آزمایش وسایل اندازه گیری دبی (ونتوری اوریفیس روتامتر)

(Flow Measurement)

 هدف آزمایش

آزمایش وسایل اندازه گیری دبی از آزمایش های مهم هیدرولیک می باشد. هدف از این آزمایش اندازه گیری دبی سیال با استفاده از ونتوری، اوریفیس و روتامتر و همچنین محاسبه و مقایسه ضریب افت انرژی برای هر کدام از دبی سنج ها، دیفیوزر و زانوئی نصب شده در دستگاه میباشد.

تئوری آزمایش

الف: تعیین دبی جریان: به کمک معادله برنولی بین مقاطع مختلف لوله ونتوری، اوریفیس و روتامتر میتوان روابطی جه تعیین دبی جریان بهدست آورد که اصول آن بر مبنای اندازه گیری افت فشار بین آن مقاطع میباشد. اگر جریان آب از وسایل مورد آزمایش، مطابق شکل زیر باشد برای هر کدام از سه وسیله فوق میتوان روابط تئوری، جهت محاسبه دبی به دست آورد.

ونتوری متر: به کمک رابطه برنولی و با صرف نظر کردن از افت انرژی بین مقاطع ورودی و گلوگاه میتوان رابطه زیر را جهت محاسبه دبی در ونتوری به کار برد.

دبی در ونتوری متر

شکل دستگاه ونتوری مترکه در آن AA و AB به ترتیب سطح مقطع A و B و همچنین hA و hB ارتفاع آب در لوله های پیزومتری میباشند.

اوریفیس متر

به علت شکل خاص اوریفیس متر که بین مقاطع E و F نصب شده است افت انرژی کم نبوده و نم یتوان در به کار بردن برنولی از آن صرف نظر نمود. با توجه به اینکه اختلاف ارتفاع های پیزومترهای E و F خود ناشی از افت انرژی بین این مقاطع هم می باشد. لذا میتوان به کمک رابطه برنولی نتیجه گرفت که:    

رابطه برنولی در اوریفیس متر

در آن K  ضریب تخلیه دستگاه میباشد و برای اوریفیس خاص نصب شده روی دستگاه مقدار آن ۰.۶۰۱ دقت شود که در مقاطع E  و Fقطر مقاطع جریان به ترتیب ۵۱ و ۲۰ میلیمتر میباشد.

روتامتر

با انتخاب حجم کنترلی مطابق شکل زیر که شامل مخروط شناور باشد و با به کاربردن رابطه برنولی و تغییرات مقدار  حرکت بین مقاطع ۱و ۲ میتوان نتیجه گرفت که سرعت سیال در اطراف شناور ثابت است. اگر مقدار سرعت سیال را با V و سطح مقطع گذر سیال را با AF نشان دهیم میتوان مقدار دبی سیال را از رابطه زیر که در آن θ بر حسب رادیان است، به دست آورد.

رابطه برنولی در روتامتر متر

شکل روتامتر

مشاهده می شود که مقدار دبی در روتامتر، فقط به صورت خطی به L بستگی دارد. با توجه به اینکه رابطه Q و L برای هر روتامتر معلومی خطی میباشد، بنابراین این تغییرات خطی برای روتامتر مورد آزمایش در شکل زیر نشان داده شده است.

تغییرات دبی بر حسب شناور روتامترتعیین ضرایب افت

به کمک رابطه برنولی میتوان مقدار افت انرژی در هر قسمت را محاسبه نمود. از طرف دیگر معمولا افت انرژی را به صورت مضربی از انرژی جنبشی ورودی به آن قسمت به شکل رابطه زیر نشان میدهند.

فرمول ضریب افت

حال با تعیین افت انرژی و انرژی جنبشی ورودی میتوان ضریب افت  K هر قسمت را به کمک روابط زیر به دست آورد.

اپ آزمایشگاه مهندس

ونتوری متر

باتوجه به اینکه قطر ونتوری در مقاطع ورودی و خروجی آن برابر است لذا افت انرژی آن از رابطه زیر به دست می آید.

رابطه افت درونتوری متر

ازطرف دیگر با توجه به رابطه پیوستگی و برنولی بین مقاطع ورودی و گلوگاه و معلوم بودن نسبت سطوح دو مقطع که برابر با  ۰.۳۸ است )قطر ورودی ونتوری ۲۱ میلیمتر و قطر گلوگاه آن ۱۱ میلیمتر) انرژی جنبشی ورودی محاسبه میگردد.

رابطه انرژی جنبشی

به کمک روابط بالا میتوان ضریب افت انرژی ونتوری را از رابطه زیر به دست آورد.

رابطه افت انرژی در ونتوری متر

اوریفیس متر

باتوجه به نسبت قطر ورودی اوریفیسمتر به ونتوریمتر که تقریباً برابر ۲ است میتوان دریافت که انرژی جنبشی ورودی آن ۰.۶۲۵ انرژی جنبشی ورودی به ونتوری متر است. ضمناً افت انرژی در اوریفیس متر از رابطه زیر محاسبه میشود.

رابطه افت دراوریفیس

حال با تعیین این مقادیر میتوان ضریب افت انرژی در اوریفیس متر را به دست آورد.

روتامتر

افت انرژی در روتامتر از رابطه زیر قابل محاسبه است.

رابطه افت درروتامتر

همان طور که قبلا ذکر شد با یک نظر اجمالی در نتایج آزمایش میتوان دریافت که افت انرژی در روتامتر مستقل از دبی است و مقدار ثابتی میباشد.

با توجه به قطر ورودی روتامتر میتوان دریافت که انرژی جنبشی ورودی آن برابر با انرژی جنبشی ورودی ونتوری متر است.

دیفیوزر (انبساط مخروطی)

به کمک معادله برنولی افت انرژی در انبساط مخروطی از رابطه زیر  قابل محاسبه است.

افت در دیفیوزر

ضمناً به علت مساوی بودن قطر ورودی آن با قطر ورودی ونتوری متر میتوان دریافت که انرژی جنبشی ورودی آنها هم یکسان است. پس به سهولت میتوان ضریب افت آنرا از رابطه زیر محاسبه کرد.

رابطه ضریب افت

زانویی ۹۰ درجه

به کمک رابطه برنولی بین نقاط G و H (ورودی و خروجی زانویی) و همچنین رابطه تعادلی در لوله های پیزومتری (فشار در روی سطح مایع در لوله های G و H یکسان است) می توان افت انرژی در زانویی با قطر تبدیلی را از رابطه زیر به دست آورد.

افت در زانویی 90 درجهضمناً انرژی جنبشی ورودی به زانویی (۱ یه ۱۶ ام) انرژی جنبشی ورودی به ونتوری است.

شرح دستگاه و روش آزمایش

دستگاه مورد آزمایش مطابق اولین شکل از قسمتهای ونتوری، دیفیوزر، اوریفیس، زانویی ۹۰ درجه و روتامتر تشکیل شده است. در قسمت خروجی دستگاه، شیری جهت تنظیم دبی نصب گردیده است. اصول اندازه گیری دبی در سه قسمت ونتوری، اوریفیس و روتامتر یکسان است. گرچه ساخت ونتوری نسبت به اوریفیس مشکل تر است، اما افت انرژی جریان عبوری از آن کمتر می باشد. انتخاب نوع وسیله جهت تعیین دبی در تاسیسات هیدرولیکی بستگی به شرایط کارکرد دارد. در قسمت های مختلف دستگاه ۹ پیزومتر جهت اندازه گیری فشار نصب شده است.

برای شروع آزمایش می بایست دستگاه را تنظیم نمود و سپس با روشن کردن دستگاه، شیر خروجی را طوری باز نمود که اولین پیزومتر در بالاترین سطح مقیاس و آخرین پیزومتر در پایین ترین سطح مقیاس قرارگیرد.

با یادداشت نمودن ارتفاع پیزومترها و مقیاس روتامتر میتوان مقدار دبی وسایل اندازه گیری را محاسبه و با مقدار اندازهگیری شده توسط میزهیدرولیک مقایسه کرد. از طرفی با داشتن ارتفاع پیزومترها میتوان ضرایب افت هر پنج قسمت ونتوری، دیفیوزر، اوریفیس، زانویی و روتامتر را نیز تعیین نمود.

جهت تعیین تغییرات این ضرایب با دبی بهتر است با کمکردن دبی توسط شیر خروجی دستگاه، آزمایش را در ۱۰ مرحله انجام داد.

محاسبات و نتایج

  1. بعد از انجام آزمایش و تکمیل محاسبات، جداول زیر را کامل کنید.

جدول ضریب افت انرژی

 

جدول مقایسه دبی تجربی و تئوری

 

  1. تغییرات دبی جرمی به دست آمده از ونتوری متر، اوریفیس متر و روتامتر را بر حسب دبی جرمی بهدست آمده توسط میز هیدرولیک (تجربی) بر روی یک نمودار رسم نمایید. نتیجه ای که از این نمودار به دست می آورید را ذکر نمایید.

 

  1. تغییرات ضریب افت انرژیK ، هر قسمت دستگاه را بر حسب هد جنبشی ورودی آن قسمت، در مقیاس زیر رسم کنید و بحث نمایید.
  • ونتوری متر و انبساط مخروطی: مقیاس B و C
  • اوریفیس متر و زانویی: مقیاس D و A
  • روتامتر: مقیاس C وA

تغییرات ضریب افت انرژی K

  1. نصب هر سه وسیله دبی سنج را در تاسیسات هیدرولیکی با هم مقایسه کنید.