POMIAR CIŚNIENIA 1. PODSTAWOWE POJĘCIA

Transkrypt

1 1. PODSTAWOWE POJĘCIA POMIAR CIŚNIENIA Jednym z podstawowych parametrów określających termodynamiczny stan ciała jest ciśnienie. Pomiar ciśnienia jest elementem składowym prawie wszystkich pomiarów występujących w praktyce inżynierskiej. Ciśnienie jest wywierane na ciała stałe i płyny w kierunku prostopadłym do ich powierzchni. W ogólnym przypadku ciśnienie P definiuje się jako granicę stosunku siły normalnej do powierzchni do pola tej powierzchni, gdy wartość pola powierzchni dąży do zera Fn Fn P = lim = A 0 A A gdzie: F n - składowa siły prostopadła do powierzchni, A - pole powierzchni. Gdy siła F n rozłożona jest równomiernie na powierzchni, wówczas ciśnienie określa wzór: Fn P = A Wartość mierzonego ciśnienia zależy od przyjętego poziomu odniesienia. Ciśnienie zmierzone względem próżni jest nazywane ciśnieniem absolutnym lub bezwzględnym i najczęściej bywa oznaczane literą P. Ciśnienie manometryczne P m - jest to różnica ciśnienia absolutnego i ciśnienia otoczenia, którym najczęściej jest ciśnienie atmosferyczne, wskazywane przez barometr. Ciśnienie manometryczne może przyjmować wartości większe od zera i wówczas mówi się o nadciśnieniu lub wartości mniejsze od zera i wówczas mówi się o podciśnieniu lub tzw. próżni". Ciśnienie wywierane przez słup powietrza atmosferycznego nosi nazwę ciśnienia barometrycznego (atmosferycznego) i oznaczane jest przez P b. Wzajemne zależności między omówionymi ciśnieniami pokazano na rys. 1. Rys. 1. Rodzaje ciśnień Ciśnienie wywierane przez słup płynu nosi nazwę ciśnienia hydrostatycznego i jest określone wzorem: P = ρ g h gdzie: ρ - gęstość cieczy manometrycznej, g - przyspieszenie grawitacyjne, 1

2 h - wysokość słupa cieczy. W układzie międzynarodowym jednostek miar SI podstawową jednostką ciśnienia jest paskal. Jeden paskal jest to ciśnienie, które wywiera siła 1N działająca równomiernie na powierzchnię o polu 1m 2. Ponieważ paskal jest jednostką ciśnienia bardzo małą, np.: ciśnienie barometryczne wyraża się liczbą około 10 5 Pa, stąd w technice używa się wielokrotności tej jednostki: kilopaskali (1 kpa = 10 3 Pa) oraz magapaskali (l MPa = 10 6 Pa). Innymi jednostkami, w których wyraża się wielkość ciśnienia są: kg 4 N Atmosfera techniczna 1at = 1 = 9, = 0, 0981MPa 2 2 cm m 5 Bar 1 bar = 10 Pa Tor (Wysokość słupa rtęci) 1 Tr = 1mmHg = 133, 3Pa Wysokość słupa wody 1mmH 2 O = 9, 81Pa 2. PRZYRZĄDY DO POMIARU CIŚNIENIA CIŚNIENIOMIERZE. SPRAWDZANIE I WZORCOWANIE CIŚNIENIOMIERZY W zależności od przyjętego ciśnienia odniesienia wyróżniamy następujące rodzaje ciśnieniomierzy: absolutne do pomiaru ciśnienia absolutnego, różnicowe - do pomiaru różnicy ciśnienia, manometry - do pomiaru nadciśnienia, wakuometry - do pomiaru podciśnienia, manowakuometry - do pomiaru nadciśnienia i podciśnienia, Sprawdzaniem nazywa się czynność porównania wskazań przyrządu pomiarowego z przyrządem wzorcowym w celu skontrolowania przyrządu i ewentualnego wprowadzenia poprawek. Wzorcowanie manometru polega na wyznaczaniu charakterystyki, czyli zależności wskazań przyrządu od rzeczywistej (wzorcowej) wartości ciśnienia lub zależności odchyłki wskazań przyrządu (w stosunku do przyrządu wzorcowego) od jego podziałki. Cechowaniem określa się operację umieszczania na narzędziu pomiarowym oznaczeń stwierdzających jego zgodność z wymaganiami technicznymi, normami lub przepisami legalizacyjnymi SPRAWDZANIE I WZORCOWANIE MANOMETRÓW HYDROSTATYCZNYCH W przyrządach tego rodzaju mierzone ciśnienie równoważone jest hydrostatycznym ciśnieniem słupa cieczy. Do sprawdzania używa się mikromanometru Askania Wzorcowanie mikromanometrów Schemat ideowy układu do wzorcowania mikromanometrów pokazano na rys.2. Manometrem wzorcowym jest mikromanometr Askania, manometrami badanymi są: mikromanometr Recknagla, manometr przeponowy i dwa manometry U-rurkowe. Wzorcowanie przeprowadza się w całym zakresie pomiarowym mikromanometru Askania. Ciśnienie w układzie jest wytwarzane za pomocą pompki wodnej (rys.2). 2

3 Rys. 2. Schemat ideowy układu do wzorcowania mikromanometrów: 1 mikromanometr Askania, 2 - mikromanometr Recknagla, 3 - manometr przeponowy, 4 - U-rurka wypełniona rtęcią., 5 - U-rurka wypełniona woda, 6 pompka wodna Sposób pomiaru 1. Ustawić przyrządy w pozycji roboczej: manometry Askania i Recknagla ustawia się w pionie za pomocą poziomic wbudowanych w te przyrządy; manometry U-rurkowe ustawia się za pomocą pionu murarskiego; manometr przeponowy jest wbudowany zgodnie z zaleceniem podanym na tarczy. 2. Wyzerować mikromanometry Askania i Recknagla zgodnie ze wskazówkami podanymi niżej (pozostałe przyrządy nie wymagają zerowania). 3. Podłączyć mikromanometr Askania do źródła ciśnienia (pozostałe manometry są podłączone na stałe). 4. Wytworzyć ciśnienie w układzie za pomocą pompki wodnej przez podniesienie naczynia A - rys. 2 o jeden uskok do góry. 5. Zmierzyć wartość uzyskanego ciśnienia za pomocą mikromanometru Askania (patrz niżej). 6. Odczytać wskazania przyrządów wzorcowanych. 7. Powtórzyć czynności z pkt. 5 i 6, podnosząc naczynie A za każdym razem o jeden uskok w górę, wytwarzając w ten sposób odpowiednie ciśnienie w całym zakresie pomiarowym manometru Askania Wzorcowanie mikromanometru Recknagla Sprawdzanie manometru Recknagla polega na ustaleniu rzeczywistego błędu wskazania przyrządu (przy zadanym położeniu) i porównaniu go z błędem granicznym wynikającym z klasy przyrządu (dla danego położenia). Sprawdzenia dokonuje się mierząc jednocześnie zadaną wartość ciśnienia manometrem wzorcowym i manometrem badanym (patrz Rys.3). Manometrem wzorcowym jest manometr Askania typu MK-2. Wzorcowanie przeprowadza się aż do uzyskania maksymalnego wychylenia (1) w manometrze Recknagla. Nadciśnienie w układzie wytwarzane jest za pomocą drugiego manometru Askania spełniającego rolę pompki wodnej (podnoszenie zbiornika 1 powoduje sprężenie powietrza nad powierzchnią cieczy drugiego zbiornika 2). 3

4 Rys.3 Schemat układu do sprawdzania manometru z pochyłym ramieniem; 1- manometr Askania (wzorcowy), 2- manometr Recknagla, 3- pompka wodna (manometr Askania pomocniczy). Sposób pomiaru. 1. Ustawić przyrząd w pozycji pracy (manometry Askania i manometr Recknagla ustawia się za pomocą poziomic wbudowanych w te manometry). 2. Wyzerować manometr Askania zgodnie ze wskazówkami podanymi w instrukcji poniżej. 3. Połączyć manometr Askania z pozostałymi przyrządami. 4. Wytworzyć ciśnienie w układzie za pomocą pompki wodnej. W tym celu podnieść naczynie 1 w pomocniczym manometrze ASKANIA (za pomocą śruby mikrometrycznej 7, kręcąc w prawo) na wysokość 10 mm. 5. Odczytać wartość ciśnienia z wzorcowanego manometru Askania. 6. Odczytać wychylenie cieczy w manometrze Recknagla. 7. Podnieść naczynie 1 w pomocniczym manometrze Askania o kolejne 10 mm i po ustaleniu się ciśnienia wykonać czynności z punktów 5 i Podnosić naczynie 1 w pomocniczym manometrze Askania tak długo, aż osiągnie się maksymalne wychylenie cieczy w manometrze Recknagla Manometr dwuramienny, tzw. U rurkowy budowa i zasada działania Za pomocą manometrów U - rurkowych można mierzyć nadciśnienie, podciśnienie oraz różnicę ciśnień w zależności od sposobu przyłączenia. Jest to najprostszy manometr służący do pomiaru technicznych ciśnień, w tym m.in. do pomiaru małej różnicy ciśnień, jak np. przy przepływie płynów przez zwężkę. Najważniejszą częścią tego manometru (rys. 4) jest rurka szklana (1) zgięta na kształt litery U, deska mocująca (2) oraz podziałka milimetrowa (3). Zasada działania manometrów U - rurkowych oparta jest na równości ciśnień na poziomych powierzchniach ekwipotencjalnych w naczyniach połączonych. Pomiarowi podlega przesunięcie słupa cieczy manometrycznej (spiętrzenie) h. Wobec tego, że na poziomie niższej powierzchni cieczy ciśnienia w obu ramionach są jednakowe, to P 1 = γ h + P 2 a różnica ciśnień wynosi: P2 P1 = P = γ h = ρ g h gdzie: γ - ciężar właściwy cieczy manometrycznej [N/m 3 ], W trakcie pomiarów tym przyrządem należy unikać wychyleń (wysokości słupa) mniejszych od 100 mm, ze względu na zmniejszającą się dokładność pomiarów. Dla określonego ciśnienia wychylenie to P zależy od gęstości użytej cieczy ( h = ). Do mierzenia niedużych ciśnień należy stosować ciecze o ρg małej gęstości. W praktyce wykonuje się U - rurki do pomiaru ciśnień nie przekraczających 300 kpa. 4

5 Podyktowane to jest m.in. trudnością w utrzymaniu jednakowej temperatury (gęstości) cieczy manometrycznej na poziomach różniących się znacznie wysokością. Rys. 4. Manometr cieczowy dwuramienny Manometr Recknagla (z rurką pochyłą) - budowa i zasada działania W celu zwiększenia dokładności pomiaru małych ciśnień rzędu kilkudziesięciu paskali, stosuje się manometry z rurką pochyłą. Ideowy schemat takiego manometru pokazano na rys. 5. Zastosowanie rurki pochyłej umożliwia zwiększenie dokładności odczytu przemieszczeń słupa cieczy manometrycznej, ponieważ wysokość h (rys. 5) mierzy się za pośrednictwem długości słupa cieczy l. Błąd pomiaru przy posługiwaniu się manometrem z rurką pochyłą maleje wraz z malejącym α (im mniejszy kąt pochylenia rurki, tym większa długość słupa cieczy odpowiadająca określonemu ciśnieniu). Jednak przy małym α, mimo zastosowania kapilary o średnicy wewnętrznej 1,5-4 mm i cieczy manometrycznej o małej lepkości (alkohol C 2 H 5 OH), menisk staje się niewyraźny. W manometrze Recknagla (Rys. 6) rurce można nadawać kilka różnych pochyleń, a przez to zmieniać zakres pomiarowy i jednocześnie dokładność pomiaru (Tab. 1). Manometr ten może służyć do pomiaru nadciśnienia, podciśnienia oraz różnicy ciśnień. Nadaje się on szczególnie do współpracy z rurkami spiętrzającymi. Jest także przystosowany do pomiaru ciśnień dynamicznych. Podstawowymi częściami manometru są: zbiornik pomiarowy (1) zamocowany na podstawie (2), szklana rurka pomiarowa (3) umieszczona w ramieniu mikromanometru (4); uchwyt (5) i prowadnica wskaźnika (6). Rurka pomiarowa połączona jest ze zbiornikiem (1) rurką metalową przechodzącą przez oś obrotu ramienia. Kurek rozdzielczy (12) zamocowany na pokrywie zbiornika, zaopatrzony jest w dwie końcówki, oznaczone (+} i (-), do których doprowadza się ciśnienia (do końcówki (+) ciśnienie wyższe, do końcówki ( ) ciśnienie niższe). 5

6 Rys.5. Manometr z rurką pochyła. Sposób odczytywania wskazań manometru. Rys 6. Manometr Recknagla - widok Tablica 1 Zakresy pomiarowe oraz klasy dokładności manometru typu Recknagla MPR 4 Przełożenie Zakres pomiarowy* Klasa dokładności n [Pa] [%] 6

7 *dla cieczy o gęstości 800 kg/m 3 1: ,5 1: ,5 1: ,5 1: ,0 1: ,5 1: ,5 Może on przyjmować trzy położenia: P - pomiar, Z - zamknięte, 0 - zerowanie manometru. Do podstawy mikromanometru przymocowane są: płaskie ramię (8) służące do zamocowania rurki pomiarowej pod odpowiednim kątem, dwie śruby (9) do poziomowania oraz poziomica (7). W pokrywie mikromanometru znajduje się otwór (10) służący do napełniania przyrządu cieczą manometryczną oraz urządzenie do jej nastawiania w punkcie zerowym (za pomocą gałki pokrętnej 11). Przy korzystaniu z tego typu przyrządów należy zwrócić szczególną uwagę na dokładne poziomowanie podstawy. Niedokładne poziomowanie może być przyczyną znacznych błędów pomiarowych, przy czym ich wartość wzrasta ze zmniejszeniem kąta nachylenia ramienia (zwiększeniem przełożenia). Wykonanie pomiaru ciśnienia mikromanometrem Recknagla 1. Ustawić manometr w pozycji pionowej (poziomica 7). 2. Wyzerować manometr (manometr odłączony od źródła ciśnienia): - ustawić kurek rozdzielczy 12 w pozycji 0", - ustawić ramię mikromanometru 4 w pozycji pionowej, - sprawdzić, czy najniższy punkt menisku w rurce pomiarowej 3 znajduje się na kresce oznaczającej początek skali; jeśli nie, to wyzerować przyrząd za pomocą gałki pokrętnej Ustawić kurek rozdzielczy 12 w pozycji P". 4. Podłączyć manometr do źródła ciśnienia (przy pomiarze nadciśnienia wąż podłączamy do końcówki ze znakiem (+)). 5. Po odczekaniu, aż ciecz przestanie drgać w rurce pomiarowej, dokonać odczytu wartości ciśnienia ze skali naniesionej na rurce pomiarowej Mikromanometr kompensacyjny Askania Do pomiaru bardzo małych ciśnień stosowane są mikromanometry kompensacyjne. Najbardziej rozpowszechnionym przyrządem tego typu jest mikromanometr Askania. Jego przekrój jest pokazany na Rys.7. Jest to przyrząd laboratoryjny służący do pomiaru nadciśnienia, podciśnienia oraz różnicy ciśnień statycznych. Ze względu na uzyskiwaną dokładność pomiaru (Tabl. 2) znajduje zastosowanie m.in. przy wzorcowaniu i sprawdzaniu innych manometrów. Głównymi elementami składowymi przyrządu są dwa naczynia (1) i (2) wypełnione częściowo cieczą manometryczną (wodą destylowaną) i połączone giętkim przewodem (3). Naczynie (2) wykonane jest w kształcie walca o osi poziomej; walec zamknięty jest dwoma przezroczystymi dnami, z których jedno stanowi soczewka wypukła (4). Wewnątrz naczynia umieszczone jest stożkowe ostrze (5), którego wierzchołek znajduje się w osi optycznej soczewki. Naczynie (1) przymocowane jest do śruby mikrometrycznej (6); skok jej wynosi zwykle 1 mm. Głowica (7) śruby mikrometrycznej wyposażona jest w podziałkę (8) stanowiącą noniusz podziałki pionowej (9); wartość elementarnej działki skali pionowej wynosi 1 mm. Wysokość położenia naczynia (1) pokazuje na skali poziomej wskaźnik (10) a na skali pionowej wskaźnik (11). Różnicę poziomów cieczy w obu naczyniach, spowodowaną mierzonym ciśnieniem (rys. 3.10), kompensuje się przez podnoszenie za pomocą śruby mikrometrycznej naczynia (1) do chwili, gdy nastąpi zetknięcie ostrza (5) ze zwierciadłem cieczy. Obserwację tego zjawiska ułatwia to, że przez wziernik widoczne jest zarówno ostrze, jak i jego odbicie w zwierciadle cieczy. Mikromanometr poziomuje się za pomocą śrub (12); wskaźnikiem prawidłowego ustawienia jest poziomica (13). Do zerowania (adjustowania) mikromanometru służy śruba (14), którą regulować można położenie naczynia (2). 7

8 Rys. 7. Mikromanometr Askania Tablica 2 Dane techniczne mikromanometrów kompensacyjnych typu Askania MK-1 i MK-2 Parametr MK-1 MK-2 Zakres wskazań - max Klasa dokładności Maks. ciśnienie statyczne Ciecz manometryczna zalecana 1471 Pa 0,05 10 kpa woda destylowana 2452 Pa 0,05 10 kpa woda destylowana Pomiar ciśnienia mikromanometrem Askania 1. Ustawić manometr w pozycji pionowej (poziomica 13). 2. Wyzerować przyrząd (manometr odłączony od źródła ciśnienia); - ustawić zero na skali pionowej i poziomej (dokonuje się tego za pomocą głowicy 7 śruby mikrometrycznej 6 - Rys.7), - za pomocą śruby regulacyjnej 14 doprowadzić zbiornik 2 do położenia, w którym wierzchołek ostrza 5 zetknie się ze swoim odbiciem lustrzanym (Rys. 8 - przekrój A). ostrze pomiarowe zbliży się do swego obrazu odbitego bez wzajemnego przecięcia się 3. Podłączyć manometr do źródła ciśnienia (przy pomiarze nadciśnienia wąż podłącza się do końcówki (+)). 8

9 4. Skompensować wytworzone ciśnienie przez podnoszenie naczynia 1 do położenia, w którym nastąpi zetknięcie ostrza 5 ze zwierciadłem cieczy (Rys. 8 -przekrój A); naczynie 1 podnosi się kręcąc w prawo głowicą 7 śruby mikrometrycznej Odczytać wartość ciśnienia na podziałkach: pionowej 9 i poziomej 8. Pomiar ciśnienia przy użyciu minimetru Askania sprowadza się do mierzenia wzniosu zbiornika wyrównawczego (Rys. 8), a nie różnicy poziomów cieczy. Jest to bardzo korzystne, gdyż eliminuje błędy związane z lepkością cieczy, zwilżaniem ścianek i niejednakową średnicą rurek na całej długości, ponieważ praktycznie oba meniski są na tej samej wysokości naczyń. Rys. 8. Zasada działania mikromanometru Askania Błędy pomiarowe manometrów hydrostatycznych Podstawowe przyczyny błędów występujących przy pomiarze ciśnienia za pomocą manometrów hydrostatycznych rozpatrzone są poniżej. 1. Podniesienie poziomu cieczy w rurce wskutek zjawiska włoskowatości (kapilarności). Zmianę wysokości słupa cieczy h w spowodowaną zjawiskiem włoskowatości można określić według przybliżonego wzoru: 11 h w mm dla alkoholu d 30 h w mm dla wody. d Z obu wzorów wynika, że wartość wielkości h w można skutecznie zmniejszyć stosując do budowy manometrów rurki o odpowiednio dużych średnicach. W manometrach U-rurkowych, teoretycznie biorąc, wpływ włoskowatości jest skompensowany, gdy średnice rurek obu ramion są identyczne. Należy podkreślić odmienne zachowanie się rtęci wskutek włoskowatości. Rtęć nie zwilża ścianek rurek szklanych, tworząc menisk wypukły. Dla wody i alkoholu poprawkę h w należy odjąć od wskazań manometru. Dla rtęci natomiast poprawkę h w należy dodać do wskazań manometru. Postępuje się przy tym zgodnie z następującą zasadą: menisk wklęsły odczytuje się wg najniższego jego punktu, zaś wypukły - wg najwyższego. 9

10 Rys. 9 Widok menisku wklęsłego. 2. Nieuwzględnienie zmian temperatury, które powodują równoczesną zmianę gęstości cieczy manometrycznej oraz zmianę długości skali pomiarowej. 3. Zanieczyszczenie a w szczególności zatłuszczenie rurek; błąd wynikający z zatłuszczenia rurek może być dużo większy od błędu wynikającego z nieuwzględnienia wpływu zjawiska włoskowatości. 4. Nierównomierne średnice rurek; celem uniknięcia tego błędu stosuje się rurki kalibrowane o stałej średnicy Ciecze manometryczne Ciecze manometryczne powinny tworzyć wyraźny menisk, tzn. nie mogą mieszać się ani tworzyć roztworów z płynem impulsowym (wywierającym ciśnienie), lepkość, współczynnik rozszerzalności objętościowej oraz napięcie powierzchniowe cieczy nie powinny być zbyt duże, gęstość cieczy nie może ulegać zmianom w wyniku absorpcji pary wodnej z powietrza lub odparowywania bardziej lotnych składników. Tablica 3 Gęstości niektórych cieczy manometrycznych Nazwa cieczy Wzór chemiczny manometrycznej 3 Gęstość ρ [kg/m 3 ] w temperaturze t [ C ] Alkohol etylowy Woda Rtęć C 2 H 5 OH H 2 O Hg SPRAWDZANIE I WZORCOWANIE CIŚNIENIOMIERZY SPRĘŻYNOWYCH Wskutek zachodzących procesów starzenia, wskazania manometrów sprężynowych różnią się nieraz bardzo znacznie od rzeczywistej wartości mierzonego ciśnienia. Przyczyną tego jest histereza odkształceń sprężystych czujnika oraz zużycie mechanizmu przekazywania impulsu ciśnienia. Do wzorcowania i sprawdzania manometrów stosuje się wzorcowe manometry sprężynowe lub obciążnikowo-tłokowe. Ogólne zasady sprawdzania i wzorcowania przedstawiają się następująco. Przyrządy, badany i wzorcowy, ustawia się w położeniu normalnym i sprawdza czy wskaźniki (wskazówka, menisk) są w położeniu zerowym. Następnie oba przyrządy przyłącza się równolegle do zbiornika, w którym przy pomocy pompy ciśnieniowej (prasy hydraulicznej, sprężarki) lub w przypadku próżniomierza - pompy próżniowej, wytwarza się ciśnienie wyrażające się całkowitą ilością działek na manometrze badanym lub wzorcowym. Wskazania przyrządu sprawdza się w całym obszarze jego podziałki w takiej ilości punktów, jaka jest określona normą dla danego typu przyrządu. W wielu przypadkach zaliczanie manometrów do tej lub innej klasy dokładności zależy prawie wyłącznie od wartości liczbowej opóźnienia sprężystego. Stąd też manometry sprężynowe sprawdza się dla ciśnień rosnących i malejących po odpowiednim przetrzymaniu przyrządu przy najwyższym 10

11 ciśnieniu oznaczonym na podziałce. Ze względu na istnienie tarcia i luzów w mechanizmie przekładni manometrów sprężynowych niezbędne jest każdorazowe opukanie przyrządu przed odczytaniem wskazania Wzorcowanie wakuometrów Schemat ideowy układu do wzorcowania wakuometrów jest przedstawiony na rys. 10. Manometrem wzorcowym jest manometr sprężynowy z rurką Bourdona, a manometrami wzorcowanymi są: manometr sprężynowy z rurką Bourdona i manometr sprężynowy przeponowy. Podciśnienie w układzie jest wytwarzane za pomocą pompy próżniowej 7. Rys. 10. Schemat układu do wzorcowania wakumetrów: 1 - manometr wzorcowy, 2 manometr sprężynowy z rurką Bourdona, 3 - manometr sprężynowy przeponowy, 4 zbiornik wyrównawczy, 5, 6 zawory, 7 pompa próżniowa Tok postępowania Wytworzyć podciśnienie w zbiorniku wyrównawczym. W tym celu należy: - zamknąć zawór 6 (rys. 10), - otworzyć zawór 5. -uruchomić pompę próżniową 7, obserwując jednocześnie wskazanie manometru przeponowego 3; zamknąć zawór 5, a następnie wyłączyć pompę próżniową w chwili, gdy wskazanie manometru będzie wynosiło ok. 20 Tr. 2. Odczytać dokładnie wskazanie manometru wzorcowego. 3.Odczytać wskazania obu manometrów sprężynowych pamiętając, że manometr przeponowy pokazuje ciśnienie absolutne. 4. Otworzyć zawór 6, a następnie zamknąć w chwili, gdy wskazówka przesunie się o żądaną wartość. Po ustaleniu się ciśnienia odczytać wskazania manometrów. 5. Postępując identycznie, jak w punkcie 4, dokonywać odczytów wskazań manometrów aż do zrównania się ciśnienia w zbiorniku wyrównawczym 4 z ciśnieniem barometrycznym (otworzyć całkowicie zawór 6). 6. Odczytać ciśnienie barometryczne. Jego wartość jest oczywiście ostatnim wskazaniem manometru przeponowego 3. Barometr rtęciowy Barometry są to przyrządy do pomiaru ciśnienia atmosferycznego. Barometry hydrostatyczne napełniane są wyłącznie rtęcią, ponieważ ciśnienie nasycenia par rtęci odpowiadające temperaturze otoczenia jest znikomo małe (np. w temperaturze 20 C wynosi 0,267 Pa i jest dużo mniejsze od osiąganej dokładności pomiaru). W praktyce najczęściej stosuje się barometry lewarowe i naczyniowe. Na Rys. 11 pokazano schemat barometru naczyniowego bez nastawy zerowej. 11

12 Rys. 11 Schemat barometru naczyniowego bez nastawy zerowej Sprawdzanie manometru sprężynowego z rurką Bourdona Do sprawdzania manometrów używa się bardzo często manometrów obciążnikowo-tłokowych. W przyrządach tych ciśnienie jest wytwarzane przy użyciu pompy olejowej, która spręża olej wypełniający manometr badany, manometr tłokowy i przewody doprowadzające. Ciśnienie sprężonego oleju mierzy się jednocześnie obydwoma manometrami: tłokowym i sprężynowym z rurką Bourdona. Ponieważ klasa dokładności manometru tłokowego jest wyższa niż manometru z rurką Bourdona, wskazuje on ciśnienie wzorcowe, z którym porównuje się ciśnienie wskazywane przez badany manometr z rurką Bourdona. Pomiary wykonuje się w całym zakresie manometru badanego. Tok postępowania 1. Odpowietrzyć manometr obciążnikowo-tłokowy (Rys. 12). W tym celu: - zamknąć zawory 5,6,7, - otworzyć zawór 8 (do zbiornika oleju), - przy użyciu śruby 4 (kręcąc w prawo lekko do oporu) wytłoczyć olej z kanałów łączących do zbiornika oleju 9, - napełnić kanały olejem (zawory 5,6,7 zamknięte, zawór 8 -otwarty); czynność tę wykonuje się kręcąc śrubą 4 w lewo lekko do oporu. 2. Otworzyć zawory 5 i 6; zawór 8 pozostaje otwarty, a 7 zamknięty. 3. Odczytać wskazanie manometru badanego dla zerowego ciśnienia wzorcowego (przy otwartym zaworze 8 układ jest podłączony do otoczenia, w związku z czym nadciśnienie oleju jest równe zeru). 4. Zamknąć zawór Używając śruby 4 (kręcąc powoli w prawo) wytworzyć ciśnienie, którego wartość określa się następująco: - odczytać z talerza 1 oraz obciążnika 2 wartości ciśnienia, które są na nich wybite; - za pomocą śruby 4 tak zwiększać ciśnienie, aby biały pasek na talerzu 1 był na tej samej wysokości, co środkowe nacięcie na wskaźniku Wykonać pomiary w całym zakresie manometru sprawdzanego dla ciśnienia rosnącego, a następnie malejącego, przy czym po uzyskaniu P max utrzymać to ciśnienie przez 5 min. Uwaga: Przed każdym pomiarem należy: - sprawdzić, czy numer na obciążniku 2 jest taki sam, jak na talerzu 1, - wprawić talerz w ruch obrotowy celem uniknięcia tarcia między tłokiem a cylindrem, jakie może powstać wskutek niedokładnego ustawienia przyrządu, - lekko opukać obudowę manometru badanego. 12

13 Rys. 12. Widok manometru obciążnikowo-tłokowego: 1 - talerz, 2 - obciążniki, 3 - wskaźnik, 4 - Śruba napędowa, 5,6,7,8 - zawory odcinające, 9 - zbiornik oleju Manometr badany nie spełnia stawianych mu wymagań, jeśli nie jest zachowany jeden z niżej wymienionych warunków: 1. Różnica wskazań manometru badanego i wzorcowego w dowolnym miejscu skali jest większa od odchyłki wynikającej z klasy dokładności manometru badanego (zarówno dla ciśnień rosnących, jak i malejących): P a > P max gdzie: P a =P o P w - różnica wskazań manometru badanego i wzorcowego, P o - ciśnienie odczytane z manometru badanego. P w - ciśnienie wzorcowe (rzeczywiste), P max - błąd charakterystyczny (graniczny) manometru badanego wynikający z klasy dokładności: klasa zakres Pmax = Histereza pomiarowa, tj. różnica wskazań odpowiadających tej samej poprawnej wartości ciśnienia, uzyskanej przy ciśnieniu wzrastającym i przy ciśnieniu malejącym, jest większa od błędu granicznego manometru badanego P h > P max gdzie: P h =P m -P r - histereza pomiarowa, P m - ciśnienie odczytane z manometru badanego przy ciśnieniu malejącym, P r - ciśnienie odczytane z manometru badanego przy ciśnieniu wzrastającym, 3. Błąd tarciowy przekracza połowę bezwzględnej wartości błędu granicznego P max 4. Rozruch jest większy od bezwzględnej wartości błędu charakterystycznego P max 5. Manometr nie zachowuje dokładności wskazania zerowego, tj. przy doprowadzeniu do elementu sprężystego ciśnienia równego ciśnieniu odniesienia, (którym może być np. ciśnienie atmosferyczne) koniec wskazówki nie pokrywa się z zerową kreską podziałki Wyznaczanie klasy manometru sprężynowego Klasa manometru to liczba normalna większa od maksymalnego błędu względnego obliczanego ze wzoru 13

14 Pmax δ max = 100% zakres Sposób wyznaczania klasy jest następujący: porównuje się wskazania manometru badanego (tj. tego, którego klasa ma być wyznaczona) ze wskazaniami manometru wzorcowego w całym jego zakresie, dla ciśnienia rosnącego i malejącego. Wyznacza się w ten sposób błędy bezwzględne pomiaru - P oraz błędy histerezy - P h. Największa z wartości błędów P lub P h stanowi P max (maksymalny błąd bezwzględny). Zgodnie z Polskimi Normami klasy dokładności urządzeń ustala się wybierając oznaczenie z ciągu liczb w [%]: a) 0,010; 0,016; 0,025; 0,04; 0,06; 0,10; 0,16; 0,25; 0,40; 0,60; 1,0; 1,6; 2,5; b) 0,15; 0,02; 0,05; 0,15; 0,2; 0,5; 1,5; 2,0. Ponadto dla urządzeń do pomiaru i przetwarzania ciśnienia dopuszcza się klasy dokładności oznaczone większymi liczbami Manometry tłokowe W przyrządach tych ciśnienie równoważone jest zewnętrznymi siłami działającymi na tłok. Na tłok poruszający się w cylindrze działają następujące siły: siła ciężkości tłoka i obciążników siła spowodowana ciśnieniem cieczy manometrycznej oraz siła tarcia, która przeciwdziała ruchowi tłoka w cylindrze. Manometry tłokowe budowane są w dwóch podstawowych odmianach: jako manometry techniczne i jako manometry obciążnikowo-tłokowe. O ile pierwsza grupa nie jest szeroko stosowana w praktyce, z powodu skomplikowanej budowy i niewielkiej pewności ruchu, o tyle manometry obciążnikowotłokowe znalazły szerokie zastosowanie do wzorcowania i sprawdzania manometrów innych typów. Wykorzystuje się je również do bezpośredniego pomiaru wysokich ciśnień. Zakres stosowanych ciśnień jest bardzo duży i wynosi 0, MPa, przy czym niedokładność wskazań dochodzi do zaledwie ±0,2% górnej wartości granicznej zakresu pomiarowego. Rys. 13. Schemat manometru obciążnikowo-tłokowego. Schemat manometru obciążnikowo-tłokowego jest pokazany na Rys. 13. Główne części manometru to: 1 - tłok, 2 - cylinder, 3 - talerz, 4 - obciążniki. Tłok jest stalowym wałkiem, na końcu którego znajduje się nakrętka nie pozwalająca na wyjęcie tłoka z cylindra, bez uprzedniego wykręcenia 14

15 cylindra z podstawy. Zazwyczaj cylinder wykonuje się ze stopów metali nieżelaznych (brąz lub mosiądz). Tłok i kanał wewnętrzny cylindra mają kształt walca i są tak do siebie dopasowane, aby luz pomiędzy nimi był rzędu kilku mikronów. Powierzchnie te powinny być starannie wypolerowane. Dla dogodnej obsługi manometry tłokowe zaopatruje się w pompę olejową (5) składającą się ze śruby (6), cylindra (7) i tłoczka gumowego (8). Przestrzeń tłoczna pompy olejowej jest połączona kanałem z cylindrem (2), gniazdami do wkręcania manometrów wzorcowych (9) oraz zbiornikiem oleju (10). Zarówno cylinder, zbiornik oleju jak i gniazda manometrów mogą być odcinane od pompy olejowej zaworami (11), (12) i (13). Zasadnicze błędy przy pomiarze ciśnienia manometrami tłokowymi wynikają z: - niedokładnego wyznaczenia ciężarów tłoka i obciążników, - pominięcia sił tarcia (w celu zmniejszenia wpływu sił tarcia bezpośrednio przed dokonaniem odczytu wprawia się talerz wraz z obciążnikami w ruch obrotowy), - błędów w określeniu powierzchni czynnej tłoka (powierzchnia, na którą działa wytworzone ciśnienie Manometry sprężynowe Zasada działania tych manometrów polega na wykorzystaniu do pomiaru ciśnienia sprężystych odkształceń elementów różnego rodzaju. Przyjmując jako podstawę klasyfikacji manometrów rodzaj elementu sprężystego rozróżnia się: a) manometry rurkowe, b) manometry przeponowe, c) manometry mieszkowe Manometry rurkowe Manometry rurkowe są w chwili obecnej najczęściej używanymi przyrządami do pomiarów ciśnień, przy czym stosuje się je do pomiaru nadciśnienia, podciśnienia (wakuometry) albo podciśnienia i nadciśnienia (manowakuometry). Budowane są w różnych zakresach pomiarowych i dla różnych płynów, przy czym najwyższa osiągana klasa dokładności to 0,2. Rys. 14. Mechanizm wskazujący manometru rurkowego: 1 rurka Bourdona, 2 - króciec, 3 obudowa, 4 - cięgno, 5 korek, 6 przekładnia zębata, 7 wskazówka 15

16 Rys. 15. Odkształcenie rurki manometrycznej pod wpływem ciśnienia Przy właściwym doborze materiału sprężystego na rurkę, a także jej przekroju poprzecznego, można takie manometry wykonywać na ciśnienie do ok MPa. Zasadniczym elementem manometru jest zwinięta rurka, tzw. rurka Bourdona, najczęściej o przekroju eliptycznym lub owalnym. Rurka wykonana jest ze sprężystego materiału: stali, brązu lub stali specjalnych, przy czym rodzaj stosowanego materiału zależy od własności płynu, którego ciśnienie jest mierzone oraz od wymaganego zakresu pomiarowego. Jeden koniec rurki (rys. 14) jest zamknięty, natomiast drugi jest zamocowany w króćcu zakończonym złączką z gwintem; za pomocą złączki łączy się rurkę z przestrzenią, w której panuje mierzone ciśnienie. Jeżeli do rurki doprowadzi się płyn o ciśnieniu wyższym od ciśnienia atmosferycznego, to krzywizna rurki zmniejszy się; w przypadku, gdy czujnik wykazuje podciśnienie, wtedy krzywizna rurki powiększa się. Ponieważ jeden koniec rurki jest sztywno zamocowany, zmiana krzywizny powoduje przemieszczenie jej drugiego, swobodnego końca (rys. 15). Ruch swobodnego końca rurki oddziałuje na przekładnię zębatą przez układ wodzik-przegub. Proporcjonalnie do obrotu kółka zębatego przekładni obraca się też wskazówka manometru. Liniowa zależność przemieszczenia swobodnego końca rurki jest proporcjonalna do ciśnienia tylko w określonym zakresie długości. Graniczne ciśnienie, przy którym zależność ta jest jeszcze zachowana nosi nazwę granicy proporcjonalności; jest ona ważną wielkością charakteryzującą manometr. Jest zasadą, że granica proporcjonalności nie może być osiągana w zakresie pomiarowym manometru Manometry przeponowe W manometrach tego rodzaju czujnikiem jest przepona (membrana), wykonana ze sprężystego materiału, szczelnie zamocowana na obwodzie pomiędzy kołnierzami górnej i dolnej części obudowy przyrządu (Rys. 16). 16

17 Rys. 16. Manometr przeponowy: 1 przepona, 2 dżwignia,3 przekładniazębata,4 wskazówka, 5 pokrywa górna, 6 pokrywa dolna Impuls mierzonego ciśnienia jest doprowadzany do jednej z komór utworzonych przez przeponę i obudowę czujnika. Ugięcie środka przepony, odkształcającej się pod wpływem ciśnienia jest przekazywane za pośrednictwem układu dźwigni i przekładni zębatej na wskazówkę, której wychylenie jest miarą ciśnienia. W celu uzyskania liniowej zależności pomiędzy odkształceniami a działającym ciśnieniem stosuje się przepony z wytłaczanymi falami. Manometry przeponowe stosuje się do pomiarów ciśnień, których wartość nie przekracza 3 MPa. Najczęściej jednak manometry te stosowane są do pomiaru podciśnień i różnic ciśnień Błędy pomiarowe manometrów sprężynowych Podstawowe przyczyny błędów występujących przy pomiarze ciśnienia za pomocą manometrów sprężynowych podane są poniżej. 1. Zmiany temperatury czujnika pomiarowego - wartość błędu temperaturowego P t odejmuje się od wartości ciśnienia odczytanego na skali manometru. 2. Zjawisko histerezy elementu sprężystego, czyli opóźnienie sprężyste powodujące, że element sprężysty nie nadąża za zmianami ciśnienia. Wskutek tego wskazania manometru są opóźnione w stosunku do zmian ciśnienia mierzonego, tzn., że podczas wzrostu ciśnienia manometr wskazuje za mało, a podczas spadku ciśnienia za dużo. Opóźnienie sprężyste manometrów przeponowych jest znacznie większe niż manometrów z rurką Bourdona. 3. Tarcie i luzy w mechanicznym układzie przenoszenia odkształcenia czujnika - błąd tarciowy (tzn. wynikający z tarcia) jest to różnica wskazań dla tej samej wartości ciśnienia przed i po lekkim opukaniu ciśnieniomierza. Z wielkością luzu związane jest pojęcie rozruchu. Określa się go jako najmniejszą wartość ciśnienia, przy której wskazówka zaczyna odchylać się od położenia zerowego. LITERATURA 1. Rubik M. i in.: Pomiary w inżynierii sanitarnej. Warszawa: Arkady Mieszkowski M. i in.: Pomiary cieplne i energetyczne. Warszawa: WNT Wojciechowski J.: Pomiary w elektrowniach cieplnych. Warszawa: PWT Walden H.: Mechanika cieczy i gazów. Warszawa: Arkady Wiśniewski R-: Wysokie ciśnienie. Warszawa: WNT Cieśliński J.: Sprawdzanie i wzorcowanie manometrów. Gdańsk: Wyd. PG Pudlik W. I in.: Termodynamika: laboratorium I miernictwa cieplnego Cz.1. Gdańsk, Wyd. PG

18 8. PN-EN 472:1998 Ciśnieniomierze. Terminologia. 9. PN-EN do 3:2000 Ciśnieniomierze. 10. PN-EN do 3:2000 Warunki pracy urządzeń do pomiarów i sterowania procesami przemysłowymi. 11. PN-79/M Ciśnieniomierze przemysłowe z elementami sprężystymi. Podział i oznaczenia. 12. PN-88/M Ciśnieniomierze wskazówkowe zwykłe z elementami sprężystymi. 13. PN-83/M Rurki syfonowe ciśnieniomierzy i przetworników ciśnienia. 14. PN-84/M Ciśnieniomierze wskazówkowe ze sprężyną rurkową i przeponowymi przekaźnikami ciśnienia. PYTANIA KONTROLNE 1. Sprawdzanie i wzorcowanie manometrów - definicje. 2. Definicje ciśnienia. Przeliczanie jednostek ciśnienia. 3. Określić rodzaj mierzonego ciśnienia. 4. Podział ciśnieniomierzy. 5. Objaśnić budowę barometru na podstawie definicji ciśnienia barometrycznego. 6. Podać definicję klasy dokładności ciśnieniomierza. Odczytać klasę dokładności z obudowy manometru. 7. Zasada działania manometrów hydrostatycznych. 8. Cel stosowania manometrów hydrostatycznych. 9. Rodzaje i cel stosowania manometrów z pochyłym ramieniem. 10. Ciecze manometryczne - rodzaje, własności. 11. Sposób odczytywania przy istnieniu menisków. 12. Błędy pomiarowe manometrów hydrostatycznych. 13. Budowa, zasada działania i możliwości pomiarowe manometru Askania. 14. Budowa, zasada działania i możliwości pomiarowe manometru Recknagla. 15. Zasada działania i błędy pomiarowe manometrów tłokowych. 16. Zasada działania i podział ciśnieniomierzy sprężynowych ze względu na rodzaj elementu sprężystego. 17. Elementy sprężyste używane w ciśnieniomierzach: rodzaje, materiały, budowa. 18. Co to jest histereza? 20. Wyjaśnić zjawisko opóźnienia sprężystego. 21. Błędy pomiarowe ciśnieniomierzy sprężynowych. 18