POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY KATEDRA ELEKTROTECHNIKI TEORETYCZNEJ I METROLOGII. Systemy pomiarowe. Kod przedmiotu: KS 04456

Transkrypt

1 POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY KATEDRA ELEKTROTECHNIKI TEORETYCZNEJ I METROLOGII Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu: Systemy pomiarowe Kod przedmiotu: KS Ćwiczenie nr 6 POMIAR CIŚNIENIA O p r a c o w a ł : mgr inż. Adam Idźkowski Białystok 010

2 Wszystkie prawa zastrzeżone. Wszystkie nazwy handlowe i towarów występujące w niniejszej instrukcji są znakami towarowymi zastrzeżonymi lub nazwami zastrzeżonymi odpowiednich firm odnośnych właścicieli.

3 Cel ćwiczenia: Studenci zapoznają się z zagadnieniem pomiaru ciśnienia hydrostatycznego wykonywanego przy użyciu dwóch manometrów. Poznają typowe rodzaje manometrów stosowanych w przemyśle. Umieją oszacować niepewność pomiaru ciśnienia na podstawie danych technicznych podawanych przez producenta urządzenia pomiarowego. 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 () gdzie: ρ - gęstość cieczy, g przyspieszenie ziemskie, h głębokość. Jednostki ciśnienia [Pa] - paskal [bar] bar, 1 bar = Pa [atm] - atmosfera fizyczna [kg/m] - kilogram-siła na metr kwadratowy [kg/cm = at] - kilogram-siła na centymetr kwadratowy =atmosfera techniczna [kg/mm] - kilogram-siła na milimetr kwadratowy [mmhg = Tr] - milimetr słupa rtęci = Tor [mmho] - milimetr słupa wody [PSI] - Funt-siła na cal kwadratowy 3

4 Manometr - przyrząd do pomiaru ciśnienia. Ze względu na wskazywane ciśnienie dzieli się je na: względne wskazujące różnicę ciśnień, bezwzględne wskazujące ciśnienie w odniesieniu do próżni.. RODZAJE MANOMETRÓW hydrostatyczne ou-rurka (manometr cieczowy dwuramienny) sprężynowe oze sprężyną rurkową (Bourdona) oz przeponą falistą lub sprężystą omieszkowe dzwonowe elektryczne otensometryczne opiezoelektryczne oindukcyjne 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. Manometr ten mierzy różnicę ciśnień działających na swobodne powierzchnie cieczy w rurkach. 4

5 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 różnicy ciśnień, wysokość h. Indeksem m oznaczono dane odnoszące się do cieczy manometrycznej (najczęściej woda), natomiast indeksy 1 i dotyczą parametrów gazów znajdujących się w U-rurce powyżej cieczy manometrycznej. p p = h ρ m + h ρ h ) g (3) 1 ( 1 ρ 1 Gęstość gazu jest zawsze znacznie mniejsza od gęstości cieczy. Jeśli więc gęstości ρ 1 i ρ są zbliżone 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 m g (4) Wzór () może służyć do przeliczania jednostek wyrażonych w postaci wysokości słupa cieczy manometrycznej na Pascale, np. 1 mm H O = 1000 kg/m 3. 9,81 m/ s. 0,001 m = 9,81 N/ m = 9,81 Pa 1 mm Hg = kg/m 3. 9,81 m/ s. 0,001 m = N/ m = 133,1 Pa 5

6 4. ZASADA DZIAŁANIA MANOMETRU Z RURKĄ BOURDONA Manometr z rurką Bourdona należy do grupy manometrów sprężynowych. Został on w uproszczeniu przedstawiony na Rys.. Jest to manometr, w którym wykorzystane jest sprężyste odkształcenie ciała pod wpływem działającego ciśnienia. Elementem sprężystym jest wygięta łukowo rurka mosiężna lub stalowa (3) połączona sztywno jednym końcem z obsadą () 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 sprężysty (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.. Manometr z rurką Bourdona 5. MANOMETR ELEKTRONICZNY Z CZUJNIKIEM TENSOMETRYCZNYM 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. 6

7 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 naprężenia rozciągająco ściskające. W polu tych naprężeń 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 niezrównoważenia 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 naprężeń i ułożenie piezorezystorów są uzależnione od kształtu membrany i wzmocnień na niej uformowanych [1,]. Mostek zastosowany w czujniku CL1 jest zrównoważony i skompensowany termicznie. Czujnik może być stosowany w laboratoriach oraz w przemyśle do budowy dokładnych torów pomiaru względnych ciśnień statycznych 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 sprężającym 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) należy przycisnąć żółty przycisk tor, tak, aby na wyświetlaczu był napis A. Następnie należy przycisnąć niebieski przycisk tara i wyzerować miernik.. Należy też 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. Należy powoli sprężać powietrze i zakręcać zaworek za każdym razem zwiększając ciśnienie. Wyniki z obu manometrów należy wpisywać do tabeli. Ilość pomiarów oraz krok sprężania wskaże prowadzący ćwiczenie 8

9 Lp Manometr typu u- Miernik elektroniczny Różnica wskazań rurka p 1 [mbar] p [mbar] p 1 -p [mbar] Na podstawie tabeli narysować charakterystykę p 1 = f(p ) oraz sporządzić wykres słupkowy różnicy wskazań we wszystkich punktach pomiarowych.. Wykonać 5-krotny pomiar ciśnienia miernikiem elektronicznym. Za każdym razem należy ustawiać ten sam poziom cieczy na u- rurce. Ciśnienie nastawione na u- rurce p 1 =... mbar k p średnia arytmetyczna N ( pk p) k = 1 u A( p) = N( N 1) p [mbar] niepewność standardowa typu A (N = 5) 9

10 3. Należy policzyć niepewność pomiaru ciśnienia mierzonego: a) za pomocą u-rurki, b) za pomocą zestawu: miernik elektroniczny CL363 + czujnik CL1. Do obliczeń przyjąć dane techniczne zamieszczone poniżej. Dane techniczne u-rurki Zakres pomiarowy: 60 mbar Błąd graniczny: Δ gr = ± 0,5 mbar Dane techniczne czujnika CL1 Zakres pomiarowy: Z p = 30 kpa (0,3 bar= 300 mbar) Klasa dokładności: k = 0,% Czułość:,96 mv/v Dane techniczne miernika CL363 Błąd graniczny miernika: < 0,015% zakresu pomiarowego Obliczenia Sposób obliczania niepewności rozszerzonej pomiaru ciśnienia p 1 za pomocą u-rurki: gr gr u B ( p1 ) = u ( p1) u B ( p1) 3 C = p k U ( p ) = 1 k p uc ( p1) Sposób obliczania niepewności rozszerzonej pomiaru ciśnienia p za pomocą zestawu czujnika (CZ) i miernika (M) k Z p 0,015% Z p grcz = grm = gr = grcz + grm u ( p ) gr A u ( ) 100% 100% B p = 3 u ) = u ( p ) u ( ) k p U ( p ) = k p uc ( p ) C ( p A + B p 10

11 OPRACOWANIE WYNIKÓW W sprawozdaniu powinny się znaleźć: a) wyniki pomiarów w tabelach, b) wykres słupkowy różnicy ciśnień, c) obliczenia niepewności pomiaru ciśnienia d) wnioski. 7. PYTANIA KONTROLNE 1.Definicje ciśnienia. Przeliczanie jednostek ciśnienia..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 sprężynowych ze względu na rodzaj elementu sprężystego. 9.Elementy sprężyste używane w manometrach: rodzaje, materiały, budowa. 8. LITERATURA 1) Mateusz Turkowski, Przemysłowe sensory i przetworniki pomiarowe, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 00, ISBN: ) Jan A. Dziuban, Technologia i zastosowanie mikromechanicznych struktur krzemowych i krzemowo-szklanych w technice mikrosystemów, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 004, ISBN: ) Czujnik CL1 karta produktu 4) PN-EN 47:1998 Ciśnieniomierze. Terminologia. 5) PN-EN do 3:000 Ciśnieniomierze. 6) PN-EN do 3:000 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 przeciwpożarową oraz przestrzeganie zasad w nich zawartych. Wybrane urządzenia dostępne na stanowisku laboratoryjnym mogą posiadać instrukcje stanowiskowe. Przed rozpoczęciem pracy należy zapoznać się z instrukcjami stanowiskowymi wskazanymi przez prowadzącego. W trakcie zajęć laboratoryjnych należy 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 może się odbywać po wyrażeniu zgody przez prowadzącego. Przyrządy pomiarowe należy 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 może się odbywać wyłącznie w porozumieniu z prowadzącym zajęcia. W przypadku zaniku napięcia zasilającego należy niezwłocznie wyłączyć wszystkie urządzenia. Stwierdzone wszelkie braki w wyposażeniu stanowiska oraz nieprawidłowości w funkcjonowaniu sprzętu należy przekazywać prowadzącemu zajęcia. Zabrania się samodzielnego włączania, manipulowania i korzystania z urządzeń nie należących do danego ćwiczenia. W przypadku wystąpienia porażenia prądem elektrycznym należy niezwłocznie wyłączyć zasilanie stanowisk laboratoryjnych za pomocą wyłącznika bezpieczeństwa, dostępnego na każdej tablicy rozdzielczej w laboratorium. Przed odłączeniem napięcia nie dotykać porażonego. 1