3.2. Механические приборы

Механические приборы имеют очень большой диапазон измерения осредненного по времени давления: 10²...10⁹ Па. Они портативны, универсальны, просты. Давление вызывает деформацию их упругого элемента (пружины, мембраны), которая по закону Гука - пропорциональна давлению. На этом основан принцип действия механического манометра, вакуумметра, мановакуумметра.

Основным недостатком этих приборов является нестабильность показаний, вызываемая рядом причин: постепенным изменением упругих свойств деформируемого элемента; износом передаточного механизма. Необходимо периодически проверять приборы, чтобы подтвердить класс точности или определить поправку.

Схема манометра с трубчатой пружиной (См приложение В) показана на рис. 3.5. Изогнутая полая трубка 2 с одного конца запаяна, а через другой внутрь нее передается измеряемое давление, под действием которого сечение трубки деформируется и возникает момент, разгибающий ее. Соответственно перемещается и стрелка 1, связанная с трубкой передаточным механизмом. Угол поворота стрелки I пропорционален величине давления. Шкалу на циферблате градуируют равномерно. Корпус манометра изготовляют из стали или пластмассы.

3.3. Электрические приборы

Электрические преобразователи давления позволяют измерять очень малые и большие величины давления, а также его пульсации. Относительная погрешность не превышает обычно 2%. Приборы сконструированы таким образом, что от изменения давления зависит электрическое сопротивление проводников.

Электрический проволочный датчик давления представляет собой тонкую проволоку диаметром 0,025 - 0,03мм, изготовленную из сплава с высоким электрическим сопротивлением. Проволока помещена между двумя слоями изоляционной пленки.

Упругая деформация чувствительного элемента преобразуется в электрический сигнал, который регистрируется специальными приборами или с помощью преобразователя подается на ЭВМ для обработки результатов. Датчики имеют малые размеры и массу. Их закрепляют в местах, где необходимо измерить давление (рис. 3.6.). Цилиндрический корпус I крепится к стенке 3 так, чтобы тонкая пластина 2 была заподлицо со смоченной, поверхностью. Контакты тензорезистора 4 включают в мост Уинстона (рис. 3.7). Регулируемое сопротивление R₁ служит для балансировки моста. Когда датчик не нагружен, должно соблюдаться условие R₁/ R₄ = R₂/ R₃. В этом случае на выходе моста напряжение U=0. При воздействии давления на датчик его сопротивляемость меняется, возникает разбаланс моста, а значит и напряжение, пропорциональное давлению.

Тарированием датчика, то есть сравнением с показаниями образцового прибора, предварительно определяют коэффициент пропорциональности. Через усилитель 2 сигнал поступает на осциллограф 3.

4. Приборы для измерения скорости потока жидкости

Для измерения местных скоростей потоков жидкости в гидравлических лабораториях применяют микровертушки, скоростные трубки, термоанемометры, электрические датчики, лазеры и др. По данным измерений, полученным по всему живому сечению потока, может быть вычислен его расход. Значения местных скоростей необходимо знать при определении характеристик силового воздействия потока на различного рода элементы конструкций трубопроводов и каналов, соприкасающихся с потоком, в частности, при определении возможности возникновения кавитационных явлений и т. д.

Необходимость измерения скорости на малом участке пространства обуславливает следующие требования к приборам: возможно малые размеры и форму, обеспечивающую отсутствие существенных нарушений поля скоростей вблизи прибора; чувствительность при измерении небольших значений скоростей; малую инерционность при определении характеристик турбулентности потока.

Микровертушка (См приложение Б) представляет собой миниатюрное лопастное колесо 1, приводимое в движение потоком (рис. 4.1). Скорость вращения колеса пропорциональна местной мгновенной скорости движущейся жидкости. На оси колеса укреплена металлическая пластинка 2, при вращении она периодически замыкает контакты 3, на которые подается постоянное напряжение. Возникающий при этом импульс через фильтр (два конденсатора и сопротивление) поступает на частотомер 4, который фиксирует частоту n₁ вращения колеса.

Тарировкой вертушки определяют коэффициент пропорциональности k [5]. При этом местную скорость потока находят по формуле:

, м/с (4.1)

или по тарировочной кривой .

На реках с глубинами до 3 м вертушку опускают в воду на штанге; при больших глубинах - на тросе с помощью гидрометрической лебедки. Для того, чтобы вертушку не сносило течением, к ней снизу подвешивается груз рыбовидной формы.

Скоростные трубки измеряют разность давлений в определенных точках. Принцип действия рассмотрим на примере простой схемы (рис. 4.2)

Правая изогнутая трубка установлена в мерной точке и направлена навстречу потоку (трубка Пито). Жидкость поднимается в ней на высоту, соответствующую гидродинамическому напору. Левая трубка представляет собой пьезометр, с помощью которого можно измерить пьезометрический напор.

Горизонт воды в трубке Пито устанавливается выше горизонта воды в пьезометре на величину

, м (4.2)

Измерив , находим скорость и в рассматриваемой точке:

, м/с (4.3)

Полученная формула (4.3) дает обычно некоторую погрешность. Практически ее переписывают в виде

, м/с (4.4)

где - поправочный коэффициент, который находится для трубки Пито путем тарирования [6,8].

Существует несколько модификаций скоростных трубок. Обычно в одном хорошо обтекаемом корпусе комбинируют обе трубки - гидродинамического и пьезометрического напоров (рис. 4.3). Носик цилиндрического корпуса может быть полусферическим, коническим. Через приемное отверстие 1 жидкость попадает в одну из трубок, а через отверстие 2 - в другую. Трубки с помощью резиновых шлангов соединяются с манометром 3, снабженным визиром и шкалой с нониусом, что позволяет отсчитывать уровень в стеклянных трубках с точностью до 0,1 мм. Размеры и качество приемных отверстий влияют на значение поправочного коэффициента .

Скоростные трубки не используют для измерения скоростей, меньших 0,5м/с, так как невозможно измерить малые значения . Трубка должна быть установлена в потоке так, чтобы плоскость приемного отверстия 1 в носике была нормальна направлению скорости, при этом разность уровней для данной точки будет наибольшей. Чтобы определить не только значение, но и направление скорости, применяют трубки специальной конструкции, например, шаровые.

Термоанемометры измеряют скорость по количеству тепла, которое теряет нагретое тело, обтекаемое потоком (рис. 4.4). Небольшую проволоку 1 из инертного металла (вольфрам, никель, платина) припаивают к электродам 2, подсоединенным к электрической измерительной схеме (с постоянной силой тока или с постоянным сопротивлением), нагревают электрическим током и помещают в поток, в зависимости от скорости которого меняется электрическое сопротивление проволоки.

Тарировкой устанавливают соотношение между электрическими характеристиками и скоростью потока. Термоанемометры имеют милые размеры, обладают большой чувствительностью и малой инерционностью. Основным недостатком их является круп кость, а также нестабильность результатов и из-за изменения свойств нагреваемого материала.

Электрические датчики для измерения скорости работают аналогично датчикам, описанным в п. 3.3, схема показана на рис. 4.5. В зависимости от скорости поток оказывает определенное воздействие на приемный элемент 1, представляющий собой металлический шарик или пластинку. В результате передачи усилия через шток 2 изгибается упругая пластинка 3, соединенная с тензорезистором 4. Тензорезистор, подключенный в мост Уинстона, меняет свое сопротивление в зависимости от деформации пластинки. По напряжению на выходе моста можно определить мгновенную местную скорость. Датчик предварительно тарируется.

Лазерные приборы используют для измерения скоростей оптическим методом. Луч лазера расщепляется на два параллельных пучка, которые фокусируются линзой в исследуемую точку потока. Взаимодействие двух лучей, имеющих одинаковую длину световой волны и фазу, приводит к образованию интерференционной картины чередование темных и светлых полос. Частота пересекающих полосы мельчайших включений турбулентного потока прямо пропорциональна скорости. Специальное устройство преобразует пульсацию яркости в пульсацию электрического тока. После спектрального анализа напряжения на бумаге записывается распределение вероятности частоты, по которому несложно определить осредненную по времени скорость и среднеквадратичное отклонение.

Поверхностные поплавки применяют для измерения скоростей и направлений течений на поверхности; для этого регистрируют время прохождения ими участков известной длины. Поплавки используют только в безветренную погоду; они представляют собой небольшие деревянные кружки, отпиленные от сухого бревна, или две врубленные крест-накрест доски, поставленные на ребро, с прикрепленным снизу грузом и снабженные флажком (для широких рек). Наземные способы фиксации положения поплавков часто дополняют фотосъемкой с самолетов или вертолетов. В качестве поплавков при этом могут быть использованы масляные пятна.

Поверхностные поплавки применяют, как правило, при прохождении на реках половодий, когда трудно использовать другие способы измерения скоростей или же когда отсутствует оборудование, а также в условиях недостатка времени.

5. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ЖИДКОСТИ

Расход жидкости определяют объемными способами или с помощью расходомеров. Расходомеры измеряют параметры потока, которые дают информацию о расходе: перепад давления, уровень жидкости, скорость потока, развиваемое усилие и др.

5.1. Объемный способ измерения расхода

Этот метод прост и точен, но его применение ограничено технически возможным объемом мерных сосудов, необходимостью выхода потока в атмосферу. Объемный способ используется для тарирования других приборов и устройств, предназначенных для измерения расхода, и основан на измерении объема жидкости, протекающей через живое сечение потока за некоторый промежуток времени. Секундомером фиксируют время t наполнения мерного сосуда объемом W и вычисляют расход Q по формуле:

, м³/с (5.1)

5.2. Расходомеры в напорных трубах

Чаше всего применяют расходомеры переменного перепада давления, для создания которого устанавливаются местные сопротивления: диафрагмы, сопла, трубы Вентури. В основу их действия положена зависимость перепада давления, создаваемого неподвижным устройством, от расхода.

Диафрагма создает в потоке сужение, увеличивает скорость, а значит, уменьшает пьезометрическое давление (рис. 5.1). Перепад давления до и после диафрагмы измеряется с помощью дифференциального манометра.

Пусть в трубе перед диафрагмой средняя скорость V, избыточное давление р, а в сжатом сечении за диафрагмой скорость v_c, давление р_с. Составляем уравнение Бернулли для этих сечений:

(5.2)

(5.3)

Левая часть уравнения (5.3) представляет собой разность h уровней в пьезометрах. Пренебрегаем пока потерями напора и принимаем при равномерном распределении скоростей в сечении потока коэффициент кинетической энергии .

Из уравнения неразрывности выражаем , подставляем в уравнение (5.3).

Обозначим , тогда

, м³/с (5.4)

Уравнение (5.4) справедливо и для сопла (рис. 5.2), и для трубы Вентури (рис. 5.3).

Чтобы учесть гидравлические сопротивления, неравномерность распределения скоростей, условия подхода жидкости и некоторые конструктивные особенности, в уравнение (5.4) вводят коэффициент расхода :

, м³/с (5.5)

Несмотря на простоту конструкции, применение диафрагм ограничивается из-за того, что они вызывают значительные потери напора. Кроме того, кромка отверстия со временем меняет форму, что влияет на точность измерений. Создание сужающих устройств в виде сопла и трубы Вентури вызвано необходимостью получать высокую точность измерения и малые потери напора.

При стандартных значениях диаметров d₁ и d₂ значение А будет постоянным для данного расходомера и его можно заранее определить. Значение коэффициента устанавливают опытным путем с учетом влияния числа Рейнольдса. Чтобы избежать искажения потока из-за близко расположенных фасонных частей трубопровода, перед сужающими устройствами и за ними предусматривают прямолинейные участки, длину которых определяют в зависимости от типа расходомерного прибора и фасонных частей по специальным графикам.

К расходомерам постоянного перепада давления относят ротаметр (См приложение Д) (рис. 5.4). В градуированной конической трубке 2 в зависимости от расхода перемещается поплавок 1, меняя площадь кольцевого зазора так, чтобы перепад давления по обе его стороны был постоянным. Благодаря спиральной нарезке поплавок вращается, оставаясь на оси потока. Характер связи между расходом и положением поплавка в конической трубке зависит от его формы и веса, вязкости жидкости, угла конусности трубки и обычно устанавливается путем индивидуального тарирования ротаметров. Перемещение поплавка может быть преобразовано в электрический сигнал. Точность показаний прибора обуславливается изменениями физических свойств жидкости и точностью градуировки, погрешность обычно не превышает 6%.

Расход жидкости также можно определить тахометрическим способом, основанном на использовании зависимости частоты вращения турбинки (крыльчатки), установленной в трубопроводе, от расхода жидкости. Число оборотов учитывает счетный механизм, при этом регистрация расхода может быть механической и электрической. Например, калибры турбинных расходомеров 4 - 200 мм, диапазон измеряемых расходов 4 - 350 л/с, класс точности 0,5 - 3.

К расходомерам, в основу действия которых положена зависимость между расходом и характеристиками физических явлений, относят, например, тепловые и электромагнитные.

Приборы, с помощью которых измеряют определенную долю расхода жидкости в ответвлении от трубопровода, называют парциальными расходомерами (рис. 5.5). Обводную трубу со счетчиком жидкости 2 обычно устанавливают вокруг сужающего устройства 1 или местного сопротивления. Это позволяет применять для труб больших диаметров малогабаритные и более легкие в эксплуатации счетчики, хотя точность измерения у них меньше, чем у других приборов.