Загальні теоретичні відомості

Лабораторна робота

Тема: Вимірювання витрати повітря за допомогою витратомірів змінного перепаду тиску і швидкісного опору.

Мета роботи: вивчити призначення, принцип дії і будову витратомірів змінного перепаду тиску; вивчити технічні засоби і особливості вимірюванняі розрахунку витрати повітря в лабораторних умовах. Ознайомитись з призначенням лабораторної установки і її основним обладнанням.

Прилади і обладнання: джерело витрати повітря (повітродувка), повітрепровід (труба) з вмонтованою діафрагмою і напірною трубкою, U-подібний рідинний дифманометр для вимірювання перепаду тиску на діафрагмі, U-подібний рідинний дифманометр для вимірювання перепаду тиску на трубі Піто, давач витрати повітря (градуйована заслонка).

Загальні теоретичні відомості

Прилади для вимірювання витрати речовини (рідин, газів, пари), при роботі яких використовується метод змінного перепаду тиску, називаються витратомірами змінного перепаду тиску (ВЗПТ). Принцип дії таких витратомірів базується на залежності від витрати речовини перепаду тиску, якийстворюється звужуючим пристроєм, вмонтованім у трубопроводі, або ж безпосередньо самим звужуючим елементом трубопроводу.

ВЗПТ складається щонайменше з трьох окремих частин:

1) перетворювача витрати, який створює перепад тиску в залежності від витрати;

2) диференціального манометра (скорочено дифманометра), який вимірює перепад тиску і проградуйований, як правило, в одиницях витрати;

3) з’єднювального пристрою (наприклад, імпульсних трубок), який передає перепад тиску від перетворювача до дифманометра.

У випадку необхідності передачі показів витратоміра на значні (більше 10 – 15 м) відстані до цих частин додаються ще три:

4) перетворювач, який перетворює переміщення рухомого елемента дифманометра в електричний або пневматичний сигнал, який є зручним для передавання;

5) лінія зв’язку – електричні провідники або трубки, по яких передається сигнал від перетворювача;

6) вимірювальний прилад, що вимірює сигнал, який сформований перетворювачем і проградуйований в одиницях витрати.

Дифманометр і вимірювальний прилад може бути показуючим, самописним, інтегруючим і, крім того, обладнаний сигнальним і регулюючим пристроєм. Найбільше поширення серед промислових ВЗПТ отримали витратоміри із звужуючими пристроями. Це пояснюється такими їхніми перевагами як:

− універсальність застосування та зручність масового виробництва. Вони придатні для вимірювання витрати практично будь-яких середовищ, в трубах різноманітних діаметрів і при будь-яких значеннях тиску і температури. Індивідуально виготовляється тільки перетворювач витрати – звужуючий пристрій. Всі решта частини ВЗПТ – це серійно виготовлені прилади, конструкція яких не залежить ні від виду вимірювального середовищо, ні від значення витрати.

Поряд з цим, ВЗПТ властиві такі недоліки:

1. Квадратична залежність між витратою і перепадом тиску.

2. Обмежений діапазон вимірювання Qmax / Qmin = 3/1.

3. Порівняно велика гранична приведена похибка, яка в більшості випадків характеризується 3%, а при нижніх границях вимірювання може досягати навіть 5 %.

Конструктивно звужуючі пристрої бувають: діафрагми, сопла, сопла Вентурі і труби вентурі, до теперішнього часу трубки Піто. Найбільш широко досліджені діафрагми і сопла, які Міжнародною організацією по стандартизації (МСО) рекомендовані для широкого застосування.

При вимірюванні витрати газу його густина зменшується при проходженні через звужуючий пристрій внаслідок зниження тиску, в результаті чого масова Q_М (чи об’ємна Q_об) витрата, характерна для початкової швидкості, трохи збільшиться. Для врахування цього вводять поправочний множник на розширення газу , менший за одиницю.

В такому випадку рівняння для визначення масової і об’ємної витрати набувають вигляду

(1)

(2)

Ці рівняння є основними залежностями між витратою газу і перепадом тиску на звужуючому пристрої.

Залежність густини газу (кг/м³⁾ в робочих умовах від температури і тиску визначається за формулою

(3)

де - густина сухого газу в стандартних умовах, тобто при тиску = 1,01325×10⁵ Па і температурі =293,15 К; , - тиск газу та температура при стандартних умовах відповідно; , - абсолютний тиск газу та температура перед звужуючим пристроєм відповідно; z – коефіцієнт стисливості газу.

Підставивши в формулу (3) цифрові значення густини і температури при стандартних умовах, отримаємо формулу, яка часто використовується на практиці, для визначення густини газу в робочих умовах

(4)

Абсолютний тиск середовища р₁ дорівнює сумі надлишкового тиску р_1н, що вимірюється перетворювачем тиску чи манометром, і барометричного (атмосферного) тиску р_б, тобто

(5)

Із формули (3) видно, що із збільшенням абсолютного тиску р₁ і зниженням фактичної температури газу Т₁ густина газу при робочих умовах збільшується, а при зменшенні тиску і підвищенні температури – зменшується.

Коефіцієнт стисливості газу z характеризує непропорційність зміни об’єму газу із зміною тиску і температури. Вплив коефіцієнта z на густину газу при різних тисках і температурах досить сильний. Так, для природного газу значення z може мінятися від z=1 (при р_н=0,1 МПа і Т_н=293,15 К) до z=0,5 (при р₁=10МПа і Т₁=223,15 К).

Рівняння, що позв’язує витрату газу, приведену до стандартних умов, з витратою газу в робочих умовах, має вигляд

(6)

Підставивши в це рівняння значення фактичної густини газу із виразу (2) і значення об’ємної витрати , отримаємо формулу об’ємної витрати газу, приведеної до стандартних умов:

(7)

де - об’ємна витрата газу, приведена до стандартних умов, м³/год.

Деколи облік газу та визначення основних параметрів здійснюється у позасистемних одиницях. Тоді витрата газу за стандартних умов виражається в кубічних метрах за годину, діаметр отвору діафрагми d – в міліметрах, перепад тиску - в кілограм-силах на квадратний метр, тиск в кілограм-силах на квадратний сантиметр. В цьому випадку формула (3) при р_н=1,0332 кгс/см² і Т_н=293,15 К набуде вигляду