- •Часть 1.
- •Раздел I. Измерения. Обработка результатов измерений.
- •Глава 1. Общие сведения о измерениях и средствах измерений.
- •Понятие об измерении.
- •Классификация измерений.
- •1.3. Задачи и качество измерений.
- •1.4. Погрешности измерения и измерительных приборов
- •1.5. Средства измерения.
- •1.6. Показатели качества средств измерения.
- •Показатели назначения.
- •1.8. Метрологическая надежность средств измерения.
- •Глава 2. Градуировка и поверка приборов.
- •Глава 3. Основные принципы построения и работы измерительных преобразовтелей.
- •Раздел II. Приборы и методы измерения параметров теплотехнических систем.
- •Глава 1. Приборы и измерения давлений и сил. Классификация.
- •1.1. Единицы измерения давлений.
- •1.2. Классификация приборов измерения давления.
- •1.2.1. Жидкостные приборы.
- •1.2.2. Манометры с упругим элементом.
- •1.2.3. Электрические манометры.
- •1.2.4. Измерители высоких давлений и разрежений.
- •1.2.5. Особенности измерения давлений в сложных условиях.
- •Приборы измерения давления
- •Глава 2. Приборы измерения сил.
- •2.1.Механические динамометры.
- •2.2. Гидравлические динамометры.
- •2.3. Упругие динамометры с электрическими датчиками. Тензометрические датчики.
- •Глава 3. Приборы измерения температур.
- •3.1. Понятие температуры. Температурные шкалы.
- •3.2. Приборы измерения температуры.
- •3.2.1. Контактные измерители температур.
- •3.2.2. Приборы бесконтактного измерения температур.
- •Пирометры частичного излучения
- •Оптические пирометры
- •Фотоэлектрические пирометры.
- •Пирометры спектрального отношения
- •Пирометры суммарного излучения.
- •3.3. Способы снижения метрологической погрешности контактных методов измерения температур.
- •Глава 4. Приборы измерения количества и расхода.
- •4.1. Объемные расходомеры.
- •4.2. Скоростные тахометрические расходомеры.
- •4.3. Расходомеры обтекания. Ротаметры.
- •4.4. Прочие измерители объемного расхода.
- •4.5. Расходомеры постоянного и переменного перепада давления.
- •4.6. Измерение скорости и расхода жидкости и газа пневмометрическими трубками (трубками Пито).
- •4.7. Измерение массовых расходов
- •4.7.1. Измерение массового расхода при маломеняющейся плотности.
- •4.7.2. Измерители массового расхода при значительных изменениях плотности гомогенных потоков.
- •4.7.3. Измерение массового расхода гетерогенных потоков.
- •4.8. Особенности градуировки и поверки расходомеров.
- •Раздел III. Основы дозиметрии.
- •1. Измерение интенсивности излучения.
- •2. Допустимые дозы.
- •3. Детекторы радиоактивного излучения.
- •Раздел IV. Методы и средства неразрушающего контроля материалов и изделий.
- •Глава 1. Акустические методы и средства нк.
- •1.1. Характеристики акустических методов.
- •1.2. Принципы построения акустических приборов.
- •Глава 2. Радиоволновые методы и средства нк.
- •2.1. Принципы построения радиоволновых приборов нк.
- •2.2. Приборы радиоволнового неразрушающего контроля.
- •Глава 3. Ионизирующие (радиационные) методы и средства нк.
- •Глава 4. Магнитные методы и средства нк
- •Глава 5. Токовихревые методы и средства.
- •5.1. Общие принципы токовихревых методов нк.
- •5.2. Токовихревые преобразователи.
- •5.3. Измерительные цепи токовихревых приборов.
- •5.4. Особенности контроля материалов и изделий токовихревым методами.
- •Глава 4. Магнитные методы и средства нк
4.5. Расходомеры постоянного и переменного перепада давления.
Одним из наиболее распространенных и изученных способов измерения расхода жидкостей, газов и пара является метод измерения расхода по перепаду давления в дроссельных устройствах. Последнее устанавливается в трубопроводе и создает в нем местное сужение, вследствие чего при протекании вещества повышается скорость в суженном сечении по сравнению со скоростью потока до сужения. Увеличение скорости, а, следовательно, и кинетической энергии в суженном сечении вызывают уменьшение потенциальной энергии потока в этом сечении. Соответственно статическое давление в суженном сечении будет меньше, чем в сечении до дроссельного устройства. Таким образом, при протекании вещества через дроссельное устройство создается перепад давления, зависящий от скорости потока и, следовательно, расхода жидкости. То есть, перепад давления ΔР в дроссельном устройстве, измеренный с помощью дифференциального манометра, может служить мерой расхода вещества. Численная же величина расхода может быть определена по перепаду давления расчетным путем. В качестве дроссельных устройств обычно применяют, диафрагмы, сопла и трубы Вентури.
Характер потока и распределение давлений вблизи дроссельного устройства наглядно показаны на рис. 32. На рисунке показана диафрагма, которая представляет собой тонкий диск с отверстием круглого сечения, центр которого лежит на оси трубы. Сужение потока начинается до диафрагмы и на некотором расстоянии за диафрагмой поток достигает минимального сечения. Далее поток постепенно расширяется до полного сечения трубопровода. Сплошной линией представлена кривая, характеризующая распределение давления вдоль стенки трубопровода; кривая же, изображенная пунктирной линией, характеризует распределение давлений по оси трубопровода. Как видно из рисунка, давление за диафрагмой полностью не восстанавливается.
Рис. 32. Характер потока и распределение давлений вблизи дроссельного устройства.
Значительная потеря давления при протекании вещества через диафрагму обусловлено главным образом внезапным расширением живого сечения струи после выхода потока из диафрагмы и наличием мертвых зон, заполненных вихреобразованиями, на что затрачивается значительная часть энергии. Изменение направления струек перед диафрагмой и сжатие струи после диафрагмы имеют незначительное влияние.
Улучшение характеристик точности может быть достигнуто применением двойных диафрагм.
Рис. 33. Профили сопел: А – сопло для m≤0,444; Б – для m>0,444
Сопло отличается от диафрагмы тем, что при протекании вещества через него сужение струи со стороны входа частично происходит в пространстве, ограниченном профилированной частью сопла. Благодаря этому вихри перед соплом занимают меньшее место и потеря энергии соответственно меньше. Кроме того, профилированная и цилиндрическая части сопла подбираются обычно таким образом, чтобы при протекании через него вещества достигалось в достаточной степени полное сжатие струи; в этом случае площадь отверстия сопла может быть принята равной минимальному сечению струи. Кривая изменения давления имеет почти тот же характер, что и для диафрагмы.
Труба Вентури состоит из сужающейся части, аналогичной соплу, переходящей в короткий цилиндрический участок, и из расширяющейся части — диффузора. В этой форме дроссельного прибора благодаря плавному профилю сопла и в особенности наличия диффузора потеря давления δР наименьшая.
Все дроссельные устройства характеризуются модулем m.
Модуль может иметь значение для диафрагмы 0,05 – 0,7; для сопл – 0,05 – 0,65; для сопл Вентури 0,05 – 0,6
Главный недостаток расходомеров с сужающими устройствами – узкий рабочий диапазон каждого данного расходомера, что вызвано квадратичной зависимостью между расходом и перепадом давления. Отношение Qmax/Qmin не должно превышать 3 – 4, потому что с его увеличением резко возрастает погрешность измерения вблизи Qmin. Безвозвратные потери давления δР оцениваются разностью полных давлений, измеренных в сечениях 1 –1 и 3 – 3.
Уравнение расхода для несжимаемой жидкости.
Предположим, что жидкость идеальна, скорости в сечениях 1 – 1 и 2 – 2 равны по всему сечению средней скорости и параллельны оси трубы, труба горизонтальна, тогда
∫WdW= - ∫dP/ρ (1)
Решив это уравнение, получаем:
Ρ(W’22 – W’21) = 2(P1’ – P2’) (2), где
P1’ и P2’ – средние скорости в сечениях 1 – 1 и 2 – 2; ρ – плотность жидкости; W1’ и W2’ – средние скорости в сечениях 1 – 1 и 2 – 2.
Из уравнения неразрывности ρWF=M=const;
F1W1=F2W2 (3)
Выразим через площадь дроссельного устройства F0, F2
F2=kF0 (4), где
K – коэффициент сужения струи
W1=kW2’F0/F1=kW2’m (5).
Пользуясь уравнением (2) получаем (6),
(6)
Значит, измеряем на самом деле давления Р1 и Р2, поэтому вводим поправочный коэффициент b, тогда реальная скорость W2
(7)
Весовой секундный расход для несжимаемой жидкости
G=W2ρF2=kW2ρF0 (8)
Объединив b, k, m в общий коэффициент , получим в итоге
[кг/с], или[м3/с]
В случае измерения расхода газа необходимо учесть изменение его плотности. Считаем, что состояние газа меняется по уравнению адиабаты.
Р/ρх=с (9),
Где х – показатель адиабаты, с = const.
Тогда уравнение сохранения энергии (1) принимает вид 1/ρ=(с/Р)1/х,
(11)
Проведя аналогичные преобразования, получим:
[кг/с], или[м3/с],
где ε – поправка на расширение газа.
Коэффициент расхода газа μ зависит от плотности вещества, его вязкости, скорости потока, площади сечения отверстия дроссельного устройства, площади самого трубопровода, шероховатости стенок трубопровода, все это можно представить в следующем виде:
Для определения коэффициента расхода есть таблицы, выражающие зависимость μн от Re и m, вводятся также поправки: μ1 – на вязкость среды; μ2 – на шероховатость стенок трубы; μ3 – на остроту входной кромки у диафрагм. Все они затабулированы.
μ=μнμ1μ2μ3, - для диафрагм;
μ=μнμ1μ2, - для сопел и труб Вентури.
Поправочный множитель ε также имеется в таблицах.
В случае измерения расхода газа при отношениях давлений равных или меньше критического есть возможность использовать критическую шайбу с одним замером давления перед шайбой Р1. При отношении давлений Р2/Р1 равных или меньших критического расхода газа через дроссельное устройство достигает своего максимума и остается постоянным. В этом случае расход рассчитывается по следующим формулам:
[кг/с]
Расходомеры с суживающимися устройствами непригодны для измерения быстропеременных расходов, что связано с инерционностью процессов в измерителях перепада давления и соединительных магистралях.