Методы измерения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Введение

1. Измерение давления (разряжения) неподвижной среды

2. Измерение давления (разряжения) потоков

3. Определение осевой и средней скорости потока

3.1 По напорным трубкам

3.2 Разбиением сечения трубопровода на участки

3.3 С помощью анемометра

4. Измерение расхода

4.1 Метод переменного перепада давлений

4.2 Скоростной метод

4.3 Объемный метод измерения расхода жидкости

4.4 Измерение расхода о помощью ротаметра (ротаметрический метод)

5. Измерение влажности воздуха

5.1 Гигрометрический метод измерения влажности воздуха

5.2 Психрометрический метод измерения влажности воздуха

6. Измерение частоты вращения вала машин

Заключение



Введение

При исследовании работы гидравлических машин применяются различные контрольно-измерительные приборы и методы. Для получения измерений с минимальной погрешностью необходимо усвоить правильную методику пользования этими приборами.

Выполнение работ предполагает измерение давления (разряжения) среды; скорости движения потоков; расхода жидкости и газов; влажности воздуха; частоты вращения вала машины.

Основными рабочими средами, с которыми производятся эксперименты в лабораторных установках, являются воздух и вода при различных температурах.



1. Измерение давления (разряжения) неподвижной среды

давление вращение влажность психрометрический

Приборы для измерения весьма разнообразны. Они классифицируются по характеру измеряемой величины и по принципу действия.

По характеру измеряемой приборы подразделяются на:

приборы для измерения атмосферного давления - барометры (атмосферное, или барометрическое, давление Ра соответствует среднему давлению атмосферного воздуха и равно давлению ртутного столба высотой 760 мм при температуре 0?);

приборы для измерения разности абсолютного и атмосферного давлений, т. е. избыточного давления Ри - манометры и вакуума Рв - вакуумметры;

приборы для измерения абсолютного давления Р - манометры абсолютного давления (для измерения малых абсолютных давлений). Абсолютного давление можно также измерять с помощью манометра и барометра, если измеряемое давление больше атмосферного (Р = Ра + Ри), а также барометра и вакуумметра, если измеряемое давление ниже атмосферного (Р = Ра - Рв);

приборы для измерения разности давлений - дифференциальные манометры;

приборы для измерения малого избыточного давления и вакуума - микроманометры.

По принципу действия различают приборы жидкостные. пружинные, поршневые, электрические. комбинированные и др.

К жидкостным относятся приборы, основанные на гидростатическом принципе действия, заключающемся в том, что измеряемое давление уравновешивается давлением, создаваемым весом столба жидкости, высота которого служит мерой давления.

Наполнителями жидкостных манометров являются дистиллированная вода, подкрашенный этиловый спирт, ртуть и др. Градуируются в миллиметрах соответствующего столба жидкости.

Простейший по конструкции двухтрубный (U - образный) манометр представлен на рисунке 1.1. Модификацией его является однотрубный (чашечный) манометр, который представлен на рисунке 1.2. Он позволяет производить один отсчет.

Рисунок 1.1 - Двухтрубный манометр

Рисунок 1.2 - Однотрубный манометр

Для измерения малых давлений применяются манометры, представляющие собой разновидность чашечных манометром.



Рисунок 1.3 - Микроманометр ЦАГИ

Манометр ЦАГИ, который изображен на рисунке 1.3, имеет металлический резервуар 1, обычно заполненный спиртом, наклонную трубку 2 со шкалой и штуцеры 3 для присоединения гибкими шлангами к месту измерения. Угол наклона трубки можно изменять, меняя тем самым диапазон измеряемых давления и точность отсчета.

Особое место занимают дифференциальные манометры для измерения разности двух давлений. По принципу действия это те же двухтрубные манометры, но с той разницей, что давление здесь подводится к обеим трубкам.

Рисунок 1.4 - Дифференциальный манометр типа ДТ-150

На рисунке 1.4 представлен дифференциальный манометр ДТ - 150, обычно наполняемый ртутью.

Действие пружинного манометра, изображенного на рисунке 1.5, основано на применении закона Гука. Сила давления деформирует упругий элемент прибора - пружину, мембрану, сильфон т. д.

Рисунок 1.5 - Манометр с трубчатой пружиной: а - устройство манометра; б - общий вид

1 - трубчатая пружина; 2 - спиральный волосок; 3 - стрелка; 4 - зубчатый сектор; 5 - поводок; 6 - ниппель: 7 - резьбовой наконечник; 8 - шестерня



2. Измерение давления (разряжения) потоков

При изучении движения потоков рассматривают статическое давление Рс - потенциальная энергия потока, действующая по нормали к стенке канала и динамическое давление Рд - кинетическая энергия потока, или давление, которое необходимо сообщить потоку для приведения его в движение. Полное давление представляет собой сумму Рс и Рд.

Рисунок 2.1 - Одинарные приемники давления

1 - отборная трубка; 2 - запаянная трубка

Чтобы измерить статическое давление, необходимо полость трубопровода сообщить с соответствующим типом манометра (вакуумметра), как это показано на рисунке 2.1, резиновым шлангом диаметром не менее 6 мм через отборную трубку, либо через запаянную трубку, изогнутую по углом 90°, с боковыми отверстиями, которая устанавливается в ядре потока навстречу движению.

Наибольшее распространение для измерения давлений получили напорные, или пневматические (для газов) трубки в комплекте с дифференциальными манометрами или микроманометрами, изображенные на рисунке 2.2 и рисунке 2.3.



Рисунок 2.2 - Напорная трубка МИОТ

1 - приемник полного давления; 2 - приемник статического давления

Рисунок 2.3 - Напорная трубка с коническим наконечником



3. Определение осевой и средней скорости потока

Динамическое давление потока, измеряемое напорной трубкой, соответствует скорости только в данной точки потока. Для определения средней скорости можно пользоваться способами, приведенными ниже.

3.1 По напорным трубкам

Установив трубку по оси трубопровода, измеряют динамическое давление Рд, а затем находят осевую скорость потока:

(1)

3.2 Разбиением сечения трубопровода на участки

Более точным измерение получается, когда сечение трубопровода разбивается на несколько участков и для каждого из них измеряется своя скорость. Средняя скорость вычисляется как среднее арифметическое измеренных скоростей:

(2)

Для круглых трубопроводов сечение разбивается на n участков окружностями, радиус которых вычисляется по формуле

(3)

Рекомендуется принимать для трубопроводов диаметром до 300 мм n = 3, до 900 мм - n > 5.

3.3 С помощью анемометра

При измерении скоростей (менее 5 м/с) в трубопроводах, а также скоростей ветра и воздуха в открытых проемах, в сечениях приемных отверстий, местных укрытиях давление невелико. В этих случаях пользуются анемометрами: чашечными, крыльчатыми, электрическими, индукционными, электротермоанемометрами. Чашечный анемометр, представленный на рисунке 3.1, измеряет скорость до 20 м/с. Для измерения скоростей 0,3…0,5 м/с используют более чувствительный крыльчатый анемометр, представленный на рисунке 3.2.

Рисунок 3.1 - Чашечный анемометр



Рисунок 3.2 - Крыльчатый анемометр

Они состоят из трех основных элементов: крыльчатки со сферическими или плоскими лопастями 1, счетного механизма со шкалой 2 и рычага 3 для включения и выключения счетного механизма. Анемометр помещают в воздушный поток, спустя 10…15 с включают счетный механизм и одновременно секундомер, фиксирующий время измерения. Для получения средней скорости потока анемометр медленно перемещают в плоскости сечения, в котором производится измерение. Через 30 с, не вынимая анемометр из потока, выключают счетный механизм и секундомер. Разность показаний до (n1) и после (n2) измерения, отнесенная ко времени измерения , дает так называемую скорость анемометра, которая определяется по формуле:

(4)



4. Измерение расхода

Количество вещества, проходящее в единицу времени по трубопроводу, каналу и т. п., называется расходом вещества. Для определения расхода жидкости, газа, пара сыпучих тел чаще всего применяются следующие основные методы измерений: переменного перепада давления, скоростной, объемный, ротаметрический и ультразвуковой.

4.1 Метод переменного перепада давлений

Одним из наиболее распространенных и изученных методов является метод измерения расхода жидкостей, газов и пара в трубопроводах по перепаду давления в сужающем устройстве. В качестве сужающих устройств широко применяются стандартные диафрагмы, сопла и трубы Вентури. Сужение при помощи диафрагмы достигается установкой в трубопроводе диаметром D тонкого диска с концентрическим отверстием строго определенных диаметра d0 и профиля. Диафрагмы изготовляются из антикоррозийных материалов, чаще всего из бронзы или нержавеющей стали. Отношение называется модулем диафрагмы и играет важную роль в выборе и расчетах диафрагм.

В суженном сечении трубопровода происходит увеличение скорости и падение статического давления потока. По измеренному перепаду давления могут быть определены скорость жидкости и ее расход. Сужение потока начинается до диафрагмы, и на некотором расстоянии после диафрагмы поток достигает минимального сечения. Далее поток опять постепенно расширяться до полного сечения трубопровода. На рисунке 4.1 сплошной линией представлена кривая, характеризующая распределение давлений вдоль стенки трубопровода; кривая, изображенная штрихпунктирной линией, характеризует распределение давлений по оси трубопровода. Установка диафрагмы влечет за собой некоторую необратимую потерю давления рn, вызванную затратой энергии потока на вихреобразование до и после диафрагмы. Отбор давлений р1 и p2 осуществляется с помощью двух отдельных отверстий, расположенных непосредственно до и после диафрагмы в углах, образуемых плоскостью диафрагмы и внутренней поверхностью трубопровода.

Рисунок 4.1 - Схема установки диафрагмы и эпюра распределения давления вдоль трубопровода

Уравнение расхода для несжимаемой жидкости имеет вид:

; (5)

, где(6)

F0 - площадь отверстия сужающего устройства, м2;

- коэффициент расхода, равный:

, где(7)

- коэффициент сужения струи;

- поправочный коэффициент.

Для сжимаемых сред (газ, пар) в уравнения (5), (6) вводится поправочный множитель на расширение измеряемой среды, значения которого отмечены на рисунке 4.2. В этом случае уравнения (5), (6) принимают вид:

; (8)

.(9)

Рисунок 4.2 - Зависимость коэффициента от отношения

4. 2 Скоростной метод

В основу этого метода положено измерение средней скорости потока, которая связана с объемным расходом следующей зависимостью:

, где(10)

- средняя скорость потока, м/с;

F - поперечное сечение потока, м2.

Зная методы определения средней скорости потока при помощи напорных трубок или анемометров, нетрудно подсчитать расход в соответствующих сечениях трубопровода.

4.3 Объемный метод измерения расхода жидкости

Этот способ заключается в том, что с помощью мерного бака или счетчика расхода жидкости определяют объем жидкости W, протекающий через систему за некоторый промежуток времени ф, определяемый секундомером: V = W/ ф. Данный способ измерения является наиболее точным. Он широко применяется в лабораторной практике для опытных исследований и поверок других измерителей расхода. Оценка случайных погрешностей, обусловленных неточностями при отсчетах показании мерного бака я секундомера, производится с помощью относительной квадратичной погрешности:

, где(11)

- относительная средняя квадратичная погрешность при измерении объема;

- относительная средняя квадратичная погрешность при измерении времени.

Данный метод измерения расхода нельзя применить при отсутствии свободного выхода жидкости из системы в атмосферу или измерении мгновенных расходов неустановившихся потоков.



4.4 Измерение расхода о помощью ротаметра (ротаметрический метод)

Ротаметр, представленный на рисунке 4.3, представляет собой коническую трубку 1 (угол конусности от 35' до 5°35'), с помещенным внутри поплавком 2. Ротаметр устанавливается на вертикальном участке трубопровода. Протекающая через ротаметр жидкость воздействует на плавок с некоторой силой. Если эта сила превышает вое поплавка, то поплавок всплывает, увеличивая площадь для протекания жидкости; при этом сила, действующая на поплавок со стороны жидкости, уменьшается. Когда гидродинамическая сила становится равной весу поплавка, его всплывание прекращается. Измерение расхода ротаметром основывается на использовании связи между расходом и положением поплавка в конической трубке. Характер этой связи зависит от угла конусности трубки, формы и веса поплавка, вязкости жидкости и обычно устанавливается путем тарировки ротаметров. Для наблюдения за положением поплавка конусная трубка обычно выполняется прозрачной.

Рисунок 4.3 - Ротаметр

1 - коническая стеклянная трубка; 2 - поплавок



Оборудование ротаметров электрическими датчиками позволяет производить непрерывную запись их показаний. Однако недостатком их является зависимость показаний от физических свойств жидкостей и невозможность измерения расходов, переменных во времени.

4.5 Ультразвуковой метод (неразрушающего контроля)

В датчике расхода расположены пары первичных преобразователей. Наличие нескольких пар позволяет получать более точные значения расхода благодаря усреднению данных по сечению.

Каждый из датчиков расходомера способен как принимать, так и передавать сигнал. Но в общем случае необязательно наличие отражающего датчика - отражателем может служить естественная поверхность трубопровода.

Измерение времени прохождения сигнала между каждой из пар происходит одновременно.

Сигнал генерируется пьезоэлектрическими кристаллами, к которым приложено определенное напряжение. И наоборот, когда ультразвуковая волна ударяется об кристалл, на кристалле возникает напряжение.

Когда трубопровод пустой, то есть какое-либо движение вещества внутри него отсутствует, скорости приема/передачи одинаковые.

Когда внутри трубы начинает протекать измеряемая среда, волны распространяться с большей скоростью по течению и с меньшей против него. И как результат имеют разное время перемещения.

Таким образом, время, измеряемое датчиком пропорционально скорости потока. По известному сечению трубопровода можно измерить объемный расход.



5. Измерение влажности воздуха

Различают абсолютную и относительную влажности воздуха. Абсолютной влажностью воздуха называется массовое количество водяного пара, содержащегося в 1 м3 воздуха. Абсолютная влажность обозначается через с и измеряется в граммах на кубический метр, реже в килограммах на кубический метр.

Барометрическое давление воздуха ровно сумме парциальных давлений сухого воздуха и водяного пара, содержащееся в смеси:

(12)

Парциальное давление водяного пара обычно называют упругостью и обозначают через l. Упругость водяного пара и барометрическое давление измеряют в одинаковых единицах. Величина упругости является характеристикой влажности воздуха, так как она изменяется пропорционально барометрическому давлению.

Максимально возможное насыщение воздуха водяным паром называется максимальной упругостью и обозначается буквой Е.

Отношение количества водяного пера, находящегося в 1 м3 влажного воздуха, сп к предельному содержанию его в том же объеме, при том же давлении и температуре сн называется относительной влажностью воздуха и выражается величиной

.(13)

Для практических расчетов влажность удобно рассчитывать по формуле



.(14)

Для измерения относительной влажности используют различные методы, из которых наибольшее распространение получили гигрометрический и психрометрический.

5.1 Гигрометрический метод измерения влажности воздуха

В основу работы гигрометров положено применение гигроскопических тел, в частности обезжиренного волоса, который может изменять свою дину в зависимости от влажности. Для непрерывной записи влажности используются гигрографы, в которых чувствительным элементом служит волосной гигрометр, действующий на записывающее устройство через систему рычагов.

5.2 Психрометрический метод измерения влажности воздуха

Принцип действия психрометра основан на разности показаний двух одинаковых термометров, находящихся в различных температурных условиях. В лабораторных исследованиях наибольшее распространение получили психрометры Августа и Асмана. Психрометр Августа состоит из двух жидкостно-стеклянных термометров, резервуар одного из которых обернут батистовым чехольчиком и постоянно смочен водой. Показания сухого и смоченного термометров будут разными, так как резервуар одного из них будет охлаждаться вследствие испарения воды с поверхности батиста.

Значения упругостей и показания термометров связаны между собой зависимостью

, где(15)

l - действительная упругость, мм рт. ст.;

Е - максимальная упругость при температуре насыщения tм по мокрому термометру, мм рт. ст.;

В - барометрическое давление при температуре tв по сухому термометру, мм рт. ст.;

- показания сухого и мокрого термометров соответственно, °С;

А - коэффициент, зависший от скорости воздуха, определяем по таблице 5.1.

Таблица 5.1 - Зависимость поправочного коэффициента А от скорости

Рисунок 5.1 - Психрометр Асмана



На рисунке 5.1 представлен психрометр Асмана, лишенный, по сравнению с психрометром Августа, таких недостатков как хруп-кость конструкции, подверженность влия-нию теплового излучения, зависимости показаний от подвижности воздуха. Принцип действия приборов одинаков. Разница заключается в том, что резервуары термометров в момент измерения находятся в воздушном потоке, движущемся с постоянной скоростью, что учитывается соответствующей поправкой к показаниям. Психрометр Асмана состоит из двух одинаковых ртутных термометров 2, закрепленных в специальной оправе, и имеет заводной механизм с вентилятором 1, создающим движение воздуха около резервуаров термометра. Последние помещены в двойную защитную трубку 4, от механических повреждений термометры защищены щитками 3. Резервуар первого термометра обернут батистовым чехольчиком, который смачивают водой из специальной пипетки на время работы с прибором.

Для измерения влажности воздуха механизм заводят до отказа и прибор помещают в вертикальном положении на уровне около 1,5 м от пола (поверхности земли).

Современные психрометры могут иметь вместо заводного механизма электромотор, а в качестве чувствительных элементов терморезисторы, включенные в электрическую измерительную схему.

Пользуясь показаниями психрометра (tв и tм) можно по формулам (14), (15) определить относительную влажность воздуха.



6. Измерение частоты вращения вала машин

Частота вращения вала двигателей и гидравлических машин является важнейшим параметром их работы. Для измерения частоты вращения применяются тахометры и стационарные счетчики оборотов.

Рисунок 6.1 - Тахометр ручной магнитный

На рисунке 6.1 представлен тахометр ручной магнитный ИО-30, предназначенный для эпизодического измерения частоты вращения валов малин (от 0,5 до 5000 с-1) с тремя диапазонами. Принцип действия тахометра основан на измерении сил, возникающих в результате взаимодействия вращающегося магнитного поля постоянного магнита, которому передается вращение от вала машины, с индукционными токами, наведенными этим полем в сплошном металлическом роторе. К тахометру прикладывается комплект принадлежностей, предназначенных дня присоединения прибора к вращающему валу различными способами.

В последнее время получили распространение электронные тахометры с индикацией результатов измерения на цифровом табло, а также выдачей электрических и световых сигналов при достижении заданной частоты вращения.

Также существует способ определения частоты вращения вала с помощью так называемых оптических тахометров. Принцип действия заключается в следующем: на вал наносится риска, а оптический индикатор тахометра фиксирует, сколько раз риска пересечет данный индикатор в заданный промежуток времени. На основе полученных данных определяется частота вращения вала.



Заключение

В данной лабораторной работе были рассмотрены различные методы измерения основных параметров, характеризующих работу гидравлических машин и установок, приведены описания контрольно-измерительных приборов и методов, с помощью которых определяют основные параметры, характеризующие работу вентиляторов, насосов, компрессоров, струйных нагнетателей. Студентам специальности 140100.62 «Теплоэнергетика и теплотехника» важно знать эти параметры и характеристики. Знания в этой области помогут не только повысить бесперебойность работы оборудования, но и также обеспечить безопасность работы не только машин, но технического персонала.

Размещено на Allbest.ru

...