Превая лаба по по корозии. Лабораторная работа 1 Приборы и способы измерения основных параметров жидкости и газа

• Название: Лабораторная работа 1 Приборы и способы измерения основных параметров жидкости и газа
• Анкор: Превая лаба по по корозии
• Дата: 18.12.2022
• Размер: 0.76 Mb.
• Имя файла: LR1.docx
• Тип: Лабораторная работа; #851525

1. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

Приборы и способы измерения основных параметров жидкости и газа

Цель работы - ознакомиться с наиболее распространенными приборами для измерения давления и скорости потока жидкости; а также силы и момента, действующих на обтекаемые жидкостью тела.

1.1. Теоретический раздел

Приборы гидроаэродинамического эксперимента служат для измерения основных параметров потока (давления p, скорости v), а также силы R и момента M, действующих на обтекаемые жидкостью тела.

По принципу действия и конструкции эти приборы весьма

разнообразны. Рассмотрим наиболее распространенные из них.

1.1.1. Измерение давления

Давлением называется величина, измеряемая силой, действующей в направлении нормали на единицу поверхности. Если на поверхность ΔS нормально действует сила F, то давление в точке равно

ΔF



p=limΔ →S 0 ΔS .

В случае равномерного распределения давления по поверхности p=F/S.

В системе СИ давление измеряется в Паскалях (Па). Один паскаль - это давление, производимое силой 1Н, равномерно распределенной по нормали к поверхности площадью 1 м².

Н м 1

1Па =1 ₂ =1кг _{2 2} м с м

Часто давление измеряется в технических атмосферах (ат). Между единицами измерения существуют следующие соотношения:

1ат=1кгс/см² =10м вод.ст.при 4⁰ С=735,56мм рт. ст.=10000кгс/м²

1кгс/м² =9,81 Н/м² ; 1мм рт ст=133 Н/м²;

1кгс/см² =9,81 10⁴ Н/м² ; 1мм вод.ст.=9,81*10³ Н/м

Живя на дне воздушного океана, мы испытываем действие атмосферного давления, но "не замечаем" его, ибо все наши органы изнутри нагружены тем же давлением.

Соотношения между абсолютным (полным), атмосферным и избыточным (манометрическим) давлениями:

Рабс = Рат + Ризб; Ризб = Рабс - Рат; Рвак = Рат - Рабс.

По характеру измеряемой величины приборы разделяют следующим образом:

• 
  барометры - для измерения атмосферного давления;
  
• 
  манометры и вакуумметры - для измерения избыточного давления и вакуума;
  
• 
  дифференциальные манометры - для измерения разности давлений.
  

По принципу действия различают жидкостные, механические, электрические и комбинированные приборы. Наибольшее распространение получили жидкостные и механические манометры.

В основу работы жидкостных приборов положены законы гидростатики, в соответствии с которыми измеряемое давление уравновешивается давлением столба жидкости, являющегося мерой давления. К ним относятся ртутный барометр, пьезометр, U-образный манометр, чашечный манометр, микроманометр с наклонной шкалой и др.

Ртутный барометр (от греч. baros - тяжесть, вес и metreo -измеряю) - прибор для измерения атмосферного давления. Он состоит из запаянной сверху стеклянной трубки (1) (не содержащей воздуха), опущенной свободным (нижним) концом в чашу, наполненную ртутью. (рисунок 1.1). Вся барометрическая трубка заключена в латунную оправу (2), в верхней части которой сделана прорезь (3). На краю прорези нанесена шкала для отсчета положения мениска ртутного столба. При каждом барометре имеется небольшой ртутный термометр (4) для введения температурной поправки. Чашечные барометры выпускаются с пределами измерения 810-1070 мбар и 680-1070 мбар; точность отсчета 0,1 мбар.



Рисунок 1.1 Рисунок 1.2 Рисунок 1.3

1 бар = 749 мм рт.ст.

1 мбар = 0,001 бар = 0,749 мм рт.ст.

Пьезометр (от гр. piero - давлю + metreo - меряю). Простейший пьезометр - стеклянная трубка, нижний конец которой соединяется с местом измерения давления, а верхний открыт и сообщается с атмосферой (рисунок 1.2). Условие равновесия относительно плоскости ОО будет

p₀ +γh p= _a +γh_m

Разность давленийp₀ − =p_a γ(h_m −h). В этом случае абсолютным давлением будет статическое давление на глубине h:

pабс= p0 +γh p h= a m

Избыточное давление

pизб= pабс− pa =γm mh =ρmghm,

где h_m- высота столба жидкости в пьезометре, м; γ_m- уд. вес жидкости, заполняющей пьезометр, Н/м³ ; ρ_m - плотность жидкости, заполняющей пьезометр, кг/м³ ;

p_изб - избыточное давление, Па.

Пьезометрические трубки изготавливаются диаметром 8-15 мм (для уменьшения влияния сил поверхностного натяжения - во избежание капиллярных явлений). Пьезометры широко применяются в лабораторной практике для измерения малого (до 0,03 МПа) давления.

U-образный манометр представляет собой две сообщающиеся стеклянные трубки, частично заполненные манометрической жидкостью плотностью ρ_m (рисунок 1.3). Если давления в трубках различны, то возникает перепад уровней, величина которого является мерой разности этих давлений.

Условие равновесия относительно плоскости ОО будет:

p₀ +γh p= _a +γ_{m m}h Разность давлений p₀ − =p_a γ_{m m}h −γh , где p₀ + =γh p_абс - полное (абсолютное) гидростатическое давление в сосуде на глубине h.

Тогда избыточное давление

pизб = pабс − pa = pa +γm mh − pa =γm mh

Диапазон измерений зависит от рода жидкости в манометре и допускаемой высоты трубок. Обычно максимальная разность давлений, измеряемая U-образным манометром, не превышает 0,4 МПа. Основными недостатками прибора, влияющими на точность измерений, является слабая чувствительность к малой разности давлений и необходимость наблюдения одновременно за двумя уровнями жидкости.

Точность манометра можно повысить заменой одной из ветвей Uобразного манометра чашкой.



Рисунок 1.4 Рисунок 1.5

Чашечный манометр (рисунок 1.4). В этом случае условие равновесия относительно плоскости ОО будет:

p₀ +ρg h pΔ = _a +ρ_mg h( _m +Δh) Разность давлений p₀ − =p_a ρ_mg h( _m +Δh)−ρg hΔ ,

πD2 πd2 где Δh находится из условия равенства объемов Δh = h_m ,

4 4 d2 где Δ =h h_{m 2} D

Тогда

⎛ d2 ⎞ d2

p₀ = p_a + ρ_m gh_m ⎜⎜⎝1+ _D2 _⎠⎟^⎟ − ρgh_{m D}2 .

На практике диаметр чашки D в 50 и более раз превышает диаметр измерительной трубки. Поэтому с достаточной точностью можно считать:

⎛ d2 ⎞

p0 = pa + ρm ghm ⎜⎜⎝1+ D2 ⎟⎟⎠ ≈ pa + ρm ghm ;

p0 − pa = ρm ghm =γmhm

Микроманометры представляют собой чашечный манометр, у которого измерительная трубка наклонена на угол к горизонту (рисунок 1.5). В этом случаеh_m = l sinα и тогда

⎛ d2 ⎞

p₀ = p_a + ρ_m gl sinα⎜_⎜1+ _D2 ⎟_⎟⎠ ≈ p_a + ρ_m gl sinα

_⎝

Чем меньше α и ρ_m тем чувствительней микроманометр. Они применяются для измерения разности давлений, не превышающей 1000 Па.



Рисунок 1.6 Рисунок 1.7

Дифференциальным манометром измеряется разность давлений в двух сосудах или в двух точках одного сосуда (трубопровода) (рисунок 1.6).

p1 − p2 =γmhm

Батарейный чашечный манометр позволяет измерять разность давлений p − p_i в нескольких точках одновременно и, таким образом наблюдать закон распределения давлений (рисунок 1.7). Если точки отбора давления (i - номер точки) расположены на одном уровне, а измерительные трубки вертикальны (j - номер трубки), то основная расчетная формула имеет вид:

⎛ d2 n ⎞

p − p_i = g(ρ ρ_m − )⎜_⎜⎝h_i + _D2 ^∑j=1 h _j ⎟_⎟⎠,

г де D, d - внутренние диаметры чашки и

d2 трубок. На практике ₂ ≤ 0,05. Иногда для

D

повышения чувствительности батарейных манометров измерительные трубки вместе со шкалами наклоняют к горизонту на угол α.

Для повышения предела измеряемых давлений часто применяют последовательное соединение двух или нескольких U-образных жидкостных манометров (рисунок 1.8). Избыточное давление в сосуде в этом случае определяется как сумма давлений, показанных U-образными манометрами:

pизб = p1 − p2 =γ1 1h −γ2 2h

Рисунок 1.8 К достоинствам жидкостных манометров можно отнести простоту конструкций и

неизменность точности показаний с течением времени. Недостатками жидкостных манометров являются большие габариты, невозможность измерять большие давления и вследствие инерционности они не пригодны для измерения быстро меняющегося давления.



Рисунок 1.9 Рисунок 1.10

Работа механических манометров основывается на законе Гука, в соответствии с которым деформация упругого элемента (полой трубки, сильфона, мембраны) пропорциональна измеряемому давлению и служит его мерой.

Наибольшее распространение получили механические манометры с трубкой Бурдона (полой согнутой по дуге окружности трубкой - пружиной). (рисунок 1.9). При повышении давления трубка Бурдона стремится распрямиться вследствие того, что при давлении большем атмосферного равнодействующая сил, приложенных к внешней и внутренней поверхностям, направлена наружу. Движение трубки передается стрелке, фиксирующей величину давления на шкале.

Аналогично устроен мембранный (сильфонный) манометр (рисунок 1.10). Деформация мембраны передается стрелке, показывающей измеряемое давление.

Механические манометры позволяют измерять высокие давления (до 1000 МПа) и имеют небольшие габариты. Недостатками их являются изменение точности показаний с течением времени и сложность тарировки.

Вакуумметры предназначены для измерения вакуума (отрицательного избыточного давления). По принципу действия они могут быть жидкостными и механическими, и конструктивно не отличаться от рассмотренных манометров. Например, в качестве вакуумметра может быть использован Uобразный манометр, но при измерении вакуума манометрическая жидкость поднимается в левой ветви, а не в правой, как это происходит в манометре (рисунок 1. 6).

Шкала механических манометров может иметь нуль в середине (соответствует атмосферному давлению). При положительном избыточном давлении стрелка движется вправо (по часовой стрелке); при отрицательном - влево от нуля.

1.1.2. Измерение скорости

Для измерения местных скоростей потоков широко применятся гидродинамические трубки, в основу работы которых положено уравнение Бернулли:

p v2

H z= +ρg +2g =hст +hдин,

где Н - полный напор (запас энергии) в произвольной точке потока, м; z - геометрический напор, м; p



ρg ,м - пьезометрический напор;

v2 ^h_дин ⁼ - скоростной (динамический) напор, м; 2g p ^h_ст = +^z - статический напор, м.

ρg

Таким образом, определение скоростного напора, а следовательно, и скорости сводится к измерению динамического напора

⎛ p ⎞

h_дин = Н −h_ст = H −⎜⎜⎝z + _ρg⎟⎟⎠

Схема для измерения скорости в открытом потоке показана на рисунке

1.11. Полный напор Н в некоторой точке А может быть измерен с помощью датчика полного напора - гидродинамической трубки Пито, представляющей собой изогнутую трубку, один конец которой помещен в поток так, что его нормальный срез проходит через мерную точку и ориентирован перпендикулярно скорости потока, а другой конец открыт в атмосферу. Частицы жидкости, попадающие в устье трубки, тормозятся. При этом кинетическая энергия преобразуется в дополнительную энергию давления, что и вызывает подъем жидкости на высоту Н, соответствующую полному напору в точке замера относительно выбранной плоскости отсчета О-О.

Гидростатический напор в точке замера, взятый относительно той же плоскости отсчета будет

p

hст = +z

ρg

v² ⎛ p ⎞

Следовательно g = Н −h_ст = H −⎜^⎜z + _ρg⎠^⎟⎟=h_дин ; v= 2^gh_дин и

_{2 ⎝}

численно равна высоте столба жидкости в трубке Пито над свободной поверхностью потока.



Рисунок 1.11 Рисунок 1.12

Схема для измерения скоростного напора в напорных потоках в трубопроводах показана на рисунке 1.12. В этом случае в комплекте с трубкой Пито используется пьезометр, называемый также трубкой статического напора (трубкой Прандтля). Нижний нормальный срез этой трубки проходит через мерную точку потока и ориентирован параллельно скорости, а верхний срез открыт в атмосферу.

Высота h выражает полный напор или соответствующее ему полное давление рполн =ρgh

Высота h_ст- статический напор или соответствующее ему статическое давление

pст =ρghст

v2

По разности высот ^{Δ = −h h h}_ст ⁼ вычисляется скорость потока в 2g

мерной точке

v= 2g hΔ _.

Разность высот может быть измерена жидкостным манометром, подключенным к трубкам полного и статического напоров. Разность p_полн −p_ст - динамическое давление

v 2 ρv 2

р_дин =ρ ρ ρ ρgh− gh_ст = Δ =g h g = _,

2g 2

v= откуда .

Нередко для измерения динамического давления применяют гидродинамическую трубку Пито-Прандтля (рисунок 1.13), представляющую



Рисунок 1.14

Рисунок 1.13 собой комбинацию трубок полного и статического напоров. Кроме того, для измерения скорости потоков применяют механические, термоэлектрические, аэрогидроакустические и лазерные приборы, описание которых дано в специальной литературе.

1.1. 3. Измерение сил и моментов

Для определения сил и моментов, действующих на помещенные в поток жидкости тела, применяют два основных способа.

Первый способ основан на фиксации тела в потоке в заданном положении силами тяжести эталонных грузов при помощи системы рычагов или тонких нитей. Такой способ получил название динамического взвешивания, а приборы аэро или гидродинамических весов. В настоящее время эти приборы в лабораторной практике применяются редко из-за громоздкости и практической невозможности измерения нестационарных сил и моментов.

Второй способ базируется на законе Гука. Тело (модель) удерживается в потоке в заданном положении при помощи системы упругих элементов, по величине деформаций которых можно определить главный вектор и главный момент действующих сил.

Связь между деформациями и силами устанавливают экспериментально, нагружая упругие элементы эталонными грузами. Полученные таким образом коэффициенты пропорциональности называют тарировочными, а сам эксперимент - тарировочными испытаниями.

Приборы, основанные на этом способе называют динамометрами. В зависимости от способов измерения деформаций упругих элементов динамометры бывают механические, тензометрические, индукционные, емкостные. Например, в тензометрических динамометрах в местах наибольшей деформации упругих элементов (балок) наклеены тензорезисторы ТР1-ТР4, соединенные на каждом элементе (балке) в мост (рисунок 1.14).

При деформации балок тензорезисторы меняют свое сопротивление, баланс моста нарушается и на вход тензоусилителя поступает сигнал. Регистратором может служить обычный стрелочный гальванометр, осциллограф или цифровой вольтметр.

Тензодинамометры позволяют с высокой степенью точности измерять постоянные и переменные во времени силы и моменты.

1.2. Изучение измерительных приборов по образцам

Изучение измерительных приборов проводится по штатным образцам и описаниям к ним. Изучаются: пьезометр, U-образный манометр, дифференциальный манометр, батарейный манометр, микроманометр, механические манометры.

1.3. Содержание отчета о выполнении лабораторной работы

1. 
   Название лабораторной работы.
   
2. 
   Цель работы.
   
3. 
   Теория измерения давлений, скоростей, сил и моментов.
   
4. 
   Приборы для измерения давлений, скоростей, сил и моментов.
   

1.4. Контрольные вопросы

1. 
   Что такое давление? Единицы измерения давления в системе СИ и соотношение единиц давления в различных системах.
   
2. 
   Схема простейших жидкостных манометров (пьезометр, U-образный манометр) и определение давлений с их помощью.
   
3. 
   Определение давлений с помощью батарейного манометра.
   
4. 
   Определение давлений с помощью микроманометра.
   
5. 
   Определение скорости движения жидкости.
   
6. 
   Определение сил и моментов.