Приборы для измерения давления жидкостей и газов. Приборы для измерения давления

Нальчик 2005 г.

УДК 5 32 (075)

ББК30.123 я 73

Рецензент к.т..н. доцент КБГСХА А.Г. Шурышкин

Составители: Луценко Е.В., Барагунова Л.А.

Методические указания по выполнению лабораторных работ

по гидравлике. – Нальчик / Каб.-Балк ун-т, 2005 г. -45с.

В методических указаниях по выполнению лабораторных работ по гидравлике рассмотрен традиционный перечень работ, выполняемых студентами инженерных специальностей вузов, в учебных программах которых предусмотрен общий курс гидравлики и гидродинамики.

Указания могут быть также использованы студентами специальностей 030600 –«Технология и предпринимательство», 320700 – «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов»

© Кабардино-Балкарский ордена Дружбы народов государственный университет, 2005 г.

Лабораторная работа № 1

Измерительные приборы и оборудование

Цель работы

Ознакомиться с лабораторией гидравлики, приборами и оборудовани­ем. Усвоить технику безопасности и правила работы в лаборатории. Изу­чить приборы и методы определения давления, скорости и расхода жидкости.

Техника безопасности

2.1. В лаборатории должна соблюдаться строгая учебная дисциплина.

2.2. Перед началом занятий в лаборатории студенты должны полу­чить инструктаж и расписаться в журнале по технике безопасности.

2.3. Перед началом работы следует освободить рабочие места от по­сторонних предметов, т.к. захламленность рабочего места бывает причиной несчастного случая.

2.4. В лаборатории запрещается: находиться в верхней одежде;

Курить и пользоваться открытым огнём;

Включать и производить монтажные работы без разрешения преподавателя;

Выполнять лабораторную работу одному члену бригады;

Касаться токоведущих оголенных частей, клемм, монтажных коло­док, находящихся под напряжением;

Находиться в зоне ограждения центробежных насосов, муфт и элек­тродвигателей.

2.5. При обнаружении неисправной рабочей установки поставить в из­вестность преподавателя,

2.6. По окончании проведения работ необходимо выключить установ­ку и убрать рабочее место.

2.7. В случае обнаружения возгорания незамедлительно обесточить ус­тановку, поставить в известность преподавателя и приступить к ликвидации очага возгорания.

2.8. Токоведущие части и электродвигатели тушатся при помощи су­хих углекислотных огнетушителей,

2.9. Тушение гидросистем, содержащих минеральные масла, допуска­ется при помощи кошмы, пропитанной огнестойким составом.

Оборудование, приборы и методы для измерения давления, скорости и расхода жидкости

Лабораторные работы по общей гидравлике выполняются на стенде с на­порным баком, в котором поддерживается постоянный уровень воды и трубопро­водом, имеющим различные местные сопротивления, трубку Вентури, задвижку и параллельно включенный трубопровод без местных сопротивлений, используемый для определения потерь по длине. На трубопроводе установлены приборы для оп­ределения давления, скорости и расхода жидкости.

По принципу действия различают приборы жидкостные, пружин­ные, электрические, комбинированные и т.д.

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

Действие пружинных манометров основано на применении закона Гука. Сила давления деформирует упругий элемент прибора, пружину, которая может представлять собой полую трубку, мембрану, сильфон и т.д. Деформация упругого элемента, вызванного давлением, служит его мерой

Действие электрических приборов основано на использовании пропорциональности между изменением некоторых электрических свойств ма­териалов и изменением давления. Например, омическое сопротивление неко­торых сплавов пропорционально давлению окружающей среды. Величина электрических зарядов, появляющихся на поверхности кристаллического диэлектрика при сжатии или растяжении кристалла, пропорционально дейст­вующему давлению; это свойство используется при измерении быстропеременных давлений.

3.1. Приборы для измерения давления.

Приборы для измерения давления очень разнообразны. По характеру измеряемой величины приборы разделяются на группы:

Приборы для измерения атмосферного давления - барометры:

Приборы для измерения избыточного давления и вакуума - мано­метры и вакууметры. Приборы, которыми можно измерять избыточное дав­ление и вакуум называют мановакууметрами.

Приборы для измерения абсолютного давления - манометры абсолют­ного давления. Абсолютное давление можно измерять с помощью баромет­ра и манометра либо вакууметра.

Тогда Р абс = Р атм + Р из6 - если измеряемое давление больше атмосферного.

Р абс = Р атм - Р из6 - если измеряемое давление меньше атмосферного;

Приборы для измерения разности давлений - дифференциальные ма­нометры;

Приборы для измерения малого избыточного давления - микроманометры. К комбинированным относятся приборы, принцип действия которых носит смешанный характер (электромеханические приборы).

Основными характеристиками приборов являются класс точности, диапазон измеряемых давлений, чувствительность, линейность, быстродей­ствие. Установлены следующие классы точности для приборов измеряющих давления: 0,005; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,4; 0,5; 1,0; 2,0; 5,0; 6,0. Приборы клас­сов точности 0,5 - 6,0 используются как рабочие.

3.2. Приборы для измерения скорости движения жидкости.

Для измерения местных скоростей потоков применяются гидродина­мические трубки и термоэлектрические анемометры

Определение скоростей с помощью гидродинамических трубок осно­вано на измерении динамического давления , равного разности полного Р 1 и статического Р 2 давления в потоке.

Полное давление измеряется трубкой полного напора, представляю­щей собой изогнутую трубку, один конец которой помещен в поток так, что его нормальный срез ориентирован перпендикулярно скорости потока, дру­гой конец открыт в атмосферу, В такой трубке жидкость поднимается на вы­соту pgh 2 т.е. P 2 = pgh 2 .

Статическое давление измеряется трубкой статического напора, жид­кость в трубке поднимается до высоты т.е. Р 1 = pgh 1 , тогда

Р 2 - Р 1 = pgh 2 - pgh 1 = pgDh или u= .

Для учёта ошибок в формулу вводят коэффициент К:

Величина К определяется экспериментальным путём - тарированием трубки. Средняя скорость потока V определяется как частное от деления рас­хода Q на величину площади живого сечения ω.

3.3. Приборы для измерения расхода.

Приборы для измерения количества жидкости разделяются на мерные баки и механические счетчики жидкости. Мерные баки представляют собой тарированные ёмкости, снабженные отверстиями для выпуска воды. Мерные баки выполняются двухкамерными и однокамерными.

Механические счётчики представляют собой прибор, основной ча­стью которого является рабочий орган, приводимый в периодическое движение жидкостью протекающей через прибор. Число циклов рабочего органа, пропорционально количеству протекшей жидкости, измеряется счёт­ным механизмом. Счётчики разделяют на объёмные, скоростные и весовые

Кроме выше перечисленных приборов применяют ротаметры, диа­фрагмы, трубы Вентури.

Измерение небольших расходов осуществляется объёмным способом с помощью мерных баков определенного объёма. Секундомером определя­ется время наполнения при установившемся движении жидкости.

Величина расхода определяется отношением объёма жидкости (W) на продолжи­тельность его наполнения (t), в секундах

Для измерения больших расходов в открытых потоках применяются мер­ные водосливы (обычно треугольные или прямоугольные в тонкой стенке, рабо­тающие на режиме незатопленной струи), насадки, диафрагмы. Эти приборы дают меньшую точность определения расхода, чем объёмный или весовой. Общей фор­мулой для подсчёта расхода, перетекающего через водослив, является

где ω - площадь водослива; m - постоянная водослива.

Точные значения mопределяются экспериментально, путем тарирова­ния водослива. Существуют эмпирические формулы для подсчета m.

Способ измерения расхода с помощью диафрагмы (сопла) основан на создании в потоке перепада давления, который измеряется ртутным диффе­ренциальным манометром. Тогда расход жидкости определяется по формуле

где m - коэффициент расхода; w- площадь сечения отверстия диафрагмы; Dh - разность уровней в пьезометрах, установленных перед и после нее.

4. Контрольные вопросы

4.1.Какое устройство в напорном баке служит для получения устано­вившегося движения жидкости?

4.2.Как определить расход жидкости в трубопроводе?

4.3.Как определить среднюю скорость жидкости в любом сечении трубопровода?

4.4.Какие приборы служат для измерения давлений, скорости, расхода?

4.5.Какие методы служат для определения больших величин расхода?

Литература

5.1.Башта Т.М. Гидравлика, гидравлические машины и гидроприводы. - М: Машиностроение, 1982. - С. 40-44; 58-61.

5.2.Кедров B.C., Калицун В.И. Гидравлика, водоснабжение и канали­зация. Стройиздат, 1972. - С. 22-25.

5.3.Угинчус А.А. Гидравлика и гидравлические машины - Харьков 1970. -С. 116-1 18, 131-136.

5.4.Руднев С.С. Лабораторный курс гидравлики насосов и гидропере­дач. - М.: Машиностроение, 1974. - С. 49-100.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

Опытная проверка уравнения Д.Бернулли

Цель работы

Определение величин, входящих в уравнение Бернулли для потока реальной жидкости; построение пьезометрической линии и линий полной удельной энергии.

Введение

Уравнение Бернулли является основным уравнением гидродинамики. Оно устанавливает взаимосвязь между скоростью движения жидкости, ее давлением, потерями энергии. Уравнение Бернулли имеет вид:

,

где z и z -удельная энергия положения, измеряется в (м);

; -удельная энергия давления, измеряется в (м);

; -удельная кинетическая энергия, измеряется в (м);

; -коэффициенты, учитывающие неравномерность распределения скорости по живому сечению;

Потери удельной энергии в (м).

Измерительные приборы

Линейка, секундомер, мерный бак объёмом W= 15000 см , пьезометр.

1-напорный резервуар;

2-трубопровод переменного сечения с местными сопротивлениями;

3-пьезометрические трубки, установленные в характерных сечениях;

4-кран для регулирования расхода;

Классификация приборов

2. Манометры и вакуумметры – приборы для измерения положительного избыточного давления и вакуума – отрицательного избыточного давления, взятого с положительным знаком. Приборы, измеряющие оба эти давления, называются мановакуумметрами.

3. Дифференциальные манометры – приборы для измерения разности давлений.

4. Приборы для измерения малых величин избыточного давления или вакуума – микроманометры.

Приборы для измерения давления имеют следующие классы точности: 0,005; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,4; 0,5; 1,0; 2,0; 2,5; 4,0; 6,0. Приборы с классами точности 0,005…0,4 используются как образцовые, а остальные – как рабочие (или технические).

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

Жидкостные приборы

Принцип их действия заключается в том, что измеряемое в точке подключения давление уравновешивается давлением столба жидкости, высота которого служит мерой давления.

Пьезометр применяется для измерения положительных и отрицательных избыточных давлений и представляет собой прозрачную трубку, один конец которой открыт и сообщается с атмосферой, а второй подсоединен к месту измерения давления (рис. 1.2).По показаниям пьезометров 1 и 3 определяются положительные избыточные давления соответственно в точке А и на свободной поверхности :

; , (1.5)

где и - плотность и удельный вес в сосуде и пьезометрических трубках.

Для измерения отрицательного избыточного давления пьезометрическая трубка должна быть изогнута и подключена к месту измерения давления, таким образом, как это показано на рис. 1.2. При этом уровень жидкости

(той же самой, что и в сосуде) в правом открытом конце пьезометра будет ниже, чем в точке подсоединения прибора, который будет называться - образным пьезометром.

- образныймановакуумметр (рис.1.3) отличается от него тем, что в нем используется рабочая жидкость, удельный вес

которой значительно превышает удельный вес жидкости в сосуде. Это позволяет уменьшить высоту подъема жидкости в приборе, а соответственно - и его габариты, и увеличить диапазон измеряемых давлений.

Избыточное давление в точке А определяется из выражения

. (1.6)

Чашечный мановакуумметр(рис. 1.4) представляет собой модификацию -образного

прибора, у которого одно из колен заменено чашкой. Ее диаметр велик по сравнению с диаметром трубки, что позволяет пренебречь изменением уровня жидкости в чашке, принимая его за “0” отсчета. При необходимости поправку можно учесть, исходя из равенства изменения объемов жидкости в трубке и чашке.

По показаниям прибора (рис. 1.3) отрицательное избыточное давление в точке А находится по зависимости

При положительном избыточном давлении в точке присоединения прибора уровень рабочей жидкости в трубке будет выше уровня в чашке, а разность - положительной.

Дифференциальный манометр (рис. 1.5) обоими концами изогнутой прозрачной трубки 1 присоединяется к точкам, разность давлений в которых необходимо определить.

В приведенном примере это разность давлений и на уровнях центров сосудов 3 и 2, заполненных одинаковой жидкостью с плотностью .

Поверхностью равного давления будет горизонтальная плоскость 0-0, в которой давления, создаваемые столбами жидкости в левой и правой трубках, будут одинаковы. Это условие записывается уравнением

из которого получаем после некоторых преобразований:

т. е. для определения разности давлений в точках присоединения прибора необходимо знать не только его показания , но и разность высот мерных точек.

Для увеличения точности при измерении малых давлений в газах (до Па) применяют чашечные микроманометрыс наклонной трубкой (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Микроманометр

При измерении положительного избыточного давления чашка 1 заполнена рабочей жидкостью, сообщается с местом его измерения в какой-либо газовой среде, а верхний конец наклонной трубки 2 – с атмосферой.

Под действием давления жидкость в трубке перемещается на величину , а значение измеряемого давления определяется из выражения

где - угол наклона трубки относительно горизонтальной плоскости.

Благодаря простоте устройства, высокой точности измерений давления и стабильности обеспечения этой точности с течением времени, жидкостные приборы стали широко применяться в лабораторной практике, а также как образцовые при поверке и градуировке шкал других приборов для измерения давления.

Практически точность измерения давления жидкостными приборами определяется главным образом точностью измерения высот.

Ошибки в величинах определения плотностей, неточности градуировки шкал обычно незначительны.

К недостаткам жидкостных приборов следует отнести их хрупкость, нетранспортабельность, узкий диапазон измеряемых давлений, не превышающих 0,4 МПа для ртутных манометров, громоздкость. При использовании ртути и других тяжелых жидкостей, пары которых ядовиты, необходимо соблюдать меры предосторожности, исключающие контакт этих жидкостей с атмосферой и выброс в нее.

Пружинные приборы

Их работа основана на использовании закона Гука при деформациях под действием давления других элементов приборов – пружин, которые могут быть выполнены в виде изогнутой трубки, мембраны, сильфона и пр.

Рис. 1.7. Схема манометра с трубчатой пружиной

Манометр с одновитковой трубчатой пружиной (рис. 1.7) представляет собой помещенную в корпус 1 изогнутую по окружности трубку 4 с овальной формой в поперечном сечении. Один конец ее запаян и через передаточный механизм 5 соединен со стрелкой 6. Второй конец закреплен на держателе 2 со штуцером 3, с помощью которого прибор устанавливается в место измерения давления.

При положительном избыточном давлении трубка под его воздействием частично распрямляется, и ее деформация передается на стрелку, которая поворачивается на некоторый угол, пропорциональный измеряемому давлению.

В вакуумметре под воздействием атмосферного давления, большего внутреннего давления трубка сгибается.

Некоторые трубчатые приборы, называемые мановакуумметрами, измеряют положительное избыточное давление и вакуум.

В зависимости от материала, формы и размеров упругого элемента трубчатые манометры общетехнического назначения имеют шкалы с предельными значениями от 0,05 до 1000 МПа.

Рис. 1.8. Схема манометра с мембраной

В приборахсмембранной пружиной(рис. 1.8) упругий элемент – мембрана – представляет собой гофрированную, металлическую, круглую пластинку 1, защемленную между фланцами.

Под действием давления жидкости, поступающей через штуцер 2, мембрана прогибается и ее деформация передается на стрелку 4 прибора. Мембранные приборы применяются для измерения вакуума и избыточного давления, не превышающего 2,5 МПа.

Ценными качествами пружинных приборов являются портативность, универсальность, простота устройства и применения, огромный диапазон измеряемых давлений. К основным недостаткам этих приборов следует отнести нестабильность их показаний, называемую остаточными деформациями упругого элемента и изменением его механических характеристик, износом передаточного механизма и пр., что вынуждает периодически поверять пружинные приборы.

Содержимое отчета

Отчет должен содержать наименование и цель работы, рисунки жидкостных и механических приборов, схему экспериментальной установки, порядок проведения работы, расчетные формулы, таблицу с измеренными и расчетными величинами, выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Что такое абсолютное, избыточное, вакуумметрическое давление?

2. Объясните преимущества и недостатки механических манометров.

3. Что такое класс точности прибора?

4. Объясните цель поверки прибора.

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а 2

РЕЖИМ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ

Ц е л ь: знакомство с особенностями и основными закономерностями ламинарного и турбулентного режимов движения жидкости, а также определения критических параметров потока в круглых трубах.

Умение правильно определять режимы движения жидкости имеет большую практическую ценность, т.к. при разных режимах потери напора на преодоления сопротивления имеют различное значение.

В природе существуют два режима движения жидкости – ламинарный и турбулентный. Ламинарноетечение жидкости – слоистое, упорядоченное движение, при котором отдельные слои жидкости движутся относительно друг друга, не перемешиваясь между собой, а турбулентное- неупорядоченное движение частиц жидкости, которые движутся по сложным, изменяющимся во времени траекториям, интенсивно перемешиваясь между собой. Режим движения зависит от соотношения сил инерции и сил вязкостного трения в потоке, которое выражается безразмерным комплексом- критерием (числом Рейнольдса).

Для напорного движения в круглых цилиндрических трубах удобнее брать в качестве характерного размера внутренний диаметр.

Число Рейнольдса для труб

где V- средняя скорость жидкости в поперечном сечении, м/с;

d - внутренний диаметр, м;

Кинематическая вязкость, м/с 2 .

Число Рейнольдса, при котором ламинарный режим переходит в турбулентный, называется критическим. Нижний предел критического числа Re для круглых труб составляет Re крн ~2320. Верхний предел критического числа Re существенно зависит от условий входа в трубу, состояние поверхностных стенок, внешних возмущений и пр. и для гладких труб приближенно определяется как Re крв =12000....13000.

Для практических расчетов обычно исходят из критического числа Рейнольдса Re=2320 и считают, что при Re<2320 режим всегда ламинарный, а при Re>2320 – турбулентный.

Порядок выполнения работы

1. Включить насос 3, открыть вентиль 8 и заполнить бак 1 водой до максимального уровня.

2. Измерить температуру воды.

3. С помощью крана 9 установить уровень воды над водосливом 7 (для первого измерения 25 мм).

4. Измерить уровень воды над водосливом.

Рис. 4.1 Схема экспериментальной установки

5. Открыть кран 10 и путем визуального наблюдения установить характер движения воды.

6. Результаты измерений занести в таблицу.

7. Установить новое значение расходов воды краном 9 и с 4-го пункта повторить измерение.

8. После 5....7 измерений закрыть вентиль 8, краны 9 и10 и выключить насос 8.

Отчет должен содержать тему и цель работы, схему установки, основные расчетные величины, таблицу измерений и вычислений и выводы по лабораторной работе.

Данные расчетов занесите в таблицу.

Таблица 4.1

Измеренные и расчетные величины

Контрольные вопросы

1. Чем характеризуются основные режимы движения жидкости?

2. Как вычислить число Рейнольдса?

3. Каков физический смысл числа Рейнольдса?

4. Какая существует зависимость потерь напора от скорости при разных режимах?

5. Чем характеризуется вязкость жидкости?

6. Как измеряется расход в данной лабораторной работе?

7. Что такое средняя скорость потока?

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а 3

Общие сведения

При установившемся движении реальной капельной жидкости вдоль напорного трубопровода (канала) переменного сечения происходит превращение одной формы ее энергии в другую в зависимости, например, от изменения площади поперечного сечения канала. Так, с ее уменьшением в направлении движения жидкости скоростной напор будет возрастать, а пьезометрический - уменьшаться (при неизменном или увеличивающемся геометрическом напоре). Кроме того, часть энергии потока жидкости будет расходоваться на преодоления гидравлических сопротивлений. В связи с этим полная его энергия не сохраняется постоянной, а уменьшается от сечения к сечению в направлении движения жидкости.

Для любых двух поперечных сечений 1-1 и 2-2 потока реальной капельной жидкости при установившемся его движении уравнение Бернулли имеет вид

Здесь -удельная потенциальная энергия положения или геометрический напор потока жидкости в соответствующем сечении, равные высоте расположения его центра тяжести сечения относительно выбранной плоскости сравнения; -удельная потенциальная энергия состояния или пьезометрический напор в соответствующем сечении, равные высоте подъема жидкости относительно его центра тяжести в пьезометрической трубке, установленной в этом сечении; - удельная кинематическая энергия или скоростной напор потока в і- м сечении; – суммарные потери напора между выбранными сечениями 1-1 и 2-2; плотность жидкости, принятая неизменной; – безразмерный коэффициент кинетической энергии, учитывающий неравномерное распределение скорости по сечению. Для ламинарного режима =2, турбулентного =1; V i – средняя по сечению скорость движения жидкости.

Левая часть и сумма первых трех членов правой части уравнения Бернулли представляют собой полные удельные энергии или полные напоры потока жидкости в выбранных сечениях, т.е. потери энергии между двумя любыми сечениями потока жидкости равны разности полных напоров в них. Эту связь можно представить и в таком виде

из которого можно заключить, что при возможных составляющих полных напоров в сечениях знаков разностей одноименных составляющих полных напоров в сечениях сумма этих разностей всегда должна быть положительной.

Отчет должен содержать наименование и цель работы, схему экспериментальной установки, порядок ее проведения, расчетные формулы, таблицу измерения и вычисления величин, график вышеуказанных зависимостей и выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Должен ли работать насос 3 при выполнении замеров?

2. До какой высоты могут подняться уровни жидкости в трубках 12 и 13?

3. Могут ли быть и, если да, то когда показания пьезометров и трубок полного напора одинаковыми для одного и всех сечений?

4. Может ли полный напор в последующем сечении быть большим, чем в предыдущем?

5. Найти из графиков потери напора между вторым и шестым сечениями.

6. Будут ли отличаться показания пьезометров и трубок Пито соответственно друг другу при изменении расхода на одну и ту же величину вентиля 10 и 11?

7. Какова должна быть разность показаний трубок 12 и 13 для первого и седьмого сечений?

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а 4

Порядок выполнения работы

1. Включить насос 11.

2. Полностью открыть вентиль 14 (расход воды в этом случае максимальный).

3. Измерить показания дифпьезометров и занести данные в таблицу.

4. Вентилем 14 установить новый расход воды и повторить все измерения 5...6 раз.

5. Закрыть вентиль 14 и выключить насос.

По пункту 3 измеряются следующие перепады напоров, мм:

–на диффузоре();

–на конфузоре;

–на резком расширении;

– на резком сужении;

–на резком повороте;

–на плавном повороте;

–на диффузоре ();

–на прямолинейном участке;

–на диафрагме.

Отчет должен содержать название темы и цель лабораторной работы, схему установки, основные расчетные зависимости, таблицу измеренных и вычисленных величин, график зависимости опытного и расчетного коэффициентов сопротивления трения от числа Рейнольдса и выводы.

Контрольные вопросы

1. От чего зависит коэффициент сопротивления трения?

2. Что такое гидравлически гладкие трубы?

3. От чего зависит коэффициент местных сопротивлений?

4. Что такое местное сопротивление?

5. Как определяется средняя скорость в сечении?

6. От чего зависит перепад уровней в дифференциальных пьезометрах?

	Номер опыта
Измеренные величины, мм
Вычисленные величины

Таблица 7.1.

Протокол испытаний

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а 5

Общие сведения

В состав энергетических испытаний центробежных насосов находит получение опытных зависимостей напора Н, мощности N и КПД насоса от его подачи Q при фиксированной частоте вращения вала n.

Напор насоса (или полная удельная энергия, сообщаемая насосом единице веса перекачиваемой им жидкости в единицу времени) представляет собой разность полных напоров в поперечных сечениях выходного и входного патрубков

, (5.1)

и выражается в метрах столба перекачиваемой жидкости. Здесь -плотность жидкости. При этом полезная мощность насоса (или мощность потока жидкости на выходе из него) находится по выражению

(5.2)

Мощность насоса, подведенная к его валу, определяется по зависимости

где и - крутящий момент, приложенный к валу, и его угловая скорость.

Отношение этих мощностей представляет собой полный КПД насоса

Отчет должен включать: продольный разрез насоса (при наличии раздаточного материала), схему установки, порядок проведения испытаний, основные расчетные зависимости, протокол испытаний, характеристику насоса и выводы по работе.

	Н,м N

Рис. 2.3. Характеристика центробежного насоса, полученная экспериментально.

Таблица 5.1

Протокол испытаний

Номер опыта	Замеренные величины	Расчетные величины
n, об/мин	p H , кгс/см 2	p В, кгс/см 2	Q, л/с	М кр,	H, м.в.ст.	N, Вт	N n , Вт	%

Контрольные вопросы

1. Что входит в состав энергетических испытаний центробежного насоса?

2. Что такое напор насоса?

3. Каков принцип работы центробежного насоса?

4. Для чего предназначены верхнее и нижнее отверстия в корпусе 2 насоса (см. рис.2.1)?

5. Что нужно сделать перед запуском насоса?

6. Какие величины необходимо измерять при энергетических испытаниях?

7. Каким образом - осуществляется заливка насоса?

8. Как изменить режим работы насоса?

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а 6

Оформленный отчет должен содержать:

1. Цель работы.

2. Схему насоса и гидравлическую схему лабораторной установки.

3. Порядок проведения испытаний.

4. Расчетные формулы.

5. Протокол испытаний.

6. Графики опытных характеристик насоса и насосной станции.

7. Выводы по результатам работы.

Таблица 3.1

Протокол испытаний

Контрольные вопросы

1. Устройство и принцип действия шестеренного насоса типа НШ. Основные параметры.

2. Назначение и работа лабораторной установки.

3. Как измеряются опытные величины?

4. Каков порядок проведения испытаний?

5. От чего зависит подача насоса и как она определяется при ?

6. Какие потери мощности оценивает механический КПД?

7. Как определить расход через клапан?

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а 7

Порядок выполнения работы

1. Изучить схему установки.

2. Открыть краны Р1 и Р2.

3. Включить насосную станцию.

4. Плавно закрыть кран Р1.

5. Установить рукоятку регулятора потока РП в одно из фиксированных положений, повернув на 0,5…1,5 оборота, по указанию преподавателя.

6. Измерить секундомером время рабочего хода поршня.

7. Провести отсчет показаний манометров МН1 и МН2 при каждом из трех уровней нагрузки в период рабочего хода поршня.

8. Установить другое положение рукоятки регулятора потока РП в другом положении и повторить измерения при другой скорости движения поршня.

9. Открыть кран Р1.

10. Выключить насосную станцию.

Отчет должен содержать название и цель работы, гидравлическую схему установки, порядок проведения испытаний, основные расчетные зависимости, протокол испытаний и выводы по результатам работы.

Контрольные вопросы

1. Каковы устройство и принцип действия гидроцилиндров?

2. Что учитывает механический КПД силового гидроцилиндра?

3. Каким образом поддерживается постоянная скорость движения поршня при изменении нагрузки?

4. Каково назначение обратного клапана КО?

5. Расскажите о работе гидропривода на различных этапах цикла.

ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ

Ц е л ь: изучение приборов для измерения давления в жидкости, поверка технического манометра с трубчатой пружиной и определение точности измерения давления манометром.

Гидростатическое давление p – это направление сжатия в жидкости

где F – сила, действующая на выделенную в жидкости площадку .

Давление в любой точке жидкости действует нормально к элементарной площадке и не зависит от ее ориентации.

Для измерения давления применяются две системы отсчета (рис. 1.1). В одной давление отсчитывается от абсолютного нуля и называется абсолютным . В другой за начало отсчета принимается атмосферное давление . Тогда измеряемое положительное давление называется избыточным

Основное уравнение гидростатики определяет давление в произвольной точке покоящейся жидкости на глубине

где - давление на свободной поверхности жидкости; - удельный вес жидкости; - плотность жидкости.

Классификация приборов

Приборы для измерения давления жидкости весьма разнообразны и классифицируются по различным признакам – принципу действия, роду измеряемой величины, классу точности, диапазону измеряемой величины.

По роду измеряемой величины приборы разделяют на 4 группы:

1. Барометры – приборы для измерения атмосферного давления.

Давление в жидкости измеряется приборами:

¾ пьезометрами,

¾ манометрами,

¾ вакуумметрами.

Пьезометры и манометры измеряют избыточное (манометрическое) дав­ление, то есть они работают, если полное давление в жидкости превышает ве­личину, равную одной атмосфере p = 1 кгс/см2= 0,1 МПа . Эти при­боры показывают долю давления сверх атмосферного. Для измерения в жи­д­кости полного давления p необходимо к манометрическому давлению p ман прибавить атмосферное давление p атм , снятое с барометра. Прак­тически же в гид­рав­лике атмосферное давление считается величиной посто­янной p атм = = 101325 » 100000 Па .

Пьезометр обычно представляет собой вертикальную стеклянную тру­б­ку, нижняя часть которой сообщается с исследуемой точкой в жидкости, где нужно измерить давление (например, точка А на рис. 2), а верхняя её часть открыта в атмосферу. Высота столба жидкости в пьезометре h p является по­казанием этого прибора и позволяет измерять избыточное (манометрическое) давление в точке по соотношению

где h p  пьезометрический напор (высота), м .

Упомянутые пьезометры применяются главным образом для лабораторных исследований. Их верхний предел измерения ограничен высотой до 5 м, однако их преимущество перед манометрами состоит в непосредственном измерении давления с помощью пьезометрической высоты столба жидкости без промежуточных передаточных механизмов.

В качестве пьезометра может быть использован любой колодец, кот­лован, скважина с водой или даже любое измерение глубины воды в от­крытом резервуаре, так как оно даёт нам величину h p .

Манометрычаще всего применяются механические, реже  жид­костные. Все манометры измеряют не полное давление, а избыточное

Преимуществами их перед пьезометрами являются более широкие пределы измерения, однако есть и недостаток: они требуют контроля их показаний. Манометры, выпускаемые в последнее время, градуируются в единицах СИ: МПа или кПа (см. на с. 54). Однако ещё продолжают применяться и старые манометры со шкалой в кгс/см2 , они удобны тем, что эта единица равна одной атмосфере (см. с. 8). Нулевое показание любого манометра соответствует полному давлению p , равному одной атмосфере.

Вакуумметр по своему внешнему виду напоминает манометр, а показы­вает он ту долю давления, которая дополняет полное давление в жидкости до величины одной атмосферы. Вакуум в жидкости  это не пустота, а такое состояние жидкости, когда полное давление в ней меньше атмосферного на ве­личину p в , которая измеряется вакуумметром. Вакуумметрическое давление p в , показываемое прибором, связано с полным и атмосферным так:

Величина вакуума pв не может быть быть больше 1 ат , то есть предельное зна­чение p в » 100000 Па , так как полное давление не может быть меньше аб­солютного нуля.

Приведём примеры снятия показаний с приборов:

 пьезометр, показывающий h p = 160 см вод. ст. , соответ­ствует в единицах СИ давлениям p изб = 16000 Па и p= 100000+16000=116000 Па ;

 манометр с показаниями p ман = 2,5 кгс/см2 соответствует водяному столбу h p = 25 м и полному давлению в СИ p = 0,35 МПа ;

 вакуумметр, показывающий p в = 0,04 МПа , соответствует полному дав­лению p= 100000-40000=60000 Па , что составляет 60 % от атмо­сферно­го.

Эпюры давления жидкости

Эпюра давления жидкости ¾ это графическое изображение рас­пре­деле­ния давления жидкости по твёрдой поверхности, соприкасающейся с ней. Примеры эпюр для плоских и кри­волинейных поверхностей при­ведены на рис. 3 и 4. Стрелками на эпюре по­казывают направление дей­ствия давления (вернее, направление нор­мальных напряжений, возни­кающих от действия давления, так как по 2-му свойству давление скалярно). Величина стрелки (ордината) откладывается в масштабе и количественно по­казывает величину давления.

Эпюры давления служат исходными данными для проведения расчётов на прочность и устойчивость конструкций, взаимодействующих с жидко­стями: стенок пла­ва­тельных бассейнов, баков, резервуаров, цистерн. Рас­чёты ведутся мето­дами сопротивления материалов и строительной меха­ники.

В большинстве случаев строят эпюры избыточного давления вместо по­л­ного, а атмосферное не учитывают из-за его взаимного погашения с той и другой стороны ограждающей конструкции. При построении таких эпюр для плоских и криволинейных поверхностей (см. рис. 3 и 4) используют линейную за­висимость давления от глубины pизб = gh и 1-е свойство гидростатического давления (см. с. 8).

Законы Архимеда и Паскаля

Практическое значение имеют два закона гидростатики: Архимеда и Па­скаля.

Закон Архимеда о подъёмной (архимедовой) силе F n , действую­щей на погружённое в жидкость тело, имеет вид

где V m  объём жидкости, вытесненной телом.

В строительной практике этот закон применяется, например, при расчёте подземных резервуаров на всплытие в обводнённых грунтах. На рис. 5 показан резервуар, часть которого расположена ниже уровня грун­то­вых вод (УГВ). Таким образом, он вытесняет объём воды, равный объёму его погружённой части ниже УГВ, что вызывает появление ар­химедовой силы F п . Если F п превысит собственный вес резервуара G р , то конструк­ция может всплыть.

Закон Паскаля звучит так: внешнее давление, приложенное к жид­кости, находящейся в замкнутом резервуаре, передаётся внутри жидкости во все её точки без изменения. На этом законе основано действие многих гид­равличе­ских устройств: гидродомкратов, гидропрессов, гидропривода ма­шин, тормозных систем автомобилей.

Гидростатический напор

Гидростатический напор H  это энергетическая характе­ри­стика покоящейся жидкости. Напор измеряется в метрах по высоте (вертикали).

Гидростатический напор H складывается из двух величин (рис. 6):

где z  геометрический напор или высота точки над нулевой горизонтальной плоскостью отсчёта напора О-О ; h p  пьезо­метрический напор (высота).

Гидростатический напор H характеризует потенциальную энергию жид­кости (её энергию покоя). Его составляющая z отражает энергию положения. Например, чем выше водонапорная башня, тем больший напор она обеспечивает в системе водопровода. Величина h p связана с давлением. Например, чем выше избыточное давление в водопроводной трубе, тем больше напор в ней и вода поднимется на бльшую высоту.

Напоры для различных точек жидкости должны отсчитываться от одной горизонтальной плоскости О-О для того, чтобы их можно было сравнивать друг с другом. В качестве горизонтальной плоскости сравнения О-О может быть принята любая. Однако если сама труба горизонтальна, то иногда для упрощения расчётов удобнее О-О провести по оси трубы. Кроме того, на практике часто высотные отметки z и H отсчёта напоров от О-О отождествляют с абсолютными геодезическими, отсчитываемыми от сре­днего уровня поверхности океана. В России, например, они отсчиты­ваются от уровня Балтийского моря.

Важная особенность гидростатического напора состоит в том, что он одинаков для всех точек покоящейся жидкости, гидравлически взаимосвязанных. Равенство напоров HA = HB проиллюстрировано для точек А и В в резервуаре на рис. 6, невзирая на то, что они находятся на разных глубинах и давления в них неодинаковые. Следует обратить внимание, что для открытых резервуаров напор в любой точке жидкости находится очень просто: от О-О до уровня свободной поверхности воды, на которую действует атмосферное давление p атм .

Жидкостные приборы отличаются простотой устройства и от­носительно высокой точностью измерения; их широко применяют как для лабораторных, так и для технических измерений. Жидкостные приборы служат для градуировки и поверки при дру­гих систем, измерения небольших избыточных давлений, разре­жений, разности давлений, а также атмосферного давления.

Двухтрубный U-образный прибор представляет собой стеклянную трубку 1, изогнутую в виде буквы U. Трубка укреп­лена на доске 2 со шкалой, расположенной между ветвями трубки. Трубка прибора заполнена жидкостью (ртутью, водой, спиртом).

Однотрубный (чашечный) прибор представляет собой модифи­кацию двухтрубного, одно из колен которого заменено широким сосудом (чашкой). Сосуд 1 соединен с вертикальной стеклянной трубкой 2. Резервуар, в котором измеряют давление, подключают к сосуду, а резервуар, в котором измеряют разреже­ние, - к трубке. О величине давления или разрежения судят по высоте столба жидкости в вертикальной трубке прибора. Преимущество чашечного прибора заключается в одном отсчете положения мениска жидкости в трубке.

Микроманометр с наклонной трубкой. При измерении малых давлений применяют приборы с наклонной трубкой. Прибор состоит из стеклянного сосуда 2, к которому под неко­торым углом фи к горизонту припаяна стеклянная трубка 3. Сосуд с трубкой укреплен на деревянной доске 1 со шкалой.

Микроманометры с наклонной трубкой изготовляют обычно для измерения давления 157-980 Па. Погрешность этих приборов не превышает ±1,5 % предельного значения шкалы.

Поплавковые приборы представляют собой U-образные жидко­стные приборы, у которых одно из колен расширено, и в нем по­мещен поплавок, связанный со стрелкой, движущейся вдоль шкалы. Поплавковые приборы чаще всего используют как диффе­ренциальные манометры (дифманометры) для измерения разности давлений.

Колокольные приборы используют для измерения малых давле­ний и разрежений и в качестве диффе­ренциальных манометров. Прибор состоит из сосуда 1 с жидкостью, в которую погружен колокол 2. Под колокол вве­дена трубка 3 для соединения подколокольного пространства с объемом, в котором измеряют давление или разрежение. Если под колоколом создается избыточное давление, то он поднимается, так как на него действует дополнительная сила, направленная вверх и равная ps (р - избыточное давление под колоколом, s - площадь поверхности сферической части колокола).

В уравнения измерений жидкостных манометров в зависимости от их точности необходимо вводить поправки, учитывающие отклонения условий эксплуатации от условий градуировки, вид измеряемого давле­ния и особенности принципиальной схемы конкретных манометров.

Условия эксплуатации определяются температурой и ускорением свободного падения в месте измерений. Под влиянием температуры из­меняются как плотность жидкости, применяемой при уравновешивании давления, тк и длина шкалы. Ускорение свободного падения в месте измерений, как правило, не соответствует его нормальному значению, принятому при градуировке. Поэтому давление