Лабораторная работа №16 «Исследование объемного расходомера»

Вид материала

Лабораторная работа

Содержание 4. Экспериментальная часть. 8 Лабораторная работа 16«Исследование объемного расходомера» 1. НАЗНАЧЕНИЕ РАСХОДОМЕРА. 2. Цель работы. 3. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. 3.1. Принцип действия датчика. 3.2. Конструкция датчика расхода. 3.3. Назначение и принцип действия преобразователя. 3.4. Назначение и принцип действия указателя 3.5. Основные технические данные и характеристики расходо­мера. R, Z - наружный и внутренний радиусы вертушки; K Т - постоянная времени; r S - проходное сечение в см; К 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ. 4.1. Описание лабораторной установки. 4.2. Определение цены одного импульса. 4.3. Обработка результатов эксперимента по данным таблицы 1. 4.4. Снятие статической характеристики расходомера. 4.5. Определение угловой скорости вращения турбины и линейной скорости потока. 4.6. Определение динамической ошибки расходомера. 4.7. Расчет моментов сопротивления. J - момент инерции вращающихся масс, 0 5. Требования, предъявляемые к отчету. ... Полное содержание

Подобный материал:

• Методические указания к лабораторным работам Лабораторная работа, 357.24kb.
• Лабораторная работа №3 кпк лабораторная работа №3 Тема: карманный персональный компьютер, 173.34kb.
• Методические возможности стенда Особенности работы на стендах уилс-1 Ознакомительное, 1487.3kb.
• Лабораторная работа, 103.26kb.
• Лабораторная работа по курсу «Физические основы микроэлектроники», 136.21kb.
• Исследование переходных процессов в замкнутых нелинейных системах управления 111, 347.96kb.
• Российский государственный гидрометеорологический университет кафедра экспериментальной, 191.53kb.
• Министерство образования Российской Федерации российский государственный гидрометеорологический, 338.25kb.
• Лабораторная работа, 166.92kb.
• Лабораторная работа №7 «исследование методов измерения фазового сдвига», 61.32kb.

Кафедра 303

Лабораторная работа № 16



«Исследование объемного расходомера»

Лабораторная работа 16
«Исследование объемного расходомера»

1. НАЗНАЧЕНИЕ РАСХОДОМЕРА.

Расходомеры топлива относятся к числу информационных приборов, кон­тролирующих работу силовых установок летательных аппаратов.

Данный расходомер, измеряющий объемный расход жидкости, относится к расходомерам тахометрического типа. Бесконтактный метод измерения скорости вращения ротора позволяет полностью пользоваться его положительными каче­ствами. Такие расходомеры технологичны, просты в эксплуатации, срок службы их зависит от конструкции.

Одной из главных особенностей данного расходомера является частотная модуляция, которая позволяет использовать сигнал непосредственно для обработки на электронно-вычислительных машинах без перевода его в дискретную форму.

Кроме того, частота сигнала связана только со скоростью вращения и прак­тически не зависит от внешних факторов в отличие от напряжения или тока выход­ного сигнала. В связи с этим устраняются многие источники погрешностей изме­рения. Частотно-модулированный сигнал легко, без искажений можно передать и усилить.

2. ЦЕЛЬ РАБОТЫ.

1) Изучить назначение расходомера, его принцип действия, конструкцию дат­чика, электрическую схему преобразователя и принципиальную схему указателя.

2) Ознакомиться с лабораторной установкой для снятия характеристик расхо­домера.

3) Провести экспериментальные исследования.

4) Проанализировать погрешности прибора и выполнить расчетную часть.

3. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

3.1. Принцип действия датчика.

Расходомер состоит из датчика, преобразователя и указателя (рис.1). Принцип действия расходомера определяется датчиком, который представляет собой участок трубопровода с двумя вертушками, расположенными на одной оси. Поток жидкости, проходящей по трубопроводу, приводит во вращение вертушки, угловая скорость которых пропорциональна скорости движения жидкости в трубопроводе, а следовательно, и объему расхода жидкости, т.е. Q = SV, где Q - объемный расход, V - ско­рость жидкости. S - площадь сечения трубопроводов.

 = K₁V (1)

где  -скорость вращения ненагруженной вертушки;

K₁ коэффициент, зависящий от параметров вертушки, т.е.

Обороты магнитопроводящей вертушки посредством магнитоиндукционного узла (рис. 2) преобразуются в электрический сигнал, частота которого пропорциональна измеряемому расходу.

В магнитоиндукционном узле магнитный поток, создаваемый магнитом 3, проходит через катушку 4, корпус 1 и магнитопроводящие лопасти вертушки

2. При вращении вертушки 2, вследствие периодического изменения магнитной проводимо­сти рабочего зазора между лопастью вертушки и постоянным магнитом 3, происхо­дит пульсация потока, вызывающая наведение ЭДС в катушке 4. Частота наведенной ЭДС равна частоте изменения магнитной проводимости.

f = zn (2)

где f- частота в Гц;

n - число оборотов вертушки в Об/сек;

z - коэффициент, определяемый числом магнитопроводящих лопастей вертушки.

3.2. КОНСТРУКЦИЯ ДАТЧИКА РАСХОДА.

Конструкция датчика расходомера приведена на рис. 3. Корпус прибора 2 вы­полнен из стали Х18Н12Т с гнездами для ввертываемых штуцеров 5, которые уплот­няются в корпусе кольцами 6 из стали Х18Н10Т. Концы ввертываемых штуцеров I, предназначены для присоединения прибора к трубопроводу по наружному корпусу диаметром трубопровода D = 14 мм. Для спрямления потока жидкости, поступающего на вертушку, служит четырехлопастной струевыпрямитель 15, который удержива­ется в корпусе с помощью резьбового кольца 16. Чувствительным элементом ,; прибора является система из двух вертушек, собранных в опоре 12. Вертушка 14, рас­положенная под магнитоиндукционным узлом (МИУ) 1, изготовлена из магнитопроводящей стали 2Х13. Вторая вертушка 9, расположенная в сечении регулировочноro конуса 7, изготовлена из магнитной стали Х18Н9Т.

Обе вертушки крепятся гайками на одной оси 11, вращающейся в двух шари­коподшипниках, расположенных в гнездах опоры. Опора 12 удерживается в корпусе втулками 3 и 19 и резьбовым кольцом 4. Втулка 3 в корпусе фиксируется от поворота выступом.

Регулировочный конус, изменяющий проходное сечение под вертушкой, слу­жит для регулировки прибора на заданную частоту выходного сигнала. Регулировка проводится при индивидуальной тарировке прибора, после чего регулировочный ко­нус контрится втулкой 4.

На внешней стороне корпуса над лопастями магнитопроводящей вертушки расположен магнитоиндукционный узел 1, состоящий из катушки с магнитом и кожуха. Выводы от катушки подпаиваются к штырям вилки в соответствии с принципиальной схемой магнитоиндуктивного узла.

Для предохранения от возможного загрязнения прибор закрывается заглушками, пломбируется и устанавливается в полихлорвиниловый чехол.

3.3. НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ.

Объемный расход жидкости измеряется четырьмя датчиками расхода, каж­дый из которых поочередно может с помощью галетного переключателя подсоеди­няться к преобразователю.

Преобразователь представляет собой электронный усилитель-преобразователь, предназначенный для усиления и формирования сигналов, поступающих из датчика расхода в виде тока, пропорционального частоте входных сигналов.

Эти усиленные и преобразованные сигналы далее поступают на вход указателя, представляющего собой стрелочный прибор магнитоэлектрического типа.

Преобразователь формирует из входных сигналов датчика ток, среднее значе­ние которого пропорционально частоте входных сигналов.

Преобразователь усиливает сигналы переменной частоты и формирует их в прямоугольные импульсы, следующие затем через цепь и выпрямительный мост на указатель расхода.

Принципиальная электрическая схема преобразователя представлена на рис. 4

Входной сигнал с одного из датчиков расхода через переключатель В1 посту­пает на вход усилителя Э1. В качестве усилителя используется интегральная микросхема 1УТ401А, включенная по схеме с положительной обратной связью. Такая схема является пороговой. Она не усиливает малые сигналы.

Сигналы достаточной амплитуды (более 50 мВ) усиливаются и формируются в прямоугольные импульсы. Сформированные сигналы с выхода Э1 через Д7, Д8,.R11 поступают на базу транзистора Т1. Транзистор Т1 работает в ключевом ре­жиме как усилитель мощности и обеспечивает работу выходного транзисторного ключа, выполненного на транзисторе Т2.

При открытом транзисторе Tl на базу Т2 поступает малый потенциал (менее 0,2 В), и транзистор Т2 запирается. При этом измерительная емкость С4 заряжается через резистор R9, диоды Д1 иД2, диодную матрицу Э2.

При закрытом транзисторе Tl на базу Т2 через резистор R3 подается положи­тельный потенциал. Транзистор Т2 открывается и конденсатор С4 разряжается че­рез диодную матрицу Э2, указатель и открытый транзистор Т2.

Благодаря применению мостовой схемы выпрямителя (в диодной матрице Э2) через указатель протекает ток заряда конденсатора С4. Это позволяет повысить эффективность схемы и получить среднее значение тока (около 3 мА), требуемое для полного отклонения стрелки указателя.

Для стабилизации источника питания усилительных каскадов применены стабилитроны Д5, Д6, Д10. Для опроса каждого из четырех измерителей расхода и надежного коммутирования входных сигналов на вход усилителя применен галетный переключатель В 1, состоящий для повышения надежности из двух парал­лельных плат. Вход указателя зашунтирован переменным резистором R16, служа­щим для тарировки при совместной работе преобразователя с указателем и од­новременно выполняющим роль демпфера указателя.

Для проверки работоспособности преобразователя предусмотрена подача на вход Э1 контрольного сигнала с частотой 400 Гц, снимаемого с отдельной обмотки трансформатора Tl. Питание схемы: 36 В 400 Гц, с выхода выпрямителя - 40 В.

3.4. НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ УКАЗАТЕЛЯ

Указатель предназначен для визуального контроля мгновенного расхода жид­кости.

По принципу действия указатель является прибором магнитоэлектрической системы (рис. 5). При включении прибора в цепь измерения через рамку 1 подвиж­ной системы протекает ток, пропорциональный измеряемой величине. Ток создает магнитное поле рамки, которое взаимодействует с магнитным полем неподвижного постоянного магнита 2, проходящем через магнитопровод 3. В результате этого вза­имодействия происходит поворот подвижной системы до тех пор, пока вращающий момент не уравновесится противодействующим моментом.

Противодействующий момент создается двумя пружинными волосками и про­порционален углу закручивания. Колебание температуры воздуха в пределах от -20 до +60 С изменяет сопротивление рамки, что вызывает изменение тока в рамке и приводит к отклонению стрелки от истинного положения. Для устранения температурной погрешности применяется компенсирующий терморезистор, имеющий \ / отрицательный температурный коэффициент электросопротивления (температурный коэффициент алюминиевого провода рамки положителен). Благодаря этому омическое сопротивление цепи указателя при различных температурах почти не из­менится, и ток, протекающий по рамке будет изменятся незначительно.

Последовательно в цепь прибора включен добавочный резистор, за счет кото­рого производится изменение вращающего момента в процессе настройки указателя. Внешний вид шкалы указателя расходомера приведен на рис. 6.

3.5. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ И ХАРАКТЕРИСТИКИ РАСХОДО­МЕРА.

а) Основные технические данные:

1. Диапазон измерений расходов -50 +150 л/мин

2. Рабочий диапазон измерения -70 +120 л/мин

3. Давление жидкости 100 кг/см

4. Допустимый перепад давлений -0,3 кг/см

5. Допустимая погрешность ±5%

6. Рабочий диапазон температур -20°С +200°С (для датчика) и -20°С +60°С (для преобразователя)

7. Питание прибора 36 В 400 Гц

б) Статическая характеристика

Зависимость скорости вращения вертушки от мгновенного расхода имеет следующий вид:



где n_ИД - скорость идеальной вертушки;

n_C - скорость закрутки потока;

М_Н - нагрузочный момент;

 - плотность жидкости;

R, Z - наружный и внутренний радиусы вертушки;

K_B - постоянный коэффициент вертушки.

Частота электрических импульсов от МИУ зависит от числа лопастей вертушки: f = nz, или при п = 6 имеем f = 6 Гц.

Статическая характеристика расходомера является в первом приближении при малом нагрузочном моменте линейной. Изменение статической характеристики расходомера может зависеть от изменения нагрузочного момента Ми, действующего на ось вертушки, т.к. он входит в выражение статической характеристики. В качестве одного из слагаемых в нагрузочный момент входит момент жидко­стного трения, в котором коэффициент вязкости зависит от температуры.

Погрешности измерения от температуры составляют от верхнего предела из­мерения в диапазоне измеряемых расходов при температурах :

от 20°С до 100°С ±5%

от 0°С до 20°С ±7%

от -30°С до 0°С ±11%

от 100°С до 200°С ±11%

В рабочем диапазоне расходов:

от 20°С до 100°С ±4%

от 0°С до 20°С ±6%

от -30°С до 0°С ±10%

в) Динамические характеристики.

Динамические свойства данной системы измерения расхода почти полностью Определяются динамикой чувствительного элемента.

Динамическое искажение сигнала первичного преобразователя зависит от двух причин: инерционности ротора (вертушки) и частотной модуляции сигнала, причем вторая причина искажений не влияет на их характер, а только сужает границы применения расходомера.

: В общем случае движение ротора расходомера описывается уравнением перво­го порядка с переменными коэффициентами.

(4)

где Т - постоянная времени;

r - коэффициент пропорциональности;

a₁, a₂, a₃ - постоянные коэффициенты.

При Q = const уравнение будет линейным и переходный процесс будет экспонен­циальным.

г) Погрешности расходомера.

1. Ошибка от нагрузочного момента:

(5)

где S - проходное сечение в см;

К₃ - гидравлический шаг в см;

 - плотность гидросмеси;

R, Z - наружный и внутренний радиусы вертушки в см;

М_H - нагрузочный момент в г см;

Q - мгновенный расход в см /сек.

М_H = М_ТР + М_Ж (6)

где М_ТР - момент трения в опорах

М_Ж - момент жидкостного трения.


2. Погрешности от утечки, т.е. погрешности от неучитываемого расхода жидкости через зазор между вертушкой и корпусом:

(7)

где а - величина зазора в см;

Р_В - перепад давлений в г/см ;

 - кинематический коэффициент вязкости в см³/сек;

l_В - длина вертушки.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

4.1. Описание лабораторной установки.

Внешний вид лабораторной установки приведен на рис.7. На лаборатор­ной панели установлен датчик расходомера 1, указатель расхода 2, преобразователь с галетным переключателем 3 и кнопкой контроля 9, клеммы 7, 8 для присоединения частотомера и счетчика импульсов 10.

В данной лабораторной установке поток жидкости имитируется воздушным | потоком. Воздушный поток жидкости создается нагнетательной установкой, которая соединяется посредством трубопровода с патрубком датчика. Воздуходувная уста­новка имеет переменную производительность.

Кроме лабораторной панели в комплект установки входит счетчик импуль­сов и частотомер.

4.2. Определение цены одного импульса.

Для определения цены одного импульса (цены деления) найдем при различ­ных значениях расхода топлива Q количество импульсов счетчика N.. за промежуток времени в одну минуту по следующей методике:

1. Установить по указателю 2 значения мгновенного расхода Q = 50 л/мин. путем изменения напряжения с выхода трансформатора на воздуходувную установку .

2. Перевести частотомер 10 в режим суммирования .

3. Засечь по секундомеру время и одновременно кратковременным нажатием кнопки обнулить показания частотомера.

4. Через время, равное одной минуте , отсоединить сигнальный провод .. частотомера от клеммы 7 лабораторной установки . .

5. Снять показания частотомера (количество импульсов) и занести в таблицу

6. Во избежание погрешностей при определении числа импульсов за одну минуту для каждого значения расхода топлива проведем по три измерения, т.е. необходимость повторить п.п. 1 - 5 для значения Q = 50 л/мин. и значения N занести в таблицу

7. Определить среднее значение числа импульсов:



8. Рассчитать цену одного импульса для данного расхода топлива по формуле

и занести в таблицу 1.

9. Последовательно установить значения расхода топлива 100 л/мин., 150 л/мин.,, 200 л/мин. Для этих значений повторить выполнение п.п. 1 - 8 и результаты свести в таблицу 1.

10. Поданным таблицы 1 построить график зависимости Q = f(Q) и сде­лать выводы по графику.

Таблица 1.

Q, л/мин.	50	100	150	200
N1
N2
N3
NСР
Q

4.3. Обработка результатов эксперимента по данным таблицы 1.

Обработку результатов будем проводить согласно основным положениям теории вероятности и математической статистики.

1. Постановка задачи:

В нашем случае задача сводится к следующему: для полученных 4 независимых значений случайной величины Q, распределенной нормально с неизвестными параметрами m и , определить оценки и для математического ожидания и дисперсии. построить для них доверительные интервалы.

2. В соответствии с основными положениями теории вероятности и математической статистики, ики (литература ...) определяем оценку для математического ожидания



3. Оценку дисперсии найдём по формуле:



4. Согласно (литературе ..) доверительный интервал для математического ожидания имеет вид:



Величина t_ определяется по таблицам (приложение литература С. С. Вентцель "Теория вероятности").

5. Доверительный интервал для дисперсии имеет вид:



где значения определяются по таблицам (приложение ..) в зависимости от

= п - 1 и Р₁ =Q/2, Р₂ = 1 – Q/2 где - доверительная вероятность

6. Доверительные интервалы найдем для различных значений доверительной вероятности. Результаты вычислений п.п. 2-5 представить в виде таблицы 2.

7. В соответствии с положениями теории вероятности единственным научнообоснованным является энтропийный допуск :

P(2) = 0,95 т.е.

при энтропийном допуске доверительная вероятность равна 0.95 . Это означает, что при энтропийном допуске при измерении объекта 95% результатов являются приемными, а 5% - негодными.

8. Используя таблицы ... с результатами статистических расчетов настроить доверительный интервал для случая Р = 0.95 осях (Q, Q).

4.4. Снятие статической характеристики расходомера.

1. Включить тумблер 5 лабораторной установки и убедиться по показаниям вольтметра 4 в наличии питающего напряжения. Стрелка указателя мгновенного расхода должна показать 0 .

2. Включить воздухонагнетательную установку , производительность которой регулируется с помощью лабораторного автотрансформатора.

3. Установить значение мгновенного расхода Q = 50 А/мин.

4. Для данного значения Q записать n значений выходной частоты, замеряе­мых цифровым частотомером.

5. Вычислить среднее значение выходной частоты по формуле:



и полученное значение записать в таблицу.

6. Установить последовательно по указателю значения мгновенного расхода 100 л/мин, 150 л/мин, 200 л/мин, путем изменения напряжения с выхода трансфор­матора на воздуходувную установку.

7. Для каждого значения мгновенного расхода повторите п.п. 4-5.

8. По данным таблицы построить график зависимости (статическую характеристикy) f_СР = (Q).

9. Произвести аппроксимацию статической характеристики линейной зависимостью (линия регрессии), определяемой аналитическим методом наименьших квадратов: , где А и К - неизвестные параметры, которые находятся после решения системы уравнений :



где m - число экспериментальных точек на графике.

После преобразования получаем:



10. Определить систематическую ошибку в измерении для каждого значения расхода по формуле:

 = f_СР. - f_{ср.расч}. Полученные результаты занести в таблицу.


Таблица 2.

Мгновенный расход, л/мин	50	100	150	200
Частота выходного сигнала, Гц
Расчётная частота, Гц
Погрешность

4.5. Определение угловой скорости вращения турбины и линейной скорости потока.

Каждому импульсу, частоту которого измеряем с помощью частотомера (..) Соответствует прохождение лопасти турбины (турбинки), выполняемой из ферромаг­нитного материала, мимо индукционного датчика. При вращении турбинки магнит­ный поток ферромагнитной лопасти турбинки, сцепляющийся с обмоткой индукци­онного датчика, изменяется, что приводит к возникновению в обмотке ЭДС. В ре­зультате на частотомер поступают импульсы, частоту которых надо измерить. Ее

обозначим f₀ [с_-¹]. Тогда скорость турбинки вычисляется по формуле:

(8)

где Z - число лопастей.

Угловую скорость вращения турбинки вычислим по формуле:

(9)


Линейная скорость потока жидкости вычисляется по формуле:

(10)

где Q – расход [м³/сек]

S - площадь поперечного сечения расходомера [м²].

Для значений расхода 15 л/мин., 50 л/мин., 100 л/мин., 150 л/мин., 200 л/мин. рассчитать n [об./сек] по формуле [8],  [рад/сек] по формуле [9] и U [м/сек] по формуле [10]. Результаты занести в таблицу 3.


Таблица 3.

Q	50	100	150	200
f0

V

4.6. Определение динамической ошибки расходомера.

Величина динамической ошибки расходомера, или выбег вертушки определяется в случае работы датчика в воздушной среде.

1. Подать питание на комплект расходомера и установить такой поток воздуха, который соответствует расходу 100 л/мин.

2. Измерить частоту выходного сигнала при данном расходе.

3. Мгновенно прекратить подачу воздуха путем отсоединения шланга возду­ходувной установки от приемного патрубка датчика.

4. Одновременно с отсоединением шланга обнулить показания счетчика им­пульсов нажатием на кнопку "сброс" на передней панели частотомера.

5. Записать показания счетчика в таблицу 4.

6. Повторить п.п. 1 - 5 для значений Q = 100, 150, 200 л/мин.


Таблица 4

Q	50	100	150	200
fo
N
Mсопр

4.7. Расчет моментов сопротивления.

Во время работы датчика турбинного расходомера по оси его вертушки действует момент сопротивления. Этот момент складывается в основном из момента тре­ния на оси вертушки, моментов вязкого трения, аэродинамического сопротивления и магнитного момента.

Оценка момента сопротивления производится на основании закона сохране­ния энергии: кинетическая энергия вращающейся с определенной скоростью вертуш­ки после снятия воздействия идет на совершение работы против сил сопротивления.





или


где J - момент инерции вращающихся масс,

₀ - угловая скорость вращения в момент снятия воздействия,

 - угол поворота вертушки.

Применяя теорему о среднем, находим среднюю величину момента сопротив­ления:

(13)

Угол поворота (pi отсчитывается за время от момента снятия воздействия до полной остановки вертушки. Его величина определяется путем пересчета показаний счетчика за это время:

(14)

где N₀ - показания счетчика в момент снятия воздействия,

N₁ - показания счетчика в момент остановки вертушки.

Угловая скорость ₀ определяется для данного мгновенного расхода по часто­те выходного сигнала, измеренной частотомером:

(15)

Тогда формула для определения среднего момента сопротивления имеет вид:

(16)

где значение J_n в зависимости от задания выдается преподавателем или вычисляется. Полученные значения занести в таблицу 4. Построить график зависимости М_сопр = f(Q).

5. Требования, предъявляемые к отчету.

1. Нарисовать структурную схему расходомера.

2. Представить все экспериментальные характеристики.

3. Привести в отчёте все необходимые расчеты.

Литература.

1. Браславский Д.А. и др. "Авиационные приборы и автоматы" М.:Машиностроение, 1978г. стр. 165- 179.

2. Боднер В.А. "Приборы первичной информации" М.Машиностроение, 1981г. стр. 284-291.

3. "Авиационные приборы и измерительные системы" Под ред. Воробьева В.Г. М.: Машиностроение, 1981г. стр. 114- 123.

4. Бошняк Л.Л.,Вызов Л.Н. "Тахометрические расходомеры" Л.: Машино­строение, стр.212.