Ćwiczenie numer 6 Metody pomiaru ciśnienia 1. Wprowadzenie Stanowisko eksperymentalne służy do przedstawienia różnych sposobów pomiaru ciśnienia. Urządzenia wykorzystane w ramach ćwiczenia to: manometr cieczowy (U-rurka), manometr cieczowy nachylony, a także dwa manometry ze sprężyną rurkową (Bourdona) mierzące odpowiednio nad- i podciśnienie. 2. Cel ćwiczenia Przeprowadzenie ćwiczenia ma na celu zapoznanie z następującymi zagadnieniami: Różne metody mierzenia ciśnienia; Wykonanie pomiarów ciśnienia U-rurką i manometrem z rurką Bourdona; 3. Wstęp teoretyczny Przedstawione w tym rozdziale zagadnienia nie wyczerpują tematu pomiaru ciśnienia. Dodatkowe wyjaśnienia teoretyczne można znaleźć w literaturze specjalistycznej. 3.1. Pomiar ciśnienia manometrem cieczowym (U-rurką) Manometr cieczowy składa się z rurki w kształcie litery U, otwartej na obu końcach, schematycznie jest on pokazany na Rys. 1. Rurka jest mniej więcej do połowy wypełniona cieczą, w tym przypadku wodą. Gdy powietrze wywiera ciśnienie na jedną część rurki, słup cieczy przemieszcza się w przeciwną stronę. Różnica wysokości (h 2-h 1) między słupami wody w obu częściach rurki odpowiada różnicy ciśnień między wywieranym ciśnieniem a ciśnieniem otoczenia. Zależność na różnicę ciśnień Δp wyrażaną w paskalach określa równanie (1), gdzie ρ - gęstość cieczy [kg/m 3 ], g przyspieszenie grawitacyjne równe 9,81 m/s 2, Δh - różnica wysokości [m]: p g h (1) Dopuszczalna jest także konwencja wyrażania ciśnienia w milimetrach słupa cieczy. W przybliżeniu przyjmuje się, że 1 mm słupa wody odpowiada ciśnieniu o wartości 1 mbar. 1
Rys. 1. Manometr cieczowy U-rurka 3.2. Pomiar ciśnienia manometrem cieczowym nachylonym Działanie manometru cieczowego z rurką nachyloną, którego schemat przedstawiono na Rys. 2, opiera się na tej samej zasadzie co w przypadku podstawowej wersji tego urządzenia. Nachylenie powoduje, że niewielka zmiana wysokości słupa wody w rurce pionowej skutkuje znaczną zmianę w rurce nachylonej. Innymi słowy, rozdzielczość zakresu pomiarowego rośnie wraz z kątem nachylenia rurki. Fakt ten jest wykorzystywany do zwiększenia dokładności pomiarowej. Różnica ciśnień obliczana jest według równania (1), przy czym różnica wysokości uwzględnia długość słupa wody h 2 pomnożoną przez cosinus kąta nachylenia. W niniejszym stanowisku kąt ten wynosi 3 o, a zatem skorygowaną wysokość h 2,corr oblicza się: h h cos3 h,866 (2) 2,corr 2 2 Rys. 2. Manometr cieczowy nachylony 2
3.3. Pomiar ciśnienia manometrem z rurką Bourdona Rurki Bourdona są zaokrąglonymi przewodami o owalnym przekroju. Z jednej strony do rurki doprowadzane jest ciśnienie, zaś druga, zamknięta, przymocowana jest do systemu przekładni poruszającego wskazówkę manometru. Pod wpływem ciśnienia oddziałującego na wnętrze rurki, prostuje się ona w pewnym stopniu, co przekłada się na ruch elementów układu poruszającego wskazówkę. Jest on obecnie najczęściej stosowanym typem manometru. Rys. 3. Manometr z rurką Bourdona 4. Podstawy obsługi stanowiska eksperymentalnego 4.1. Schemat stanowiska pomiarowego Jak wspomniano we wstępie, stanowisko składa się z dwóch wariantów manometrów cieczowych (standardowy i nachylony) oraz dwóch wariantów manometrów z rurką Bourdona (mierzący podciśnienie i mierzący nadciśnienie). Każdy manometr połączony jest do przynajmniej jednej złączki, według wskazania strzałek na Rys. 4. Złączki stosowane są do wywierania ciśnienia w manometrze, a także łączenia manometrów ze sobą. 3
Rys. 4. Schemat stanowiska: manometr z rurką Bourdona mierzący 1 podciśnienie, 2 nadciśnienie, 3 manometr cieczowy nachylony, 4 manometr cieczowy (U-rurka), A-H szybkozłączki pneumatyczne 4.2. Podstawowe czynności eksperymentalnego a) Podłączanie/rozłączanie manometrów W ramach przeprowadzanych ćwiczeń, poszczególne złączki odpowiadające manometrom łączy się za pomocą węży, zamyka przy użyciu zatyczek lub pozostawia otwarte. By podłączyć wybrany element do złączki, należy odciągnąć pierścień blokujący, włożyć wąż lub zatyczkę do złączki aż do zatrzaśnięcia, a następnie popchnąć pierścień blokujący do przodu by ustabilizować połączenie. Rozłączanie jest procedurą odwrotną. Pierścień blokujący umieszczony na końcu węża lub zatyczki należy odciągnąć, a następnie wyciągnąć dany element ze złączki (Rys. 5). (a) (b) Rys. 5. Mechanizm (a) podłączenia i (b) rozłączenia złączek 4
b) Wywieranie ciśnienia Do wywierania ciśnienia w układzie manometrów służy strzykawka. Mając na celu wywołanie nadciśnienia/podciśnienia, należy odpowiednio maksymalnie odciągnąć/wcisnąć tłoczek strzykawki. Po podłączeniu węża do złączki, drugi jego koniec należy podłączyć do tak przygotowanej strzykawki. By wywrzeć w układzie nadciśnienie/podciśnienie, tłoczek strzykawki połączonej z wężem należy odpowiednio delikatnie wcisnąć/odciągnąć (schematycznie pokazano na Rys. 6). Rys. 6. Połączenie złączki, węża pomiarowego i strzykawki Przed podłączeniem węży należy napełnić manometry cieczowe wodą destylowaną do poziomu. Uwaga! W przypadku manometrów cieczowych, należy uważać, by słup wody nie przekroczył górnej wartości skali. Uwaga! Manometry z rurką Bourdona operują w zakresie -6 mbar nadciśnienia/podciśnienia. Przekraczanie tego zakresu grozi uszkodzeniem urządzenia. c) Napełnianie manometrów cieczowych W pierwszej kolejności należy usunąć wszystkie zatyczki i złączki. Następnie wlać powoli około 2 ml wody (można dodać kilka kropli tuszu, aby uwidocznić powierzchnię swobodną cieczy), za pomocą lejka, do odpowiednich połączeń (manometr cieczowy U-rurka złącze B, manometr cieczowy nachylony złącze H) aż do poziomu (schematycznie pokazano na Rys. 7); Rys. 7. Napełnianie manometrów cieczowych W przypadku utworzenia się pęcherzy powietrza w słupie wody należy: - odłączyć wszystkie zatyczki i złączki; - podłączyć do złączki B (u-rurka) lub H (u-rurka nachylona) wąż pomiarowy i dokręć do niego strzykawkę; 5
- ostrożnie naprzemiennie odciągać i dociskać tłok strzykawki aż do całkowitego usunięcia pęcherzy d) Usuwanie wody z układu Należy usunąć wszystkie złączki i zatyczki, a następnie odkręcić 3 śruby trzymające przeźroczysty panel i go zdjąć. Odłączyć jeden z końców węża U-rurki i skierować go do wcześniej przygotowanego naczynia. Po usunięciu wody połączyć ponownie końcówkę węża ze złączką i przymocować przeźroczysty panel. 5. Ćwiczenia eksperymentalne a) Ćwiczenie 1 pomiar nadciśnienia U-rurką Złączka A zamknięta zatyczką. Złączka B połączona z wężem pomiarowym. Złączka C otwarta. Odczytać wysokości h 1 oraz h 2 słupów wody w obu częściach U-rurki i zapisać je w tabeli załączonej na końcu dokumentu. Odciągnąć tłok strzykawki do działki 2 ml. Powoli wcisnąć tłok strzykawki, tak aby wprowadzić do układu 1 ml Ponownie odczytać wysokości h 1 oraz h 2 słupów wody w obu częściach U-rurki i zapisać je w tabeli załączonej na końcu dokumentu. Ponownie powoli wprowadzić 1 ml powietrza i zanotuj wyniki. Czynności powtarzaj, aż do momentu, gdy powierzchnia cieczy zbliży się do maksymalnej skali manometru. b) Ćwiczenie 2 pomiar nadciśnienia manometrem nachylonym Złączka D otwarta. Złączka G zamknięta zatyczką. Złączka H połączona z wężem pomiarowym. Odczytać wysokości h 1 oraz h 2 słupów wody w obu częściach U-rurki i zapisać je w tabeli załączonej na końcu dokumentu. Odciągnąć tłok strzykawki do działki 2 ml. Powoli wcisnąć tłok strzykawki, tak aby wprowadzić do układu 1 ml Ponownie odczytać wysokości h 1 oraz h 2 słupów wody w obu częściach U-rurki i zapisać je w tabeli załączonej na końcu dokumentu. Ponownie powoli wprowadzić 1 ml powietrza i zanotuj wyniki. Czynności powtarzaj, aż do momentu, gdy powierzchnia cieczy zbliży się do maksymalnej skali manometru. 6
c) Ćwiczenie 3 pomiar nadciśnienia manometrem z rurką Bourdona Złączka E połączona z wężem pomiarowym. Odczytać wartość Δp na tarczy manometru i zapisać ją w tabeli załączonej na końcu dokumentu. Odciągnąć tłok strzykawki do działki 2 ml. Powoli wcisnąć tłok strzykawki, tak aby wprowadzić do układu 1 ml Ponownie odczytać wartość Δp i zapisać ją w tabeli załączonej na końcu dokumentu. Ponownie powoli wprowadź 1 ml powietrza i zanotuj wyniki. Czynności powtarzaj, aż do momentu, gdy strzałka manometru zbliży się do maksymalnej skali manometru. d) Ćwiczenie 4 pomiar podciśnienia manometrem z rurką Bourdona Złączka F połączona z wężem pomiarowym. Odczytać wartość Δp na tarczy manometru i zapisać ją w tabeli załączonej na końcu dokumentu. Wcisnąć tłok strzykawki do działki ml. Powoli odciągnąć tłok strzykawki, tak aby wyciągnąć z układu 1 ml Ponownie odczytać wartość Δp i zapisać ją w tabeli załączonej na końcu dokumentu. Ponownie powoli odciągnij 1 ml powietrza i zanotuj wyniki. Czynności powtarzaj, aż do momentu, gdy strzałka manometru zbliży się do maksymalnej skali manometru. e) Ćwiczenie 5 pomiar nadciśnienia U-rurką i manometrem z rurką Bourdona Złączka C otwarta. Złączki A i E połączone ze sobą wężem. Złączka B połączona z wężem pomiarowym. Odczytać wysokości h 1 oraz h 2 słupów wody w obu częściach U-rurki i zapisać je w tabeli załączonej na końcu dokumentu. Odczytać wartość Δp na tarczy manometru i zapisać ją w tabeli załączonej na końcu dokumentu. Odciągnąć tłok strzykawki do działki 2 ml. Powoli wcisnąć tłok strzykawki, tak aby wprowadzić do układu 1 ml Ponownie odczytać wysokości h 1 oraz h 2 słupów wody oraz wartość Δp i zapisać je w tabeli załączonej na końcu dokumentu. 7
Ponownie powoli wprowadź 1 ml powietrza i zanotuj wyniki. Czynności powtarzaj, aż do momentu, gdy powierzchnia cieczy lub strzałka manometru zbliży się do maksymalnej skali manometru. f) Ćwiczenie 6 pomiar podciśnienia manometrem nachylonym i manometrem z rurką Bourdona Złączka D otwarta. Złączki F i G połączone ze sobą wężem. Złączka H połączona z wężem pomiarowym. Odczytać wysokości h 1 oraz h 2 słupów wody w obu częściach manometru nachylonego i zapisać je w rzędzie a arkusza. Odczytać wartość Δp na tarczy manometru i zapisać ją w tabeli załączonej na końcu dokumentu. Wcisnąć tłok strzykawki do działki ml. Powoli odciągnij tłok strzykawki, tak aby wyprowadzić z układu 1 ml Ponownie odczytać wysokości h 1 oraz h 2 słupów wody oraz wartość Δp i zapisać je w tabeli załączonej na końcu dokumentu. Ponownie powoli wyprowadź 1 ml powietrza i zanotuj wyniki. Czynności powtarzaj, aż do momentu, gdy powierzchnia cieczy lub strzałka manometru zbliży się do maksymalnej skali manometru. Uwaga! Upewnij się, że w układzie nie ma nieszczelności. Jeśli po wprowadzeniu powietrza do układu poziom cieczy lub strzałka na manometrze nie zmienia swojego położenia to wskazuje to na brak szczelności i wymaga ponownego sprawdzenia wszystkich połączeń. 6. Sprawozdanie Sprawozdanie należy przygotować w oparciu o wyniki uzyskane w trakcie zajęć laboratoryjnych oraz szablonu zamieszczonego na stronie Katedry Podstawowych Problemów Energetyki. Dla manometrów cieczowych przelicz wyniki różnicy ciśnienia i przedstaw je w mbar, uwzględnij przykłady obliczeniowe. Prezentację wyników podziel na 2 części: Wyniki zapisane w Tab. 1-4 (ćw. 1-4) porównaj ze sobą; Wyniki zapisane w Tab. 5-6 (ćw. 5-6) również zestaw i porównaj ze sobą. Zestawienia można przedstawić w tabeli lub na wykresie. Wyciągając wnioski z przeprowadzonego ćwiczenia należy zwrócić szczególną uwagę na zależności dotyczące różnic w wartościach ciśnienia otrzymywanych dla poszczególnych manometrów, a także uwzględnić dokładności pomiarowe urządzeń i samego odczytu. 8
7. Literatura Jeżowiecka-Kabsch K., Szewczyk H., Mechanika płynów, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 21 Duckworth R.A., Mechanika płynów, WNT, Warszawa 1983 Prosnak W., Mechanika płynów, PWN, Warszawa 197 Gryboś R., Mechanika płynów, Politechnika Śląska, Gliwice 1991 White F.W. Fluid mechanics, Mc Graw Hill, 1985 Kundu K.P., Cohen I.M., Fluid mechanics, Elsevier, 22 G.H.A. Cole, Dynamika płynów, PWN, Warszawa, 1964 Yunus Cengel, John Cimbala, Fluid Mechanics Fundamentals and Applications, 26 8. Zagadnienia ciśnienie, ciśnienie absolutne, podciśnienie, nadciśnienie, manometr manualny, rurka Bourdona, inne sposoby pomiaru ciśnienia 9
Arkusz do zapisywania wyników pomiarów do wydrukowania (2 strony) Osoby: Zespół nr.. 1. 2. Data: 3. Tab. 1. Tabela do zapisu danych eksperymentalnych U-rurka (ćw. 1) Poziom cieczy rurka 2 [mmh 2O] Poziom cieczy rurka 1 [mmh 2O] Ilość wprowadzonego powietrza [ml] 1 Tab. 2. Tabela do zapisu danych eksperymentalnych U-rurka nachylona (ćw. 2) Poziom cieczy rurka 2 [mmh 2O] Poziom cieczy rurka 1 [mmh 2O] Ilość wprowadzonego powietrza [ml] Tab. 3. Tabela do zapisu danych eksperymentalnych manometr z rurką Bourdona (ćw. 3) Różnica ciśnienia [mbar] Ilość wprowadzonego powietrza [ml] 1 2 3 4 Tab. 4. Tabela do zapisu danych eksperymentalnych manometr z rurką Bourdona (ćw. 4) Różnica ciśnienia [mbar] Ilość wprowadzonego powietrza [ml] 1 2 3 4 1
Tab. 5. Tabela do zapisu danych eksperymentalnych połączone manometry (ćw. 5) Poziom cieczy Różnica ciśnienia rurka 2 [mmh 2O] [mbar] Poziom cieczy rurka 1 [mmh 2O] Ilość wprowadzonego powietrza [ml] Tab. 6. Tabela do zapisu danych eksperymentalnych połączone manometry (ćw. 6) Poziom cieczy Różnica ciśnienia rurka 2 [mmh 2O] [mbar] Poziom cieczy rurka 1 [mmh 2O] Ilość wprowadzonego powietrza [ml] Data i podpis Prowadzącego 11