидкости. В свою очередь, зная скорость можно определить объемный расход.

Достоинства электромагнитных расходомеров: независимость показаний от вязкости и плотности измеряемого вещества, возможность применения в трубах любого диаметра, отсутствие потери давления, линейность шкалы, высокое быстродействие, возможность измерения агрессивных, абразивных и вязких жидкостей. Они пригодны для измерения расхода жидкости, у которых удельная электрическая проводимость не менее 10 См/м. Можно измерить водопроводную воду, щелочи, кислоты и другие жидкости, применяемые в химической промышленности, соки, сиропы и разнообразные жидкости в пищевой промышленности, различные водные растворы в алюминиевой и других отраслях промышленности, сточные жидкости и т.п. С помощью особых электрических измерительных схем предел применения рассматриваемых расходомеров повышен до 10 См/м.

Помимо измерения расхода различных жидкостей и пульп с ионной проводимостью, а также расхода расплавленных металлов электромагнитный метод применяется для измерения расхода крови в медицинской и физиологической практике, а также для измерения скорости морских течений и воды в открытых руслах.

Недостатки: возможно измерение только электропроводящих жидкостей. Достаточно дороги для труб диаметром больше 300 мм. Недавно побежденное ограничение - некоторыми производителями получена методика имитационной поверки. [2]

Расходомеры, основанные на эффекте Доплера называются ультразвуковыми. Импульсы ультразвука направляются попеременно по потоку и против него. При этом скорость прохождения сигнала то складывается из скорости распространения ультразвука в среде и скорости потока, то эти величины вычитаются. Возникающая разность фаз импульсов в двух ветвях измерительной схемы регистрируется электронным оборудованием, и в итоге измеряется скорость потока, а по ней и массовая скорость (расход). Этот измеритель не вносит изменений в поток жидкости и может применяться как к потоку в замкнутом контуре, например, для исследований кровотока в аорте, или системы охлаждения атомного реактора, так и к открытому потоку, например реки.

Преимуществами акустических расходомеров также являются бесконтактность измерений, отсутствие движущихся частей в потоке, отсутствие потерь давления в трубопроводах и др. [6]

Тепловыми называются расходомеры, основанные на измерении зависящего от расхода эффекта теплового воздействия на поток или тело, контактирующее с потоком. Они служат для измерения расхода газа и реже для измерения расхода жидкости.

Недостаток является большая инерционность. Для улучшения быстродействия применяют корректирующие схемы, а также импульсный нагрев. Вследствие чего усложняется схема конструкции.

Достаточно высокая температура измерения. Температурный предел применения расходомеров обычно не превосходит 150-200°С и в редких случаях достигает 250°С. При нагреве электромагнитным полем или жидкостным теплоносителем этот предел повышается до 450°С. [2]

2.4 Расходомеры, основанные на особых методах

измерительный кориолисовый расходомер прибор

Меточные и концентрационные расходомеры, относящиеся к группе Г, служат для разовых измерений, например при проверке промышленных расходомеров на месте их установки. Корреляционные расходомеры перспективные, в частности, для измерения двухфазных сред.

Корреляционные расходомеры можно рассматривать как разновидность акустических расходомеров, т.к. используются акустические преобразователи.

Принцип действия корреляционного расходомера, счетчика воды основана на аппаратурном определении времени прохождения потоком расстояния между чувствительными датчиками, воспринимающими случайно распределенные физические неоднородности жидкости и преобразующими их в случайные электрические сигналы. Дело в том, что большинство однофазных потоков не однородны, поэтому параметры потока или свойства среды постоянно меняются случайным образом, например такие параметры как температура, плотность и др. После корреляционной обработки обычно с помощью микропроцессора по транспортному запаздыванию вычисляется период выходных импульсов и их формирование. Далее определяется объем и мгновенный расход воды. Состав расходомера, счетчика воды:

Расходомер состоит из преобразователей, как правило, акустических, вторичных преобразователей сигналов и микропроцессорного устройства.

Достоинства: корреляционные расходомеры могут применяться для измерения расхода загрязненных сред и многофазных потоков. Из-за отсутствия контакта с измеряемым веществом отсутствуют потери давления.

Недостатки: длительность процесса измерения, относительно невысокая точность не более 1,5-2%. [7]

Меточными называют расходомеры, основанные на измерении времени перемещения какой-либо характерной части (метки) потока на контрольном участке пути.

Метку в потоке создают, как правило, искусственным путем. Метки могут быть самые разнообразные: ионизационные, радиоактивные, физико-химические, тепловые, оптические, ядерно-магнитные и др.

Погрешность измерения расхода у меточных расходомеров колеблется от ±(0,1-0,2) до (2-3)% в зависимости от рода метки, измерительной аппаратуры, способа детектирования и соответствия скорости перемещения метки средней скорости потока. Наибольшая точность достигается при отсутствии необходимости в отборе проб в контрольных сечениях. Длина контрольного участка, в зависимости от рода метки, может быть от нескольких миллиметров до нескольких километров. [2]

3. Выбор схемы, описание работы кориолисовых расходомеров

Кориолисовыми называются расходомеры, в преобразователях которых под влиянием силового воздействия возникает кориолисово ускорение, которое, в свою очередь, приводит к появлению кориолисовой силы. Эта сила прямо пропорциональна массовому расходу. Для образования этого ускорения непрерывно вращающемуся преобразователю расхода придают конфигурацию, заставляющую поток перемещаться в радиальном направлении по отношению к оси вращения, совпадающей с осью трубопровода.

При движении тела относительно вращающейся системы отсчета, кроме центробежной силы инерции, появляется еще одна сила, называемой силой Кориолиса или кориолисовой силой инерции.

Рисунок 1. ? Проявление силы Кориолиса

Появление силы Кориолиса можно обнаружить на следующем примере. Возьмем горизонтально расположенный диск, который может вращаться вокруг вертикальной оси. Прочертим на диске радиальную прямую OA (рисунок 1а). Запустим в направлении от O к А шарик со скоростью v'. Если диск не вращается, шарик будет катиться вдоль прочерченной нами прямой. Если же диск привести во вращение в направлении, указанном стрелкой, то шарик будет катиться по изображенной пунктиром кривой ОВ, причем его скорость относительно диска v' будет изменять свое направление. Следовательно, по отношению к вращающейся системе отсчета шарик ведет себя так, как если бы на него действовала сила F_к, перпендикулярная к скорости v'.

Чтобы заставить шарик катиться по вращающемуся диску вдоль радиальной прямой, нужно сделать направляющую, например в виде ребра ОА (рисунок 2б). При качении шарика направляющее ребро действует на него с некоторой силой F_r. Относительно вращающейся системы отсчета (диска) шарик движется с постоянной по направлению скоростью. Это можно формально объяснить тем, что сила F_r уравновешивается приложенной к шарику силой инерции F_к, перпендикулярной к скорости v'. Сила F_к и есть сила Кориолиса. [11]

Для рассмотрения принцип работы кориолисова расходомера выбрана схема с двумя изогнутыми трубками. Когда расходомер состоит из двух параллельных трубок, поток разделяется на два потока на входе и соединяется в один на выходе.

а) б)

Рисунок 2. ? Принципиальная схема (а) и принцип работы (б) кориолисова расходомера

Когда поток отсутствует и происходит колебание, различия в показаниях двух датчиков в точках B₁ и B₂ отсутствуют. Если есть поток жидкости и привод создает колебание трубок, то силы Кориолиса создает крутильные колебания, которые проявляются в небольшой разнице фаз относительных движений трубок. Это обнаруживается датчиками в двух точках В₁ и В₂. Отклонение трубок, вызываемое силой Кориолиса, имеет место только в том случае, когда одновременно присутствует поток жидкости и колебание трубок. Колебание без потока или поток без колебаний не дают каких-либо показаний прибора.

Рисунок 3. ? Диаграмма действия сил на трубки при протекании вещества

Рисунок 4. ? Характеристики снимаемые с индукционных катушек

При одновременном снятии сигналов происходит смещение по фазе на ДТ. Это относительное запаздывание прямо пропорционально массовому расходу. [12]

В любом случае, привод заставляет трубки колебаться. Электромагнитный привод состоит из катушки, соединенной с одной трубкой, и из магнита, соединенного с другой трубкой. На катушку подается переменный ток, который заставляет магнит периодически то притягиваться, то отталкиваться. Рассмотрим подробнее это явление. На проводник с током, которым является катушка, в магнитном поле (магнит) действует сила Ампера, равная произведению силы тока на векторное произведение элемента длины проводника на магнитную индукцию поля:

dF=I[dl,B],

где dF - элементарная сила Ампера;

I - сила тока;

dl - элемент длины проводника;

В - индукция магнитного поля.

Поскольку магнит и катушка жестко закреплены на разных трубках, то сила будет отталкивать и притягивать трубки друг от друга или друг к другу. Необходимым условием является наличие переменного тока в катушке, т.к. сила должна менять направление. Датчик может определить положение, скорость или ускорение трубок. Если используются электромагнитные датчики, магнит и катушка в датчике меняют свое положение друг относительно друга, во время того, как трубки колеблются, вызывая изменение в магнитном поле катушки. Поэтому синусоидальное напряжение на катушке представляет собой движение трубок.

Принцип действия электромагнитного датчика основан на явлении электромагнитной индукции, открытой Фарадеем в 1821 г. Это явление заключается в возникновении индукционного тока, при движении катушки в постоянном магнитном поле или движении магнита (сердечника) внутри неподвижной катушки. Индукционный ток направлен по правилу Ленца, которое говорит, что индукционный ток имеет такое направление, чтобы его собственное магнитное поле противодействовало изменению магнитного потока. Закон Фарадея: ЭДС электромагнитной индукции в контуре прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока Ф_m сквозь поверхность контура: [10]

E_инд= - dФ_m /dt

Естественная резонансная частота двухтрубной конструкции зависит от геометрии, конструкционных материалов и массы всей конструкции (массы трубок и массы жидкости внутри трубок). Масса трубы постоянна. Так как масса жидкости есть ее плотность, умноженная на объем (который также постоянен), частота вибрации может быть обусловлена плотностью протекающей жидкости. Следовательно, плотность жидкости может быть определена путем измерения резонансной частоты колебаний трубок (заметим, что плотность жидкости может быть определена и в отсутствие потока, пока трубки заполнены жидкостью и колеблются).

Толщина стенок трубок меняется значительно от модели к модели, но, тем не менее, даже самая крепкая трубка будет иметь толщину меньше, чем у трубопровода. В дополнение во многих конструкциях используются трубки малого диаметра, что резко увеличивает скорость потока (от 1,5-3 м/c до более чем 7,6 м/с). Конструкции с большой толщиной стенки трубы и высокими скоростями потока требуют применение особых материалов из-за возникновения эрозии.

Кориолисов расходомер должен быть сделан из особых материалов, т.к. он подвергается коррозии, а также для предотвращения питтинга. Для трубопроводов обычно используются углеродистые и нержавеющие стали, т.к. допускается небольшое количество питтинга. Для расходомера даже незначительное количество питтинга недопустимо, так как стенки тонкие, а питтинг порождает концентрацию напряжений в конструкции, что может привести к ее разрушению. Поэтому стандартные таблицы коррозии (основанные на критерии потери веса) не годятся при выборе материалов для Кориолисова расходомера, и это должно быть учтено производителем.

4. Уравнения, описывающие работу кориолисова расходомера

Дифференциальное уравнение вынужденных колебаний системы измерительные трубки-жидкость с учётом сил вязкого трения имеет следующий вид:

где E = ? ? m₂Мщ₀² > 0;

? - модуль упругости при сдвиге кручением;

m - масса системы трубки-жидкость.

m = m₁ + m_2,

где m₁ - масса трубки;

m₂ - масса жидкости.

Слагаемые с щ₀ ? 0 имеют ясный физический смысл: 2Мm₂Мщ₀М описывает влияние кориолисовой силы; а m₂Мщ₀²Мx - нормальное давление на трубопровод со стороны жидкости.

Первое уравнение описывает движение системы измерительные трубки-жидкость. Второе уравнение описывает движение жидкости в трубках с учетом сил вязкого трения жидкости о стенки трубок. [3]

5. Расчет параметров расходомера

Исходные данные к проекту:

1. Диаметр проходного трубопровода - Ш 25 мм;

2. Диапазон измерения расхода - 30…1000 л/ч;

3. Погрешность - ±0,5%;

4. Диапазон температур - +60…-40?С;

5. Давление - до 15 МПа;

6. Питание - +24 В.

Рассчитаем диапазон скоростей по следующей формуле:

где Q_м - расход;

S - площадь поперечного сечения трубки;

где d₀ - внутренний диаметр трубки, d₀ = 7 мм.

Подставляя данные в выражение (1), получим:

Приведем уравнение движения трубки для расчета влияния силы Кориолиса и собственной частоты колебания трубки:

Для расчета резонансной частоты колебаний измерительных трубок приведем эскиз (рисунок 5).

Рисунок 5. ? Эскиз трубки

Частоту колебаний выбирают резонансной, т.к. при этом необходима минимальная вынуждающая сила, чтобы поддерживать постоянные колебания заполненной трубы. Значение резонансной частоты вычисляется по формуле:

где щ₀ - собственная частота колебания трубок;

k - жесткость;

m - масса трубок и жидкости.

Т.к. характеристика упругого элемента (трубок) линейна, то его жесткость будет постоянна и определяется по формуле [5]:

где Е- модуль упругости нержавеющей стали при температуре 20?С, Е = 198 кг/мМс² [4]

L - длина трубки, L = l₁ + R = 0,17 + 0,14 = 0,31 [м],

d - наружный диаметр трубки, d = 10 мм.

Рассчитаем массу:

где - масса трубки;

- масса жидкости.

где

с_Т - плотность стали, с_Т = 7700 кг/м³ [4].

Подставив известные данные в формулу для определения массы трубки, получим:

Массу жидкости рассчитаем как:

где с_в - плотность воды при температуре 20?С, с_в = 998,2 кг/м³.

Подставив полученные данные в формулу, получим массу трубок с жидкостью:

После подстановки данных в выражение (2) следует, что частота будет равной:

Зная скорость движения жидкости v можно определить разность фаз колебаний трубок из соотношения [3]:

где а - расстояние

? - модуль упругости при сдвиге кручением, ? = 77 кг/мМс².

Разность фаз тогда будет равна:

Расчет разность фаз по выражению (5) при скорости движения воды

v₁ = 13 м/с:

Выражение для силы Кориолиса при той же скорости движения воды по измерительным трубкам имеет вид:

Подставив данные в выражение (7) получим:

6. Разработка конструкции

Существует две основных конструкции кориолисовых расходомеров. Эти конструкции определяются формой измерительных трубок, они бывают прямой и изогнутой, U- или Щ-образной, формы.

В проекте будет разрабатываться конструкция расходомера с изогнутой трубкой U-образной формой. Данный тип конструкции выбран из-за ряда преимуществ:

- лучше изгибаются, чем короткие и прямые, поэтому они создают более сильный сигнал в одинаковых условиях;

- отсутствие вибрации трубопровода;

Рисунок 6. ? Принципиальная схема конструкция расходомера

Через фланец, соединенный с трубопроводом, во входную трубку общего потока втекает измеряемая жидкость. Затем она разделяется на два равных потока, которые протекают по измерительным трубкам. Измерительные трубки соединяются с трубкой общего потока при помощи сварки. Корпус защищает измерительные устройства и привод от механических повреждений и попадания грязи, влаги. Измерительные катушки и катушка возбуждения (привода) жёстко закреплены на измерительных трубках при помощи кронштейнов. На катушку возбуждения подаётся переменный ток, который заставляет магнит периодически, то притягиваться, то отталкиваться, таким образом, трубки вибрируют. Также в конструкции расходомера имеется элемент жесткости, как втулка, которая повышает прочность системы, предотвращает вибрацию трубопровода и упрощает установку прибора на трубопровод.

7. Электрическая схема измерения массового расхода

Приведем электрическую схему для измерения массового расхода (рисунок 7).

Рисунок 7. ? Электрическая схема измерения массового расхода

Первичными измеряемыми величинами для любого кориолисова расходомера являются:

- массовый расход;

- плотность среды;

- температура среды;

На основе этой измеренной информации и пользовательских настроек прибор может рассчитывать следующие величины:

- текущий объемный расход;

- суммарный массовый/объемный расход;

- концентрацию.

8. Технология производства кориолисова расходомера

8.1 Служебное назначение кориолисова расходомера

Кориолисовый расходомер находит свое применение в различных отраслях промышленности, в частности фармацевтической, химической, нефтехимической, нефтегазовой и пищевой промышленности. Но предпочтительно применение кориолисовых расходомеров для измерения расхода двухфазных сред, в частности нефтегазовых потоков, т.к. в меньшей степени наблюдается такое явление как расслоения фаз, которое возникает при вращении подвижного элемента преобразователя расхода.

Возможно измерение потока фактически любой среды: моющие растворы и растворители, топливо, растительные масла, животные жиры, латекс, кремниевые масла, алкоголь, фруктовые соки, зубная паста, уксус, кетчуп, майонез, газы, сжиженные газы и т.д.

Годовая программа выпуска составляет до 1000 штук в год. При данной годовой программе выпуска производство является серийным.

8.2 Определение сборочного состава

На основании анализа чертежа общего вида ФЮРА.407281.178 ОВ и спецификации ФЮРА.407281.178 СП устанавливается сборочный состав кориолисова расходомера. Для определения сборочного состава кориолисова расходомера была составлена схема веерного типа (рисунок 8).

Кориолисовый расходомер представляет собой сборочную единицу, имеющую 3 ступени сборки, в которую входят две сборочные единицы: трубка с кронштейном поз. 14, три датчика поз. 6 (два из которых измерительные и один привод), отдельные детали и узлы (терморезистор поз. 7 и разъем поз. 4).



Рисунок 8. ? Схема сборочного состава кориолисова расходомера

8.3 Выбор организационной формы сборки и метода сборки

Основываясь на исходных данных: годовая программа выпуска 1000 штук, и особенности конструкции выбираем для кориолисова расходомера стационарную дифференцированную форму сборки (рисунок 9).



Рисунок 9. ? Схема стационарной дифференцированной формы сборки:

РМ1 - намотка; РМ2 - формование выводов; РМ3 - пропиточная;

РМ4 - сварка; РМ5 - общая сборка

При выборе метода сборки руководствуемся требованиями взаимозаменяемости, учитываем конструктивные особенности расходомера, точность, серийность производства, принятую организационную форму сборки, экономическую целесообразность.

Сборка осуществляется методом неполной взаимозаменяемостью.

8.4 Разработка технологического процесса сборки

В качестве базовой детали был выбран фланец поз. 1. Схема сборки расходомера представлена на рисунке 10. На схеме показаны элементы, входящие в состав изделия, и основные этапы сборки.

Последовательность операций сборки расходомера:

1. Фланец поз. 1, разделитель потока поз. 2 и втулку поз. 8 собирать по метке R;

2. Сваривать детали поз. 1, поз. 2 и поз. 8 по очереди ручной электродуговой сваркой, применяя электроды ЦЛ-11 ГОСТ 9466-75 с присадочной проволокой Св-08Х19Н10Б по ТУ 14-1-973-79 или электродуговой автоматической сваркой с применением флюс АН-26;

3. Сваривать детали поз. 3 и поз. 9 ручной электродуговой или аргоно-дуговой сваркой, применяя электроды ЦЛ-11 ГОСТ 9466-75 с присадочной проволокой Св-08Х19Н10Б по ТУ 14-1-973-79;

Рисунок 10. ? Схема технологического процесса сборки

4. Произвести намтоку катушки проводом ПЭВ-2 (ГОСТ 7262-78) на втулку поз. 12;

5. Поместить магнит поз. 10 в катушку поз. 11;

6. Паять трубки с поз. 3 с разделителем потока поз. 2 припоем П-47 ТУ-48-17228138 и флюсом Флюс ПВ 200 ГОСТ 23178-78

7. Установать датчики поз. 6 на кронштейны поз. 9;

8. Крепить катушку винтами поз. 16 к кронштейну поз. 9;

9. Крепить магниты поз. 10 винтами поз. 18 и гайками поз. 17;

10. Сваривать кожух поз. 5 с разделителем потока поз. 2 ручной электродуговой сваркой, применяя электроды ЦЛ-11 ГОСТ 9466-75 с присадочной проволокой Св-08Х19Н10Б по ТУ 14-1-973-79;

11. Термодачик поз. 7 склеить с трубкой поз. 3 клеем Радиал;

12. Произвести монтаж проводами МГТФ 0,07-1 мм²;

13. Сваривать кожух поз. 5 с разделителем потока поз. 2 ручной электродуговой сваркой, применяя электроды ЦЛ-11 ГОСТ 9466-75 с присадочной проволокой Св-08Х19Н10Б по ТУ 14-1-973-79.

Обоснование выбора метериалов:

Сталь 08Х18Н10 ГОСТ 5632-72 - коррозионно-стойкая (нержавеющая) жаропрочная. Применение: трубы, детали печной арматуры, теплообменники, муфели, реторты, патрубки, коллекторы выхлопных систем, электроды искровых зажи гательных свечей, сварные аппараты и сосуды химического машиностроения, работающие при температуре от -196 до 600 °С в средах средней активности; сталь аустенитного класса. Способы сварки: без ограничений.

Спалав ЦМ-332 - минералокерамические твердые сплавы изготовляют из дешевого и недифицитного материала - окиси алюминия. Минера-локерамический твердый сплав - микролит ЦМ-332 состоит из мельчайших кристаллов чистого белого корунда (А12О3 с размером зерен 0,5-3 мкм) с ничтожным количеством минеральных добавок, образующих стекловидную прослойку.

Клей Радиал - применяется для монтажа теплоотводящей арматуры к процессору, транзистору. Способ применения: поверхности теплоисточника и теплообменника обезжирить (спирт, ацетон, бензин БР-2) и нанести небольшое количество клея (для поверхности 1 см² не более 1 мл). Зафиксировать с давлением на 15 минут. Изделием можно пользоваться через 24 часа. Шприц после использования плотно закрыть.

Рабочая температура: -60 - +300°С.

8.5 Разработка операционной карты изготовления разделителя потока ФЮРА.747171.178.008

В данном пункте был разработан технологический процесс производства разделителя потока поз. 2. Для изготовления данной детали используется сталь коррозионно-стойкая 03Х17Н14М3 ГОСТ 5632-72.

Сталь 03Х17Н14М3 применяется в сварных конструкциях, работающих в средах повышенной агрессивности при температурах до -196°С ; сталь аустенитного класса.

Горячая пластическая деформация стали 03Х17Н14МЗ осуществляется в интервале 1150-900°С; сталь имеет высокую пластичность при горячей и холодной пластической деформации. Для снятия наклепа после горячей и холодной пластической деформации применяют термическую обработку, состоящую из закалки с 1080 ± 20°С в воде.

Сталь 0ЗХ17Н14МЗ обладает хорошей свариваемостью при всех видах ручной и автоматической сварки. При ручной электродуговой сварке применяют электроды марки ОЗЛ-20 с проволокой из стали 03Х17Н14М2 (ЭП551). При автоматической сварке под флюсом или в среде защитного газа используют проволоку той же марки. При этом прочность и коррозионная стойкость сварных соединений не ниже прочности и коррозионной стойкости основного металла. Сварные соединения стали в среде синтеза карбамида имеют скорость коррозии 0,041-0,11 мм/год, стойки к межкристаллитной коррозии и не подвержены ножевой коррозии. [13]

Обладает удовлетворительными литейными свойствами. Достаточно часто применяется для отливки деталей по выплавляемым моделям. [14]

Деталь изготавливается литьем по выплавляемым моделям, имеет гладкие поверхности с необходимой шероховатостью. После извлечения детали из пресс-формы необходима последующая обработка резанием, которая заключается в удалении литников. Технологические документы, необходимые для изготовления детали (маршрутная карта, операционная карта, рабочий чертёж) приведены в приложении.

8.6 Анализ технологичности кориолисова расходомера как сборочной единицы

Кориолисовый расходомер относится к электромеханическим изделиям.

Под технологичностью конструкции понимают такое сочетание конструктивно-технологических требований, которые обеспечивают наиболее простое экономичное производство при соблюдении всех технических и эксплуатационных условий. Таким образом, конструкция технологична, если при принятом типе и организации производства, заданной программе, повторяемости выпуска и применяемых технологических процессах она будет обладать наименьшей трудоемкостью и себестоимостью в процессе изготовления, удобной и надежной в эксплуатации и простой в ремонте.

Для оценки электромеханических устройств применяются следующие 7 основных показателей технологичности:

1 Коэффициент точности обработки:



где Д_т.ч. - число точных деталей по 7 квалитету и точнее;

Д - общее число деталей;

ц₁ = 1.

Чем больше значение этого коэффициента, тем технологичней конструкция.

2 Коэффициент прогрессивности формообразования:

где Д_пр - число деталей, полученных прогрессивными формообразованиями (литье, штамповка, прессование пластмасс в пресс-формы);

ц₂ = 1.

3 Коэффициент сложности обработки:

где Д_м - число деталей, требующих обработки со снятием стружки;

ц₃ = 0,75.

4 Коэффициент повторяемости деталей и узлов:



где Д_т - число типоразмеров деталей;

Е_т - число типоразмеров узлов;

Е - число узлов;

ц₄ = 0,5.

5 Коэффициент сборности изделия:

ц₅ = 0,31.

6 Коэффициент сложности сборки:

где Е_т.ст - число типоразмеров узлов в изделии, требующих регулировки или совместной обработки с последующей разборкой и сборкой;

ц₆ = 0,187.

7 Коэффициент использования материала:

где М - масса кронштейна;

М_м - масса заготовки.

Технологичность изделия оцениваем комплексным показателем, определяемым на основе базовых показателей:

где К_i - расчетный базовый показатель соответствующего класса блоков;

ц_i - коэффициент весовой значимости показателя;

i - порядковый номер показателя в ранжированной последовательности;

n - число базовых показателей, определяемых на данной стадии разработки изделия.

Уровень технологичности разрабатываемого изделия при известном нормативном комплексном показателе согласно ГОСТ 14.202-73, оцениваем отношением достигнутого комплексного показателя к нормативному К_н [4] Это отношение должно удовлетворять условию . Для электромеханических блоков К_н = 0,6. В результате получаем: что удовлетворяет условию технологичности для серийного производства.

Заключение

На сегодняшний день кориолисовый массовый расходомер обладает точностью выше, чем все остальные расходомеры, имеет ряд преимуществ перед объемными расходомерами. В первую очередь это измерение массового расхода напрямую.

Применяемый в этих расходомерах способ измерения кориолисового эффекта на сегодня является самым надежным и точным способом измерения, позволяя в данных расходомерах реализовать точность измерений 0,5%.

В данной квалификационной работе была разработана конструкция кориолисова расходомера. Приведены особенности конструкции, электрическая схема измерения массового расхода и некоторые теоретические расчеты параметров измерительных трубок.

Также в данной работе был предложен технологический процесс изготовления разделителя потока. По необходимым качествам был выбран материал нержавеющая сталь марки 03Х17Н14М3. Так же был определен сборочный состав всего изделия, разработана схема сборки с базовой деталью.

Проведенный анализ на технологичность показал, что изделие технологично для условий серийного производства, т.к. большинство деталей были получены прогрессивными методами.

По вышеизложенным фактам можно сделать следующий вывод - установка современных приборов массовой расходометрии с малой относительной погрешностью измерения массы на узлах учета является целесообразной, несмотря на их дороговизну.

Экономический эффект делает установку таких приборов быстро окупаемой за счет:

· увеличения точности, надежности и объективности измерений;

· уменьшения безвозвратных потерь при отпуске нефтепродуктов;

· автоматизированного сбора, обработки и передачи информации об измеряемой среде.

Список используемых источников

1. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества вещества: Справочник: Кн. 1. - 5-е изд., перераб. и доп. - СПб.: Политехника, 2004.

2. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества вещества: Справочник: Кн. 2 / Под общ. ред. Е.А. Шорникова. - 5-е изд., перераб. и доп. - СПб.: Политехника, 2004. - 412 с.

3. Медведев А.П., Голубев В.Г. Об определении расхода жидкости по фазе вынужденных колебаний. // Вестник удмуртского университета. Физика. ? №4. ? 2006.

4. http://www.elecmet.ru/spravochnik/stal/nerj/marks/marks_15.html.

5. Определение модуля Юнга из изгиба: Методические указания к выполнению лабораторных работ М-04 по курсу общей физики для студентов всех специальностей. - Томск, 2007. - 6 с.

6. http://flowtube.ru/techdoc.html.

7. http://www.meshta.ru/php/modules.php?name=AvantGo&op=ReadStory&sid=86.

8. Катыс Г.П. Массовые расходомеры. - М.-Л.: Энергия, 1965. - 88 с.

9. Шорников Е.А. Расходомеры и счетчики газа, узлы учета: Справочник. - СПб.: Политехника, 2003. - 127 с.

10. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики: Учеб. пособие для ВУЗов. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Высшая школа, 1999. - 718 с.

11. Савельев И.В. Курс общей физики. / Т. 1. Механика. Молекулярная физика: Учеб. пособие. - 2-е изд., перераб. - М.: Наука. Глав. ред. физмат. литературы, 1982. - 432 с.