Лабораторна робота - Вимірювання витрати повітря методом змінного перепаду тиску

Міністерство освіти України

Державний університет “Львівська політехніка”

Вимірювання витрати повітря методом змінного перепаду

тиску

Інструкція

до лабораторної роботи № 05

з курсу ”Контроль та керування технологічними процесами”

для студентів технологічних спеціальностей

Затверджено

на засіданні кафедри

“Автоматизація теплових та

хемічних процесів”

Протокол № 1 від 29. 08.2005 р.

Львів 2005

Мета роботи: практичне ознайомлення з основним методом вимірювання

витрати, конструктивними особливостями приладів.

Необхідна підготовка: знання одиниць та методів вимірювання витрати.

Основні відомості

Витратою називаємо зміну кількості (маси, об’єму) речовини, яка

проходить через переріз трубопроводу за одиницю часу. Витрата вимірюється в

масових (кг/c, кг/год) або об’ємних (м

3

/c, м

3

/год) одиницях.

Прилади для вимірювання миттєвого значення витрати називають витрато-

мірами. Для визначення кількості речовини, яка проходить за певний проміжок

часу, використовують інтегратори або лічильники.

Найбільш поширені витратоміри:

- змінного перепаду тиску, які вимірюють витрату за зміною тиску на

стандартному пристрої звуження потоку;

- постійного перепаду тиску, які вимірюють витрату за переміщенням чут-

ливого елемента, що сприймає динамічний напір контрольованого потоку;

- електромагнітні (індукційні), які вимірюють витрату за електрорушійною

силою, індукованою струмопровідною рідиною, що перетинає магнітне поле;

- швидкісного напору, які вимірюють витрату за залежністю динамічного

напору від швидкості контрольованого потоку;

- ультразвукові, які вимірюють витрату за різницею частот повторення

ультразвукових імпульсів, що направлені за і проти контрольованого потоку.

1. Вимірювання витрати методом змінного перепаду тиску

Вимірювання витрати цим методом базується на зміні потенціальної енергії

- 2 -

Рис.1. Схема вимірювання витрати речовини методом змінного перепаду тисків та типи

пристроїв звуження потоку: а) діафрагма; б) сопло; в) труба Вентурі;

1 - трубопровід; 2 – пристрій звуження; 3 - імпульсні трубки; 4 - дифманометр-витратомір.

+

-

+

-

а)

б)

в)

1

2

3

4

1

2

1

2

потоку речовини, яка проходить через встановлений в трубопроводі стандартний

пристрій звуження. Створений при цьому перепад тисків є мірою витрати і вимі-

рюється дифманометром (рис.1). Як пристрій звуження потоку використовують

діафрагму (рис.1а), сопло (рис.1б) та трубу Вентурі (рис.1в).

Звуження потоку (рис.2) починається з перерізу А-А і продовжується під

дією сил інерції до перерізу В-В. Далі потік поступово розширюється до повного

перерізу С-С.

Тиск потоку біля

стінки трубопро-

воду до пристрою

звуження дещо

зростає (Р

1

) та

зменшується до

мінімуму за

звуженням в най-

більш вузькому

перерізі струменя

(Р

2

) (рис.2). Далі

при розширенні

потоку тиск його

біля стінки знову

підвищується,

проте не досягає

попереднього

значення. Втрати

тиску Р

В

зумовлені

втратами енергії

на тертя та

завихрення.

Характер потоку і

розподіл тисків

якісно однакові

для всіх типів

пристроїв звуження потоку, ось чому основні рівняння для них однакові, за

винятком коефіцієнтів витрати, які визначаються дослідним шляхом.

Залежність між витратою і перепадом тиску можна встановити, використо-

вуючи рівняння Бернуллі і рівняння нерозривності потоку:





















)2(,SVPSVP

)1(;

2

VP

2

VP

222111

2

1



- 3 -

Рис.2. Зміна тиску Р та середньої швидкості V потоку при

проходженні через діафрагму.

d

D

P

L

P

1

’

P

1

P

2

P

2

’

P

В

А

В

V

1

V

1

V

max

С

де

1111

S,V,P,



і

2222

S,V,P,



- відповідно густина середовища, абсолютний

тиск, швидкість, площа потоку в перерізах А-А і С-С до та після діафрагми (рис.2).

Розв’язуючи систему рівнянь (1), (2), отримаємо залежності між об’ємною

o

F

або

масовою

m

F

витратами та перепадом тисків

21

PPP 



перед і за діафрагмою:

 

21oo

PP2SF 



, (3)

 

21om

PP2SF 



, (4)

де, крім відомих,



- коефіцієнт витрати;



- поправковий множник на зміну

густини середовища, яке проходить через пристрій звуження;

4dS

2

o





- площа

прохідного отвору діафрагми.

Коефіцієнт витрати



залежить від типу пристрою звуження, його відносної

площі

22

Ddm 

та фізичних властивостей потоку, тобто є функцією числа

Рейнольдса





D

F4

Re

o



, де



- динамічна в’язкість середовища (для повітря

5

1081,1







Па



с). Крім того, для діафрагми коефіцієнт витрати



залежить від

гостроти вхідного канту діафрагми, шорсткості поверхні діафрагми та стінок

трубопроводу.

При вимірюванні витрат стискуваних речовин (газ, пара) вводиться

поправковий множник



. Для рідин

1



. Значення



для газів і пари тим більше

відрізняється від одиниці, чим більше відношення

P

PP

21



, де

P

- абсолютний

тиск середовища на вході пристрою звуження. Крім того



залежить від відносної

площі пристрою звуження

m

та показника адіабати середовища



:



















,m,

P

PP

f

21

. Коефіцієнти



і



визначаються для кожного типу

пристрою звуження [1].

Очевидно, що залежності

om

F,F

від

21

PP 

в (2) і (3) будуть однозначні,

якщо в процесі вимірювання значення



,S,,

o

будуть постійні. Зміни цих вели-

чин спричинені похибками вимірювань, які можна оцінити лише в конкретних ви-

падках [1, 2].

Для порівняння об’ємних витрат газових потоків їх попередньо приводять

до певних умов (температура

15,293T

H



К, тиск

101325P

H



Па). Об’ємна

витрата, приведена до нормальних умов

ном

F

, визначатиметься через відношення

густин (

ном

’

/



) газового середовища при робочих і нормальних умовах:

номoном

/FF





.

- 4 -

1.2. Дифманометри-витратоміри

Для вимірювання перепаду тисків на пристрої звуження використовують

диференційні манометри. Найбільш розповсюджені серед них рідинні та дефор-

маційні.

До рідинних дифманометрів належить

U

-подібний, який широко

застосовують, перш за все, в лабораторних умовах.

Прикладом деформаційного дифманометра є мембранний, показаний на

рис.3. Такий дифманометр складається з двох перетворювачів: мембранного 1 і

диференційно-трансформаторного 2. Внутрішні порожнини металевих

мембранних коробок 3 заповнені дистильованою водою. Більший тиск Р

1

подається в нижню камеру А , менший - у верхню камеру В. Камери А і В

розділені між собою перегородкою 4. Чутливим елементом приладу є дві

однакові мембранні коробки 3, створені зі зварених між собою металевих

гофрованих пружних мембран. Коробки 3 закріплені на поділяючій перегородці

4. Внутрішні порожнини коробок сполучаються між собою через отвір в

перегородці.

При зміні різниці тисків

21

PPP 



блок мембранних коробок

деформується, рухомі центри коробок переміщуються і вода перетікає з однієї

коробки в другу. Деформація продовжується до зрівноваження зусилля,

викликаного перепадом тисків зусиллям пружної деформації мембран. Блок

мембранних коробок перетворює різницю тисків в лінійне переміщення рухомого

центра верхньої мембрани та привареного до нього штока 5. Функція

диференційно-трансформаторного перетворювача полягає в перетворенні

- 5 -

Рис.3. Схема мембранного дифманометра-витратоміра:

1 - блок мембранних коробок; 2 - диференційно-

трансформаторний перетворювач; 3 - мембранна

коробка; 4 - перегородка; 5 - шток.

А

В

2

1

4

3

+

-

~ 24 В

~ U

вих

Р

2

Р

1

5

переміщення штока у відповідну електричну напругу, яка вимірюється вторинним

приладом 6 і є мірою перепаду тисків

21

PPP 



.

1.2 Інтегратори

Інтегратори є складовою частиною дифманометрів-витратомірів. Вони ав-

томатично підсумовують поточні миттєві значення витрати і показують об’єм або

масу речовини, яка пройшла через поперечний переріз трубопроводу за певний

проміжок часу. З витратомірами змінного перепаду тиску використовують

механічні, пневматичні, електричні інтегратори.

На рис.4 показана схема електричного інтегратора. Інтегратор складається

із мостової вимірювальної схеми, блока керування, лічильного механізму.

В склад мостової вимірювальної схеми 1 входять реохорд R

p

і додаткові

резистори. Значення напруги небалансу мостової вимірювальної схеми залежить

від положення повзунка реохорда, тобто положення покажчика витрати відносно

шкали приладу. Напруга небалансу подається на перетворювач 3 частоти блоку

керування 2. Частота імпульсів вихідної напруги блока керування 2 пропорційна

положенню повзунка реохорда і становить 0,375...1,5 Гц. Підсилені імпульси

напруги з блока керування подаються на лічильний механізм 5, який складається з

моментного мотора 6 (електромагніта з поворотним якорем) і механічного

барабанного лічильника 7 імпульсів руху. Максимальна швидкість підсумову-

вання інтегратора, яка відповідає положенню покажчика витратоміра на кінцевій

позначці шкали, становить 1000 одиниць за годину. Кількість спрацювань інтег-

ратора зміниться при зміщенні положення покажчика, тобто при зміні вимірюва-

ної витрати.

Опис лабораторної установки

Для дослідження системи вимірювання витрати методом змінного перепаду

тиску створена лабораторна установка, яка містить вентилятор 1 та трубопровід 2,

на якому встановлені:

- 6 -

Рис.4. Схема електричного інтегратора.

1 - мостова вимірювальна схема; 2 - блок керування;

3 - перетворювач частоти; 4 - підсилювач напруги;

5 - лічильний механізм; 6 - моментний мотор;

7 - барабанний лічильник.

1

R

p

2

3

4

5

6

7

РД

- ртутний термометр 3;

- діафрагма 4;

- регулююча заслінка 5.

До діафрагми 4 (

D

50 мм,

d

=32 мм,

m

0,4096 ) підключено два

U

- по-

дібні дифманометри 6, 7 та мембранний дифманометр 8, з’єднаний диферен-

ційно-трансформаторною системою з вторинним автоматичним приладом 9 з ін-

тегратором.

U

-подібний дифманометр 6 використовують для вимірювання

надлишкового тиску повітря перед пристроєм звуження.

U

- подібний дифманометр 7 вимірює перепад тисків на діафрагмі.

При вмиканні вентилятора 1 в трубопроводі 2 встановлюється рух повітря,

витрата якого визначається положенням заслінки 5 і вимірюється методом

змінного перепаду тисків за допомогою вимірювального каналу (діафрагма 4,

мембранний дифманометр 8, вторинний прилад (самописець) 9). Атмосферний

тиск та температура повітря в трубопроводі вимірюються встановленими на

стенді барометром 10 та ртутним термометром 3.

Проведені на установці вимірювання дозволяють порівняти покази

витратоміра зі значеннями витрати, розрахованими за перепадом тисків на

діафрагмі та параметрах повітря, і проаналізувати отримані розходження.

Послідовність роботи

Використовуючи лабораторну установку (рис.5) провести виміряти витрату

повітря методом змінного перепаду тиску на пристрої звуження і параметрів

(температура, тиск) повітря в трубопроводі. За параметрами повітря та перепадом

тиску на діафрагмі розрахувати витрату, з якою порівняти відповідний показ

витратоміра.

Контрольні запитання

- 7 -

Рис.5. Схема лабораторної установки:

1 - вентилятор; 2 - трубопровід; 3 - ртутний термометр; 4 – діафрагма; 5 - регулююча

заслінка; 6,7 - U-подібні дифманометри; 8 - мембранний дифманометр; 9 - автоматичний

самописець КСД 2-053; 10 - барометр.

1

3

2

4

5

6 7

8 9

10

1. Визначення витрати середовища.

2. Одиниці вимірювання витрати.

3. Суть методу змінного перепаду тисків.

4. Елементи комплекту витратоміра.

5. Типи стандартних пристроїв звуження.

6. Основні розрахункові формули вимірювання витрати методом

змінного перепаду тисків.

7. Визначення густини газу в робочих умовах.

8. Конструкція електричного інтегратора.

9. Конструкція мембранного дифманометра-витратоміра.

10. Розрахунок коефіцієнта витрати



.

11. Розрахунок множника



.

Список літератури

1. РД 50-213-80. Правила измерения расхода газов и жидкостей стандартными

сужающими устройствами. - М.: Изд-во стандарттов, 1982. - 319 с.

2. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количеств: Справочник. - Л.:

Машиностроение, 1989. - 701 с.

3. Лапшенков Г.И., Полоцкий Л.М. Автоматизация производственных процессов в

химической промышленности. Технические средства и лабораторные работы. -

М.: Химия, 1988. - 291 с.

4. Чистяков В.С. Краткий справочник по теплотехническим измерениям. - М.:

Энергоатомиздат, 1990. - 320 с.

Додаток

- 8 -

Протокол лабораторної роботи

1. Технічні дані лабораторної установки

Термометр : тип , діапазон вимірювань від до



С,

клас точності , ціна поділки



С.

Барометр: тип , № , діапазон вимірювань від до Па,

клас точності , ціна поділки Па.

Манометр , тип , діапазон вимірювань від до ,

клас точності , ціна поділки .

Пристрій звуження , внутрішній діаметр трубопроводу

D

= мм, діаметр отвору

d

= мм, відносна площа

22

Ddm 

= .

Дифманометр , тип , № , діапазон вимірювань

від до , клас точності , ціна поділки .

Дифманометр-витратомір , тип , діапазон вимірювань

від до , клас точності , ціна поділки .

Вторинний прилад з диференційно-трансформаторною системою ,

тип , № , діапазон вимірювань від до , клас точності ,

ціна поділки .

2. Результати вимірювань

- Барометричний тиск

б

P

= Па;

- температура

t

=



С; (

15,273tT 

= К );

- надлишковий тиск повітря в трубопроводі

1н

P

= ;

(

U

-подібний дифманометр 6)

2н

P

= ;

3н

P

= ;

- різниця тисків на діафрагмі

1

P



= ;

(

U

-подібний дифманометр 7)

2

P



= ;

3

P



= ;

- покази витратоміра 9



ВП

1o

F

м

3

/год ;



ВП

2o

F

м

3

/год ;



ВП

3o

F

м

3

/год .

Таблиця

3. Результати розрахунків

№ Параметр Розрахункова формула №№ дослідів

- 9 -

п/п 1 2 3

1

Абсолютний тиск

P

, Па

нб

P81,9P32,133P 

;

2

Густина



, кг/м

3

  

k/TTPP

номномном





;

(k=1 – коефіцієнт стискуваності газу)

3

Поправковий

множник





/P/P)m35,04096,0(1

2



;

(=1,4 - показник адіабати для повітря)

4

Коефіцієнт

витрати

*)



5,02

пш

475,06

25,105,1

)m1/(kk)m184,0)Re10(

m0029,0m0312,05959,0(







;

5

Об’ємна витрата

o

F

,м

3

/год

5,0

2

o

)/P2(

4

d

F







;

6

Число Рейнольдса

Re



/D/F2744,1Re

o



,

5

8110,1







;

(Па·с - динамічна в’язкість повітря)

7

Відносна похибка

обчислень



, %

,...;2,1i;)1F/F(%100

допi,o1i,o







%2,0

доп





;

8

Масова витрата,

m

F

, кг/год

5,0

2

м

)P2(

4

d

F







;

9

Об’ємна витрата

при нормальних

умовах

ном

F

,

м

3

/год

номoном

/FF





; (

15,293T

ном



К;

101325P

ном



Па);

10

Абсолютна по-

хибка вимірю-

вання витрати



,

м

3

/год

ном

ВП

ном

FF 



.

*)

Для початкового розрахунку об’ємної витрати

o

F

вираховуємо початко-

вий коефіцієнт витрати

o



для числа Рейнольдса Re=10

6

:

67936,0)m1/(kk)m184,0m0029,0m0312,05959,0(

5,02

пш

425,105,1

o





, при

4096,0m 

, де

ш

k

- коефіцієнт, який враховує шорсткість внутрішньої поверхні

стінки трубопроводу і визначається:

шшш

BmAk 

,

де

 













;м3,0Dдля13,0D36,0D066,13,0D

;м3,0Dдля0

A

2

ш

;

 













м3,0Dдля0046,0D024,0D08,03,0D1

м3,0Dдля1

B

2

ш

;

k

п

- коефіцієнт, який враховує гостроту вхідного канту діафрагми:

 

 

,05,0mNexpBAk

ппп



,

де,

 

 











;м05,0Dдля05,0D2,55exp011,01

;м05,0Dдля011,1

A

3,1

п

- 10 -

Лабораторна робота - Вимірювання витрати повітря методом змінного перепаду тиску

Подождите немного. Документ загружается.