Способи і прилади виміру витрати і швидкості потоку рідини

Наиболее простыми и вместе с тем точными способами измерения расхода жидкости являются объёмный и весовой способы.

При объёмном способе измерения протекающая в исследуемом потоке (например, в трубе) жидкость поступает в особый, тщательно протарированный сосуд ( мерник), время наполнения которого точно фиксируется по секундомеру. Если объём мерника — V, а измеренное время его наполнения — Т, объёмный расход будет равен

При весовом способе взвешиванием на весах находят вес всей жидкости, поступившей в мерник за время Т, определяют весовой расход

и по нему, зная удельный вес жидкости вычисляют объёмный расход

Однако объёмный или весовой способы пригодны лишь при сравнительно небольших значениях расхода жидкости; кроме того, этими способами невозможно замерить расход в произвольном сечении (длинного трубопровода или канала без нарушения целостности последних). Поэтому, за исключением случаев измерений сравнительно небольших расходов жидкостей в коротких трубах и каналах, объёмный или весовой способы, как правило, не применяются, а в практике пользуются специальными приборами, которые предварительно тарируются объёмным или весовым способом. Одним из таких основных приборов является трубчатый водомер, или водомер Вентури. Большим достоинством этого водомера является простота конструкции и отсутствие в нём каких - либо движущихся частей.

Трубчатые водомеры могут быть горизонтальными и вертикальными; рассмотрим водомер с горизонтальной осью, представленный на рис. 3. Он состоит из двух цилиндрических труб А и B, соединённых при помощи двух конических участков (патрубков) С и D с цилиндрической вставкой Е меньшего диаметра. В сечениях 1 и 2 водомера присоединены пьезометрические трубки a и b, разность уровней жидкости h в которых показывает разность давлений в этих сечениях.

Составляя уравнение Бернулли для сечений 1 и 2, получим, пренебрегая очень небольшими на малой длине между этими сечениями потерями,

откуда

Определим скорость среднюю в сечении 2:

Тогда искомый расход жидкости будет равен

Ввиду неравномерности распределения скоростей в поперечных сечениях потока, а также за счёт неизбежных потерь напора между рассматриваемыми сечениями, действительный расход жидкости будет отличаться от вычисленного поправочного коэффициента m:

Величина коэффициента m для каждого водомера устанавливается опытным путём на основании предварительных измерений расходов при разных скоростях движения жидкости; в этом заключается татирование водомера.

При практическом определении расхода обычно пользуются формулой

(2.9)

В большинстве случаев разность давлений в сечениях 1 и 2 трубчатого манометра измеряется при помощи дифференциального манометра, ртутного.

В практике вместо вычисления по формулам расход жидкости часто определяют по тарировочным кривым, получаемым опытным путём и дающим для данного водомера прямую зависимость между показаниями манометра Н и измеряемыми расходами жидкости Q. Одна из таких кривых приведена на (рис. 4).

Другим широко распространённым прибором для измерения расхода является водомерная шайба (или диафрагма), обычно выполняемая в виде плоского кольца с круглым отверстием в центре, устанавливаемого между фланцами трубопровода (рис. 5). Края отверстия чаще всего имеют острые входные кромки под углом 45° или же закругляются по форме втекающей в отверстие струи жидкости (сопло). Два пьезометра а и b или дифференциальный манометр служат для измерения перепада давления до и после диафрагмы.

Рис. 4 Рис.5

Расход определяется по замеренной разности уровней в трубках пьезометров по формуле, аналогичной формуле водомера,

Величина коэффициента с определяется опытным путём для каждого типа диафрагмы в отдельности. Расходы могут быть вычислены также в результате измерений скоростей течения жидкости и живых сечений потока. Одним из широко распространённых приборов, применяемых для этой цели, является гидрометрическая вертушка. Наиболее широкое применение она получила для измерений в естественных потоках (реки) и открытых каналах.

Рис. 6

Вертушка (Рис. 6) состоит из крильчатки А, представляющей собой колесо с винтовыми лопатями, насаженное на горизонтальный вал С. Установлена в потоке, крильчатка под действием протекающей жидкости вращается, причём число её оборотов прямо пропорционально скорости течения. От вертушки вверх выводятся провода В, идущие к электрическому звонку, подаю щему сигнал при каждом замыкании электрической цепи, которое осуществляется через определённое число оборотов особым контактным механизмом, помещённым в камере С, или к спецыальному счётчику, автоматически записывающему число оборотов и время.

Для определения расхода жидкости поступают следующим образом: вычерчивают в масштабе живое сечение потока (рис. 7) и разбивают его на ряд элементарных сечений . Вертушкой измеряют скорости

В центрах тяжести этих сечений , .

Распространённым прибором для замеров скорости в некоторой точке потока, применяемым как в небольших открытых потоках, в лабораторной практике, так и при движении в трубах, является трубка Пито (Рис. 8).

Рис. 8

Она представляет собой изогнутую под прямым углом трубку небольшого диаметра, устанавливаемую в потоке открытым нижним концом на встречу течению жидкости; второй, верхний, конец трубки выводится из потока наружу. Если такую трубку установить в открытом потоке, например в канале, где на свободной поверхности жидкости давление равно атмосферному, высота к поднятия жидкости в трубке над поверхностью потока представит собой величину скоростного напора в точке установки трубки. Таким образом,

откуда и находится скорость движения жидкости

Действительная величина скорости ввиду неизбежных потерь напора в самой трубке и некоторого нарушения потока, вызываемого введением в него инородного тела, оказывается несколько больше и определяется по формуле

где а — поправочный коэффициент, определяемый для каждой данной трубки опытным путём.

Дальнейшим развитием и усовершенствованием трубки Пито является трубка Прандтля, применяемая для измерения скорости течения жидкости в напорных трубопроводах. Она состоит из двух трубок (см. рис. 8,б), одна из которых а — представляет собой обычный пьезометр, показывающий

пьезометрический напор, а другая b — подобна трубке Пито и измеряет величину полного напора. Разность уровней жидкости в обеих трубках h даёт величину скоростного напора по которой и определяется скорость.

В существующих конструкциях обе трубки обычно совмещаются в один прибор, состоящий в этом случае из двух концентрически расположенных трубок, концы которых присоединяются к дифференциальному манометру (рис. 9).

Рис. 9

Центральная внутренняя трубка передаёт в манометр полный напор; внешняя же трубка, имеющая по боковой поверхности вырез или отверстия, передаёт пьезометрический напор. Для уменьшения нарушений потока жидкости возле трубки её оголовку придаётся удобообтекаемая - сферическая форма. Размеры трубки могут быть сделаны очень малыми — до 0,5 мм в диаметре (шприцевая игла), так что измеряемая ею скорость может быть принята за скорость в данной точке.

Величина скорости движения жидкости в точке установки трубки Прандтля находится по формуле:

где h—разность уровней в коленах дифференциального манометра, и — удельные веса исследуемой жидкости и промежуточной жидкости манометра, а — поправочный коэффициент, определяемый опытным путём изменяющийся в пределах от 1 до 1,04, в зависимости от точности изготовления трубки и её размеров.

Помещая трубку Прандтля в различных точках поперечного сечения потока, можно найти распределение скоростей в этом сечении и вычислить затем значение расхода.

Задачі

3.1 минерального масла при температуре вытикает из вискозиметра Енглера за время Водоне число прибора равняется 51с. Массовая плотность масла равняется . Определить условную вязкость масла в ⁰ВУ, коэффициент кинематической вязкости νи коэффициент динамической вязкости μ.

W = 200 , . Найти:

Решение:

1. Определить условную вязкость масла:

2. Определения коэффициента кинематической вязкости:

3.Определить коэффициент динамической вязкости:

3. Определить удельную массу масла:

4. Определить удельный обьём масла:

3.2 В боковую стенку А посуды, наполненой водой, вставленая пьезометрическая трубка В. Определить абсолютное давление p_абс. на свободную поверхность жидкости в посуде, если под действием этого давления вода в трубке поднялась на высоту h=1,5 м.

Решение:

Давление на свободной поверхности жидкости в сосуде равняется давлению в сечении а пьезометра и определяется по основному уравнению гидростатики:

+

Отсюда, имея в виду, что давление на свободной поверхности

, а удельный вес воды 0,001 , получаем:

Висновок

За допомогою даної контрольної роботи я більш широко дізнався про гідростатичний тиск і його властивості, одиниці виміру в різних системах виміру тиску. Закріпив знання про способи і прилади виміру витрати і швидкості потоку рідини. Навчився вирішувати практичні питання з цієї теми.