ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ

ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ

Ц е л ь: изучение приборов для измерения давления в жидкости, поверка технического манометра с трубчатой пружиной и определение точности измерения давления манометром.

Гидростатическое давление p – это направление сжатия в жидкости

, (1.1)

где F – сила, действующая на выделенную в жидкости площадку .

Давление в любой точке жидкости действует нормально к элементарной площадке и не зависит от ее ориентации.

Рис. 1.1. Схема систем отчета давления

Для измерения давления применяются две системы отсчета (рис. 1.1). В одной давление отсчитывается от абсолютного нуля и называется абсолютным . В другой за начало отсчета принимается атмосферное давление . Тогда измеряемое положительное давление называется избыточным , или манометрическим, и представляет собой избыток абсолютного давления над атмосферным

при (1.2)

Отрицательное избыточное давление называется вакуумметрическим, или вакуумом, и представляет собой недостаток абсолютного давления до атмосферного

при (1.3)

В системе СИ измерения давления – Н/м²; 1H/м²=1Па (Паскаль), Па=1кПа и Па=1МПа.

Соотношение между другими единицами измерения давления:

1 техническая атмосфера = 1 кг с/см² = 10⁴ кг с/м² = 10⁴ Па. Последняя величина соответствует давлению столба воды высотой 10 м и ртути – 0, 735 м.

Основное уравнение гидростатики определяет давление в произвольной точке покоящейся жидкости на глубине

, (1.4)

где - давление на свободной поверхности жидкости; - удельный вес жидкости; - плотность жидкости.

Классификация приборов

Приборы для измерения давления жидкости весьма разнообразны и классифицируются по различным признакам – принципу действия, роду измеряемой величины, классу точности, диапазону измеряемой величины.

По роду измеряемой величины приборы разделяют на 4 группы:

1. Барометры – приборы для измерения атмосферного давления.

2. Манометры и вакуумметры – приборы для измерения положительного избыточного давления и вакуума – отрицательного избыточного давления, взятого с положительным знаком. Приборы, измеряющие оба эти давления, называются мановакуумметрами.

3. Дифференциальные манометры – приборы для измерения разности давлений.

4. Приборы для измерения малых величин избыточного давления или вакуума – микроманометры.

Приборы для измерения давления имеют следующие классы точности: 0, 005; 0, 02; 0, 05; 0, 1; 0, 2; 0, 4; 0, 5; 1, 0; 2, 0; 2, 5; 4, 0; 6, 0. Приборы с классами точности 0, 005…0, 4 используются как образцовые, а остальные – как рабочие (или технические).

По принципу действия различают приборы жидкостные, пружинные, поршневые, электрические, комбинированные и др.

Жидкостные приборы

Принцип их действия заключается в том, что измеряемое в точке подключения давление уравновешивается давлением столба жидкости, высота которого служит мерой давления.

Рис. 1.2. Схема подключения пьезометров

Пьезометр применяется для измерения положительных и отрицательных избыточных давлений и представляет собой прозрачную трубку, один конец которой открыт и сообщается с атмосферой, а второй подсоединен к месту измерения давления (рис. 1.2).По показаниям пьезометров 1 и 3 определяются положительные избыточные давления соответственно в точке А и на свободной поверхности :

; , (1.5)

где и - плотность и удельный вес в сосуде и пьезометрических трубках.

Рис. 1.3. Схема подключения U–образного мановакуумметра

Для измерения отрицательного избыточного давления пьезометрическая трубка должна быть изогнута и подключена к месту измерения давления, таким образом, как это показано на рис. 1.2. При этом уровень жидкости

( той же самой, что и в сосуде) в правом открытом конце пьезометра будет ниже, чем в точке подсоединения прибора, который будет называться - образным пьезометром.

-образныймановакуумметр (рис.1.3) отличается от него тем, что в нем используется рабочая жидкость, удельный вес

Рис. 1.4. Схема подключения чашечного мановакуумметра

которой значительно превышает удельный вес жидкости в сосуде. Это позволяет уменьшить высоту подъема жидкости в приборе, а соответственно - и его габариты, и увеличить диапазон измеряемых давлений.

Избыточное давление в точке А определяется из выражения

. (1.6)

Чашечный мановакуумметр(рис. 1.4) представляет собой модификацию -образного

прибора, у которого одно из колен заменено чашкой. Ее диаметр велик по сравнению с диаметром трубки, что позволяет пренебречь изменением уровня жидкости в чашке, принимая его за “0” отсчета. При необходимости поправку можно учесть, исходя из равенства изменения объемов жидкости в трубке и чашке.

По показаниям прибора (рис. 1.3) отрицательное избыточное давление в точке А находится по зависимости

. (1.7)

При положительном избыточном давлении в точке присоединения прибора уровень рабочей жидкости в трубке будет выше уровня в чашке, а разность - положительной.

Дифференциальный манометр (рис. 1.5) обоими концами изогнутой прозрачной трубки 1 присоединяется к точкам, разность давлений в которых необходимо определить.

В приведенном примере это разность давлений и на уровнях центров сосудов 3 и 2, заполненных одинаковой жидкостью с плотностью .

Поверхностью равного давления будет горизонтальная плоскость 0-0, в которой давления, создаваемые столбами жидкости в левой и правой трубках, будут одинаковы. Это условие записывается уравнением

Рис.1.5. Схема подключения дифманометра

, (1.8)

из которого получаем после некоторых преобразований:

, (1.9)

т. е. для определения разности давлений в точках присоединения прибора необходимо знать не только его показания , но и разность высот мерных точек.

Для увеличения точности при измерении малых давлений в газах (до Па) применяют чашечные микроманометрыс наклонной трубкой (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Микроманометр

При измерении положительного избыточного давления чашка 1 заполнена рабочей жидкостью, сообщается с местом его измерения в какой-либо газовой среде, а верхний конец наклонной трубки 2 – с атмосферой.

Под действием давления жидкость в трубке перемещается на величину , а значение измеряемого давления определяется из выражения

(1.10)

где - угол наклона трубки относительно горизонтальной плоскости.

Благодаря простоте устройства, высокой точности измерений давления и стабильности обеспечения этой точности с течением времени, жидкостные приборы стали широко применяться в лабораторной практике, а также как образцовые при поверке и градуировке шкал других приборов для измерения давления.

Практически точность измерения давления жидкостными приборами определяется главным образом точностью измерения высот.

Ошибки в величинах определения плотностей, неточности градуировки шкал обычно незначительны.

К недостаткам жидкостных приборов следует отнести их хрупкость, нетранспортабельность, узкий диапазон измеряемых давлений, не превышающих 0, 4 МПа для ртутных манометров, громоздкость. При использовании ртути и других тяжелых жидкостей, пары которых ядовиты, необходимо соблюдать меры предосторожности, исключающие контакт этих жидкостей с атмосферой и выброс в нее.

Пружинные приборы

Их работа основана на использовании закона Гука при деформациях под действием давления других элементов приборов – пружин, которые могут быть выполнены в виде изогнутой трубки, мембраны, сильфона и пр.

Рис. 1.7. Схема манометра с трубчатой пружиной

Манометр с одновитковой трубчатой пружиной (рис. 1.7) представляет собой помещенную в корпус 1 изогнутую по окружности трубку 4 с овальной формой в поперечном сечении. Один конец ее запаян и через передаточный механизм 5 соединен со стрелкой 6. Второй конец закреплен на держателе 2 со штуцером 3, с помощью которого прибор устанавливается в место измерения давления.

При положительном избыточном давлении трубка под его воздействием частично распрямляется, и ее деформация передается на стрелку, которая поворачивается на некоторый угол, пропорциональный измеряемому давлению.

В вакуумметре под воздействием атмосферного давления, большего внутреннего давления трубка сгибается.

Некоторые трубчатые приборы, называемые мановакуумметрами, измеряют положительное избыточное давление и вакуум.

В зависимости от материала, формы и размеров упругого элемента трубчатые манометры общетехнического назначения имеют шкалы с предельными значениями от 0, 05 до 1000 МПа.

Рис. 1.8. Схема манометра с мембраной

В приборахсмембранной пружиной(рис. 1.8) упругий элемент – мембрана – представляет собой гофрированную, металлическую, круглую пластинку 1, защемленную между фланцами.

Под действием давления жидкости, поступающей через штуцер 2, мембрана прогибается и ее деформация передается на стрелку 4 прибора. Мембранные приборы применяются для измерения вакуума и избыточного давления, не превышающего 2, 5 МПа.

Ценными качествами пружинных приборов являются портативность, универсальность, простота устройства и применения, огромный диапазон измеряемых давлений. К основным недостаткам этих приборов следует отнести нестабильность их показаний, называемую остаточными деформациями упругого элемента и изменением его механических характеристик, износом передаточного механизма и пр., что вынуждает периодически поверять пружинные приборы.

Содержимое отчета

Отчет должен содержать наименование и цель работы, рисунки жидкостных и механических приборов, схему экспериментальной установки, порядок проведения работы, расчетные формулы, таблицу с измеренными и расчетными величинами, выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Что такое абсолютное, избыточное, вакуумметрическое давление?

2. Объясните преимущества и недостатки механических манометров.

3. Что такое класс точности прибора?

4. Объясните цель поверки прибора.

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а 2

РЕЖИМ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ

Ц е л ь: знакомство с особенностями и основными закономерностями ламинарного и турбулентного режимов движения жидкости, а также определения критических параметров потока в круглых трубах.

Умение правильно определять режимы движения жидкости имеет большую практическую ценность, т.к. при разных режимах потери напора на преодоления сопротивления имеют различное значение.

В природе существуют два режима движения жидкости – ламинарный и турбулентный. Ламинарноетечение жидкости – слоистое, упорядоченное движение, при котором отдельные слои жидкости движутся относительно друг друга, не перемешиваясь между собой, а турбулентное- неупорядоченное движение частиц жидкости, которые движутся по сложным, изменяющимся во времени траекториям, интенсивно перемешиваясь между собой. Режим движения зависит от соотношения сил инерции и сил вязкостного трения в потоке, которое выражается безразмерным комплексом- критерием (числом Рейнольдса).

Для напорного движения в круглых цилиндрических трубах удобнее брать в качестве характерного размера внутренний диаметр.

Число Рейнольдса для труб

где V- средняя скорость жидкости в поперечном сечении, м/с;

d - внутренний диаметр, м;

- кинематическая вязкость, м/с².

Число Рейнольдса, при котором ламинарный режим переходит в турбулентный, называется критическим. Нижний предел критического числа Re для круглых труб составляет Re_крн~2320. Верхний предел критического числа Re существенно зависит от условий входа в трубу, состояние поверхностных стенок, внешних возмущений и пр. и для гладких труб приближенно определяется как Re_крв=12000....13000.

Для практических расчетов обычно исходят из критического числа Рейнольдса Re=2320 и считают, что при Re< 2320 режим всегда ламинарный, а при Re> 2320 – турбулентный.

Порядок выполнения работы

1. Включить насос 3, открыть вентиль 8 и заполнить бак 1 водой до максимального уровня.

2. Измерить температуру воды.

3. С помощью крана 9 установить уровень воды над водосливом 7 (для первого измерения 25 мм).

4. Измерить уровень воды над водосливом.

Рис. 4.1 Схема экспериментальной установки

5. Открыть кран 10 и путем визуального наблюдения установить характер движения воды.

6. Результаты измерений занести в таблицу.

7. Установить новое значение расходов воды краном 9 и с 4-го пункта повторить измерение.

8. После 5....7 измерений закрыть вентиль 8, краны 9 и10 и выключить насос 8.

Содержание отчета

Отчет должен содержать тему и цель работы, схему установки, основные расчетные величины, таблицу измерений и вычислений и выводы по лабораторной работе.

Данные расчетов занесите в таблицу.

Таблица 4.1

Измеренные и расчетные величины

Номер опыта	Измерение величины	Расчетные величины	Примечание
hв, мм	t, 0C	, л/с	Re
…

Контрольные вопросы

1. Чем характеризуются основные режимы движения жидкости?

2. Как вычислить число Рейнольдса?

3. Каков физический смысл числа Рейнольдса?

4. Какая существует зависимость потерь напора от скорости при разных режимах?

5. Чем характеризуется вязкость жидкости?

6. Как измеряется расход в данной лабораторной работе?

7. Что такое средняя скорость потока?

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а 3

Общие сведения

При установившемся движении реальной капельной жидкости вдоль напорного трубопровода (канала) переменного сечения происходит превращение одной формы ее энергии в другую в зависимости, например, от изменения площади поперечного сечения канала. Так, с ее уменьшением в направлении движения жидкости скоростной напор будет возрастать, а пьезометрический - уменьшаться (при неизменном или увеличивающемся геометрическом напоре). Кроме того, часть энергии потока жидкости будет расходоваться на преодоления гидравлических сопротивлений. В связи с этим полная его энергия не сохраняется постоянной, а уменьшается от сечения к сечению в направлении движения жидкости.

Для любых двух поперечных сечений 1-1 и 2-2 потока реальной капельной жидкости при установившемся его движении уравнение Бернулли имеет вид

Здесь -удельная потенциальная энергия положения или геометрический напор потока жидкости в соответствующем сечении, равные высоте расположения его центра тяжести сечения относительно выбранной плоскости сравнения; -удельная потенциальная энергия состояния или пьезометрический напор в соответствующем сечении, равные высоте подъема жидкости относительно его центра тяжести в пьезометрической трубке, установленной в этом сечении; - удельная кинематическая энергия или скоростной напор потока в і-м сечении; – суммарные потери напора между выбранными сечениями 1-1 и 2-2; плотность жидкости, принятая неизменной; – безразмерный коэффициент кинетической энергии, учитывающий неравномерное распределение скорости по сечению. Для ламинарного режима =2, турбулентного =1; V_i– средняя по сечению скорость движения жидкости.

Левая часть и сумма первых трех членов правой части уравнения Бернулли представляют собой полные удельные энергии или полные напоры потока жидкости в выбранных сечениях, т.е. потери энергии между двумя любыми сечениями потока жидкости равны разности полных напоров в них. Эту связь можно представить и в таком виде

из которого можно заключить, что при возможных составляющих полных напоров в сечениях знаков разностей одноименных составляющих полных напоров в сечениях сумма этих разностей всегда должна быть положительной.

Содержание отчета

Отчет должен содержать наименование и цель работы, схему экспериментальной установки, порядок ее проведения, расчетные формулы, таблицу измерения и вычисления величин, график вышеуказанных зависимостей и выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Должен ли работать насос 3 при выполнении замеров?

2. До какой высоты могут подняться уровни жидкости в трубках 12 и 13?

3. Могут ли быть и, если да, то когда показания пьезометров и трубок полного напора одинаковыми для одного и всех сечений?

4. Может ли полный напор в последующем сечении быть большим, чем в предыдущем?

5. Найти из графиков потери напора между вторым и шестым сечениями.

6. Будут ли отличаться показания пьезометров и трубок Пито соответственно друг другу при изменении расхода на одну и ту же величину вентиля 10 и 11?

7. Какова должна быть разность показаний трубок 12 и 13 для первого и седьмого сечений?

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а 4

Порядок выполнения работы

1. Включить насос 11.

2. Полностью открыть вентиль 14 (расход воды в этом случае максимальный).

3. Измерить показания дифпьезометров и занести данные в таблицу.

4. Вентилем 14 установить новый расход воды и повторить все измерения 5...6 раз.

5. Закрыть вентиль 14 и выключить насос.

По пункту 3 измеряются следующие перепады напоров, мм:

–на диффузоре( );

–на конфузоре;

–на резком расширении;

– на резком сужении;

–на резком повороте;

–на плавном повороте;

–на диффузоре ( );

–на прямолинейном участке;

–на диафрагме.

Содержание отчета

Отчет должен содержать название темы и цель лабораторной работы, схему установки, основные расчетные зависимости, таблицу измеренных и вычисленных величин, график зависимости опытного и расчетного коэффициентов сопротивления трения от числа Рейнольдса и выводы.

Контрольные вопросы

1. От чего зависит коэффициент сопротивления трения?

2. Что такое гидравлически гладкие трубы?

3. От чего зависит коэффициент местных сопротивлений?

4. Что такое местное сопротивление?

5. Как определяется средняя скорость в сечении?

6. От чего зависит перепад уровней в дифференциальных пьезометрах?

	Номер опыта

Измеренные величины, мм








Вычисленные величины

Таблица 7.1.

Протокол испытаний

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а 5

Общие сведения

В состав энергетических испытаний центробежных насосов находит получение опытных зависимостей напора Н, мощности N и КПД насоса от его подачи Q при фиксированной частоте вращения вала n.

Напор насоса (или полная удельная энергия, сообщаемая насосом единице веса перекачиваемой им жидкости в единицу времени) представляет собой разность полных напоров в поперечных сечениях выходного и входного патрубков

, (5.1)

и выражается в метрах столба перекачиваемой жидкости. Здесь -плотность жидкости. При этом полезная мощность насоса (или мощность потока жидкости на выходе из него) находится по выражению

(5.2)

Мощность насоса, подведенная к его валу, определяется по зависимости

(5..3)

где и - крутящий момент, приложенный к валу, и его угловая скорость.

Отношение этих мощностей представляет собой полный КПД насоса

(5.4)

Содержание отчета

Отчет должен включать: продольный разрез насоса (при наличии раздаточного материала), схему установки, порядок проведения испытаний, основные расчетные зависимости, протокол испытаний, характеристику насоса и выводы по работе.

Н, м N

Рис. 2.3. Характеристика центробежного насоса, полученная экспериментально.

Таблица 5.1

Протокол испытаний

Номер опыта	Замеренные величины	Расчетные величины
n, об/мин	p_H, кгс/см²	p_В, кгс/см²	Q, л/с	М_кр,	H, м.в.ст.	N, Вт	N_n, Вт	%

Контрольные вопросы

1. Что входит в состав энергетических испытаний центробежного насоса?

2. Что такое напор насоса?

3. Каков принцип работы центробежного насоса?

4. Для чего предназначены верхнее и нижнее отверстия в корпусе 2 насоса (см. рис.2.1)?

5. Что нужно сделать перед запуском насоса?

6. Какие величины необходимо измерять при энергетических испытаниях?

7. Каким образом - осуществляется заливка насоса?

8. Как изменить режим работы насоса?

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а 6

Содержание отчета

Оформленный отчет должен содержать:

1. Цель работы.

2. Схему насоса и гидравлическую схему лабораторной установки.

3. Порядок проведения испытаний.

4. Расчетные формулы.

5. Протокол испытаний.

6. Графики опытных характеристик насоса и насосной станции.

7. Выводы по результатам работы.

Таблица 3.1

Протокол испытаний

№

Измеренные величины

Расчетные величины

p_Н, кг/см²

p_В, мм рт. ст

h, мм рт. ст

p_В, кг/см²

М, Нм

Q_C_, л/с

Q_Н, л/с

N_п кВт

N₁ кВт

_м

Контрольные вопросы

1. Устройство и принцип действия шестеренного насоса типа НШ. Основные параметры.

2. Назначение и работа лабораторной установки.

3. Как измеряются опытные величины?

4. Каков порядок проведения испытаний?

5. От чего зависит подача насоса и как она определяется при ?

6. Какие потери мощности оценивает механический КПД?

7. Как определить расход через клапан?

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а 7

Порядок выполнения работы

1. Изучить схему установки.

2. Открыть краны Р1 и Р2.

3. Включить насосную станцию.

4. Плавно закрыть кран Р1.

5. Установить рукоятку регулятора потока РП в одно из фиксированных положений, повернув на 0, 5…1, 5 оборота, по указанию преподавателя.

6. Измерить секундомером время рабочего хода поршня.

7. Провести отсчет показаний манометров МН1 и МН2 при каждом из трех уровней нагрузки в период рабочего хода поршня.

8. Установить другое положение рукоятки регулятора потока РП в другом положении и повторить измерения при другой скорости движения поршня.

9. Открыть кран Р1.

10. Выключить насосную станцию.

Содержание отчета

Отчет должен содержать название и цель работы, гидравлическую схему установки, порядок проведения испытаний, основные расчетные зависимости, протокол испытаний и выводы по результатам работы.

Контрольные вопросы

1. Каковы устройство и принцип действия гидроцилиндров?

2. Что учитывает механический КПД силового гидроцилиндра?

3. Каким образом поддерживается постоянная скорость движения поршня при изменении нагрузки?

4. Каково назначение обратного клапана КО?

5. Расскажите о работе гидропривода на различных этапах цикла.

ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ

Гидростатическое давление p – это направление сжатия в жидкости

, (1.1)

где F – сила, действующая на выделенную в жидкости площадку .

Давление в любой точке жидкости действует нормально к элементарной площадке и не зависит от ее ориентации.

Рис. 1.1. Схема систем отчета давления

при (1.2)

при (1.3)

В системе СИ измерения давления – Н/м²; 1H/м²=1Па (Паскаль), Па=1кПа и Па=1МПа.

Соотношение между другими единицами измерения давления:

Основное уравнение гидростатики определяет давление в произвольной точке покоящейся жидкости на глубине

, (1.4)

где - давление на свободной поверхности жидкости; - удельный вес жидкости; - плотность жидкости.

Классификация приборов