Что измеряет пьезометр трубка пито
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.
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%.
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.
Трубка Пито
В аэронавтике прибор Пито измеряет общее давление в контуре статического и полного давления и позволяет определить относительную скорость самолета по отношению к окружающей среде.
Резюме
Физический принцип изобретения Анри Пито
час знак равно V 2 2 грамм <\ displaystyle h = <\ frac 
(это без учета аэродинамического сопротивления камня).
Итак, когда вы окунете руку в поток потока (как на анимации напротив), вы увидите, что вода поднимается до определенной высоты.
Знание, действительно ли высота, достигаемая таким образом водой, равна высоте, могло бы стать хорошим упражнением в физике средней школы (мы можем ожидать определенных потерь энергии в воде из-за вязкого трения). час знак равно V 2 2 грамм <\ displaystyle h = <\ frac
Анри Пито поступил более проницательно: в первом эксперименте, который он с энтузиазмом импровизировал, когда ему в голову пришла идея создания МАШИНЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ БЕГАЩЕЙ ВОДЫ И ПОСЛЕ СУДОВ, он заменил руку простой изогнутой стеклянной трубкой против течения, и при таком расположении больше нет потерь энергии: частицы воды, которые поднимаются в стеклянной трубке, очень быстро теряют свою скорость (после стабилизации водяного столба по высоте): поэтому больше нет страха перед потеря энергии за счет вязкого трения.
В случае с этой трубкой Пито высота h, достигаемая водой в трубке, действительно равна:
Исторический
Однако, если первое отверстие, обращенное к току, хорошо улавливало общее давление, второе отверстие (на конце неизогнутой стеклянной трубки) «примерно» улавливало местное статическое давление. Точнее, он захватил его с недостаточной точностью (из-за явления вентиляции выходной стороны призмы ее концом (см. Статью « Вентиляция выходной стороны цилиндра» ).
Если измерение общего давления довольно просто, следует признать, что сложность устройств для измерения скорости потока жидкости или газа в данной точке состоит, прежде всего, в том, чтобы измерить хорошее статическое давление, существующее в этой же точке. Именно по этому вопросу трубка Пито будет развиваться больше всего за два столетия, которые последуют за ее изобретением.
Ричард У. Джонсон описывает эти измерения в своем Руководстве по гидродинамике следующим образом: «В 1732 году между двумя столбами моста через Сену в Париже [Анри Пито] использовал [свой] инструмент для измерения скорости течения в представление ее результатов Академии позднее в том же году имеет большее значение, чем представление самой трубки Пито: современные теории, основанные на опыте нескольких итальянских инженеров, утверждали, что скорость течения на определенной глубине реки был пропорционален массе воды, текущей над точкой измерения, поэтому было видно, что скорость течения увеличивается с глубиной.Пито с помощью своего инструмента доказал, что в действительности скорость течения уменьшается с глубиной. «
Ричард У. Джонсон также рассматривает изобретение Анри Пито в исторической перспективе следующим образом: «[…] Разработка трубки Пито в 1732 году представляет собой существенный прогресс в экспериментальной гидродинамике. Однако в 1732 году Анри Пито не смог воспользоваться преимуществами существования трубки. уравнения Бернулли, которое Эйлер получил только 20 лет спустя. Поэтому рассуждения Пито относительно работы его трубки были чисто интуитивными, и его подход (путем измерения разницы между общим давлением в точке остановки и статическим давлением) обычно Как обсуждалось Андерсоном (1989), применение уравнения Бернулли к трубке Пито для того, чтобы вывести из двух измеренных значений давления динамическое давление (затем скорость потока), не было представлено до 1913 года Джоном Эйри из Университета Мичиган. […] Таким образом, потребовалось два столетия, чтобы мастерское изобретение Пито было включено в гидродинамику в качестве жизнеспособный экспериментальный инструмент… «
1,5%) на 3 диаметрах трубки за точкой остановки, где измерялось давление.
В последующих применениях антенны Прандтля (или комбинированной статической трубки Пито), приложений, предназначенных для измерения скорости самолета, расстояния между точкой остановки, где измеряется общее давление, и отверстием (или отверстиями), где статическое давление захваченного только увеличилось: антенна была размещена в зоне, где поток был свободен от любого влияния самолета (например, достаточно перед носом фюзеляжа или давление атаки кромки крыла), так что статическое давление потока было примерно одинаковым в точке остановки и в отверстии захвата этого статического давления.
В текущей практике производителей самолетов (в отношении дозвуковых коммерческих самолетов) от антенны Прандтля отказываются в пользу простых датчиков Пито (измеряющих полное давление сразу за пограничным слоем ), статическое давление измеряется отверстиями в стенке корпуса. фюзеляж на той же оси абсцисс (от носовой части фюзеляжа), что и измерительное отверстие одиночной трубки Пито: эти два измерения производятся в одном из шести привилегированных мест, указанных на схеме ниже.
Антенна Прандтля
Прандтль (де) антенны (названные в честь Прандтль ) представляет собой комбинированную Пито-статическая трубку. Он состоит из двух коаксиальных трубок, отверстия которых, сообщающиеся с жидкостью, скорость которой мы хотим измерить, расположены определенным образом:
Распределение по потоку и по комбинированной полусферически-цилиндрической статической трубке Пито. ПРОТИВ п <\ displaystyle C_
>
Расчет скорости
Терминология
Статический выпуск (в сочетании с Pitot или без него) улавливает статическое давление, которое является атмосферным давлением в обычном смысле этого слова.
Случай несжимаемого потока
Случай сжимаемого потока
Приложения
морской
Аэронавтика
Чаще всего Pitot оборудуют электронагревателем, чтобы избежать его засорения скоплением инея. На земле он покрыт защитой, в частности, предотвращающей попадание в него насекомых.
Типовая кривая статического давления на бока фюзеляжа.
Трубка Пито на датчике анемометрии и угла атаки Airbus A380 ( со стороны второго пилота )
Трубка Пито на носу Embraer ERJ 135
Специальные конструкции
В случае самолетов-истребителей высокие скорости и углы, под которыми самолет может двигаться, означают, что были разработаны трубы особой формы, имеющие либо несколько отверстий, либо увеличенную трубу и более тонкую трубу в центре, причем последняя только используется для измерения динамического давления.
В принципе, системы трубок Пито обеспечивают измерение, только если они расположены перед потоком. В случаях, когда необходимо измерить скорость, перпендикулярную плоскости устройства, можно использовать анемоклинометрические датчики; в основе некоторых моделей лежит трубка Пито, имеющая несколько отверстий (5 или 7). Сравнивая давление в каждой трубке, можно определить угол и скорость потока.
Трубки Пито любой формы
В своем тексте, однако, он отмечает, что эти законы механики жидкости не всегда соблюдаются, поскольку, как мы теперь знаем, число Рейнольдса иногда вмешивается, чтобы радикально изменить поток. Но Блазиус мог только предчувствовать причину этих изменений в потоке, поскольку число Рейнольдса еще не заняло своего выдающегося места над всей механикой жидкости (см. По этому поводу статью Crise_de_traine ).
Пито-Вентури
Цилиндрические питотметры
S-образные питотметры ( двунаправленные или реверсивные )
Направленные зонды
Датчики общего давления Kiel
В 1935 г. Г. Киль разработал зонд полного давления, очень нечувствительный к его позиционированию по рысканью и тангажу.
Замечательной особенностью датчика Киля является то, что он имеет точность в пределах 1% для углов рыскания и тангажа до 40 ° в широком диапазоне скоростей. Некоторые более свежие модели United Sensors (изображение прилагается) демонстрируют эти качества нечувствительности до углов 64 °.
Важно отметить, что зонд Киля измеряет только общее давление.
Альтернативные решения
Автомобильная промышленность
Трубка Пито используется в автомобиле в тех случаях, когда скорость не может быть определена только по скорости вращения шин. Точность: сравнение двух измерений (трубки Пито и скорости вращения колеса) позволяет сделать вывод о динамической эволюции раздавливания шин.
Другие приложения
Трубка Пито имеет две формы: S-образную и L-образную. Ее также можно использовать для измерения скорости газового потока, например, в промышленных дымоходах.
Ошибки измерения и неисправности
Засорение трубки Пито
Когда трубка Пито (измеряющая общее давление) заблокирована, измерение скорости автомобиля становится невозможным. Непосредственным следствием засорения трубки Пито является ошибочное измерение увеличения скорости по мере набора высоты самолетом.
Закупорка трубки Пито в самолете чаще всего вызывается водой, льдом или насекомыми. Чтобы предотвратить это, авиационные правила предусматривают предполетный осмотр трубки (труб) Пито. Кроме того, многие устройства с трубкой Пито оснащены противообледенительной системой (последняя требуется для самолетов, сертифицированных для полетов по приборам ).
Из-за множества возможных случаев отказа большие самолеты часто имеют резервную систему из нескольких датчиков Пито, обычно не менее 3. Таким образом, если один из датчиков начинает давать результаты, слишком отличающиеся от других, то можно сделать вывод, что он неисправен и игнорируйте его показания. Если бы их было только 2, то мы не смогли бы узнать, какой из них неисправен, поскольку неисправность может привести к считыванию более высокой или более низкой скорости в зависимости от обстоятельств. Кроме того, некоторые самолеты оснащены дополнительным выдвижным зондом Пито, который можно использовать при необходимости.
Заглушка статического давления заблокирована
Когда выход статического давления заблокирован, это влияет на все инструменты, основанные на системе Пито: высотомер остается на постоянном значении, вертикальная скорость остается нулевой, скорость устройства будет ошибочной, в соответствии с ошибкой, обратной случай засорения трубки Пито: показания скорости будут уменьшаться, когда самолет набирает высоту. Самолеты, кабина которых не находится под давлением, часто имеют аварийный статический датчик, который можно подключить изнутри кабины.
Внутренние неисправности
Зондам Пито присущи недостатки:
Авиационные происшествия из-за проблемы с трубкой Пито
Примечания и ссылки
Заметки
Рекомендации
Трубка Пито: подробно простым языком
Трубка Пито — это полая трубка, изогнутая под углом в 90°, которая используется в качестве устройства создающего перепад давления. В трубопровод устанавливается таким образом, чтобы открытый конец ее был направлен навстречу потоку.
Схема трубки Пито
При наличии двух камер давления, разделенных диафрагмой, даже самый незначительный перепад давления в потоке жидкости можно измерить с точностью. Отдельные точки отбора давления расположены по всему поперечному сечению трубы для обеспечения репрезентативных показателей.
Принцип работы трубки Пито
В процессе эксплуатации трубка Пито заполняется жидкостью или газом, и таким образом, играет роль некоего предмета на пути движущегося потока. Входящий поток ударяется о стенки трубки Пито, создавая таким образом давление, которое измеряется прибором, расположенным на другом конце трубки.
Конец трубки, который открыт для входящего потока, всегда направлен вверх по потоку относительно места монтажа трубки, а другой конец трубки подсоединяется к контрольно-измерительному прибору. Отбор низкого давления вмонтирован в трубопровод под прямым углом относительно направления движения потока, с его помощью измеряется давление, оказываемое потоком на стенки трубопровода. Для того, чтобы определить величину расхода, измеряется разность этих двух манометрических величин.