Теплотехнические измерения и приборы лабораторный практикум. Учебное пособие

стороны меньших, так и со стороны больших значений (при прямом

иобратном ходе) по формуле

δ= P − Pэ 100%,

Pв − Pн

где Р – значения давления, измеренное поверяемым манометром, МПа; Рэ – эталонное значение давления, установленное по эта­ лонному средству измерений и измеренное калибратором-измери­ телем, МПа; Рв, Рн – верхний и нижний пределы измеренного и по­ веряемого манометра соответственно, МПа.

В ходе поверки заполняется табл. 10.2.

Таблица 10.2. Результаты измерений и расчетов

0

0,5

1,0

1,5

2,0

1,5

1,0

0,5

0

4.Перед поверкой при обратном ходе поверяемый манометр вы­ держать в течение 5 мин под воздействием верхнего предела значения давления. Плавное снижение давления осуществляется клапаном 7.

5.Наибольшее из рассчитанных значений основной приведенной погрешности не должно превышать допускаемого значения (δд =

=0,4%).

Оформление отчета

Отчет должен содержать следующие пункты.

1.Цель работы.

2.Краткий порядок проведения измерений.

3.Результаты измерений и расчеты (см. табл. 10.2).

4.Выводы.

71

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 11

Определение коэффициента расхода диафрагмы

Цель: определить коэффициент расхода диафрагмы.

Общие сведения

При измерении количества жидкости, газа или пара могут ста­ виться две задачи:

•  определение количества вещества, прошедшего через изме­ рительный участок за промежуток времени (смену, сутки), в этом случае измерительные приборы называются счетчиками количества;

•  определение количества вещества, прошедшего через измери­ тельный участок в единицу времени (секунда, час), в таком случае измерительные приборы называются расходомерами.

Счетчики количества бывают двух разновидностей: скоростные, определяющее количество по числу оборотов ротора, и объемные, определяющие количество вещества по числу объемов (порций, доз).

В промышленных и лабораторных условиях чаще всего ставится задача измерения количества вещества, проходящего в единицу времени через трубопровод, т.е. задача измерения расхода. Расход, измеренный в единицах массы (кг/с, т/ч), называют массовым расходом, а в единицах объема (м3/с, м3/ч) – объемным.

Широко распространены расходомеры переменного перепада давления, поскольку они могут быть использованы для измерения расхода любых однофазных сред в трубопроводах любого диаметра, температуры и давления измеряемой среды и могут иметь практи­ чески любые значения. Но при этом должны быть строго соблюде­ ны следующие условия:

•  измеряемая среда заполняет все сечение трубопровода до и после сужающего устройства;

•  поток среды в трубопроводе должен быть установившийся; •  фазное состояние среды неизменно; •  измеряемая среда однофазна.

Метод измерения расхода по переменному перепаду давления основан на том, что в трубопроводе, по которому протекает жидкая или газообразная среда, устанавливают устройство (диафрагму, соп­ ло, сопло Вентури (рис. 11.1)), создающее местное сужение потока, вследствие чего скорость потока увеличивается, а часть потенциаль­ ной энергии вещества преобразуется в кинетическую. Это приводит к увеличению скорости потока и уменьшению статического давле­

72

Рис. 11.1. Разновидности сужающих устройств (а–г)

ния в суженном сечении. Разность давлений до и после сужающего устройства зависит от расхода и может служить мерой расхода.

На рис. 11.2 показана схема установки в трубопроводе диафраг­ мы, а также изображение характера потока, дано распределение статического давления Р по длине струи L. Сжатие потока начи­ нается перед диафрагмой и благодаря действию сил инерции до­ стигает наибольшей величины на некотором расстоянии за ней, после чего струя вновь расширяется до полного сечения трубопро­ вода. Перед диафрагмой и за ней в углах образуются зоны с вихре­ вым движением, причем зона вихрей после диафрагмы более зна­ чительна, чем до нее. Давление струи около стенки трубопровода (сплошная линия) несколько возрастает за счет подпора перед диа­ фрагмой и понижается до минимума за диафрагмой в точке наи­ большего сужения струи, где сечение потока меньше, чем отвер­ стие диафрагмы.

Далее по мере расширения струи давление около стенки снова повышается, но не достигает прежнего значения на величину δР ввиду наличия безвозвратных потерь на завихрения, трение, удар.

Основными уравнениями для вывода уравнения расхода являются: •  уравнение неразрывности струи:

73

где F1 и F2 – площади наибольшего и наименьшего сечений потока соответственно, м2; v1 и v2 – средние скорости потока в сечениях F1

и F2, м/с;

•  закон сохранения энергии Бернулли:

где Р1 и Р2 – абсолютные статические давления жидкости в сечени­ ях F1 и F2; ρ1 и ρ2 – плотности жидкости в этих сечениях, кг/м3.

Путем математических преобразований получают следующие вы­ ражения:

•  для объемного расхода вещества (м3/с):

•  для массового расхода (кг/с):

74

где α – коэффициент расхода, который зависит от типа сужающего устройства, числа Рейнольдса, отношения m = d2 / D2, остроты входной кромки диафрагмы и шероховатости стенок трубопровода; ε – коэффициент объемного расширения (для жидкости равен 1 ввиду ее несжимаемости); d – диаметр отверстия сужающего устройства, м.

Расходомер переменного перепада давления состоит из сужаю­ щего устройства, дифференциального манометра, предназначенно­ го для измерения разности статического давления, и вторичного при­ бора, который отградуирован в единицах расхода.

Для измерения расхода среды распространены три вида нор­ мализованных сужающих устройства: диафрагма, сопло и сопло Вентури (см. рис. 11.1). По способу отбора давления к дифмано­ метру диафрагмы и сопла делятся на камерные и бескамерные. Более совершенными из них являются камерные устройства. Кольцевая камера перед диском называется плюсовой, а за ним – минусовой. Наличие у сужающего устройства кольцевых камер позволяет усреднить давление по окружности трубопровода, что обеспечивает более точное измерение перепада давления. Для из­ мерения расхода в трубопроводах малого сечения (d < 50 мм) и расхода вязких жидкостей применяют двойные диафрагмы, т.е. перед основной диафрагмой диаметром d на определенном рас­ стоянии L, равном (0,3–0,5)D, устанавливается диафрагма диаме­ тром d’. При размещении сужающих устройств необходимо соблю­ дать ряд условий, невыполнение которых может привести к недо­ пустимым погрешностям измерений. Измерительный участок трубопровода должен быть прямым с круглым сечением. На вну­ тренней поверхности этого участка трубопровода не должно быть выступов, наростов, неровностей и т.п. Длина прямого участка трубопровода перед сужающим устройством должна быть не менее 10D, после него – (4–8)D.

Схема лабораторной установки

Схема установки для изучения способа измерения расхода воды с помощью расходометров по переменному перепаду давлений при­ ведена на рис. 11.3. Вода из сети по трубопроводу подается в бак, ко­ торый является объектом регулирования уровня. На нисходящем трубопроводе установлены запорный (регулирующий) клапан и диа­ фрагма. Из бака вода самотеком сливается в резервуар, в мерный бак через клапан. Диафрагма присоединена к дифманометру показыва­ ющему. Для поддержания постоянного уровня в баке используется сливной трубопровод.

75

2

A – A

P1 P2

Рис. 11.3. Схема лабораторной установки:

1 – подводящий трубопровод; 2 – бак; 3 – нисходящий трубопровод; 4 – диафрагма; 5 – запор­ ный клапан; 6 – мерный бак; 7 – резервуар; 8 – сливной трубопровод; 9 – дифференциальный манометр показывающий; 10 – блок питания; d1 – диаметр отверстия

Порядок выполнения работы. Обработка полученных результатов

1.Подать воду по трубопроводу 1 в бак 2.

2.При установившемся режиме слива воды из трубопровода 8

открыть кран 5. Одновременно замерить объемный расход воды Qоб через сливную трубку 3 с помощью мерного бака 6 и секундоме­ ра (м3/с), а также перепад давления на диафрагме 4.

3.По известным Qоб, Р, d, используя формулу (11.3), определить коэффициент расхода α диафрагмы (средний).

4.Сделать три опыта.

5.Сравнить полученное значение с действительным значением (определять по графику).

6.Результаты измерений и расчетов занести в табл. 11.1. Действительный при данном модуле коэффициент расхода диа­

фрагмы определяется по рис. 11.4–11.7 как ад = аи кш кн, где аи – коэффициент расхода стандартных диафрагм в зависимости от мо­ дуля m.

76

Таблица 11.1. Результаты измерений и расчетов

1 19,6

219,6

319,6

Пр и м е ч а н и е. Диаметр трубопровода D = 50 мм, диаметр отверстия диафрагмы d = 28,2 мм, модуль диафрагмы m = d 2 / D2 = 0,318, плотность воды ρ = 1000 кг/м3.

m

0,58

Рис. 11.4. Исходный коэффициент расхода стандартных диафрагм в зависимости от m

77

Рис. 11.5. Поправочный множитель на шероховатость трубопровода для диафрагм

кн

Рис. 11.6. Поправочный множитель на неостроту входной кромки диафрагмы

78

Рис. 11.7. Поправочный множитель для диафрагм:

Re – число Рейнольдса

Оформление отчета

Отчет должен содержать следующие пункты.

1.Цель работы.

2.Краткий порядок проведения измерений.

3.Результаты измерений и расчетов (см. табл. 11.1).

4.Выводы.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 12

Изучение принципа действия, устройства и поверки электромагнитного расходомера

Цель: изучить принцип действия, устройства и поверки электро­ магнитного расходомера.

Общие сведения

Принцип действия электромагнитных расходомеров основан на законе электромагнитной индукции, в соответствии с кото­ рым в электропроводной жидкости, пересекающей магнитное поле, индуцируется электродвижущая сила, пропорциональная

79

скорости движения жидкости. Обычно электромагнитные расхо­ домеры предназначены для измерения расхода жидкости с элек­ тропроводностью не менее 10–3 см/м, что соответствует электро­ проводимости водопроводной воды.

Принципиальная схема первичного преобразователя электромаг­ нитного расходомера с постоянным магнитным полем приведена на рис. 12.1.

4

S

Рис. 12.1. Принципиальная схема первичного преобразователя электромагнитного расходомера с постоянным магнитным полем (а, б):

1 – преобразователь; 2 – электрическая изоляция; 3 – электроды; 4 – постоянные магниты; 5 – фланцевые соединения; ИП – измерительный прибор; S, N – полюсы магнита; v – скорость потока; D – внутренний диаметр

Рабочий участок преобразователя изготавливается из немагнит­ ного материала и покрывается изнутри изоляцией (резина, эмаль, фторопласт). Через стенку преобразователя изолированно от него по диаметру введены электроды, находящиеся в электрическом контак­ те с жидкостью. Силовые линии магнитного поля направлены пер­ пендикулярно плоскости, проходящей через ось трубы и линию электродов. В соответствии с законом электромагнитной индукции в проводящей жидкости между электродами будет наводиться ЭДС:

где B – индукция магнитного поля; v – средняя скорость жидкости; D – диаметр канала преобразователя.

80