16. Измерение статического давления в потоках. Управление чувствительностью к углу скоса потока.

Статическое давление – давление, не учитывающее кинетическую энергию потока, при его измерении не происходит торможение потока (или происходит торможение с рассеиванием кинетической энергии в теплоту – диссипативное торможение).

Для измерения статического давления используются отверстия в стенках канала или трубки датчика, сечения для забора воздуха которых расположены параллельно направлению потока.

Угол скоса потока вызывает погрешности измерения (максимально допустимый скос потока – 2-3 градуса), для выравнивания потока применяют дефлекторы. При их использовании необходимо производить тарировку шкалы, так как скорость потока в дефлекторе увеличивается по сравнению с основным потоком. При этом скорость ограничивается от скорости звука. Дальнейшее увеличение скорости ведет к запиранию канала и постоянной скорости в канале, давление не измеряется. Максимальное значение скорости:

Трубка Пито измеряет статическое и полное давление. Для забора статического давления отверстия выполняются на боковой поверхности трубки, на расстоянии от закругленного конца, где возмущения, вызванные закруглением, уже не оказывают влияния.

Инерционность показаний датчика зависит от размеров трубки, расстояние датчика до чувствительного элемента.

Погрешности чувствительного элемента могут возникать из-за обтекания отверстия, резкое изменение давления в потоке, забоины на краях отверстия, фаски и скругления в отверстии, нестационарность потока, скос потока.

Требования к чувствительному элементу: как можно меньший диаметр отверстия, острые кромки отверстия или фаски.

19. Измерение скорости и направления потока.

На малых скоростях применяется только прямое измерение скорости, на больших – косвенное.

Прямое измерение скорости – при помощи датчиков вращения под действием набегающего потока:

Анемометров, которые располагаются вдоль потока. Под чашками создается разряжение, благодаря которому возникает крутящий момент. При размещении анемометра поперек потока на нижней чашке возникает сопротивление давлению большее, чем сопротивление отрыва потока, возникает крутящий момент. Для равномерности вращения количество чашек делают нечетным, с минимальным диаметром 10 см.

Достоинства анемометров: независимость от скорости потока, простота конструкции.

Недостатки анемометров: точечный замер (только для больших потоков), использование только на открытом пространстве, неравномерность вращения.

Флюгер – более компактный прибор, размеры обратно пропорциональны количеству и размерам лопастей. При коротких лопастях влияет индукционное сопротивлении, возникающее из-за перетекания потока из области повышенного в область пониженного давления. Методы борьбы: геометрия крыла, уменьшение толщины профиля, законцовки крыла.

Турбинный датчик – разновидность флюгера с цилиндром вокруг лопастей, предотвращающим перетекание в область пониженного давления. Применяется вместе с флюгерами для автоматической ориентации в потоке. Могут применятся для измерения расхода капельных жидкостей и газов, в гидросистемах.

Ротаметр – прибор для прямого измерения скорости потока, использующий тарированную шкалу для измерения подъема шарика, на который действует струя набегающего потока. Так как скорость обтекания шарика всегда постоянна, показания шкалы зависят только от скорости потока. В зависимости от тарировки шкалы прибор измеряет скорость или объемный расход. С течением времени характеристики прибора меняются, поэтому на практике шкалу прибора просто нумеруют, а к технической документации прикладывают тарировочный график, обновляемый по мере износа прибора.

Косвенное измерение скорости. Прямым измерением получают статическое и полное давление, а скорость потока вычисляют по формуле, для несжимаемого потока:

поправочный коэффициент; постоянная плотность.

Для сжимаемого потока:

При небольших скоростях и высотах полета сжимаемых потоков изменение температуры небольшое (6,5⁰ на 1 км), поэтому не учитывается, поэтому возможно измерение скорости потока при помощи трубки Пито.

При больших скоростях необходимо учитывать температуру потока.

Трубка Вентури – дросселирующее устройство, замер скорости по перепаду статических давлений. Состоит из сужающегося и расширяющегося участков трубы, давление отбирается из входного и среднего сечений. Расширяющийся участок трубки необходим для плавного повышения давления до атмосферного после узкого сечения. Концевое сечение при скоростях больше 150 должно быть больше начального для компенсации ускорения за счет трения и нагрева при движении потока от среднего сечения к концевому.

Диафрагмы (мерные шайбы) – создают газовую или гидравлическую труду Вентури. При этом перед мерной шайбой замеряется полное давление, за ней – статическое. Мерную шайбу устанавливают на прямом участке трубы. Струя под действием сил инерции сужается больше, чем диаметр отверстия; вихреобразование приводит к уменьшению статического давления. Для компенсации этих эффектов вводят поправочные коэффициенты: коэффициент сжатия струи и коэффициент потерь , произведение которых равно коэффициенту расхода мерного устройства . Недостатки: большие потери на сопротивление, применение только при малых скоростях потока.

Мерное сопло – более удобообтекаемое мерное устройство, чем диафрагма. Принцип тот же, но вместо шайбы используется участок сопла. Интенсивность вихрей и уровень потерь меньше, , измерение более стабильное. Применяются как расходомеры. Для измерения скорости не применяются в коротких и широких каналах, так как измеренная скорость является среднеинтегральной.

В широких каналах скорости измеряются точечно по всей длине канала при помощи трубок Пито или аналогичных устройств.

Направление потока узнают при помощи высокочувствительных датчиков, фиксирующих разность давлений в двух трубках с косым срезом в 30⁰. Изменение направления приведет к изменению давления в обоих трубках. При совмещении этого датчика с трубкой измерения полного давления, датчику не потребуется ориентация по потоку, так как направление потока будет фиксироваться. Скорость и давление при этом определяют по тарировочным графикам. Для исключения завихрений и чувствительности к скосу потока трубки направления объединяют в кольцо вокруг трубки полного давления.