Лабораторна робота 6 вивчення приладів для вимірювання витрат рідин і газів

Мета роботи– вивчити схеми конструкції і принцип роботи приладів для вимірювання витрат рідин і газів.

6.1. Теоретичні відомості

Назви приладів для вимірювання витрат зазвичай пов’язані з назвою вимірюваного середовища: водомір, газомір і т.д.

На підприємствах вимірювання витрат має винятково важливе значення для раціонального ведення технологічного процесу, обліку відпущеного споживачам палива, води і т.д.

Лічильники кількості речовини за принципом дії розділяються на об’ємні, вагові і швидкісні.

Кількість рідини можна вимірювати найпростішими засобами – мірниками (для малих об’ємів рідин) і мірними баками (для великих об’ємів рідин). Мірні баки можуть виконуватись з двох однакових судин, котрі почергово заповнюються рідиною з трубопроводу і спорожняються в витратний бак. З витратного баку рідина перетікає до споживача.

Мірники представляють собою скляні судини з мітками, які нанесені безпосередньо на їх стінки. Відмітка шкали відповідає ємності судини в одиницях об’єму. Мірні баки мають показники рівня в вигляді водомірного скла, по шкалі яких відліковується об’єм рідини. Одна з схем мірних баків представлена на рис. 6.1.

Мірні баки і мірники є найбільш точними приладами і застосовуються під час випробування обладнання чи для тарування витратомірів других типів.

Для пояснення роботи об’ємних лічильників можна розглянути лічильник з овальними шестірнями, схема якого представлена на рис. 6.2.

Рис. 6.1 – Мірні баки 1 — витратний бак; 2 — водовказівні скельця; 3 — мірні баки; 4 — закриті вентилі, 5 — подаюча труба; 6 — відкриті вентилі; 7 — злив; 8 — вихідний трубопровід

Рис. 6.2 – Схема камери лічильника з овальними шестірнями: 1 – корпус; 2–об’єм рідини пропускаємої за половину оберту шестірні; 3 – овальна шестірня

Шестірні обертаються в камері приладу під дією різниці тисків рідини на вході і виході в камеру. Кожна з шестерень при повному обертанні проштовхує половину об’єму рідини, яка попадає в камеру, а обидві шестірні за один оберт пропускають об’єм, рівний повному об’єму камери. Обертовий момент створюється за рахунок еліптичної форми шестерень, оскільки на одну сторону шестірні діє більше зусилля ніж на другу.

Для вимірювань кількості газу застосовуються ротаційні лічильники. Камера ротаційного лічильника має дві лопаті в вигляді цифри “8”, розташованих аналогічно по відношенню один до одного, як і в випадку з еліптичними шестірнями.

Лічильники швидкісного типу засновані на дії води, яка протікає по трубопроводу на крильчасту вертушку, що може бути з вертикальною або горизонтальною віссю. Лічильний механізм в таких приладах знаходиться безпосередньо всередині приладу, а відлік показань проводиться через захисне скло.

Рух від шестірні до лічильника передається за допомогою магнітної муфти. Магнітна муфта відокремлює внутрішні порожнини камери від зовнішнього середовища і робить непотрібними спеціальні ущільнення, що у багатьох рідинних приладах є слабким місцем, тому що збільшується тертя під час обертання осі.

Магнітна муфта (рис. 6.3) складається з постійного магніту у формі скоби і сердечника у формі молоточка. Між скобою і молоточком міститься тонка циліндрична чашечка з немагнітного матеріалу. Молоточок розташовується уздовж магнітних силових ліній між полюсами скоби. Якщо обертати скобу навколо осі, що проходить між її полюсами, вона буде захоплювати за собою і молоточок, зв'язаний з нею тільки силою магнітного притягання.

Магнітна скоба з'єднана з віссю вимірювального механізму усередині камери, а молоточок посаджений на вісь лічильника, що знаходиться за межами камери. Чашечка з немагнітного матеріалу служить перегородкою, що відокремлює камери з рідиною від зовнішнього середовища.

Таким чином, обертання деталей усередині камери без будь-якого механічного зчеплення передається до зовнішніх деталей механізму приладу.

Магнітні муфти застосовують у багатьох видах вимірювальних приладів, коли необхідно ізолювати дві частини приладу, що знаходяться під різними тисками рідин чи газів. Конструктивно магнітні муфти мають різні виконання. Під тиском може знаходитися будь-яка половина муфти.

Рис. 6.3 – Маг​нітна муфта: 1 — ведуча вісь; 2 - маг​нітна скоба; 3 — корпус приладу; 4—немагнітна перегородка; 5 — сталевий молоток; 6 — ведена вісь

Об’ємні і швидкісні витратоміри розраховані для роботи на трубопроводах, де тиск вимірюваної рідини не більше 10-15 кгс/см².

Для вимірювань великих витрат рідин при високих внутрішніх тисках використовують дифманометри. Тут основними елементами є звужуючий пристрій і прилад для вимірів перепаду тиску (рис. 6.10).

На рис. 6.10. зображено звужуючий пристрій та розподіл тисків в зо​ні установки звужуючого пристрою. Залежність між об’ємною витратою рідини і перепадом тиску на звужуючому пристрої визначається співвідношенням.

До витратомірів постійного перепаду відносять ротаметри. Ротаметри мають безліч різновидів. Поплавкові пристрої набули найбільшого поширення і можуть бути використані для визначення об'ємних витрат плавно змінюються однорідних потоків чистої або слабозабруднених рідини. Прилад має простуконструкцію. У конічної трубці ротаметра, виконаної з оргскла, розташований металевий стрижень. По ньому вільно переміщається металевий поплавок. Поділу для визначення витрати рідини нанесені на корпусі ротаметра. Градуювання шкали наноситься виробником залежно від галузі застосування обладнання.

Важливо розуміти, що поплавковий ротаметр показує витрата рідини в режимі реального часу. Іншими словами, при зміні витрати показання приладу відразу змінюються. Якщо датчики рівня або ротаметри потрібно використовувати в агресивних середовищах, то потрібно пам'ятати, що поплавець і стрижень пристрої виготовлені з нержавіючої сталі. Необхідно заздалегідь уточнити, наскільки велика стійкістьматеріалу до впливу агресивних середовищ.

Поплавкові ротаметри набули широкого поширення зважаючи своїй надійності, ефективності і довговічності. Для зрівноважування тиску та сталого обертання поплавця на кромці його корпусу нанесені канавки. Фахівці зчитують дані візуально. Під час роботи ротаметра вага поплавка буде врівноважуватися підйомною силою потоку.

Ротаметр (рис.6.4, рис.6.5, рис 6.8, рис 6.9) являє собою вертикальну конусну трубку, у якій перебуває поплавець. Зсув поплавця пропорційно витраті рідини або газу:

Рис. 6.4 Схема ротаметра

Рис. 6.5 Ротаметр для виміру витрати в агресивних середовищах

При зсуві поплавця площа прохідного перетину змінюється за лінійним законом:

З умови рівноваги поплавця треба, що перепад тиску постійний:

А з рівняння витрати - що витрата пропорційна площі або зсуву поплавця.

Турбінні витратоміри

Турбінні витратоміри (рис.6.6) призначені для виміру витрати рідин з низькою в'язкістю й для виміру витрати газів.

Принцип виміру: вимірюване середовище, що рухається, надає руху ротору турбіни, частота обертання ротора пропорційні об'ємній витраті рідини або газу.

Рис.6.6 Схема турбінного витратоміру

Недолік - наявність частин, що рухаються, і як наслідок обмежений ресурс.

Переваги:

- лінійна характеристика;

- широкий діапазон виміру;

- мала інерційність;

- простота конструкції.

Схеми різних конструкцій турбін (а) аксіальна турбіна; б) тангенціальна турбіна) представлені на рис.6.7

Рис.6.7 Схема різних конструкцій турбін а) аксіальна турбіна; б) тангенціальна турбіна

Рис.6.8 Ротаметр з змінним перерізом DSV-1

Рис 6.9 Поплавковий ротаметр: 1—вхідний штуцер, 2 — попла​вок, 3 — конусна трубка, 4 — кріпляче кільце, 5 — кріплячі шпильки, 6—вихідний шту​цер

Поплавковий ротаметр представляє собою вертикальну трубку конічного перерізу, яка вставляється в розсічку лінії, де вимірюється витрата. В трубці вільно переміщується поплавок. При русі рідини чи газу поплавок силою струменя піднімається вверх за рахунок різниці тисків знизу поплавка і збоку (збоку швидкість більша, а тиск менший).

Скляні ротаметри розраховані на тиски до 6 кгс/см², а металічні на тиски до 65 кгс/см² і максимальні витрати до 16 м³/ год.

Рис. 6.10 – Звужуючий пристрій та розподіл тисків в зоні установки звужуючого пристрою: P₁'—тиск в трубопроводі; P₁ —тиск перед діафрагмою; Р₂ — тиск піс​ле діафрагми; Р₂'— тиск в найвузькішій частині струменя;  —втрата тиску на діафрагмі; (Р₁— Р₂) — перепад тиску на діафрагмі

Загальні вигляди лічильників для обліку води та газу представлені на рис.6.11, рис.6.12, рис.6.13, рис 6.14. з конструкціями цих приладів студент повинен познайомитись при розбірці зразків.

Рис 6.11 Газовий лічильник		Рис.6.12 Вигляд лічильників для води застарілої конструкції та сучасний лічильник
Рис.6.13 Вигляд сучасного лічильника	Рис.6.14 Лічильник холодної води, лічильник гарячої води,

Порядок проведення роботи:

1. Вивчити теоретичну частину.

2. Розібрати лічильник і ознайомитись з основними елементами.

3. Замалювати елементи лічильника.

4. Скласти звіт.

Контрольні питання

1. Пояснити роботу ротаметра.

2. Пояснити принцип дії приладів для вимірювання витрат.

3. Пояснити принцип дії лічильників швидкісного типу.

4. Як працює лічильник з овальними шестірнями?

5. Схема дії мірних баків.

6. Що представляють собою мірники?

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 7

ВИВЧЕННЯ АПАРАТІВ ДЛЯ ВИМІРЮВАННЯ ТИСКУ

Мета роботи – ознайомитись з основними приладами для вимірювання тиску.

Теоретичні відомості.

Співвідношення одиниць вимірювання тиску:

1Па=н/м² ; 1Бар=10⁵н/м² ; 1мПа=10⁶н/м²

1Кгс/см²=0,98*10⁵н/м²; 1м.вод.ст=0,98*10⁴ н/м²

1Атмосфера=101330Па;~1Кгс/см²~1Бар~0,1мПа~10мвод.ст

Для вимірювання тиску застосовуються три типи приладів:

– вакуумметри – прилади, що застосовуються для вимірювання вакуумметричного тиску (нижче атмосферного), рівного різниці між барометричним і абсолютним тиском;

– манометри – прилади для вимірювання надлишкового тиску;

– мановакуумметри – прилади для вимірювання надлишкового і вакуумметричного тисків;

– динамометри – прилади для вимірювання різниці двох тисків, ні один з яких не є тиском навколишнього середовища.

Для вимірювань тисків широко застосовуються скляні рідинні манометри (один з можливих варіантів приладів U-подібного типу представлено на рис.7.1), а учбовий на рис.7.2

Рис.7.1–Прилад U-подібного типу для вимірювання тиску

Рис.7.2 Мікроманометр учбовий ММУ-М1

Звичайно вимірюють надлишковий тиск відносно

атмосферного тиску:

Якщо абсолютний тиск менше атмосферного,

те їхня різниця називається розрідженням або вакуумом:

Для виміру надлишкового тиску застосовують манометри, а для виміру розрідження - вакуумметри.

Найбільше поширення одержали показуючі прилади, , із трубчастою пружиною.

Види трубчатих манометрів представлені на рис.7.3.

Рис.7.3 Види трубчатих манометрів а — U-Образний двухтрубний манометр, б — однотрубний манометр, в — ртутний барометр, г — мікроманометр із похилою трубкою

Тут тиск визначається висотою стовпця h врівноважуючої рідини, її щільністю і щільністю середовища над врівноважуючою рідиною.

Похибка U-подібних скляних манометрів складає 2 мм висоти h при температурі 20 ^оС. Верхня межа вимірювань встановлена в 100, 160, 250, 400, 600, 1000 мм.

Крім U-подібних приладів в лабораторних умовах також застосовуються чашкові рідинні манометри з вертикальною і нахиленою трубками, які використовуються для вимірювань малих тисків.

Верхня межа вимірювань чашкових та рідинних манометрів з вертикальною і нахиленою трубками складає 160, 400, 600, 1000 мм водного стовпа.

Різновидністю однотрубного манометра є чашковий скляний барометр, який застосовується для вимірювання атмосферного тиску. Він представляє собою скляну трубку з запаяним кінцем, наповнену ртуттю ї занурену відкритим кінцем в чашку з ртуттю. Тобто стовп ртуті врівноважується тільки атмосферним тиском. При зміні атмосферного тиску змінюється висота стовпа ртуті. Атмосферний тиск вимірюється в мм ртутного стовпа. Якщо замість ртуті застосовувати воду, то для виміру атмосферного тиску потрібна трубка довжиною більше 10 м , тому що 760 мм ртутного стовпа. складають такий самий тиск, як 10,3 м водяного стовпа.

Сучасні манометри виготовляються спеціалізованими заводами і є контрольно-вимірювальними приладами, що мають чутливим елементом – трубку, сильфон (рис.7.4), мембрану (всі ці елементи носять назву пружинних).

Для приладів і засобів автоматизації здебільшого використовують безшовні одношарові сильфони складом: Ni=25 %; Mn=14 %; Al=1,3 %; Cr=1,2 %; Si=0,5 %; Cu=58%. Сильфони виготовляють з тонкостінних трубок пресуванням і кількістю хвиль n = 4; 6; 10.

Рис.7.4 – Сильфон

ГОСТ 11915-66 встановлює велику кількість типорозмірів сильфонів з ефективною площею від 0,1 до 160 см2, яка обраховується за формулою: еф=2.

де _еф – ефективна площа.

D – зовнішній діаметр сильфона; d–внутрішній діаметр сильфона;

Манометри з сильфоном використовують для тисків від 0 до 500 кПа. При цьому діаметр трубки сильфона складає 25-60 мм, товщина стінки знаходиться в межах 0,08-0,25 мм.

При використанні сильфона в якості чутливого елемента один кінець трубки сильфона манометра запаюється герметично, а другий кінець закріплюється на жорсткій нерухомій основі (приклад такого використання сильфона приведено нижче на рис.7.5).

Рис.7.5 Схема самописного манометра з сильфоном: 1–сильфон; 2–система важелів; 3–самописець

Рис.7.6 Загальний вигляд манометра

При зміні тиску сильфон 1 змінюється в лінійному розмірі і через систему важелів виводить дані на шкалу або пристрій самописця.

Для вимірювань тисків до 40 кПа в промисловості частіше всього використовують мембранні прилади.

Для найбільш точних вимірювань використовуються манометри поршневого типу, в тому числі і для лабораторної практики. Будова поршневого, або як його називають вантажопоршневого манометра, приведена на рис.7.7.

Рис.7.7 – Будова поршневого манометра: 1-вантажі; 2-тарілка; 3-поршень; 4 - посудина; 5 - вантажна колонка; 6-штуцер для під’єднання пружинних манометрів; 7 - запірний вентиль; 8 - спускний вентиль; 9 - шток преса; 10 - запірний вентиль колонки; 11 - штурвал преса

В вантажопоршневому манометрі вимірюваний тиск порівнюється з тиском поршневої пари (циліндр-поршень), де поршень знаходиться під дією ваги вантажів певної маси.

Основною частиною манометра є вертикальна колонка з циліндричним каналом, в який встановлено поршень. Внутрішня поверхня каналу і поверхня поршня відшліфовані і підігнані.

Вантажі мають форму дисків і точну певну масу та укладені на тарілку. Тиск, який витримує рідина в камері манометра, передається на манометр, який при цьому перевіряється на точність показів. Камера заповнена трансформаторним маслом. Воду не можна використовувати, тому що вона має малу в’язкість, швидко просочується і викликає корозію металічних деталей. Для регулювання рівня масла в колонці є допоміжний поршень, який витісняє масло з внутрішнього об’єму в колонку.

Конструкція рідинних трубчастих манометрів представлена на рис 7.8

Рис.7.8 Рідинні трубчасті манометри
	Рис.7.9 Чутливі елементи пружинних манометрів а) трубчата одновиткова пружина; б) трубчата багатовиткова пружина; в) пласка мембрана; г) мембрана коробчата; д) сильфон (циліндрична пружина)

Прилади, які використовуються в роботі:

1.​ Рідинний трубчастий манометр

2.​ Мікроманометр учбовий ММУ-М1.