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文丘里流量计实验.docx

文丘里流量计实验

文丘里流量计实验(新)

一、实验目的和要求、

1、掌握文丘里流量计的原理。

2、学习用比压计测压差和用体积法测流量的实验技能。

3、利用量测到的收缩前后两断面1-1和2-2的测管水头差,根据理论公式计算管道流量,并与实测流量进行比较,从而对理论流量进行修正,得到流量计的流量系数,即对文丘里流量计作出率定。

一、实验装置

1.仪器装置简图

 

图一文丘里流量计实验装置图

1.自循环供水器2.实验台3.可控硅无级调速器4.恒压水箱

5.溢流板6.稳水孔板7.文丘里实验管段8.测压计气阀

9.测压计10.滑尺11.多管压差计

12.实验流量调节阀

[说明]

1.在文丘里流量计7的两个测量断面上,分别有4个测压孔与相应的均压环连通,经均压环均压后的断面压强,由气—水多管压差计9测量,也可用电测仪测量。

2.功能

(1)训练使用文丘里管测量管道流量和采用气—水多管压差计测量压差的技术;

(2)率定流量计的流量系数,供分析与雷诺数Re的相关性;

(3)可供实验分析文氏流量计的局部真空度,以分析研究文氏空化管产生的水力条件与构造条件及其他多项定性、定量实验。

3.技术特性

(1)由可控硅无级调速器控制供水流量的自循环台式装置实验仪;

(2)恒压供水箱、文丘里管及实验管道采用丘明有机玻璃精制而成。

文丘里管测压断面上设有多个测压点和均压环;

(3)配有由有机玻璃测压管精制而成的气水多管压差计,扩充了测压计实验内容;

(4)为扩充现代量测技术,配有压差电测仪,测量精度为0.01;

(5)供电电源:

220V、50HZ;耗电功率:

100W;

(6)流量:

供水流量0~300ml/s,实验管道过流量0~200ml/s;

(7)实验仪专用实验台:

长×宽=150cm×55cm。

二、安装使用说明:

1.安装仪器拆箱以后,按图检查各个部件是否完好,并按装置图所示安装实验仪,各测点与测压计各测管一一对应,并用连通管联接,调速器及电源插座可固定在实验台侧壁或图示位置,调速器及电源插座位置必须高于供水器顶;

2.通电试验加水前先接上220V交流市电,顺时针方向打开调速器旋钮,若水泵启动自如,调速灵活,即为正常。

请注意,调速器旋钮逆时针转至关机前的临界位置,水泵转速最快,即出水流量最大;

3.加水

(1)供水器内加水加水前,需先把供水器及水箱等擦干净,水质要求为洁净软水,经过滤净化更佳,若水的硬度过大,最好采用蒸馏水。

加水量以使水位刚接近自循环供水器与回水管接口为宜,并检查供水器是否漏水。

(2)多管压差计内加水做实验之前需对多管压差计内加水,先打开气阀8,在测管2、3内注水至h2=h324.5cm,并检查测压计管1与管2、管3与管4之间是否连通,再检查管2、3之间底部,若有气泡,也需排除。

4.排气开启水泵供水,待水箱溢流后,来回开关实验流量调节阀数次,待实验管道内无气泡后,关闭调节阀,松开气阀8,调节调速器3使测压计读数h1=h428.5cm,并抖动连通软管,将连通管内气泡排出后,拧紧气阀8。

若配有文丘里电测仪,还需对连接电测仪传感器端的连通管进行排气和调压筒注水,方法是在上述状态下松开调压筒顶部气阀,待筒内充水2/3后拧紧,再松开传感器上气阀排气,待气阀处无气泡、连续出水、连通管内无气泡后,拧紧气阀,即可。

排气后关闭阀门、气阀,检查水箱、实验管道、测压计及各接口处密封状况,应无漏水,且稳定后,测压计上读数h1-h2+h3-h42mm(毛细高度),不然需查明故障原因(如连通管受阻、破损、夹气泡、漏气等);

5.采用文丘里电测仪测压差,;

图1.2电测仪及连接示意图

1、压力传感器;2、排气旋钮;3、连通管;4、主机。

6、稳压筒

为了简化排气,并防止实验中再进气,在传感器前连接由2只充水(不顶满)之密封立筒构成。

7、电测仪

由压力传感器和主机两部分组成。

经由连通管将其接入测点(图1.2)。

压差读数(以厘米水柱为单位)通过主机显示。

6.保养、维修

(1)仪器保养

a.做完实验后,请松开测压计底座螺栓,排尽测压计各测管内积水,(若用电测仪,还需排尽调压筒内积水),以防结垢粘污;

b.仪器切勿置于阳光照射之下;

c.不使用时,请加防尘罩,以防尘埃;

d.学期末实验结束时,须排尽储水系统中的水,并拔下连通软管的一个端头,排净积水;

e.北方寒冷地区,冬季需做好防寒工作,以防水冻结损坏仪器。

(2)仪器维修

a.测点接头损坏或渗漏,可更换不锈钢针咀处密封软塑管;

b.若实验管道断裂,将断裂处对接上,并在外面套一有机玻璃套箍固定,用氯仿粘结即可恢复原样;若断裂在螺旋处,在原管道上截去一管段,并取等长度带螺纹有机玻璃管替换,再用上述方法修复;

c.若水箱、实验管道、漏斗等有机玻璃胶结处有脱胶现象,待脱胶处干燥后用氯仿粘合,过5~10分钟后即可正常使用;

d.若测压计各测管底部不锈钢细管处发生松动、渗漏,将测压架倒置,待干燥后,在渗漏、松动处滴上502胶合剂,数分钟后即可正常使用;

e.若测压计(调压筒、传感器)等各气阀、螺栓处有渗水、漏气现象,在气阀、螺栓上换上新橡皮圈即可;

f.供水器线路如图二所示,供水发生故障,一般检修方法如下:

先接通220V交流市电,短接B、C两点,若水泵不转,而A、B二点电压正常(为220V),则表明水泵坏,需更换之;若水泵转动正常,则表明是调速器损坏,需更换调速器;换下来的调速器一般经检修后可再用,例如更换可控硅(6A,双向)或其他已损坏的元器件即可;做完实验后,必须检查调速器有否关闭,切勿将其调至最小流量处,否则,长时间易损坏调速器。

图二供水器供电线路简图

三、教学指导

1.设计思想

根据能量方程,在有压管路中,如果有可以引起(静)压强变化的局部管件,则局部管件该处的(静)压强的改变与流量之间(对一定管径而言)存在着一定关系,运用这种关系,只要测得局部管件的压强变化值,便可算出流量。

文丘里管就是这种类型的管件,它由光滑的渐缩段、喉道及渐扩段三部分组成(如图三所示),在收缩段进口断面与喉道处分别安装一根测压管(或是连接两处的水银压差计)。

文丘里管测流量。

这种方法在十九世纪末即已提出。

由于文丘里管能量损失小、对水流干扰较少和使用方便等优点,在生产上及实验室中均被广泛采用。

因此,作为一名工科专业的学生,有必要熟知文丘里管流量计的结构及其使用方法。

图三文丘里管结构图

然而,传统的文丘里管实验仪器,在设计选材方面存在一定缺陷:

其一,设计结构偏大,供水、量水设备庞大复杂;其二,往往采用铜等金属材料来制作,由于金属材料不丘明性,无法让学生看清文丘里管的内部结构;其三,测压孔内表面难以处理,常影响实验精度;其四,采用高位水箱供水,引水供多组实验共用,造成实验组间互相干扰。

鉴于以上原因,我们对原有文丘里实验仪器在结构﹑选材上进行了重新设计与改造。

在材料方面,一改原有的金属材料,为丘明的有机玻璃,使其内部结构可视化,且便于测点光滑处理;将其结构进行缩小,采用独立自循环供水系统,布置在专用实验台上,恒压水箱提供稳压水头,并在测压断面上设有多个测压点和均压环,从而降低了因制作误差对实验的影响,提高了实验精度;同时,可方便地用体积法或重量法测量流量,这比以往的实验仪器更能满足实验教学要求,经过多年来的不断完善、改进,现已在国内众多高等院校中广泛使用。

2.实验原理

我们知道,如果能求得任一断面的流速v,然后乘以面积A,即可求得流量Q。

如图三所示,对于文丘里管前断面及喉管处,处于该两处面积分别为A1、A2只要测得该两处流速v,便可测得流量Q。

为此,我们可根据能量方程式和连续性方程式对该两断面立方程求解。

取管轴线为基准,并且不计阻力作用时

(1)

(2)

由式

(1)、

(2)可解得

因此Q'(3)

(4)

(3)、(4)式中:

h为两断面测压管水头差;

k为文丘里流量计常数,对给定管径是常数。

然而,由于阻力的存在,实际通过的流量Q恒小于实验所测得的流量Q'。

今引入一个无量纲系数=Q/Q'(称为流量系数),对计算所得流量值进行修正。

即   (5)

另由静水力学基本方程可得气—水多管压差计的h为

h=h1-h2+h3-h4

在做本实验时,通过实验测得流量Q'及水头差h,据此,我们便可以测得此时文丘里管的流量系数

3.实验内容

定量分析实验请参考《实验报告解答》。

以下仅介绍定性分析实验,测定文丘里管内真空度。

实验时,将电测仪传感器低压端用连通管通过三通连接于文丘里管喉颈处,电测仪传感器高压(即带红点)端接通大气。

待实验管道及连通管内的空气排净后,在恒定水位下关闭阀门,使流量为零,此时对电测仪调零。

调零后,开启阀门,调节流量,这时电测仪读数即相应流量下管内真空度(喉颈处允许最大真空值分析,请参看成果分析)。

4.成果分析

(1)本实验中,影响文丘里管流量系数大小的因素分析。

由式:

可见本实验(水为流体)的值大小与Q、d1、d2、h有关。

其中d1、d2影响最敏感。

如实验的文氏管d1=1.4cm,d2=0.71cm,通常在切削加工中d1比d2测量方便,容易掌握好精度,d2不易测量准确,从而不可避免的要引起实验误差。

例如实验最大流量时值为0.976,若d2的误差为-0.01cm,那么值将变为1.006,显然不合理。

(2)验证气—水多管压差计的关系:

图四

如图四所示:

Δh1=h1-h2,Δh2=h3-h4

因为

所以

(3)应用量纲分析法,阐明文丘里流量计的水力特性。

运用量纲分析法得到文丘里流量计的流量表达式,然后结合实验成果,便可进一步搞清流量计的量测特性。

对于平置文丘里管,影响1的因素有:

文氏管进口直径d1、喉径d2、流体的密度、动力粘滞系数及两个断面间的压强差p。

根据定理有:

   f(2、d1、d2、p、、p)=0(6)

从中选取三个基本量,分别为:

共有6个物理量,有3个基本物理量,可得3个无量纲数,分别为:

根据量纲和谐原理,1的量纲式为

分别有

L:

1=a1+b1-3c1

T:

0=-b1

M:

0=c1

联解得:

a1=1,b1=0,c1=0则

同理可解得:

将各值代入式(6)得无量纲方程为:

或写成

、=、

进而可得流量表达式为

、Re1)(7)

式(7)与不计损失时理论推导得到的

(8)

相似。

为计及损失对流量的影响,实际流量在式(3)中引入流量系数Q计算,变为

(9)

比较(7)、(9)两式可知,流量系数与Re一定有关,又因为式(9)中d2/d1的函数关系并不一定代表了式(7)中函数f3所应有的关系,故应通过实验搞清与Re、d2/d1的相关性。

通过以上分析,明确了对文丘里流量计流量系数的研究途径,只要搞清它与Re及d2/d1的关系就行了。

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