Введение
Важное значение в интенсификации производства и повышении качества выпускаемой продукции играет автоматизация контрольных операций и, в особенности, системы автоматизированного управления технологическими процессами. Стремительное развитие электроники и вычислительной техники оказалось предпосылкой для широкой автоматизации самых разнообразных процессов в промышленности, однако реализация этой предпосылки в значительной мере определяется возможностями устройства для получения информации о регистрируемом параметре или процессе. В системах управления производственными процессами и контроля качества выпускаемой продукции одним из основных регулируемых параметров является контроль расхода жидкостей, газов и сыпучих веществ непосредственно в ходе технологического процесса.
Ни одна отрасль промышленности не обходится без расходомеров. Это расходомеры нефти и природного газа, расходомеры воды и пара для отопления жилищ и промышленных предприятий, расходомеры молока и муки для расфасовки в пакеты и бутылки. Это, наконец, расходомеры-счетчики питьевой и горячей воды, без которой немыслим сегодня ни один дом. В условиях резкого повышения спроса на энергоресурсы и их стоимости каждый хочет знать о своем расходе ресурсов от первичных производителей до конечных потребителей. При этом точность измерения ресурсов, будь то вода или бензин, приобретает первостепенное значение.
Автоматизация производственных процессов является необходимым условием повышения производительности труда и улучшения качественных показателей машиностроительного производства. Одними из важнейших параметров, которые подвергаются автоматизированному контролю, являются скорость и расход рабочих жидкостей через трубопроводные системы, что приводит к необходимости внедрения и совершенствования систем автоматического контроля, регулирования и управления потоками рабочих жидкостей.
Создание и развитие новых технологий и производственных процессов, увеличение стоимости воды и энергетических ресурсов, усиление мер, направленных на защиту окружающей среды, привели к возросшей потребности измерения расхода воды и других жидкостей, протекающих в напорных и безнапорных трубопроводах.
Существует огромное количество приборов для измерения расхода и количества веществ, различающихся принципами действия и методами измерений. При выборе средства измерения расхода и его количества исходят из свойств измеряемого вещества, его параметров и требований к точности измерения.
Расход является одним из основных рабочих параметров, точность и надежность измерения которого определяет ценность результатов экспериментальных исследований в гидра-газодинамике; качество технологических процессов в химической, пищевой и бумажной промышленности; оптимальные режимы работы объектов в ракетной технике и авиации, энергетике и транспорте; эффективность систем добычи и переработки нефти и нефтепродуктов. Поэтому в настоящее время актуальной становится задача разработки измерительных каналов расхода.
Современная измерительная практика предъявляет все более высокие требования к точности, надежности, быстродействию, функциональности измерительных каналов. В большинстве случаев эти требования противоречивы, то есть улучшение одних характеристик, как правило, достигается за счет недореализации возможностей улучшения других. Так, увеличение функциональных возможностей приборов за счет усложнения снижает их надежность вследствие возрастания числа подверженных отказам элементов. Увеличение быстродействия снижает эффективность систем автоматической компенсации медленно меняющихся погрешностей, вызванных влиянием внешней среды, параметров измеряемых объектов и т.п. Поэтому развитие измерительной техники сопровождается постоянным поиском разумного компромисса между реализуемыми свойствами приборов, техническими возможностями и экономической целесообразностью.
Цель дипломной работы: разработка системы автоматизации контроля расхода жидкости через трубопроводы
Задачи
-анализ литературы по данной теме;
-анализ технологического процесса как объекта управления;
-анализ классификации расходомеров;
Предмет исследования: технологический процесс контроля жидкости
Исходя из этого, необходимо: проведение анализа фактической природы формирования сигнала, соответствующей расходу и объему воды, исследование составляющих методической погрешности измерения, исследование составляющих инструментальной погрешности измерения. Основной целью работы является разработка требований и принципов построения средств измерений; исследование метода измерений, создание и исследование средств измерений (узлов) расхода и объема воды, и методик выполнения измерений в реальных условиях эксплуатации. Достижение этой цели заложит основу системы измерений, учета и сведения балансов воды с меньшей погрешностью при производстве, водоотведении и очистке воды. Научная новизна работы состоит в том, что:
- уточнены основные источники погрешностей измерения расхода и объема воды в условиях эксплуатации;
- получены аналитические выражения и числовые значения погрешностей измерения, обусловленные спецификой технологического процесса;
- разработаны новые способы измерения расхода и объема воды в условиях эксплуатации,
- созданы и исследованы узлы учета, основанные на разработанных автором способах измерения расхода и объема воды;
- разработаны принципы коррекции систематических погрешностей узлов учета для работы в условиях помех.
вода автоматизация жидкость трубопровод
1. Теоретические основы контроля расхода жидкости
Расходом вещества называется количество вещества, проходящее через данное сечение канала в единицу времени.
Количество вещества выражают в единицах объема или массы. Основной единицей объема жидкости (газа) принимается кубический метр (м3). Основной единицей массы жидкости (газа) принимается килограмм (кг). Количество жидкости (газа) с равной степенью точности может быть измерено и объемным и массовым методом, т.к. плотность жидкости (газа) при определенной температуре является величиной постоянной, характерной для каждой данной жидкости (газа).
Для твердых сыпучих тел пользуются понятием насыпной или объемной массы. Насыпная масса твердого сыпучего материала не имеет для данного вещества постоянного значения, она зависит от размера и количественного содержания частиц различной величины в общей массе сыпучего материала. Поэтому для получения более точных результатов при измерении количество сыпучего материала определяется взвешиванием.
Приборы, измеряющие расход, называются расходомерами. Эти приборы могут быть снабжены счетчиками (интеграторами), тогда они называются расходомерами - счетчиками. Такие приборы позволяют измерять расход и количество вещества.
1.1 Современные требования к приборам для измерения расхода и количества
В настоящее время к расходомерам и счетчикам предъявляется много требований, удовлетворить которые совместно достаточно сложно и не всегда возможно.
Имеются две группы требований. К первой группе относятся индивидуальные требования, предъявляемые к приборам для измерения расхода и количества: высокая точность, надежность, независимость результатов измерения от изменения плотности вещества, быстродействие и значительный диапазон измерения. Ко второй группе относятся требования, которые характеризуют всю группу расходомеров и счетчиков: необходимость измерения расхода и количества очень разнообразной номенклатуры вещества с отличающимися свойствами, различных значений расхода от очень малых до чрезвычайно больших и при различных давлениях и температурах.
Рассмотрим эти требования.
1. Высокая точность измерения - одно из основных требований, предъявляемых особенно к счетчикам и дозаторам. Если раньше погрешность измерения в 1,5 - 2 % считалась нормальной и достаточно удовлетворительной, то в настоящее время нередко требуется иметь погрешность не более 0,2 - 0,5 %. Повышение точности достигается как за счет применения новых прогрессивных методов и приборов (тахометрических, электромагнитных, ультразвуковых и т. п.), так и за счет совершенствования старых классических методов. К числу наиболее точных относятся камерные счетчики жидкости (в частности, с овальными шестернями и лопастные). Погрешность первых не более 0,5 %, а вторых даже не более 0,2 % от измеряемой величины. Расходомеры и счетчики с сужающими устройствами менее точны. Снижение их погрешности достигается с помощью износоустойчивых диафрагм, а также при повышении точности дифманометров и применении вычислительных устройств для учета изменения плотности вещества.
2. Надежность (наряду с точностью) - одно из главных требований, предъявляемых к расходомерам и счетчикам количества. Основным показателем надежности является время, в течение которого прибор сохраняет работоспособность и достаточную точность. Это время зависит как от устройства прибора, так и от его назначения и условий применения.
Тахометрические приборы, элементы которых при измерении непрерывно движутся, имеют меньший срок службы. Так, у турбинных расходомеров износ оси и опор будет тем меньше, чем лучше смазывающая способность измеряемого вещества и чем оно чище. Для повышения надежной работы этих расходомеров необходимо применение фильтров или других очистных устройств. В технических условиях на некоторые тахометрические расходомеры турбинного типа указывается шестилетний срок нормальной работы.
3. Независимость результатов измерения от изменения плотности вещества. Это требование особенно важно при измерении расхода газа, у которого плотность зависит от его температуры и давления. В большинстве случаев необходимо иметь устройства, автоматически вводящие коррекцию в показания прибора при изменении плотности (или температуры и давления) измеряемого вещества. Лишь у тепловых и силовых расходомеров, измеряющих массовый расход, изменение плотности измеряемого вещества очень мало сказывается па результатах измерения.
4. Быстродействие прибора, определяемое его хорошими динамическими характеристиками, необходимо прежде всего при измерении быстро меняющихся расходов, а также в случае применения прибора в системе автоматического регулирования. Быстродействие большинства расходомеров удобно оценивать значением его постоянной времени Т, т. е. времени, в течение которого показания прибора при скачкообразном изменении расхода от Q до Q изменяются приблизительно на две трети от значения Q- Q. Турбинные расходомеры имеют очень малую постоянную времени Т (в пределах сотых и тысячных долей секунды). У тепловых же расходомеров время Т измеряется десятками секунд. Для улучшения их быстродействия применяют особые измерительные схемы (дифференцирующие). Расходомеры с сужающими устройствами занимают промежуточное положение. В этих расходомерах время Т уменьшается с уменьшением длины соединительных трубок, а также измерительного объема дифманометра и увеличением его предельного перепада давления.
5. Большой диапазон измерения (Q/Q) необходим, когда значения расхода могут изменяться в значительных пределах. У приборов с линейной характеристикой, например электромагнитных, этот диапазон равен восьми - десяти. У расходомеров с сужающими устройствами он очень мал и равен трем. Повысить его до девяти -- десяти можно путем подключения к сужающему устройству двух дифманометров с разными ?P. У тепловых расходомеров можно посредством изменения мощности нагревателя получить многопредельную шкалу с очень большим общим диапазоном измерения.
6. Очень разнообразна номенклатура измеряемых веществ, которые могут быть не только однофазными, но и многофазными. Основные методы измерения расхода были разработаны для однофазных сред, т. е. для жидкости, газа и пара.
При этом надо учитывать как параметры (давление, температуру), так и особые свойства (агрессивность, абразивность, токсичность, взрывоопасность и т. п.) веществ внутри каждой из этих сред.
Наряду с измерением расхода различных промышленных жидкостей приходится измерять и расход расплавленных металлов - теплоносителей - при высоких температурах. Кроме того, все чаще возникает необходимость измерения расхода двухфазных и даже трехфазных сред. К ним относятся гидросмеси или пульпы, смеси твердой и газообразной фаз (пылеугольное топливо), смеси жидкости с газом (нефтегазовая смесь) или с паром (влажный пар) и, наконец, газированная пульпа, представляющая собой смесь всех трех фаз. При измерении расхода многих из этих смесей возникают значительные трудности.
7. Большой диапазон значений расходов, подлежащих измерению. Так, для жидкостей приходится измерять расходы от 10 кг/ч до 10 - 10 кг/ч, а для газов - от 10 кг/ч до 10 - 10 кг/ч, т. е. расходы, значения которых отличаются на десять порядков. Относительно проще измерить средние расходы. При измерении же очень малых и очень больших расходов нередко возникают затруднения и приходится применять особые методы.
8. Необходимость измерения расхода различных веществ не только в обычных, но и в экстремальных условиях при очень низких и очень высоких давлениях и температурах. Так, расход криогенных жидкостей, например сжиженного водорода, надо измерять при низких температурах (до минус 255°С), а расход перегретого пара сверхвысокого давления и расход расплавленных металлов теплоносителей - при температурах, достигающих плюс 600°С. При подобных условиях измерения создаются определенные трудности в подборе надежно работающих средств измерения.