Калориметрический расходомер для газоанализатора сероводорода

Научно-исследовательский  ядерный университет «МИФИ»

 

Физико-технический  факультет

Кафедра конструирования приборов и установок

 

Пояснительная записка к курсовому проекту  на тему:

«Калориметрический расходомер для газоанализатора сероводорода»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва, 2012г

 

 

Содержание

1. Техническое задание на курсовой проект
1. Наименование темы
2. Назначение  и область применения
3. Исходные данные для проектирования
4. Стадии разработки с указанием сроков
2. Введение
3. Физические принципы измерения
4. Структурная схема измерительной системы
5. Выбор первичного измерительного преобразователя

5.1 Расчет основных параметров

6. Анализ погрешностей
7. Электронное устройство для обработки сигнала
8. Оценка предельного порога чувствительности
9. Предложения по автоматизации

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Техническое задание на курсовой проект

1.Наименование темы  КП

Калориметрический расходомер для газоанализатора.

2.Назначение  и область применения.

Калориметрический расходомер применяется для определения скорости движения среды и выявления поломок или сбоев в работе пневматической системы прибора.

3. Исходные  данные для проектирования.

3.1 Перечень измеряемых  или контролируемых параметров.

Измеряемый  параметр: скорость потока газовой смеси, проходящей через чувствительный элемент прибора.

Расход обычно вычисляют, измеряя скорость течения газа в трубе и умножая ее на известную площадь сечения трубы в точке измерения.

3.2 Базовый объект, прототип.

Газоанализатор сероводорода СВГ-3. (http://www.sensor.mephi.ru/svg_3.htm)

3.3 Условия эксплуатации  устройства.

Нормальные  условия.

3.4 Технические характеристики  устройства.

3.4.1  Характеристики, определяющие целевое назначение устройства (диапазон и погрешности измерений, чувствительность, потребляемая мощность и т.д.)

Принцип работы: В калориметрических расходомерах происходит нагревание или охлаждение потока внешним источником тепла, который создаёт в потоке разницу температур, по которой определяют расход.

Скорость  прокачки газовой смеси через  датчик должна составлять  1,0 - 1,5 л/мин.

3.4.2 Состав устройства и требования к конструкции (приборы и модули, масса, габариты и т.д.)

 Платиновый чувствительный элемент (проволока), подводящие электроды,  корпус, устройство обработки.

3.4.3. Требования к метрологическому  обеспечению, надежности, технологичности,  методикам проверки и аттестации.

Требования к метрологическому обеспечению не предъявляются.

3.4.4. Требования к средствам защиты  от высокой температуры, агрессивной  среды, ионизирующих излучений.

  Материалы, контактирующие с газовыми смесями не должны поглощать их и вступать с ними в химическую реакцию.  Сильно нагретый чувствительный элемент должен быть конструктивно отделён от электрических схем прибора. 

3.4.5. Требования к автоматизации  и применения средств вычислительной  техники.

  Устройство должно быть полностью автоматизировано, а обработка полученных данных должна проводиться микроконтроллером.

 

4. Стадии разработки (с указанием сроков выполнения)

Таблица1.

№	Стадии разработки	Сроки выполнения
1	Составление технического задания.	20 апреля 2012 г.
2	Построение структурной схемы  измерительной системы, включая  блоки усиления, обработки и регистрации  сигналов, блоки питания.	4 мая 2012 года
3	Разработка конструкции измерительного узла.	11мая 2012 года
4	Анализ погрешностей	18 мая 2012
5	Разработка принципиальных схем отдельных  блоков, расчет их основных характеристик.
6	Расчет чувствительности и предела  чувствительности измерительной системы. Сравнение полученного предела чувствительности с потенциально достижимым.
7	Предложение по автоматизации измерительного устройства и использованию средств  вычислительной техники.

 

2. Введение.

В данном курсовом проекте будет спроектирован и рассчитан калориметрический расходомер,  являющийся частью прибора для измерения концентрации сероводорода в воздухе. Прибор может быть применен для экологического мониторинга (измерения предельно допустимых концентраций H2S в жилой зоне), обеспечение безопасности работ  в тоннелях, гаражах и других объектах, где могут возникать скопления газов.

Целью проектирования является создание прибора, измеряющего  расход газа проходящего через пневмосистему газоанализатора и, следовательно, сигнализирующего о неисправностях побудителя расхода, закупорке каналов или же нарушении в системе подогрева чувствительного газоулавливающего сенсора.

Задача проектирования - ознакомление с методами измерения скорости потока и расхода, выбор первичного преобразователя и расчёт его параметров, разработка конструкции измерительного узла, анализ погрешностей, расчёт чувствительности и предельного порога чувствительности измерительной системы,  разработка электрической схемы,  а так же предложения по автоматизации измерительного устройства.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Физические принципы.

Датчики потока и расходомеры применяются для  контроля потоков жидкостей и  газов в различных отраслях промышленности. Само понятие потока может быть определено по-разному, например массовый поток  или объемный, ламинарный или турбулентный. Обычно хотят выяснить количество вещества в потоке и, если жидкость имеет постоянную плотность, то обычно измеряется объемный поток, поскольку его легче измерить. Многие технологии измерения успешно  справляются с измерением потоков  газов и жидкостей, однако другие специфичны к тому, что измеряют.

Данный колориметрический  расходомер предназначен для контроля потока газа на выходе газоанализатора  сероводорода.

Калориметрические датчики потока работают по принципу измерения переноса тепла потоком  жидкости от нагревателя к температурному датчику. Перенесенное тепло пропорционально  скорости потока. Такие датчики обычно имеют второй температурный датчик для компенсации изменений температуры  жидкости. Калориметрические датчики  потока лучше работают при малых  скоростях потока жидкости или газа порядка 30 – 3000 см/сек (для газов), заменяя  датчики, работающие на принципе перепада давления. Достоинством калориметрических  датчиков измерения давления является компактное исполнение, позволяющее  проводить измерение в самых  малых диаметрах трубопроводах, отсутствие подвижных частей и большой  динамический диапазон. К основным недостаткам можно отнести зависимость  показаний от резких скачков температуры  измеряемой среды и в случае резких изменений свойств – например изменений плотности или теплопроводности.

 

 

Рис.1

Принцип работы термоанемометрического расходомера.

 

Чувствительным  элементом такого анемометра является нагретая проволока или поверхность, обычно из платины или вольфрама. Подогрев элемента обычно осуществляется постоянным током, проходящим через  него с поддержанием постоянной температуры  элемента. Иногда можно встретить  конструкции с непрямым подогревом измерительной проволоки. Для определения  скорости потока в приборе измеряется конвекционный перенос тепла  от проволоки, который является функцией от скорости движения среды, омывающей  элемент.

Приемник  термоанемометра (термонить) обычно выполняете из платиновой проволоки диаметром 0,005—0,3 мм и длиной 3-10 мм, нагреваемой электрическим током. Оптимальные размеры приемника выбираются из следующих противоречивых соображений. При уменьшении диаметра проволоки уменьшается ее механическая прочность и увеличивается опасность старения. При увеличении диаметра нити увеличивается инерционность приемника, требуется больший ток для ее нагрева. Компромиссное решение определяется характером задачи измерения.

Температура термонити должна быть по возможности высокой, так как при этом повышается чувствительность приемника и уменьшается влияние колебаний температуры потока. Однако значительное повышение температуры проволоки может вызвать изменение структуры металла и тем самым градуировочных кривых. Поэтому температура нагрева нити обычно лежит в интервале 400—500° С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Структурная схема.

 

Можно отметить принципиально различные методы измерения скорости при помощи термоанемометра. В одном случае ток, нагревающий  нить, поддерживается постоянным, и измерение скорости потока осуществляется по изменению температуры нити, — обусловленному влиянием потока. В другом случае ток нагрева нити регулируется таким образом, чтобы выделяющееся количество тепла обеспечивало постоянную температуру нити. Во всех этих случаях нить практически находится в промежуточном состоянии, когда ее температура и ток нагрева меняются. Поэтому изменение одного из этих параметров обычно стараются свести к минимуму, а его влияние учитывают в виде поправки.

 

 

Рис. 2. Структурная схема.

 

 

 

 

При изменении  скорости потока будут изменяться как  ток, так и сопротивление нити. Для устранения одной из переменных необходимо сконструировать такую  цепь питания, чтобы ток, нагревающий  нить, был практически постоянным, независимо от сопротивления нити. Этого можно добиться введением в цепь питания дополнительного большого сопротивления R.

В данной работе параметром непосредственно связанным  с измеряемой величиной (скоростью потока) выступает сопротивления термо-нити. Измеряя это сопротивление, будем подавать сигнал на усилитель, и далее отцифровывать его и, сравнивая с градуировочной зависимостью, узнавать скорость потока.

 

В качестве АЦП выберем  АЦП последовательного  приближения. Когда необходимо разрешение 12, 14 или 16 разрядов и не требуется  высокая скорость преобразования, а  определяющими факторами являются невысокая цена и низкое энергопотребление, то обычно применяют АЦП последовательного  приближения. Этот тип АЦП чаще всего  используется в разнообразных измерительных  приборах и в системах сбора данных. В настоящий момент АЦП последовательного  приближения позволяют измерять напряжение с точностью до 16 разрядов с частотой дискретизации от 100К (1х103) до 1М (1х106) отсчетов/сек.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Выбор первичного измерительного преобразователя

 

В зависимости  от скорости движения среды целесообразно  применять тот или иной вид  расходомеров. Рассмотрим диаграмму, иллюстрирующую эту зависимость.

В нашем  случае скорость  потока попадает в  первый приведенный на диаграмме интервал, соответствующий термоанемометрам.

 

 

 

 

Рис.3 Диаграмма выбора типа расходомера.

 

Металл, служащий для измерения, не должен окисляться и должен обладать высокой воспроизводимостью значений электрического сопротивления в интервале рабочих температур. Выбранный металл в диапазоне применяемых температур должен иметь монотонную зависимость сопротивления от температуры R = f (t) и достаточно высокое значение температурного коэффициента сопротивления α. Этот коэффициент в общем виде может быть выражен равенством:

  (1)

 Мы  выберем платину. Рассмотрим её  достоинства и недостатки.

Чистая  платина в окислительной (воздушной) среде устойчива и длительное время сохраняет свои градуировочные данные.

При низких температурах сопротивления малы и для измерения необходимо применять в комплекте измерительные приборы, которые позволяют измерять с высокой точностью сотые доли Ома.

Относительное сопротивление W_t определяется по формуле (2)

W_t = R_t / R₀ 

где R_t — сопротивление при температуре t, Ом; R₀ — сопротивление при температуре 0°С (273,15 К), Ом.

 

 

 

Рис. 4. Зависимость отношения R_t к R₀ для некоторых металлов от температур

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Расчет основных параметров.

 

Параметры нити выберем исходя из соображений, что: от расходомера не требуется высокой  скорости работы,  а среда, в которую  будет помещен чувствительный элемент, может быть агрессивной (содержать  сероводород).  Здесь не столько  важен сам чувствительный элемент (т.к. платина химически устойчива), сколько соединения с корпусом датчика. Выберем платиновую нить с диаметром 0,1 мм и длиной 5 мм.

Таблица 2.

 

Диаметр нити	0,1мм
Длина нити	5мм
Температура нагрева нити	300° С
Теплопроводность платины при 300К	71,6 Вт/(м·К)
Удельное электрическое сопротивление	98 мкОм·мм
Температурный коэф-т сопротивления	0,00391 °С-1
Плотность платины	21,45 г/см3
Удельная теплоёмкость платины(н.у.)	134 Дж/кг*К