Измерение давления и расхода, определение режима течения жидкости

Цели работы:

- ознакомление с единицами измерения физических величин;

- ознакомление с устройством и принципом действия мано-метров, вакуумметров, пьезометров, расходомеров и их основ-ными характеристиками – пределом измерений, ценой деления, классом точности;

- ознакомление с режимами течения жидких и газообразных сред и методикой их определения.

Краткие теоретические сведения .

В лабораторном практикуме по гидравлике основными измеряемыми величинами являются давление, объём, время, температура.

Произведение основных величин для всех типов систем, приведенных в каждой строке таблицы 1.1, представляет собой не что иное, как мощность (в ваттах), т. е.

N = p Q (N = U I); (1-1) N = F υ ( N = M ω ). (1-2)

Таблица 1.1.

Тип систем	Основная величина
Гидравлические и пневматические системы	р– давление, Па	Q–расход (объемный), м3/с
Электрические системы	U– напряжение, В	I – сила тока, А
Механические системы	поступательного движения	F– сила, Н	υ -скорость, м/с
вращательного движения	М – момент, Н·м	ω – угловая скорость, с-1

Измерение давления. Измерения давления составляют значительную часть всех измерений, производимых в науке и промышленности. Это связано с чрезвычайным многообразием применения давления во всех сферах человеческой деятель-ности. Остановимся более подробно на методах измерения дав-ления и приборах для измерения давления.

На рисунке 1.1 показана взаимосвязь различных видов давлений, используемых в гидравлических расчётах. Нормаль-ное атмосферное давление Ра–давление атмосферного воздуш-ного столба – составляет примерно 0, 1 МПа = 100 КПа (точнее 0, 1013 МПа= 101, 3 КПа).

Давление, создаваемое в жидкости (или газе) свыше атмосферного, называется избыточным (Р_изб). Если же в жидко-сти создавать разряжение, то его величину принято называть вакуумом (Р_вак). Абсолютное давление равно сумме атмосфер-ного и избыточного (вакуумметрического). Так как абсолютное давление всегда положительно, то вакуумметрическое давление всегда отрицательно и его значение может меняться от 0 до (- Ра = - 0, 1 МПа).

Рисунок 1.1.Виды давлений(абсолютное, атмосферное, избы-точное и вакуумметрическое)и их схематическое изображение.

Общие сведения о приборах давления. Классификация приборов давления.

В зависимости от назначенияприборы для измерения давления делятся на следующие основные группы: Манометры – для измерения избыточного давления.

Вакуумметры – для измерения вакуумметрического давления (вакуума). Мановакуумметры – для измерения вакуумметрического и из-быточного давлений.

Барометры– для измерения атмосферного давления. Баровакуумметры – для измерения абсолютного давления. Дифференциальные манометры – для измерения разности дав-лений. По принципу действия все приборы для измерения давления можно разделить на: а) жидкостные; б) механические; в) электрические; г) комбини-рованные. Механические – вид приборов давления, широко используемых до сих пор в лабораторной практике и промышленности. В этих приборах основным элементом является трубчатая пружина, свободный конец которой изменяет своё положение при изме-нении давления. Специальный механизм передаёт это движение стрелке.

В этих приборах используется так называемая приведен-ная погрешность. Приведённая погрешность — погрешность, выраженная отношением абсолютной погрешности средства измерений к условно принятому значению величины, постоян-ному во всем диапазоне измерений или в части диапазона._. Вычисляется по формуле δ _х = _, где х_n — нормирующее значение, которое зависит от типа шкалы измерительного прибора и определяется по его градуировке:

- если шкала прибора односторонняя, то есть нижний предел измерений равен нулю, то х_nопределяется равным вер-хнему пределу измерений;

- если шкала прибора двухсторонняя, то нормирующее значение равно ширине диапазона измерений прибора. Приведённая погрешность является безразмерной величиной, либо измеряется в процентах.Её значение называется классом точности и указывается на панели прибора (под шкалой).

Примечание: в лабораторных стендах, используемых в прак-тикуме по гидродинамике, гидравлическим машинам и гидро-приводу (НТЦ-91, НТЦ 36.100 и др.), в качестве преобразователя избыточного давления в электрический сигнал используются тензорезисторы. Деформируясь, они меняют своё сопро-тивление, а, следовательно, и значение тока, протекающего че-рез них. Специальная мостовая схема позволяет этот сигнал снять с сопротивления, усилить его и выдать на электронный измеритель. Прибор градуируют в заводских условиях.

Конструктивно современные тензорезисторы представ-ляют собой чувствительный элемент в виде петлеобразной ре-шетки, который крепится с подложкой с помощью клея. Чув-ствительные элементы обычно изготавливаются из тонкой про-волоки, фольги, а также могут быть образованы напылением в вакууме полупроводниковой пленки. В качестве подложки обычно используют ткань, бумагу, пленку и др. Для присоеди-

Рисунок 1.2. Мостовая схема измерения сопротивления

 

нения чувствительного элемента в электрическую цепь в тензо-резисторе имеются выводные концы или контактные площадки.

Рисунок 1.3.Тензорный датчик давления ПД100.

На исследуемый объект тензорезисторы крепятся с помощью

связующего (клея) со стороны подложки. Тензорезисторы ис-пользуются в качестве первичных преобразователей при изме-рениях механических величин (силы, крутящего момента, пере-мещения, давления и пр.).

Измерение расхода.Второй важнейшей величиной гидравлики и пневматики является расход. Это количество жидкости (газа), проходящей через живое сечение потока в единицу времени. Различают объемный Q, ; массовый Q_м, , и весовой Q_Gрасходы. Основной величиной в гидравлике является объемный расход. Для измерения объемного расхода часто используется внесистемная единица – литр в минуту ( ).Измерение рас-хода может осуществляться различными способами. Наиболее простым способом измерения расхода является объемный с по-мощью мерного бака. Суть его заключается в том, что измеря-ется время τ прохождения через систему определенного объема жидкости V, которая поступает в мерный бак. Зная V и τ затем вычисляют объемный расход, который равен: Q_v= . (1-3) На практике наиболее широкое применение для измерения расхода находят расходомеры, которые бывают двух типов: объемные и

Рисунок 1.4.Крыльчатый Рисунок 1.5. Рабочая часть

расходомер крыльчатого расходомера

скоростные. Следует также учитывать, что расходомеры могут быть интегрирующего типа, а могут измерять мгновенное значение расхода. Принцип действия объемных расходомеров основан на попеременном заполнении и опорожнении рабочей (рабочих) камеры (камер). Число заполнений или опорожнений, подсчитываемое с помощью специальных устройств (механичес-

ких, электрических), характеризует расход через систему. Достоинством объемных расходомеров является высокая точность измерения: максимальная относительная погрешность не превышает 1 %. Недостаток – громоздкость и сложность конструкций, а для некоторых расходомеров – невозможность применения для загрязненных жидкостей

Объемные расходомеры бывают различных типов: дисковые, поршневые, шестеренные, кольцевые и лопастные.

Принцип действия скоростных расходомеров основан на том, что жидкость, протекающая через прибор, приводит во вращение крыльчатку или вертушку, частота вращения которой пропорциональна скорости потока и, следовательно, расходу.

Ось крыльчатки или вертушки посредством передаточных меха-низмов соединена со счетчиком. Скоростные расходомеры по конструкции проще объемных, но обладают меньшей точностью измерений. Максимальная относительная погрешность измерений может достигать 2...3 %. По конструктивному приз-наку скоростные расходомеры подразделяются на крыльчатые и турбинные. Единственной подвижной частью в контакте с жид-кой средой является лопастное колесо.

Режимы движения жидкости.Исследованиями ученых (Г. Хаген–1869 г., Д.И.Менделеев -1880 г., О.Рейнольдс– 1881–1883 гг.) установлено существование двух режимов течения жидкости: ламинарного и турбулентного. На рисунке 1.6 изо-бражена установка, аналогичная той, на которой Рейнольдс про-изводил свои опыты. Установка состоит из резервуара А с во-дой, от которого отходит стеклянная труба В с краном С на кон-це, и сосуда D с водным раствором краски, которая может по трубке вводиться тонкой струйкой внутрь стеклянной трубы В.

Первый случай движения жидкости. Если немного приоткрыть кран С и дать возможность воде протекать в трубе с небольшой скоростью, а затем с помощью крана Е впустить краску в поток воды, то увидим, что введенная в трубу краска не будет пере-мешиваться с потоком воды. Струйка краски будет отчетливо видимой вдоль всей стеклянной трубы, что указывает на слоис-тый характер течения жидкости и на отсутствие перемешивания.

Если при этом к трубе подсоединить пьезометр или труб-ку Пито, то они покажут неизменность давления и скорости по времени. Такой режим движения называется ламинарным.

Второй случай движения жидкости. При постепенном увели-чении скорости течения воды в трубе путем открытия крана С картина течения вначале не меняется, но затем при определен-ной скорости течения наступает быстрое ее изменение. Струйка краски по выходе из трубки начинает колебаться, затем размы-вается и перемешивается с потоком воды, причем становятся за-метными вихреобразования и вращательное движение жидко-сти. Пьезометр и трубка Пито при этом покажут непрерывные пульсации давления и скорости в потоке воды. Такое течение называется турбулентным (рисунок 1.6, вверху).

Если уменьшить скорость потока, то восстановится лами-нарное течение.

Итак, ламинарным называется слоистое течение без пере-мешивания частиц жидкости и без пульсации скорости и давле-ния. При ламинарном течении жидкости в прямой трубе посто-янного сечения все линии тока направлены параллельно оси трубы, при этом отсутствуют поперечные перемещения частиц жидкости.

Турбулентным называется течение, сопровождающееся интенсивным перемешиванием жидкости с пульсациями скоро-стей и давлений. Наряду с основным продольным перемещением жидкости наблюдаются поперечные перемещения и вра-щательные движения отдельных объемов жидкости. Переход от ламинарного режима к турбулентному наблюдается при оп-ределенной скорости движения жидкости. Эта скорость назы-вается критической U_кр.

 

Рисунок 1.6 Схема установки Рейнольдса

 

Значение этой скорости прямо пропорционально кинема-тической вязкости χ жидкости и обратно пропорционально диаметру трубы:

U_кр = к. (1-4)

Здесь χ = - кинематическая вязкость, определяется динамической вязкостью и плотностью жидкости.

k - безразмерный коэффициент; d – внутренний диаметр трубы.

Входящий в эту формулу безразмерный коэффициент k, одинаков для всех жидкостей и газов, а также для любых диа-метров труб. Этот коэффициент называется критическим числом Рейнольдса Re_кр и определяется следующим образом:

Re_кр= (1-5)

Как показывает опыт, для труб круглого сечения Re_кр примерно равно 2320.

Таким образом, критерий подобия Рейнольдса позволяет судить о режиме течения жидкости в трубе. При Re < Re_кр тече-ние является ламинарным, а при Re > Re_кр течение является турбулентным. Точнее говоря, вполне развитое турбулентное течение в трубах устанавливается лишь при Re примерно рав-ным 4000, а при Re = 2300…4000 имеет место переходная, критическая область. Режим движения жидкости напрямую влияет на степень гидравлического сопротивления трубопро-водов.

Интересуются режимом движения из энергетических соображений. На рисунке 1.7 показана зависимость потерь напора (удельной энергии) на трение h_т от числа Рейнольдса. Таким образом, как видно из рисунка 1.7, при ламинарном

Рисунок 1.7. Зависимость потерь напора (удельной энергии) на трение h_т от числа Рейнольдса Re

 

режиме течения потери энергии на трение меньше, чем при тур-булентном режиме. При расчетах гидравлических систем при-ходится постоянно контролировать режим течения (определять Re) для того, чтобы определить потери энергии на трение.

Режим течения газа (число Рейнольдса) определяется на основе использования формулы:

Re= = (1-6)

Выполнение работы.

1. Изучить установку .

Измерения проводятся на специальном стенде, общий вид которого приведен на рис.1.8. В состав стенда входят: насосный агрегат (включает однофазный электродвигатель М и центро-бежный насос Н); гидробак Б; четыре объекта испытаний: тру-бопроводы I – IV; присоединительная арматура, включающая семнадцать шаровых вентилей (В1 – В17). Вентили В1, В5, В8 и В13 с бó льшим проходным сечением (d_y = 15 мм) предназна-чены для подключения исследуемых трубопроводов к насосной установке. Остальные вентили предназначены для подключения датчиков давления к соответствующим сечениям.

Информационно-измерительная система стенда включа-ет: четыре электронных датчика давления (Д₁ – Д₄), манометр МН, скоростной расходомер интегрирующего типа РА, тер- мометр Т. Измерение времени на стенде осуществляется с помо-щью специального электронного секундомера с цифровой инди-кацией результатов измерения.

Манометр МН служит для контроля давления в напорной линии насоса. Наличие четырех датчиков давления позволяет исследовать все объекты, установленные на стенде. Необходимо только перед началом испытаний подключить эти датчики (с помощью вентилей) к соответствующим сечениям трубопрово-дов. Стенд имеет замкнутую систему циркуляции жидкости, не требующую постоянного подключения к водопроводу. Принципиальная гидравлическая схема приведена на рис.1.9. В качестве рабочей жидкости используется вода. Отображение ре-зультатов измерения давления (датчики Д₁ – Д₄) осуществляется на стенде в цифровом виде.

Гидростанция стенда выполнена в виде отдельного моду-ля. Второй модуль стенда состоит из стола и двух панелей (см.рис.1.8). На столе стенда установлены шаровые вентили В1, В5, В8 и В13.

На нижней панели установлены объекты исследований – четыре трубопровода (I – IV), манометр МН, расходомер РА и термометр Т, четыре электронных датчика давления (Д₁ – Д₄). Сечения трубопроводов, в которых в процессе испытаний из-меряются давления, с помощью вентилей В2, В3, В4, В6, В7, В9, В10, В11, В12, В14, В15, В16 и В17 и эластичных трубопроводов могут быть подключены к соответствующим датчикам. Исследуемые трубопроводы (I, III и IV) содержат три местных сопротивления: К – колено (поворот на 90 °), ВР – внезапное расширение, ВС – внезапное сужение

Рисунок 1.8. Общий вид стенда

 

На верхней панели стенда расположены схема гидравли-ческая принципиальная стенда, включатель питания стенда «СЕТЬ», кнопки включения и выключения насоса Н («Пуск» и «Стоп»), цифровые индикаторы результатов измерения давле-ний с помощью датчиков Д₁ – Д₄ и времени («СЕК»).

Для управления секундомером используется тумблер «Разрешение» и кнопка «Сброс». При включении секундомера в положение «Вкл» (верхнее) начинается отсчет времени. При переключении тумблера в положение «Выкл» (нижнее) секун-домер останавливается. Для сброса показаний секундомера не-обходимо нажать кнопку «Сброс». Крайний (слева) потенци-ометр «Задание» для управления секундомером в данной кон-струкции стенда не используется.

 

Рисунок 1.9. Схема гидравлическая принципиальная

 

Основные характеристики стенда: объем гидробака – 50 дм³; максимальное давление – 0, 4 МПа; напряжение питания – 380 В, 50 Гц.

Основные требования техники безопасности при работе на стенде.

Работа на стенде допускается только в присутствии лабо-ранта или преподавателя.

При работе на лабораторном стенде необходимо выпол-нять следующие требования:

– перед включением стенда необходимо убедиться (путем внешнего осмотра) в исправности защитного заземления стенда и целостности соединений трубопроводов;

- перед включением стенда необходимо открыть один из шаровых вентилей В1, В5, В8 или В13 (установлены на столе), с тем, чтобы была обеспечена возможность прохождения жидкос-ти через расходомер РА на слив (в бак). Следует помнить, что не допускается продолжительная работа насоса (более 5–10 с) на тупиковую сеть. Отсутствие протока жидкости может привести к нагреву насоса.

– при возникновении нештатных ситуаций необходимо выключить насосную установку и отключить электрическое питание стенда.

Электрическое питание стенда – 380 В, 50 Гц.

К работам по обслуживанию и ремонту стенда допускает-ся лаборант (инженер), прошедший все виды инструктажей, обучение и проверку знаний по охране труда в соответствии с действующим законодательством.

2. Провести измерения.

а) Объектом испытаний в данной работе является стальной трубопровод II (см. рис. 1.9, 1.10). Трубопровод имеет пос-тоянное сечение. Для этого участка трубопровода необходимо научиться экспериментально определять режимы течения жид-кости.

Рисунок 1.10. Исследуемый трубопровод

 

б) До включения стенда необходимо открыть вентиль В5, а так же вентили В6 и В7 (подключают соответствующие датчики давления к выбранным сечениям трубопровода) Необходимо убедиться, чтобы вентили В1, В8 и В13, расположенные на горизонтальной панели, а так же вентили В2-В4, В9-В12, В14-В17, расположенные на вертикальной панели, были закрыты.

в) Затем следует включить электрическое питание стенда («Сеть»), включить насос («Пуск») и дать возможность порабо-тать стенду в течение 3…5 минут.

Таблица 1.1 Результаты исследований.

Номер опыта
Время τ прохождения через расходомер объема V, с
Объем V, м3
Температура t0С
Расход Q,
Средняя скорость U,
Число РейнольдсаRe

г) Далее необходимо при различных расходах провести 3-6 опытов. Изменение расхода осуществляется с помощью вентиля В5 (при полностью открытом вентиле по исследуемому участку трубопровода проходит максимальный расход воды. Прикрытие вентиля приводит к уменьшению расхода).

Внимание: не допускается длительная работа насоса при полностью закрытом вентиле.

д) В каждом опыте с помощью электронного секундомера необходимо регистрировать время τ прохождения через тру-бопровод заданного объема воды V, (можно принять, напри-мер, V = 10 л = 10^–2 м³) и температуру воды Т⁰С.

Результаты испытаний занести в таблицу 1.1.

3 . Обработка результатов. Пример проведения расчётов В эксперименте получены следующие значения исследуемых величин: Объём V = 10 л. Время прохождения жидкости по трубопроводу τ = 30 с. Температура жидкости Т = 22⁰С. Диаметр трубопровода d=8 мм. Длина участка: L_6-7 = 1000 мм.

Таблица 1.2.
Температура Т0С	Плотность ρ,	Динамическая вяз- кость, η Па · с
16	999, 0	11, 19 · 10-4
18	998, 7	10, 59 · 10-4
20	998, 3	10, 08· 10-4
22	997, 8	9, 88· 10-4
24	997, 2	9, 61· 10-4

 

Расчёты.

Расход воды в трубопроводе равен: Q= = u · S. Средняя скорость потока: u = , где S– площадь сечения трубопровода, м².

Находим: а) расход жидкости Q= = = 0, 33·10^-3 ; б) площадь сечения трубопровода: S₆= S₇ = = 0, 50 ·10^-4 м²; в) скорость движения жидкости через сечения S₆= S₇u₆ = u₇ = u₇= = = 6, 60 м/с; г)число Рейнольдса( данные по плотности и динамической вязкости взяты из таблицы 1.2) Re = = = 52052 = 52100 (полученные данные округляем до 100).

Выводы. Число Рейнольдса больше 4000, следовательно режим течения жидкости турбулентный.

Контрольные вопросы. 1. Давление: физическая сущность; абсолютное, избыточное, ва-куумметрическое давление, способы, приборы и единицы изме-рения. 2. Расход: физическая сущность; объемный, весовой и массовый расходы, способы, приборы и единицы измерения. 3. Режимы течения жидкости и газов, необходимость и методи-ка их определения. 4. Влияние режима течения на потери энергии на трение по длине трубопровода. 5. Определение мощности в гидравлических системах.

Лабораторная работа № 2

⇐ Предыдущая123456789Следующая ⇒

Поделиться: