Расчёт узла измерения температуры

Федеральное агентство по образованию 

Государственное образовательное  учреждение

высшего профессионального образования

Ивановский государственный энергетический

университет имени Ленина

 

Кафедра АТП

 

 

 

 

 

 

 

Курсовой проект по курсу

“Теплотехнические измерения  и приборы”

Расчёт узла измерения температуры.

 

Вариант 20.

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила:

 студентка группы 4-9

 Метелкина М.А.

 

Проверил:

  Кочетков А.Е.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Иваново  2012

Задание на курсовой проект.

 

Расчёт узла измерения  температуры ведётся по следующим данным.

 

1.Данные по измерительному каналу:

 

• рабочая среда:  вода
• температура рабочей среды: 80 °С
• давление рабочей среды: 100 кПа
• скорость движения рабочей среды: 5 м/с
• тип датчика: ТСМ 50
• нижний предел измерения датчика: -40 °С
• верхний предел измерения датчика: 120 °С
• тип вторичного прибора: КСМ 1
• цена деления шкалы прибора: 1°С

 

2. Данные о месте  установки датчика:

 

• температура наружного воздуха: 18 °С
• размеры термоприёмника: d_т = 10 мм, = 1 мм, l = 20 мм
• толщина трубопровода: 3,5 мм
• толщина изоляции: 5 мм
• внутренний диаметр трубопровода: 0,05 м
• материал трубопровода: сталь 15
• марка стали защитного чехла: 12Х18Н10Т
• материал изоляции: шлаковая вата

 

3. Данные о расположении трубопровода:

 

• Расположение: горизонтальное;
• Длина трубопровода: 9 м;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Расчет  измерительной схемы вторичного  прибора.

 

1.1. Методика расчета измерительной схемы автоматического моста.

 

Расчет измерительной  схемы моста (рис. 1) заключается в  определении номинальных значений сопротивлений, входящих в нее.

 

 

 

В основу расчета положено условие равновесия моста:  произведения сопротивлений противоположных плеч должны быть равны (при произвольном значении сопротивления термометра R_t):

,

где R¢_пр и R¢¢_пр – сопротивления, обусловленные положением ползунка реохорда и представляющие собой части сопротивления R_пр, входящие в плечи ac и bc соответственно.

Для расчета  необходимо:

• определить диапазон изменяемых температур (t_min и t_max) и для заданного типа термометра найти значения сопротивлений R_ti = f(t_i), соответствующих 5-6 значениям температуры t_i, во всем диапазоне измерения;
• выбрать значения сопротивлений R₁ и R₂ исходя из условия

R₁ + R₂ = 600 Ом

R₁ / R₂ = 0.2, 0.5, 1 или 3;

• определить значение резисторов: R_пр, R5, R7, R3;
• выбрать значение тока I_tр, протекающего через термометр сопротивления;
• рассчитать значение R4;
• для каждого сопротивления термометра R_ti определить протекающий через него ток и рассеиваемую мощность;
• определить падение напряжения на реохорде.

Для максимальной чувствительности и точности измерительной схемы  необходимо выбрать оптимальное  значение рабочего тока, протекающего через термометр сопротивления.

Чем меньше будет этот ток, тем меньше чувствительность схемы. Чем выше –  тем больше погрешность, связанная с нагревом термометра сопротивления. Для избежания указанной погрешности мощность, рассеиваемая термометром, не должна превышать 10 мВт.

Необходимым условием точной работы схемы является правильный выбор падения напряжения на реохорде, которое должно находиться в диапазоне 0,1 ¸ 0,5 В. В противном случае необходимо изменить начальное сопротивление термометра или число n = R2 / R1.

1.2. Расчет измерительной схемы автоматического моста.

 

1. Определим диапазон измеряемых температур:

,

,

где l = 0,02 – коэффициент запаса.

2. По градуировочным  таблицам для заданного типа  термометра найдем значения сопротивлений, соответствующих tmin и tmax:

,

,

а также сопротивление, соответствующее среднему значению измеряемой температуры:

.

3. Выберем значения сопротивлений R1 и R2, исходя из условия

R1+R2=600 Ом;

n =R1/R2 =1.

R₁ = 300 Ом, R₂ = 300 Ом.

4. В качестве начального примем значение n=1.

5. Рассчитаем значение резистора R_пр:

.

5. Определим значение резистора R₅:

,

где эквивалентное сопротивление шунта и реохорда .

6. Зададим m, т.е. соотношение токов в ветвях с резисторами R₃, R_пр, R₇, R_t, и R₁ и R2 равным 1.

7. Рассчитаем значение R₇:

9. Определим значение R₃:

.

10. Определим расчетный ток, протекающий через термометр сопротивления:

.

Для увеличения чувствительности прибора значение Itp выберем как можно ближе к максимальному

11. Рассчитаем значение R₄:

где напряжение

12. Произведем проверку по мощности термометра сопротивления. Для этого выберем 6 значений температуры t_i, во всем диапазоне измерения, по градуировочным таблицам для термометра сопротивления определим R_ti = f(t_i). Все данные занесём в таблицу 1.

Таблица 1. Данные по проверке по мощности термометра сопротивления

i	1	2	3	4	5	6
ti,	-43,2	-10	20	50	80	123,2
Rti, Ом	40,71	47,86	54,28	60,7	67,12	76,36
Ii, А	0,01029	0,01017	0,01007	0,00997	0,00986	0,00972
Pi, Вт	0,0043	0,0049	0,0055	0,0060	0,0065	0,0072

Значения I_i и P_i рассчитывали по выражениям:

,

.

13. Определим падение напряжения на реохорде:

.

Полученное значение падения напряжения находится в диапазоне 0,1 ¸ 0,5 В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Методика расчёта погрешности датчика температуры.

 

2.1. Расчёт погрешности датчика температуры.

 

При анализе составляющих инструментальной погрешности датчика можно выделить две главных  составляющих: основную погрешность и погрешность, связанную с взаимодействием с окружающей средой. СКО относительной инструментальной погрешности датчика

,

где – СКО относительной основной погрешности датчика (термометра сопротивления),

,

где максимально допустимое отклонение от градуировочных таблиц

СКО погрешности, связанной с саморазогревом термометра от протекающего тока:

СКО погрешности, связанной с неисключенным за год прогрессирующим изменением сопротивления:

где R₀ – сопротивление датчика при t = 0,

R_t – сопротивление датчика при номинальной температуре t (температуры среды t_ср).

 – СКО относительной погрешности, вызванной взаимодействием с окружающей средой.

Модель погрешности, обусловленной  взаимодействием датчика с окружающей средой, будем строить в виде:

,

где – погрешность, вызванная влиянием теплообмена излучением,

 – погрешность, вызванная  отводом тепла по термоприемнику,

 – погрешность, вызванная  эффектом торможения потока газа  или пара на термоприемнике.

 

 

 

 

 

2.1.1. Расчет основной составляющей погрешности датчика температуры.

 

СКО относительной основной погрешности  термометра сопротивления:

,

где максимально допустимое отклонение от градуировочных таблиц

,

СКО погрешности, связанной с саморазогревом термометра от протекающего тока:

,

СКО погрешности, связанной с неисключенным  за год прогрессирующим изменением сопротивления:

,

где R₀ – сопротивление датчика при t = 0;

R_t – сопротивление датчика при номинальной температуре t.

 

2.1.2. Расчет составляющей погрешности датчика температуры,

обусловленной взаимодействием с  окружающей средой.

 

Модель погрешности, обусловленной  взаимодействием датчика с окружающей средой, будем строить в виде:

,

где – погрешность, вызванная отводом тепла по термоприемнику.

Так же для  расчёта составляющей погрешности  датчика, обусловленной взаимодействием  с окружающей средой необходимы следующие данные:

• температура и давление измеряемой среды t_ср = 80 ºС и р_ср = 100 кПа;
• температура наружного воздуха t_в = 18 ºС;
• диаметр погружной части термоприемника d_т = 10 мм и толщина стенки защитного чехла = 1 мм;
• длина погружной части термоприемника l = 20 мм;
• толщина трубопровода  d₁ = 3,5 мм и слоя изоляции d₂ = 5 мм;
• внутренний диаметр трубопровода D = 0,05 м;
• скорость движения измеряемой среды v = 5 м/с;
• характеристики материалов трубопровода и изоляции.

 

Произведём расчёт:

1. По температуре и давлению измеряемой среды находим кинематическую вязкость n_ср = 0,365·10^-6  м²/с, коэффициент теплопроводности l_ср = 0,6698 Вт/(м×К), число Прандтля Pr_ср = 2,22.

2. Определяем значение критерия Рейнольдса

.

При  Re > 2300 режим движения – турбулентный.

 

 

3. Находим значение критерия Нуссельта.

Для турбулентного режима

4. Находим значение коэффициента теплоотдачи от среды к внутренней поверхности трубы 

.

5. Теплоотдача от внешней поверхности изоляции к воздуху осуществляется за счет естественной конвекции. Так как коэффициент теплоотдачи в этом случае будет зависеть от разности температур воздуха и наружной стенки, то расчет необходимо вести методом последовательных приближений.

По заданной температуре наружного  воздуха t_в находим кинематическую вязкость                     n_в = м²/с, коэффициент теплопроводности l_в = 0,02574 Вт/(м×К) и число Прандтля    Pr_в = 0,7035.