На стенде 2 – «Основы газовой динамики»

Стенд позволяет задавать и определять температуру, давление и расход воздуха в определенных точках системы, в соответствии с перечнем лабораторных работ. Замер температуры воздуха осуществляется с помощью термоэлектрического преобразователя с вторичным прибором индикатором.

Давление измеряется с помощью дифференциальных датчиков давления и датчиков избыточного давления с цифровой индикацией показаний.

Расход воздуха измеряется по скоростному напору, измеряемому с помощью трубок Пито, дифференциальных датчиков давления и с помощью стандартных измерительных устройств. Конструкция стенда представлена на рис. 2 – 7.

Рис. 2. Стенд. Общий вид

На рис 2 приняты следующие обозначения:1 – вентилятор (система низкого давления); 2 – рама стенда; 3 – исследуемый сложный трубопровод с местными сопротивлениями (ТР1); 4 – панель приборов; 5 – исследуемый сложный трубопровод с плавным изменением сечения (ТР2); 6, 7 – вход и выход (по два штуцера) исследуемого трубопровода (ТРЗ) для определения потерь давления (энергии) по длине с внутренним сечением 4 мм, длина L = 6,8м; 8, 10 – вход и выход (по два штуцера) исследуемого трубопровода (ТР4) для определения потерь давления (энергии) по длине с внутренним сечением 7, 8 мм; длина L = 14,7м; 9 – счетчик газа; 11 – ротаметр; 12 – кран ресивера исследования режимов истечения воздуха; 13 – колесо; 14 – переход; 15 – выпрямитель потока; 16 – трубка Пито № 1; 17 – исследуемый трубопровод внутренним диаметром d=100 мм; 18 – ресивер исследования режимов истечения воздуха; 19 – трубка Пито №2; 20 – исследуемая заслонка.

Рис. 3. Панель управления

На рис 3 приняты следующие обозначения:1 – тумблер включения питания системы управления; 2 – индикатор частоты вращения вентилятора, об/с; 3 – тумблер включения компрессора высокого давления; 4 – индикатор напряжения питания компрессора; 5 – индикатор частоты вращения вала компрессора; 6 – индикатор датчика перепада давления 50 кПа с двумя выходными штуцерами; 7, 9, 10,11, 13, 14 – индикатор датчика перепада давления 100 кПа с двумя выходными штуцерами; 8 – индикатор температуры корпуса компрессора; 12 – индикатор температуры воздуха в ресивере (ресивер с тыльной стороны стенда); 15 – датчик избыточного давления воздуха в ресивере; 16 – аварийный выключатель с фиксацией; 17 – выключатель-регулятор вентилятора; 18, 19 – датчики перепада давления с максимальным диапазоном 1250 Па, для стенда настроены на максимальное давление 700 Па; 20 – блок питания компрессора с индикацией потребляемого тока; 21 – датчик избыточного давления типа SВЕ1 с диапазоном измерения 1МПа; 22 – датчик избыточного давления типа SВЕ1 с диапазоном измерения 100 кПа; 23 – кран (ВН1) подачи воздуха из ресивера в систему; 24 – клапан редукционный (КР) регулировки давления выхода; 25 – датчик расхода фирмы FESТО типа SFЕЗ; 26 – штуцер отбора воздуха для исследований из системы «компрессор-ресивер-клапан редукционный-расходомер; 27 – датчик избыточного давления типа 8ВЕ1 с диапазоном измерения 1МПа.

Рис. 4. Вид на кронштейн трубки Пито: 53, 57 – шланг отбора давления; 54 – штуцер полного давления; 55 – шкала положения трубки Пито в трубопроводе;56 – штуцер статического давления тройника.

Рис.5. Пример подключения выходов измерительных

приборов давления.

Рис.6 Пример подключения тройника для подключения нагрузочного дросселя и соединения его выхода с входом ротаметра: 1 – тройник; 2 – дроссель (при подключении обратить внимание на направление его включения); 3 – штуцер ротаметра.

Рис. 7. Пример подключения трубки к выходу из трубопровода для обеспечения свободного истечения воздуха (штуцера применены с обратными клапанами и до монтажа в них трубки они находятся в закрытом состоянии):1 -трубка; 2- быстроразъемное соединение (штуцер) с обратным клапаном; 3- точка отбора давления; 4 -исследуемый трубопровод (ТР1 или ТР2).

Подключение стенда к сети и подготовка к работе.

1. Используемая сеть должна иметь заземляющий провод. Заземление осуществляется через вилку сетевого шнура. Включить вилку стенда в розетку однофазной сети.

2. Открыть все заслонки стенда.

3. Защитный автомат питания установлен на панели управления слева. Включить автомат питания. Включить тумблер «Питание системы управления». Поворотом ручки управления вентилятора установить требуемую частоту вращения вала вентилятора. Контроль оборотов вентилятора осуществляется по индикатору частоты вращения в об/с.

4. Включение компрессора системы «высокого давления» осуществляется тумблером на пульте управления. При достижении давления в ресивере равном 5 бар компрессор отключается, при снижении до 2 бар включается вновь. На компрессоре установлена температурная защита. При нагреве корпуса компрессора выше 90°С компрессор отключается.

5. Измерение давления. Для измерения перепада давления в двух точках в «системе низкого давления» необходимо подключить гибкими трубками соответствующие точки к датчикам марки МПа. Для измерения избыточного давления (по отношению к атмосферному) необходимо подключить к датчику только одну точку, в которой необходимо измерить давление.

Для измерения перепада давления в двух точках в «системе высокого давления» необходимо подключить гибкими трубками соответствующие точки к датчикам с диапазоном измерения 50 или 100 кПа. Измерение избыточного давления в одной точке осуществляется датчиками типа 8ВЕ1 с диапазоном измерения 100 кПа или 1 МПа. Для измерения избыточного давления (по отношению к атмосферному) необходимо подключить к датчику только одну точку, в которой необходимо измерить давление.

Точки отбора давления (кроме трубок Пито) снабжены штуцерами с быстроразъемными соединениями со встроенными обратными клапанами. Внутри быстроразъемного соединения (штуцера) имеется уплотнительное резиновое кольцо и автоматически закрывающий обратный клапан. Для измерения необходимо гибкую трубку вставить в штуцер и продвинуть ее до открытия клапана.

В связи с наличием уплотнения при установке трубки необходимо преодолеть некоторое (незначительное) усилие.

Для извлечения трубки из штуцера необходимо нажать на синее пластиковое кольцо штуцера в направлении к корпусу штуцера и одновременно вытягивать трубочку из соединения. При нажатии на кольцо разжимается цанговый зажим, удерживающий трубку, и трубка может быть извлечена из штуцера.

Содержание отчета

В целях экономии времени отчет лабораторной работы № 1 не выполняется. При защите лабораторной работы № 1 необходимо знать устройство, работу и назначение каждого элемента лабораторного стенда.

Контрольные вопросы

1. Расскажите общее устройство лабораторного стенда.

2. Как осуществить замер температуры воздуха с помощью термоэлектрического преобразователя с вторичным прибором индикатором?

3. Как измерить давление с помощью дифференциальных датчиков давления и датчиков избыточного давления с цифровой индикацией показаний?

4. Как измерить расход воздуха?

5. Как подключить стенд к работе?

6. До какой температуры и давления может работать компрессор?

7. Как измерить перепад давления?

Лабораторная работа №2

Изучение приборов и методов определения давления

Цель работы: Изучение приборов для измерения давления, методы измерения давления, понятие класса точности прибора, сравнение показаний приборов различного типа.

Теоретическое введение

Гидростатическим давлением называют нормальное сжимающее напряжение в неподвижной жидкости, т.е. силу, действующую на единицу площади поверхности по нормали к ней. За единицу измерения давления в международной системе единиц принят паскаль (Па = Н/м²).

Различают абсолютное, внешнее (атмосферное), избыточное (манометрическое и вакуумметрическое) давления.

Абсолютное(полное) давление p отсчитывается от абсолютного вакуума. Для жидкости оно слагается из двух составляющих: внешнего давления р₀, передаваемого жидкостью по закону Паскаля, и избыточного, определяемого величиной ρgh,

р = р₀ +ρgh,

где ρg – удельный вес, h – глубина погружения точки под уровень свободной поверхности.

Внешнее давление р₀, как правило, равно атмосферному р_а, которое создаётся силой тяжести воздуха атмосферы и принимается в расчётах равным 101325 Па или 760 мм рт.ст.

Избыток давления над внешним (атмосферным) называют манометрическим давлением. Избыточное давление в жидкости изменяется с глубиной по линейному закону:

р_м = р_изб = ρgh.

Абсолютное давление не может быть отрицательным, так как жидкость не сопротивляется растяжению. Избыточное давление как разность (р_а – р_вн) может быть как больше, так и меньше нуля. Отрицательное избыточное давление называют вакуумметрическим, а условие, при котором оно достигается – вакуумом.

Приборы для измерения атмосферного давления называются барометрами, манометрического – манометрами, вакуума – вакуумметрами.

Манометр (от греч. manоs – редкий, неплотный и metreo – измеряю), прибор для измерений давления жидкостей и газов. Основа измерительной системы манометра – чувствительный элемент, являющийся первичным преобразователем давления. В зависимости от принципа действия и конструкции чувствительного элемента различают манометры жидкостные, поршневые, деформационные (пружинные). Кроме того, находят применение приборы, действие которых основано на измерении изменений физических свойств различных веществ под действием давления.

Барометр(от греч. baros – тяжесть, вес), прибор для измерения атмосферного давления.

Широко распространены:

- жидкостные барометры, основанные на уравновешивании атмосферного давления весом столба жидкости;

- деформационные барометры, принцип действия которых основан на упругих деформациях мембранной коробки (анероид);

- гипсотермометры, основанные на использовании зависимости точки кипения некоторых жидкостей (например, воды) от внешнего давления.

Наиболее точными стандартными приборами являются ртутные.

Вакуумметры по устройству разделяются на жидкостные, механические (деформационные, мембранные и др.), компрессионные (например, вакуумметр Мак–Леода), тепловые (термопарный и теплоэлектрический), ионизационные, магнитные, электроразрядные, вязкостные, радиометрические.

Жидкостные приборы исторически стали применяться первыми. Их действие основано на принципе уравновешивания измеряемого давления р силой тяжести столба жидкости высотой h в приборе:

p=ρgh,

где ρ – плотность жидкости, g – ускорение свободного падения.

Поэтому величина давления может быть выражена высотой столба жидкости h (мм рт.ст., мм вод.ст.). Преимуществами жидкостных приборов являются простота конструкции и высокая точность. Однако они удобны только при измерении небольших давлений. Пьезометр – прибор для измерения избыточного давления и представляет собою стеклянную трубку с открытым в атмосферу верхним концом (рис. 8). Нижний конец пьезометра соединен с объектом измерения давления.

,

где h – показания пьезометра, мм. ст. ж.; h₁ – глубина расположения т. А, расположенной под уровнем нулевого штифта шкалы прибора.

Рис. 8. Пьезометр

Чувствительность прибора не ниже 1–2 мм. Прибор имеет значительную инерцию и применяется лишь для измерения практически постоянных усредненных во времени давлений.

В механических приборах (рис. 9) измеряемое давление вызывает деформацию чувствительного элемента (трубка, мембрана, сильфон), которая с помощью специальных механизмов передаётся на указатель. Такие приборы компактны и имеют большой диапазон измеряемых давлений.

Рис. 9. Механический манометр

В электрических приборах воспринимаемое чувствительным элементом давление преобразуется в электрический сигнал. Этот сигнал регистрируется показывающим (вольтметр, амперметр) или пишущим (самописец, осциллограф) приборами. В последнем случае можно фиксировать давление при быстропротекающих процессах.

Абсолютное давление в любой точке покоящейся жидкости определяется по основному уравнению гидростатики

р=р₀+ρgh,

где р₀ – давление на свободной поверхности жидкости; ρ – плотность жидкости; h – глубина погружения точки под свободной поверхностью.

Плотность и удельный вес капельных жидкостей мало изменяются с изменением давления и температуры. Можно приближённо считать, что плотность не зависит от давления, а определяется только температурой. Для расчёта изменения плотности капельных жидкостей с изменением температуры есть приближённое выражение:

.

Значение коэффициента β_Т находятся из таблиц в пределах заданного интервала температур (например для пресной воды из таблицы 1).

Измерение давления

1. Измерение атмосферного давления

Для измерения атмосферного давления применяют чашечные ртутные барометры или пружинные барометры-анероиды. Единицей измерения по шкале барометра обычно служат миллиметр ртутного столба (мм.рт.ст). Перевод показаний прибора в международную систему единиц СИ производится в соответствии с соотношением 1 мм.рт.ст. = 133,3 Па.

Для удобства используют следующие обозначения для величины атмосферного давления:

- при измерении в мм.рт.ст. – В_а ;

- при измерении в Па – р_а .

Таблица 1

Давление, Па∙104	βТ,1/гр при температуре, °С
1 - 10	10 - 20	40 - 50	60 - 70	90 - 100
	0,000014	0,00015	0,000422	0,000556	0,000719
	0,000043	0,000165	0,000422	0,000548	0,000714
	0,000072	0,000183	0,000426	0,000539	0,000695
	0,000149	0,000236	0,000429	0,000523	0,000661
	0,000229	0,000294	0,000437	0,000514	0,000621

1. Измерение давления в потоке воздуха

Жидкостные манометры

Для измерения давления в потоке воздуха обычно используют жидкостные манометры, работающие на принципе сообщающихся сосудов. Наиболее простым типом такого манометра является U-образная трубка, заполненная жидкостью. Для заполнения U-образной трубки используют чистую или слегка подкрашенную дистиллированную воду. Подкраска воды не должна приводить к изменению ее плотности, а применяемый краситель не давать осадка. Единицей измерения на шкале U-образной трубки служит либо Паскаль, либо мм.вод.ст.

1 мм.вод.ст. = 9,81 Па.

Микроманометр

Для точных измерений небольших перепадов давления служит микроманометр с наклонной трубкой. Принципиальная схема этого микроманометра приведена на рис. 10.

Увеличение чувствительности и точности отсчета в этом манометре достигается тем, что вертикальный столб жидкости высотой А, соответствующий измеряемой разности давлений (Р₁–Р₂), заменяется наклонным столбом протяженностью l, причем l = h/sin α. Шкала, по которой производится отсчет показаний микроманометра, обычно располагается непосредственно на наклонной трубке.

Рис. 10 Микроманометр

Микроманометр заливается этиловым спиртом с плотностью ρ = 789,3 кг/м³. Для удобства пользования микроманометром в его конструкции (рис. 10) предусмотрено несколько фиксированных положений наклонной трубки, соответствующих значениям к_м = 0,2; 0,3; 0,4; 0,6; 0,8. Установка микроманометра производится с помощью имеющихся на его основании уровней.

Трубка Прандтля

Полное давление в любой точке потока складывается из статического и динамического давления. Статическое давление р численно равно силе, действующей в потоке на единицу площади поверхности, ориентированной параллельно к вектору скорости. Статическое давление обусловлено потенциальной энергией жидкости или газа, находящихся под действием сил различной физической природы, включая силы межмолекулярного взаимодействия. Согласно существующим представлениям о физическом строении жидкости и газа и их свойствах, введенное в гидромеханике статическое давление совпадает с термодинамическим давлением, входящим в уравнение состояния.

Динамическое давление p_d характеризующее кинетическую энергию движущихся жидкости или газа, определяется как

,

где ρ – плотность кг/м³, υ – скорость м/с.

При увеличении скорости потока динамическая составляющая полного давления возрастает, а статическая уменьшается. В покоящейся среде динамическое давление равно нулю.

Для комплексного измерения полного, статического и динамического давления в потоке применяют комбинированный приемник давления, называемый обычно трубкой Прандтля. Если направить комбинированный приемник давления навстречу потоку, то перед его носиком поток окажется полностью заторможенным и динамическое давление будет полностью преобразовано в статическое. Комбинированное приемотверстие комбинированного приемника будет воспринимать полное давление р_п в точке замера, равное сумме статического р и динамического p_d давлений. На расстоянии 3d от носика насадка (где d – его внешний диаметр) струйки потока будут параллельны его образующим, а боковые отверстия, просверленные в этом месте, будут воспринимать только статическое давление р. Схема измерения полного давления и его компонентов в потоке воздуха приведена на рис. 11.

Преобразователь давления

Пример конструкции деформационного датчика давления с встроенной электронной частью и получившего из-за этого название преобразователя давления показан на рис. 12. Преобразователь выполнен в цилиндрическом корпусе 3, в нижней части которого расположен штуцер 4, предназначенный для присоединения к линии измеряемого давления. В верхней части корпуса расположена «обойма» 9, которая крепится в корпусе с помощью специальных защелок, позволяющих ей вращаться вокруг своей оси (относительно корпуса 3).

Рис. 12. Преобразователь давления

Для фиксации положения обоймы относительно корпуса служит крышка 10, которая навинчивается на наружную резьбу верхней части корпуса 3. На обойме установлена приборная часть 2 электрического соединителя типа В1М 43650С. В кабельной части 1 соединителя производится подсоединение проводов внешних электрических цепей с помощью винтовых зажимов (клемм) без применения пайки.

Во входном отверстии 5 приемной полости штуцера преобразователя предусмотрена резьба для установки гидравлического дросселя, предназначенного для предотвращения повреждения мембраны чувствительного элемента преобразователя в случае возникновения гидроудара.

В штуцере преобразователя размещен чувствительный элемент 6. В качестве чувствительного элемента применен тензопреобразователь, на котором размещена тензочувствительная полупроводниковая схема из четырех тензорезисторов, соединенных в мост Уитсона. Под действием давления измеряемой среды мембрана чувствительного элемента прогибается. Тензорезисторы, деформируясь, изменяют свое сопротивление. В результате происходит разбаланс моста пропорционально измеряемому давлению. Разбаланс в виде электрического сигнала преобразуется электронным блоком, расположенным в корпусе преобразователя, в выходной унифицированный сигнал постоянного тока 4...20 мА. В применяемом тензопреобразователе имеется термокомпенсация, что обеспечивает относительно высокую температурную стабильность его характеристик.

В обойме 9 преобразователя имеется специальное окно для доступа к подстроечному резистору корректора нуля. Корректор нуля предназначен для подстройки выходного сигнала преобразователя при давлении, равном атмосферному.

Для подстройки выходного сигнала преобразователя при верхнем предельном значении измеряемого давления предназначен подстроечный резистор корректора диапазона 8.

К преобразователю давления присоединяется вторичный электронный прибор, измеряющий сигнал с преобразователя и переводящий его в значения давления.

Приборы могут быть скомпонованы в едином корпусе или смонтированы по отдельности.

Выполнение работы.

Для данной работы используется стенд 2 «Основы газовой динамики», устройство, работа и рисунки которого представлены в лабораторной работе № 1.

Данная работа является подготовительной для проведения следующих работ с измерениями давлений.

1. Полностью открыть заслонку (поз. 20, рис. 2) на стенде. Сопротивление трубопровода в этом случае минимально.

2. Включить тумблер питания системы управления. Выждать время (ориентировочно 1,5 мин) для выхода измерительных датчиков (поз. 6, 7, 9, 10, 11, 13, 14, рис. 3) в требуемый режим работы. До момента выхода приборов на рабочий режим на табло высвечивается символ «–О–», после выхода в рабочий режим, просто «О».

3. Повернуть рукоятку 17 (рис. 3) управления вентилятором по часовой стрелке полностью. Вентилятор разгонится до максимальных оборотов. Прибор 2 (рис. 3) будет показывать частоту вращения вала вентилятора n, об/с. Данный режим работы будет соответствовать максимальной подаче вентилятора в данный трубопровод.

4. Подключить гибкие трубки к выходам трубки Пито №1 (поз. 16, рис. 2.) Вторым концом гибкие трубки подключить к датчику перепада давления №1 (поз. 18, рис. 3):

- выход статического давления трубки Пито №1 к входу датчика №1 «+»,

- вход датчика №1 «–» оставить соединенным с атмосферой;

- выход статического давления трубки Пито №2 к входу датчика №2 (поз. 19, рис. 3) «+»,

- вход датчика №2 «–» оставить соединенным с атмосферой.

5. Подключить гибкие трубки к выходам трубки Пито №1. Вторым концом трубки подключить к датчику перепада давления №1 (поз. 18, рис. 3): выход полного давления трубки Пито №1 к входу «+» датчика №1 (поз. 18, рис. 3). Используя прилагаемый тройник подключить датчик перепада давления №2 (поз. 19, рис. 3): входом «+» с датчиком перепада давления №1 (поз. 18, рис. 3) со знаком «–» и соединить эти входы датчиков давления с выходом статического давления трубки Пито. Второй вход со знаком «–» датчика перепада давления №2 (поз. 19, рис. 3) оставить открытым.

ВНИМАНИЕ. ПРИ ПОДКЛЮЧЕНИИ ТРУБОК ПИТО ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ВСЕХ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ СОБЛЮДАЙТЕ ОСТОРОЖНОСТЬ, ПРИДЕРЖИВАЙТЕ ТРУБКИ, ВО ИЗБЕЖАНИЕ ПОЛОМКИ КРЕПЛЕНИЯ ТРУБОК.

6. Записать показания датчиков перепада давления в таблицу 2. под номером опыта 1.

Датчики перепада давления всегда показывают разность давлений двух точек:

р_изм = р«+» – р«–»,

где р_изм – показания прибора; р«+» – значение давления, измеряемое входом прибора «+»; р«–» –значение давления, измеряемое входом прибора «–».

При проведенных измерениях первый датчик перепада давления показывает разность значений давлений, измеренную по выходам трубки Пито: полное давление – статическое давление.

Второй датчик перепада давления показывает разность значений давлений между давлением в точке отбора давления и атмосферным давлением, т.е. показывает величину избыточного давления, аналогично манометру.

7. Постепенно закрывайте заслонку (поз.20, рис. 2). Следите за показаниями датчика перепада №1 и 2. Показания должны изменяться.

8. Запишите значения давлений при закрытии заслонки ориентировочно на угол 45°.

Таблица 2.

№ опыта	Показания датчика перепада давления № 1	Перепад давления, Па	Показания датчика перепада давления № 2	Перепад давления, Па

9. Датчики перепада давления (поз.6, 7, 9, 10, 11, 13, 14, рис. 3) аналогичны рассмотренным выше. Отличие датчиков в диапазоне измеряемого давления, значения которых указаны на панели приборов.

10. Указанные датчики применяются для измерения давлений в системе «высокого давления»: определение значение давлений и перепадов на участках сложных трубопроводов и потерь давления по длине на трубопроводах.

11. Датчики давления (поз. 15, 21, 22, 27 рис. 3) предназначены для измерения величин избыточного давления в одной точке.