Трубка Піто

Трубка Піто

Трубка Піто - це прилад для вимірювання швидкості і витрати рідини або газу в потоці (трубі). Названа ім'ям її винахідника французького ученого Анрі Піто.

Трубка Піто – це інструмент для виміру тиску, що використовується для вимірювання швидкості потоку рідини. Трубка Піто була винайдена французьким інженером Анрі Піто на початку 18 століття і була змінена до свого сучасного вигляду в середині 19-го століття французький вчений Анрі Дарсі.

Трубка Піто широко використовується для визначення швидкості польоту літаків і вимірювання повітря і швидкості газу в промисловості. Трубку Піто використовується для вимірювання місцевої швидкості в даній точці потоку, а не для визначення середньої швидкість в трубі або трубопроводі.

Схема трубки Піто

Трубкою Піто (названа на честь Генрі Піто в 1732 році) вимірює швидкість рідини шляхом перетворення кінетичної енергії потоку в потенційну енергію. Перетворення відбувається в критичній точці, розташованій на вході трубки Піто (див. схему нижче). Тиск вище вільного потоку (тобто динамічний) - тиск результату перетворення кінематичної енергії в потенційну. Це "статичний" тиск визначають порівнянням його з динамічним тиском потоку виміряного диференціальним манометром.

Принцип роботи

• Найпростіший варіант приладу являє собою Г-подібну трубку, введену в потік. В цьому випадку надлишковий тиск в трубці виражається наступним чином (наближене вираження):

[math]p_{\partial} \approx \xi \frac{ \rho V_o^2}{2}[/math]

де [math]\rho~[/math] - густина рухомого середовища, що набігає; [math]v_o~[/math] - швидкість набігаючого потоку; [math]\xi~[/math] - коефіцієнт.

• Рідина, що рухається по трубі, піднімається по відкритій зверху манометричній трубці до висоти [math]h_{s}~[/math] в трубці А (Рис.1).
  

  Рис.1 Трубка Піто для течії рідини
  Висота [math]h_{s}~[/math] показує, наскільки статичний тиск в рідині більше барометричного (атмосферного), і називається статичним напором.

Отже, висота [math]h_{s}~[/math] визначається за допомогою формули:

[math]h_{s}=\frac{p_{s}}{ \rho g}[/math]

де [math]p_{s}[/math] - різниця між статичним тиском в потоці рідини і барометричним тиском; [math]\rho[/math] - густина рідини; [math]g[/math] - прискорення сили тяжіння.

Зазначимо, що вимірювальний отвір у стінці труби виконується строго перпендикулярно до напрямку течії, отже, висота підйому рідини в манометричній трубці характеризує тільки статичний тиск і не залежить від швидкості течії.

Якщо цю трубку опустити всередину труби і зігнути під кутом 90 °, направивши її прийомний отвір назустріч потоку, трубка В (Рис. 1), то рідина перед ним буде гальмуватися до нульової швидкості. Тепер висота стовпа буде складатися з статичного напору і додаткової висоти, яка називається швидкісним напором . Швидкісний напір дорівнює різниці між висотою [math]h_{t}~[/math] стовпа повного напору і висотою [math]h_{s}~[/math].

Сума статичного та швидкісного напору називається повним напором.

Швидкість течії можна обчислити за формулою:

[math]V=sqrt{2 g (h_{t}-h_{s})}[/math]

Замість двох трубок А і В можна використовувати комбіновану трубку С (Рис.1), і різниця висот рівнів ртуті в двох колінах трубки буде характеризувати швидкісний напір.Внаслідок більш високої щільності ртуті (13,5 г/см3) різниця висот її стовпів буде в 12,5 разів менше відповідної різниці висот двох стовпів води і, отже, дуже довгі трубки не знадобляться.

• Якщо по трубі тече газ, то через вимірювальну трубку з відкритим кінцем, таку, як трубка А (Рис.1) відбуватиметься його витік.

Рис.2 Трубка Піто для течії газу

Відповідні для цього випадку конструкції показані на рисунку 2. Вода в U-подібній трубці не тільки ізолює газ від атмосфери, але і служить для визначення величини вимірюваного напору. Якщо [math]h_{v}~[/math] - різниця рівнів стовпів води у вимірювальному пристрої, то відповідну висоту газового стовпа [math]h_{h}~[/math] (напір) можна обчислити за формулою:

[math]h_{h}=h_{v} \frac{\rho_v}{\rho_h}[/math]

де [math]\rho_v[/math] і[math]\rho_h[/math] - густина води та газу відповідно.

Перетин типових труб Піто

Перетворення в результаті вимірювання перепаду тиску на швидкість рідини залежить від конкретного режиму потоку рідини трубки Піто вимірює. Зокрема, для нестисливої рідини, рівняння Бернуллі описує взаємозв'язок між швидкістю і тиском уздовж лінії потоку:

[math]V^2/(2g)+z+p/(\rho\*g)=C[/math]

Узагальнення для розрахунку швидкості, використовуючи рівняння Бернуллі:

Принцип дії трубки Піто. Авіація

Трубка Піто (Авіація)

Принцип дії трубки Піто заснований на наступному явищі. Уявімо собі трубку невеликого діаметру, поставлену в потоці таким чином, що її вісь збігається з напрямком потоку; відкритий кінець трубки звернений до повітряного струменя, а інший кінець з'єднаний з манометром. Повітря буде чинити на опір трубки деякий тиск: по-перше, тиск, що зветься статичним, який відповідає внутрішньому тискові всього потоку, по-друге, динамічний тиск, що розвивається при переході кінетичної енергії в потенційну, внаслідок втрати швидкості струменя. Сума цих двох тисків, повний тиск потоку, більший атмосферного тиску і зростає із збільшенням швидкості потоку. Вісь другої трубки Комерсант, з запаяним кінцем, але з низкою невеликих отворів на поверхні, встановлена параллельно потоку так, щоб струмені проходили повз отворів. У першій трубці діятиме тільки статичний тиск, в той час як в іншій- повний тиск. Манометр покаже різницю рівнів, відповідну різниці тисків повного і статичного, яка якраз дорівнює швидкісному напору. Якщо манометр заповнений водою, то тиск відразу може бути відраховано в міліметрах водяного стовпа. Трубка Піто складається з двох частин: з трубки повного тиску й трубки статичного тиску. Існує багато видозмін трубки Піто, але принцип їх дії один: потік одночасно виробляє в них повний і статичний тиск, а отримана різниця тисків вимірюється манометром (покажчиком швидкості). У новітніх випусках трубка повного тиску поміщена усередині трубки статичного тиску. Манометр, сполучений з трубкою Піто, являє собою коробку, розділену на дві частини рухомою мембраною. Мембрана продавлюється повним тиском і утворює опуклість в бік коробки, з'єднаної з трубкою статичного тиску. Рухи мембрани передаються на стрілку, що рухається по циферблату, разградуірованному на швидкість. Покази приладу залежать лише від різниці тисків, яка залежить від швидкості потоку що йде повз трубки Піто, а також від масової щільності повітря. Так зі зміною висоти польоту і зміною внаслідок цього тиску покази приладу змінюються У аеродинамічних лабораторіях для вимірювання швидкості трубкою Піто застосовують рідинні мікроманометри.

Види

Види Трубки Піто

Є три основні типи трубки Піто:

• Трубка Піто для визначення повного напору(а) або елементарна трубка Піто (Simple Pitot tube)- якщо трубка направлена в потік, то манометр буде показувати значення повного напору. А як відомо сума статичного та швидкісного напору рівна повному напору.
• Трубка Піто для визначення статичного напору(б)або статичне джерело (Static source) - коли трубка направлена в потік, то немає значення складової швидкості. Оскільки отвір на кінці трубки заглушений. Підключивши трубку до манометра він покаже значення значення статичного тиску.
• Трубка Піто для визначення швидкісного напору(в) або Статистична трубка Піто (Pito-Static tube)- значення швидкісного напору дорівнює різниці між повним та статичним. Цей вид трубки являє собою комбінацію двох попередніх трубок. Підключивши манометри до двох виходів будемо мати значення повного та статичного тиску. Коли знайдемо різницю між цими значеннями отримаємо швидкісний напір.

Статична трубка Піто (Pitot Static Tube)

Статична трубка Піто (Pitot Static Tube)

Отворів на стороні трубки підключають до однієї сторони манометра для реєстрації гідростатичного напору, (h1), при цьому центральний отвір підключений до іншої сторони манометра для реєстрації, як і раніше, стагнації (застою) (h2) .

Розглянемо тиск на рівні центральної лінії трубки Піто і з використанням теорії манометра

[math]p_A=p_2+\rho\gX[/math]

[math]p_B=p_1+\rho\g(X-h)+p_m_a_ngh[/math]

[math]p_A=p_B[/math]

[math]p_2+gX=p_1+\rho\g(X-h)+\rho\_m_a_ngh[/math]

[math]p_2=p_s_t_a_g=p_1+\rho\U_1^2/2[/math]

[math]U_1=sqrt{(2gh\begin{vmatrix} \rho\_m_a_n-\rho\ \\ \end{vmatrix})/\rho\)}[/math]

Статична трубка Піто дозволяє знаходити швидкості на ділянках потоку, але не дає загального спаду потоку, який, як раз і знаходять. Вона також має той недолік, що саме труби цього типу можуть заблокувати потік через свою велику здатність до засмічення.

Потококомпресорна трубка Піто (Compressible-Flow Pitot Tube)

Для ідеального стисливого потоку, підходить для відпочинку з кінцевою швидкістю:

[math]h+V^2/2=h_0[/math]

Для ідеального газу:

[math]c_pT+V^2/2=c_pT_o[/math]

[math]V^2/2=c_p(T_0-T)[/math]

Статичні трубки Піто витратоміра швидкість, яка може вимірювати швидкості рідини в локалізований момент (на відміну від усередненої швидкості по більшій розділах).

Використання

Трубка Піто на літаку

Трубки Піто використовуються для:

• визначення відносної швидкості в газоходах і вентляційних системах;
• вимірювань об'ємної витрати рідини і газу;
• визначенні швидкості руху на гоночних автомобілях, та швидкості польоту на літаках.
• в агресивних середовищах,наприклад димові стеки
• Тести ККД згоряння
• Дослідження тестування
• введення в експлуатацію HVAC (опалення, вентиляція та кондиціонування повітря)
• Теплообмінник балансування
• лінії управління процесом.
• Морські та авіаційні спідометри

Трубки Піто використовують в різних умовах навколишнього середовища, при високих температурах та широкому діапазоні тисків. На літаках використовують Трубку Піто з нагрівальним елементом, для того щоб вона не покривалась льодом на великій висоті.

У промисловості, швидкості потоків у трубопроводах часто такі, що їх виміряти анемометра буде важко. У цих видах найбільш практичним інструментом для вимірювання є трубка Піто, що може бути вставленна через невеликий отвір в каналі з Піто підключенням до U-трубки рівня води або іншого диференціального манометра (ALNOR) для визначення швидкості всередині канальної аеродинамічної труби. Одне із застосувань цього методу полягає у визначенні об'єму повітря, який поступає в приміщенні з кондиціонером. Швидкість потоку рідини в каналі може бути оцінена таким чином: Об'ємна витрата (кубічних футів в хвилину) = повітроводом (квадратних футів) × швидкість (футів на хвилину) Витрата повітря (у кубічних метрах в секунду) = повітроводом (квадратних метрів) × швидкість (в метрах в секунду) В авіації, повітряну швидкість зазвичай вимірюється у вузлах.

Переваги

Основні переваги трубки Піто включають в себе:

• Простота у використанні і установці;
• Відсутність рухомих частин;
• може бути використаний для широкого спектру рідин.

Можливі помилки

При виборі трубки Піто, які будуть використовуватися в поєднанні з будь-яким манометр, необхідно вибрати трубки з константами близькими до одиниці, щоб уникнути помилки швидкості. Якщо дані по конкретній трубці Піто не доступні, константа С може бути розрахована. Ця константа залежить від відстані статичних портів тиску трубки Піто, від основи кінчика трубки Піто і центральної лінії стержня. Трубки Прандтля типу Піто зазвичай мають постійну С близьку до 1. На малюнку 4 показаний ефект і помилки розташування статичного відводу тиску на статичну помилку тиску.

ефект і помилки розташування статичного відводу тиску на статичну помилку тиску

Ниижня лінія зображує статичну помилку тиску, пов'язану з відстанню від статичного тиску до основи наконечника, виражений у діаметрах. Верхня лінія являє статичний тиск помилки через відстані від статичного тиску (в діаметрах) до стовбура центральної лінії.

Корисні посилання

• [1]Henri Pitot Description d'une machine pour mesurer la vitesse des eaux courantes et le sillage des vaisseaux / Histoire de l'Académie royale des sciences avec les mémoires de mathématique et de physique tirés des registres de cette Académie, 1732, p. 363–376
• [2] Відеоурок. "Принцип дії трубки Піто"
• [3] Відеоурок "Трубка Пито, трубка Прандтля"

Джерела інформації

• "Физическая энциклопедия", том 1 п/р Прохоров А.М. "Советская энциклопедия", 1988г.
• http://www.answers.com/topic/pitot-tube
• http://customhvaconline.com
• http://nptel.iitm.ac.in/courses/Webcourse-contents/IIT-KANPUR/FLUID-MECHANICS/lecture-16/16-3_pitot_tube.htm
• http://infoforum.kz/princip-dejstviya-trubki-pito/
• http://en.wikipedia.org/wiki/Pitot_tube