3.1.5. Содержание отчета и его форма.

Отчет должен содержать схему и описание прибора Рейнольдса, основные сведения из теории и расчетные формулы. Результаты замеров и вычислений вносятся в отчет в виде табл.4.

Таблица 4

Результаты замеров и вычислений

Положение вентиля	1	2	3	4
Температура воды,
Кинематический коэффициент вязкости ,
Число качаний водомера, n
Время цикла наполнения t, с
Объем бака водомера w,
Расход воды ,
Средняя скорость воды v, см/с
Число Рейнольдса Re = vd/
Режим течения воды

3.2. Лабораторная работа: тарировка ротаметра

НА ПРИБОРЕ Д. БЕРНУЛЛИ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - изучение особенностей процесса тарировки (градуировки) ротаметра - прибора, применяющегося для измерения расхода жидкого или газообразного рабочего тела.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ - ознакомление с конструкцией и принципом работы ротаметра, с основными расчетными уравнениями, используемыми при расчете его характеристик.

3.2.1. Теоретические основы.

Ротаметры относятся к приборам для измерения секундных расходов жидкостей или газов, называемых расходомерами обтекания или расходомерами постоянного перепада давления. Ротаметр (рис.18) в простейшем виде состоит из вертикальной конусной стеклянной трубки 1, внутри которой находится чувствительный элемент 2, выполненный в виде поплавка. Для обеспечения устойчивости работы поплавка его верхний обод снабжен каналами с крутым наклоном . Под действием потока жидкости или газа поплавок перемещается вертикально в трубке 1, одновременно приходит во вращательное движение и центрируется в середине потока. По перемещению поплавка ротаметра вдоль его шкалы, нанесенной на конусной стеклянной трубке, судят об объеме расхода жидкости или газа.

Рис.18. Схема ротаметра.

Поток жидкости или газа, протекающий снизу вверх в конусной трубке ротаметра, поднимает поплавок до тех пор, пока площадь кольцевого отверстия fк между поплавком и внутренней поверхностью трубки не достигнет такого размера, при котором действующие на поплавок силы уравновешиваются. При достижении равновесия сил поплавок устанавливается на высоте, соответствующей определенному значению расхода.

Для вывода уравнения расхода рабочего тела, протекающего через ротаметр, используются уравнение Д. Бернулли и условие неразрывности струи для несжимаемой жидкости (в дальнейшем речь будет идти только о ней). Для сечений 1-1 и 2-2 справедливо равенство:

Q = ,

где Q - объемный расход жидкости;

- соответственно средние значения скоростей потока в сечениях 1-1 и 2-2;

- соответственно площади потока в сечениях и 2-2;

 = - коэффициент сужения.

Решая совместно уравнения Д.Бернулли и неразрывности струи, получаем:

( 3.5 )

где соответственно статические давления в сечениях 1-1 и 2-2;

- соответственно высоты сечений 1-1 и 2-2 над некоторым начальным уровнем 0-0;

- соответственно коэффициенты кинетической энергии в сечениях 1-1 и 2-2;

 - удельный вес рабочего тела;

g - ускорение свободного падения;

 - коэффициент потери энергии на участке между сечениями 1-1 и 2-2.

Далее, рассмотрим условия равновесия поплавка. Для этого обозначим:

- вес поплавка; V - объем поплавка; - плотность материала поплавка;  - плотность рабочего тела, текущего через ротаметр; f - наибольшее поперечное сечение поплавка; - соответственно средние давления потока на единицу носовой (конусной) и верхней поверхностей поплавка.

На поплавок действуют следующие силы: сверху вниз - вес поплавка и давление потока на верхнюю поверхность ; снизу вверх - давление потока на носовую часть и сила трения потока о поплавок:

( 3.6 )

где боковая поверхность поплавка, соприкасающаяся с текущими частицами рабочего тела;

k - коэффициент сопротивления, зависящий от числа Рейнольдса и степени шероховатости боковой поверхности поплавка;

средняя скорость рабочего тела в кольцевом канале, охватывающем боковую поверхность поплавка;

n - показатель степени, зависящий от режима течения рабочего тела.

Условие равновесия поплавка можно записать в виде:

откуда после преобразований находим

( 3.7 )

Для определения разницы статических давлений действующих на поплавок, надо учесть величину динамического давления w потока рабочего тела на поплавок:

w = ( 3.8 )

где коэффициент сопротивления или обтекания поплавка, зависящий от формы носовой и верхней частей.

Тогда, очевидно, что

( 3.9 )

Если допустить, что скорость при всех расходах остается почти постоянной (потому что с увеличением расхода поплавок перемещается вверх и увеличивается площадь кольцевого канала), то нетрудно видеть, что правая часть уравнения (3.9) оказывается постоянной и не зависящей от величины расхода. Отсюда следует: что дает основание именовать ротаметр прибором постоянного перепада давления. Однако нужно иметь в виду, что постоянной является лишь разность полных давлений на поплавок. Что же касается разности статических давлений то из уравнения (3.9) следует, что с увеличением скорости и динамического давления на поплавок, разность статических давлений по обе стороны поплавка должна уменьшаться.

Совместное решение уравнений (3.5) и (3.9) дает:

откуда находим

( 3.10 )

где - коэффициент расхода ротаметра, включающий в себя ряд геометрических и режимных параметров.

Аналитическое определение величины коэффициента расхода в значительной степени затруднено, обычно его определяют экспериментальным путем. Весовой расход рабочего тела , протекающего через ротаметр будет равен . Отсутствие обстоятельной научно-экспериментальной литературы по стандартизации типов ротаметров, трудности установления для них точных значений коэффициентов расхода приводят к необходимости тарировки каждого нового типоразмера ротаметра (не говоря уже о приборах с новой формой поплавка, заменой материала поплавка, иной конусностью трубок ротаметра и т.п.).

Кроме того, каждый ротаметр подвергается индивидуальной градуировке из-за неумения изготовлять строго взаимозаменяемые стеклянные конические трубки. Иногда приходится подвергать ротаметр дополнительной градуировке в случае применения его для измерения расхода не того вещества, для которого была произведена начальная градуировка. В последнем случае дополнительная градуировка производится с использованием нового рабочего тела.

3.2.2. Методика выполнения эксперимента.

Под тарировкой (градуировкой) ротаметра понимают выявление зависимости или где H - шкала прибора (ротаметра). В результате градуировки ротаметра должна быть установлена экспериментальным путем зависимость между расходом жидкости через ротаметр и делениями шкалы, против которых устойчиво устанавливается верхний уровень поплавка ротаметра при течении через него определенного расхода жидкости.

Работа выполняется на приборе Д. Бернулли (рис.19), состоящем из центробежного насоса, питательного бака, трех автономных, параллельно расположенных опытных участков трубопровода и набора пьезометров.

Рис.19. Схема прибора Д.Бернулли

Во время проведения опытов вода в системе циркулирует непрерывно. Измерение расхода жидкости осуществляется при помощи ротаметров X и Y, установленных на нагнетательной линии, которые перед началом работ градуируют, используя для этого мерный сосуд, вмонтированный в бак. Расход жидкости определяется путем измерения времени наполнения  мерного бака известного объема (V = 3л). Обязательным условием качественного проведения градуировки ротаметра является устойчивое положение верхнего уровня поплавка ротаметра относительно заданного деления шкалы ротаметра H. Выводы из расчетных сечений от всех пьезометрических трубок сосредоточены на общем щите со шкалой для отсчета высоты уровня в трубках. Все пьезометры имеют общий нуль отсчетов. Направление потока жидкости и его расход регулируются при помощи соответствующих кранов и вентилей. На схеме прибора Д. Бернулли (см. рис.19) показаны значения диаметров всех участков трубопровода и координаты центров рассматриваемых сечений на участке.

3.2.3. Порядок выполнения работы на экспериментальной установке.

Блок ротаметров X и Y, установленных в гидравлическую систему прибора Д. Бернулли параллельно, расположен между насосом и системой кранов I и II. При проведении градуировки ротаметров жидкость подается от насоса через ротаметры (один или оба) в магистраль А-В и затем, после крана VIII направляется через сливную магистраль в мерный бак.

Для выполнения лабораторной работы необходимо:

1. Открыть вентиль II, краны VII и VIII. Вентиль I, краны III,IV,V и VI должны быть закрыты.

2. Включить насос.

3. Краном VIII, обеспечить минимально возможное устойчивое положение поплавка ротаметра Х.

4. Измерить время  наполнения мерного бака и зафиксировать положение верхнего уровня поплавка ротаметра Х относительно шкалы ротаметра.

5. Постепенно открывая кран VIII повторить работы по п.п. 3 и 4. Необходимо сделать не менее пяти замеров и на различных расходах, причем последний замер должен производиться в диапазоне делений ротаметра Х.

6. Дополнительно открыть кран I.

7. Добиться устойчивого положения верхнего уровня поплавка в ротаметре Y, не изменяя практически положения крана VIII.

8. Определить время наполнения мерного бака и зафиксировать высоту поплавка в ротаметре Y.

9. Постепенно открывая кран VIII повторить работы по п.п. 7 и 8. Количество замеров при этом должно быть не менее пяти, последний замер должен производиться в диапазоне делений ротаметра Y.

10. Отключить насос.

11. Закрыть вентили I и II, краны VII и VIII.

12. Определить действительные расходы жидкости и .

13. Построить в журналах лабораторных работ на миллиметровой бумаге градуировочные кривые и .

3.2.4. Порядок выполнения лабораторной работы на ПЭВМ.

1. Выполнить работы по п.п. 1-5 раздела 1.1.4.

2. Нажатием клавиши Tab переместить курсор в меню файлов Q BASIC и при помощи клавиши ↓ установить его на разделе Л.р. 2.bas.

3. Нажимая клавишу ENTER войти в файл программы Л.р. 2.bas.

4. Для запуска программы Л.р. 2.bas одновременно нажмите клавиши Shift и F5. На экране монитора откроется окно, содержащее информацию в соответствии с рис.20.

Рис.20. Содержание первого окна программы Л.р.2.bas.

5. В первой строке за знаком ? с помощью клавиатуры на место мигающего курсора введите положение вентиля В1, устанавлива- емого на входе в ротаметр (см. рис.19), соответственно, 0 - закрыт и нажмите клавишу ENTER .

6. Во второй строке за знаком ? на место мигающего курсора введите степень открытия вентиля В VIII в положении 1.

7. После нажатия клавиши ENTER откроется окно (рис.21), в котором можно наблюдать динамику протекания лабораторного процесса, по окончании которого появится команда «нажмите пробел».

8. После нажатия клавиши «пробел», откроется окно (рис.22), в котором появятся результаты измерений физических величин, фиксируемые в соответствующих графах табл.5 отчета по лабораторной работе.

Рис.21. Содержание второго окна программы Л.р.2.bas.

Рис.22. Содержание третьего окна программы Л.р.2.bas.

9. После нажатия клавиши «пробел», вновь выполните работы по п.п.5 – 8, изменяя открытие вентиля B VIII от 1 до 7, а затем, проделайте ту же работу, но при вентиле ВI в положении 1-открыт.

10. По окончании проведения процесса тарировки выполните работы в соответствии с требованиями п.п. 9 – 12 раздела 3.1.4.

3.2.5. Содержание отчета и его форма.

Отчет должен содержать описание прибора Д. Бернулли (рис.19), теоретические основы расходомеров постоянного перепада давления и формулы, необходимые для выполнения данной работы, а также графические изображения зависимостей и . Результаты замеров и вычислений вносят в отчет в виде табл.5.

Таблица 5

Результаты замеров и вычислений

№ п/п	дел.			дел.
1.
2.
…