Сборник лаб. работ по ТТИ (готов)


ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ
БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ имени академика С.П. КОРОЛЕВА»
(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
С А М А Р А 2012


Министерство образования и науки
Российской Федерации
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ
БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ имени академика С.П. КОРОЛЕВА»
(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве методических указаний
С А М А Р А
Издательство СГАУ
2012 г

УДКХХХ.ХХХ, ХХХ.ХХХ
Составители: к.т.н. В.Ю.Абрашкин.
Рецензент:д-р физ.-мат. наук, проф. И.О. Фамилия,
Физические основы теплотехнических измерений/ сост.: [и др.] – Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2012. – ХХ с.: ХХ ил.
Рассмотрены физические основы измерений основных параметров рабочих процессов в ДВС и камерах сгорания ГТД, методика обработки результатов измерений и определение их погрешностей, требования к первичным преобразователям и измерительным приборам. Рассмотрены вопросы определения экологически характеристик ДВС
Указания предназначены студентам, при изучении курса по физическим основам теплотехнических измерений в ДВС.
Методические указания разработаны на кафедре «Теплотехника и тепловые двигатели» совместно с Научно образовательным центром газодинамических исследований СГАУ.
© Самарский государственный
аэрокосмический университет, 2012

Содержание
TOC \o "1-3" \h \z \u Лабораторная работа №1 PAGEREF _Toc318369114 \h 7Лабораторная работа №2 PAGEREF _Toc318369116 \h 61Лабораторная работа №3 PAGEREF _Toc318369118 \h 76Лабораторная работа №4 PAGEREF _Toc318369120 \h 90Лабораторная работа №5 PAGEREF _Toc318369122 \h 103

Лабораторная работа №1Методы и средства измерения параметров потока жидкости и газаЦель работы 1. Изучение методов расчёта основных параметров газового потока.
2. Изучение конструкции и принципа действия приборов для измерения давления, температуры, расхода жидкости и газа, полей скоростей газовоздушного потока, состава продуктов сгорания и оксидов азота.
1 Основные теоретические положения
1 Расчётные формулы
В инженерных расчётах параметров потоков жидкостей или газа в тепловых двигателях, как правило, определяют статические (Р и Т) и заторможенные (Р* и Т*) параметры, плотности газа ρ или жидкости ρж, объёмный (Q) и массовый (G) расходы, а также скорость потока С. С этой целью используют сравнительно небольшое количество газодинамических и термодинамических соотношений. Основные из них следующие:
Уравнение состояния газа – P/ρ=RT, из которого обычно определяют плотность ρ=P/RT.
Уравнение Бернулли P*=P+ρc2/2. На его основе вычисляют скорость в потоке
C=2∙P*-Pρ.Для определение скорости истечения сжимаемой жидкости из замкнутого объёма с параметрами газа Р* и Т* применяется формула
C=2∙kk-1∙RT*∙1-PHPk*k-1/k.Уравнение неразрывности G=ρ∙c∙F чаще используют в виде
G=Q∙ρ, где Q=V/τ.Применение газодинамических функций позволяет рассчитывать расход газа по параметрам заторможенного потока
G=mG*P*∙F∙qλT*.Поскольку статическая температура не поддаётся непосредственному измерению, её обычно определяют по алгоритму:
таблицы ГДФ .
Зная температуру Т и используя ГДФ, вычисляют величину скорости потока
C=a∙M, где a=kRT.Видно, что для использования этих формул при обработке экспериментальных результатов необходимы прямые измерения достаточно узкого круга параметров: Р*, Р, Т*, V, τ и ρж.Любое измерение представляет собой процесс, структуру которого можно представить в виде следующей схемы (см. рисунок 1):

Рисунок 1 - Структурная схема измерения параметра Х
2 ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ
В потоке различают давление торможения и статическое давление, зная которые, можно найти основные параметры движущегося газа. Давление торможения P* - это давление изоэнтропно заторможенного потока. Статическое давление P - это давление среды, действующее на тело, движущееся с потоком, или на неподвижную стенку, расположенную параллельно скорости потока w. Связь давления торможения и статического давления для несжимаемой жидкости М≤0,3определяется уравнением Бернулли:

где ρ - плотность жидкости (газа).
Для замера давления в потоке нужно иметь специальные приемники (рисунок 2). Они должны:
- не слишком возмущать поток, а значит, помимо прочего, иметь сравнительно небольшие габариты;
- быть не слишком чувствительными к изменению направленияпотока;
- обладать достаточной механической прочностью, а иногда и жаропрочностью.

Рисунок 2 - Приёмник статического давления
2.1 Измерение статического давления
Измерение статического давления на поверхности тел и стенках каналов осуществляется с помощью дренажирования. К форме и расположению дренажных отверстий предъявляются определенные требования: ось отверстия должна быть перпендикулярна поверхности; диаметр в пределах 0,5—1,5 мм(отверстия меньшего диаметра быстро засоряются, большего — дают значительную ошибку измерения), отношение толщины стенки к диаметру отверстия не должно быть меньше трех; кромки отверстия не должны иметь заусенцев, скруглений и фасок, иначе возможны заметные погрешности измерения (рисунок3).

Рисунок 3 - Влияние формы приемного отверстия на погрешность измерения статического давления
В окрестностях дренажа стенка или поверхность должны быть совершенно гладкими – без выступов, впадин и рисок. Для измерения полного и статического давления в потоке, применяются Г-образные и дисковые насадки различных конструкций. Применение Г-образных насадок основано на том, что на поверхности осесимметричного тела вращения с обтекаемой головной частью на расстоянии более 3d от носка давление практически равно статическому (см. рисунок4). На этом расстоянии осуществляют отбор давления. Эти насадки достаточно точно измеряют статическое давление в широком диапазоне изменения дозвуковой скорости λ=0÷0,8. Простейшим и широко используемым приёмником давления торможения является Г-образная трубка. Она часто комбинируется с приёмником статического давления. Схема такого насадка приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Комбинированный насадок с полусферической головкой для измерения динамического напора
Кривые в нижней части рисунка показывают распределение давления по поверхности цилиндрической части насадка: левая кривая – с нижней стороны, где отсутствует державка, правая – с верхней стороны. Размеры комбинированных насадок нормализованы.
2.2 Первичные преобразователи
Существующие средства измерения давления основаны, главным образом, на уравновешивании усилия, возникающего от действия давления, массой жидкости или различными упругими элементами (мембранами, сильфонами, пружинами).
Устройства, предназначенные для измерения избыточных положительных давлений, называются манометрами, отрицательных — вакууметрами, абсолютного атмосферного давления — барометрами.
При испытаниях ДВС широко применяются как электрические, так и неэлектрические средства измерения давления. Из последних наиболее распространены жидкостные, пружинные и поршневые манометры.
Жидкостные манометры представляют собой обычные U-образные трубки (рисунок 5,а), заполненные жидкостью (вода, ртуть,спирт, масло и т.п.).

Рисунок 5. Жидкостные манометры: а – U-образный; б- чашечный; в-микроманометр
Перепад между измеряемым рх и атмосферным или эталонным ра давлениями уравновешивается столбом жидкости h:
;
где ρ - плотность жидкости. Основное достоинство таких манометров — малая погрешность ~0,1%. Недостатком является необходимость визуального определения двух уровней жидкости, невозможность динамических измерений, трудность автоматизации, что, впрочем, свойственно большинству неэлектрических методов измерения.
Иногда вместо U-образных трубок применяются чашечные, часто многоточечные манометры (рис. 2,1,6), здесь высота h определяется только одним визуальным отсчетом. При D/d>32изменением уровня жидкости в резервуаре можно пренебречь. Для pxi-pa≤1000 мм вод.ст.это дает погрешность менее 0,1%. При необходимости измерения малых перепадов давлений ∆p<200 мм вод.ст.используют микроманометр (рис. 2.1,в), где

В этом случае снижается погрешность из-за неточного отсчета шкалы, так как цена деления манометра уменьшается:
.Следовательно, при одинаковом перепаде давлений отсчет по шкале микроманометра больше, чем у обычного манометра, в 1/sina раз.
Пружинные манометры. Чувствительный элемент этого манометра (рисунок 6) — трубка Бурдона 1 — имеет овальное сечение. Под действием измеряемого давления она стремится распрямиться, приняв в поперечном сечении круглую форму, при этом внутренние слои сжимаются, а наружные растягиваются. Возникающее усилие, разгибающее трубку, передается через тягу 4и зубчатый сектор 5 к зубчатому колесу 3 и стрелке 2. Для устранения зазоров в зацеплении 3—4ось стрелки закручивается слабой спиральной пружиной (на рисунке не указана). Аналогичную систему передачи от упругого элемента к стрелке имеют и другие типы пружинных манометров (мембранные, сильфонные и т. д).

Рисунок 6 - Манометр с трубчатой пружиной
В зависимости от величины погрешности пружинные манометры выпускаются следующих классов точности: рабочие — 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4; образцовые — 0,25; 0,4.
При необходимости дистанционного снятия показаний используются электрические средства измерения давления. Они значительно проще позволяют автоматизировать эксперимент. В электрических манометрах изменение давления вызывает механическое перемещение чувствительного элемента, которое преобразуется в изменение сопротивления, индуктивности, емкости, частоты и т. д. Соответственно различают потенциометрические и тензометрические, индуктивные, емкостные, частотные датчики давления.
В потенциометрических датчиках (рисунок7,а) перепад измеряемого и атмосферного давлений приводит к изменению формы мембранной коробки М (сильфона, трубки Бурдона и т. п.), которое через тягу Т передается на рычаг, заставляя перемещаться подвижный контакт К по виткам реостата Р. Разработано несколько вариантов таких датчиков, в том числе и дифференциальных (сравнивающих два давления). Потенциометрические датчики имеют простую схему, удобны в эксплуатации, дают высокий уровень выходного сигнала, обладают стабильной статической характеристикой. Недостатком таких датчиков является их чувствительность к вибрациям, а также небольшая собственная частота, что позволяет их использовать для измерения лишь медленно меняющихся давлений (с частотой порядка нескольких герц).

Рисунок 7 - Электрические датчики давления (ДД)
Этих недостатков лишены тензодатчики, принцип действия которых основан на изменении сопротивления проводника при изменении его длины. Зигзагообразно уложенная проволока 2(рисунок7, б)наклеивается на какой-либо чувствительный элемент 1, изменяющий свои размеры под действием давления, например, на мембрану. От поверхности чувствительного элемента 1проволока2тензодатчика отделяется слоем электроизоляционного материала 3. Аналогичной изолирующей прослойкой проволока 2закрыта и сверху.
Качество работы тензодатчика в значительной степени определяется надежностью приклеивания проволоки к чувствительному элементу, так как их деформации должны совпадать. При изменении давления меняются размеры мембраны, а значит и длина проволоки l, что приводит к изменению ее сопротивления R. Тензодатчик обычно включается в мост Уитстона (рисунок 7, в) и его сопротивление сравнивается с эталонным.
Важной характеристикой тензодатчиков является тензочувствительность:
k=(∆R/R)/(∆l/l)=∆R/Rε.Проволока тензодатчика выполняется обычно из материалов, удельное сопротивление которых мало зависит от температуры (константан, нихром). Тензочувствительность этих материалов невелика (2—3,5), значительно выше она у разрабатываемых в последнее время полупроводников (к = 120—150).
Для повышения чувствительности тензодатчика стараются увеличить длину проволоки, располагая ее на небольшой площади, что и приводит к конфигурации, изображенной на (рисунке7, г).Такой датчик весьма чувствителен к изменению размеров в направлении yи практически нечувствителен в направлении х. Этим пользуются для компенсации изменения сопротивления проволоки от температуры, располагая перпендикулярно измерительному компенсационный датчик.
На сопротивление последнего воздействует только температура. Стараются, чтобы она была как можно ближе к температуре измерительного датчика. Тогда, вычитая из его показаний показания компенсационного датчика, можно значительно снизить температурную погрешность.
Тензодатчики имеют погрешность порядка ~1%, стабильную статическую характеристику и достаточно высокую собственную частоту f=2000 Гц. Недостатком является их чувствительность к тепловым ударам, а также низкий уровень выходного сигнала и, как следствие, необходимость в довольно сложной и громоздкой вторичной аппаратуре. Последнее, впрочем, характерно практически для всех высокочастотных датчиков давления.
Тензорезисторные преобразователи давления. Тензорезисторные чувствительные элементы представляют собой металлическую и(или) диэлектрическую измерительную мембрану, на которой размещаются тензорезисторы (чаще всего в виде уравновешенного измерительного моста) с контактными площадками для подключения к внутренней или внешней электроизмерительной схеме. Деформация мембраны под воздействием внешнего давления приводит к локальным деформациям тензорезисторного моста и его разбалансу, который измеряется электронным блоком (рисунок8). Поскольку чувствительность полупроводниковых тензорезисторов в десятки раз выше, чем у металлических, и, кроме того, интегральная технология позволяет в одном кристалле кремния разместить как тензорезисторы, так и микроэлектронный блок обработки, то в последние годы получили преимущественное развитие интегральные полупроводниковые тензорезисторные чувствительные элементы. Особенно широкое применение в изготовлении тензорезисторных преобразователей в силу своих высоких механических, изолирующих и теплоустойчивых качеств получила технология «кремний на сапфире».

1 – мембрана; 2 – измерительная схема; 3 – тензометрический мост;
4 – источник питания.
Рисунок8 -Тензорезисторный преобразователь давления
В индуктивном датчике (рисунок 9) прогиб мембраны М изменяет магнитное сопротивление якоря рабочей катушки Р, а, следовательно и ее магнитное сопротивление. Вторая катушка К компенсирует влияние температуры. Эти катушки представляют два плеча измерительного моста, остальные два плеча находятся во вторичной аппаратуре типа ИД-2И. Индуктивные датчики (например ДД-10, рисунок 10) весьма чувствительны. Они позволяют уловить прогиб мембраны 0,1 ...0,5 мм, следствием чего является высокая собственная частота датчика — порядка 5000 Гц. Эти датчики могут использоваться в агрессивных средах.

Рисунок 9- Индуктивный датчик давления
Датчики типа ДД-10 обеспечивают измерения давлений в диапазонах от 5÷10105 до 2÷3107 Па. При собственной частоте мембраны 20 кГц и частоте питания 10 кГц регистрируются без искажений колебания давления с частотой до 300 Гц; завал амплитудно-частотной характеристики на частоте 1000 Гц составляет не более 10—15%. Нелинейность статической характеристики в рабочем диапазоне датчика равна ~4-5% при гистерезисе около 2%. Для компенсации температурной погрешности в датчике имеется вторая, идентичная рабочей катушка с подстроечной муфтой. Обе катушки включаются в мостовую схему так, что обеспечивается полная температурная компенсация при изменении температуры в пределах ±50∘С
1-мембрана; 2-рабочая катушка; 3-компенсационная катушка; 4- компенсационная муфта; 5-разъём.
Рисунок 10 - Индуктивный датчик давления ДД-10
Еще более высокочастотными f=30000Гц являются емкостные датчики (рисунок 11). Их действие основано на изменении емкости, вызываемом изменением расстояния между мембраной 1 и неподвижной пластиной 2, разделенных изолятором 3. Эта система представляет собой конденсатор с расстоянием между обкладками 0,1... 0,2 мм, что позволяет надежно замерять изменение зазора в 0,01 ... 0,02 мм (изменение емкости соответственно — 10%). Сигнал регистрируется включением емкости датчика в колебательный контур с замером частоты колебаний последнего. На показания емкостного датчика существенное влияние оказывает емкость соединительных проводов, что значительно усложняет измерение и снижает его точность. Обычно емкостные датчики используются для измерений пульсаций давления, например, в камере сгорания.

Рисунок 11- Принцип действия емкостного ДД
На рисунке 12 приведена конструктивная схема емкостного датчика давления типа ЕМД.

1 - мембрана; 2 и 3 - кварцевые изоляторы; 4 - высокочастотный трансформатор; 5 - неподвижный электрод; 6 - жидкость; 7 - разделительная мембрана.
Рисунок 12 - Ёмкостной ДД дтипа ЕМД
Здесь давление воспринимается разделительной мембраной и через центральный соединительный шток передается к рабочей мембране, выточенной заодно с корпусом. Рабочая мембрана является подвижным электродом емкостного преобразователя малых перемещений. Емкость плоского конденсатора с воздушным зазором равна:
C=εS4πlВ,где ε— диэлектрическая проницаемость, S — площадь электродов. При изменении воздушного зазора на малую величину∆lВ изменение емкости равно:
∆C=C1-C2=εS4π1lВ-1lВ-∆lВ=-εS4πlВ∆lВlВ-∆lВ.Если изменение зазора (прогиб мембраны) значительно меньшеlВ, то
∆C≈-εS4πlВ2 ∆lВ,т.е. малые изменения емкости пропорциональны прогибу мембраны. Датчики типа ЕМД предназначены для измерения малых давлений 0-4∙105 Па горячих газов, поэтому через корпус датчика и полость между мембранами циркулирует охлаждающая жидкость (вода). Частота собственных колебаний чувствительного элемента ЕМД около 15 кГц. Аналогичным образом строятся схемы пьезоэлектрических датчиков быстро меняющихся давлений (рисунок 13).

Рисунок 13- Пьезоэлектрический ДД
Под действием давления, переданного через мембрану, пьезокристалл поляризуется. Заряд, возникающий в кристалле, распределяется по емкости С, параллельной датчику, после чего происходит утечка заряда с постоянной времени τ=RC, где R — эффективное сопротивление цепи, обычно близкое к входному сопротивлению усилителя. Так как величины R и C определяются некоторыми независимыми условиями, то пьезоэлектрические датчики не могут обеспечить измерений установившегося или медленно меняющегося давления, а могут применяться только для измерений в кратковременных переходных режимах, длительность которых намного меньше τ. Поэтому в большинстве случаев при использовании пьезодатчиков давления необходима регистрация на катодно-лучевом осциллографе. Главным недостатком подобных датчиков является малая стойкость по отношению к ударным воздействиям и перегрузкам по давлению.
В последнее время широкое применение находят вибрационно-частотные датчики (рисунок14). Принцип действия этого датчика основан на изменении частоты собственных колебаний струны или тонкой ленты при различном ее натяжении. Натяжение струны меняется под действием силы P, а следовательно, изменяется и частота собственных колебаний струны. Над струной помещен звуковой генератор. Рядом с генератором установлен датчик частотомера, при помощи которого измеряется частота колебаний струны. Вибрационно-частотные датчики характеризуются высокой чувствительностью и точностью.

1-звуковой генератор; 2-струна; 3-корпус датчика; 4–частотомер.
Рисунок 14- Принципиальная схема вибрационно-частотного преобразователя
Оптические датчики давления могут быть построены на двух принципах измерения: волоконно-оптическом и оптоэлектронном.
Волоконно-оптические датчики давления являются наиболее точными и их работа практически не зависит от колебания температуры. Чувствительным элементом является оптический волновод. Об измеряемой величине давления в таких приборах обычно судят по изменению амплитуды и поляризации проходящего через чувствительный элемент света.
Оптоэлектронныедатчики этого типа состоят из многослойных прозрачных структур. Через эту структуру пропускают свет. Один из прозрачных слоев может изменять свои параметры в зависимости от давления среды. Есть 2 параметра, которые могут изменяться: первый это показатель преломления, второй это толщина слоя. На иллюстрации показаны оба метода, изменение показателя преломления — рисунок 15,а, изменение толщины слоя — рисунок 15,б. Понятно, что при изменении этих параметров будут меняться характеристики проходящего через слои света, это изменение будет регистрироваться фотоэлементом. К достоинствам датчиков этого типа можно отнести очень высокую точность.

Рисунок 15-Оптоэлектронные ДД
Особенности выбора датчиков давления
При выборе датчиков давления необходимо обращать внимание на следующие параметры:
Вид давления. Очень важно понимать какой вид давления необходимо измерять. Существует 5 типов: абсолютное, дифференциальное (относительное), вакуум, избыточное, барометрическое.
Диапазон измеряемого давления.
Степенью защиты прибора. В разных отраслях использования датчиков будут разные условия эксплуатации, для которых необходимы разные степени защиты от проникновения воды и пыли.
Наличие термокомпенсации. Температурные эффекты, такие как расширение материалов, могут наложить достаточно сильные помехи на выходные показания датчика. Если у вас происходят постоянное изменение температуры измеряемой среды, то термокомпенсация необходима.
Материал. Материал может оказать решающую роль при использовании датчика в агрессивных средах, в таком случае необходим выбор материала с высокой коррозийной стойкостью.
Вид выходного сигнала. Важно определиться какой вид нужен вам. Аналоговый или цифровой? Если аналоговый, то какие диапазоны выходных сигналов и сколько проводов? Например, диапазоны могут быть 4...20 мА
3 ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
3.1 Первичные преобразователи
Источник первых сведений о температуре — ощущение тепла или холода,—поэтому иногда температуру определяют как меру нагретости тела. Точное определение температуры дается в молекулярно-кинетической теории как меры средней кинетической энергии молекул.
Можно показать, что если средние кинетические энергии всех молекул газа одинаковы, то наступает состояние теплового равновесия. Это состояние занимает особое место в термометрии и носит название нулевого начала термодинамики. Оно гласит: «Если система энергоизолирована, то при любых условиях внутри системы все находящиеся в ней тела стремятся к температурному равновесию». Помещая термометр в такую систему, мы должны дождаться наступления состояния температурного равновесия (на практике близкого к нему) и только тогда провести измерение температуры. При этом нужно помнить, что термометр показывает всегда свою температуру. Она, в зависимости от условий опыта, более или менее близка к температуре тела, находящегося с ним в тепловом равновесии, что и позволяет проводить измерение.
В современной термометрии полностью сохранена гениальная идея Галилея — судить об изменении температуры по изменению других параметров. Термометры по применяемому веществу и термометрическому параметру делятся на следующие классы:
- жидкостные, основанные на изменении объема жидкости с изменением температуры;
- манометрические, использующие изменение давления рабочего тела; термометры сопротивления, основанные на изменении омического сопротивления;
- термоэлектрические термометры (термопары) — генерирующие Э.Д.С. за счет разности температур между «холодным> и «горячим» спаями; оптические термометры, использующие зависимость от температуры, цвета или яркости вещества.
Измерение температуры жидкостными термометрами не требует никакой вспомогательной аппаратуры и источников энергии, поэтому и до настоящего времени эти термометры используются достаточно широко.
Жидкостный термометр (рисунок 16) состоит из сосуда 1, переходящего в капиллярную трубку 2, изготавливаемых обычно из одинакового стекла с малым коэффициентом температурного расширения.

Рисунок 16 - Жидкостный термометр
Шкала термометра наносится либо на капиллярную трубку 2 (палочные, более точные термометры), либо на специальную пластину, расположенную за трубкой.
Чувствительность термометра определяется выражением:
∆l∆t=aV0F,где a — коэффициент видимого расширения, представляющий собой разность коэффициентов расширения термометрической жидкости aжи стекла aст;
V0— объем сосуда 1;
F— площадь трубки 2,
∆l, ∆t — изменение длины столба жидкости и температуры соответственно.
Для термометров очень высокой чувствительности изготавливают капилляры диаметром порядка 0,01 мм, а объем сосуда увеличивают до 1 см3. На большие объемы не идут из-за значительной инерционности термометров и возможной неравномерности температуры. Существуют жидкостные термометры с ценой деления 0,01 град/мм и менее, диапазон измеряемых температур — 200—1200°С.
Иногда для еще большего повышения чувствительности вместо жидкости используется газ, у которого коэффициент расширения существенно больше. Однако из-за большой инерционности, трудностей автоматизации испытаний и дистанционности снятия показаний, невозможности измерить температуру точки объема неэлектрические методы используются в основном для градуировки и весьма точных стационарных измерений температуры. В большинстве случаев при испытаниях ДЛА применяются электрические термометры.
В электрических термометрах сопротивления используется свойство проводников или полупроводников изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры. Для большинства металлов удельное сопротивление является линейной функцией температуры:
,
поэтому их статическая характеристика близка к линейной. Чувствительность термосопротивлений весьма высока, при нагреве на 100К увеличение сопротивления металла достигает 40%, у полупроводников еще больше.
В практике наиболее часто встречаются платиновые (особо точные) и медные термометры сопротивления. Существует множество конструкций термометров сопротивления, одна из которых приведена на рисунке17.

Рисунок 17- Термометр сопротивления
Тонкая проволока 2 диаметром 0,05...0,2мм намотана в канавках каркаса 3 свободно, чтобы при изменении температуры не возникло напряжений. Иногда, если термометры сопротивления должны работать в агрессивной среде, они помещаются в защитный корпус 1, на котором крепится головка 4. Однако газовый зазор между корпусом 1 и проволокой 2 вызывает значительную инерционность термометров сопротивления, поэтому в механически и химически инертных средах предпочитают работать без защитного корпуса. Регистрация изменения сопротивления при изменении температуры обычно проводится по мостовой схеме компенсационным методом.
Термометры сопротивления позволяют дистанционно снимать показания, обладают высокой точностью, но обладают большой инерционностью и не дают возможности определения температуры среды в точке.
При исследованиях ДЛА наиболее широко распространены термопары. Действие термопар основано на эффекте Зеебека: во всяком проводнике при наличии разности температур возникает разность электрических потенциалов (термоэлектродвижущая сила — Т.Э.Д.С). На практике всегда имеют дело с двумя проводниками из разнородных материалов (рисунок 18).

Рисунок 18 - Термопара
Если в материале А существует избыток электронов по сравнению с материалом В, то в спаях 1 и 2электроны начнут переходить в проводник В. И в том, и в другом спаях возникает Т.Э.Д.С, пропорциональная температуре:
eАВ,1=ft; eАВ,2=ft.При разных температурах спаев в цепи возникает ток или Т.Э.Д.С, если цель разорвать:
EАВt, t0=eАВt+eВАt0, (1)где EАВt, t0- т.э.д.с. термопары при направлении тока от А к В;
eАВt- т.э.д.с. в спае 1 при направлении тока от А к В;
eАВt0 - т.э.д.с. в спае 2при направлении тока от В к А.
Очевидно, еслиt=t0, то EАВt, t0=eАВt0+eВАt0=0и eВАt0=-eАВt0. Подставляя это соотношение в (2.1), получим однозначную зависимость Т.Э.Д.С. цепи от температуры:
EАВt, t0=eАВt-eАВt0, (2)используемую для измерения температуры термопарой.
Термопара, как видно из (2), всегда показывает разность температур. Для привязки показаний к температурной шкале необходимо, чтобы «холодный» спай имел стандартную температуру (0°С). Тогда, зная зависимость EАВ=f∆t, полученную предварительной градуировкой, можно найти температуру «горячего»— рабочего спая:
t=t0+∆tEАВ,где t0=0℃.
Связь EАВ=f∆tопределяется, прежде всего, материалами термопарных проводов, из которых наиболее широко используются следующие:
вольфрам-рений (ВР) до 2200°С,
платина-платинородий (ПП) до 1300℃хромель-алюмель (ХА) от —200 до 1000°С,
хромель-копель (ХК) от —200 до 600°С.
Хромель, алюмель и копель — это сплавы: хромель — 10% Cr и 90% Ni; алюмель — 2% Al, 1% Si, 2% Mn, 1% Co и остальноеNi; копель — 44% Ni+ Co и остальное Cu.
Зависимости E=f∆t, приведенные на рисунке19, дают представление о чувствительности перечисленных выше термопар.

Рисунок 19 – Термо Э.Д.С. термопар
Наиболее стабильными характеристиками обладают платиновые термопары. Они сохраняют свои свойства и в агрессивных средах. Недостатками платиновых термопар являются низкая Т.Э.Д.С, что требует высокочувствительной измерительной аппаратуры, и высокая стоимость материала.
Значительно дешевле термопары из неблагородных металлов. Широко распространены ХА термопары. Они хорошо работают в окислительной среде и имеют практически линейную характеристику. ХК термопары уступают ХА по жаростойкости и жаропрочности, но зато имеют существенно большую Т.Э.Д.С.
Регистрация Т.Э.Д.С. термопары осуществляется потенциометрами либо методом отклонений, либо нулевым методом.
Включение прибора в термоэлектрическую цепь обычно проводится по двум схемам (рисунок 20 а, б).

Рисунок 20- Схема включения прибора в термоэлектрическую цепь
В схеме а) прибор включается между холодными спаями 2 и 3, спай 1 — горячий. В схеме б) прибор включен в разрыв электрода В; здесь спай 1 — горячий, спай 2 — холодный, спаи 3и 4—нейтральные. В схеме б) необходимо поддерживать температуру 0°С у спая 2, а температуры нейтральных спаев должны быть одинаковы. При выполнении этого условия дополнительные спаи 3и 4 не вносят искажений в показания термопары. Это нетрудно показать, используя зависимости (1) и (2).
В схеме а) температура холодных спаев должна быть не только одинаковой, но и равной 0°С. Соблюдение этого условия практически затруднено, поэтому ограничиваются измерением температуры холодной области ртутным (или каким-либо другим) термометром и внесением соответствующей поправки. Для этого в общем случае, используя замер температуры холодного спая tx, по известной стандартизованной связи E=ft необходимо найти Exи прибавить ее к измеренной Т.Э.Д.С. термопары Eu. Полученная таким путем величина по той же стандартной градуировке позволяет найти искомую температуру. Графически внесение поправки на температуру холодного спая проиллюстрировано рисунке 21.

Рисунок 21- Поправка показаний термопары
Видно, что для линейной характеристики термопары E=ftдостаточно прибавить к температуре, соответствующей Eu, температуру холодного спая . Для нелинейной градуировки эта формула приводит к ошибкам.
Так как при исследованиях тепловых двигателей температуру холодного спая (или спаев) трудно поддерживать постоянной, то его часто выносят от двигателя на достаточно большие расстояния. Чтобы при этом не расходовать дорогостоящие термопарные провода для передачи сигнала от рабочего спая к регистрирующему прибору, их заменяют более дешевыми компенсационными проводами. Они развивают такую же (или очень близкую) Т.Э.Д.С, что и термопарные провода, и поэтому наличие дополнительных спаев не приводит к погрешностям. Например, для платиновых термопар компенсационные провода изготавливаются из сплава ТП (99,4% Cu и 0,6% Ni)в паре сCu.
Термопары, применяемые при исследованиях тепловых двигателей, при измерении температур до 700°С конкурируют со всеми видами термометров, уступая по точности лишь термометрам сопротивления и газовым термометрам. При более высоких температурах термопары оказываются наиболее надежным средством измерения. Лишь при t>1600℃ они уступают оптическим пирометрам.
Основные источники погрешности при измерении термопарами:
- наличие постороннего тока в цепи;
- отток тепла через термоэлектроды;
- недостаточная гомогенность термоэлектродов;
- изменение химического состава спая при измерении высоких температур и в химически активных средах.
При небольших скоростях потока разность ∆T=T*-Tневелика. При скоростях потока v<50 м/с можно считать, что обычная термопара без термоприемника обеспечивает достаточную точность. Даже при измерении температуры воздуха T*=300 K погрешность за счет скорости потока не превышает 0,4%.
При больших скоростях потока для повышения коэффициента восстановления температуры используются специальные термоприемники. Для высоких температур они одновременно играют роль экрана, препятствующего лучеиспусканию, искажающему результат. Характерные термоприемники и соответствующие им коэффициенты восстановления приведены на рисунке22.


1 – термопара; 2 – корпус термоприемника; 3 – камера торможения.
Рисунок 22 – Схемы термоприемников
Приемник схемы а) применяется для небольших скоростей потока. Для более высоких скоростей используются схемы б), в), г). Причем, чем меньше в камере торможения скорость газа, тем больше коэффициент восстановления. Подбирая отношения площадей выходного и входного отверстий k=Fвых/Fвх камеры, можно добиться достаточно высокого коэффициента восстановления. Однако слишком малая величина приводит одновременно с уменьшением скорости к уменьшению коэффициента теплоотдачи, что ухудшает условия теплообмена в теплообменнике (в частности, повышает инерционность). Обычно k выбирают в пределах 0,08…0,25.
4 ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА
4.1 Дроссельные расходомеры
Дроссельные расходомеры — диафрагмы, сопла, трубы Вентури (рисунок 23) представляют собой местное сужение трубопровода, в которых поток разгоняется, а статическое давление уменьшается. По перепаду давления до дросселя и в месте сужения определяется расход жидкости или газа.

а-диафрагма; б-сопло; в-труба Вентури; г-схема течения жидкости и распределение давлений в дроссельном расходомере.
Рисунок 23- Дроссельные расходомеры
Для несжимаемой жидкости при отсутствии трения уравнения Бернулли и неразрывности при течении через дроссельный расходомер запишутся в следующем виде:
(3)
(4)
где μ=F2/F0 - коэффициент сужения струи.
Обозначив F0/F1=m, из совместного решения уравнений (3) и (4) можно получить
υ2=11-μ2m22 p1'-p2'ϱ (5)Давление в дроссельных приборах измеряют до и после прибора, а не в сечениях 1' и 2'. Кроме того, течение сопровождается потерями полного давления. Это учитывается коэффициентом , т.е. . Подставив в уравнение расхода G=F2ρυ2 действнеобходимые величины и обозначив через коэффициент a, называемый коэффициентом расхода, выражение
με1-μ2m2=a,получим рабочую формулу
G=aF02ϱp1-p2. (6)При больших перепадах давления на дроссельном расходомере, если измеряется расход газа, вносят поправку на сжимаемость ε:
G=εaF02ϱp1-p2. (7)Сопла и диафрагмы различных размеров подробно исследованы, что позволило нормализовать их размеры и использовать, если они выполнены и установлены в соответствии с требованиями, без снятия градуировочной характеристики. Эти требования следующие: диаметр трубопровода должен быть больше50 мм, отношение диаметров F0/F1=m находится в пределах 0,05≤m≤0,7 для диафрагм и 0,05≤m≤0,65 для сопел, длина прямого участка трубопровода до дроссельного расходомера должна быть не менее 15÷20D и за ним от 4D m=0,05 до 8D m=0,7.
При тщательном выполнении указанных правил погрешность определения расхода дроссельными приборами может не превышать ± 1 %.
Недостатками дроссельных расходомеров являются их сопротивление, дающее потери полного давления, и невозможность измерения переменных расходов.
4.2 Расходомеры постоянного перепада давленияРасходомеры постоянного перепада давления относятся к группе расходомеров обтекания, т.е. к расходомерам, основанным на зависимости перемещения тела, воспринимающего динамическое давление обтекающего его потока, от расхода измеряемой среды. Измерительный орган этих расходомеров, перемещаясь вертикально, в зависимости от расхода изменяет площадь кольцевого зазора таким образом, что перепад давления по обе его стороны остается постоянным. Наиболее распространенными расходомерами постоянного перепада давления являются ротаметры. Основная измерительная часть ротаметров – ротаметрическая пара. Различают три типа ротаметрических пар (рисунок24).

а – пара первого типа в стеклянных ротаметрах; б – то же в металлических; в – пара второго типа; г – пара третьего типа.
Рисунок 24 - Схемы ротаметрических пар
Ротаметрическая пара первого типа состоит из измерительного конуса и поплавка (ротора). Эта конструкция применяется в стеклянных и металлических ротаметрах. Пара второго типа состоит из диафрагмы и поплавка и применяется в металлических ротаметрах. Ротаметрическая пара третьего вида состоит из кольцевого поплавка, размещенного в зазоре между внешним и внутренним конусами. Такие пары применяются в металлических ротаметрах для измерения больших расходов жидкости.
Конструкции ротаметров. По конструктивному исполнению ротаметры подразделяют на стеклянные (рисунок 25), с местным отсчетом (РМ) и металлические с электрическим (РЭ) или пневматическим (РП) выходным сигналом.

а – с фланцевыми соединениями; б – с защитной трубкой; в – со штуцерами для шлангов; г – РС-3А.
Рисунок25 - Ротаметры со стеклянной измерительной трубкой
Поплавок у ротаметров типа РМ в зависимости от пределов измерения изготавливают из стали, анодированного дюралюминия, эбонита или титана. Ротаметры этого типа могут работать при температуре измеряемой среды в пределах от 5 до 50 оС. Они находят широкое применение в научных исследованиях, а также в промышленности для измерения небольших расходов жидкости и газов. Основная наибольшая приведенная погрешность составляет 2,5 %. Ротаметры типа РЭ с дистанционной электрической передачей показаний состоят из двух основных частей – ротаметрической и электрической (рисунок26).

а – для малых расходов; б,в – для больших и средних расходов.
Рисунок26 - Металлические ротаметры РЭ
Ротаметрическая часть представляет одну из трех типов ротаметрических пар, размещенных в металлическом корпусе. Поплавок жестко связан с подвижной осью, перемещающейся внутри корпуса. Электрическая часть состоит из индукционной катушки и сердечника, закрепленного на оси поплавка. Катушка включена в дифференциально-трансформаторную схему вторичного прибора. Электрическая часть защищена от попадания измеряемой среды измерительной трубкой, а снаружи – кожухом. Ротаметры поставляются в комплекте с вторичным прибором, как правило, серии КСД. Нижний предел измерения ротаметров типа РЭ не более 0,2 от верхнего, класс точности 2,5.
Ротаметры с процентной шкалой и унифицированным пневматическим выходным сигналом (0,020,1 МПа) выпускают трех типов: РП с корпусом из нержавеющей стали, РПФ с корпусом, армированным фторопластом, и РПО с паровым обогревом корпуса. Связь поплавка с пневматической системой в ротаметрах типа РП осуществляется за счет сдвоенного магнита, установленного на подвижном шарнире поплавка, который через стенку корпуса управляет положением следящего магнита и связанной с ним заслонки. Эти приборы предназначены для применения во взрывоопасных производствах.
Ротаметры, особенно со стеклянной трубкой, требуют точной установки по вертикали. Отклонение оси ротаметра от вертикали на 13о приводит к существенным дополнительным погрешностям измерения расхода.
К достоинствам ротаметров следует отнести сравнительно небольшие потери напора (h 1 м), которые мало зависят от расхода (например, при изменении расхода в 5 раз потери напора увеличиваются в 1,52 раза).
4.3 Объемные и массовые расходомеры
Схема автоматического объемного расходомера показана на рисунке27.

1-основной бак; 2-компенсационный бак; 3-трубопровод подачи сжатого воздуха; 4-трубка;5-поплавок; 6-фотосопротивление; 7-источник света;
8 и 10-электроклапан; 9-трубопровод.
Рисунок 27- Схема объёмного расходомера с фотоэлектрической регистрацией уровня жидкости
При работе двигателя электроклапаны8 и 10открыты и топливо поступает от насоса к объекту испытания, минуя расходомер, внутри которогоустанавливается определенный уровень топлива. Во время измерения электроклапан8 закрывают, топливо от насоса поступает по трубопроводу 9 в компенсационный бак 2,а воздух, находящийся в нем, перетекает в основной бак 1 и выдавливает из него топливо. Уровень топлива в трубке 4 падает так же, как в основном баке. Поплавок 5 открывает фотосопротивление 6,импульс тока от которого включает секундомер. При достижении поплавком другого фотосопротивления выдается сигнал на выключение секундомера и открытие клапана 8. Средний секундный расход определяется по формуле
,
где - мерный объём,
- плотность жидкости;
τ - время расходования мерного объема.
Одно из фотосопротивлений может перемещаться по трубке 4,что используется для выбора мерного объема из условия требуемого времени измерения.
Для правильной работы объемного расходомера необходимо обеспечивать следующие условия: во-первых, VM<VK,иначе во время измерения топливо из компенсационного объема начнет перетекать в мерный объем, нарушая процесс измерения, и, во-вторых, VK<V,иначе при запоздалом включении электроклапана 8 в топливную магистраль может попасть воздух, нарушив нормальную работу двигателя.
С помощью подачи сжатого воздуха из магистрали 3 перед экспериментом создают необходимую воздушную подушку.
Объемные расходомеры обеспечивают высокую точность измерения — до ±0,5%, но имеют ряд недостатков:
1) невозможность измерения мгновенных расходов;
2) длительность измерения, что неудобно при подключении приборов к ЭВМ;
3) необходимость измерения температуры жидкости для определения ее плотности;
4) трудность использования в магистралях с повышенным давлением.
4.4 Турбинные расходомеры
Для измерения расходов компонентов топлива при испытаниях ДВС часто используют турбинные расходомеры (рисунок 28).

1 – корпус; 2 – ротор с винтовой крыльчаткой; 3 – магнитопровод;
4 – радиальный подшипник; 5 – обмотка; 6 – постоянный магнит;
7 – упорный подшипник.
Рисунок 28 – Расчетная схема тахометрического преобразователя с осевой крыльчаткой
Расходомер состоит из аксиальной или тангенциальной турбины 2, вращающейся в подшипниках 7, счетчика оборотов 5 и 6, и регистрирующего прибора. Поток жидкости, проходячерез турбину 2, сообщает ей угловую скорость, пропорциональную объемному расходу. Счетчик оборотов может быть выполнен в виде простейшего прерывателя, создающего импульсы тока, или индуктивного датчика. Число импульсов (частота тока) пропорционально расходу, и поэтому регистрирующий прибор, измеряя число оборотов турбины, фиксирует именно расход жидкости. В лучших современных конструкциях, предназначенных для измерения расходов в трубопроводах диаметром от 4 до 1000 мм, основная приведенная погрешность доходит до ±0,2%, а постоянная времени прибора составляет менее 0,01 с в широком рабочем диапазоне до 1:50-1:80. Независимость работы датчика от давления в потоке и возможность изготовления деталей из материалов, устойчивых к воздействию измеряемых сред, позволяют использовать тахометрические расходомеры практически при любых теплотехнических исследованиях.
При универсальной электроизмерительной части расходомера основные метрологические и эксплуатационные свойства прибора определяются особенностями первичных преобразователей. Конструктивно скоростные тахометрические преобразователи выполняются либо с роторами в виде осевых или тангенциальных миниатюрных крыльчатых турбинок, либо со свободно вращающимися шариками (рисунок 29).

1-чувствительный элемент: 2-вторичный преобразователь (тахометр).
Рисунок 29- Основные схемы тахометрических преобразователей расходомеров
Прямолопастные осевые турбинки и шарики приводятся в движение с помощью предварительной закрутки потока, в тангенциальных камерах или на неподвижных винтовых шнеках. Встречаются конструкции (обычно малых калибров), в которых создается предварительная закрутка потока. В тангенциальных турбинных преобразователях ротор вращается вокруг оси, перекрещивающейся с осью потока; лопасти турбинки выполняются в виде пластин или чашечек. Поток жидкости поступает на лопасти ротора через направляющий аппарат — одноструйный или многоструйный; первый предпочтительнее при малых диаметрах трубопровода, второй — при средних и больших. В шариковых тахометрических преобразователях увлекаемый закрученным потоком жидкости шарик движется со скоростью, пропорциональной окружной скорости потока и, следовательно, его объемному расходу. Центробежные силы удерживают шарик на периферии камеры преобразователя и препятствуют уносу его потоком. Шариковые преобразователи уступают крыльчатым в точности [погрешность порядка ± (1,5—2,0)%], имеют повышенные гидравлические потери и узкий диапазон линейности статической характеристики, но зато работоспособны при значительных загрязнениях потока.
При вращении ротора турбинного преобразователя между частотой вращения n и расходом Q для осевой крыльчатки с винтовыми лопастями и тангенциальной крыльчатки существуют следующие связи:
nи.винт=QSH и nи.танг=QSπDл,где S — площадь живого сечения потока в зоне лопастей крыльчаток;
H— ход винтовой нарезки лопастей;
Dл— диаметр наибольшей окружности лопастей тангенциальной крыльчатки.
Эти формулы верны при следующих допущениях: не учитывается момент инерции ротора, поток жидкости принят плоским, без отрывов и завихрений, с равномерной по сечению S эпюрой скоростей; измеряемая среда невязкая; поток однофазный, несжимаемый, с постоянной температурой; отсутствуют какие-либо причины, вызывающие торможение ротора; геометрические размеры ротора выполнены идеально, дисбаланс масс отсутствует. Реально ни одно из указанных допущений не может быть полностью выполнено, и действительное значение nбудет отличаться от nид. Для количественной оценки разницы частот вращения вводится величина относительной погрешности
δn=nид-nnид,иногда называемая в литературе скольжением ротора относительно потока.
Большой интерес представляют схемы, основанные на использовании элементов тахометрических объемных расходомеров с приводом от потока измеряемой среды.
Примером одной из наиболее удачных конструкций массового тахометрического преобразователя такого типа может служить расходомер фирмы «Potter» принципиальная схема которого приведена на рисунке30.

1,4-вторичные преобразователи; 2,5-крыльчатки роторов; 3-пружина;
6-счётчик; 7-схема совпадений; 8-образцовый генератор.
Рисунок 30- Тахометрический преобразователь массового расходомера с приводом от потока
Чувствительные элементы расходомера представляют собой две идентичные крыльчатки с осевой разгрузкой упорных подшипников, отличающиеся только углом установки лопастей. Между крыльчатками имеется упругая связь в виде пружины, поэтому крыльчатки вращаются с одинаковой скоростью, несмотря на разный наклон лопастей, но во время вращения разворачиваются относительно друг друга на некоторый угол. Момент вращение, приложенный к пружине, определится по изменению момента количества движения среды на выходе из первой крыльчатки.
Mkp=dNdt=ωD24pQ.Угол относительного разворота крыльчаток равен
φ=CMkp=CωD24pQ=12πCMD2npQ,где С—жесткость пружины. Таким образом, отношение φ/n оказывается линейно зависящим от массового расхода pQ. Это отношение представляет собой интервал времени между импульсами сигналов индукционных преобразователей.
4.5 Вихревой расходомер
Устройство и принцип действия вихревого принципа измерения расхода состоит в измерении скорости потока путем определения частоты образования вихрей за телом обтекания, установленным в проточной части преобразователя расхода. Определение частоты вихреобразования производится при помощи двух пьезодатчиков, фиксирующих пульсации давления в зоне вихреобразования ("съем сигнала по пульсациям давления").
Конструктивно датчик представляет собой моноблок, состоящий из корпуса проточной части и электронного блока.i
В корпусе проточной части датчика размещены первичные преобразователи объемного расхода, избыточного давления и температуры (рисунок 31).

Рисунок 31 - Принцип действия вихревого расходомера
Электронный блок представляет собой плату цифровой обработки сигналов первичных преобразователей, заключенную в корпус.
Измерение расхода газа реализовано на вихревом принципе действия. На входе в проточную часть датчика установлено тело обтекания 1.
За телом обтекания, по направлению потока газа, симметрично расположены два пьезоэлектрических преобразователя пульсаций давления 2.
При протекании потока газа (пара) через проточную часть датчика за телом обтекания образуется вихревая дорожка, частота следования вихрей в которой с высокой точностью пропорциональна скорости потока, а, следовательно, и расходу. В свою очередь, вихреобразование приводит к появлению за телом обтекания пульсаций давления среды. Частота пульсаций давления идентична частоте вихреобразования и, в данном случае, служит мерой расхода.
Пульсации давления воспринимаются пьезоэлектрическими преобразователями, сигналы с которых в форме электрических колебаний поступают на плату цифровой обработки, где происходит вычисление объемного расхода и объема газа при РУ и формирование выходных сигналов по данным параметрам в виде цифрового кода.
Преобразователь избыточного давления 3 тензорезистивного принципа действия размещен перед телом обтекания вблизи места его крепления. Он осуществляет преобразование значения избыточного давления потока в трубопроводе в электрический сигнал, который с выхода мостовой схемы преобразователя поступает на плату цифровой обработки.
Термопреобразователь сопротивления платиновый 4 размещен внутри тела обтекания. Для обеспечения непосредственного контакта ТСП со средой в теле обтекания выполнены отверстия 5. Электрический сигнал термопреобразователя также подвергается цифровой обработке.
Плата цифровой обработки 6, содержащая два микропроцессора, производит обработку сигналов преобразователей пульсаций давления, избыточного давления и температуры, в ходе которой обеспечивается фильтрация паразитных составляющих, обусловленных влиянием вибрации, флуктуаций давления и температуры потока, и происходит формирование выходных сигналов многопараметрического датчика по расходу, объему при РУ, давлению и температуре в виде цифрового кода выходные сигналы передаются на вычислитель 7.
Проточная часть датчика и тело обтекания выполнены из стали 12Х18Н10Т.
Принцип работы теплового массового расходомера для газов
Основными элементами конструкции измерителя расхода газа (массового расходомера) являются:
- специальный "элемент сопротивления потоку", обеспечивающий идеальное расщепление потока с целью отвода его части в канал измерительной ячейки;
- специальная измерительная ячейка, обеспечивающая сверхстабильную температурную стабильность сенсора.

Рисунок 32 –Принцип действия теплового расходомера
Элемент сопротивления потоку представляет собой набор специальных дисков из нержавеющей стали с прецезионно вытравленными каналами в них. Размер каждого канала соответствует размеру измерительного капилляра сенсора. Конструкция элемента сопротивления потоку обеспечивает стабильный коэффициент отношения потока через сенсор и мимо него. Причем это отношение остается постоянным во всем диапазоне изменения параметров эксплуатации прибора. Измерительная ячейка (сенсор) состоит из капилляра (измерительного канала), двух термосопротивлений (RT1 и RT2) и нагревательного элемента (RH) между ними. Часть газа, ответвляемая элементом сопротивления потоку, проходит по капилляру и нагревается с помощью нагревательного элемента. Термосопротивления предназначены для регистрации температуры газа до (T1) и после (T2) нагревательного элемента. Разность этих температур (T2-T1) прямо пропорциональна массовому расходу газа. Электронная часть измерителя обеспечивает преобразование сигнала от измерительной ячейки в стандартный линейный унифицированный выходной сигнал OUTPUT (0..5В, 0..10В, 0..20мА, 4..20мА) (рисунок 33).

Рисунок 33 –Блок-схема теплового расходомера
Если прибор является не только измерителем, но и регулятором, то электронная схема на основе разницы сигналов задания (SETPOINT) и измерения (OUTPUT), вырабатывает сигнал управления (в соответствии с законами ПИД-регулирования) для поддержания постоянного расхода с высокой точностью.
Прецизионные счетчики объёма газа серии TG фирмы «Ritter», Германия (рисунок 34)
Барабанные газовые счетчики предназначены для измерения объёмов и расхода газа.
Области применения: исследовательские лаборатории;
предприятия по переработке отходов;
Химическая;
Нефтехимическая;
Горнодобывающая;
Металлургическая;
Фармацевтическая промышленность.

Рисунок 34- Общий вид газового счётчика
Основные преимущества:
Объем газа измеряется непосредственно (в отличие от измерителей, использующих другие принципы измерения). Это означает, что состояние и состав газа не оказывают влияния на измерения;
Высочайшая точность;
Может применяться как для агрессивных, так и для инертных газов;
В изготовлении счетчиков использованы химически стойкие пластмассы (PVDF, PP, PVC) или нержавеющая сталь;
Пригодны для калибровки приборов учета расхода газа, так как позволяют очень точно измерять при наименьших газовых потоках (погрешность менее 02,%);
Высокая точность при минимальной скорости расхода;
Возможность подключения к компьютеру или регистрирующему устройству;
Возможность подключения электронного индикатора для отображения скорости потока в режиме реального времени;
Не требует технического обслуживания;
Срок службы этих приборов исчисляется несколькими десятками лет.
Технические характеристики:
Точность измерения ± 0,2 % при стандартной интенсивности потока (точное значение указывается в индивидуальном калибровочном сертификате);
Максимальное давление газа на входе (избыточное давление) 500 мбар .
Дополнительные устройства
Термометр (газа), диапазон от 0 °C до + 60 °C;
Термометр (рабочей жидкости), диапазон от 0 °C до + 60 °C;
Манометр, разность давлений в диапазоне 10 мбар;
Электронный дисплейный блок, включающий интерфейс RS 232 и аналоговый выход (требуется импульсный генератор) встраиваемые опции;
Сбрасываемый цилиндровый счетчик, 6-разрядный (заменяет суммирующий цилиндровый счетчик;
Импульсный генератор (для подключения электронного дисплейного блока или компьютера).
Принцип действия ГСБ (рисунок 35) состоит в том, под действием перепада давления газа происходит вращение барабана, разделенного на несколько камер, измерительный объем которых ограничен уровнем затворной жидкости. При вращении барабана периодически разные камеры заполняются и опорожняются газом.
Барабанные счетчики Ritter в России, как правило, используются в качестве образцовых средств. Основная погрешность измерения 0,2%. Диапазоны измерения всех семи типоразмеров от 1 л/ч до 18000 л/ч.

Рисунок 35- Принцип действия ГСБ
Фаза 1 – заполнение измерительной камеры: «вход» открыт, «выход» закрыт;
Фаза 2 - измерительная камера заполнена: «вход» закрыт, «выход» закрыт;
Фаза 3 – опустошение измерительной камеры: «вход» закрыт, «выход» открыт.
Под «входом» и «выходом» понимается следующее: вход» - возможность для газа поступать, «выход» - возможность для газа вытесняться из секции.
4.6 PIV метод определения полей скоростей газового потока
Турбулентные струйные течения уже довольно хорошо изучены, однако использование, контроль и управление данным процессом в различных частных случаях представляется довольно трудоемкой задачей. Сложная структура и не стационарность движения закрученных струй существенно осложняют как теоретическое так и экспериментальное исследование. Однако применение современных технологий дает возможность углубиться в изучении данного явления. Одним из таких методов является, использованный в данной работе метод Particle Image Velocimetry (PIV).
Описание метода Particle Image VelocimetryМетод цифровой трассерной визуализации относится к классу бесконтактных методов измерения скорости в потоках. В ряду других инструментов для исследования структуры течений он занимает особое место благодаря возможности регистрировать мгновенные пространственные распределения скорости. Данное преимущество является особенно важным при изучении потоков, содержащих крупномасштабные вихревые структуры, информация о которых частично теряется при применении одноточечных методов диагностики. К подобным течениям можно отнести большую часть сдвиговых течений, включая струи, следы, слои смешения. Применение полевых методов дает возможность получения информации о динамике структур, их масштабов, расчета дифференциальных характеристик, пространственных и пространственно – временных корреляций, а также статистических характеристик потока.
Кроме того, методы цифровой трассерной визуализации являются в настоящее время востребованными и в практических приложениях – в авиастроительной индустрии, автомобилестроении (в промышленных аэродинамических трубах – диагностика полной картины обтекания элементов летательных аппаратов и автомобилей), энергетике, химической и нефтегазодобывающей промышленности, машиностроении (оперативная диагностика и оптимизация аэрогидродинамики в реальных аппаратах или их моделях), а также медицине, при физическом моделировании работы искусственных сосудов и клапанов.
Полевые измерения скорости, в основе которых лежит измерение перемещений взвешенных в потоке мелких частиц (трассеров), применяются уже в течение нескольких десятилетий. Применяемая ранее ручная обработка данных была чрезвычайно трудоемкой, и это не позволяло получать необходимое при решении физических задач количество и качество информации. За последние 15 лет прогресс в электронике, лазерной технике и регистрирующей видео-аппаратуре позволил на базе традиционных развить новые методы количественной визуализации потоков, позволяющие измерять мгновенные поля скорости с высоким пространственным разрешением, проводить измерения за доли секунды и автоматизировать процесс обработки.
Принцип PIVметода измерения мгновенного поля скорости потока в заданном сечении основано на измерении перемещения частиц примеси, находящихся в плоскости сечения, за фиксированный интервал времени. В поток жидкости или газа добавляются частицы малого размера (трассеры). Размер, плотность и объемная концентрация частиц подбираются таким образом, чтобы эффекты, связанные с двухфазностью потока и плавучестью частиц, были минимальны. Измерительной областью потока считается плоскость(рисунок 36), «вырезаемая» световым ножом.

Рисунок 36 – Схема PIVметода
Частицы в измерительной плоскости потока должны быть освещены минимум дважды. Образы частиц регистрируются на фотографический или электронный носитель (цифровую камеру).
Последующая обработка изображений позволяет рассчитать смещения частиц за время между вспышками источника света и построить двухкомпонентное поле скорости. Измеренные двухкомпонентные значения векторов являются проекциями реальных (трехмерных) векторов на плоскость, перпендикулярную оптической оси регистрирующей образы частиц аппаратуры. Для измерения трех компонент скорости используют, как правило, два регистрирующих модуля, оптические оси которых ориентированы под определенным углом относительно друг друга.
В качестве источника излучения обычно используются твердотельные импульсные Nd:YAG лазеры.Такие лазеры имеют малую длительность импульса (~ 4–10 нсек) и достаточно высокую энергию в импульсе. Использование двух лазеров, работающих на одной оптической оси, позволяет получать короткую временную задержку между импульсами, что необходимо для исследования высокоскоростных потоков. Иногда для освещения частиц применяют непрерывные лазеры, сканирующие поток при помощи вращающихся призм и зеркал.
Основными преимуществами метода являются: бесконтактность; возможность измерения мгновенных распределений скорости; широкий диапазон измеряемых скоростей – от нуля до сверхзвуковых.
4.7 Измерение концентрации оксида азота
Принцип измерения промышленного фотометра DEFOR (рисунок 37) основан на методе абсорбции УФ излучения. УФ-излучение (в характерном для N0 или в широкополосном диапазоне) формируется в безэлектродной газоразрядной лампе. Необходимый спектр излучения «выделяется» с помощью фильтров установленных в одном или двух обтюраторах. Для измерения N0, DEFOR использует метод газовой фильтр-корреляции по газовымфильтрам. Для других газов используется интерференционный фильтр. Два интерференционных фильтра с различными характеристиками пропускания установлены в обтюраторах и периодически помещаются на путь измерительного луча. Светоделительная пластина направляет отфильтрованное излучение через референсную и измерительную кюветы. Детекторы размещенные с другой стороны обоих кювет, принимают излучение прошедшее через референсную и измерительную кюветы с задержкой по времени. Рассчитывается специфический коэффициент использующий величину сигнала от обоих детекторов. Оба детектора имеют обратную связь. Таким образом происходит расчет коэффициента учитывающего не только дрейф сигнала, но и разбаланс между детекторами.
Рисунок 37 – Схема измерения концентрации оксида азота
Прибор для определения состава продуктов сгорания Quintox KM 9106Для определения концентрация оксида углерода используется газоанализатор «Quintox KM 9106», позволяющий в режиме реального времени с достаточно высокой точностью определять все необходимые параметры процесса горения (). Блок-схема прибора показана на рисунке 38, а общий вид на рисунке 39.

Рисунок 38 – Блок – схема газоанализатора

Рисунок 39 – Общий вид газоанализатора
Пробоотборник газоанализатора помещается в измерительный участок, чтобы термопара пробоотборника находилась в ядре газового потока. Компрессор откачивает из газохода пробу отходящих газов через неопреновый шланг и блок подготовки пробы. В водоотделителе из пробы удаляется влага, содержащаяся в отходящих газах и в фильтре твердых частиц, задерживаются твердые частицы копоти, сажи и несгоревших фракций. Очищенная и обезвоженная проба поступает в блок электрохимических датчиков.
Электрохимические датчики состоят из химического реагента и чувствительной мембраны, в результате прохождения через которые соответствующего газа происходит химическая реакция, вызывающая возникновение электрического сигнала пропорционального концентрации газа. Полученный электрический сигнал преобразовывается в цифровой вид.
Одновременно с отбором газовой пробы, термопара, расположенная на конце пробоотборника измеряет температуру газового потока. Встроенная термопара измеряет значение температуры окружающего воздуха или температуру воздуха, подаваемую в камеру сгорания.
Используемый газоанализатор позволяет определять следующие параметры:
- кислород (0-21%), ;
- оксид углерода СО (0-40000 ppm), ;
- оксид азота NO (0-5000 ppm), , определяет соответствие нормативам вредных выбросов;
- диоксид серы (0-2000 ppm), определяет соответствие нормативам вредных выбросов;

Лабораторная работа №2Обработка результатов измерения температуры и давления газового потокаАнализ погрешностей
Цель работы: Изучение методов измерения основных параметров потока жидкости и газа. Практическое освоение статистической обработки результатов равноточных наблюдений.
Основные теоретические положения.
В данной работе для измерении давления используются U- образный манометр, вакууметр, пьезометры. Пружинный манометр измеряет давление, превышающее атмосферное ; пружинный вакууметр - разницу между атмосферным и измеренным ; пьезометр измеряет как избыточное, так и разрежение по отношению к атмосферному давлению за счет уравновешивая разности давления столбом жидкости с плотностью , высотой h
Температура воздуха и топлива измеряется при помощи хромель-копелевых (ХК) термоэлектрических термометров (термопар), температура продуктов сгорании - пяти (трех) точечной термогребенной группы ХА. В качестве измерительного прибора используются автоматические потенциометры КСП4 с диапазоном измерения -50…100 С, 0…600 С, 0..1300 С, которые служат для компенсационного измерения термо-ЭДС с автоматической поправкой на температуру свободных концов, со встроенным источником стабилизированного питания.
Скорость и расход воздуха определяется при помощи специального мерного участка, схема которого показана на рисунке1.

Рисунок 1 - Схема мерного участка для определения скорости
Осредненное значение давления торможения определяется многоточечной крестообразной пневмогребенкой. Для выравнивания поля скорости в зоне измерения выдержаны соотношения длины прямого участка к его диаметру (число калибров): больше десяти на входе, больше пяти на выходе. С высокой точностью (0,1 мм) изготовлен и измерен диаметр мерного участка. Расчет скорости и расхода производится с учетом сжимаемости воздуха с использованием газодинамических функций (ГДФ) по следующему алгоритму. По значению ГДФ определяется значение приведенной скорости и газодинамических функций
; .
Скорость воздуха
,
где R=287.3 Дж/кг*К.
Расход воздуха

или
, (*)
Где
d=0.097 м – диаметр мерного участка.
В данной экспериментальной установке более точное значение расхода воздуха определяется с использованием газодинамической функции у() поскольку в формулу (*) входит статическое давление которое в отличии от давления торможения определяется всего в одной точке и практически не изменяется по поперечному сечению мерного участка .
Расход жидкого топлива (авиационного керосина марки РТ) определяется при помощи ротаметра типа РМ (настройка на режим) и турбинного преобразователя расхода (ТПР) (уточненное значение расхода топлива). Расход топлива, определяемый при помощи ротаметра

где N - число делений ротаметра;
и - соответственно плотность топлива при температуре 20 С и во время эксперимента
(**)
где
- температура топлива во время эксперимента.
Расход топлива, определяемый при помощи турбинного расходомера
где f - частота, Гц
Плотность топлива определяется по формуле (**).
Режим работы камеры сгорания (коэффициент избытка воздуха)
,
где - стехиометрический коэффициент, показывающий, что для полного сгорания 1 кг топлива требуется 14,78 кг воздуха.
ПРИМЕЧАНИЯ
1. Предполагается, что физические основы способов измерения давления, температуры, скорости и расхода жидкости и газа, принципы работы, устройство приборов изучены в лабораторной работе №1.
2. Все расчеты проводятся в системе СИ. В заводских тарировочных зависимостях для ротаметра и турбинного преобразователя расхода единицы измерения указаны.
Результат измерения должен содержать оценку действительного значения измеряемой величины и характеристику погрешности. При нормальном законе распределения результатов наблюдений, выполненных с одинаковой точностью, за оценку результата измерений принимают среднее арифметическое результатов наблюдений

Далее из результатов измерений следует исключить грубые ошибки ("промахи") и внести поправки для исключения (уменьшения) систематических погрешностей.
Для оценки случайных погрешностей измерений используем многократные наблюдения. В этом случае погрешность результата определяется в процессе измерений путем статистической обработки группы результатов. Полученная таким образом величина носит вероятностный характер и результат измерений представляется в виде

Здесь - оценка результата измерения;
± - верхняя и нижняя граница интервала, в котором измеряемая величина находится с вероятностью Р;
P - доверительная вероятность.
В соответствии с ГОСТ 8.207-76. Р=0.95 - для большинства технических измерений;
Р=0.99 - для особо ответственных измерений (например, в авиационной и космической технике).
Статистическая обработка группы результатов равноточных наблюдений
1. Исключение грубых ошибок
Внешним признаком результата, содержащего грубую ошибку, является его резкое отличие по величине от результатов остальных измерений. Статистический анализ наличия грубых ошибок заключается в определении вероятности того, что данное измерение содержит «промах» и сравнение ее с некоторым заранее заданным малым уровнем этой вероятности ( P=0.05; 0.01 либо 0.001). Часто применяется сравнение «выскакивающего» значения с критерием Шовене, справедливого для нормального закона распределения погрешностей измерений.
Для этого:
1.1. По результатам n измерений некоторой величины определяется среднеарифметическое значение
.
1.2. Вычисляется абсолютная кажущаяся погрешность
;
Погрешность называется кажущейся, поскольку она вычисляется относительно не истинного значения величины, а ее оценки
1.3. Определяется среднее квадратичное отклонение отдельного наблюдения (эмпирический стандарт)

1.4. Сравнивается погрешность "выскакивающего" наблюдения с и критерием Шовена

Величина критерия Шовене зависит от количества наблюдений n , используемых при обработке.
Таблица 1 - Значения критерия Шовене в зависимости от числа измерений
S 5 6 8 10 15 20 30 40 60 100
1.64 1.71 1.85 1.96 2.13 2.24 2.39 2.50 2.64 2.81
Если , то результат наблюдения , выполненного с погрешностью считается грубой ошибкой и исключается из дальнейший обработки.
2. Оценка результата измерения
;
где ,, определяются за вычетом грубых ошибок ("промахов").
Величина измеряется в тех же единицах, что и результаты наблюдений.
3. Определяются доверительные границы случайной погрешности.
Доверительные границы случайной погрешности результата
измерения - это тот интервал, в который с заданной вероятностью
должно попасть среднее арифметическое значение при бесконечном увеличении объема выборки (увеличении количества наблюдений).
Величина без учета знака вычисляется по формуле

где t- коэффициент Стьюдента 9 квантиль Стьюдента ), зависящий от доверительной вероятности и числа результатов наблюдений (см.таблицу 2).
4. Определяют доверительные границы не исключённой систематической погрешности.
В экспериментальной практике встречаются случаи, когда невозможно заранее определить величину систематической погрешности и внести на нее поправку в результаты наблюдений.
Границы неисключенной систематической погрешности результата измерений вычисляются как композиция всех неисключенных систематических погрешностей, вызванных всеми причинами, поддающимися учету:
,
где - границы -ой не исключенной систематической погрешности;
т-количество учитываемых систематических погрешностей;
- коэффициент, определяемый принятой доверительной вероятностью. Для
Длязначение коэффициента зависит от числа и от соотношения величин
При ;
При и ;
Если , то Внутри указанного диапазона допустима интерполяция.
Таблица 2 - Значения коэффициента Стьюдента
P
0.95 0.99
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
18
20
25
30
35
40
45
50
60
70
80
90
100
∞ 2,776
2,571
2,447
2,365
2,306
2,262
2,228
2,201
2,179
2,160
2,145
2,131
2,120
2,103
2,086
2,060
2,042
2,030
2,021
2,014
2,008
2,000
1,995
1,990
1,987
1,984
1,960 4,604
4,032
3,707
3,499
3,355
3,250
3,169
3,106
3,055
3,012
2,977
2,947
2,921
2,878
2,845
2,787
2,750
2,724
2,704
2,689
2,677
2,660
2,648
2,639
2,632
2,626
2,576
5. Определяются доверительные границы погрешности
результата измерения.
5.1. Если , то не исключенную систематическую погрешность можно не учитывать, т.е. в этом случае суммарная погрешность результата измерения определяется случайной погрешностью
5.2. Если, то суммарная погрешность результата измерения целиком определяется неисключенными систематическими погрешностями и случайные погрешности можно не учитывать .
Такое положение часто встречается при технических измерениях.
5.3. Если то суммарную погрешность вычисляют как композицию случайной и не исключенных систематических погрешностей

Выбор см. пункт4, т.е.,
если,то
если или , то
На этом обработка группы наблюдений заканчивается и результат прямого измерения записывается как: .
Если у экспериментатора возникают сомнения в том, что случайные отклонения результатов измерения подчиняются нормальному закону распределения, то необходимо выполнить специальное экспериментальное исследование для выяснения характера распределения , в котором число наблюдений должно быть сто и более.
Обработка результатов косвенных измерений
Результаты косвенных измерений обрабатываются с использованием результатов обработки прямых измерений:
1. Оценка измеряемой величины:
2. Весовые коэффициенты погрешностей прямых измерений:

3. Погрешность результата:

4. Среднее квадратичное отклонение погрешностей:

В данной лабораторной работе косвенными измерениями являются расходы воздуха и топлива . Для расчета расхода воздуха используется известная из газовой динамики формула (*):

Таким образом, весовые коэффициенты для определения погрешности измерения расхода воздуха могут быть рассчитаны по формулам:
;
;
;
;
.
Для вычисления абсолютной погрешности результата необходимы величины . Ряд значений получен при обработке прямых измерении. Величина - константа, точность определения которой зависит от количества знаков посла запятой в числе .При обычной форме

ГДФ находится из таблиц по аргументу , который в свою очередь является результатом косвенного измерения . Все таблицы составлены с погрешностью округления чисел, равной половине последнего разряда, т. е.
,
где - разряд числа, до которого произведено округление. Следовательно, для используемых таблиц где
Когда находится функция при не табличных значениях аргумента , обычно производится линейная интерполяция, которая также имеет некоторую погрешность . Большинство математических таблиц составлены так, что шаг таблицы и её точность - согласованы. При этом на любом участке таблицы ошибка линейной интерполяции не превосходит единицы младшего разряда табличных значений функции. В противном случае обычно указывается порядок допустимой интерполяции. Следовательно, при интерполяции внутри интервалов таблиц ГДФ, в получаемый результат вносится погрешность .
Погрешность, вычисления рассчитывается как погрешность косвенного измерения

где
и
Таким образом, погрешность является композицией перечисленных выше погрешностей, т.е. при доверительной вероятности

Описание экспериментального стенда
Схема стенда показана на рисунке 2. Воздух из окружающей среды параметрами проходит через вентилятор 1 в котором повышается его давление до Па, калорифер 2, в котором повышается его температура до 500К, мерный участок 4 и поступает в камеру сгорания 5, из которой вакуумным насосом 10 продукты сгорания выбрасываются глушитель 11.Топливо подается из бака 12 через фильтр 21, ротаметр 13 насосом 14 в камеру сгорания. Давление подачи топлива контролируется по манометру 9, расход топлива по турбинному преобразователю расхода 15 с частотомером 16. Расход топлива регулируется краном 17. Расход и давление воздуха регулируется дистанционно при помощи задвижек с электроприводом 3. Продукты сгорания сК охлаждаются водой до температуры 323 К (50 С). По вакуумметру 8 контролируется режим работы насосов 10. Термопары 20 группы ХК предназначены для замера температуры воздуха и топлива, термогребенка группы ХА - для замера поля температуры на выходе из камеры сгорания.

1 – вентилятор W=40кВт; 2 – Калорифер W=300кВт; 3 – задвижка с эл. приводом; 4 – мерный участок; 5 – камера сгорания (объект испытания); 6 – термогребенкагр.ХА; 7 – контур охлаждения продуктов сгорания; 8 – вакуумметр;
9 – манометр; 10 – вакуумный насос W=2x150кВт; 11 – глушитель; 12 – топливный бак; 13 – ротаметр РМ-3; 14 – насос топливный; 15 – турбинный преобразователь расхода (ТПР); 16 - частометр; 17 – вентиль; 18 – потенциометр КСП -4; 19 – пьезометр; 20 – термопара; 21 – фильтр.
Рисунок 2 -Схема Экспериментального стенда
Порядок выполнения работы
Установить режим 1 работы стенда. Произвести замеры
,, ,, , , , , .
Установить режим 2 работы стенда. Произвести замеры по п1.
Восстановить режим 1, произвести замеры п. п.1.
Восстановить режим 2, произвести замеры по п.1.
Повторить режим 1 и режим 2 по 5 раз с замером параметров поп.1.
Провести статистическую обработку результатов прямых измерений
, , , , , , , .
Выполнить расчеты расходов воздуха , топлива скоростивоздуха в мерном участке, коэффициента избытка воздуха сучетом результатов п.6.
Провести анализ полученных результатов.
Содержание отчета
1. Схема экспериментального стенда.
2. Протокол эксперимента.
3. Алгоритм статистической обработки результатов прямых измерений.
4. Порядок расчета расхода воздуха, топлива, скорости воздуха,коэффициента избытка воздуха.
Выводы по работе.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Обработка и оформление результатов измерений. Методическиеуказания. РД КуАИ 144-5-88, Куйбышев, 1988
2. Л.З.Румшинский. Математическая обработка результатов эксперимента. Справочное руководство. Наука, М.:, 1971
3. Э.Л.Солохин. Испытания авиационных воздушно-реактивных двигателей. Машиностроение, М.;1975
4. В.Г.Заботин, А.Н.Первышин. Теплотехнические измерения в двигателях летательных аппаратов. КуАИ, Куйбышев, 1990

Лабораторная работа №3Тарировка нестандартного дроссельного расходомераРасчет погрешностей измерений
Цель работы:1.Определение экспериментальной зависимости коэффициента расхода сужающего устройства от числа Рейнольдса
2. Построение расходной характеристики . 3. Анализ погрешностей измерения.
Основные теоретические положения
Количество вещества, проходящее по сечению трубопроводу в единицу времени называют расходом.
В зависимости от особенностей технологии производства и состояния вещества различают объемный и массовый расходы. Для жидкостей и газов, как правило, измеряют объемный, а для паров массовый расход. Единица измерения объемного расхода м3/ч или л/с. Единица массового расхода -кг/ч или г/с.
Измерительный прибор, служащий для измерения расхода вещества называется расходомером, а прибор для измерения количества вещества – счетчиком.
Существует большое разнообразие методов измерения расхода, основные из них: объемный, скоростной, дроссельный, обтекания, индукционный, ультразвуковой, тепловой и др.
Сущность объемного метода заключается в суммировании отмеренных объемов жидкости в единицу времени. Объемные расходомеры преимущественно применяют для измерения расхода вязких жидкостей. Измеряющим органом прибора является калиброванная камера, устанавливаемая в трубопровод. Прибор отсчитывает количества объемов жидкости, вытесненных из измерительной камеры прибора под действием разности давлений среды до и после камеры.
Скоростной метод основан на измерении скорости протекания жидкости по трубопроводу, так как скорость эквивалентна расходу. Скоростные расходомеры служат для измерения расхода воды, масел и т.д. Скоростной расходомер врезают в технологический трубопровод, по которому протекает измеряемая среда. В результате измерительный орган такого расходомера (крыльчатка), оказывается в потоке жидкости. Прибор отсчитывает число оборотов крыльчатки в единицу времени.
Дроссельный метод является развитием скоростного метода. Он состоит в измерении перепада давления, создаваемого дроссельным устройством при движении вещества в трубопроводе. Перепад давления пропорционален изменению расхода. Дроссельные расходомеры применяют для измерения всевозможных жидкостей, паров и газов.
Измерение расхода методом переменного перепада давления
Одним из наиболее распространенных и изученных является способ измерения расхода жидкостей, газов и пара в трубопроводах по перепаду давления в сужающем устройстве. Принцип действия расходомеров этого типа заключается в том, что в трубопроводе устанавливают устройство для сужения потока и измеряют перепад давления до и после сужающего устройства, величина которого функционально связана с расходом. В виду большой точности и удобства эти расходомеры получили наибольшее распространение.
Сужающее устройство выполняет функции первичного преобразователя, устанавливается в трубопроводе и создает в нем местное сужение, вследствие чего при протекании вещества повышается скорость в суженном сечении по сравнению со скоростью потока до сужения. Увеличение скорости, а, следовательно, и кинетической энергии вызывает уменьшение потенциальной энергии потока в суженном сечении. Соответственно статическое давление в суженом сечении будет меньше, чем в сечении до сужающего устройства.
Таким образом, при протекании вещества через сужающее устройство создается перепад давления ∆P = P1 - P2, зависящий от скорости потока и, следовательно, расхода жидкости. Отсюда следует, что перепад давления, создаваемый сужающим устройством, может служить мерой расхода вещества, протекающего в трубопроводе, а численное значение расхода измеряемой среды может быть определено по перепаду давления ∆P.
Сужение сечения трубопровода производят диафрагмами, соплами или трубами Вентури, а перепад давления замеряют дифференциальными манометрами различных конструкций.
На рисунке 1 показаны изменения, происходящие в потоке жидкости или газа при прохождении его через простейшее сужающее устройство – плоскую диафрагму.

Рисунок 1 - Характер потока и график статического давления при установки сужающего устройства в трубопроводе
Диафрагма представляет собой тонкий диск с отверстием круглого сечения. Поток, проходя через диафрагму, сжимается, причем наибольшее сжатие его происходит по инерции уже после прохождения через диафрагму. Далее поток постепенно расширяется до полного сечения трубопровода.
На рисунке 1 сплошной линией представлена кривая, характеризующая распределение давления вдоль стенки трубопровода; кривая, изображенная штрихпунктирной линией, характеризует изменение давления по оси трубопровода.
Из графика видно, что наибольшее падение статической составляющей давления наблюдается в сечении II–II. Далее по мере расширения потока давление в трубопроводе повышается, но не достигает своей первоначальной величины из-за образования мертвых зон, в которых вследствие разности давлений возникает обратное движение жидкости или так называемый вторичный поток. Вследствие вязкости жидкости струйки основного и вторичного потоков, двигающихся в противоположных направлениях, свертываются в виде вихрей. На процесс вихреобразование за диафрагмой затрачивается значительная часть энергии, следовательно, имеет место и значительная потеря давления. Изменение направления струек перед диафрагмой и сжатие струи после диафрагмы имеют незначительное влияние. Как видно из рис. 1.3, отбор давления Р1 и Р2 осуществляются с помощью отдельных отверстий, расположенных непосредственно до и после диска диафрагмы в углах, образуемых плоскостью диафрагмы и внутренней поверхностью трубопровода.
Расход газа (жидкости) можно определить по формуле:
.(1)
При больших перепадах на дроссельном расходомере, если измеряется расход газа, вносят поправку на сжимаемость ;
(2)
где- расход воздуха (газа или жидкости);
- коэффициент расширения, учитывающий увеличение удельного объёма (уменьшение плотности );
- коэффициент расхода сужающего устройства;
- плотность рабочего тела;
- перепад давления на дроссельном расходомере.
Для стандартных дроссельных расходомеров (при диаметре трубопровода больше 50мм ) коэффициент расхода можно определить аналитически. Для нестандартных сужающих устройств (при мм ) зависимость коэффициента расхода отчислаРейнольдса определяется экспериментальным путём.
Описание лабораторной установки
Коэффициента расхода нестандартного сужающего устройства, в данном случае дроссельного расходомера, определяется по эталонном счётчику количества, в качестве которого используется газовый счётчик барабанного фирмы Ritter типа TG5/4 или TG50/4 (в зависимости от размеров дроссельной шайбы). Схема экспериментальной установки и измеряемые параметры приведены на рисунке 2.

1 - Редуктор воздушный; 2 - Термопара ХК; 3 - Дроссельный расходомер;
4 - Датчик давления (или манометр); 5 - Дифференциальный манометр (водяной пьезометр); 6 - Газовый счётчик барабанного типа ГСБ-400;
7 - U-образный манометр.
Рисунок 2 - Схема экспериментальной установки для определения коэффициента расхода нестандартного сужающего устройства
Измеряемые параметры:
- температура воздуха перед дроссельной шайбой, 0С;
- давление воздуха перед шайбой, в деления или мм.вод.ст.;
- перепад давления на шайбе, мм.вод.ст.;
- объём газа, .;
- время, .
- перепад давления на ГСБ,
- атмосферное давление. мм.рт.ст.
В качестве рабочего тела используется сжатый воздух. Через редуктор 1, воздух от сети поступает в дроссельный расходомер. Перед расходомером с помощью хромель-копелевой термопары (2)измеряется температура воздуха . Давление воздуха перед шайбой - манометром или водяным пьезометром (4). Перепад давления на шайбе – водяным пьезометром 5 (). Объёмный расход воздуха на установке определяется с помощью газового счётчика количества 6 () и секундомера (). Регулирование режима работы производится редуктором воздушным (1).
Геометрические размеры дроссельного расходомера: диаметр диафрагмы
d = 0,002м; диаметр магистрали D = 0,006м.
Порядок выполнения работы
Перед началом работы необходимо визуальным осмотром убедиться в правильности подключения магистралей , измерительных приборов и датчиков. Далее плавно подать воздух в магистраль, убедиться в отсутствии утечек рабочего тела и проверить работу всех измерительных систем. Максимальный диапазон измерения перепада давления на шайбе водяным пьезометром 5 ( 1400 мм.вод.ст ) разбить на 10 – 12 равных интервалов и выполнить измерения требуемых величин. Перед экспериментом необходимо измерить атмосферное давление , мм.рт.ст. и температуру окружающего воздуха . Для каждого перепада давления с помощью секундомера измеряется время истечения и объём воздуха . Для определения массового расхода по ГСБ ( 6 ) необходимо определить также избыточное давление воздуха в счётчике количества . Рекомендуемое время измерения должно быть не менее 60и объём прокачанного воздуха - не менее 20. Данные ,,, заносятся в протокол испытаний. После окончания эксперимента установку отключают.
Таблица 1 - Протокол испытаний
№п/п
ед.изм 0 дел мм.вод ст. мм.вод.ст. мм.вод.ст.
1 2 3 4 Обработка результатов измерений
1.Переводим значения измеренных параметров в систему единиц СИ - атмосферное давление [мм.рт.ст]*133,33, Па;
- температура воздуха , К;
- давление воздуха до шайбы [мм.вод.ст]*9,81, Па, или
[дел]*К*98100, Па;
где К = А/N - цена деления манометра,
А – верхний предел измерения манометра,
N – число делений шкалы манометра ( как правило А=1кг/см2 и N=250 для данных условий проведения эксперимента ).
- перепад давления на шайбе [ мм.вод.ст ]*9,81, Па
- перепад давления на ГСБ [ мм.вод.ст ]*9,81, Па
- объём воздуха [л ]*10-3, м3.
2.Порядок расчётов и расчётные формулы:
- объёмный расход воздуха , м3/с;
- массовый расход воздуха через ГСБ
, кг/с,
где: - плотность воздуха на входе в ГСБ,
,кг/м3;
=287,3 дж/(кг*К ) – газовая постоянная для воздуха;
- массовый расход воздуха, рассчитанный по дроссельному расходомеру для идеального газа , кг/с;
где , м2- площадь отверстия дроссельной шайбы – d = 0,002м;
- перепад давления воздуха на шайбе;
, кг/м3 - плотность воздуха до шайбы;
- коэффициент расхода дроссельного расходомера
- число Рейнольдса на входе в дроссельную шайбу ,
где D = 0,006м - диаметр магистрали дроссельного расходомера;
, м/с - скорость воздуха в характерном сечении. Выражение для определения числа Re можно преобразовать, подставив в неё формулу
,
где F – площадь магистрали на входе в дроссельную шайбу.В окончательном виде
,
где 212,2 м -1 или ;
, м2/с – кинематическая вязкость воздуха.
Зависимость для воздуха приведена в таблице 2.
Значения рассчитанных параметров заносим в таблицу 3. По результатам расчётов строим необходимые графики.
Таблица 2 Кинематическая вязкость воздуха (в м2/с) при давлении 101,325 кПа в зависимости от температуры
наименование
газа формула Температура
-20 0 20 40 60 80 100
воздух -- 11,66 13,20 15,00 16,98 18,85 20,89 23,00
Таблица 3 - Рассчитываемые величины
№ п/п
параметр
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
,К , Па , Па ,Па , м3 , с , м3/с ,кг/м3 ,кг/с ,кг/м3 ,кг/с Анализ точности результатов измерений
При анализе точности измерений принимаются следующие упрощения:
1. составляющие погрешности не имеют корреляционной связи и считаются независимыми друг от друга;
2. распределение составляющих погрешностей соответствует нормальному закону распределения (закону Гаусса);
3. предельная относительная погрешность результата измерений равна максимальной погрешности одного измерения при доверительной вероятности 0,95. При этом
где - среднеквадратичная относительная погрешность результата измерения.
4. Абсолютная погрешность табличных значений и постоянных величин, входящих в формулы, принимается равной половине последнего разряда
5. Систематическая погрешность измерений отсутствует.
Относительная погрешность косвенного измерения, которое представляет собой частное и произведение прямых, равна сумме квадратов относительных погрешностей, причём коэффициент перед относительной погрешностью равен показателю степени соответствующего прямого измерения. Например, при определении плотности вещества цилиндра относительная погрешность определения плотности будет равна:
.
Методика расчёта погрешностей измерений
Погрешность определения объёмного расхода
;(3)
где - приведенная погрешность или класс точности (кл.т) газового счётчика. Для счётчиков количества (или секундомеров) кл.т. относится не к верному пределу измерения (ВПИ), а непосредственно к значению измеряемой величины. .
Согласно паспорта на ГСБ, при 15л Погрешность времени истечения где - относительная погрешность измерения времени;
- относительная погрешность времени реакции человека.,
где =0,1 – кл.т. секундомера.
, %;
- время реакции.
Подставляя значения и в формулу (3), получаем
.
Погрешность определения массового расхода по ГСБ.
;
где .
В свою очередь
;
где и должны быть выражены в одних единицах измерения.
,
где = 200мм.вод.ст. - предельное значение измеряемой величины;
K=0,2 – кл.т. водяного пьезометра (микроманометра).
;
для используемого барометра = 790мм.рт.ст., кл.т. К=1.
и - в мм.рт.ст.
Относительная погрешность газовой постоянной
;
где - абсолютная погрешность табличного значения газовой постоянной (согласно принятым допущениям).
- газовая постоянная воздуха.
В конечном итоге .
Относительная погрешность определения температуры воздуха
;
где .
К=0,4-кл.т. (от значения измеряемой величины) микропроцессорного измерителя температуры фирмы «ОВЕН».
Погрешность определения массового расхода воздуха по дроссельному расходомеру при( т.е. для идеального газа ).
.
В свою очередь
где, при
;
.
Диаметр отверстия в дроссельной шайбе определяется по калиброванным свёрлам с помощью микрометра. Абсолютная погрешность микрометра . Тогда
.
Погрешность определения плотности воздуха перед шайбой
;
где
.
Аналогично пункту 2 . При использовании водяного пьезометра мм.вод.ст., 0,2. Для манометра кг/см2 , 0,4. Значения относительных погрешностей , и определены ранее в пункте 2.
Относительная погрешность определения перепада давления воздуха на дроссельной шайбе
.
При использовании водяного пьезометра =1400мм.вод.ст.,=0,2.
Погрешность определения коэффициента расхода
.
Погрешность определения числа Рейнольдса на входе в дроссельную шайбу будет иметь следующий вид:
.
В этой формуле неизвестны и . При определении диаметра магистрали дроссельного расходомера с помощью штангенциркуля ( 0,05мм )
;
.
Определяем предельные относительные погрешности результатов измерений

Результаты расчётов заносим в таблицу.
Таблица 4 - Среднеквадратичные относительные погрешности измерений
№п/п
Пара
метр
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
,% , % ,% ,% ,% ,% ,% ,% ,% ,% ,% ,% ,% ,% ,% Содержание отчёта.
Принципиальная схема и описание экспериментальной установки;
Протокол измеряемых величин;
Протокол рассчитываемых величин;
Протокол рассчитываемых погрешностей измерений4
Графики зависимостей , .

Лабораторная работа №4Методы и средства определения параметров распыленного топлива и токсичности выхлопа ДВСЦель работы: 1. ознакомление студентов с принципом действия, особенностями и характеристиками основных типов форсунок, которые применяются в ДВС и ВРД.
2. Ознакомление с методами и приборами определения токсичности выхлопа теплотехнических устройств.
Основные теоретические положения.
Форсунка - устройство, предназначенное для впрыска компонента топлива в камеру сгорания, распыливания и его первоначального распределения в пространстве камеры. Все многообразие схем форсунок, применяемых в ДВС и ВРД составлено из двух основных типов: струйных и центробежных.
Струйная форсунка представляет собой отверстие в стенке (рисунок 1а), либо трубку или насадок произвольного сечения (рисунок 1 б).

Рисунок 1 - Геометрические параметры струйной форсунки
Основными геометрическими параметрами струйной форсунки является диаметр сопла dс, длина канала l и форма кромки канала со стороны входа жидкости: острая (рисунок 2) или притуплённая (рисунок 1 а).

Рисунок 2 - Схема струйной форсунки

Рисунок 3 - Сема течения в струйной форсунке
Пространство перед форсункой имеет обычно размеры превосходящие размеры форсунки, поэтому жидкость втекает в канал форсунки не только в направлении оси канала (рисунок 3 а). Чтобы все струйки в конечном итоге получили это направление, те из них, что втекают вдоль стенки, должны развернуться на 90°. Если радиус кривизны входной кромки мал или равен нулю (острая кромка), то при ее безотрывном обтекании в пограничной линии тока должны развиваться бесконечно большие скорости.
Это невозможно по двум причинам. Во-первых, запас потенциальной энергии давления, который может быть преобразован в скоростной напор в любой линии тока ограничен и измеряется как
;
где - давление торможения в полости до форсунки,
- давление в среде, куда происходит истечение (в камере сгорания).
Во-вторых, при бесконечно большой скорости в соответствии с уравнением Бернулли давление в потоке становится бесконечно малым.
В области, где резко понижается давление, нарушается сплошность потока - образуется каверна, заполненная парами жидкости.
Соответственно давление устанавливается не ниже давления насыщенных паров.
В связи с этим при обтекании острой кромки пограничная линия тока не совпадает с твердой стенкой. Поток отрывается от нее и образуется входная каверна. Радиус кривизны жидкой стенки этой каверны зависит от скорости в пограничной линии тока, т.е. от запаса энергии в потоке . При малом радиус кривизны мал и выходное сечение полностью заполняется потоком (рисунок 3а). Это - безотрывный режим истечения.
С увеличениемрадиус кривизны растет (рисунок 3 б) и может увеличиться настолько, что при ограниченной величине lнаступит момент, когда жидкая граница каверны вниз по потоку не совместится вновь с ее твердой стенкой. В результате струя жидкости будет вытекать из форсунки, не касаясь стенок ее сопла (рисунок3 в). Это так называемый отрывной режим истечения. Смена режимов истечения происходит скачком при достижении необходимого перепада давления . Положительным свойством отрывного режима является его устойчивость в сравнении с безотрывным. Но в этом режиме проходное сечение форсунки используется не полностью, что снижает расход компонента в отличие от безотрывного режима при прочих равных условиях. Отдалить по момент отрыва потока от стенок можно либо скругляя входные кромки (рисунок 1 а), либо кроме того увеличивая длину канала форсунки (рисунок 1 б).
При большом радиусе округления входных кромок отрыва потока от стенок не произойдет даже при очень больших величинах .Однако конструктивно такой канал можно выполнить далеко не всегда. Поэтому при использовании струйных форсунок, прежде всего, следует учитывать режим их работы.
Струя, вытекающая из этих форсунок, компактна, угол ее расширения не превышает 10-15°. Велика дальнобойность струи. Дробление ее на капли при отсутствии возмущений в среде происходит только за счет собственной внутренней неустойчивости и на значительном удалении от среза сопла форсунки. Чтобы обеспечить необходимое качество распыливания, следует использовать соударение струй компонентов топлива. Струйные форсунки без соударения струй могут быть использованы лишь для низкокипящих компонентов (жидкие кислород, водород, фтор и т.п.), когда качество распыла не имеет особого значения.
При применении струйных форсунок обычно обеспечивают их работу на одном запланированном режиме истечения. Если струи компонентов в камере сгорания не пересекаются, то лучше обеспечить безотрывный режим работы, а при пересекающихся струях - отрывной.

Рисунок 4 - Сема течения в центробежной форсунке.
Внутрь центробежной форсунки (рисунок 4) жидкость попадает по каналам, расположенным тангенциально к камере закручивания. Вследствие этого входная скорость имеет окружную составляющую . Таким образом, в центробежной форсунке в отличие от струйной движение жидкости трехмерное: жидкость со скоростью (радиальная составляющая) заполняет полость форсунки, со скоростью вращается вокруг оси и со скоростью (осевая составляющая) поступательно движется и срезу сопла форсунки.
Наличие определяет основные особенности течения в центробежной форсунке. В начале камеры закручивания для единицы массы жидкости имеют место соотношения:
и ,
где - начальный момент количества движения жидкости (на входе в форсунку);
- начальная энергия единицы массы жидкости;
- давление во входных каналах.
При перемещении этого элемента жидкости внутрь форсунки ближе к ее оси будут иметь место соотношения:
и ,
где - соответственно момент количества движения и энергия единицы массы жидкости, а также давление в потоке на расстоянии r от оси форсунки.- соответственно окружная, радиальная и осевая составляющие скорости потока на том же радиусе.
Если считать жидкость идеальной (невязкой и несжимаемой) и пренебречь разностью уровней в положении частиц жидкости внутри форсунки, то для одного и того же элемента уравнения сохранения момента количества движения и энергии можно записать как и , т.е.
и .
Из этих уравнений следует, что по мере приближения к оси форсунки окружная скорость возрастает, а давление соответственно уменьшается. Если положить , то получим , а . Очевидно, что это не соответствует действительности.
Значительное снижение давления приводит, как и в случае образования каверны в струйной форсунке,к нарушению сплошности потока. Практически давление в потоке уменьшается по мере приближения к оси форсунки до давления среды, в которую происходит истечение. Центральная часть (приосевая) оказывается свободной от жидкости, она заполнена веществом среды, в которую происходит истечение, и давление в ней равно рк. Радиус этой приосевой зоны зависит от соотношения окружной и осевой составляющих (радиальной составляющей ввиду ее малости обычно пренебрегают). Причем, чем больше отношение , тем больше этот радиус.
Следовательно, жидкость покидает центробежную форсунку в виде концентрической пелены. При выходе из сопла под действием центробежных сил частицы жидкости движутся по инерции по прямым линиям, образуя поверхность усеченного однополостного гиперболоида вращения. Так как диаметр обычно невелик, то этот гиперболоид практически считается конусом с углом при вершине. Толщина конусной пелены жидкости по мере удаления от форсунки быстро уменьшается, пелена разрывается и под воздействием сопротивления окружающей среды очень хорошо распадается на капли.
Большая величина , самопроизвольное и хорошее дробление пелены на капли в непосредственной близости от среза сопла являются положительными свойствами центробежных форсунок. Отрицательным является то, что жидкость не заполняет полностью сечение сопла, а занимает только кольцевую периферийную его часть. Это существенно снижает возможный расход компонента через форсунку при ограниченном.
Работу форсунки характеризуют следующие параметры:
Массовый расход жидкости через форсунку в единицу времени,
Перепад давления на форсунке,
Угол конуса распыла , измеряемый у среза сопла форсунки.
Равномерность плотности орошения - равномерность распределения расхода жидкости в факеле распыла.
Мелкость распыла - величина среднего диаметра капель жидкости, получающихся при распыливании.
Однородность распыла - диапазон изменения размеров капельв факеле распыленного топлива.
Дальнобойность факела - глубина проникновения распыленноготоплива в газовую среду.
В условиях предприятий, разрабатывающих и изготавливающих двигатели, проверка параметров по пп.3-7 производится выборочно лишь при проектировании и доводке форсунок. Наиболее тщательному контролю и доводке форсунки подвергаются по пп.1-2. Основной характеристикой форсунки является ее расходная характеристика - зависимость расхода жидкости через форсунку от перепада давления на ней . Поэтому в данной работе этой характеристике уделяется основное внимание.
Расходная характеристика и коэффициент расхода
В общем случае, чтобы получить расчетную формулу для расхода жидкости через форсунку, следует проинтегрировать уравнение неразрывности для двумерного (для струйной форсунки) или трехмерного (для центробежной форсунки) течения. Этот путь заключает в себе определенные математические трудности и не гарантирует точного решения, поскольку в исходных уравнениях невозможно достоверно учесть все особенности реального потока.
Поэтому обычно пользуются интегралом уравнения, описывающего одномерное движение:
,
где - массовый теоретический расход идеальной жидкости через форсунку;
- плотность жидкости;
- теоретическая скорость истечения (скорость жидкости на выходе из форсунки);
- площадь струи жидкости в сечении среза сопла форсунки.
При вычислении по этой формуле считается, что струя жидкости полностью заполняет сопло, т.е. ,векторы скорости в любой точке этой площади равны, а абсолютная величина скорости может быть рассчитана по формуле Торичелли:
.
Для учета всех отклонений реального течения от этой идеальной картины действительный расход рассчитывают как произведение
,
где -коэффициент расхода.
Основные отклонения, которые учитывает , следующие:
Струя может заполнять не все сечение сопла, т.е. , как это происходит при работе центробежной форсунки и струйной на отрывном режиме;
Распределение действительного вектора скорости отличается от описанного выше идеального одномерного течения, например, в центробежной форсунке вектор скоростине совпадает с. В струйных форсунках есть совпадение по направлению, однако нет равенства абсолютной величины во всех точках сечения струи.
Таким образом, чтобы рассчитать действительную расходную характеристику форсунки необходимо знать величину .
Для струйных форсунок эта величина зависит от режима истечения, величины перепада давления, от относительной длины , формы входной кромки. Например, для форсунок с острой входной кромкой коэффициент может принимать значения на безотрывном режиме течения 0,75-0,82, на отрывном 0,58-0,63.
Теоретически учесть все эти зависимости не представляется возможным, поэтому для струйных форсунок надежными пока являются лишь экспериментальные данные, которые необходимо получать для каждой вновь проектируемой форсунки.
Несмотря на более сложный характер движения жидкости в центробежной форсунке существует теория этого движения, впервые разработанная Г.Н.Абрамовича и развитая впоследствии многими исследователями. Основные результаты этих работ таковы:
У центробежных форсунок есть сочетание их основных размеров, названное Г.Н.Абрамовича геометрической характеристикой, которое является критерием подобия потоков в этих форсунках. Эта величина вычисляется как .
где - число входных каналов,
- площадь сечения одного из этих каналов,
-угол между направлением входного канала и осью форсунки.
От величины А однозначно зависит величина закрутки потокав форсунке. Чем больше А, тем больше закрутка и наоборот. Приэто означает перераспределение энергии потока между вращательным движением и поступательным, создающим расход .
Величина А однозначно определяет и центробежнойфорсунки при течении через нее идеальной несжимаемой жидкости (см. рисунок 5).
Теория Г.Н.Абрамовича, как показала опытная проверка, правильно описывает основные особенности движения жидкости в центробежной форсунке. Однако она не учитывает влияние вязкости жидкости и ряда конструктивных факторов, которые не нашли своего отражения в выражении для A. Если учет вязкости с достаточной для практики точностью можно производить по теории, разработанной Л.А.Клячко, то оценка влияния конструктивных факторов на величины и основывается на экспериментальных данных, получаемых при доводке спроектированной форсунки или при исследовании аналогичных форсунок.

Рисунок 5 - Зависимость коэффициента расхода и угла факела центробежной форсунки от геометрической характеристики
Поэтому на практике обычно проектирование форсунок ведется с использованием зависимостей на рисунке 5, либо по уточненным зависимостям Л.А.Клячко, а затем окончательная доводка и уточнение величин и производится экспериментальным путем.
Описание экспериментальной установки и порядок проведения испытаний
Проливка форсунок с целью получения их расходных характеристик , коэффициента расхода и величины производится на установке, принципиальная схема которой приведена на рисунке 6.

Рисунок 6 - Схема экспериментальной установки
Объект испытания - форсунка 1 устанавливается в зажим 2. Затем к форсунке подается рабочее тело с помощью вытеснительной системы подачи из емкости 3. Емкость предварительно наддувается воздухом из сети через вентиль 4. Давление в сети, которое должно быть не менее задаваемого которое контролируется по манометру 5. Давление до форсунки устанавливается вентилем 6 и контролируется по манометру 7.
После того как режим работы форсунки установлен производят замеры объемного расхода. Расход измеряется мензуркой 15 как сумма жидкости, прошедшей через форсунку за 15 или 30 секунд. Для этого на пульте управления установкой включается кнопка "замер", который перебрасывает воронку 8 в положение слива в измерительный канал и включает реле времени. Через заданный промежуток времени реле подает команду на электромагнит и воронка 8 возвращается в исходное положение в бачок-накопитель 9.
Параллельно с замером расхода теневым методом измеряется величина .Для этого включается лампа подсветки 10 и на экране 11 отмечаются границы факела распыла и производится измерение угла его конусности.
При опорожнении бака 3 из него через вентиль 12 при закрытом вентиле 4 стравливается сжатый воздух. Насосом 13 рабочее тело через вентиль 14 перекачивается из бака 9 в рабочую емкость 3.
Затем вентили 12 и 14 закрываются, емкость 3 вновь наддувается и установка готова к продолжению работы.
При испытании малорасходных форсунок для сокращения смачиваемой поверхности (что повышает оперативность и точность измерения расхода) на форсунку надевают гибкую трубку, которая практически выполняет роль воронки 8. В этом случае положение трубки относительно мензурки 15 изменяется вручную.
Для вычисления массового расхода кроме знания объема жидкости и времени его накопление необходима величина плотности . Ее определяют с помощью денсиметра.
Равномерность плотности орошения в факеле распыла форсунки на заданном расстоянии от ее сопла измеряется с помощью отборника, который представляет собой линейку из плотно упакованных с шагом ;тонкостенных трубок. Каждая ячейка отборника гибкой трубкой соединяется с соответствующим ей жестким наконечником, смонтированным с остальными наконечниками на планке. В рабочем положении каждый наконечник располагается над соответствующей ему пробиркой-накопителем.
Пробирки собраны в кассету. Ее перемещение в направлении перпендикулярном плоскости, задает рабочее или нерабочее положение отборника. Количество жидкости в каждой пробирке определяется взвешиванием. Зная промежуток времени, в течение которого планка находилась в рабочем положении, можно вычислить массовый ход через участок .
В экспериментах, где проводится общая оценка картины распределения плотности орошения различными форсунками, допускается вместо расхода использовать высоту заполнения пробирок .
Содержание лабораторной работы
Изучение проливочного стенда.
Наблюдение особенностей факелов распыла струйной и центробежной форсунок при различных .
Получение расходных характеристик струйной и центробежной форсунок.
Измерение равномерности плотности орошения в факелах струйной и центробежной форсунок.
Обработка результатов эксперимента
Построить расходные характеристики струйной и центробежнойфорсунок (в одних координатах). Вычислить коэффициенты расхода струйной и центробежной форсунок при одинаковых (3-5 значений). Построить зависимости и вычислить для каждой форсунки среднее значение .
Построить картины распределения плотности орошения в факелах струйной и центробежной форсунок (в одних координатах).
На основании визуальных наблюдений и полученных экспериментальных результатов:
а) сделать выводы о качестве распыливания и распределении топлива различными форсунками;
б) объяснить различие расходных характеристик струйной и центробежной форсунок и сопоставить величины их коэффициентов расхода.

Лабораторная работа №5Определение экологических характеристик газового горелочного устройства гомогенного и диффузионного типаЦель работы: практическое ознакомление с классификацией пламён, исследование особенностей диффузионного и гомогенного факелов с точки зрения теории горения и определения экологических характеристик..
Задачи исследования:
Определить температуру диффузионного и гомогенного пламени в характерных точках сечения (часть 1).
Определить состав продуктов сгорания гомогенного и диффузионного пламени по сечениям (часть 2).
Оценить полноту сгорания (приближённо) по результатам замера состава продуктов сгорания (часть 3).
Составить отчёт о выполненной работе.
Основные теоретические положения
Процесс горения можно определить как экзотермическую реакцию между топливом и окислителем. В большинстве технических устройств (ДВС, ГТД, промышленные топки, горелки и т.п.) процесс горения реализуется в условиях пламени, распространяющегося по свежей топливовоздушной смеси (ТВС). Пламя - тонкий слой топливовоздушной смеси, в котором происходят быстрые химические изменения компонентов топливовоздушной смеси.
Таким образом, процесс горения газового топлива состоит из стадии смешения газа с воздухом, нагрева полученной смеси до температуры воспламенения, зажигания её и реакции горения, сопровождающихся выделением теплоты. Причем смешение газа с воздухом и нагрев смеси занимают большую часть времени в процессе горения, так как реакция горения протекают практически мгновенно.
В зависимости от способа подачи топлива и воздуха, можно выделить два основных класса пламени:
Пламена в предварительно подготовленных ТВС (топливо и воздух смешиваются до подачи в зону горения).
Диффузионные пламена (топливо и воздух поступают в зону горения раздельно, а процесс подготовки ТВС происходит путём диффузии топлива и воздуха непосредственно в зоне горения).
В гомогенном факеле в зону горения поступает подготовленная смесь газа с окислителем, так как процесс смешивания завершён до объёма факела. Поэтому горение в нём идёт интенсивно и полностью завершается на минимальной длине.
В диффузионном факеле процессы смешения и горения протекают одновременно в реакционном объёме, причём лимитирующими являются процессы смесеобразования. Следовательно, диффузионный факел оказывается значительно более протяжённым, чем гомогенный. Диффузионный факел регулируется изменением интенсивности смесеобразования путём варьирования конструктивных и режимных параметров горелки. В зависимости от технологических требований можно добиваться укорочения или удлинения зоны смешения, т. е. изменять характеристики диффузионного факела.
По уровню скоростей потока оба типа пламени подразделяются на турбулентные и ламинарные. Понятие ламинарного и турбулентного пламени основано на гидродинамике, в соответствии с которой течения, характеризующиеся числами Рейнольдса меньше 2300, считаются ламинарными, а при числах Рейнольдса более 2300 - турбулентными. Следует отметить, что критическое значение числа Рейнольдса описывает переход ламинарного течения в турбулентное в трубах при изометрических условиях. Практически область турбулентного течения может начинаться и с более высоких значений чисел Рейнольдса. Так, например уменьшением шероховатости, плавностью входа и выхода критическое значение числа Рейнольдса можно поднять до 4000. В технике принято считать, что между ламинарным и турбулентным течениями существует переходная область, ограниченная числами Рейнольдса в диапазоне от 2300 до 10000. В этой области течение может быть как ламинарным, так и турбулентным в зависимости от организации потока и его изотропности.
По геометрии факела пламена можно разделить на свободные и ограниченные.
По аэродинамической схеме движения - спутный и встречный факел.
Изучение турбулентного горения имеет большой практический смысл, поскольку процесс горения в ГТД, а в ряде случаев и в ДВС протекает по диффузионному механизму, при этом снижение выбросов вредных веществ можно достичь турбулизацией смеси - качественным смешением воздуха с топливом.
Описание лабораторной установки и порядок выполнения работы
Объектом лабораторных исследований является диффузионный и гомогенный факел пропана (С3H8), образованный вытекающим вертикально вверх из сопла газом в затопленное воздушное пространство. Сопло имеет внутренний диаметр d0 и длину цилиндрической части l0. Общий вид лабораторной установки представлен на рисунке 1, а схема установки - на рисунке 2.

Рисунок 1. Общий вид лабораторной установки

1 - Горелочное устройство; 2 - Регулировочный вентиль; 3 - Редуктор газовый;4 - Баллон пропановый 5 - Микропроцессорный измеритель температуры «ОВЕН»;6 - Газоанализатор типа «Qwintox» КМ9106;
7 - Охлаждаемый пробоотборник; 8 - Термопара ХА; 9 - Координатное устройство.
Рисунок 2 - Схема экспериментальной установки
Пропан от баллона 4 через подводящую магистраль, регулировочный вентиль 2 и систему измерения расхода газа подаётся в горелочное устройство (см. рисунок 3).

1 - Цилиндрический насадок; 2 - Гайка регулировочная; 3 - Корпус горелки; 4 - Жиклёр подачи пропана; 5 - Отверстия для подачи воздуха; 6 - Камера смешения; 7 - Выходное сопло.
Рисунок 3 - Конструкция горелочного устройства
Розжиг горелки осуществляется с помощью искрового разрядника, принцип действия которого основан на пьезоэлектрическом эффекте. Для получения предварительно подготовленной топливовоздушной смеси (ТВС), конструкцией горелочного устройства (см. рисунок 3) предусмотрено смесительное устройство, позволяющее с помощью регулировочной гайки 2 изменять количество подаваемого воздуха от нуля до максимально возможного значения.
Определение температуры газового факела осуществляется с помощью неохлаждаемой хромель-алюмелевой термопары 8,сигнал от которой подаётся на микропроцессорный измеритель температуры, типа «ОВЕН».
Для отбора пробы продуктов сгорания используется охлаждаемый пробоотборник 7, представляющий собой капилляр, сечение которого подбирается исходя из условия изокинетичности отбора. Охлаждение пробоотборника осуществляется водой, подаваемой из бачка центробежным насосом (на схеме установки не показан). Система охлаждения замкнутая.
Термопара 8 и пробоотборник 7 устанавливаются в координатное устройство 9, позволяющее изменять точку от оси факела по радиусу (координата X) и высоте (координата Y).
Определение состава продуктов сгорания осуществляется с помощью газоанализатора 6 типа «Qwintox» КМ9106 (рисунок 4), работающего на электрохимическом методе, который основан на возникновении электрического потенциала при химическом взаимодействии анализируемого газа с реактивом датчика.

Рисунок 4 - Общий вид газоанализатора
Принцип действия электрохимического газоанализатора, схема которого приведена на рисунке 5, состоит в разделении потока исследуемого газа на отдельные составляющие с помощью мембран, способных пропускать в электрохимическую ячейку лишь один компонент анализируемой газовой смеси. При его взаимодействии с веществом-реактивом электрохимической ячейки возникает электрический ток, величина которого зависит от концентрации поступившего в ячейку компонента исследуемой газовой смеси.

Рисунок 5 - Блок – схема газоанализатора
Пробоотборник газоанализатора помещается в измерительный участок, чтобы термопара пробоотборника находилась в ядре газового потока. Компрессор откачивает из газохода пробу отходящих газов через неопреновый шланг и блок подготовки пробы. В водоотделителе из пробы удаляется влага, содержащаяся в отходящих газах и в фильтре твердых частиц, задерживаются твердые частицы копоти, сажи и несгоревших фракций. Очищенная и обезвоженная проба поступает в блок электрохимических датчиков. Электрохимические датчики состоят из химического реагента и чувствительной мембраны, в результате прохождения через которые соответствующего газа происходит химическая реакция, вызывающая возникновение электрического сигнала пропорционального концентрации газа. Полученный электрический сигнал преобразовывается в цифровой вид.Одновременно с отбором газовой пробы, термопара, расположенная на конце пробоотборника измеряет температуру газового потока. Встроенная термопара измеряет значение температуры окружающего воздуха или температуру воздуха, подаваемую в камеру сгорания.
Используемый газоанализатор позволяет определять следующие параметры:
- кислород (0-21%), ;
- оксид углерода СО (0-40000 ppm), ;
- оксид азота NO (0-5000 ppm), ,определяет соответствие нормативам вредных выбросов;
- диоксид серы (0-2000 ppm), определяет соответствие нормативам вредных выбросов;
Работа выполняется в следующей последовательности:
Открыть регулировочный клапан кран на горелочном устройстве и осуществить розжиг факела.
С помощью регулировочной гайки установить диффузионный режим горения.
С помощью координатного устройства установить термопару в нулевую точку отсчета координат (х=0; у=0).
Установить термопару в первое сечение замера поля температур (характерное сечение диффузионного факела представлены на рисунке 6).
Записать значения температур по радиусу факела в первом сечении в таблицу 1.
Последовательно установить термопару в следующем сечении и записать значения температур в протокол №1.
С помощью регулировочной гайки установить гомогенный режим работы горелочного устройства.
Последовательно установить термопару в характерном сечения гомогенного факела (см. рисунок 7) и записать значения температур по радиусам сечений в протокол №2.
Закрыть регулировочный вентиль.
Отключить лабораторную установку от сети.

Рисунок 6 – Диффузорный газовый факел. Сечения замера поля температур

Рисунок 7 - Гомогенный газовый факел. Сечения замера поля температур
Обработка результатов эксперимента
По показаниям термопары строятся зависимости температуры факела по радиусу T=f(x) в выбранных сечениях для диффузионного и гомогенного факела.
По построенным графикам определить максимальное значение температуры Ттах диффузионного и гомогенного факела.
Перестроить полученные графики для диффузионного и гомогенного факела в координатах (Ti/Tmax)=f(x/d) для различных высот факела (y/d), где d — диаметр сопла горелочного устройства (см. протокол №3 и №4).
Сделать выводы по работе.
Содержание отчёта
Принципиальная схема установки и горелочного устройства.
Протоколы записи результатов измерений.
Обработанные результаты эксперимента.
Распределение температур по высоте и радиусу диффузионного и гомогенного факела.
Выводы по работе.
Распределение температур по сечениям газового факела
Диффузионный факел
Протокол №1
h1=15мм ri,мммммммм мм h2=30мм ri, мм , °С h3=70мм ri,мммммммм ММ °С h4=170мм ri,мммммммм °С Гомогенный факел
Протокол №2
h1=9мм ri,мм h2=18мм ri,мммм h3=28мм ri,ммММ h4=35мм ri,мммм h5=100мм ri,мм Относительное распределение температур по сечениям газового факела
Диффузионный факел
h1/d ri/d ti/tmaxh2/d ri/d ti/tmaxh3/d ri/d ti/tmaxh4/d ri/d ti/tmaxПротокол №3
Гомогенный факел
h1/d ri/d ti/tmaxh2/d ri/d ti/tmaxh3/d ri/d ti/tmaxh4/d ri/d ti/tmaxh5/d ri/d ti/tmaxКонтрольные вопросы к отчёту по лабораторной работе
Что такое процесс горения?
Назовите основные классы пламени в зависимости от способа подачи топлива и воздуха
Что такое турбулентныепламена?
Как изменяется температура по высоте и радиусу гомогенного факела?
Сравните диффузионные и гомогенные пламена с точки зрения их максимальной температуры
Перечислите возможные варианты применения в технике полученных результатов работы.

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1 Химия горения / Под ред. Ч.Гардинера. - М.: Мир, 1988. - 464с.
2 Иссермин А.С. Основы сжигания газового топлива: справочное пособие. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Недра, 1987. - 336с.
3 Лукачев С.В., Горбатко А.А., Матвеев С.Г. Образование и выгорание бенз(а)пирена при сжигании углеводородных топлив. - М.: Машиностроение, 1999. - 153с.

Учебное издание
Физические основы теплотехнических измерений
Методические указания
Составители
Редактор Фамилия Имя Отчество
Доверстка Фамилия Имя Отчество
Подписано в печать . Формат 60х84 1/16.
Бумага офсетная. Печать офсетная.
Печ. л. .
Тираж экз. Заказ _ ___. Арт. С- /2011
Самарский государственный
аэрокосмический университет.
443086 Самара, Московское шоссе, 34.
______________________________________________
Изд-во Самарского государственного
аэрокосмического университета.
443086 Самара, Московское шоссе, 34

Приложенные файлы

  • docx 26064388
    Размер файла: 7 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий