2.1 Измерение давлений газа

Во все уравнения и газодинамические соотношения входят значения абсолютных давлений, отсчитанных от нуля, т.е. от абсолютного вакуума. Однако большинство приборов, используемых в экспериментальной практике, измеряет разность двух давлений. Если одно из давлений газа близко к абсолютному вакууму, то прибор измеряет абсолютное давление. К таким приборам относятся барометры, измеряющие атмосферное давление окружающего воздуха (рис. 2).

Рисунок 2 - Схема барометра: 1б - анероид, ( упругий чувственный элемент); 2 - корпус, 3 - шатун, 4 - кривошип, 5 – зубчатый сектор, 6 - трубка, 7 - указывающая стрелка.

Основным элементом барометра является герметичный анероид, из внутренней полости которого откачан воздух и давление близко к абсолютному вакууму. Под воздействием атмосферного давления окружающего воздуха происходит деформация упругого чувствительного элемента - анероида, которая передается на отсчетное устройство.

Если при измерении давления газа одно из давлений является атмосферным, то прибор, показывающий избыточное давление над атмосферным, называют манометром, а давление манометрическим p_м.

В тех случаях, когда измеряемое давление ниже атмосферного, то прибор, измеряющий разность между атмосферным и абсолютным давлением газа, называют вакуумметром, а давление вакуумметрическим p_вак или вакуумом.

Рисунок 3 - Схема манометра.

На рис. 3 схематически показано устройство манометра с одновитковой трубчатой пружиной Бурдона. Один конец трубчатой пружины 1 закреплён в держателе 2, скреплённом с корпусом манометра. Внизу держатель снабжен шестигранной головкой и радиальным штуцером 3 с резьбой для присоединения к объекту, где надлежит измерить избыточное давление газа. Свободный конец пружины 1, закрытый пробкой с серьгой и запаянный, соединён с секторным передаточным механизмом, состоящим из поводка 4, сектора 5 и трубки 6, на оси которой укреплена стрелка 7. Спиральная пружина 8, прижимающая зубцы трубки к зубцам сектора, устраняет мёртвый ходи повышает точность измерения давления.

Внутри трубчатой пружины 1 находится газ под давлением. Снаружи на нее действует атмосферный воздух. Под влиянием измеряемого избыточного давления пружина деформируется и тянет поводок. Поводок поворачивает зубчатый сектор и соответственно трубку со стрелкой. Передвигающаяся вдоль шкалы стрелка показывает значение измеряемого избыточного давления. Перемещение свободного конца пружины, а следовательно, и угол поворота стрелки практически пропорциональны измеряемому давлению, поэтому шкала таких приборов равномерна.

Конструктивно вакуумметры и манометры такого типа мало отличаются друг от друга, в основном градуировочной шкалой.

Для определения абсолютного значения измеряемого давления газа, кроме измерений манометром или вакуумметром, требуется измерение атмосферного (барометрического) давления окружающей среды p_н. Тогда абсолютное статическое давление p газа или давление торможения p* подсчитываются по формулам в зависимости от показаний манометров

р= р_н + р_м , р^*= р_н + р_м (12)

или вакуумметров р= р_н - р_вак , р^*= р_н - р*_вак (13)

При вычислениях по этим формулам все величины следует брать в одинаковых единицах измерения. За единицу измерения давления в международной системе единиц CИ принят паскаль, Па. Наряду с этой единицей давления применяют укрупненные единицы: килопаскаль, КПа, и мегапаскаль, МПа:

1Па= 1 Дж/м3 = 10^-з КПа = 10^-6 МПа

В состав измерительных систем давления, кроме измерительных приборов (барометра и манометров или вакуумметров), входят приёмники (датчики) давления. Измерительные приборы размещаются в местах, удобных для наблюдения, а приёмники (датчики) давления в местах непосредственного измерения объекта исследования. Измерительные приборы и приёмники давления соединены между собою трубками.

При измерении давлений различают:

-измерение давлений на поверхности стенок канала, ограничивающего поток, или на поверхности твердых тел, находящихся в потоке;

-измерение поля давлений в потоке.

В первом случае измеряется статическое давление при помощи отверстий в стенках, ограничивающих поток (рис.4). Эти отверстия носят название дренажных.

Рисунок 4 -Приёмники статического давления в стенке

Для получения надёжных результатов измерения при дренировании должны быть выдержаны некоторые условия: диаметр отверстий d должен быть в пределах 0,3…1,5 мм в зависимости от размеров тела и рода вещества, ось отверстия должна быть нормальна к поверхности стенки, кромки отверстия не должны иметь выступов и заусениц.

При измерении поля давлений в поток помещается специальный приёмник, содержащий одно или несколько приёмных отверстий. Простейшим приёмником давления является цилиндрическая трубка малого диаметра, изогнутая под прямым углом (рис. 5). Короткое её колено 1 называется рабочей частью трубки и располагается навстречу потоку и параллельно его направлению. Это колено соединено с державкой 2, с помощью которой приёмник вводится в поток и крепится к стенке.

Располагая определённым образом отверстия на поверхности рабочего участка приёмника можно измерить статическое давление p или давление торможения p* газового потока в месте расположения отверстий.

У приёмника давления торможения (рис. 5) приёмное отверстие обращено навстречу потоку и перпендикулярно его направлению.

Рисунок 5 - Схема приёмника давления торможения

В дозвуковом потоке газа такой приёмник измеряет давление торможения, достаточно хорошо совпадающее с истинными значениями.

В сверхзвуковом потоке перед головкой приёмника образуется прямой скачок уплотнения (ПСУ) (Рис. 6), за которым газ тормозится до дозвуковой скорости.

Рисунок 6 - Схема обтекания полусферического приёмника сверхзвуковым потоком.

В этом случае приёмник измеряет давление, равное давлению торможения за скачком уплотнения p_за*, что не соответствует значению давления торможения исследуемого невозмущённого сверхзвукового потока газа p*.

Тогда давление торможения сверхзвукового газового потока определяется по соотношению:

_, (14)

где σ_n.c.у - коэффициент сохранения давления торможения в прямом скачке уплотнения;

, (15)

где - относительная скорость невозмущённого сверхзвукового потока перед прямым скачком уплотнения, определяется по формулам (9).

У приёмника статического давления (рис. 7) приёмные отверстия расположены на боковой поверхности рабочего участка и параллельны направлению движения газового потока.

Рисунок 7 - Схема приёмника статического давления.

На точность показаний такого приёмника оказывают влияние: местоположение приёмных отверстий, относительные размеры приёмника и ориентация его в потоке, диапазон скоростей потока газа, форма головки, технологические погрешности изготовления приёмника и др.

При больших скоростях газа следует применять приёмники с заострённой головкой, в которых приёмные отверстия расположены на таких расстояниях от вершины головки и от державки, при которых исключается их влияние на показания приёмника при измерениях.

В тех случаях, когда размеры исследуемой области газового потока настолько малы, что не позволяют установить пневмоприёмники вышеописанных типов, используют другой их конструктивный вариант - пневмометрические зонды. Наиболее широко применяются цилиндрические зонды, представляющие собой трубки малого диаметра с отверстиями на боковой поверхности (рис.8)

Рисунок 8 - Схема цилиндрических пневмозондов:

а - зонд статического давления, б - зонд давления торможения

Место измерения давлений можно изменять перемещением зондов вдоль потока или в его поперечном сечении. Один конец трубок герметично запаян, а другой конец соединяется с регистрирующим измерительным прибором (манометром или вакуумметром).

Система измерений давления может быть более сложной, когда приёмник, воспринимающий давление, соединяется с преобразователем давления в электрический сигнал (напряжение, ток или частоту) и далее с регистратором-измерителем электрической величины, аналого-цифровым преобразователем и электронной вычислительной машиной (ЭВМ), использующей измеренные давления в вычислениях.

При исследованиях газового потока давления измеряются одновременно в большом количестве точек. Практика показала, что установка значительного количества приёмников в поток приводит к искажению самого потока и соответственно результатов измерения. В каналах при относительно малых скоростях движения газа допускается загромождение потока, равное 5…6% от площади поперечного сечения проточной части. При околозвуковых и сверхзвуковых скоростях - до 1…2%.