POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY KATEDRA ELEKTROTECHNIKI TEORETYCZNEJ I METROLOGII. Kod przedmiotu: ES2B POMIAR CIŚNIENIA

Transkrypt

1 POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY KATEDRA ELEKTROTECHNIKI TEORETYCZNEJ I METROLOGII Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu: Pomiary elektryczne wielkości nieelektrycznych 2 Kod przedmiotu: ES2B Ćwiczenie nr WN 5 POMIAR CIŚNIENIA O p r a c o w a ł : mgr inŝ. Adam Idźkowski Białystok 2010

2 Wszystkie prawa zastrzeŝone. Wszystkie nazwy handlowe i towarów występujące w niniejszej instrukcji są znakami towarowymi zastrzeŝonymi lub nazwami zastrzeŝonymi odpowiednich firm odnośnych właścicieli. Cel ćwiczenia: Studenci zapoznają się z zagadnieniem pomiaru statycznego temperatury dokonanego przy uŝyciu termorezystora, termoelementu i pirometru. Umieją wskazać źródła niepewności przy pomiarze temperatury. Potrafią zastosować odpowiednią metodę pomiarową do wskazanych wymagań oraz skonfigurować elementy systemu pomiarowego na podstawie dostępnych danych producentów. 1. WSTĘP Ciśnienie to wielkość skalarna określona jako wartość siły F działającej prostopadle do powierzchni podzielona przez powierzchnię S na jaką ona działa p = F S (1) Ciśnienie hydrostatyczne ciśnienie, jakie panuje na pewnej głębokości w cieczy nie będącej w ruchu, która znajduje się w polu grawitacyjnym, p h = ρ g h (2) gdzie: ρ - gęstość cieczy, g przyspieszenie ziemskie, h głębokość. Jednostki ciśnienia [Pa] - paskal [bar] bar, 1 bar = Pa [atm] - atmosfera fizyczna [kg/m2] - kilogram-siła na metr kwadratowy 2

3 [kg/cm2 = at] - kilogram-siła na centymetr kwadratowy =atmosfera techniczna [kg/mm2] - kilogram-siła na milimetr kwadratowy [mmhg = Tr] - milimetr słupa rtęci = Tor [mmh2o] - milimetr słupa wody [PSI] - Funt-siła na cal kwadratowy Manometr - przyrząd do pomiaru ciśnienia. Ze względu na wskazywane ciśnienie dzieli się je na: względne wskazujące róŝnicę ciśnień, bezwzględne wskazujące ciśnienie w odniesieniu do próŝni. 2. RODZAJE MANOMETRÓW hydrostatyczne o U-rurka (manometr cieczowy dwuramienny) spręŝynowe o ze spręŝyną rurkową (Bourdona) o z przeponą falistą lub spręŝystą o mieszkowe dzwonowe elektryczne o tensometryczne o piezoelektryczne o indukcyjne 3. ZASADA DZIAŁANIA MANOMETRU CIECZOWEGO DWURAMIENNEGO U-rurka jest najprostszym manometrem cieczowym. Jest to rurka szklana, wygięta w kształcie litery U, posiadająca pionowe ramiona częściowo wypełnione cieczą manometryczną o znanej gęstości ρ m. 3

4 Manometr ten mierzy róŝnicę ciśnień działających na swobodne powierzchnie cieczy w rurkach. Rys. 1. Manometr cieczowy dwuramienny Porównajmy (w przekroju A-A naczynia Rys. 1.) sumę ciśnień działających w lewym ramieniu manometru (lewa strona równania) z sumą ciśnień działających w prawej części manometru, wśród których występuje, miarodajna dla mierzonej róŝnicy ciśnień, wysokość h. Indeksem m oznaczono dane odnoszące się do cieczy manometrycznej (najczęściej woda), natomiast indeksy 1 i 2 dotyczą parametrów gazów znajdujących się w U-rurce powyŝej cieczy manometrycznej. p p = h ρ m + h ρ h ) g (3) 1 2 ( ρ1 Gęstość gazu jest zawsze znacznie mniejsza od gęstości cieczy. Jeśli więc gęstości ρ 1 i ρ 2 są zbliŝone do siebie i mniejsze od ρ m, (np. gdy w obu ramionach rurki ponad cieczą manometryczną znajduje się powietrze), to wzór upraszcza się do postaci: p p = h ρ 1 2 m g (4) Wzór (2) moŝe słuŝyć do przeliczania jednostek wyraŝonych w postaci wysokości słupa cieczy manometrycznej na Pascale, np. 4

5 1 mm H 2 O = 1000 kg/m 3. 9,81 m/ s 2. 0,001 m = 9,81 N/ m 2 = 9,81 Pa 1 mm Hg = kg/m 3. 9,81 m/ s 2. 0,001 m = N/ m 2 = 133,21 Pa 4. ZASADA DZIAŁANIA MANOMETRU Z RURKĄ BOURDONA Manometr z rurką Bourdona naleŝy do grupy manometrów spręŝynowych. Został on w uproszczeniu przedstawiony na Rys. 2. Jest to manometr, w którym wykorzystane jest spręŝyste odkształcenie ciała pod wpływem działającego ciśnienia. Elementem spręŝystym jest wygięta łukowo rurka mosięŝna lub stalowa (3) połączona sztywno jednym końcem z obsadą (2) zakończoną złączką z gwintem (1). Na drugim końcu jest ona zamknięta i zaopatrzona w przekładnię (4), która porusza wskazówką (5) po skali. Na osi obrotu wskazówki znajduje się element spręŝysty (6). Całość mechanizmu umieszczona jest w osłonie metalowej. Odczytu ciśnienia dokonuje się bezpośrednio ze skali. Tego rodzaju manometry najczęściej spotyka się w przemyśle [1]. Budowa oraz eksploatacja ciśnieniomierzy jest opisana w normach [4-6]. Rys. 2. Manometr z rurką Bourdona 5. MANOMETR ELEKTRONICZNY Z CZUJNIKIEM TENSOMETRYCZNYM 5

6 Czujniki piezorezystancyjne wykorzystują efekt zmiany rezystancji materiału pod wpływem działającego ciśnienia. Czujnik ten posiada płaską metalową membranę i zespół tensometrów (piezorezystorów) w układzie pełnego mostka. Rys. 3. Piezorezystancyjny czujnik ciśnienia W czujnikach takich (Rys.3) cienka membrana krzemowa, ugina się pod wpływem oddziaływania ciśnienia cieczy lub gazów. W ugiętej membranie zostają wytworzone silne powierzchniowe napręŝenia rozciągająco ściskające. W polu tych napręŝeń są umieszczone monolityczne piezorezystory, połączone w układ mostka Wheatstone a tak, aby otrzymać w nich dodatnie i ujemne zmiany rezystancji wywołane efektem piezorezystancyjnym. Z przyczyn technologicznych piezorezystory w mostku Wheatstone a w czujnikach mikromechanicznych cechuje rozrzut ich rezystancji, zwykle około ±0,05 % ich wartości znamionowej. Rozrzut ten powoduje powstanie napięcia niezrównowaŝenia mostka tensometrycznego U0. W typowych czujnikach zasilanych stałym napięciem 5 V sygnał pełnego zakresu UFSO (FSO - Full Scale Output) wynosi około 100 mv, a U0 od kilku do kilkudziesięciu miliwoltów. Rozkład napręŝeń i ułoŝenie piezorezystorów są uzaleŝnione od kształtu membrany i wzmocnień na niej uformowanych [1,2]. Mostek zastosowany w czujniku CL1 jest zrównowaŝony i skompensowany termicznie. Czujnik moŝe być stosowany w laboratoriach oraz w przemyśle do budowy dokładnych torów pomiaru względnych ciśnień statycznych 6

7 i wolnozmiennych w nieagresywnych chemicznie cieczach oraz gazach. Szczególnie zalecany jest do przetwarzania ciśnień na sygnał elektryczny w układach automatyki hydraulicznej i przemysłowych magistralach pneumatycznych [3]. 7

8 6. STANOWISKO LABORATORYJNE Stanowisko laboratoryjne (Rys.4.) składa się z manometru cieczowego dwuramiennego (u-rurki) o zakresie 60 mbar i elektronicznego miernika ciśnienia połączonych poprzez trójnik i zaworek z elementem spręŝającym powietrze (pompką). Manometr cieczowy u-rurka Trójnik Wskaźnik równowagi wody w obu ramionach Czujnik ciśnienia CL1 Miernik elektroniczny CL363 Przyciski tor i tara Zawór Pompka Rys. 4. Stanowisko laboratoryjne do pomiaru ciśnienia POMIARY 1. Po włączeniu miernika (przycisk z tyłu) naleŝy przycisnąć Ŝółty przycisk tor, tak, aby na wyświetlaczu był napis A2. Następnie naleŝy przycisnąć niebieski przycisk tara i wyzerować miernik. 2. NaleŜy teŝ sprawdzić czy woda znajdująca się w obu ramionach u-rurki jest na równym poziomie 0 mbar i czy nie ma w niej pęcherzyków powietrza. 3. NaleŜy powoli spręŝać powietrze i zakręcać zaworek za kaŝdym razem zwiększając ciśnienie. Wyniki z obu manometrów naleŝy wpisywać do tabeli. Ilość pomiarów oraz krok spręŝania wskaŝe prowadzący ćwiczenie 8

9 Lp Manometr typu u-rurka Miernik elektroniczny RóŜnica wskazań p 1 [mbar] p 2 [mbar] p 1 -p 2 [mbar] Na podstawie tabeli narysować charakterystykę p 1 =f(p 2 ) oraz sporządzić wykres słupkowy róŝnicy wskazań we wszystkich punktach pomiarowych. 2. Wykonać 5-krotny pomiar ciśnienia miernikiem elektronicznym. Za kaŝdym razem naleŝy ustawiać ten sam poziom cieczy na u- rurce. Ciśnienie nastawione na u- rurce p 1 =... mbar Lp p 3śr średnia σ odchylenie standardowe p 2 [mbar] 3. Obliczanie niepewności pomiaru ciśnienia NaleŜy policzyć niepewność pomiaru ciśnienia mierzonego: jak to zrobić? a) za pomocą u-rurki, b) za pomocą zestawu: miernik elektroniczny CL363 + czujnik CL1. Do obliczeń przyjąć dane techniczne zamieszczone poniŝej. 9

10 Dane techniczne u-rurki Zakres pomiarowy: 60 mbar Błąd graniczny: 0,5 mbar Dane techniczne czujnika CL1 Zakres pomiarowy: 30 kpa (0,3 bar) Klasa dokładności: 0,2 Czułość: 2,96 mv/v Dane techniczne miernika CL363 Błąd graniczny miernika: < 0,015% zakresu pomiarowego OPRACOWANIE WYNIKÓW W sprawozdaniu powinny się znaleźć: a) wyniki pomiarów w tabelach, b) wykres słupkowy róŝnicy ciśnień, c) obliczenia niepewności pomiaru ciśnienia d) wnioski. 7. PYTANIA KONTROLNE 1. Definicje ciśnienia. Przeliczanie jednostek ciśnienia. 2. Podział manometrów. 3. Podać definicję klasy dokładności manometru. 4. Zasada działania manometrów hydrostatycznych. 5. Cel stosowania manometrów hydrostatycznych. 6. Ciecze manometryczne - rodzaje, własności. 7. Błędy pomiarowe manometrów hydrostatycznych. 8. Zasada działania i podział manometrów spręŝynowych ze względu na rodzaj elementu spręŝystego. 9. Elementy spręŝyste uŝywane w manometrach: rodzaje, materiały, budowa. 8. LITERATURA 1) Mateusz Turkowski, Przemysłowe sensory i przetworniki pomiarowe, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2002, ISBN: ) Jan A. Dziuban, Technologia i zastosowanie mikromechanicznych struktur krzemowych i krzemowo-szklanych w technice mikrosystemów, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2004, ISBN:

11 3) Czujnik CL1 karta produktu 4) PN-EN 472:1998 Ciśnieniomierze. Terminologia. 5) PN-EN do 3:2000 Ciśnieniomierze. 6) PN-EN do 3:2000 Warunki pracy urządzeń do pomiarów i sterowania procesami przemysłowymi. 11

12 9. WYMAGANIA BHP Warunkiem przystąpienia do praktycznej realizacji ćwiczenia jest zapoznanie się z instrukcją BHP i instrukcją przeciwpoŝarową oraz przestrzeganie zasad w nich zawartych. Wybrane urządzenia dostępne na stanowisku laboratoryjnym mogą posiadać instrukcje stanowiskowe. Przed rozpoczęciem pracy naleŝy zapoznać się z instrukcjami stanowiskowymi wskazanymi przez prowadzącego. W trakcie zajęć laboratoryjnych naleŝy przestrzegać następujących zasad: Sprawdzić, czy urządzenia dostępne na stanowisku laboratoryjnym są w stanie kompletnym, nie wskazującym na fizyczne uszkodzenie. Sprawdzić prawidłowość połączeń urządzeń. Załączenie napięcia do układu pomiarowego moŝe się odbywać po wyraŝeniu zgody przez prowadzącego. Przyrządy pomiarowe naleŝy ustawić w sposób zapewniający stałą obserwację, bez konieczności nachylania się nad innymi elementami układu znajdującymi się pod napięciem. Zabronione jest dokonywanie jakichkolwiek przełączeń oraz wymiana elementów składowych stanowiska pod napięciem. Zmiana konfiguracji stanowiska i połączeń w badanym układzie moŝe się odbywać wyłącznie w porozumieniu z prowadzącym zajęcia. W przypadku zaniku napięcia zasilającego naleŝy niezwłocznie wyłączyć wszystkie urządzenia. Stwierdzone wszelkie braki w wyposaŝeniu stanowiska oraz nieprawidłowości w funkcjonowaniu sprzętu naleŝy przekazywać prowadzącemu zajęcia. Zabrania się samodzielnego włączania, manipulowania i korzystania z urządzeń nie naleŝących do danego ćwiczenia. W przypadku wystąpienia poraŝenia prądem elektrycznym naleŝy niezwłocznie wyłączyć zasilanie stanowisk laboratoryjnych za pomocą wyłącznika bezpieczeństwa, dostępnego na kaŝdej tablicy rozdzielczej w laboratorium. Przed odłączeniem napięcia nie dotykać poraŝonego. 12