Градуювальні випробування витратомірної діафрагми

Мета лабораторної роботи: вивчення схеми та методики вимірювання витрати рідини та газів за допомогою звужуючого пристрою – діафрагми, набуття навичок проведення градуйованих випробувань.

Задачі лабораторної роботи – експериментальне визначення залежності між витратою рідини та перепадом статичних тисків перед та за діафрагмою, порівняння експериментальної та теоретичної характеристик.

Фізичні принципи вимірювання витрати за допомогою звужуючих пристроїв

Метод вимірювання витрат по перепаду тиску на звужуючому пристрої засновано на залежності перепаду тиску в нерухомому звужуючому пристрої, який встановлюється на трубопроводі, від витрати суцільного середовища. Звужуючий пристрій необхідно розглядати як первинний перетворювач витрати. Існуючий у звужуючому пристрої перепад тиску вимірюється вторинним приладом – дифманометром. Сукупність технічних засобів вимірювання - первинний перетворювач, вторинний вимірювальний прилад, лінії (канали) зв’язку між ними та допоміжні пристрої утворюють вимірювальну систему.

Розглянутий принцип вимірювання полягає в тому , що при протіканні потоку через отвір звужуючого пристрою підвищується швидкість потоку у порівнянні зі швидкістю до звуження. Збільшення швидкості, тобто, кінетичної енергії, визиває еквівалентне зменшення потенційної енергію потоку, яка вимірюється його статичним тиском. Таким чином, встановлюється однозначна відповідність: певному перепаду статичних тисків ΔР, виміряному дифманометром, відповідає певна витрата середовища G.

Функціональна залежність виду:

ΔР =f(G)

називається градуювальною характеристикою первинного вимірювального перетворювача – звужуючого пристрою.

Використання розглянутого метода вимірювання потребує виконання певних умов:

1. Гідравлічний режим потоку може бути усталеним.

2. Потік повинен повністю заповнювати перетин трубопроводу.

3. Фазовий стан потоку не повинен змінюватись при протіканні через звужуючий пристрій.

4. На внутрішній поверхні трубопроводу поблизу звужуючого пристрою та на самому пристрої не повинні утворюватися осади або відкладення.

Окрім того, перед та за звужуючим пристроєм недопустимо збурення форми потоку суцільного середовища. Тому при установці звужуючого пристрою необхідно забезпечити прямі ділянки труб на протязі не менше 8Д (Д- діаметр трубопроводу) за звужуючим пристроєм та (10…90) Д. перед ним з урахуванням виду місцевих опорів та геометрії звужуючого пристрою [1].

В якості звужуючих пристроїв для вимірювання витрати рідини, газів та пару найбільш часто застосовуються камерні та безкамерні діафрагми, показані на рис. 5.1.

У діафрагм безкамерних (ДБ) відбір тисків здійснюються через отвори безпосередньо біля кінця діафрагми (див. рис. 5.1., а) Більш точні та зручні в експлуатації діафрагми камерні (ДК) з відбором тисків через кільцеві камери (див.рис. 5.1.,б) Проте такі діафрагми більш трудомісткі при виготовленні.

Розрахункове рівняння витрати середовища, що протікає через діафрагму, приведено в [2]:

(5.2)

де G – максимальна витрата середовища, кг/год, K_e - постійний коефіцієнт, який залежить від вибору одиниць, K_t – поправочний коефіцієнт на теплове розширення матеріалу звужуючого пристрою, α – коефіцієнт витрати ,  - поправка на розширення суцільного середовища при переході через звужуючий пристрій (для рідин  =1), m – модуль звужуючого пристрою, Д- внутрішній діаметр трубопровода,  - густина середовища в незбуреному потоці до звужуючого пристрою, кг/м³ , ΔР – перепад тиску на звужуючому пристрої, який

Рис. 5.1. Типові конструкції діафрагм для вимірювання витрати рідини, газів та пари.

а- діафрагма безкамерна ; б – діафрагма камерна;

1- отвір для відводу тисків ; 2- циліндрична проекція вісей стягуючих болтів діафрагми; 3- центральний отвір діафрагми; 4 - ущільнюючі прокладки; 5- кільцева камера діафрагми.

виражений або в одиницях тиску (ПА) або в одиницях напору (метрах стоба рідини).

Модуль звужуючого пристрою визначається за формулою:

m=F₀/F (5.3)

або

(5.4)

де F₀ та F – площа перетину відповідно отвору діафрагми та трубопроводу, Д₀ ,Д – діаметр відповідно отвору діафрагми та трубопроводу (внутрішній).

Якщо є можливість забезпечити стійкість коефіцієнтів α, , К_t то залежність (5.2.) приводиться до виду

(5.5)

де К – постійний коефіцієнт.

В багатьох випадках в певних інтервалах вимірювання витрати з достатньою для практики точністю можна прийняти К_t = const ;  = conat. Крім того, може бути забезпечене незмінне значення коефіцієнта витрати α , якщо число Rе , що характеризує гідравлічний режим потоку, що задовольняє умові:

Rе  Rе_m , (5.6)

де Rе_m - граничне значення чисел Рейнольдса, визначається з номограм в [3, 4] та залежить від модуля m звужуючого пристрою.

Для стандартних звужуючих пристроїв значення коефіцієнта К в (5.5) може бути визначене розрахунковим шляхом за формулами та номограмами, які наведені в [3, 4]. В інших випадках, а також при установці звужуючих пристроїв на трубопроводах малих діаметрів при Д < 30 мм- для рідин та при Д < 50 мм – для газів, залежність (5.1) повинна визначатися тільки на основах градуювальних випробувань.

Установка для проведення градуювальник випробувань.

Схема вимірювальної установки для проведення грауювальних досліджень діафрагм на основі об’ємного методу показана на рис.5.2.

Камерна діафрагма 1 встановлена на лінії трубопроводу 2 холодної води. Для вимірювання перепаду тисків перед і за діафрагмою використовується рідинний U- подібний дифманометр 3, з’єднаний червономідними трубками 4 з «плюсовою» і «мінусовою» камерами діафрагми. Термометр 5 вимірює температуру води.

Оскільки дифманометр розміщено вище діафрагми, то додатково встановлені крани для випуску повітря 6, які запобігають попаданню кульок в U- подібну трубку дифманометра . Байпасна лінія передбачена для запуску установки, дозволяє захистити дифманометр від початкового гідравлічного удару.

Для вимірювання об’ємі води, який пройшов через діафрагму за певний час досліджень, використовується вертикальний циліндричний резервуар 8, обладнаний скляною трубкою для вимірювання рівня 9. Опорожнення резервуара перед кожним дослідом здійснюється через лінію дренажу 10.

Рис. 5.2. Схема вимірювальної установки для проведення градуювальних досліджень діафрагми об’ємним методом.

1-камерна діафрагма; 2 - трубопровід холодної води; 3- U подібний рідинний дифманометр типу ДТ-150; 4- імпульсні трубки; 5- термометр; 6- кран для випуску повітря; 7- байпасна лінія діафрагми; 8- резервуар; 9- трубка для вимірювання рівня; 10- дренаж; 11…15 запірно-регулювальні вентилі.

Різноманітні гідравлічні режими дослідження діафрагми задаються за допомогою запірно-регулювальних вентилів 12 та 14.

Для визначення відрізків часу , які витрачені на заповнення резервуару, застосовується стрілочний секундомір (на рис.5.2 не показано).

Методика проведення дослідження

Підготовка до випробування

Провести ознайомлювальний огляд установки, знайти всі прилади, обладнання і арматуру, які показані на схемі (див.рис.5.2). Методом пробного закручування маховиків упевнитися, що вентилі 11…14 закриті, а вентиль 15 відкрито на два повних оберти. При огляді дифманометра упевнитися, що межа розділу рідин – находиться на відмітці 0-0 шкали дифманометра.

Відкрити вентилі 11 та 13 на один повний оборот. При цьому повинно спостерігатись витікання води з бака в дренажну лінію. За допомогою вентиля 11 відрегулювати режим течії так, щоб при відкритому вентилі 15 не відбувалося наповнення резервуара 8. Потім не кваплячись відкрити вентиль 14 (до двох повних оберту) при постійному візуальному спостереженні за U подібної трубки дифманометра. Рівні рідини в трубці після початкового коливання в межах 10…20 мм повинні зупинитися на вихідній нульовій відмітці. В іншому випадку вентиль 14 необхідно швидко закрити та пояснити ситуацію викладачу.

Впевнившись, що рівні рідини установились на відмітці 0-0, плавно відкрийте вентиль 12 до одного повного обороту маховика, але так, щоб показання дифманометра не перевищували 40 мм, що відповідає перепаду рівнів рідини в U- подібній трубці 80 мм.

Режим випробовувань

Рекомендовані режими градуювального випробовування діафрагми встановлюються за вказаними інтервалами показань дифманометра, які наведені в графі 2 таблиці 5.1.

Перші шість режимів складають ряд випробовувань з витратами, що послідовно зростають. Режими № 7-12 характеризуються спаданням витрат. Режим №1 встановлюється вентилями 13 та 14, інші режими – вентилями 14 та 12.

Для встановлення режиму № 1

а) провести підготовку до випробування;

б) за рахунок повільного відкривання вентиля 14 довести показання дифманометра до нижнього рекомендованого граничного режиму № 1, т.б. до

h_1н ≈ 50-10 = 40 мм (див.табл.5.1);

в) повільно закривати вентиль 13, довести показання дифманометра до 60 мм (значення верхньої рекомендованої межі першого випробування);

г) повторити операції п.п. б), в) до повного закриття вентиля 13.

Таблиця 5.1.