ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2024
Просмотров: 444
Скачиваний: 6
скорости движения: талон |
воды по склону при |
снеготаянии, |
воды |
|
в почвах и грунтах и др. |
|
|
|
|
Поплавочные измерения в |
настоящее время широко применя |
|||
ются в л а б о р а т о р н ы х |
и с |
с л е д о в а н и я х : |
при изучении |
ско |
ростного поля потоков, различных гидравлических явлений, гидро технических сооружений и т. д. Эти исследования проводят в гид равлических лотках со стеклянными стенками, что позволяет вести •наблюдения за пущенными в воду поплавками как на поверхности потока, так и в толще его.
В качестве поплавков применяют |
обычно шарики из |
эмульсии |
с удельным весом, равным удельному |
весу воды. Выпуск |
шариков |
производят с помощью специальной трубки; каждый шарик выпус кается в той точке потока, где это необходимо. Движение шарика в потоке точно воспроизводит траекторию соответствующей струй ки. Кроме эмульсионных шариков, применяют шарики из пласти ческих веществ с удельным весом, равным удельному весу воды.
Движение шариков регистрируют с помощью фотопли кино съемки. Обработка полученных снимков или кинограмм дает воз можность определить скорость движения воды на различных уча стках потока и направление траекторий струй.
11.4. Гидрометрические трубки
Измерение скорости течения гидрометрическими трубками осно вано на определении высоты скоростного напора. Для определения
а. >•
А |
|
й |
1 |
* |
. |
у |
—V |
Рис. 11.36. Схема гидрометрической трубки.
зависимости между местной скоростью течения и высотой скорост ного напора применим уравнение Д. Бернулли к струйке воды АВ (рис. 11.36)
где Z i = Z 2 |
— высота положения, одинаковая для обеих |
точек, |
по |
этому ее |
в дальнейшем не учитываем; р\ — давление |
в точке |
А; |
а 50
р2 — давление в точке В; щ — местная |
скорость в |
точке |
Л; и2 = |
||
= 0 — скорость в точке В; у — удельный вес воды. |
|
|
|||
Из уравнения (11.27) |
получаем высоту скоростного |
напора |
|||
^ |
^ |
= ^ г = |
Л, |
|
(Н.28> |
откуда получаем формулу для определения местной |
скорости |
||||
|
Ui = |
V2gh. |
|
|
(И.29> |
Приведенный вывод справедлив для идеальной жидкости. Для реальной жидкости — воды — при турбулентном движении вели чина скоростного напора полу чается несколько меньшей.
Кроме того, оказывает влияние форма приемной части трубки. Для учета этих факторов вво дится поправочный коэффи циент, величина которого опре деляется путем тарирования. Тогда уравнение (11.29) будет иметь вид
|
a = (pV'2g//. |
(11.30) |
|
|
Для |
применяемых в настоя |
|
||
щее время трубок с плавным |
|
|||
очертанием приемной |
части ве |
|
||
личина |
поправочного |
коэффи |
Рис. 11.37. Схема приемной части гидро |
|
циента |
ф близка |
к единице. |
метрической трубки и эпюра гидродина |
|
Из |
формулы |
(11.30) видно, |
мического давления. |
|
что для определения |
скорости |
|
течения требуется измерить высоту скоростного напора, т. е. вы соту поднятия уровня в трубке над уровнем воды в потоке.
Приемная часть трубки (рис. 11.37) имеет динамическое отвер стие, направленное навстречу скоростному вектору, и статические
отверстия, направленные перпендикулярно |
скоростному |
вектору; |
|
они делаются |
на боковой поверхности приемной части |
трубки. |
|
В некоторых |
трубках, например в трубке |
Прандтля, статические |
отверстия заменены кольцевой щелью. Статические отверстия рас полагаются на таком расстоянии от носка трубки, где величина гидродинамического давления на поверхность трубки равна нулю, поэтому вода в эти отверстия попадает под действием только гид ростатического давления. Для ослабления влияния пульсации скорости диаметр динамического отверстия должен быть равен 0,5—1,0.
Вертикальная часть трубки имеет два канала, один из которых сообщается с динамическим отверстием 2 приемной трубки J, дру гой— со статическими отверстиями 3 (рис. 11.38). В первом из них уровень воды поднимается выше, чем во втором, на высоту
151
скоростного напора. Для удобства отсчетов уровни воды в обеих трубках поднимаются вверх с помощью насоса. Для этого к ним подсоединяют резиновые шланги 4 и 5, посредством которых сое
диняют их со стеклянными трубками манометра 6, в |
верхней ча |
|||||||||
сти которого |
имеется тройник 7. Тройник |
соединяется |
шлангом 9 |
|||||||
с воздушным |
насосом, при помощи которого из манометра |
откачи |
||||||||
|
|
вается |
воздух. |
|
При |
этом |
||||
|
|
уровни |
в |
обеих |
трубках |
|||||
|
|
поднимаются. |
Когда они до |
|||||||
|
|
стигнут |
такой |
|
высоты, |
при |
||||
|
|
которой |
удобно |
делать |
от |
|||||
|
|
счет |
по |
шкале |
|
манометра, |
||||
|
|
откачку |
воздуха |
прекра |
||||||
|
|
щают и в тройнике закры |
||||||||
|
|
вают |
кран |
8; |
|
первоначаль |
||||
|
|
ная |
разность |
|
уровней |
при |
||||
|
|
этом |
остается |
неизменной. |
||||||
|
|
Манометр |
снабжается |
шка |
||||||
|
|
лой, указателем и верньером. |
||||||||
|
|
Обычная |
|
гидрометриче |
||||||
|
|
ская |
трубка |
не позволяет из |
||||||
|
|
мерять |
скорости |
менее |
||||||
|
|
0,2 м/с, так как при меньших |
||||||||
|
|
скоростях |
разность |
уров |
||||||
|
|
ней очень мала. Имеется |
||||||||
|
|
ряд |
способов |
|
повышения |
|||||
|
|
чувствительности |
|
трубок: |
||||||
|
|
1) применение |
специальных |
|||||||
|
|
мерных |
жидкостей |
в мано |
||||||
|
|
метре (эфир, |
бензол |
и |
др.), |
|||||
|
|
имеющих удельный вес мень |
||||||||
2' |
Ч 3 |
ше |
удельного |
|
веса |
воды, |
||||
благодаря |
чему |
увеличи |
||||||||
Рис. 11.38. Схема устройства для измерения |
вается |
разность |
уровней |
|||||||
скорости гидрометрической трубкой. |
в трубках; |
при |
этом |
оказы |
вается возможным измерять скорости до 0,1 м/с; 2) 'применение наклонных трубок, по которым производится отсчет, а также другие способы.
Гидрометрические трубки широко используются для измерения •скоростей течения при научных исследованиях, главным образом в лабораторных условиях. Для этой цели имеется большое число различных конструкций трубок со всевозможными усовершенство ваниями для установки трубки в потоке, удобства отсчетов и т. д.
При полевых гидрометрических работах трубки в настоящее время не применяются, хотя ранее были созданы образцы трубок для полевых условий. Непопулярность трубок для полевых работ объясняется их непортативностыо, сложностью установки в потоке, невозможностью использования в реках с большим количеством наносов и в зимних условиях.
152
11.5. Определение скорости течения путем регистрации величины силового воздействия потока на тело
Между скоростью течения и величиной давления, оказываемого потоком на находящееся в нем тело, существует зависимость
|
|
Я = С г - 5 - Р и Ч |
(11-31) |
где R — давление потока |
на тело; Сх — коэффициент, |
величина ко |
|
торого зависит |
от формы |
тела и числа Рейнольдса (Re); р — плот |
|
ность воды ( р |
= - ^ - « 1 0 2 |
кг - с 2 /м 4 ); и — скорость течения; со — пло- |
щадь проекции тела на плоскость, нормальную направлению ско рости (мидель).
Из приведенной формулы определяется величина скорости
tt==l/2£_. |
(11.32) |
Таким образом, измерив давление потока на тело, можно опре делить и скорость течения.
В приведенной формуле величина со известна. Величина коэф фициента Сх, как уже отмечалось, зависит от формы тела и числа Рейнольдса Re
Re = - ^ , |
(11.33) |
где и — скорость течения; d — линейный |
размер, характерный для |
условий обтекания, например: для шара — диаметр и т. п.; v — ки нематический коэффициент вязкости воды, величина которого за висит от температуры.
Для различных тел, которые могут быть употреблены в качест ве приемника давления, как-то: шар, плоская пластинка в виде
диска и другие, зависимость Cx =/(Re) хорошо изучена; |
эти дан |
|
ные имеются |
в справочниках. |
|
Наиболее |
простым прибором, основанным на рассматриваемом |
|
принципе, является г и д р о м е т р и ч е с к и й ф л ю г е р , |
рабочим |
органом которого, воспринимающим давление потока, является пло ская пластинка. Скорость течения определяется в зависимости от величины отклонения пластинки. Эта зависимость получается пу тем тарирования. Пластинка флюгера воспринимает пульсации скорости течения, поэтому отдельное измерение дает величину мгновенной скорости. Для получения достаточного осреднения во времени необходимо брать несколько отсчетов и определять сред
нее значение. Но чаще |
всего теперь показания |
флюгера записы |
|||
вают |
на осциллографе, |
на ленте |
которого |
получается непрерыв |
|
ная |
линия пульсации, |
по которой |
можно |
путем |
обработки полу |
чить величины мгновенных скоростей, необходимые характеристики пульсации и величины местных скоростей с требуемым периодом осреднения. Гидрометрический флюгер находит применение глав-
153
иым образом при проведении научных исследований в лаборатор ных установках, хотя были, и в свое время применялись, образцы •флюгера для полевых измерений (так называемый гидроспидо метр) .
В настоящее время большое распространение имеют приборы для измерения скоростей течения, в которых давление потока на чувствительный элемент — приемник давления — определяется элек трическими методами. Такие приборы применяются главным обра зом в лабораторной гидрометрии, но имеются образцы подобных приборов для измерений в натурных условиях, правда, они пред назначены для научных исследований, а не для производственных целей.
.Питание
Рис. 11.39. Схема |
измерения скорости течения |
с применением |
тензометрического датчика. |
Схема измерителя скорости, основанного на рассмотренном принципе, состоит из следующих основных элементов:
1) приемника давления, который вводится в поток и располага ется в требуемой точке. В качестве приемника давления чаще все го применяют шар или диск; последний часто оказывается лучше, так как зависимость коэффициента Сх от числа Рейнольдса для диска выражается прямой линией, в то время как для шара эта зависимость более сложная;
2)датчика, преобразующего измеряемую величину в электри ческую; применяют датчики разных типов: тензометрические, ин дуктивные и др.;
3)усилителя, служащего для усиления слабого напряжения электрического тока, снимаемого с датчика;
4)осциллографа, служащего для регистрации показаний дат чика в виде записи на бумажной ленте или кинопленке;
5)источников питания электрической цепи.
154
На рис. 11.39 показана принципиальная схема измерения скоро сти течения рассматриваемым методом. Приемник давления 1, име ющий вид шара или диска, вводится в требуемую точку потока; тонкий стержень соединяет приемник давления с упругим элемен том— пластинкой 2, жестко заделанной вверху. Для исключения давления на стержень он закрывается обтекателем, не показанным на схеме. Давление потока на шар передается упругому элементу: чем больше скорость, тем больше деформация пластинки. На пла стинку наклеивается тензометрический датчик1 , состоящий из не скольких витков проволоки диаметром 0,02—0,03 мм, помещенных между тонкими слоями бумаги. Сопротивление такого датчика обычно порядка 200 ом. При изгибе пластинки проволочки дат чика деформируются — растягиваются или сжимаются, в резуль тате чего изменяется электрическое сопротивление датчика, что вы зывает разбаланс измерительного моста Уитстона 3. Далее сигнал поступает в усилитель 4, а затем на осциллограф 5, где осущест вляется запись процесса.
Все подобные приборы требуют предварительной тарировки.
11.6. Измерение скоростей течения приборами, основанными на принципе теплообмена
Между телом, введенным в поток, и водной средой устанавли вается теплообмен, интенсивность которого зависит от скорости те чения; эта зависимость положена в основу действия рассматри ваемых приборов.
Впервые эта зависимость была использована для прибора, из меряющего скорость ветра (термоанемометр Кинга, 1913 г.). За тем принцип теплообмена был использован для измерения скоро сти течения воды. Рабочим органом употребляемого для этой цели прибора — термогидрометра — была тонкая платиновая проволока, по которой пропускался электрический ток, нагревающий прово локу. В потоке проволока охлаждается в зависимости от скорости течения, вследствие чего изменяется ее сопротивление электриче скому току. Измеритель скорости присоединяется к одному из плеч измерительного моста, в диагональ которого включается регистри рующий прибор; по нему определяется скорость течения. Прибор предварительно должен тарироваться.
Описанная схема термогидрометра теперь не применяется ввиду существенных недостатков: платиновая проволока требует частой тарировки, обладает недостаточной механической прочностью.
В современных термогндрометрах вместо проволоки применя ется, например, платиновая пленка, наносимая в виде очень тон кого слоя платины на стеклянное или кварцевое основание в виде клина. Такой клиновой пленочный зонд, как его называют, отлича ется большой механической прочностью и лучшими характеристи-
1 Тензометр — прибор для измерения деформации элемента, воспринимаю щего воздействие какой-либо силы.
155