Измерительные приборы и устройства

Современный аэродинамический эксперимент предусматривает большой комплекс измерений параметров газового потока, обтекающего модель летательного аппарата. Одна часть этих измерений связана с ис­следованием свойств набегающего (невозмущенного) течения, другая – с определением параметров газа в возмущенном потоке: непосредствен­но на поверхности обтекаемого тела или вблизи него.

Экспериментальное изучение газовых течений основано на исполь­зовании различных по конструкции и назначению измерительных прибо­ров и устройств.

МАНОМЕТРЫ И ПРИЕМНИКИ ДАВЛЕНИЯ ГАЗА (НАСАДКИ)

Для измерения давлений в газовом или воздушном потоке применя­ются разнообразные манометры. Причем выбор конкретной конструкции манометра, соответствующей заданным условиям эксперимента, опреде­ляется предполагаемой величиной исследуемого давления, характером движения газа (установившийся или нестационарный поток, быстрое или медленное изменение давления), а также требуемой точностью за­мера. С учетом этих требований рассмотрим некоторые типы маномет­ров, их устройство, принцип действия и области применения.

Жидкостные манометры

Рис. 2 Манометр простого типа

Дифференциальные манометры применяются для измерения относительно небольших перепадов давлений в газовых средах. Конструктивно они выполняются в виде U - образной трубки, изготовленной из прозрачного материала (стекло, пластмасса) и установленной обычно с наклоном к горизонтальной плоскости (рис. 2). «Чувствительным элементом» прибора является жидкость, налитая в трубку. Если к левому колену трубки манометра подвести давление Р₁, а к правому Р₂, причем Р₁ >Р₂, то это вызовет подъем уровня жидкости в правом и соответствующее снижение его в левом колене. Перепад давлений Р₁ – Р₂ будет уравновешиваться давлением жидкости в трубке с высотой, равной вертикальной проекции столба, длина которого определяется разностью показаний уровней в обоих коленах манометра:

Р₁– Р₂ = dh·Sin β·γ (8)

где γ - удельный вес жидкости; Sin β – угол наклона манометра; h =h - h₀, причем h показание уровня жидкости отсчетной трубки манометра, – нулевое показание при данном наклоне.

Рассмотренный жидкостный манометр используются для измере­ния давления только в установившихся потоках, что обусловлено инер­ционностью столба жидкости, вызывающей существенное запаздывание показаний истинной величины давления.

Качество манометра, как и любого измерительного прибора, характеризуется его чувствительностью. Чувствительность манометра определяется отношением величины разности уровней жидкости в отсчетных коленах к соответствующему значению перепада давлений:

dh /Р₁– Р₂ = (γ ·Sin β)^-1 (9)

Из этой зависимости следует, что чувствительность возрастает по мере уменьшения наклона трубок и снижения удельного веса манометричес­кой жидкости. При этом следует иметь в виду, что угол не должен быть настолько малым, чтобы затруднялся отсчет показаний уровня жидкости в трубке из-за размытия мениска. В практических случаях этот угол выбирается обычно не менее 0,1 рад. Чувствительность значительно повышается, если вместо тяжелой «жидкости», какой является ртуть, использовать обычную жидкость, например воду или спирт. Однако в этом случае возможности регулирования чувствительности ограничены, так как плотности таких жидкостей мало отличаются. Чаще в манометрах используется спирт, который позволяет несколько повысить чувствитель­ность, так как он легче воды; к тому же спиртовой столб имеет менее размытый мениск, что дает возможность осуществить более точный отсчет показаний уровня. С этой же целью жидкость в манометре подкрашивают.

Отсчет показаний уровня жидкости производится по шкале, нане­сенной непосредственно на поверхность трубки или на экран. Цена деления шкалы составляет обычно 1 мм, а систематическая ошибка отсчета - примерно ±1 мм.

Внутренний диаметр трубок жидкостных манометров равен 8÷12 мм. Применение чрезмерно широкой трубки приводит к излишнему увеличению количества жидкости и значительному размыванию мениска. В трубке с очень малым диаметром действуют большие капиллярные силы, затрудняющие измерения. По этой причине следует использовать в манометре жидкости с малым поверхностным натяжением. Необходимо следить за чистотой стенок трубок. Грязь на них затрудняет снятие показаний из-за нарушения формы мениска жидкости.

При работе с манометрами, заполненными ртутью, следует обра­щать особое внимание на технику безопасности и предупреждать воз­можные утечки ртути, так как ее пары являются токсичными.

Микроманометры – приборы, предназначенные для измере­ния малых перепадов давлений. Разновидностью таких приборов является чашечный микроманометр, одно колено которого выполнено вместо тонкой трубки в виде чашки-сосуда большого диаметра (рис. 3).

Рис. 3 Наклонный микроманометр

На рис. 3 показаны детали микроманометра: основание 1, которое при помощи закрепленного на нем уровня устанавливается регулировочными винтами 2 горизон­тально, чашка 3, соединенная с отсчетной трубкой 6, на сек­торе 7 имеются отверстия 8 для фиксации угла наклона отсчетной труб­ки с помощью штифта 9.

Давление в микроманометр подводится через штуцер 4 переключа­ющего устройства 5, находящегося на крышке чашки. Переключающая рукоятка этого устройства имеет два положения: «+», когда измеряемое давление, большее атмосферного, подводится к чашке, и «-», когда оно меньше атмосферного и подается в отсчетную трубку. На поверхности трубки нанесена шкала для снятия показаний с ценой деления 1 мм. По шкале отсчета на наклонной трубке соответствующий уровень жидкости зафиксирован отметкой h₀. В случае, когда давление Р₁ в чашке больше давления Р₂ в узкой труб­ке, жидкость поднимается в ней до уровня h. Так как количество жидкости в манометре постоянно, то этот подъем на величину dh=h-h₀вызовет понижение уровня в чашке на некоторую величину δ, которую найдем из условия равенства объемов жидкости в узкой трубке и чашке:

f ·Δh = F· δ (10)

где f и F — площади поперечного сечения соответственно узкой трубки и чашки.

Из (10) находим

δ = (f/F)·Δh (11)

Соответствующая разность давлений

Р₁–Р₂ = (δ + Δh·Sin β)·γ (12)

или с учетом (12)

Р₁ – Р₂= Δh·K₁·Sin β·γ (13)

где

K₁= 1 +f /(F ·Sin β) (14)

Для заданной конструкции манометра наряду с поперечными сече­ниями f и F обычно известен также удельный вес жидкости γ. Тогда для каждого угла β наклона отсчетной трубки можно подсчитать фиксиро­ванные значения

K = K₁·Sin β (15)

или с учетом (14)

K = 1 +f /(F ·Sin β)·Sin β (16)

Эти значения наносятся на секторе манометра вблизи отверстий, слу­жащих для фиксации наклона отсчетной трубки, под соответствующим углом.

С учетом (16) зависимость для перепада давлений получит вид

Р₁ – Р₂ = K ·Δh (17)

если в этой формуле разность уровней Δh имеет размерность мм, а коэффициент К - кГ/дм³ (размерность удельного веса), то вычис­ленная разность давлений бу­дет выражена в кГ/м². Нетруд­но убедиться в том, что этой размерности соответствует дав­ление, измеренное в мм вод.ст., для перевода в паскали (Па) необходимо до множить на величину ускорения свободного падение g =9.81 м /с².

Измерение давлений и скоростей осуществляется пневмометрическим прибором, состоящим из приемника давления (отверстий, расположен­ных на стенках канала или на поверхности специального насад­ка), измерителя давления (жидкостного микроманометра или другого указателя давлений) и линии, соединяющей приемник с измерителем.

Простейшим приемником статического давления является от­верстие в стенке канала. Установлено, что в отверстии без заусен­цев на краях, сделанном заподлицо с внутренней поверхностью стенки, при отсутствии вблизи него завихрений и скоса потока устанавливается статическое давление. Незначительное закруг­ление кромок отверстия радиусом, меньшим его диаметра, не влияет на показания. Такое отверстие легче сделать, нежели от­верстие с острыми кромками без заусенцев. Простейшим приемником полного давления является трубка, направленная против потока (Пито, Пито-Прандтля).

На рис. 4 показан насадок для одновременного измерения полного, статиче­ского и динамического давлений представляет собой цилиндри­ческую трубку, на носике которой расположено приемное отвер­стие для измерения полного давления. Отверстия на боковой поверхности являются приемниками статического давления.

Рис. 4 – Эскиз цилиндрического насадка

Цилиндрический насадок позволяет измерять две компоненты скорости потока в плоскости, перпендикулярной оси насадка и полное давление. В общем случае, присутствует ещё и третья компонента скорости, которая может вносить погрешности в измерения, полученные данным типом насадка. Измерения производятся в неподвижной системе координат, вдоль радиуса, на расстоянии 5 мм от среза рабочего колеса или спрямляющего аппарата вентилятора (рис. 5).

Рис. 5 – Измерительная плоскость

Насадок имеет три отверстия. Оси крайних отверстий “1” и “3” расположены под углом 40 – 45° к оси центрального отверстия “2”. Каждое отверстие сообщается с каналом внутри насадка и может быть подсоединено к манометру. Определения и изменение величины скорости потока цилиндрическим насадком основано на том, что давление в крайних отверстиях “1” и “3” равны, если они симметрично расположены относительно направления скорости потока.

Поместив цилиндрический насадок в поток, ориентируют его отверстиями против потока, подсоединяют крайние отверстия “1” и “3” к U–образному манометру и вращают насадок вокруг его оси до тех пор, пока давление в левом и правом коленах U–образного манометра не станут равными. Угол поворота насадка до этого положения определит направление потока относительно принятой плоскости отсчета (горизонтальной или вертикальной плоскости симметрии насадка, которая обозначена площадкой или уровнем, закрепленном на державке).

При этом центральное отверстие замеряет полное давление, так как оно находится в критической точке, а крайнее отверстие замеряет некоторое меньшее давление. Если присоединить к другому манометру одно из крайних отверстий (“1” и “3”) и центральное отверстие “2” , то по разности давлений можно судить о величине скорости потока .

КАМЕРА С НАДДУВОМ

Рис. 6 – Схема испытательного стенда

Для испытаний осевых вентиляторов служит, в основном, камера с наддувом рис. 6. Конструкцию камеры и назначение ее отдельных частей легко уяснить, проследив за движением в ней воздушного потока. Воздух поступает через измерительный цилиндрический патрубок с плавным входным коллектором и экраном перед ним. Коллектор предназначен для получения равномерного поля скоростей в сечении патрубка, где измеряется разрежение. Это сечение должно находиться на расстоянии 0,5 D_к от входного сечения коллектора (D_к–диаметр колеса вентилятора).

Цилиндрический патрубок переходит в диффузор, в конце которого находится дроссель, предназначенный для изменения сопротивления камеры. Дроссель состоит из четырех перьев, поворачивающихся вокруг своих осей от положения полного открытия до полного закрытия проходного сечения трубопровода. Приводом дросселя является электромотор. Дроссель одновременно является направляющим аппаратом в вентиляторе. За дросселем установлен вентилятор наддува, предназначенный для частичного или полного преодоления сопротивления сети. Из вентилятора наддува поток поступает в составной диффузор, где понижается его скорость. Поперечные перегородки из густых проволочных сеток потока установленные в конце диффузора для выравнивания скорости, дают возможность осуществить второй диффузор, коротким при большом угле раскрытия диффузора (~ 60°). При этом благодаря экранирующему действию сеток поток равномерно распределяется по сечению камеры. За сетками в камере установлены соты для спрямления потока. Со временем перегородки из сеток засоряются, сопротивление их резко возрастает и нормальная работа камеры нарушается. Поэтому периодически сетки следует чистить.

Камера представляет собой цилиндр, ось которого совпадает с направлением потока. На боковой поверхности камеры имеются входной люк и смотровое окно. В выходном сечении камеры имеется щит с отверстием, к которому крепится монтажный щит с испытуемым вентилятором. Для замера статического давления в камере перед выходным сечением имеется тщательно зачищенные отверстия d=2.5 мм. Скорость потока в камере при испытании вентиляторов не превышает 3 – 5 м/сек, а в большинстве случаев она равна 1 ¸1.5 м/сек.

Герметичность камеры во время испытаний имеет большое значение, так как засасывание воздуха в камеру через возможные щели может значительно снизить точность эксперимента. Особое внимание необходимо уделять герметичности крепления монтажного щита, люка и сменного измерительного патрубка, так как эти детали часто демонтируются. На камере имеется специальный патрубок для проверки герметичности.

Тарировка приборов

Тарировка измерительного прибора позволяет установить степень соответствия его показаний действительным значениям измеряемых фи­зических величин, причем такие значения могут определяться различны­ми способами, в частности, измерениями при помощи эталонных при­боров.

При тарировке измерительного прибора одновременно определяет­ся его чувствительность, которая также может сравниваться с анало­гичной характеристикой эталонного прибора.