V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ 2

1 СХЕМА И РАБОТА КОРИОЛИСОВА РАСХОДОМЕРА

НА ПРИМЕРЕ РАСХОДОМЕРА С ИЗОГНУТОЙ ТРУБКОЙ 3

2.1 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ТРУБКИ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ

СОБСТВЕННЫХ ЧАСТОТ ДЛЯ РАСХОДОМЕРА

С ИЗОГНУТОЙ ТРУБКОЙ 10

2.2 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ТРУБКИ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ

СОБСТВЕННЫХ ЧАСТОТ ДЛЯ РАСХОДОМЕРА

С ПРЯМОЙ ТРУБКОЙ 18

3 ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА 24

4.1 ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ РАСХОДОМЕРА

С ИЗОГНУТОЙ ТРУБКОЙ 24

4.2 ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ РАСХОДОМЕРА

С ПРЯМОЙ ТРУБКОЙ 32

5 АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ

ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА

КОРИОЛИСОВОГО РАСХОДОМЕРА 36

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 36

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 37

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).

Возрастающие требования к качеству измерения расхода на узлах коммерческого учета вызывают необходимость замены ряда устаревших приборов на более современные. Причем они должны удовлетворять ряду качественных критериев: измерение массового расхода, измерение плотности, измерение температуры, наличие компьютерного интерфейса, удобство монтажа и эксплуатации.

Приборы, отвечающие этим требованием, относятся к прямому методу измерения массы продукта.

Таким прибором является кориолисовый массовый расходомер. 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 массового расхода исключает необходимость в переводе объемного расхода в массовый, путем вычисления.

Целью данного проекта является разработка конструкции чувствительного элемента кориолисова массового расходомера с прямой и изогнутой трубками.

1 СХЕМА И РАБОТА КОРИОЛИСОВА РАСХОДОМЕРА НА ПРИМЕРЕ РАСХОДОМЕРА С ИЗОГНУТОЙ ТРУБКОЙ

В основе принципа измерения расходомеров лежит эффект Кориолиса.

Массовый расход определяется путем измерения временной задержки между сигналами детекторов, которая пропорциональна массовому расходу. При отсутствии потока измеряемой среды изгиба трубки не происходит, и выходной сигнал отсутствует.

Резонансная частота трубки зависит от ее геометрии, материала, конструкции и массы. Масса состоит из двух частей: массы самой трубки и массы измеряемой среды в трубке. Масса трубок постоянна для данного датчика. Поскольку масса среды в трубке равна произведению плотности среды и внутреннего объема трубки, а объем трубки является константой для данного типоразмера датчика, то резонансная частота колебаний трубки может быть привязана к плотности среды и определена путем измерения резонансной частоты колебаний, периода колебаний трубки и температуры (изменение модуля упругости материала трубки при изменении температуры учитывает температурный сенсор).[5]

Основными элементами датчика расхода являются две расходомерные трубки, на которых монтируются:

• соединительная коробка с силовой электромагнитной (задающей) катушкой возбуждения и магнитом;

• два тензодатчика с магнитами и электромагнитными катушками;

• терморезистор.

Элементы датчика закрыты защитным кожухом, на котором нанесен указатель направления потока.[5]

Рисунок 1. Устройство Кориолисового расходомера.[5]

Расходомерные трубки внутри корпуса датчика колеблются с собственной частотой.

Привод заставляет трубки вибрировать. 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:

(1)

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 вибрируют, 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: э.д.с электромагнитной индукции в контуре прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока Ф_m сквозь поверхность контура:

(2)

Когда поток отсутствует (в расходомере с двумя трубками) и происходит вибрация, различия в показаниях двух датчиков в точках B₁ и B₂ отсутствуют. Если есть поток жидкости и привод создает вибрацию трубок, то силы Кориолиса создают вторичную изгибающую вибрацию, которая проявляется в небольшой разнице фаз относительных движений трубок. Это обнаруживается датчиками в двух точках. Отклонение трубок, вызываемое силой Кориолиса, имеет место только в том случае, когда одновременно присутствует поток жидкости и вибрация трубок. Вибрация без потока или поток без вибрации не дают каких-либо показаний прибора [5].

Рисунок 2. Сигналы при отсутствии и наличии расхода [5].

При одновременном снятии сигналов происходит смещение по фазе на Т. Это относительное запаздывание прямо пропорционально массовому расходу [5].

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 (D), 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 так как он подвергается коррозии, а также для предотвращения питтинга.

Для трубопроводов обычно используются углеродистые и нержавеющие стали, так как допускается небольшое количество питтинга. Для расходомера даже незначительное количество питтинга недопустимо, так как стенки тонкие, а питтинг порождает концентрацию напряжении 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.

При появлении в измерительных трубках потока жидкости, движущейся радиально по направлению от оси W-W по входному участку 1, генерируется первая сила Кориолиса , направленная перпендикулярно скорости потока и перпендикулярно оси W-W. В это же время на выходном участке 2 генерируется вторая сила Кориолиса , направленная также перпендикулярно направлению потока и оси W-W, но противоположно направленная относительно силы , так как на участках 1 и 2 противоположно направлены вектора скорости потока.

Сила Кориолиса определяется соотношением [7]:

(3)

где: - сила, действующая со стороны жидкости на трубку благодаря ускорению Кориолиса;

- масса продукта;

- линейная скорость продукта вдоль оси трубки;

- угловая скорость.

Противоположно направленные силы и образуют крутящий момент вокруг оси О-О, выражаемый как:

(4)

где , и - расстояние от оси О-О до прямых участков 1 и 2 изогнутой трубки.

Рисунок 3. Принцип действия расходомера [7].

Так как ось О-О является осью симметрии изогнутой трубки, то и следовательно:

(5)

Поскольку произведение , отнесенное к длине прямолинейного участка l, представляет собой массовый расход G, то последнее соотношение можно переписать в следующем виде:

(6)

Под действием скручивающего момента М изогнутая трубка деформируется и ее плоскость разворачивается вокруг оси О-О на угол , значение которого определяется следующим соотношением:

(7)

где, k- коэффициент, характеризующий жесткость трубки на скручивание.

Отсюда следует, что

(8)

Для преобразования массового расхода в выходной информационный сигнал, определяется фазовый сдвиг между синусоидальными напряжениями электромагнитных датчиков скорости . При этом фазовый сдвиг измеряется во временных единицах и измеряется формулой:

(9)

где : - линейная скорость адаптеров на круговой траектории вокруг оси W-W. Так как , где l- длина прямолинейных участков изогнутой трубки, то формула для определения массового расхода ( с учетом трех последних соотношений) принимает вид:

(10)

Таким образом, массовый расход оказывается линейной функцией временного сдвига между синусоидальными сигналами адаптеров [7].

Принцип действия расходомера с прямой трубкой аналогичен.

2.1 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ТРУБКИ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОБСТВЕННЫХ ЧАСТОТ ДЛЯ РАСХОДОМЕРА С ИЗОГНУТОЙ ТРУБКОЙ

Трубы расходомера изготавливаются из стали марки 03Х17Н14М3. Данная сталь является аустенитной незакаливаемой, наличие молибдена (Мо) делает ее особенно устойчивой к воздействию коррозии. Также и технические свойства этой стали при высоких температурах гораздо лучше, чем у аналогичных сталей, не содержащих молибден. Химическое оборудование, подвергающееся особенно сильным воздействиям, инструмент, вступающий в контакт с морской водой и атмосферой, оборудование для проявления фотопленки, корпусы котлов, установки для переработки пищи, емкости для отработанных масел для коксохимических установок.

Таблица 1.Химический состав сплава 03Х17Н14М3[12]

C	Cr	Fe	Mn	Mo	Ni			Si
≤0,03	16,8-18,3	Осн.	1-2,0	2,2-2,8	13,5-15,0	≤0,035	≤0,020	≤0,4

Таблица 2. Механические свойства сплава 03Х17Н14М3 при 20 °С [12]

ГОСТ, ТУ	Вид продукции	σm, МПа	σ0,2, МПа
ТУ 14-1-240-72	Пруток	500	200
ТУ 14-1-1154-74	Лист горячекатаный	500	200
ТУ 14-1-1541-75		500	200
ТУ 14-1-2144-77		500	200
ТУ 14-1-692-73	Лист холоднокатаный	500	200
ГОСТ 5582-75		500	200
ТУ 14-3-396-75	Труба бесшовная	500	200

Где: σ_m- временное сопротивление разрыву соответственно при расчетной температуре; σ_0,2- условный предел текучести при остаточной деформации 0.2%, соответственно при расчетной температуре.

Физические свойства сплава 03Х17Н14М3:

Плотность - 7,75 · 10³ кг/м³. Модуль упругости - 19,5 · 10^-4 , МПа при 20 °С и 19,0 · 10^-4 , МПа при 300 °С. Теплопроводность - 0,294 · 10² Вт/(м · К) при 20 °С. Удельное электросопротивление - 0,73 · ·10⁶, Ом · м при 20 °С. Температурный коэффициент линейного расширения α · 106, К-1 равен 16,10 при 20-200 °С; 14,4 при 20-300 °С.

Коррозионная стойкость сплава 03Х17Н14М3

По ТУ 14-1-1154-74, ТУ 14-1-1541-75, ТУ 14-1-69273, ТУ 14-1-240-72 и ТУ 14-1-2144-77 сталь 03Х17Н14МЗ не должна быть склонна к межкристаллитной коррозии при испытании в 65%-ной кипящей азотной кислоте (плотность 1,41 г/см3), приготовленной из особо чистой кислоты марки ОСЧ-1 1-3 по ГОСТ 11125-73 и дистиллированной воды. Продолжительность испытаний по всем техническим условиям, кроме ТУ 14-1-2144-77, три цикла по 48 ч на образцах в закаленном состоянии; по ТУ 14-1-2144-77 продолжительность испытаний пять циклов по 48 ч. Скорость коррозии не должна превышать 0,5 мм/год. По ГОСТ 5582-75 сталь 03Х17Н14МЗ не должна быть склонна к межкристаллитной коррозии по методу ДУ ГОСТ 6032-89; по ТУ 14-1-1847-76 контроль на стойкость к межкристаллитной коррозии осуществляется по методу АМУ ГОСТ 6032-89. Во всех случаях контроль стойкости стали к межкристаллитной коррозии проводят на образцах в состоянии поставки, т.е. после закалки. Сталь 03Х17Н14МЗ рекомендуется для изготовления сварных конструкций, работающих в условиях производства карбамида, капролактама, в кипящей фосфорной и 10%-ной уксусной кислотах, а также в сернокислых средах. При производстве карбамида сталь 03Х17Н14МЗ используют для изготовления смесителей и футеровки колонн синтеза, а при производстве капролактама - реактора окисления циклогексана.

Технологические параметры 03Х17Н14М3

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.

Сварка сплава 03Х17Н14М3

Сталь 0ЗХ17Н14МЗ обладает хорошей свариваемостью при всех видах ручной и автоматической сварки. При ручной электродуговой сварке применяют электроды марки АН-ЖР-2 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 [12].

Расчеты параметров трубки произведены по СА 03-003-07 Стандарт ассоциации [15]. Расчеты на прочность и вибрацию стальных технологических трубопроводов.

2.1.1 Допускаемые напряжения

Допускаемое напряжение [σ] при расчете труб и соединительных деталей трубопровода на статическую прочность

Для аустенитных сталей:

(11)

где, -временное сопротивление разрыву соответственно при расчетной температуре и 20°С, МПа. Для данной марки стали .

- условный предел текучести при остаточной деформации 0,2%, соответственно при расчетной температуре и 20°С, МПа. Для данной марки стали .

2.1.2 Допустимое внутреннее избыточное давление

(12)

где, - коэффициент прочности элемента со сварным швом при растяжении, для бесшовных труб он равен 1.

-наименьшая номинальная толщина стенки для аустенитных сталей , данная величина равна 0,5мм [15].

- коэффициент усреднения компенсационных напряжений, для аустенитных сталей при температуре до 350°С он равен 0,16мм.

- наружный диаметр трубки, по заданию он равен 15 мм.

Полученный результат удовлетворяет техническому заданию, так как по заданию давление равно 6МПа.

2.1.3 Расчетная толщина стенки трубы, нагруженной внутренним избыточным давлением

(13)

2.1.4 Номинальная толщина стенки элемента определяется с учетом прибавки с:

(14)

где, - суммарная прибавка к толщине стенки, равна 0.5 [15]

2.1.5 Расчет длинны пролета трубопровода

(15)

В этой формуле:

s- допускаемое напряжение от веса трубопровода МПа, в рабочем состоянии допускаемое напряжение составляет:

(16)

где, - допускаемое напряжение при расчете труб и соединительных деталей трубопровода на статическую прочность;

- рабочее давление, равное 6 МПа;

- наружный диаметр трубы, равен 15 мм;

- номинальная толщина стенки трубки, равна 1 мм.

- момент сопротивления поперечного сечения при изгибе, мм³

(17)

- расчетная погонная нагрузка от собственного веса трубопровода в рабочем состоянии или в состоянии испытаний, равна 1.1 МПа (определяется в соответствии с разделом 2.1 СА 03-003-07)

- коэффициент прочности элемента с поперечным сварным швом при изгибе, бесшовных труб равен 0.6

2.1.6 Расчет массы трубы

Для жидкости с плотностью

(18)

Масса трубы:

(19)

где, - наружный диаметр трубы, равен 15 мм;

- длина трубы, равная 0.4 м;

- номинальная толщина стенки трубки, равна 1 мм.

- плотность материала трубы , равна 7.75∙10³ кг/м³

Масса трубы и жидкости:

₍₂₀₎

Для жидкости с плотностью

₍₂₁₎

₍₂₂₎

2.1.7 Расчет момента инерции

В общем случае моменты инерции различных тел можно найти по формуле

(23)

где

- коэффициент пропорциональности, который зависит от формы тела и его расположения относительно оси вращения.

Найдем момент инерции однородного стержня относительно оси, проходящей через один из его концов, перпендикулярно продольной геометрической оси симметрии (рис.8)[8].

Рисунок. 4.Однородный стержень [8]

Пусть ось вращения ВВ проходит через правый конец стержня (точка Г), тогда

(24)

где L - длина стержня.

Согласно теореме Штейнера имеем

(25)

Величину момента инерции относительно оси, проходящей через центр масс (точка С), представим как сумму моментов инерции двух стержней с длинами ДС=СГ= и массой каждого, равной стержня, то есть:

(26)

Подставим значения момента инерции и в формулу теоремы Штейнера и найдем

(27)

После преобразования получим, что

(28)

Следовательно, момент инерции стержня относительно оси, проходящей через центр масс,

(29)

а относительно оси ВВ,

(30)

Для труб расходомера момент инерции с плотностью жидкости :

(31)

Для труб расходомера момент инерции с плотностью жидкости :

(32)

2.1.8 Для трубопровода, рассматриваемого как стержень с постоянным поперечным сечением с одной опорой, собственная частота fj, соответствующая j-той форме собственных колебаний (в данном случае ):

(33)

(34)

(35)

где, - j-тый корень частотного уравнения, для данной формы труб он равен 1.76 [15]

- длинна трубы, равна 0.4 м;

- модуль упругости равен 19,5 · 10^-4 , МПа при 20 °С и 19,0 · 10^-4 , МПа при 300 °С.

- момент инерции, для труб расходомера момент инерции с плотностью жидкости , равен; Для труб расходомера момент инерции с плотностью жидкости , равен

- масса трубы с жидкостью при плотностью жидкости , равна 0.166 кг, при плотности жидкости 0.216 кг.

Расчет данных параметров необходим для того, чтобы правильно подобрать электромагнитную (задающую) катушку возбуждения и магнит.

2.2 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ТРУБКИ, ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОБСТВЕННЫХ ЧАСТОТ ДЛЯ РАСХОДОМЕРА С ПРЯМОЙ ТРУБКОЙ

Труба расходомера изготавливается из титанового сплава ВТ16. Титан ВТ16 относится к высокопрочным одной системы с титаном марки ВТ14, но отличается от последнего меньшим содержанием алюминия. В связи с этим сплав ВТ16 хорошо деформируется не только в горячем, но и в холодном состоянии. Хотя из сплава ВТ16 можно изготавливать почти все виды полуфабрикатов, основная часть продукций из него - проволока и прутки малых диаметров, полученные прокаткой или волочением. Это связано с тем, что сплав ВТ 16 предназначен в основном для изготовления деталей крепления.

К структуре прутков, предназначенных для изготовления деталей крепления, предъявляются довольно строгие требования: она должна быть мелкозернистая и однородная. Помимо этого, предъявляются повышенные требования к геометрическим размерам прутков и качеству их поверхности. Состав сплава ВТ16 имеет хорошую свариваемость и высокую пластичность сварного соединения непосредственно после сварки. Сплав ВТ16 применяют в отожженном и термически упрочненном состояниях.

Тонкостенные трубы, листы и детали из них отжигают при температурах 680-790 °С, а прутки, толстостенные трубы и профили при 770-790 °С. Для термического упрочнения сплав закаливают с 780-830 °С и затем подвергают старению при 560-580 °С в течение 4-10 ч. Сплав в закаленном и состаренном состоянии с временным сопротивлением разрыву, 1200 МПа мало чувствителен к концентраторам напряжений, надрезу, перекосу и т.п.

Химический состав сплава ВТ16 приведен в таблице 3.

Таблица 3

C	Тi	Fe	Mn	Mo	V		Al	Si	Zr	O
до 0.1	82.885- 89.7	до 0.25	1-2,0	4,5 - 6,5	4 - 5,5	до 0,05	1,8 - 3,8	до 0.15	до 0,3	до 0,15

Расчеты параметров трубки произведены по СА 03-003-07 Стандарт ассоциации. Расчеты на прочность и вибрацию стальных технологических трубопроводов[3].

2.2.1 Допускаемые напряжения

Допускаемое напряжение [σ] при расчете труб и соединительных деталей трубопровода на статическую прочность:

(36)

где, -временное сопротивление разрыву соответственно при расчетной температуре и 20°С, МПа .

- условный предел текучести при остаточной деформации 0,2%, соответственно при расчетной температуре и 20°С, МПа. Для данной марки стали .

2.2.2 Допустимое внутреннее избыточное давление

(37)

где, - коэффициент прочности элемента со сварным швом при растяжении, для бесшовных труб он равен 1.

-наименьшая номинальная толщина стенки , данная величина равна 0,5(мм).[3]

- коэффициент усреднения компенсационных напряжений равен 0,22(мм).

- наружный диаметр трубки, по заданию он равен 15 (мм).

Полученный результат удовлетворяет техническому заданию, так как по заданию давление равно 8 (МПа).

2.2.3 Расчетная толщина стенки трубы, нагруженной внутренним избыточным давлением

(38)

2.2.4 Номинальная толщина стенки элемента определяется с учетом прибавки с:

(39)

где, - суммарная прибавка к толщине стенки, равна 0.5;

2.2.5 Расчет длинны пролета трубопровода:

(40)

Где:

- допускаемое напряжение от веса трубопровода МПа, в рабочем состоянии допускаемое напряжение составляет:

(41)

где, - допускаемое напряжение при расчете труб и соединительных деталей трубопровода на статическую прочность;

- рабочее давление, равное 8 (МПа);

- наружный диаметр трубы, равен 15 (мм);

- номинальная толщина стенки трубки, равна 1 (мм).

- момент сопротивления поперечного сечения при изгибе, (мм³ ) (42)

- расчетная погонная нагрузка от собственного веса трубопровода в рабочем состоянии или в состоянии испытаний, равна 1.1 МПа (определяется в соответствии с разделом 2.1 СА 03-003-07)

- коэффициент прочности элемента с поперечным сварным швом при изгибе, бесшовных труб равен 0.6

2.2.6 Расчет массы трубы

Для жидкости с плотностью

(43)

где, - наружный диаметр трубы, равен (мм);

- длина трубы, равная 0.4 (м);

- номинальная толщина стенки трубки, равна 1 (мм).

- сумма плотностей материала трубы и измеряемой жидкости, равна:

(44)

Для жидкости с плотностью

₍₄₅₎

где, - сумма плотностей материала трубы и измеряемой жидкости, равна:

(46)

2.2.7 Расчет момента инерции

Момент инерции прямого тонкого однородного стержня относительно оси, проходящей через центр масс, перпендикулярно продольной геометрической оси симметрии (рис.5).

Рисунок 5. Тонкий стержень

Пусть ось вращения проходит через центр масс стержня, тогда

(47)

где L - длина стержня.

Для труб расходомера момент инерции с плотностью жидкости :

(48)

Для труб расходомера момент инерции с плотностью жидкости :

(49)

2.2.8 Для трубопровода, рассматриваемого как стержень с постоянным поперечным сечением на двух опорах, собственная частота fj, соответствующая j-той форме собственных колебаний (в данном случае ):

(50)

(51)

(52)

где, - j-тый корень частотного уравнения, для данной формы труб он равен 1.76 [3];

- длинна трубы, равна 0.46 (м);

- модуль упругости равен 11 · 10^-4 (МПа) при 20 °С.

- момент инерции, для труб расходомера момент инерции с плотностью жидкости , равен; Для труб расходомера момент инерции с плотностью жидкости , равен

- масса трубы, для жидкости с плотностью жидкости , равна 0.103 (кг), с плотностью жидкости 0.122 (кг).

Расчет данных параметров необходим для того, чтобы правильно подобрать электромагнитную (задающую) катушку возбуждения и магнит.

3 ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА РАСХОДОМЕРА

Функциональная схема расходомера с прямой и изогнутой трубками идентичны и представлена на рис.6

Рисунок 6. Функциональная схема расходомера

Сигналы с измерительных катушек и терморезисторов поступают на усилители, затем на преобразователь сигналов и контроллер. Преобразователь преобразует низкоуровневый сигнал в аналоговый сигнал 4-20 mА и частотный в выходные сигналы.

4.1 ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ РАСХОДОМЕРА С ИЗОГНУТОЙ ТРУБКОЙ

Основными элементами датчика являются две расходомерные трубки, на которых монтируются:

• соединительная коробка с силовой электромагнитной (задающей) катушкой возбуждения и магнитом;

• магниты с электромагнитными катушками;

• терморезистор.

• разделитель потока

Элементы сенсора закрыты защитным кожухом, на котором нанесен указатель направления потока.

Расходомерные трубки изготавливаются из стали марки 03Х17Н14М3. Фланцы М1.6×1.5 -30Х ГОСТ 9399-81 покупаются .Рабочий диапазон температур для стали 30Х составляет от минус 50 °С до плюс 200°С.

Расчеты параметров данных труб приведены выше.

Электромагнитная (задающая) катушка возбуждения и магнит подбираются соответственно расчетам собственных частот и требуемому диапазону температур.

Рисунок 7. Электромагнитная (задающая) катушка возбуждения и магнит [12]

Катушка возбуждения вместе с магнитом используется для генерирования колебаний расходомерных трубок кориолисова датчика. Катушка возбуждается для поддержания вибрации трубок на их собственной частоте.

Привод и измерительные датчики покупаются.

Терморезистор и магниты с электромагнитными катушками подбираются соответственно заданному диапазону температур.

Рисунок 8. Терморезистор [12]

Терморезистор (RTD) представляет собой платиновый элемент с сопротивлением 100 Ом, обеспечивающий выходной сигнал для температуры расходомерных трубок. Основные параметры терморезистора приведены в таблице 5.

Таблица 5. Параметры терморезистра RTD-P [12]

Наименование параметра

RTD-P/ RTD-P-Ex

термопреобразователи сопротивления платиновые

Форма представления информации

выдача сигнала в системы контроля и регулирования температуры

Контролируемая среда

-

Пределы измерения, °С

-50...+600

Длина монтажной части, мм

290, 380, 530

НСХ

100П

Класс допуска

А, В

Схема подключения ЧЭ

2-х, 3-х и 4-х проводная

Питание, потребляемая мощность

IP66; ОЕхiаIIСТ6

Исполнение

состоит из взаимозаменяемой измерительной вставки с чувствительными элементами, крепление – при помощи пайки.

Срок поверки

для класса А - 1 год; для класса В - 2 года

Масса, кг

-

ГОСТ

ГОСТ 6651-94; ГОСТ 8.461-82

№ ГОСРЕЕСТРА, сертификата

№ 18412-99 Сертиф. DE.C.32.004.A № 6368

Рисунок 9. Катушки измерительных преобразователей и их магниты [12]

Катушки измерительных преобразователей и их магниты представляют собой электромагнитные детекторы, расположенные с каждой стороны расходомерной трубки(рис.9).

Вырабатывается сигнал, отражающий скорость и положение в этой точке вибрирующей трубки, и масса потока определяется путем измерения разницы фаз между этими сигналами

Корпус или оболочка защищает электронику и электрические схемы от внешней коррозии, обеспечивая дополнительную (вторичную) защиту от технологической текучей среды.

Для корпуса сенсора выбрана сталь марки 03Х18Н11.

Стали с низким содержанием углерода (марки 03X18Н11 и др.) менее склонны к межкристаллитной коррозии, они имеют повышенную коррозионную стойкость в азотной кислоте высоких концентраций и в других агрессивных средах, хорошую свариваемость, пластичность, высокую способность к полированию.

Между концевой частью технологического соединения и расходомерными трубками располагается участок, называемый разделителем потока. Два разделителя потока равномерно распределяют поток технологической текучей среды по двум расходомерным трубкам (рис.10). Разделитель потока изготавливается как часть разделителя поз.1. Разделитель поз.1 изготавливается из той же стали что и расходомерные трубки.

Рисунок 10. Разделитель потока [12]

Прокладки из материла паронита ПОН ГОСТ 15180-86.

Паронитовые прокладки межфланцевые (фланцевые) – кольца для уплотнения фланцевых соединений.

Применение: паронитовые прокладки применяют на холодное и горячее водоснабжение, теплоснабжение, паровые системы, технологические линии в пищевой промышленности, промышленные применения на большинство жидкостей и газов и т.д.

Рекомендации: Использование неармированных паронитовых прокладок только в системах с давлением до 40 бар и температурой до 200 °C, а армированных (ферронитовых или из паронита армированного (ПА)) - в системах с давлением до 64 бар и температурой свыше 200 °C.

Паронит – листовой прокладочный материал, который изготовляется прессованием асбокаучуковой массы, состоящей из асбеста, каучука и порошковых ингредиентов. В целях повышения механических свойств паронит армируют металлической сеткой. Полученный материал называется ферронит (паронит марки ПА).

Применяется для уплотнения соединений, работающих в средах: воды и пара с давлением 5 Мн/м²(50 кгс/см²) и температурой 450 ºС; нефти и нефтяных продуктов при температурах 200-400 ºС и давлениях 7-4 Мн/м² соответственно; жидкого и газообразного кислорода, этилового спирта и т.д.

Информационный преобразователь поз.13, покупается готовый.

Общий вид конструкции кориолисового расходомера представлен на сборочном чертеже рис. 11, а спецификация на рис. 12. Все компоненты подобраны и разработаны в соответствии с требованием работоспособности расходомера и рабочему диапазону температур.

Рис.11. Сборочный чертеж расходомера с изогнутой трубкой.

Рис.12 а. Спецификация чувствительной части расходомера с изогнутой трубкой первый лист.

Рис.12 б Спецификация чувствительной части расходомера с изогнутой трубкой второй лист.

Разработанная конструкция кориолисового расходомера позволяет измерять массовый расход следующего диапазона плотностей жидкостей: (0.6-1.6)·10³ кг/м³. А именно бензин, бензол, нефть, спирты, керосин, вода, уксусную кислоту, глицерин, сероуглерод, кислоту азотную и многие другие жидкости, плотность котрых, входит в заданный диапазон.

4.2 ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ РАСХОДОМЕРА С ПРЯМОЙ ТРУБКОЙ

Кориолисов датчик с прямой трубкой состоит из следующих частей:

Расходомерная Трубка: бесшовная холоднодеформированная труба из сплава на основе титана ГОСТ 22897-86.

Опорная трубка: на работает как вторая расходомерная трубка и служит местом установки катушки возбуждения и измерительных катушек. Когда расходомерная трубка отклоняется вниз, опорная трубка поднимается вверх.

Материал должен быть не магнитным, тогда возьмем: Сталь А2 (08Х18Н10) ГОСТ 7350-77.

Кронштейны для крепления к корпусу: фиксируют измерительную систему (расходомерную трубку и опорную трубку) на корпусе[2]. Материал: Сталь 30 ГОСТ 2591-71.

Катушка возбуждения и магнит:

Рисунок 13. Катушка возбуждения и магнит

Катушка возбуждения вместе с магнитом используется для генерирования колебаний опорной и расходомерной трубок датчика. Катушка возбуждается для поддержания вибрации трубок с их собственной частотой.

Измерительная катушка и магнит: В конструкцию кориолисовых датчиков с прямой трубкой входят измерительные катушки, расположенные на опорной трубке, и магниты, расположенные на расходомерной трубке. Эти электромагнитные детекторы вырабатывают сигнал, отражающий скорость и положение в данной точке на вибрирующей трубке. Массовый расход определяется расчетом разности фаз этих сигналов.

Терморезистор: Терморезистор соединен непосредственно с расходомерной трубкой, и измеряет температуру технологической текучей среды, проходящей через расходомерную трубку. Этот терморезистор корректирует разницу температур между корпусом и расходомерной трубкой. Такой измерительный контур обеспечивает точное измерение потока и плотности в условиях меняющейся температуры.

Технологическое соединение: фланцевое ГОСТ 9399-81.

Корпус: Корпус или оболочка защищает электронику и электрические схемы от внешней коррозии, обеспечивая дополнительную (вторичную) защиту от технологической текучей среды. Некоторые корпуса могут иметь устройства для прочистки, в соответствии с особыми требованиями при специальных применениях прибора.

В качестве материала для корпуса используется Сталь 30 ГОСТ 2591-71.

В состав конструкции расходомера с прямой трубкой входят:

Расходомерная трубка, опорная трубка, катушка возбуждения и магнит, 2 измерительные катушки с магнитами, терморезистор, корпус, кронштейны для крепления к корпусу, технологическое соединение, боковые крышки.

Общий вид конструкции кориолисового расходомера с прямой трубкой представлен на сборочном чертеже рис 14, спецификация на рис 15.

Рис.14. Сборочный чертеж расходомера с прямой трубкой.

Рис.15 а Спецификация чувствительной части расходомера с прямой трубкой первый лист.

Рис.15 б Спецификация чувствительной части расходомера с прямой трубкой второй лист.

Все компоненты подобраны и разработаны в соответствии с требованием работоспособности расходомера и рабочему диапазону температур. Разработанная конструкция чувствительного элемента кориолисова расходомера позволяет измерять массовый расход следующего диапазона плотностей жидкостей: (0.5-1.5)·10³ г/см³.

5 АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА КОРИОЛИСОВОГО РАСХОДОМЕРА

Для того, чтобы рассчитать параметры чувствительного элемента кориолисового расходомера необходимо:

1. Выбрать материал расходомерной трубки, в соответствии с рабочим диапазоном температур и свойствами жидкости, для которой будет использоваться расходомер.

2. Рассчитать допускаемое напряжение в трубах.

3. Рассчитать дополнительное внутреннее избыточное давление.

4. Рассчитать толщину стенки трубы.

5. Определить номинальную толщину стенки трубы.

6. Рассчитать длину пролета трубы, учитывая момент сопротивления поперечного сечения трубы при изгибе.

7. Рассчитать массу трубы.

8. Рассчитать момент инерции трубы с жидкостью.

9. Рассчитать собственные частоты трубы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе были произведены расчеты параметров чувствительного элемента кориолисова расходомера с прямой и изогнутой трубками, для чего были произведены расчеты параметров трубок, произведен выбор элементов, составлена функциональная схема.

Преимущество расходомеров с прямой трубкой:

• имеют меньшую вероятность засорения, и она легче очищается (могут быть очищены механически)

• используются в санитарных условиях, т.к. они обладают требованием самозаполнения

• используются для жидких растворов и других многофазных жидкостей

• выдерживают большие напряжения трубы и вибрацию,

• легко устанавливаются, требуют меньший перепад давления,

• более компактны и требуют меньше места для установки

• используются при измерении жидкости, которая может затвердеть при определенной температуре.

Преимущество расходомеров с изогнутой трубкой заключается в том, что трубки изгибаются сильней, соответственно сигнал таких расходомеров точней.

К достоинствам кориолисовых расходомеров относится: высокая точность, повторяемость результатов измерений. Нет движущихся деталей. Не требуются прямые участки. Единственным недостатком такого расходомера является его дороговизна, отсюда следует вывод, что такие расходомеры имеет смысл использовать в крупном производстве.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. И.И.Алиев, С.Г. Калганова. Электротехнические материалы и изделия. Справочник. – М.: ИП Радиософт, 2005. – 352с.: ил.

2. А.Н. Гормаков. Технология приборостроения. Учебное пособие. – Томск: Изд. ТПУ, 1999. –240 с.

3. А.Н. Громова, Е.П. Попова, Е.С. Сизов. Бесштамповое изготовление деталей из листов, профилей и труб. М., «Цитимаш», 1962. – 89 с.: ил.

4. Основы конструирования механизмов приборных систем: учебное пособие / Л.Б. Гурин, Т.Г. Нестеренко, И.А. Плотников; Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. – 337 с.

5. Г. П. Катыс Массовые расходомеры. М.-Л. Изд. «Энергия», 1965. – 88 с.: ил.

6. П.П. Кремлевский. Расходомеры и счетчики количества веществ: Справочник: Кн.2/ Под общ. Ред. Е.А. Шорникова. – 5 – е изд., перераб. и доп. – СПб.: Политехника,2004. – 412 с.: ил.

7. В.М. Ильинский. Измерение массовых расходов. М., «Энергия», 1973

8. В. А. Светлицкий. Механика стержней: Учеб. Для втузов. В 2 – х ч. Ч. 2. Динамика. – М.: Высш. шк., 1987. – 304 с.: ил.

9. В.Л. Соломахо, Р.И. Томилин. Справочник конструктора-приборостроителя. Проектирование. Основные нормы. – Мн.: Выш. шк., 1988. – 272 с.

10. Promass. Режим доступа: http://www.ru.endress.com

11. ЗАО НАКАЛ. Режим доступа: http://www.nakal.ru/

12. «ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ». Программа энергосбережения, счетчики воды, теплосчетчики, расходомер.

Режим доступа: http://www.meshta.ru/voda_idea13.html.

1. СТО ТПУ 2.5.01 – 2006. Система образовательных стандартов. Работы выпускные квалификационные, проекты и работы курсовые. Структура и правила оформления.

2. ОК 012–93. ЕСКД. Общероссийский классификатор изделий и конструкторских документов.

3. СА 03–003–07 Стандарт ассоциации. Расчеты на прочность и вибрацию стальных технологических трубопроводов.

45

Код для цитирования: Скопировать