Министерство образования и науки РФ Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева Кафедра ПИИС Лабораторный практикум по дисциплине ПРИБОРЫ ПЕРВИЧНОЙ ИНФОРМАЦИИ Составитель: проф.каф.ПИИС Порунов А.А. Казань 2009

Содержание

1.Лабораторная работа №1.Исследование характеристик приемников потока измерителей расхода вещества……3

2. Лабораторная работа №2. Исследование тензорезистивного датчика низких давлений…..12

3.Лабораторная работа №3. Исследование термоанемометрического датчика на основе

метода переменного перепада давления………………………...23

4. Лабораторная работа №4.Исследование ротационного метода тарировки термоанемо-

метрических датчиков………………………………..……………36

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

Исследование характеристик приемников потока измерителей расхода вещества

Цель работы:

1. Изучение методов и средств измерения расхода газовых потоков;

2. Ознакомление с принципами работы и конструктивными особенностями приемников потока и датчиков перепада давления, а также других измерительных средств, используемых при выполнении лабораторной работы;

3. Приобретение практических навыков в проведении экспериментальных исследований, а также в обработке, оформлении и анализе их результатов.

1. Краткие сведения из теории

Методы и приборы для измерения расхода жидкости и газа можно разделить на две группы – расходомеры и счетчики количества жидкости. Расходомеры – это приборы, с помощью которых определя­ется средний расход жидкости и газа по результатам мгновенных измерений. Как правило, расход определяется в килограм­мах или в кубических метрах в час (сек).

К счетчикам относятся приборы, с помощью кото­рых определяется количество жидкости, протекающей по трубо­проводу за определенный промежуток времени. Обычно измере­ние ведется в литрах или в кубических метрах в час, сутки, ме­сяц.

Скоростные счетчики выпускаются двух типов: с вертикаль­ной крыльчаткой и со спиральной горизонтальной вертушкой. Действие этих приборов основано на вращении потоком жид­кости вертушки, причем скорость вращения, зависит от количе­ства протекающей жидкости.

Топливомер со спиральной вертушкой (рис.1.1) состоит из корпуса 1, вертушки 2, механизма передачи 3 и счетного устрой­ства 4. Стрелки счетного устройства на шкале прибора указы­вают суммарное количество воды, прошедшее через топливомер.

Расходомеры. В авиационной технике для измерения ско­рости воздушного потока широко применяются приборы, называемые анемометрами.

Рис. 1.1. Счетчик со спиральной вертушкой	Рис. 1.2. Анемометры а - крыльчатый; б - чашечный

Ручной крыльчатый анемометр (рис.1.2,а) состоит из крыльчатки 1, обечайки 2, счетного механизма 4 и пускового рычажка 3. Анемометр устанавливается в воздушный поток так, чтобы его ось была направлена вдоль потока, навстречу ему. Поток воздуха вращает крыльчатку, и с помощью передаточного механизма приводятся в движение стрелки счетного механизма, которые на шкалах показывают количество делений в еди­ницах, сотнях и тысячах. Счетный механизм включают пусковым рычажком на 50–100 сек. Разделив разность конечного и на­чального показания счетчика на время работы счетного меха­низма, находят число делений в секунду, а по графику, прилагае­мому к прибору, определяют скорость движения воздуха. Расход воздуха (в м³/ч) определяется по формуле

L = 3600F ,

(1.1)

где F – площадь воздуховода или проема, где производилось измерение, в м²; – скорость воздушного потока в м/сек.

Для измерения скорости воздушного потока от 1 до 20 м/сек применяют чашечный анемометр (рис.1.2,б), состоящий из крыльчатки 1, крестовины 2, счетного механизма 3, пускового рычажка 4 и винта 5 для крепления. Метод измерения чашеч­ным анемометром скорости воздуха аналогичен методу измере­ния крыльчатым анемометром.

Ротаметры. Принцип действия ротаметров основан на использовании подъемной силы потока, изменяющей положение поплавка при колебаниях расхода. С помощью ротаметров из­меряют расход вещества при постоянном перепаде давления.

Ротаметр (рис.1.3) с поплавком 1, свободно перемещаю­щимся по конической стеклянной трубке 2, устанавливается вер­тикально и крепится к трубопроводу фланцами 3 в 4. При дви­жении вещества через ротаметр поплавок поднимается на опре­деленную высоту, указывая на шкале расход в л/ч или в м³/ч.

Для обеспечения устойчивости работы ротаметра обод по­плавка имеет несколько косых каналов, позволяющих поплавку вращаться, центрируясь и не соприкасаясь со стенками рота­метра.

Расходомеры постоянного перепада применяют для измерения расхода различных жидкостей. В этих расходомерах расход жидкости преобразуется не­посредственно в линейное перемещение рабочего элемен­та – поплавка, который может быть поршневым, кони­ческим или грибообразным.

В расходомере с коническим поплавком поплавок перемещается внут­ри кольцевой диафрагмы , изменяя при этом площадь кольцевого сечения, через которое протекает жидкость. При увеличении расхода жидкости и постоянном перепа­де давления, обусловленном только массой поплавка и связанных с ним частей, увеличивается проходное сече­ние и поплавок перемещается вверх. При уменьшении расхода жидкости поплавок перемещается вниз.

Высота подъема поплавка в камере расходомера свя­зана с переменным диаметром его зависимостью

Рис. 1.3 Ротаметр со стеклянной трубкой

(1.2)

при малом

(1.3)

Из выражения (1.2) и (1.3) следует

(1.4)

или

(1.5)

где А – постоянный коэффициент, z – перемещение поплавка, м;  – угол конусности поплавка, рад.

Таким образом, перемещение поплавка связано с расходом жидкости линейной зависимостью. Для измене­ния диапазона измерения расхода необходимо установить поплавок той же конусности, но другой массы, опреде­ляемой по выражению (1.4).

Расходомеры переменного перепада применяют для измерения расхода жидкостей, пара и га­зов. В этих расходомерах расход вещества преобразует­ся в изменение перепада давления, которое измеряется специальными дифференциальными манометрами. Уст­ройство для измерения расхода по перепаду давления со­стоит из сужающего устройства – нормальной плоской диафрагмы плюсовой и минусовой камер и отверстий для трубок отбора перепада давления.(рис.1.4)

Рис.1.4 Сужающие устройства а – нормальная камерная диафрагма;

б – нормальное сопло; в – трубка Вентури.

Зависимость перепада давления от объемного расхо­да среды может быть представлена в виде

(1.6)

откуда

(1.7)

где р – перепад давления, Па; – объемный расход среды, м³/с; F_д – площадь сечения отверстия диафрагмы, м²; q – ускорение силы тяжести, м/с²;  – коэффициент расхода.

В расходомерах этого типа зависимость между расхо­дом и перемещением поплавка может быть определена следующим образом. Под действием динамического дав­ления восходящей струи потока поплавок находится в равновесии. При этом

(1.8)

отсюда

(1.9)

где V_n – объем движущихся частей поплавка, находящихся в потоке, м³; – вес поплавка и всех соединенных с ним частей, Н;  – скорость потока в камере расходомера, м/с; с₀ – коэффициент, характеризующий форму и размер по­плавка, м²; - удельный вес материала поплавка и жидкости, Н/м³.

Метод переменного перепада давления. Сущность метода заключается в том, что при течении жид­кости или газа через сужение в трубопроводе часть потенциальной энергии переходит в кинетическую. В результате – статическое давление потока уменьшается, а динамическое увеличивается. После сужения статическое давление несколько ниже, чем до него. Раз­ница давлений до сужающего устройства и после него называет­ся перепадом давления. Перепад давления изменяется при ко­лебании расхода жидкости или газа, протекающего через суже­ние, а следовательно, может служить мерой расхода.

При протекании жидкости, газа или пара через су­жающее устройство средняя скорость потока увеличи­вается и часть потенциальной энергии давления перехо­дит в кинетическую энергию.

В результате статическое давление потока после су­жающего устройства уменьшается, что вызывает пере­пад давления на сужающем устройстве.(рис.1.5)

Рис. 1.5. Схема распределения давлений по потоку в сужающем устройстве

Перепад давления на сужающем устройстве зависит от расхода протекающего вещества и может служить мерой расхода.

Практически перепад давления измеряют непосред­ственно у торцов сужающего устройства, а вместо пло­щади сечения потока пользуются площадью отвер­стия сужающего устройства F₀.

Уравнение для определения объемного расхода имеет следующий вид:

(1.10)

где – перепад давления, измеренный непосредствен­но у торцов сужающего устройства, кгс/м²; – коэффициент расхода, учитывающий расхож­дение между теоретическим и практическим расходом вещества; F₀ – площадь отверстия сужающего устройства, мм; – плотность вещества, кг/м³.

Рис. 1.6. Схема измерения расхода методом переменного

перепада давления.

Сужение струи начинается до сужающего устройства (рис.1.6.), по выходе из него на некотором расстоянии струя имеет наименьшее сечение, затем она расширяется до тех пор, пока ее сечение не станет равным сечению трубопровода. Присоединив дифференциальный манометр до и после сужающего устройства, можно измерить перепад давления.

Зная величину перепада давления, расход жидкости или газа (в кг/ч) определяют по формуле

G=0,0125d2 ,

(1.11)

где  – коэффициент расхода, зависящий от отношения диамет­ра отверстия сужающего устройства к диаметру трубо­провода, чистоты изготовления кромки отверстия, шеро­ховатости трубы и температуры;  – коэффициент, учитывающий расширение жидкости или газа; d – диаметр отверстия сужающего устройства в мм; – перепад давления в сужающем устройстве в кгс/м², измеренный с помощью U – образного манометра;  – плотность жидкости или газа в кг/м³.

Массовый расход Q_м равен произведению объемного расхода на плотность жидкости, т.е.

(1.12)

Сужающее устройство – устройство, которое изменяет сужение потока, перераспределение потока, вызывающее перепады давления.

В качестве сужающих устройств применяются нормальные диафрагмы, сопла и трубы Вентури.

Нормальная камерная диафрагма (рис.1.4,а) состоит из двух кольцевых камер 1 и 2, диафрагмы 3 и штуцеров 4 и 5 для присоединения дифференциального манометра. Отверстие в ди­афрагме со стороны входа потока имеет острую кромку с углом 90°, а на выходе – расточку с углом 45°.

Нормальное сопло (рис.1.4,б) обеспечивает гораздо мень­шие потери давления, чем диафрагма. Отбор давления произ­водится до сужения потока и в начале цилиндрической насадки 1 через штуцера 2 и 3.

Наименьшие потери давления потока при его сужении обес­печивает труба Вентури (рис. 1.4,в). Отбор давления произво­дится через штуцера 1, которые через отверстия 2 и кольцевые камеры 3 сообщаются с перемещаемой средой.