3.6. Лабораторная работа: тарировка расходной

ШАЙБЫ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - изучение устройств для определения расходов жидкостей и газов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ - тарировка расходной шайбы и практическое освоение измерения расхода жидкости.

3.6.1. 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 ( 3.34 )

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.33.

Рис.33. 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.34.

Рис.34. Расчетная схема диафрагмы

Диафрагма 1 установлена в трубопроводе 2. Диаметры трубопровода и 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:

( 3.35 )

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

( 3.36 )

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.

3.6.2. Методика выполнения эксперимента.

Лабораторная работа выполняется на приборе Д. Бернулли, схема (рис.19) и описание которого приведены в разделе 3.2.2. При выполнении лабораторной работы используется экспериментально-теоретический метод с графическим представлением результатов. Измерение расхода жидкости осуществляется двумя способами: путем измерения времени наполнения  мерного бака известного объема (V = 3л) и с помощью диафрагмы, для которой определяют коэффициент расхода, устанавливающий взаимосвязь расхода с показаниями перепада давлений в пьезометрах.

3.6.3. Порядок выполнения работы на экспериментальной установке.

1. Подсоединить исследуемый участок АВ трубопровода, перекрыв краны III, IV, V, VI и открыв краны VII и VIII.

2. При закрытом вентиле II включить насос, а затем, постепенно открывая вентиль II, установить в трубопроводе произвольный постоянный расход воды.

3. Краном VIII обеспечить максимум перепада давлений на пьезометрах 10 и 11.

4. Записать показания пьезометров 10 и 11.

5. Измерить время  наполнения мерного бака (V = 3л).

6. Зафиксировать высоты Н поплавков в ротаметрах X и Y.

7. Перекрывая кран VIII добиться, чтобы разность показаний пьезометров и изменилась на 10-15 см и повторить работы по п.п. 4, 5 и 6. Количество замеров при этом должно быть не менее пяти.

8. Отключить насос.

9. Определить расход воды в исследуемом участке трубопровода, пользуясь объемным методом (Q = V /  , где V - объем мерного бака,  - время его наполнения), а также по показаниям ротаметров X, Y и тарировочному графику.

10. Построить тарировочную кривую для диафрагмы, а также зависимости для расходов, полученных объемным способом и при помощи ротаметров X и Y.

3.6.4. Порядок выполнения лабораторной работы на ПЭВМ.

1. Выполнить работы по п.п. 1-5 раздела 1.1.4.

2. Нажатием клавиши Tab переместить курсор в меню файлов Q BASIC и при помощи клавиши ↓ установить его на разделе Л.р.6.bas.

3. Нажимая клавишу ENTER войти в файл программы Л.р.6.bas.

4. Для запуска программы Л.р.6.bas одновременно нажмите клавиши Shift и F5. На экране монитора откроется окно, содержащее информацию в соответствии с рис.35.

Рис.35. Содержание первого окна программы Л.р.6.bas.

5. На место мигающего курсора за знаком ? с помощью клавиатуры введите положение вентиля В VIII (1-7) и нажмите клавишу ENTER.

6. После нажатия клавиши ENTER откроется второе окно программмы Л.р.6.bas (рис.36), в котором можно наблюдать динамику протекания лабораторного процесса, по окончании которого появится команда «нажмите клавишу пробел».

Рис.36. Содержание второго окна программы Л.р.6.bas.

7. После нажатия клавиши «пробел», откроется окно (рис.37) программы, в котором появятся результаты измерений физических величин, фиксируемые в соответствующих графах табл.9 отчета по лабораторной работе.

Рис.37. Содержание третьего окна программы Л.р.6.bas

8. По окончании проведения исследований выполните работы в соответствии с требованиями п.п. 9 – 12 раздела 3.3.4.

3.6.5. Содержание отчета и его форма.

Отчет по работе должен содержать основные сведения и формулы, необходимые для выполнения данной работы, расчетную схему диафрагмы (см. рис.34), а также графики и . Результаты замеров и вычислений вносят в отчет в виде табл.9.

Таблица 9

Результаты замеров и вычислений

№ п/п	Параметры	Ед. изм			Опыты
			1		2	3	4	5
1.	Показания пьезометров:	см
2.	Разность показаний пьезометров,	см
3.	Время наполнения мерного бака, 	с
4.	Расход, определяемый объемным способом, Q = V / 
5.	Показания ротаметров: X Y
6.	Расход, определяемый по ротаметрам (тарировочный график)
7.	Расход, определяемый по диафрагме,