Калинина В.С., Наумченко И.С.,Смирных А.А. Лабораторный практикум по гидравлике и гидравлическим машинам
Подождите немного. Документ загружается.
элементов, применяемых в приборах для измерения
давления, последние делятся на пружинные (или
трубчатые), мембранные и сильфонные.
Механические приборы имеют ряд преимуществ
перед остальными: простота устройства и использования,
портативность, универсальность и, что пожалуй самое
важное, практически неограниченный диапазон измерения,
начиная от несколько десятком миллиметров до тысяч ат
мосфер.
Чаще всего используются пружинные приборы
(рис.1.3). Основной деталью пружинных приборов
является согнутая по дуге окружности полая трубка. Один
конец трубки сообщается с измеряемым давлением, а
второй запаян. Манометр имеет внизу ниппель с резьбой
для подключения прибора к пространству, в котором
измеряется давление.
Свободный запаянный конец трубки шарнирно
соединен с поводком, который, в свою очередь, шарнирно
связан с сектором, находящемся в зубчатом зацеплении с
12
Рис.1.3. Пружинный манометр
маленькой шестеренкой (трибкой). На ось трибки
насажена стрелка, которая указательным концом подходит
к шкале, нанесенной на циферблате. Если манометр
присоединить к полости с избыточным давлением, то силы
давления в трубке несколько распрямляют ее, свободный
конец трубки при этом перемещается, поводок
поворачивает зубчатый сектор и находящуюся с ним в
зацеплении стрелку. По положению стрелки на шкале
судят о величине измеряемого давления. Перемещение
конца трубки в некоторых пределах линейно зависит от
созданного в ней давления, поэтому шкала манометра
обычно равномерная.
Измерение скорости в потоках
Измерение скорости во многих исследованиях
является важнейшей задачей, поэтому создано большое
число основанных на различных методах приборов для
измерения скорости.
Рассмотрим кратко метод, наиболее часто
используемый для измерения скорости.
Г и д р о м е х а н и ч е с к и й м е т о д . Суть его
заключается в вычислении некоторой разности давлений в
определенных точках на поверхности вносимых в поток
приборов.
Измерение скорости при помощи скоростной трубки
основано на измерении давления в точке полного
торможения потока, которое зависит от скорости.
Конструктивные исполнения скоростных трубок могут
быть весьма различными.
13
Наиболее часто употребляются трубки, позволяющие
измерить разность между полным и статическим
давлением в определенной точке потока. Полное давление
измеряется при помощи трубки Пито.
Трубка Пито (рис.1.4) представляет собой согнутую
под прямым углом трубку, обращенную своим открытым
концом навстречу потоку. Скорость перед трубкой (в
точке@А) равна нулю. Полное давление у переднего
открытого конца ее
2gρg
р
ρg
р
2
00а
, (1.2)
где P
0
и
0
– давление и скорость невозмущенного потока
на некотором расстоянии перед точкой А.
Зная статическое давление (измерение его можно
произвести простым пьезометром), можем определить
скорость
14
Рис.1.4. Трубка Пито
À
D
h
Ð
à ò
h2gΔ
ρg
)р(р
2g
0а
0
. (1.3)
Трубка полного напора и статическая трубка,
конструктивно объединенные в одном приборе,
представляют собой гидродинамическую трубку или
трубку Пито-Прандтля@(рис.1.5).
Измерив перепад между уровнями в динамической и
статической трубках, находим скорость
h2gΔ
, (1.4)
где - коэффициент, учитывающий, что полного
торможения жидкости около трубки Пито не происходит,
а, следовательно, не вся ее кинетическая энергия
расходуется на создание динамического давления.
Коэффициент определяется с помощью
специальных тарировочных опытов, обычно = 1,01 –
1,05.
15
Способы измерения расхода
Самыми простыми и точными способами измерения
расхода жидкости, которыми обычно пользуются при
тарировке приборов, измеряющих расход, являются
объемный и весовой способы.
При о б ъ е м н о м с п о с о б е жидкость из
трубопровода жидкость из трубопровода поступает в
тщательно тарированный резервуар (мерник), при этом
фиксируется время его наполнения.
Объемный расход равен объему резервуара W,
деленному на время его наполнения
τ
W
Q
. (1.5)
При в е с о в о м с п о с о б е определения расхода
определяется вес жидкости, натекающей в резервуар за
некоторое время. Количество жидкости, натекающей за
единицу времени, есть весовой расход. Объемный расход
можно получить, разделив величину весового расхода на
удельный вес жидкости.
16
Рис.1.5. Трубка Пито-Прандтля
d
d
0 , 3 d
0 , 1 d
8 - 1 0
d
3 d
p
o
p
o
+
(
d
0
=
d
2
d
1
Рис.1.6. Сопло
Р а с х о д о м е р а м и п е р е м е н н о г о п е р е п а д а
давления называются приборы, основанные на измерении
перепада давления, создаваемого в зависимости от расхода
жидкости или газа сужающим устройством, напорными
трубками, напорным усилителем или трубным
сопротивлением.
Из сужающих устройств обычно применяются сопла
(рис.1.6), трубы Вентури (рис.1.7) и наиболее часто
мерные диафрагмы (рис.1.8).
Практически перепад давления измеряют
непосредственно у торцов сужающего устройства, при
этом расход выражают в виде
h2gΔμSQ
0
(1.6)
где h – перепад давления, созданный суживающим
устройством;
- коэффициент расхода, зависящий от
геометрии устройства и режима течения и не зависящий от
рода жидкости.
Р а с х о д о м е р ы о б т е к а н и я представляют собой
приборы, состоящие из тела (поплавка, диска, поршня или
крыла), которое воспринимает динамическое давление
обтекающего его потока и перемещается в зависимости от
величины расхода.
Наиболее употребительным
прибором этого класса является
ротаметр, состоящий обычно из
стеклянной конической трубки,
внутри которой перемещается
поплавок. В зависимости от
величины скорости меняется
17
18
d
1
d
1
d
0
= d
2
h
Рис.1.7. Трубка Вентури
h
Рис.1.8. Мерная диафрагма
динамическое давление, действующее на поплавок. Высота
подъема поплавка определяется равенством веса поплавка
силам, действующим на него со стороны потока жидкости.
Все описанные выше устройства для измерения
расхода относятся к контактным расходомерам, т.е. таким,
которые создают препятствия движущемуся потоку
жидкости.
В настоящее время все большее развитие получает
бесконтактная расходометрия. Примером такого рода
устройств могут служить индукционные расходомеры,
являющиеся разновидностью электрических расходомеров.
2. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
Лабораторная работа № 1
ОТНОСИТЕЛЬНЫЙ ПОКОЙ ЖИДКОСТИ В
РАВНОМЕРНО ВРАЩАЮЩЕМСЯ ВОКРУГ
ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСИ
ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ СОСУДЕ
Ц е л ь р а б о т ы – экспериментально определить
высоту параболоида свободной поверхности жидкости в
равномерно вращающемся вокруг вертикальной оси
цилиндрическом сосуде и сопоставить результаты
измерений с теоретическими расчетами.
Т е о р е т и ч е с к а я ч а с т ь . В состоянии
относительного покоя форма объема жидкости не
изменяется и она, подобно твердому телу, перемещается
как единое целое. Так жидкость находится в
относительном покое внутри вращающегося с постоянной
угловой скоростью барабана центрифуги. Состояние
равновесия жидкости, находящейся в относительном покое
19
в равномерно вращающемся сосуде (рис.2.1), описывается
уравнением
2
rρn
ρgzрр
22
ат
, (2.1)
где р – гидростатическое давление в рассматриваемой
точке жидкости, Па;
- плотность жидкости, кг/м
3
;
n-@частота вращения, с
-1
; g – ускорение свободного
падения, м/с
2
; r – радиус вращения.
Уравнение формы свободной поверхности жидкости в
равномерно вращающемся сосуде
20
Рис.2.1. Вращательное движение
относительно вертикальной оси
z
0
h
0
h
m a x
h
ï à ð
x
- g
F
w
2
r
x
y
z
0
w
= c o n s t
x
y
w
2
r
w
2
x
w
2
y
x
2g
rn
Δhzz
22
0
, (2.2)
где z – координата любой точки, лежащей на свободной
поверхности на расстоянии r от оси вращения, м; z
0
–
вертикальная координата вершины параболоидов
свободной поверхности, м.
Выражение (2.2) – это уравнение параболоида
вращения. Из уравнения (2.2) видно, что форма свободной
поверхности жидкости в равномерно вращающемся сосуде
не зависит от рода налитой в сосуд жидкости. Уравнение
(2.1) показывает, что при большой угловой скорости
можно получить весьма значительную силу давления на
стенку. Это используется в некоторых фрикционных
муфтах, где для осуществления сцепления двух валов
требуется создание больших сил нормального давления.
Этот способ применяется для определения осевого
давления жидкости на рабочие колеса центробежных
насосов, а также на крышки центрифуг и сепараторов. В
цилиндрический сосуд из органического стекла@3 (рис.2.2)
диаметром 150 мм залита подкрашенная
жидкость. Сосуд закреплен в обойме 4 и вращается вокруг
вертикальной оси с постоянной угловой скоростью при
помощи ременной передачи от шкива электродвигателя
постоянного тока 5.
Над сосудом неподвижно зафиксирована крышка 2 В
корпусе 1 расположен выпрямитель с реостатом 6,
используемый для изменения чисел оборотов цилиндра.
Число оборотов измеряется тахометром электрического
типа (датчик 10, измеритель 9). На приборную панель
выведены измеритель 9 электрического типа, тумблер
включения установки 8, ручка 7 выпрямителя с реостатом
6.
21