孔板流量计的设计、制作与标定
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实验六 孔板流量计的设计、制作与标定(~20学时)
一、实验目的
动手能力是青年学生综合素质的一个重要方面,理科实验教学内容偏重验证课堂讲授的知识,且由于教学时数的限制,仪器、药品都已具备,学生自己设计,自己动手的机会相对较少。
本实验从孔板流量计的设计、安装、标定,到流量计曲线的绘制,都由学生自己处理。通过自己的设计、自己制作并标定,以及数据处理写出使用说明书,动手能力及数据处理能力都可以得到锻炼。
此外,尽管我们的教学设施日益齐备,但学生在未来教学或科研工作中自己动手制作一些小设备、小仪器的情况不可避免,该实验可培养学生自己动手的思维意识,解决实验中某些仪器设备的困难。当然,自己制作对孔板流量计的测试原理、制作关键都可以加深理解。 二、制作原理
孔板流量计的测试原理是流体通过孔板的锐孔时,由于孔板的滞流作用,造成流体内机械能的相互转换,即静压能转化为动能。在孔板前,管道内完全充满流体,且具有稳定的边界层,当流体流过孔板的锐孔后,边界层发生分离,主体流体四周被旋涡环绕,流体直径缩小,直径最小处称为缩脉,然后又逐渐变大。显然,孔板前后流体内发生了机械能转换。
图1.标准孔板流量计 图2.孔板流量计原理示意图 1. 测压环 2.孔板 3.导管 4.压差计
根据机械能衡算式,可导出孔板流量计的测量计算公式。如图2所示,在孔板前导管上取一截面为1-1,在孔板后的缩脉处另取一截面为2-2。在截面1-1,2-2之间进行能量衡算:
由于衡算系统内没有轴功,所以 ,又由于管子是水平的,所以ΔZ=0;而且假定流体为不可压缩的理想流体,则 =0,而
F ·-w s =0·
21
21
p p p p vdp ρ
-=
⎰
因而上式可化简为
22
211211()()2u u p p ρ
-=- (a ) 由于缩脉位置因流速而改变,因而难以确定,其截面S 2也难于测得,而孔板的锐孔直
径d 0和截面积S 0则是设计确定的;再则,在设备一旦制成后,测压管的位置是不能在测量过程中随意改变的,因此,用孔板锐孔处的流速u 0来代替上式中的u 2是切实可行的,但需要加以校正,即用系数C 校正流体流速u 0与u 2之间的差别,同时校正实际流体与理想流体之间的差别,即校正由于实际流体流经孔板所造成的能量损失,因此(a )又可写为
22
12012()
p p u u C
ρ
--= (b )
对于不可缩流体,根据连续性方程可得:
10
1
s u u s = (2) 将此式代入(b )式并整理后可得
2
120201
2()
1()C p p u S S ρ-=
∙- (c ) 令 2
02
01
1()
C
C S S =
- 并将等式两边开平方,则得:
0u C = (3)
根据u 0和S 0即可算出流体的体积流量:
000s V u S C S == (4)
式中(p 1-p 2)为孔板前后的压强差,其数值可由U 型压差计的液柱高度直接测得,即 12()R p p gR ρρ-=-
C 0称为孔板流量计的流量系数,其数值取决于孔板流量计的构造和雷诺数,需由实验测定。
三、仪器
压差计、流量计
四、实验步骤
1.孔板锐孔孔径的计算。
根据孔板流量计的测量原理,计算指定测量范围内所需孔板锐孔孔径的
数值,及所需压差计的规格,写出计算过程及结果。交教师审定。
2.照计算所得数据,精确制作孔板,在钻床上打出严格尺寸的孔,并进一步加工为适当角度的锐孔,正确粘连在管道中,并将由计算选定的压差计连接到两侧。
3.标定ΔP—V S的测试装置中,有水的稳压高位槽、测试管道及流量计、调节阀等,需要自己合理组装连接,并以使用方便、板面整洁为标准。
4.自制的孔板流量计连接在标定用的装置上,用阀门调节不同的流量,用秒表计时,用量筒计量流体体积。至少测十个点,每点最少三次,取最接近的两点求平均值,以此为准,将数据点精确标在双对数坐标上,并做出ΔP—V S曲线。要求数字和曲线清晰。
五、孔板流量计标定的装置
图3.孔板流量计标定的装置示意图
六、实验数据记录
实验数据整理
将实验测定结果标在双对数坐标上,并做出ΔP—V S曲线。
七. 写出简明规范的孔板流量计使用说明书。
八. 讨论题
1.制作孔板流量计的关键是什么?
2.安装和使用孔板流量计应注意什么?
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