Еще в далеком 18 веке французский ученый и инженер Анри Пито (ударение на последний слог) заинтересовался тем, как можно измерить скорость течения реки Сена на той или иной глубине. В итоге он придумал довольно оригинальное решение.
Пито сделал длинную Г-образную трубку и опустил ее в воду на нужную глубину.
Если бы речь шла о неподвижной воде, уровень воды в трубке соответствовал бы уровню водной поверхности. Но вода движется. Она будет напирать на столбик жидкости, находящийся в трубке, заставляя его подниматься все выше и выше по сравнению с уровнем реки, пока в какой-то момент не будет достигнуто равновесие.
Через гидростатическое давление уже можно определить давление, которое создает течение реки на погруженный конец трубки. Но Пито все равно приходилось полагаться на свою интуицию, чтобы связать напор движущейся жидкости с ее скоростью. Мы же можем воспользоваться уравнением Бернулли. В соответствии с ним скоростной напор жидкости будет перемещать воду на высоту относительно уровня реки:
Выразим отсюда скорость:
Забавно, что именно с такой скоростью нужно было бы подбросить вверх какой-нибудь предмет, чтобы он поднялся на высоту . Уравнение Бернулли – это тот же закон сохранения энергии, применяющийся для движущихся жидкостей и газов.
Трубки Пито в несколько модифицированном виде применяются до сих пор. С помощью них можно измерять скорость движущихся потоков жидкости или газа или же узнавать скорость какого-либо тела, движущегося в жидкости или газе. Именно поэтому трубки Пито устанавливают на вертолетах и самолетах. Но, как уже было сказано раньше, они имеют более совершенное строение и выглядят примерно так:
Представим, что такой прибор является частью летящего самолета. Воздух будет скапливаться в центральном отсеке, пока полностью его не заполнит, что не позволит новым порциям газов пробраться внутрь. Боковые же отверстия будут находиться под давлением пробегающих мимо потоков.
Опять же, если бы трубка покоилась, давление в точке 1 и давление в точке 2 были бы одинаковыми. Но прибор движется. В точке 1 давление повысится из-за напора встречного воздуха, а вот в точке 2 оно не изменится (отверстие расположено перпендикулярно набегающему потоку):
Отсюда уже можно узнать скорость воздушного судна:
Прежде чем сказать скорость аппарата, потребуется еще узнать плотность воздуха на высоте его полета.
Возможно, у вас уже давно появился вопрос: “Разве мы можем применять уравнение Бернулли для движущихся газов? Мы ведь выводили его для несжимаемых жидкостей, а про газы такое никак нельзя сказать”.
В целом, все наши вышеизложенные рассуждения верны, даже несмотря на то, что мы имели дело с воздухом, а не с какой-либо жидкостью. Но они, конечно же, дают только приближенный результат. В более серьезных уравнениях уже будут присутствовать коэффициенты, характеризующие различные свойства текучих сред, на которые часто приходится закрывать глаза, чтобы не усложнять ход рассуждений. Об одном из них мы поговорим в следующем параграфе.
Трубки Пито представляют собой один из вариантов датчика расхода непрерывного потока рабочей среды. Изобретённые ещё в 1732 году французским инженером Анри Пито, они и сейчас широко используются в гражданской и военной авиатехнике, в инженерных коммуникациях и пр.
Принцип работы
Являясь расходомером дифференциального давления, трубка Пито измеряет два давления: статическое и общее ударное. Статическое давление — это рабочее давление в трубе, воздуховоде или окружающей среде, которая находится перед трубкой Пито. Измерение происходит под прямым углом к направлению потока, предпочтительно в точке с низкой турбулентностью.
Общее ударное давление представляет собой сумму статического и кинетического давлений и определяется в момент, когда протекающий поток воздействует на отверстие трубке Пито. В большинстве конструкций используется Г-образная трубка, входное отверстие которой, обращено непосредственно к встречному потоку.
Для удовлетворительной работы трубки Пито необходимо, чтобы диапазон расхода находился в пределах от 3: 1 до 4: 1 (это требование типично и для диафрагменных расходомеров). Основное отличие состоит в том, что, хотя отверстие измеряет полный поток, трубка Пито определяет его скорость только в одной точке.
Для конструкции описываемого расходомера крайне важны профиль и длина входной трубки, а также форма её стенок.
Параметры входной части трубки влияют на характер распределения давления по сечению. При увеличении скорости потока её профиль в трубке меняется с удлиненного (ламинарного) на более плоский (турбулентный). Это меняет точку средней скорости и требует регулировки глубины вставки. В подобных условиях профиль скорости почти всегда плоский, и глубина введения трубки не является критической.
Важно, чтобы измерение скорости проводилось на глубине введения, которая соответствует средней скорости потока. Поэтому в расходомерах Пито устанавливают короткие трубки с профилем, который увеличивает скорость потока и уменьшает постоянный перепад давления. Выпускаются также и специальные исполнения, в которых профиль входного канала выполняется таким, чтобы создать более высокий перепад давлений, чем у обычной трубки Пито.
Как измеряется давление потока?
В конструкциях трубки Пито (с двойными стенками) ударное давление направлено вперёд, в поток. В обычных конструкциях ось движения рабочей среды совмещается с осью внешней трубки. Оба сигнала давления направляются по трубопроводу на индикатор или преобразователь.
Для промышленных применений статическое давление может быть измерено тремя способами:
Точность функционирования расходомеров данной конструкции зависит от формы аэродинамических тел, окружённых постоянным потоком рабочей среды, а также от характеристик её вязкости, скорости и сжимаемости. Ключом к повышению точности показаний является минимизация кинетической составляющей при измерении давления.
Специально разработанные датчики Пито пригодны и для работ в пульсирующих потоках. Для этого используется зонд Пито, заполненный силиконовым маслом, который служит для передачи давления процесса. В высокочастотных пульсирующих применениях масло служит также средством демпфирования пульсаций и усреднения давления.
https://youtube.com/watch?v=F2x7MEJnVjk%3Ffeature%3Doembed
Применение
Трубки Пито могут быть использованы в трубах и воздуховодах любого сечения – круглого, квадратного, прямоугольного. Ввиду своей простоты и надёжности такие расходомеры применяются даже в турбинных установках гоночных автомобилей и скоростных истребителей. В промышленных применениях трубки Пито используются для измерения потока жидкости в водосливах и открытых каналах.
Хотя точность и дальность действия относительно низки, трубки Пито недороги и подходят для различных условий окружающей среды, включая экстремально высокие температуры и широкий диапазон давлений.
Монтаж этих устройств заключается в следующем:
Точность показаний — от 0,5% до 5% полной шкалы.
Преимуществами трубок Пито являются низкая стоимость, отсутствие движущихся частей, простота и отсутствие потерь давления в текущем потоке.
Основные недостатки — ошибки, возникающие в результате изменения профиля скорости или закупорки портов давления.
Трубки Пито целесообразно использовать для измерения расхода рабочей среды там, где важна стоимость устройства, а также при значительных диаметрах трубы или воздуховода.
https://youtube.com/watch?v=tDLDVbHeqn0%3Ffeature%3Doembed
Гидрометрическая трубка Пито
Гидрометрическая трубка Пито – прибор для измерения скоростного напора, определяющегося как разница между полным и пьезометрическим напорами (давлениями).
Рассмотрим принципиальную схему измерений с помощью гидрометрической трубки.
В трубопроводе установлены две трубки:
пьезометр – для измерения пьезометрического напора,
изогнутая трубка – для измерения и полного напора (давления). Трубка установлена против течения, таким образом, чтобы жидкость втекала в нее.
В том случае, если жидкость в трубе покоится, то уровни в обеих трубках будут одинаковы – полный напор равен статическому. При движении жидкости за счет скоростного напора потока, величина полного напора увеличится и будет выше величины пьезометрического, уровень жидкости во второй трубке будет выше, чем в пьезометре 1. Создается разность уровней Δh, которая зависит от скорости течения жидкости U.
Установим связь между этими величинами. Запас кинетической энергии частицы можно вычислить используя зависимость:
При попадании частиц жидкости в изогнутую трубку, скорость движения этих частиц снижается и падает до 0, кинетическая энергия переходит в потенциальную, вызывая подъем жидкости в этой трубке на дополнительную высоту Δh. Запас потенциальной энергии частицы, поднятой на высоту Δh:
Учитывая, что кинетическая энергия перешла в потенциальную – Эп=Эк можно вычислим величину разности уровней в трубках Δh
Полученную формулу можно использовать для определения скорости движения жидкости U, при известном перепаде уровней, который легко измерить.
Конструкция трубки Пито
Трубка Пито объединяет в себе две, указанные выше трубки – для измерения полного и статического давлений, они установлены соосно. Полость внутренней трубки (камера полного давления) сообщается с потоком жидкости через переднее центральное отверстие, выполненное в переднем торце трубки, а кольцевая полость (камера статического давления) сообщается с потоком через отверстия, расположенные по кольцу на боковой поверхности внешней трубки.
Обе камеры посредством трубок могут соединяться дифференциальным манометром, или датчиками перепада давлений ,которые позволяет измерить разность уровней Δh необходимую для определения скорости движения жидкости
Многозаборная трубка Пито
Разновидность трубки Пито с четырьмя точками измерения полного давления, трубка для измерения пьезометрического напора, развернута в противоположную сторону. Схема много заборной трубки Пито показана на рисунке.
Четыре точки отбора давления позволяет точнее измерить среднее значение полного давления.
Характеристики трубок Пито
Трубки Пито используются для измерения скоростей течения жидкостей и газов, погрешность измерений приборов, обычно, составляет 1 – 2%. Малые отверстия в трубках легко засоряются, поэтому трубки Пито используют только при работе с чистыми жидкостями и газами.
Точность измерения многозаборных трубок Пито достигает 1%.
