Трубка пито прандтля для чего
Принцип работы трубки пито
Что такое трубка Пито – метрологический аппарат для измерения располагаемого (полного) и статического давления, массового расхода движущегося газа (воздуха) или жидкости и скорости движения в трубе. Назвали ее в честь ее изобретателя инженера-конструктора из Франции Анри Пито. Внутри трубка Пито полая и выгнутая под углом 90 градусов.
Самым простым вариантом данного прибора является Г-образный трубчатый корпус, часть которого погружается в закрытую полость трубопровода. Монтируется в трубопровод открытым концом навстречу потоку газа или жидкости, как показано на рисунке 1.
Принцип работы трубки Пито
В начальной стадии работы трубка Пито заполняется движущейся жидкостью или газом. Соответственно, поток, входящий в трубку Пито и вертикальную трубку, создаст некое давление, которое будет контролироваться с помощью манометров, установленных на свободных концах трубок.
По разности давлений измерительных приборов или разности высот поднятия жидкости в трубках судят о полном напоре жидкости, протекающей в трубе, его непосредственно скорости, а также расхода. Таким образом, в основу принципа измерения положен принцип дифференциальной разности давления.
Как работает трубка Пито
Представим, что жидкость под каким-то неизвестным давлением течет по трубе, как изображено на рисунке 2.
Необходимо отметить, что отверстие монтируется в трубопроводе в строгой перпендикулярности во избежание большой погрешности измерения. Это значит, что давление измеренное в трубке А не зависит от скорости потока жидкости.
Вторая же трубка В формой Г является напорной и опущена в жидкость – навстречу движущемуся потоку. Газ или жидкость, движущаяся с определенной скоростью, будет заполнять полость трубки. К свободному концу трубки также присоединим контрольно-измерительный прибор – манометр. Входящий поток жидкости, ударяясь о стенки внутри трубки, будет создавать определенное давление, контролируемое манометром с другой стороны.
Уровень жидкости в манометрической трубке В ht будет состоять из 2-х складывающихся физических величин: статического напора и напора, который создается скоростным движением потока. Скоростной напор определяется разностью уровней в трубках h=ht-hs.
Таким образом, мы имеем две абсолютно разные величины измеренного давления вертикальной трубкой и трубкой Пито. В этом и состоит основной принцип работы трубки Пито, в частности, сумма статического и скоростного напоров составит величину полного напора жидкости в трубе. А для нахождения расхода жидкости в данном сечении трубопровода берется разность двух этих физических величин.
Трубка Пито. Принцип работы
Трубки Пито представляют собой один из вариантов датчика расхода непрерывного потока рабочей среды. Изобретённые ещё в 1732 году французским инженером Анри Пито, они и сейчас широко используются в гражданской и военной авиатехнике, в инженерных коммуникациях и пр.
Принцип работы
Являясь расходомером дифференциального давления, трубка Пито измеряет два давления: статическое и общее ударное. Статическое давление — это рабочее давление в трубе, воздуховоде или окружающей среде, которая находится перед трубкой Пито. Измерение происходит под прямым углом к направлению потока, предпочтительно в точке с низкой турбулентностью.
Общее ударное давление представляет собой сумму статического и кинетического давлений и определяется в момент, когда протекающий поток воздействует на отверстие трубке Пито. В большинстве конструкций используется Г-образная трубка, входное отверстие которой, обращено непосредственно к встречному потоку.
Для удовлетворительной работы трубки Пито необходимо, чтобы диапазон расхода находился в пределах от 3: 1 до 4: 1 (это требование типично и для диафрагменных расходомеров). Основное отличие состоит в том, что, хотя отверстие измеряет полный поток, трубка Пито определяет его скорость только в одной точке.
Для конструкции описываемого расходомера крайне важны профиль и длина входной трубки, а также форма её стенок.
Параметры входной части трубки влияют на характер распределения давления по сечению. При увеличении скорости потока её профиль в трубке меняется с удлиненного (ламинарного) на более плоский (турбулентный). Это меняет точку средней скорости и требует регулировки глубины вставки. В подобных условиях профиль скорости почти всегда плоский, и глубина введения трубки не является критической.
Важно, чтобы измерение скорости проводилось на глубине введения, которая соответствует средней скорости потока. Поэтому в расходомерах Пито устанавливают короткие трубки с профилем, который увеличивает скорость потока и уменьшает постоянный перепад давления. Выпускаются также и специальные исполнения, в которых профиль входного канала выполняется таким, чтобы создать более высокий перепад давлений, чем у обычной трубки Пито.
Как измеряется давление потока?
В конструкциях трубки Пито (с двойными стенками) ударное давление направлено вперёд, в поток. В обычных конструкциях ось движения рабочей среды совмещается с осью внешней трубки. Оба сигнала давления направляются по трубопроводу на индикатор или преобразователь.
Для промышленных применений статическое давление может быть измерено тремя способами:
Точность функционирования расходомеров данной конструкции зависит от формы аэродинамических тел, окружённых постоянным потоком рабочей среды, а также от характеристик её вязкости, скорости и сжимаемости. Ключом к повышению точности показаний является минимизация кинетической составляющей при измерении давления.
Специально разработанные датчики Пито пригодны и для работ в пульсирующих потоках. Для этого используется зонд Пито, заполненный силиконовым маслом, который служит для передачи давления процесса. В высокочастотных пульсирующих применениях масло служит также средством демпфирования пульсаций и усреднения давления.
Применение
Трубки Пито могут быть использованы в трубах и воздуховодах любого сечения – круглого, квадратного, прямоугольного. Ввиду своей простоты и надёжности такие расходомеры применяются даже в турбинных установках гоночных автомобилей и скоростных истребителей. В промышленных применениях трубки Пито используются для измерения потока жидкости в водосливах и открытых каналах.
Хотя точность и дальность действия относительно низки, трубки Пито недороги и подходят для различных условий окружающей среды, включая экстремально высокие температуры и широкий диапазон давлений.
Монтаж этих устройств заключается в следующем:
Точность показаний — от 0,5% до 5% полной шкалы.
Преимуществами трубок Пито являются низкая стоимость, отсутствие движущихся частей, простота и отсутствие потерь давления в текущем потоке.
Основные недостатки — ошибки, возникающие в результате изменения профиля скорости или закупорки портов давления.
Трубки Пито целесообразно использовать для измерения расхода рабочей среды там, где важна стоимость устройства, а также при значительных диаметрах трубы или воздуховода.
Гидрометрическая трубка Пито
Рассмотрим принципиальную схему измерений с помощью гидрометрической трубки.
Установим связь между этими величинами. Запас кинетической энергии частицы можно вычислить используя зависимость:
При попадании частиц жидкости в изогнутую трубку, скорость движения этих частиц снижается и падает до 0, кинетическая энергия переходит в потенциальную, вызывая подъем жидкости в этой трубке на дополнительную высоту Δh. Запас потенциальной энергии частицы, поднятой на высоту Δh:
Полученную формулу можно использовать для определения скорости движения жидкости U, при известном перепаде уровней, который легко измерить.
Конструкция трубки Пито
Многозаборная трубка Пито
Разновидность трубки Пито с четырьмя точками измерения полного давления, трубка для измерения пьезометрического напора, развернута в противоположную сторону. Схема много заборной трубки Пито показана на рисунке.
Четыре точки отбора давления позволяет точнее измерить среднее значение полного давления.
Характеристики трубок Пито
Точность измерения многозаборных трубок Пито достигает 1%.
Напорными называются устройства, создающие перепад давления, зависящий от динамического давления потока, или, проще говоря, от скорости потока. Зная скорость потока среды в трубопроводе, статическое давление в трубопроводе и характеристики этого трубопровода (внутренний диаметр) можно вычислить расход. Самыми распространенными напорными устройствами являются трубка Пито-Прандтля и Annubar.
Трубка Пито-Прандтля представляет собой две Г-образные трубки, при этом одна трубка размещена внутри другой. Внутренние полости трубок не сообщаются между собой. Трубка вставляется в трубопровод, изгибом параллельно потоку и желательно соосно оси трубопровода. Внутренняя трубка имеет торцевое отверстие, в результате чего воспринимает полное давление в трубопроводе равное сумме динамического (зависимого от скорости потока) и статического давления трубопровода. Наружная трубка имеет отверстия на боковой поверхности и служит для отбора только статического давления. Довольно часто на производстве трубку Пито-Прандтля называют просто трубкой Пито. Это неправильно, так как с помощью трубки Пито невозможно измерить перепад давлений, а значит и расход, так как она не измеряет статическое давление в трубопроводе отдельно от динамического.
Динамическое давление зависит от плотности измеряемого вещества ρ и скорости потока вещества V в трубопроводе. Перепад давлений, измеренный трубкой Пито-Прандтля, будет равен:
Трубка Пито-Прандтля достаточно редко применяется в системах технического учета потребления энергоносителей. В коммерческих узлах учета она не применяется вовсе. Это связано с высокой погрешностью измерения, достигающей 5% и узким диапазоном измеряемых расходов (в лучшем случае минимально возможный измеряемый расход связан с максимальным измеряемым расходом соотношением 1:10). Кроме того, нижняя граница скорости потока достаточно высока. Чаще всего трубки Пито-Прандтля используют для измерения расхода вентиляторного воздуха (стенды нагрева, печи) где не требуется высокой точности измерения и рабочий диапазон изменения расхода воздуха довольно узок. Кроме того трубопроводы подачи вентиляторного воздуха могут иметь весьма внушительные размеры – до 1,5 метров в диаметре. Применение в этом случае расходомеров другого типа влечет за собой значительные материальные затраты и сложность монтажа и последующего обслуживания.
Кроме простоты конструкции трубка Пито-Прандтля имеет и другие достоинства: высокую температурную стойкость (до 300°, а в некоторых случаях и до 650°С), высокую коррозионную стойкость.
В случае появления недостоверных показаний необходимо проверить правильность установки трубки в трубопровод. Довольно часто глубину погружения трубки можно регулировать с помощью специального уплотнительного резьбового соединения. В некоторых случаях, например, из-за вибрации трубопровода, это резьбовое соединение ослабляется, и глубина погружения трубки Пито-Прандтля в трубопровод изменяется. Поэтому желательно нанести на трубку контрольную метку, чтобы в случае необходимости выставить по этой метке нужную глубину погружения.
Еще одной распространенной неисправностью является проворачивание трубки относительно своей оси. Проконтролируйте чтобы отбор статического давления, находящийся снаружи, параллельный и сонаправленный измерительному торцу трубки, был параллелен оси трубопровода.
При измерении расхода вентиляторного воздуха отверстия в трубке могут, например, забиться пылью. Если забьется торцевое отверстие, то показания датчика перепада давлений, скорее всего, уйдут в минус. Если забьются боковые отверстия, то показания датчика перепада возрастут. Для того чтобы прочистить трубку Пито-Прандтля не вынимая ее из трубопровода, необходимо отсоединить подключенный к ней датчик перепада и подать в освободившиеся отборы трубки осушенный сжатый воздух небольшого давления (1,5…3 атмосферы в зависимости от толщины стенок трубки Пито-Прандтля).
Большее, по сравнению с трубками Пито-Прандтля, применение в промышленности нашли осредняющие трубки Annubar, которые обеспечивают измерение динамического давления потока в нескольких точках сечения трубопровода. Из-за того, что скорость потока в трубопроводе различна (самая высокая скорость по центру сечения трубопровода, самая низкая – у стенок трубопровода) то вычисление расхода лишь по одному значению измеренной скорости потока даст существенную погрешность. Осредняющая трубка Annubar представляет собой как бы «многоэтажную» трубку Пито-Прандтля и состоит из двух вертикальных полостей в одном корпусе, расположенных под углом 90º друг к другу (у трубки круглого сечения). Отверстия положительной полости («+») расположены встречно потоку, а отрицательной («-«) – перпендикулярно потоку. Благодаря большему количеству точек «отбора» значений скорости потока точность измерения расхода существенно возрастает, вплоть до приемлемой в коммерческих узлах учета. В остальном принцип измерения расхода трубкой Пито-Прандтля и трубкой Annubar ни чем не отличается.
Поперечное сечение измерительной части трубки аннубар может иметь различную форму: круглую, ромбовидную или даже Т-образную, со встроенным датчиком температуры. Как правило, все ухищрения с формой измерительной части сводятся к одному – попытке повысить точность измерения. Потери давления на измерительной части трубки аннубар выше, чем на трубке Пито-Прандтля, но существенно меньше, чем, например, на измерительных диафрагмах, которые все же чаще всего применяют для измерения расхода в трубопроводах большого диаметра.
В случае если измерительного диапазона одной трубки Annubar не достаточно для покрытия всего измерительного диапазона, то дополнительно может быть установлена еще одна трубка (или даже несколько) и подключена к своему датчику перепада. Если скорость потока в трубопроводе велика то трубку Annubar рекомендуется устанавливать на подпятник, который будет препятствовать деформации трубки набегающим потоком.
Соединение трубки Пито-Прандтля и трубки Annubar с датчиками перепада осуществляется импульсными линиями. Для уменьшения погрешности измерения (которая может быть связана, например, с наличием утечек и потерей давления в импульсных линиях) длина этих линий должна быть как можно короче. Целесообразнее и вовсе отказаться от их применения и использовать интегрированное решение, при котором датчик перепада через вентильный блок устанавливается на трубку Annubar.
Дополнительную информацию вы можете найти в разделе «Вопрос-ответ».
Трубка Пито
Оглавление
Теоретические основы трубки Прандтля Пито
Внешний вид и функции
Если измерительная трубка используется только для измерения статического давления, это статический зонд, который можно определить по отверстиям на боковой стороне измерительной трубки и закрытию в точке застоя.
Приложения
Трубки Пито используются там, где требуется простое и точное измерение расхода.
авиация
Самолеты движутся в условиях атмосферного давления, которое меняется по мере набора высоты, снижения, ускорения или замедления. Это означает, что на трубке Пито возникает переменное общее давление воздуха, состоящее из динамического давления и статического давления воздуха. Скорость самолета может отображаться на индикаторе воздушной скорости относительно динамического давления. Общее давление регистрируется трубкой Пито и передается на индикатор воздушной скорости по линии общего давления. Чем выше противодавление, тем выше скорость.
Поскольку трубка Пито обеспечивает статическое давление окружающей среды в дополнение к желаемому динамическому давлению, его необходимо снова устранить с помощью компенсации давления, чтобы можно было представить только динамическое давление.
Трубка Пито прикреплена к открытому месту снаружи самолета, где можно ожидать малейшего нарушения воздушного потока. Это может быть, например, под крылом с отверстием, выходящим за пределы приземного воздушного потока, или, в случае форсунок, на кончике носа. Положение установки должно быть таким, чтобы статическая погрешность была как можно ниже. Чтобы определить оптимальное положение, часто приходится проводить испытания в аэродинамической трубе. В более крупных самолетах, а также в военных самолетах по соображениям безопасности в разных местах установлено несколько трубок Пито.
Типы трубок Пито для самолетов
Механический вариант
Электронный вариант
Во втором случае требуется электрическая энергия. Отверстие для динамического давления связано с одной половиной преобразователя через канал. Вот тут-то и проявляется общее давление. На стороне трубки Пито есть еще небольшие отверстия, которые, наконец, проходят через отдельные каналы к другой половине преобразователя. Здесь применяется статическое давление.
Особые формы
Есть также подвижные устройства, которые автоматически подстраиваются под направление потока. Для использования в аэродинамической трубе используются миниатюрные формы, которые, однако, обычно не имеют статического зонда.
Возможные ошибки
Автомобили
Трубки Пито также используются в высокоскоростных транспортных средствах, когда требуется измерение скорости, не зависящее от скорости вращения шин.
Измерение ветра
Подобно измерительным приборам для самолетов, трубка Пито также может использоваться для измерения скорости ветра. Поскольку трубка Пито по своей природе при очень низких скоростях ветра едва ли дает результат измерения, но практически не имеет верхнего предела и быстро реагирует на изменения скорости ветра, измеритель особенно подходит для измерения сильных ветров и порывов ветра и используется в сочетании с дифференциальным давлением. манометр в качестве анемометра для использования.
Отображение измеренного значения может быть оценено как электронным способом, так и через ячейку измерения перепада давления. Трубки Пито для метеорологии практически всегда предназначены для обогрева.
технологический процесс
Противопожарная защита
Измерительные трубки Пито также используются для определения количества воды для пожаротушения, поступающей из гидрантов. При этом используется тот факт, что при постоянном поперечном сечении выпускного отверстия гидранта скорость выходящей жидкости (здесь: вода для тушения) прямо пропорциональна выходящему объемному расходу. Давление вытекающей воды для пожаротушения можно пересчитать в объемный расход по следующей формуле:
Использование счетчика воды в этом случае запрещено, поскольку счетчик воды обычно имеет другое поперечное сечение, чем отверстие для подключения гидранта, и имеет собственное сопротивление потоку (в случае пожара пожарная команда не использует воду метр).
строительные технологии
Измерение скорости потока в воздуховодах (воздуховодах и трубах). Обычно для каждого измерительного устройства создается кривая, которая учитывает внутренние сопротивления измерительного устройства и, таким образом, обеспечивает очень надежные и точные данные.
История развития
В 1732 году Анри де Пито опубликовал проект « машины для измерения скорости текущей воды и следа за кораблями ». Этот принцип используется по сей день.
Однако у развития Пито все же были слабые места. Он состоял из двух расположенных рядом друг с другом трубок, одна из которых была изогнута на 90 ° на нижнем конце для направления в поток воды, а вторая прямая трубка воспринимала статическое давление. Однако при таком расположении труба для измерения статического давления находилась в зоне турбулентности, вызванной изгибом трубы перед ней. Кроме того, имелись теоретические недостатки в отношении преобразования разности давлений в расход. Из-за постоянных колебаний можно было сделать только очень неточные измерения.
Людвиг Прандтль разработал версию трубки Пито, которая используется до сих пор. Как это работает, описано выше.