1.11. Лабораторная работа №11. Тарирование расходной шайбы

Цель работы - изучение устройства для определения расходов жидкостей и газов.

Содержание работы - тарирование расходной шайбы и практическое освоение измерения расхода жидкости.

1.11.1. Теоретические основы

Расходом называется количество жидкости, протекающее через живое сечение потока в единицу времени. Это количество можно измерить в единицах объема, в весовых единицах или в единицах массы. В связи с этим различают объемный Q, весовой и массовый расходы.

Для элементарной струйки, имеющей бесконечно малую площадь сечения, можно считать истинную скорость V одинаковой во всех точках каждого сечения. Следовательно, для этой струйки объемный весовой (Н/с) и массовый (кг/с) расходы определяются уравнениями

где S - площадь живого сечения струйки.

Для потока конечных размеров скорость V имеет различные значения в разных точках сечения, поэтому расход надо определять как сумму элементарных расходов струек, т.е.

Обычно в рассмотрение вводят среднюю по сечению скорость откуда

( 11.1 )

Из последнего выражения для расхода жидкости следует, что при постоянной площади проходного сечения приемного преобразователя расходомера объемный расход можно определять путем измерения средней скорости в этом сечении. Известно большое количество измерительных преобразователей различного принципа действия с рабочей характеристикой где y - выходной сигнал преобразователя расходомера. К ним относятся преобразователи переменного и постоянного перепада давления: тахометрические, электромагнитные, ультразвуковые, термометрические и др.

Скоростные расходомеры нашли широкое применение при исследованиях, их свойства хорошо изучены и подробно описаны в литературе.

Рассматривая более подробно расходомеры переменного перепада давления, можно видеть, что они представляют собой элементы, создающие в потоке сужение сечения, в котором благодаря повышению средней скорости часть потенциальной энергии потока переходит в кинетическую. В результате этого статическое давление в наименьшем сечении потока падает и по разности давлений в сечениях до и после сужения можно судить о средней скорости в наименьшем сечении потока, определяющей объемный расход.

Принципиально сужающее устройство может иметь любую форму, однако экспериментально установлено, что лишь некоторые формы обеспечивают необходимую точность измерения расхода. В настоящее время стандартизированы три типа сужающих устройств: диафрагма (шайба), сопла и сопло Вентурри, изготовление и применение которых в соответствии с определенными правилами позволяет отказаться от индивидуальной тарировки приборов.

Стандартные диафрагмы (шайбы) могут быть использованы в трубопроводах диаметром Геометрическая форма стандартной диафрагмы представлена на рис.14.

Рис.14. Конструкция стандартной диафрагмы

Проходное отверстие диаметром d имеет цилиндрическую форму с острой прямоугольной входной кромкой без заусенцев и зазубрин. Ширина цилиндрической части отверстия диафрагмы e должна лежать в пределах (0,005 - 0,02) D. Толщина диафрагмы Е не должна превышать 0,05 D.

Если то с выходной стороны цилиндрического отверстия выполняется коническая расточка. Измерение перепада давления осуществляется непосредственно у стенок диафрагмы с помощью отверстий (нижняя часть рисунка) равномерно распределенных по окружности, или сплошных кольцевых щелей (верхняя часть рисунка). Для выравнивания величины перепада давления используются кольцевые камеры, полости которых сообщаются с манометрическими трубками. Размеры отверстий щелей и сечения кольцевой камеры стандартизированы. Расчетная схема для определения расхода жидкости с помощью диафрагмы приведена на рис.15.

Рис.15. Расчетная схема диафрагмы

Диафрагма 1 установлена в трубопроводе 2. Диаметры трубопровода и внутреннего отверстия диафрагмы соответственно равны D = d = Перед диафрагмой и после нее установлены пьезометры 1 и 2. Возникающий перепад давления на диафрагме определенным образом связан с расходом. Для определения этой взаимосвязи будем считать, что в сечении 1-1 потока непосредственно перед сужением скорость потока равна давление и площадь сечения а в сечении 2-2, т.е. в узком сечении потока, соответственно Разность показаний пьезометров, присоединенных к указанным сечениям, Запишем для сечений 1-1 и 2-2 потока идеальной жидкости уравнение Д.Бернулли и уравнение расхода в предположении равномерности распределения скоростей по сечениям

Учитывая, что найдем из этой системы уравнений одну из скоростей, например,

тогда объемный расход жидкости будет равен

( 11.2 )

В общем случае, с учетом реальных свойств жидкости расход определяют в соответствии с уравнением:

( 11.3 )

где  - коэффициент расхода (для воды отношение действительного расхода к теоретическому равно  = 0,648), или иначе

,

где - величина постоянная для данного расходомера.

Зная величину С и наблюдая за показаниями пьезометров, можно найти расход в трубопроводе для любого момента времени, причем связь между и получается параболической.