Приборы для измерения давления и скорости

Оборудование, приборы и методы для измерения давления, скорости и расхода жидкости

УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Х.М. БЕРБЕКОВА

КАФЕДРА прикладной механики

ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Нальчик 2005 г.

УДК 5 32 (075)

ББК30.123 я 73

Рецензент к.т..н. доцент КБГСХА А.Г. Шурышкин

Составители: Луценко Е.В., Барагунова Л.А.

Методические указания по выполнению лабораторных работ

по гидравлике. – Нальчик / Каб.-Балк ун-т, 2005 г. -45с.

В методических указаниях по выполнению лабораторных работ по гидравлике рассмотрен традиционный перечень работ, выполняемых студентами инженерных специальностей вузов, в учебных программах которых предусмотрен общий курс гидравлики и гидродинамики.

Указания могут быть также использованы студентами специальностей 030600 –«Технология и предпринимательство», 320700 – «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов»

Рекомендовано РИСом университета

Измерительные приборы и оборудование

Ознакомиться с лабораторией гидравлики, приборами и оборудовани­ем. Усвоить технику безопасности и правила работы в лаборатории. Изу­чить приборы и методы определения давления, скорости и расхода жидкости.

2.1. В лаборатории должна соблюдаться строгая учебная дисциплина.

2.2. Перед началом занятий в лаборатории студенты должны полу­чить инструктаж и расписаться в журнале по технике безопасности.

2.3. Перед началом работы следует освободить рабочие места от по­сторонних предметов, т.к. захламленность рабочего места бывает причиной несчастного случая.

2.4. В лаборатории запрещается: находиться в верхней одежде;

-курить и пользоваться открытым огнём;

-включать и производить монтажные работы без разрешения преподавателя;

– выполнять лабораторную работу одному члену бригады;

-касаться токоведущих оголенных частей, клемм, монтажных коло­док, находящихся под напряжением;

-находиться в зоне ограждения центробежных насосов, муфт и элек­тродвигателей.

2.5. При обнаружении неисправной рабочей установки поставить в из­вестность преподавателя,

2.6. По окончании проведения работ необходимо выключить установ­ку и убрать рабочее место.

2.7. В случае обнаружения возгорания незамедлительно обесточить ус­тановку, поставить в известность преподавателя и приступить к ликвидации очага возгорания.

2.8. Токоведущие части и электродвигатели тушатся при помощи су­хих углекислотных огнетушителей,

2.9. Тушение гидросистем, содержащих минеральные масла, допуска­ется при помощи кошмы, пропитанной огнестойким составом.

Оборудование, приборы и методы для измерения давления, скорости и расхода жидкости

Лабораторные работы по общей гидравлике выполняются на стенде с на­порным баком, в котором поддерживается постоянный уровень воды и трубопро­водом, имеющим различные местные сопротивления, трубку Вентури, задвижку и параллельно включенный трубопровод без местных сопротивлений, используемый для определения потерь по длине. На трубопроводе установлены приборы для оп­ределения давления, скорости и расхода жидкости.

По принципу действия различают приборы жидкостные, пружин­ные, электрические, комбинированные и т.д.

К жидкостным относятся приборы, основанные на гидростатическом принципе действия, заключающемся в том, что измеряемое давление уравновешивается столбом жидкости, высота которого служит мерой давления.

Действие пружинных манометров основано на применении закона Гука. Сила давления деформирует упругий элемент прибора, пружину, которая может представлять собой полую трубку, мембрану, сильфон и т.д. Деформация упругого элемента, вызванного давлением, служит его мерой

Действие электрических приборов основано на использовании пропорциональности между изменением некоторых электрических свойств ма­териалов и изменением давления. Например, омическое сопротивление неко­торых сплавов пропорционально давлению окружающей среды. Величина электрических зарядов, появляющихся на поверхности кристаллического диэлектрика при сжатии или растяжении кристалла, пропорционально дейст­вующему давлению; это свойство используется при измерении быстропеременных давлений.

3.1. Приборы для измерения давления.

Приборы для измерения давления очень разнообразны. По характеру измеряемой величины приборы разделяются на группы:

-приборы для измерения атмосферного давления – барометры:

-приборы для измерения избыточного давления и вакуума – мано­метры и вакууметры. Приборы, которыми можно измерять избыточное дав­ление и вакуум называют мановакууметрами.

Приборы для измерения абсолютного давления – манометры абсолют­ного давления. Абсолютное давление можно измерять с помощью баромет­ра и манометра либо вакууметра.

Тогда Рабс = Ратм + Риз6 – если измеряемое давление больше атмосферного.

Рабс = Ратм – Риз6 – если измеряемое давление меньше атмосферного;

– приборы для измерения разности давлений – дифференциальные ма­нометры;

– приборы для измерения малого избыточного давления – микроманометры. К комбинированным относятся приборы, принцип действия которых носит смешанный характер (электромеханические приборы).

Основными характеристиками приборов являются класс точности, диапазон измеряемых давлений, чувствительность, линейность, быстродей­ствие. Установлены следующие классы точности для приборов измеряющих давления: 0,005; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,4; 0,5; 1,0; 2,0; 5,0; 6,0. Приборы клас­сов точности 0,5 – 6,0 используются как рабочие.

3.2. Приборы для измерения скорости движения жидкости.

Для измерения местных скоростей потоков применяются гидродина­мические трубки и термоэлектрические анемометры

Определение скоростей с помощью гидродинамических трубок осно­вано на измерении динамического давления

Полное давление измеряется трубкой полного напора, представляю­щей собой изогнутую трубку, один конец которой помещен в поток так, что его нормальный срез ориентирован перпендикулярно скорости потока, дру­гой конец открыт в атмосферу, В такой трубке жидкость поднимается на вы­соту pgh2 т.е. P2 = pgh2.

Статическое давление измеряется трубкой статического напора, жид­кость в трубке поднимается до высоты

= Р2- Р1= pgh2 – pgh1= pgDh или u=

Для учёта ошибок в формулу вводят коэффициент К:

Величина К определяется экспериментальным путём – тарированием трубки. Средняя скорость потока V определяется как частное от деления рас­хода Q на величину площади живого сечения ω.

3.3. Приборы для измерения расхода.

Приборы для измерения количества жидкости разделяются на мерные баки и механические счетчики жидкости. Мерные баки представляют собой тарированные ёмкости, снабженные отверстиями для выпуска воды. Мерные баки выполняются двухкамерными и однокамерными.

Механические счётчики представляют собой прибор, основной ча­стью которого является рабочий орган, приводимый в периодическое движение жидкостью протекающей через прибор. Число циклов рабочего органа, пропорционально количеству протекшей жидкости, измеряется счёт­ным механизмом. Счётчики разделяют на объёмные, скоростные и весовые

Кроме выше перечисленных приборов применяют ротаметры, диа­фрагмы, трубы Вентури.

Измерение небольших расходов осуществляется объёмным способом с помощью мерных баков определенного объёма. Секундомером определя­ется время наполнения при установившемся движении жидкости.

Величина расхода определяется отношением объёма жидкости (W) на продолжи­тельность его наполнения (t), в секундах

Для измерения больших расходов в открытых потоках применяются мер­ные водосливы (обычно треугольные или прямоугольные в тонкой стенке, рабо­тающие на режиме незатопленной струи), насадки, диафрагмы. Эти приборы дают меньшую точность определения расхода, чем объёмный или весовой. Общей фор­мулой для подсчёта расхода, перетекающего через водослив, является

где ω – площадь водослива; m – постоянная водослива.

Точные значения mопределяются экспериментально, путем тарирова­ния водослива. Существуют эмпирические формулы для подсчета m.

Способ измерения расхода с помощью диафрагмы (сопла) основан на создании в потоке перепада давления, который измеряется ртутным диффе­ренциальным манометром. Тогда расход жидкости определяется по формуле

где m – коэффициент расхода; w- площадь сечения отверстия диафрагмы; Dh – разность уровней в пьезометрах, установленных перед и после нее.

4. Контрольные вопросы

4.1.Какое устройство в напорном баке служит для получения устано­вившегося движения жидкости?

4.2.Как определить расход жидкости в трубопроводе?

4.3.Как определить среднюю скорость жидкости в любом сечении трубопровода?

4.4.Какие приборы служат для измерения давлений, скорости, расхода?

4.5.Какие методы служат для определения больших величин расхода?

5.1.Башта Т.М. Гидравлика, гидравлические машины и гидроприводы. – М: Машиностроение, 1982. – С. 40-44; 58-61.

5.2.Кедров B.C., Калицун В.И. Гидравлика, водоснабжение и канали­зация. Стройиздат, 1972. – С. 22-25.

5.3.Угинчус А.А. Гидравлика и гидравлические машины – Харьков 1970. -С. 116-1 18, 131-136.

5.4.Руднев С.С. Лабораторный курс гидравлики насосов и гидропере­дач. – М.: Машиностроение, 1974. – С. 49-100.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

Опытная проверка уравнения Д.Бернулли

Определение величин, входящих в уравнение Бернулли для потока реальной жидкости; построение пьезометрической линии и линий полной удельной энергии.

Уравнение Бернулли является основным уравнением гидродинамики. Оно устанавливает взаимосвязь между скоростью движения жидкости, ее давлением, потерями энергии. Уравнение Бернулли имеет вид:

Линейка, секундомер, мерный бак объёмом W=15000 см

2-трубопровод переменного сечения с местными сопротивлениями;

3-пьезометрические трубки, установленные в характерных сечениях;

4-кран для регулирования расхода;

Измерение скорости воздушного потока основано на определении давления, которое может быть найдено различными способами. На основании уравнения Бернулли скорость несжимаемого воздушного потока

т. е. зависит от разности полного и статического давлений, отнесенной к плотности воздуха, значение которой принимают по номограмме (рис. 58).

Для определения величины давления обычно служат жидкостные манометры. Жидкость, используемая в манометрах, должна отличаться химической стойкостью и малыми вязкостью,
капиллярностью и испаряемостью, что обеспечивает необходимую точность измерений.

В обычных U-образных манометрах (рис. 59, а)
величина давления определяется по разности уровней жидкости в коленах трубки,
зависящей от высоты трубки и плотности применяемой жидкости. В бачковом манометре
(рис. 59,
б) сечение трубок различно и одна из них представляет собой бачок. Высота столба, уравновешивающая разность давлений, h = h1+h2. Тогда

где F1 — площадь сечения трубки; F2 — площадь сечения бачка; у — удельный вес рабочей жидкости манометра.

Рис. 58. Номограмма для определения плотности воздуха в зависимости от температуры и давления

Разность давлений до 300—500 мм вод. ст. измеряют наклонными микроманометрами (рис. 59,
в), у которых перемещение мениска жидкости по отношению к стенкам измерительной трубки увеличивается при ее наклоне. В этом случае разность давлений

где а — угол наклона измерительной трубки к горизонтали.

Таким образом,
чувствительность наклонного микроманометра является функцией угла наклона трубки.

Микроманометр ЛПИ, состоит из бачка 1 (рис. 59, г), трубки 2 с измерительной дугой 3 и демпфера 7, смонтированных на металлическом основании 4 с установочными винтами 6 и уровнями 5, и позволяет измерять давление (с погрешностью 1%)
водяного столба Ø 3 мм.

Рис 59 Манометры:

а—U-образный; б—бачковый; в—наклонный;
г—бачковый (ЛПИ); д—автоматический рычажный; е—батарейный

В микроманометре ЦАГИ измерительная трубка соединена с бачком неподвижно и угол ее наклона может изменяться лишь при повороте вместе с баком в специальной обойме.

В качестве упругого элемента для механических манометров используют пружину, мембрану или сильфон, причем наибольшее применение получил последний (рис. 59, д). Давления p1 и р2 подводят внутрь сильфонов 15 и 14, расположенных по разные стороны оси качания рычага 13. Замыкание контактов датчика 12, вызванное нарушением равновесия рычага, включает серводвигатель 8, перемещающий при помощи ходового винта 9 груз 10 до восстановления равновесия. Счетчик 11 фиксирует величину перемещения груза, которая и определяет, в известном масштабе, замеряемую разность давлений.

Рис. 60. Комбинированная трубка Пито-Прандтля

Схема батарейного манометра,
используемого при исследовании эпюр распределения давлений на поверхности автомобиля или его модели, дана на рис. 59,
е. Две крайние трубки показывают уровень жидкости в баке, т. е.
характеризуют то давление, с которым сравнивают давления в измеряемых точках,
соединенных с остальными трубками. К баку подводят статическое давление. В батарейных манометрах обычно применяют трубки с большим внутренним диаметром.

Значительное распространение получил метод одновременного замера статического и полного давлений при помощи комбинированной трубки Пито-Прандтля (рис. 60), состоящей из трубки 2,
помещенной внутри корпуса 1. Передняя часть корпуса выполнена в виде полусферы.
Щелевидные отверстия на цилиндрической части корпуса служат приемниками статического давления. Форма этих отверстий может оказать заметное влияние на измеряемое давление. Проводившиеся исследования позволяют заключить, что наилучшие результаты могут быть получены при использовании семи круглых отверстий, расположенных в одном сечении. Отверстие в носовой части трубки воспринимает полное давление. Таким образом, соединенные с прибором три пьезометра измеряют статический р/у, динамический v2/2g и полный (р/у) + (v2/2g) напоры.

Измеренные величины всегда будут несколько отличаться от истинных значений, так как сам прибор искажает характер воздушного потока. Кроме того, использование трубки Пито-Прандтля возможно лишь при потоках с небольшими градиентами давления по длине, так как если эти градиенты значительны, то различия давлений в сечениях, где замеряют статический и полный напоры, будут искажать показания.

Трубкой Пито-Прандтля скорости м/с могут быть измерены с погрешностью ±1%. Для измерения малых скоростей, характерных для внутренних потоков в пассажирских салонах автомобилей, применяют термоэлектрические анемометры. Их безынерционность позволяет также изучать колебания скорости при неустановившихся течениях. Действие термоэлектрических анемометров основано на зависимости между скоростью воздуха и коэффициентом его теплопередачи, с одной стороны, и температурой и электрическим сопротивлением провода — с другой.

Температуру провода диаметром 15—20 мкм,
по которому проходит электрический ток, определяют по количеству тепла,
отдаваемого воздуху, по силе тока. Коэффициент теплопередачи воздуха тем выше,
чем больше скорость его движения, а с увеличением коэффициента теплопередачи уменьшается температура провода и его сопротивление, которое и подвергается непосредственному измерению (рис. 61, а).
Для обеспечения постоянства силы тока провод анемометра должен быть включен в электрическую цепь последовательно с источником тока и реостатом. Скорость определяют (в соответствии с предварительной тарировкой) по включенному параллельно в цепь вольтметру, который показывает разность потенциалов, зависящую от изменения сопротивления провода.

Другим способом использования термоэлектрического анемометра является включение его в цепь моста Уитстона (рис. 61, б). В этом случае сопротивления плеч моста подбирают так, чтобы ток в его диагонали был равен нулю при заданном сопротивлении нагреваемого провода, помещенного в воздушный поток.

Рис. 61. Схемы термоэлектрических анемометров для определения скорости:

а—по изменению разности потенциалов;
б—мостиком Уитстона

Методы и средства измерений расхода жидкости

В расходомерах такого типа используют зависимость перепада давления от расхода вещества. Расходомеры переменного давления делятся на:

• центробежные;
• ударно-струйные;
• расходомеры с сужающим устройством;
• расходомеры с гидравлическим сопротивлением;
• расходомеры с напорным устройством.

Самым простым и популярным прибором для измерения расхода такого типа является расходомер с диафрагмой, т.е. сужающим устройством потока жидкости.

В трубе ставят сужающее устройство и измеряется разность давления перед диафрагмой и в её отверстии. По разнице давлений рассчитывается расход вещества. Такой тип датчиков прост в изготовлении и может применяться почти для любых видов жидкостей. Но данный метод измерения расхода с трудом применим в системах с малым расходом, в пульсирующих потоках, а также в веществах, меняющих свое состояние.

Расходомеры постоянного перепада давления

Расходомеры постоянного перепада давления также известны как расходомеры обтекания. Принцип действия таких расходомеров основан на реакции чувствительного элемента на напор. Ярким примером является ротаметр. Ротаметр имеет форму вертикальной конической трубы, в которой находится поплавок специальной формы. Вещество движется вверх по трубе и поднимает поплавок, пока силы, поднимающие поплавок, и сила гравитации не равновесятся.

Оптические расходомеры

Оптические расходомеры измеряют расход вещества, используя зависимость оптических эффектов от скорости движения вещества.

Такие расходомеры используют эффект Физо-Френеля. С помощью этого эффекта определяют зависимость скорости света в движущейся среде и скорость движения среды. Оптические расходомеры применяют в агрессивных средах и в условиях высоких и низких температур.

Акустические расходомеры

Принцип действия акустических расходомеров основан на измерении эффекта, возникающего при прохождении акустических колебаний через вещество. Акустические расходомеры называют ультрозвуковыми, потому что большинство из них работает в ультразвуковом диапазоне.

К ультразвуковым расходомерам относятся:

• ультразвуковые время-импульсные;
• ультразвуковые фазового сдвига;
• ультразвуковые доплеровские;
• ультразвуковые корреляционные.

Наибольшее применение получили ультразвуковые расходомеры, которые измеряют разность времени прохождения колебаний по потоку и против него. На таком принципе основан датчик Dynasonics TFXL.

Ультразвуковые расходомеры могут применяться в агрессивных средах, в диэлектрических средах и в трубах почти любого диаметра. Точность измерения таких расходомеров высокая в широком диапазоне. Ультразвуковые расходомеры чаще применяют как прибор для измерения расхода и количества жидкости, так как газ имеет малое акустическое сопротивление и в нем труднее получить акустические колебания. Также ультразвуковые датчики сильно зависят от степени загрязненности вещества. Длина волны должна быть на порядок больше диаметра твердых частиц.

Электромагнитные расходомеры

Принцип действия электромагнитных расходомеров основан на законе Фарадея. Поток жидкости помещают между полюсами магнита и замеряют ЭДС. Применяют как постоянные магниты, так и электромагниты, питаемые переменным током. Труба в зоне установки расходомера должна быть выполнена из непроводящего немагнитного материала.

Электромагнитные расходомеры применяют в различных областях, в том числе в медицине, биохимической и пищевой промышленности, так как они малоинертны, устанавливаются снаружи трубопровода, позволяют измерять очень малые расходы. К недостаткам электромагнитных расходомеров можно отнести следующие: они не могут применяться для измерения расхода веществ с малой электропроводностью, расходомеры чувствительны к неоднородностям, турбулентностям, паразитным токам заземления.

Расходомеры могут забивать трубы металлическим мусором.

Кориолисовые или массовые расходомеры

Данный вид приборов использует эффект Кориолиса для измерения массового расхода. Принцип действия кориолисового расходомера основан на измерении разницы фаз колебаний на входе и на выходе измерительных трубок. Рассмотрим как это работает на примере расходомера RCT 1000. Катушка возбуждения создает колебания в расходомерной трубе. Когда жидкости нет, колебания на измерительных катушках совпадают по фазе. Но при наличии потока начинает действовать сила Кориолиса, из-за которой колебания на входе и на выходе начинают отличаться. Зная разность фаз колебаний, расходомер определяет массовый расход. Плотность жидкости определяется по периоду колебаний.

Вихревые расходомеры

Вихревые расходомеры используют эффект вихревой дорожки Кармана для измерения расхода. За телом обтекания в потоке образуется система вихрей. Частота вихрей пропорциональна скорости потока. Пульсации давления, возникающие в потоке вихрей за телом обтекания, регистрируются датчиками. Такой тип расходомеров обеспечивает низкую относительную погрешность +(0,2-1,5)% в широком динамическом диапазоне.

Тепловые расходомеры

Тепловые расходомеры основаны на измерении скорости потока по эффекту теплового нагрева потока или тела в потоке. Тепловые расходомеры делятся на следующие виды: калориметрические, термоконвективные и термоанемоментрические.