Измерение скорости поток газа

Определение скорости потока газа по замерам его динамического давления

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №I

Цель работы: научиться определять скорость газа по замерам его динамического давления.

Теоретическая основа эксперимента

Согласно теореме Бернулли, при установившемся движении газа без учета трения, полное давление, равное сумме статического и динамического (скоростного) давлений, сохраняет свою величину вдоль траектории движения частицы газа:

где ρ – статическое давление в движущемся потоке газа, Па;

– называемся скоростным или динамическим давлением, Па,

здесь ρ – плотность газа, кг/м 3 ;

υ – скорость потока газа, м/с.

Если уравнение (1) записать для каких-либо двух различных состояний частицы газа в виде:

где индексами I и 2. обозначены эти состояния и преобразовав

,

то становится очевидным, что при движении газа увеличение его кинетической энергии происходит за счет уменьшения потенциальной энергии давления и наоборот.

Свойство неизменности суммы статического и динамического давлений используется для измерения скорости потока газа, принцип которого поясняется с помощью рис.1.

В потоке газа помещаются две трубки, подсоединенные к микроманометру. Плоский открытый конец трубки 1 параллелен потоку газа и вделан заподлицо в стенку трубы, по которой течет газ. Плоский открытый конец трубки 2 – перпендикулярен потоку.

Концы обеих трубок имеют одинаковую координату вдоль потока газа. Кроме того, они находятся на таком расстоянии друг от друга, что возмущения, вносимые в поток трубкой 2, не искажают существенно течение у конца трубки 1.

Выделим малый объем газа и проследим, как изменяются его (газа) параметры при движении вдоль траектории. В некотором положении I состоянием газа I вдали от трубки 2 выполняется соотношение:

По мере движения частицы газа к открытому концу трубки 2 скорость ее падает, а давление газа возрастает. В тот момент, когда частица газа находится у открытого конца трубки 2 (положение 2 с состоянием 2), скорость частицы равна нулю , а давление при этом определится из уравнения (2),

Величина p₂, представляет собой полное давление. Трубка 2, измеряющая давление в заторможенном потоке газа, называется трубкой полного напора.

В то же время открытый конец трубки I не чувствует возмущений, вносимых в поток трубкой 2 и сам не возмущает поток – поэтому с помощью трубки I измеряется статическое давление в потоке движущегося газа.

Из уравнения (5) следует, что по измеренной разности полного и статического давления легко определить и скорость потока газа, м/с:

Основным элементом экспериментальной установки для измерения скорости потока воздуха является аэродинамическая труба 2 (см.стенд). Аэродинамическая труба представляет собой круглый канал переменного сечения, спрофилированный таким образом, что позволяет получить однородное поле скоростей в его наиболее узкой части. Движение потока воздуха через трубу обеспечивается вентилятором 5, приводимым в действие электродвигателем 3. Скорость вращения двигателя регулируется с помощью лабораторного автотрансформатора 4 (ЛАТР), тем самым, давая возможность изменять скорость потока воздуха в трубе. Измерение скорости потока воздуха обеспечивается с помощью трубок а и в, подключенных к чашечному микроманометру I. Чашечный микроманометр измеряет разность полного и статического давления.

Установить ползунок автотрансформатора 4 на нулевое положение против часовой стрелки. Включить ЛАТР в сеть и установить вращением ползунка по часовой стрелке первое из указанных перед началом работы значений напряжения на электродвигателе. После выхода двигателя на установившейся режим (определяемый по прекращению подъема столбика жидкости в трубке микроманометра) записываются показания микроманометра.

Плавно вращая ползунок автотрансформатора, установить новый режим вращения двигателя и повторить измерения. Подобным образом повторить замеры на всех режимах. Полученные результаты заносятся в таблицу 1. Один раз во время проведения эксперимента определяются давление и температура воздуха в помещении, необходимые для обработки результатов. Давление определяют по показаниям барометра-анероида, установленного на стенке в помещении лаборатории.

Обработка результатов измерений

Скорость потока газа в трубе определяется по формуле (6), в нее входит разность полного и статического давлений, вычисляемая по показаниям микроманометра из выражения, Па:

где — плотность заполняющей микроманометр жидкости, кг/м 3 (см.табличку на микроманометре ;

— ускорение силы тяжести;

l — длина столбика жидкости в трубке микроманометра в метрах.

— коэффициент, указанный на дуге прибора, устанавливающий связь между высотой столба жидкости и его длиной в зависимости от угла наклона α трубки к горизонту;

Плотность воздуха ρ вычисляется из уравнения состояния идеального газа (уравнение Менделеева-Клапейрона).

Здесь М = 28,96 кг/кмоль — молекулярный вес воздуха;

P — давление воздуха в помещении, Па, пересчитывается из показаний барометра-анероида с помощью соотношения 1.10 5 Па = 760 мм.рт.ст.

— универсальная газовая постоянная;

— абсолютная температура воздуха в помещении.

Подставив значения (7), (в) в формулу (6) получаем окончательное выражение для вычисления скорости потока воздуха в трубе, м/с:

По результатам вычислений построить график зависимости скорости потока воздуха в аэродинамической трубе от напряжения на электродвигателе вентилятора. Подробный пример расчета для одного из режимов должен быть приведен в отчете.

Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Студалл.Орг (0.01 сек.)

Источник

Измерение скорости поток газа

Напорные трубки применяют для измерения скорости и давления в потоках, а также для измерения скоростей в пограничных слоях при экспериментальных исследованиях как в лабораторных, так и в производственных условиях. Они используются также для измерения расхода жидкостей и газов при исследованиях, испытаниях и в ряде других случаев. Специальные напорные трубки применяют, кроме того, для измерения скорости полета летающих аппаратов (точнее, скорости относительно воздушной среды).

Измерение скорости в потоке жидкости или газа напорными трубками сводится к измерению динамического давления (скоростного напора), которое равно разности полного и статического давлений и связано со скоростью соотношением, получаемым из уравнения Бернулли

откуда скорость невозмущенного потока в точке измерения равна.

где скорость движения газа или жидкости, плотность жидкости или газа в рабочих условиях, полное давление в лобовой точке напорной трубки, называемой критической, Па; статическое давление или так называемое гидродинамическое давление в невозмущенном потоке, Па.

Таким образом, для определения динамического давления а следовательно, и скорости в данной точке потока необходимо измерить разность полного и статического давлений. Измерение полного давления может быть осуществлено напорной трубкой с отверстием на лобовом ее конце (в критической точке), установленной навстречу движению потока, а статическое давление — через одно или несколько отверстий в стенке трубы (рис.

15-1-1). Так как для определения скорости в данной точке потока нужно измерить только разность давлений то обе трубки следует присоединить к микроманометру или жидкостному дифманометру. В уравнение (15-1-2) входит плотность среды, которую необходимо определить для рабочих условий с максимально возможной точностью (§ 14-5).

Рис. 15-1-1. Измерение динамического давления.

При измерении динамического давления микроманометром или дифманометром, в которых мерой значений является разность уровней рабочей жидкости, необходимо учитывать не только плотность последней, но также плотность среды, находящейся над рабочей жидкостью

Рассмотренный метод впервые был применен в 1732 г. Пито для измерения скорости в потоке воды, поэтому напорную трубку, схематично показанную на рис. 15-2-1, называют трубкой Пито.

Дальнейшее развитие этого метода измерения скоростей потока шло по пути создания комбинированных напорных трубок, снабженных отверстиями для приема как полного, так и статического давлений. В настоящее время применяют ряд конструкций напорных трубок, приспособленных как для лабораторных, так и для промышленных измерений скоростей потока. Необходимо иметь в виду, что как бы удачна ни была конструкция трубки, динамическое давление измеряется не вполне точно. Поэтому в правую часть формулы (15-1-2) вводят поправочный коэффициент. Если обозначить этот коэффициент через то

Коэффициент I, определяемый посредством градуировки, различен для разных конструкций трубок.

Формула (15-1-2) получена в предположении, что жидкость несжимаема и применима для капельных жидкостей и для газа при небольших скоростях здесь а — скорость звука в данной среде). При более высоких скоростях среды, но не превышающих скорости звука, определяется по формуле

где термодинамическая температура газа, определяемая по формуле (6-5-10); газовая постоянная; отношение теплоемкостей газа при постоянном давлении и при постоянном объеме.

Источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Измерение — скорость — газовый поток

Измерение скорости газовых потоков , несущих взвешенные частицы, требует использования датчиков, защищенных от попадания частиц в контролируемую среду. [1]

Измерение скоростей газовых потоков обычно называют анемометрией. Простейшим устройством для измерения скорости потока является проволочный термоанемометр. В этом методе тонкая платиновая проволочка располагается так, что ее ось перпендикулярна направлению потока. Температура проволочки поддерживается выше температуры газа путем нагрева электрическим током. Теплопередача от проволочки в газовый поток связана со скоростью последнего. Недостатком метода проволочной термоанемометрии является то обстоятельство, что изменения или флуктуации температуры или состава газовой смеси интерпретируются как изменения скорости потока. При более высоких температурах проволочка действует каталитически на смесь горючего с воздухом. [2]

Для измерения скорости газового потока пользуются пневмомет-рической трубкой НИИогаза. [3]

Для измерения скорости газового потока пользуются пневмометрической трубкой НИИОГАЗа. [4]

Для измерения скорости газового потока могут быть использованы явления ионизации газа а — и р-частицами и рекомбинации ( положительные ионы соединяются с отрицательными и образуются нейтральные молекулы) образовавшихся ионов. [5]

Для измерения скорости газового потока могут быть использованы явления ионизации газа а — и — частицами и рекомбинации ( положительные ионы соединяются с отрицательными и образуются нейтральные молекулы) образовавшихся ионов. [6]

Для измерения скорости газового потока могут быть использованы явления ионизации газа а — и р-частицами и рекомбинации ( положительные ионы соединяются с отрицательными и образуются нейтральные молекулы) образовавшихся ионов. [7]

Для измерения скорости газового потока пользуются пневмомет-рической трубкой НИИогаза. [8]

Для измерения скоростей газовых потоков , наряду с реометрами, применяют также ротаметры. Конструктивное оформление их может быть разнообразным, хотя принцип работы всех ротаметров одинаков. [9]

При измерении скорости газового потока трубку Пито — Прандтля присоединяют к дифференциальному манометру, который регистрирует разность давлений и тем самым, согласно (30.28), скорость потока. Шкала дифференциального манометра градуируется непосредственно в единицах скорости. [10]

При измерении скорости газового потока трубку Пито — Прандтля присоединяют к дифференциальному манометру, который регистрирует разность давлений и тем самым, согласно (30.31), скорость потока. [11]

Реометры для измерения скорости газового потока представляют собой манометрическую трубку, имеющую в верхней части калиброванные диафрагму или капилляр. Реометры заполняют подкрашенной водой, керосином или ртутью. [12]

Приборы для измерения скорости газового потока с помощью термосопротивления называются термоанемометрами. [13]

Приборы для измерения скорости газовых потоков называются термоанемометрами, и их датчики выполняются таким образом, чтобы их можно было легко поместить в любую точку газового потока. [15]

Источник

Об измерении скорости потока жидкостей и газов

В нынешнем году мы начали представлять в России компанию IST — швейцарского производителя тонкопленочных датчиков температуры, относительной влажности, проводимости жидкости и скорости потока.

Продукция IST — это не масс-маркет, они не выпускают аналоги DHT22 миллионные тиражи дешевых микросхем для стандартных применений. Вместо этого упор делается на специальные задачи: нестандартные конструктивы и диапазоны температур, повышенная точность, минимальное время отклика и так далее.

Среди многообразной продукции IST есть такая интересная штука как flow sensors — датчики скорости потока сплошных сред. Под катом рассказываю как они работают, как выглядят и зачем нужны. Думаю что это будет интересно не только разработчикам расходомеров.

Итак, для измерения расхода жидкостей или газов используются различные физические эффекты. Для измерения скорости потока используют механические, оптические, электромагнитные, ультразвуковые и другие чувствительные элементы, позволяющие по косвенным характеристикам определить расход сплошной среды, проходящей по трубе.

Здесь заметим, что под расходом может подразумеваться как объем потока (литры в минуту или кубические метры в минуту), так и масса потока (килограмм в минуту) или его скорость (метры в секунду). Допуская, что в большинстве приложений известны и характеристики среды, и характеристики трубы, в которой движется поток, мы будем считать все перечисленные понятия тождественными.

Поскольку бОльшую часть продукции IST составляют платиновые датчики температуры (термосопротивления), для определения скорости потока также используются тепловые эффекты.

В тепловых расходомерах измерения производятся либо по охлаждению нагретого тела, помещенного в поток (термоанемометры), либо по переносу тепловой энергии между двумя расположенными вдоль потока точками (калориметрические расходомеры). Посмотрим как используются оба принципа в реальных приложениях.

Термоанемометрические датчики

Расходомеры с термоанемометрическими преобразователями IST применяются преимущественно для потоков газов. В простейшем случае они состоят из нагревательного элемента и датчика температуры. Фактически это два термосопротивления, на базе которых реализуется следующий алгоритм:
При отсутствии потока температура микронагревателя остается неизменной, а при наличии потока нагреватель начинает отдавать тепло внешней среде. Количество тепла, которое отдается потоку, зависит от нескольких факторов: от начальной разности температур нагревателя и среды, от параметров трубы и собственно от скорости потока.

Поскольку разность температур определяется схемой включения датчика расхода, а параметры трубы мы считаем неизменными, теплоотдача нагревательного элемента может использоваться для измерения скорости потока.

Нагреватель и датчик температуры включаются в мостовую схему, которая уравновешена в отсутствии потока и разбалансирована при изменении сопротивления нагревателя. При увеличении скорости потока нагреватель охлаждается, мост разбалансируется и сигнал разбаланса поступает на усилитель. Выходной сигнал усилителя сообщает нагревателю более высокую температуру и приводит мост обратно в равновесное состояние. Этот же сигнал используется как выходной, т.е. как функция скорости потока.

При известных параметрах трубы, положения датчика, типа потока, а также неизменных теплофизических характеристиках газа (состав, давление, температура) такая функция может быть вычислена по одной из общеизвестных методик.

На рисунке приведен пример схемы включения датчика расхода и график зависимости напряжения Uflow от скорости потока.

По такому принципу работают датчики серии FS7. На керамической подложке из диоксида циркония наносятся токопроводящие дорожки – платиновые микронагреватель и датчик температуры, между которыми предусмотрены соединения. Вся конструкция покрыта тонким изолирующим слоем из стекла.

Чувствительные элементы такой конструкции позволяют измерять скорость потока в диапазоне от 0 до 100 м/c с чувствительностью 0.01 м/c и погрешностью менее 3 % от измеряемой величины. Впрочем, точность измерений определяется не только чувствительным элементом, но и схемой его включения, и способом калибровки конечного устройства.

Диапазон рабочих температур датчика FS7 составляет -20… 150 °C для стандартного исполнения, однако IST практикует изготовление датчиков с допустимой температурой вплоть до +400 °C.
На рисунке показаны два исполнения датчиков FS7 — в корпусе и без него.

Об водосодержащих и агрессивных средах

Важно заметить, что датчики FS7, а также рассмотренный ниже FS2, используются в основном для газов, а также для жидких сред, не содержащих воду — при длительной работе в воде верхний изолирующий слой датчика постепенно разрушается и возникает электролиз.
Для потока воды и других подобных сред предусмотрен модуль Out Of Liquid — анемометрический датчик, элементы которого изолированы от потока. Out Of Liquid — это небольшая трубка из нержавеющей стали, на внешней стенке которой размещены микронагреватель и датчик температуры.

Трубка имеет длину 40 мм и диаметр 4 мм, рабочий температурный диапазон этого решения — от -50 °C до +180 °C.

Об определении направления потока

Термоанемометрические расходомеры имеют некоторые очевидные ограничения. В частности, они не позволяют определить направление потока и не подходят для приложений, требующих высокой чувствительности датчика.

Калориметрические расходомеры, напротив, предназначены для относительно медленных потоков газа с переменным направлением. Калориметрический датчик состоит из трех элементов – микронагревателя и двух датчиков, измеряющих температуру до и после него. В отсутствии потока тепловое пятно, излучаемое нагревателем, неподвижно, поэтому справа и слева от нагревателя сплошная среда имеет одну и ту же температуру. При возникновении потока тепловое пятно «сдвигается» согласно направлению и скорости потока. Таким образом, при известных параметрах трубы и характеристиках среды скорость потока может быть измерена по разности показаний датчиков температуры.

При производстве колориметрического датчика на керамическую подложку также наносятся платиновые дорожки и соединения между ними — микронагреватель и два датчика температуры.

Поскольку при наличии потока нагревательный элемент охлаждается, а для измерений этот процесс уже не используется, на датчике расхода предусматривается дополнительный компенсационный датчик температуры.

По такому принципу построены датчики серии FS2. С их помощью можно определять как направление, так и скорость потока. В диапазоне от 0 до 2.5 м/c датчик имеет чувствительность 0.001 м/c.

Диапазон измерений калориметрических датчиков ограничивается самим принципом его работы – при определенной скорости потока тепловое пятно «сдвигается» слишком далеко и разность показателей правого и левого датчиков уже не позволяет судить о скорости потока.

Это досадное свойство калориметрических датчиков довольно просто обходится. Когда поток достигает определенной скорости, можно «переключиться» на работу в термоанемометрическом режиме — начать использовать пару нагреватель + компенсирующий датчик температуры по уже известному нам термоанемометрическому принципу.

При использовании комбинации двух способов измерения модуль величины скорости потока на большей части диапазона определяется квадратичной функцией от напряжения Uflow (нижний график), а направление потока – по напряжению с полномостовой схемы, состоящей из пары датчиков и микронагревателя.

О работе с «микропотоками»

Если задача вообще не предполагает работы с потоками со скоростью более 1.5 м/c и речь идет о газообразной среде, то можно использовать датчики серии MFS02 (Micro Flow Sense). MFS02 имеет максимальную чувствительность (0,0003 м/с) и скорость срабатывания (время отклика менее 10 мс).

Структурно датчик MFS02 похож на FS2 и состоит из микронагревателя, пары датчиков температуры и дополнительного компенсирующего датчика. Однако MFS02 изготавливаются по другому технологическому процессу: в стеклокерамической подложке датчика выделяется зона, представляющая собой мембрану. Предполагается, что в поток погружается только мембрана, поэтому именно на ней располагаются компоненты для калориметрических измерений, а компенсирующий датчик температуры установлен вне мембраны.

Датчик MFS02 имеет размер всего 3.5 x 5.1 мм, а к контактным площадкам довольно сложно подпаяться, поэтому MFS02 также доступен в составе плат-расширений, предоставляющих доступ к выводам элемента.

Заключение

В заключении поблагодарю читателя за внимание и напомню, что вопросы о применении продукции, о которой мы пишем на хабре, можно также задавать на email, указанный в моем профиле.

Источник