Измерение расходов жидкостей и газов

Потоки газов и жидкостей, возникающие при работе поршневых двигателей, в большинстве своём имеют пульсирующий, прерывистый или так называемый нестационарный характер движения. Не стационарность потоков, с которыми приходится иметь дело при испытании поршневых двигателей, свойственна им не только на неустановившихся, но и на установившихся режимах работы.

Известно, что не стационарность потоков сглаживается при увеличении числа оборотов вала двигателя и с переходом на большее число цилиндров, но, и в принципе, всегда имеет место независимо от количества цилиндров и скоростного режима работы. Это обстоятельство, а также то, что скорость отдельных струек в потоке неодинакова по его поперечному сечению, значительно осложняют определение истинных параметров потока и служит источником погрешностей при измерении расхода. Чтобы упростить задачу и одновременно обеспечить требуемую точность измерений, в практике испытаний автомобильных и тракторных двигателей применяют ряд мер и прибегают к допущениям, не вносящим заметных искажений в результаты измерений.

Во-первых, стремятся выровнять по времени движение потока через мерное устройство; во-вторых, расходуемые жидкости или газ отмеривают с помощью мерных сосудов (ёмкостей) или взвешиванием; в-третьих, определяют не истинные, а средние величины давлений и скорости по времени и поперечному сечению потока, при которых обеспечивается расход, равный расходу при их действительных значениях в данном сечении потока; в-четвёртых, все расчёты ведут в предположении неразрывности потока и в отсутствии теплообмена его с внешней средой; в-пятых, измерительные устройства тщательно тарируют и по мере необходимости корректируют их показания.

Расходы жидкостей и газов измеряют в объёмных, массовых или весовых единицах за определённый промежуток времени и в данный момент времени. В первом случае применяют счётчики количества протекающей жидкости или газа и получают суммарное значение расхода. Эту же цель достигают с помощью заранее оттарированных мерных объёмов, взвешиванием или измерением параметров движения потока электрическими и газодинамическими средствами с последующим пересчётом по известным формулам. Во втором – мгновенное значение расхода, используя для этого различные расходомеры-ротаметры, флоуметры (дословно, потокоизмерители) или электрические и иные способы измерений.

Измерение скорости вращения и времени

Стендовые испытания двигателей предполагают согласованные измерения скорости вращения вала и времени. Обе эти величины необходимо фиксировать одновременно и тщательно с точностью, допускаемой приборами, выбранными для проведения испытаний. Не располагая надёжными экспериментальными данными, оценивающими, указанные исходные величины в отдельных замерах, нельзя определить, например, мощностные и экономические показатели испытуемого двигателя на заданном скоростном режиме. Нельзя даже настроить испытательную установку на определённый режим, если нет соответствующих приборов контроля мгновенной скорости вращения вала или измерения суммарного числа его оборотов за точно фиксируемый отрезок времени.

Угловая скорость, или частота вращения объекта, выраженная через угловое перемещение j и время t, в общем случае связаны между собой зависимостью w = dj/dt. Очевидно, при равномерном вращательном движении угловая скорость w = j/t.

По новой международной системе единиц СИ скорость вращения деталей машин должна измеряться только в радианах. Однако приборов, проградуированных в радианах, пока нет, поэтому скорость вращения валов продолжают измерять в единицах полного оборота за время 1 мин, т.е. в n, мин^-1. Целесообразно оценивать ее также частотой вращения в 1/с.

Угловая скорость (1/с) вращательного движения объекта по частоте вращения w = pn/30.

А так как между угловой w и линейной v (м/с) скоростью точки, расположенной на расстоянии r от оси вращения, существует зависимость v = rw, то v = prn/30, м/с.

В практике испытаний линейную скорость часто определяют через угловую скорость вращения, прибегая к измерению частоты вращения вала. Частота вращения вала, или частоту его вращения, измеряют приборами двух типов: тахометрами, показывающими непосредственно число оборотов в минуту, и суммарными счётчиками, фиксирующими число оборотов за определённый отрезок времени. Кроме этих базовых приборов, применяют тахографы и тахоскопы, в которых механизмы определения скорости вращения и времени кинематически связаны и представляют собой единое измерительное устройство.

Время измеряют механическими и электрическими секундомерами. Особенно распространены теперь различные электронные частотомеры, обладающие широкой универсальностью. Однотипные частотомеры позволяют иногда измерять мгновенные и суммарные числа оборотов вала, продолжительность одного измерения и интервалы времени между отдельными сигналами датчиков, а также служат за датчиками для других приборов и т.д.

Измерение давлений

Давление жидкостей и газов в ёмкостях и потоках измеряют различными указывающими, самопишущими и сигнализирующими приборами, называемыми в общем манометрами.

По назначению приборы измерения давлений строго разделяют на манометры масла, топлива, воды, воздуха, кислорода, ацетилена и т.д., а по принципу действия их чувствительных элементов (датчиков, приёмников), передающих и регистрирующих звеньев – на механические и электромеханические. Среди этих групп выделяют: жидкостные, пружинные, поршневые и другие манометры, а также манометры с электрическими преобразователями.

Выбор нужных приборов измерения давлений определяется назначением и принятой методикой исследования, желаемой точностью измерения и диапазоном измеряемых давлений. В лабораториях для испытания приборы давлений применяют при настройке двигателей на заданный режим испытаний, для контроля за работой их систем и определения давления в окружающей среде, а также в устройствах, измеряющих расход жидкостей и газов. Этим целям вполне отвечают обычные указывающие жидкостные и пружинные приборы различных модификаций.

Так, микроманометрами , манометрами и пьезометрами измеряют избыточное давление; мановакуумметрами – давление ниже атмосферного; барометрами - давление в окружающей среде. Наиболее широко применяют жидкостные манометры, обладающие универсальностью и высокой точностью.

Величины давлений выражают в единицах градуировки существующих лабораторных приборов: кгс/см², мм вод. ст., мм рт.ст. и МПа.

Необходимыми условиями эффективного использования любого из перечисленных приборов являются правильное ориентирование их в пространстве, надёжная защита от вибраций, толчков и соблюдений норм подключения к местам замера. Если рабочее положение прибора вертикальное или горизонтальное, то это неукоснительно должно выполняться. Правильное подключение приборов к месту замера особенно важно при измерении давлений в потоках.

Измерение температуры

Определение температуры тела особенно сложный и трудоёмкий процесс измерения, основанный на теплообмене между телами и на изменении физических свойств тел при нагреве. Чтобы определить степень нагретости тела, его вводят в тепловой контакт с другим телом, называемым термометром, по показаниям которого судят о тепловом состоянии изучаемого тела, или же сопоставляют его нагретость с нагретостью термометрического вещества бесконтактным способом.

Для измерения температуры применяют различные указывающие и регистрирующие приборы – термометры местного и дистанционного контроля температуры, если необходимо, с сигнализацией предельных её значений.

По принципу действия термометры, так же как и приборы давления, разделяют на механические, электромеханические и электрические. В каждую группу входят свои разновидности термометров с общими характерными особенностями термометрического вещества.

К механическим относят термометры, действие которых основано на тепловом расширении твёрдых и жидких тел, на изменении давления газов или жидкости и её паров в замкнутых системах, вызывающих механическое перемещение или изменяющих давление, преобразуемое в механическое перемещение, пропорциональное нагреву. Наиболее распространены из этой группы жидкостные и манометрические термометры.

К электромеханическим и электрическим относят разнообразные термометры сопротивления, в которых используют свойства проводниковых и полупроводниковых термосопротивлений, термометры с полупроводниковыми диодами и триодами в качестве чувствительных элементов, а также термоэлектрические термометры, позволяющие измерять тепловое состояние среды по изменению термоэлектродвижущей силы в термоэлектрической паре проводников. Из названных разновидностей термометров чаще всего применяют электрические.

Без тщательного измерения температур окружающей среды, теплового состояния двигателя и используемых материалов нельзя получить достоверных результатов, сравнить одни испытания с другими и т.д. Выбор нужного для этого типа термометра определяется назначением, необходимой точностью измерений и пределами температур в планируемой зоне измерения.

Так, жидкостные термометры расширения применяют для измерения температуры окружающей среды теплового состояния потоков воздуха и жидкостей в трубопроводах и для контроля других приборов измерения температур; термометры давления или манометрические термометры – для измерения температуры охлаждающей жидкости и картерного масла двигателя; термометры сопротивления – для измерения температуры воды, воздуха, картерного масла, топлива и т.д., термоэлектрические термометры – для измерения температуры отработавших газов, тепловой напряжённости деталей двигателя и других горячих объектов.

Отечественные приборы для измерения температуры размечают в градусах Цельсия (°С), являющихся единицей температуры международной практической температурной шкалы, реже – в электрических единицах измерения, которые переводят потом в градусы по тарировочным графикам.

6 Правила оформления отчёта

Содержание отчёта

Отчёт по лабораторным работам оформляется индивидуально каждым студентом и содержит следующее:

1. Название лабораторной работы

2. Описание цели работы

3. Определение характеристики

4. Порядок снятия характеристики

5. Таблица 1- «Протокол измеренных величин»

6. Таблица 2 -«Протокол расчётных величин»

7. Пример расчёта одного из режимов

8. Построение графиков изменения параметров работы двигателя

9. Анализ полученных данных

Рисунок 6.1 – Графическое сглаживание экспериментальных данных:

1 – экспериментальные данные;

2 – плавная сглаживающая кривая

Рисунок 6.2 – Графическое сглаживание экспериментальных данных:

1 – кривая по результатам измерений;

2 – плавная сглаживающая кривая

Все листы отчёта должны быть скреплены в папку формата А4. На титульном листе обложки указывается (Приложение А). Штампы на первых листах и текстовой части каждой лабораторной выполняются согласно требованиям стандарта СТП 12 400 – 04 (Приложение Б). Текст отчёта оформляют на листах в рамке: поле слева – 20 мм, справа, сверху и снизу – 5 мм.

Масштабы, по возможности, выбирают кратным числу клеток миллиметровой бумаги стандартного формата, на котором удобнее всего строить графики. При этом следует рациональнее использовать поле формата, не допускать скученности кривых и по возможности избегать излишних линий. В каждом конкретном случае принятый масштаб должен способствовать возможно полному выявлению действительной взаимосвязи между обследуемыми величинами.