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皮托管介紹
1. 測量原理和結(jié)構(gòu)
1.1 測量原理
皮托靜壓管(以下簡稱皮托管)是由一個垂直在支桿上的圓筒形流量頭組成的管狀裝置。本裝置在側(cè)壁周圍有一些靜壓孔, 頂端有一個迎流的全壓孔。它能測出差壓,并根據(jù)差壓確定流場中某處的流速,由流速與面積的乘積計算出流量。
皮托管的測量原理是基于伯努利方程在空氣中應用的一個實例,如圖1所示。當理想流體均勻的平行流向靜止物體時,設想其中一條流線撞在物體上(即圖1中的A點),在此處流體發(fā)生分岔,A點稱為滯止或駐點,A點的流速為零,VA=0。
圖1 皮托管靜壓管原理結(jié)構(gòu)圖
如果我們選擇兩個截面Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅰ-Ⅰ截面流動沒有受到任何的影響,流束是平行的,流速形成規(guī)則的速度分布,截面上各點的靜壓力相等。Ⅱ-Ⅱ截面流動受到影響,流束密集,流速加快,靜壓降低。則兩個面上的伯努利方程為 (1)
式中:-Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ區(qū)間的流體阻力系數(shù),這里可以不考慮即:=0;
— 流體密度,因為是均勻的
K-速度分布不均勻系數(shù),這里可設K1=K2=1;
P-兩個截面的靜壓力;
V-兩個截面的流速,V2=VA=0。
整理得到公式為:
(2)
式中:P2-總壓力(因為動壓為零);
P1-靜壓力。
如圖1所示,若在物體B點開一個孔,由于均勻流場中靜壓力相等,則 P1=PB=P0;令P2=P1,V1=V,公式(2)就變成為
(3)
(4)
式中:P-P0實際上是流場中某一點流體的動壓力P。
1.2 皮托管結(jié)構(gòu)
皮托管的原理結(jié)構(gòu)如圖2所示,當一臺差壓計兩端分別與總壓管和靜壓管連接,這樣差壓計上就可以顯示出動壓值來。
圖2 皮托管靜壓管結(jié)構(gòu)
圖2是一般皮托管的結(jié)構(gòu),為了能看清楚把兩端放大。如圖中可以看到皮托管外形是一個直角彎折的金屬管,與管軸平行安置的直角邊是測頭,其頂端有一個總壓孔,在其側(cè)壁有若干個靜壓孔??倝嚎着c靜壓孔不相通,分別用導壓管引出,從靜壓孔至總壓孔稱為鼻端。直角的另一邊稱為支桿,引出總壓孔和靜壓孔的接頭以便與微壓計相連。其上有定向桿,指示鼻端方向。測量總壓力的管子叫皮托管;測量靜壓力的管子叫靜壓管。實際上常用的形狀都是皮托管和靜壓管的組合,而且多數(shù)使用實驗系數(shù)近似為1的形狀,也就是標準推薦的GETIAT型(錐形頭),AMCA型(球形頭)MPL型(橢圓形頭)三種,如圖3所示,皮托管各部分的結(jié)構(gòu)要求如下。
圖3
a. 皮托管的支桿直徑應與測頭直徑相同,其長度不能短于測頭的長度;支桿尾端的定向桿應與測頭平行。
b. 測頭與支桿的平角應為90±2°,彎折處的曲率半徑為(2.5~3.5)d,并應圓滑,不得有皺折和明顯變扁等現(xiàn)象。
c. 總壓孔應位于測頭橫截面的中心,總壓孔的直徑d為(0.1~0.4)d,并不得小于1mm其邊緣不應不倒角、毛刺等。
d. 靜壓孔的位置與總壓孔的距離應不小于4d,與支桿相距應不應小于8d;靜壓孔的數(shù)目不少于4個,并均勻地分布在橫截面的圓周上。靜壓孔的直徑為0.5~1.0mm,孔的邊緣要求與總壓孔相同。
e. 總壓孔與總壓管,靜壓孔與靜壓管,均應通暢不堵塞。
f. 總壓管與總壓接頭,靜壓管與靜壓接頭之間,各焊縫處應不漏氣。
g. 皮托管測頭的直徑d應為4~15mm,長度為12~25d,而且外表面應光潔,接縫處應平整,不得有裂痕、劃傷、凹凸不平等缺陷,不得有銹蝕,鍍層起泡或脫落等現(xiàn)象。
h. 校準系數(shù)應在0.99 ~1.01之間。
i. 在空氣流速不超過40m/s的水流速度不超過2.5m/s的情況下,由皮托管給出的校準系數(shù)其準確度1%。
2. 安裝及使用
2.1使用范圍
2.1.1流體性質(zhì):用皮托管進行流量測量的流體,應是連續(xù)的單相流體或是具有與單相流體相類似的流體。如果是液體,則應該是牛頓流體,流動時應沒有橫向速度梯度。
2.1.2皮托管一般常用的流速為5~30m/s,不能使用于馬赫數(shù)約大于0.8的流體,而且為了得到佳的準確度,應在皮托管使用條件下進行校準。當馬赫數(shù)在0.9~1.0之間,大多數(shù)皮托管出現(xiàn)不規(guī)性,不能用以進行測量。
2.1.3皮托管的d/D不允許大到0.04,當d/D在0.02~0.04時需對阻塞影響和速度梯度進行修正,在高流速場合應避免皮托管的振動。
2.1.4皮托管安裝示意圖(見圖4)
圖4
2.1.5應用皮托管測流量時等面積劃分測點示意圖(見圖5)
圖5
2.2用皮托管測速時注意事項
a. 皮托管測量頭的軸線與管壁的距離不得小于測頭直徑。
b. 皮托管的位置應測準到下列兩個允差中的較小者。±0.005x,其中x是平行于皮托管定位方向的管道尺寸;±0.005y,其中y是皮托管到近管壁的距離。
c. 矩形橫截面測量點的小數(shù)目為25,測點位置應根據(jù)平行于各管壁的五 條直線的交叉點來確定,若采用算術(shù)法計算軸向平均速度測點分布按有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。
d. 圓形橫截面的各測點應被設置在同心圓上,在橫截面上至少為兩個相互正交的直徑上,每個半徑上至少3點,因而在一個截面中至少有12個測點。
e. 使用皮托管定期檢驗、標定。
2.3使用前的檢查
皮托管使用前應檢查總壓孔和靜壓孔以及它們的連接是否有堵塞,皮托管內(nèi)部總壓和靜壓腔室之間是否有泄漏。另外還要檢查是否有變形和鼻部損傷等。測量頭應垂直于支桿,與壓力計連接的導壓管應盡量短,并要求密封。壓力的阻尼要對稱和線性,皮托管應清潔。
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