Прилади для вимірювання швидкості потоку

Для вимірювання гідродинамічних параметрів потоку рідини - місцевої швидкості в трубопроводах використовують гідродинамічні трубки і термоелектричні анемометри (термоанемометри).

Гідродинамічні трубки

В основу вимірювання швидкості гідродинамічною трубкою покладено наступний принцип (рис. 6. 1).

Рисунок 6. 1 Труба повного і стиснутого напору

Якщо в потік рідини помістити вигнуту під кутом трубку – б, спрямував один з її кінців назустріч потоку і розташував вхідний отвір у заданій мірній точці А, а інший кінець відкрити до атмосфери, то в такій трубці (трубці повного напору) рідина підніметься на деяку висоту таким чином, що тиск , який утворюється стовпом рідини в трубці, врівноважить повний тиск в точці (місці) гальмування потоку перед трубкою, який визначається за формулою:

, (6. 1)

де - густина рідини, кг / м³;

- швидкість потоку рідині в точці (місці) вимірювання, м / с;

- значення статистичного (надлишкового) тиску рідини в точці (місці) його вимірювання, Па.

Тиск - можливо виміряти за допомогою трубки (а) статичного напору (п’єзометричної трубки)ю Вимірявши різницю рівнів рідини в трубках, можливо виконати розрахунок швидкості потоку в місці встановлення трубки, яка визначається за формулою:

, (6. 2)

звідкіля швидкість визначається за формулою:

. (6. 3)

Гідродинамічна трубка являє собою комбінацію двох вказаних трубок в одному пристрою і має наступне улаштування (рис. 6. 2).

Рисунок 6. 2 Улаштування, габаритні і з’єднувальні розміри гідродинамічної трубки: 1 – циліндр; 2 – державка; 3 – осьовий канал; 4 – трубка повного напору; 5 – штуцер; 6 – канавка; 7 – кожух; 8 – прорізі; 9 – трубка статистичного напору; 10 штуцер

Головною частиною гідродинамічної трубки є вимірювальний циліндр 1, якій закріплений на державці 2. Носок циліндру має напівсферичну форму. Приймальником повного тиску є осьовий канал 3 циліндру, який спілкується через трубку повного напору 4, розташовану в державці зі штуцером 5

Для приймання статистичного тиску на боковій поверхні циліндру виконано канавки 6, які закриті кожухом 7 з прорізами 8. Через трубку статистичного напору 9, яка розташована в середині державки 2, канавки спілкуються зі штуцером 10.

До штуцерів 5 і 10 підключений диференціальний манометр для вимірювання різниці повного і статистичного видів тиску.

Внаслідок того, що приймальні отвори трубок спів ставити неможливо вимірювання тисків і проводять і різних точках потоку.

Ця обставина є джерелом виникнення систематичних похибок вимірювання гідростатичною трубкою. На точність отриманих результатів вимірювання впливають також розміри, ретельність виконаних приймальних отворів та її встановлення (рис. 6. 3).

Рисунок 6. 3 Схема встановлення гідродинамічної трубки

Для визначення сумарних похибок до розрахункової формули вводять поправочний коефіцієнт , завдяки якому формула, для визначення швидкості руху рідини, набуває вигляду:

. (6. 4)

Величина коефіцієнта визначається експериментальним шляхом (таруванням трубки). При великих значеннях числа Рейнольдса в зоні турбулентної автомодельності , при малих значеннях число Рейнольдса визначається за формулою:

. (6. 5)

Таким чином, поправочний коефіцієнт є функцією від значення числа Рейнольдса:

Випадкові похибки вимірювання обумовлені неточностями при визначені величини коефіцієнту і величини прискорення вільного падіння , а також у разі виконання розрахунків приладу, що вимірює перепад . Оцінювання величини випадкової похибки за допомогою відносної середньої квадратичної похибки проводиться за формулою:

, (6. 6)

де , , - відносні середньо квадратичні похибки відповідно коефіцієнта , різниці напорів і прискорення сили тяжіння.

Гідродинамічні трубки використовують для вимірювання швидкостей більше 1 м / с. При менших швидкостях вимірювання проводити трудно, внаслідок того що приходиться вимірювати і визначати малі перепади тиску.

Для отримання більш достовірних значень швидкості яка вимірюється гідродинамічною трубкою, останню необхідно встановити в потоці таким чином щоб плоскість приймальника повного напору була розташована нормально (перпендикулярно) до напрямку руху швидкості що вимірюється (рис. 6. 3). Таке встановлення відповідає максимальному значенню перепаду тиску . Тому при вимірюванні, правильне розташування підбирають вибором максимального перепаду тиску при обертах трубки відносно осі, розташований нормально (перпендикулярно) до осі потоку. Для зменшення похибок при вимірюванні швидкості внаслідок неточного встановлення трубок в потоці використовують трубки, які є мало чуйними до відхилень (скосів) параметрів потоку.

Циліндрична трубка

У тих випадках, коли необхідно крім швидкості потоку визначити також його напрямок, використовують трубки, які є чуйними до відхилень (скосів) параметрів потоку. Такою трубкою для вимірювання швидкості в плоских потоках є циліндрична трубка.

Циліндрична трубка (рис. 6. 4) представляє собою циліндр, на бокові поверхні якого виконано три отвори (1, 2 і 3), які з’єднані зі штуцерами приладу завдяки трубкам, розташованих в середині циліндру. Центральний отвір є приймальним повного тиску. Бокові отвори розташовані симетрично по відношенню до центрального; з їх допомогою визначається напрям потоку. Трубка кріпиться в поворотному координатнику і розташовується таким чином щоб площина центрів отворів співпадала с площиною (напрямкам) течії. Обертанням трубки відносно повздовжньої осі досягається положення, при якому перепад тиску в бокових отворах стане дорівнювати нулю. Для наглядом за перепадом тиску штуцера 2 і 3 приєднують до диференціального манометру. В указаному положенні центральний отвір 1 нормально (перпендикулярно) розташований до швидкості потоку. За отриманими значеннями різниці тиску в середньому і боковому отворах визначають швидкість потоку за формулою:

. (6. 7)

Величина коефіцієнту визначається парируванням за показаннями еталонної трубки.

Рисунок 6. 4 Циліндрична гідродинамічна трубка: 1 – отвір центральний; 2, 3 – отвори бокові

Для вимірювання напрямку і величин швидкостей в просторових потоках використовують шарові трубки, які мають центральний отвір для приймання повного тиску і чотири бокових отвори 1 – 4 для визначення напрямку потоку (рис. 6. 5)

Рисунок 6. 5 Шарова гідродинамічна трубка: 1, 2, 3, 4 – отвори; 5 – отвір центральний

Термоелектричні анемометри

Принцип вимірювання швидкості руху рідини термоелектричним анемометром оснований на змінювані електричного опору проволоки при зміні температури.

Вимірювання швидкості є можливим двома способами: при першому способі температура проволоки за допомогою опору що регулюється підтримується постійною і вимірюється потужність нагрівача якій розміщує втрату тепла; при другому способі величина потужності нагрівача підтримується постійною і вимірюється температура проволоки.

Термоанемометр (рис. 6. 6) являє собою розташовану в потоці рідини проволоку 1, яка виготовлена із інертного матеріалу (платини, вольфраму, нікелю), що припаяна двома кінцями до двох електродів 2, закріплених в державці 3, через котру пропускається електричний струм.

Проволока поміщується в потоці і нагрівається електричним струмом. протік, що обтікає проволоку, охолоджує її; електричний опір проволоки, при цьому, змінюється на деяку величину в залежності від швидкості потоку. фіксуючи ці зміни за допомогою відповідних електричних схем, можливо визначити величину місцевої швидкості потоку, яка розташовано нормально (перпендикулярно) до проволоки. Можливі два варіанти електричних вимірювальних схем з використанням термоанемометру з постійною силою струму і з постійними опором.

Рисунок 6. 6 Термоелектричний манометр: 1 – проволока; 2 – електроди; 3 – державка

В першому випадку (рис. 6. 7) проволоку включають в електричну мережу послідовно разом з батареєю живлення і реостатом . Реостат забезпечує можливість утримання постійної величини сили струму в мережі опору проволоки. останнє визначається по виміряній вольтметром різниці потенціалів на кінцях проволоки.

Рисунок 6. 7 Схема електричної мережі та кривої для тарування, яка працює за методом постійної сили струму: - швидкість потоку; - напруга струму

У другому випадку (рис. 6. 8) проволоку включають в одне з пліч моста Уінстона. Міст балансується при деякій величині швидкості. Зміна швидкості викликає розбаланс мосту, внаслідок зміни опору проволоки. для встановлення балансу температуру проволоки звертають до перш початкового значення шляхом зміни допоміжного опору . Вимірювальною величиною при цьому виступає сила струму в проволоці, яку можливо визначити за показаннями амперметру, який включено до зовнішньої мережі.

Рисунок 6. 8 Схема електричної мережі та кривої тарування, яка працює за методом постійного опору: - швидкість потоку; - сила струму

Співвідношення між виміряною величиною (показаннями термоанемометра) і швидкістю потоку при любому варіанту електричної схеми встановлюється попереднім таруванням

Перевагами термоанемометрів є малі габаритні розміри, мала інерційність і значна чуйність. У зв’язку з чим термоанемометри застосовуються при вимірюванні малих швидкостей, швидкостей поблизу твердих стінок, перемінних у часі швидкостей, у тих випадках, коли вимірювання іншими способами, вимірювання яких гідродинамічною трубкою, пов’язано може призвести до значних похибок. Особливого значення набуває використання термоанемометрів при вимірюванні турбулентних пульсацій, які головними приладами для проведення цих вимірювань.