LABORATORIUM TERMODYNAMIKI I TECHNIKI CIEPLNEJ Pomiary temeratury, ciśnienia i wilgotności owietrza dr inż. Witold Suchecki ZAKŁAD APARATURY PRZEMYSŁOWEJ POLITECHNIKA WARSZAWSKA WYDZIAŁ BMiP Płock, 2002
1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zaoznanie się z rzyrządami i metodami stosowanymi rzy omiarach temeratury, wilgotności i ciśnienia owietrza. 2. Pomiar temeratury owietrza Temeratura jest miarą średniej energii kinetycznej cząsteczek danego ciała, a zatem charakteryzuje ona stan energetyczny ciała. Ze względu na brak możliwości omiaru rędkości z jaką oruszają się cząsteczki i obliczenia energii kinetycznej cząsteczek, omiar temeratury odbywa się w sosób ośredni. W tym celu wykorzystuje się zjawiska fizyczne zależne od bezośrednio od temeratury, jak n. rozszerzalność ciał, zmiana ooru elektrycznego rzewodników, intensywność romieniowania, itd. Budowa i kształt termometru oraz sosób rowadzenia omiaru zależą od rodzaju zjawiska fizycznego wykorzystanego do określenia temeratury. Aby określić unkty stałe skali temeratury i jej jednostkę, czyli stoień, wybiera się rzemianę chemicznie czystych substancji z jednego stanu skuienia w inny rzy stałym ciśnieniu atmosferycznym (temeratura tonienia lodu t 1, temeratura wrzenia wody t 2 ). Wielkościom t 1 i t 2 rzyisuje się zależnie od tyu, nastęujące wartości: Skala Celsjusza (skala stustoniowa) t 1 = 0 o C, t 2 = 100 o C Skala Fahrenheita (skala 180-stoniowa) t 1 = 32 o F, t 2 = 212 o F Zależności omiędzy obu skalami mają ostać: C 5 ( t 9 = F 32) t [1] lub 9 t F = 32 + 5 t [2] Zarówno skala Celsjusza jak i Fahrenheita są zależne od właściwości ciał termometrycznych. Skalą niezależną od właściwości ciał termometrycznych jest tzw. bezwzględna skala temeratur, zwana skalą Kelvina. Temeraturę mierzy się tutaj od zera absolutnego (t = -273.16 o C) i nazywa się ją temeraturą bezwzględną. Punktem wzorcowym skali Kelvina jest temeratura unktu otrójnego wody równa 273.16 K. Związek między wartościami temeratury w skali Kelvina, w skali Celsjusza i Fahrenheita ma ostać: T t + 273,16 [3] K = C
5 T K = t F + 255,35 [4] 9 Bezwzględna skala temeratur ma stonie tej samej wartości co skala Celsjusza. W oarciu o drugą zasadę termodynamiki ustalono skalę zuełnie niezależną od właściwości termodynamicznych ciał. Jest to tzw. termodynamiczna skala temeratur. Skalę tą realizuje się rzy omocy gazów doskonałych. Temeraturę w skali termodynamicznej liczy się od zera absolutnego. Zmiany wielkości fizycznych (takich jak objętość, ciśnienie, oorność elektryczna, natężenie romieniowania, barwa i inne) od wływem temeratury służą za odstawę do omiaru temeratury i są wielkościami termometrycznymi. W zależności od wielkości termometrycznej rozróżnia się termometry: a. Termometry rozszerzalnościowe cieczowe gazowe metalowe b. termometry ciśnieniowe gazowe arowe cieczowe c. termometry elektryczne oorowe termoelektryczne d. termometry otyczne całkowitego romieniowania monochromatyczne e. termometry secjalne termofarby, termokredki stożki Segera. 2.1. Wykonanie omiaru temeratury Pomiar temeratury jest jednym z najtrudniejszych w technice cielnej. Dokładność wykonanego omiaru zależy od czułości użytego termometru, od wyboru jego rodzaju, odowiedniego dla danych warunków i od sosobu wykonania omiaru. Czułość wybranego
termometru musi gwarantować możliwość wykonania omiaru z żądaną dokładnością. Na dokładność omiaru duży wływ ma sam sosób wykonania. Termometr musi być tak umieszczony, aby jego czujnik znajdował się ściśle w miejscu, którego temeraturę chcemy zmierzyć. Należy też zaewnić jak najleszą wymianę cieła między czujnikiem a ciałem i jednocześnie unikać odrowadzenia cieła rzez termometr czy urządzenie omocnicze z miejsca omiaru, gdyż sowoduje to rzemieszczenie łaszczyzn izotermicznych w samym ciele. 2.1.1. Pomiar temeratury gazu (owietrza) znajdującego się w soczynku W masie gazu na skutek konwekcji naturalnej wyrównanie temeratur jest na ogół wystarczające, jednak rzy dużych wysokościach, n. omiarach temeratur owietrza w dużych halach, można sotkać się z takim uwarstwieniem, że wzrost temeratury z wysokością dochodzi do 0.5 o C/m. Najistotniejszą rzyczyną błędów rzy tych omiarach jest wymiana cieła rzez romieniowanie między czujnikiem termometru a ciałami stałymi otoczenia, osiadającymi inną temeraturę nią gaz. W celu uniknięcia tego rodzaju błędów, których wielkość jest niemożliwa do oszacowania, należy zabezieczyć czujnik termometru od wływu romieniowania rzez osłonięcie go ekranem, czasami odwójnym, z blachy gładkiej niklowanej lub chromowej. W celu oleszenia wymiany cieła między czujnikiem a gazem należy wywołać rzeływ gazu wokół czujnika. Do omiaru temeratury gazów znajdujących się w soczynku można używać dowolnych termometrów. 2.1.2. Pomiar temeratury gazu (owietrza) znajdującego się w ruchu Przy omiarze temeratury łynącego gazu owodem błędów jest odrowadzenie cieła rzez rzewodzenie (z miejsca omiaru rzez termometr lub tulejkę ochronną wraz z termometrem) oraz romieniowanie (między czujnikiem, tulejką ochronną a ściankami rury czy kanału). Mały wsółczynnik rzejmowania cieła między gazem i tulejką ochronną rzyczynia się do wzrostu wielkości błędów wywołanych wymienionymi rzyczynami. W celu usunięcia rzyczyn owstawania błędów należy rurę dobrze izolować, aby jej temeratura niewiele różniła się od temeratury strumienia gazu. Przy bardzo dokładnych omiarach badawczych można stosować ogrzewanie rury do średniej temeratury gazu w miejscu omiaru. Aby zabezieczyć się od wływu romieniowania można osłonić czujnik
termometru ekranem ojedynczym lub odwójnym. Jest to jednak możliwe tylko rzy bardzo czystych gazach. 2.2. Pomiar ciśnienia owietrza Ciśnienie atmosferyczne b wływa w istotny sosób na dokładność wielu omiarów, a onadto jego znajomość jest często niezbędna do obliczenia bezwzględnej wartości ciśnienia. Z owyższych owodów ciśnienie atmosferyczne określa się rzy większości omiarów bilansowych. Pomiar olega na określeniu wysokości równoważnego słua cieczy manometrycznej (najczęściej rtęci) w rzyrządach zwanych barometrami. W rzestrzeni zamkniętej nad rtęcią anuje tzw. różnia rtęciowa. Ciśnienie rtęci w tej rzestrzeni jest omijalnie małe, onieważ wynosi ok. 0,002 mmhg, a zatem jest mniejsze od dokładności rzyrządu. Przyrządy do omiaru ciśnienia atmosferycznego można odzielić na: barometry lewarowe; barometry naczyniowe stacyjne; barometry naczyniowe Fortina. Barometr rtęciowy (rys. 1a) jest najmniej dokładnym rzyrządem. Określenia ciśnienia atmosferycznego dokonuje się na odstawie omiaru różnicy oziomów cieczy. Średnica rurki w miejscu odczytów jest znacznie owiększona w celu ograniczenia do minimum wływu zjawiska włoskowatości na wynik omiaru. Niektóre rzyrządy mają rzesuwaną odzielnię i wówczas kreskę zerową ustawia się na wysokości oziomu rtęci w zbiorniku dolnym. Dokładność odczytu nie rzekracza 1 mmhg (0,15 kpa). Barometr naczyniowy stacyjny (rys. 1b) jest rzyrządem znacznie dokładniejszym. Pomiar długości słuka cieczy dokonuje się za omocą noniusza z dokładnością 0,1 mmhg (0,015 kpa). Przyrząd ten działa na odobnej zasadzie jak manometr jednoramienny. Ponieważ w barometrze tym nie określa się obniżenia oziomu cieczy w naczyniu dolnym, zatem omiar obarczony jest błędem. Błąd ten można określić za omocą odowiednich wzorów. Niektóre rzyrządy, jak n. barometr stacyjny Fuessa, mają zastosowaną odzielnię o skróconej działce elementarnej, uwzględniającą zmianę oziomu cieczy w naczyniu dolnym. Podzielnia ta nosi nazwę zredukowanej. Wadą barometrów stacyjnych jest konieczność utrzymywania stałej ilości cieczy w rzyrządzie. N. ubytek 3,5 g rtęci owoduje owstanie błędu systematycznego o wielkości 0,1 mmhg. W rzyadku stwierdzenia ubytku rtęci rzyrząd należy oddać do srawdzenia.
Rys. 1. Barometry rtęciowe: a) lewarowy, b) naczyniowy stacyjny, c) naczyniowy Fortina. 1 różnia rtęciowa, 2 odzielnia, 3 noniusz, 4 okrętło noniusza, 5 termometr, 6 zbiornik rtęci, 7 zamknięcie otworu imulsowego, 8 wskaźnik oziomu. Barometr naczyniowy Fortina (rys. 1c) różni się od barometru stacyjnego odmienną budową naczynia. Dno naczynia wykonane jest z elastycznej rzeony, dzięki czemu można regulować oziom rtęci w naczyniu. Każdorazowo rzed omiarem należy dorowadzić oziom rtęci do kreski zerowej milimetrowej odzielni barometru. Kreskę tę określa wskaźnik oziomu 8 znajdujący się wewnątrz naczynia. Oisana budowa rzyrządu eliminuje wady, które ma barometr stacyjny z odzielnią zredukowaną. 2.3. Błędy wskazań barometrów rtęciowych Pomiar ciśnienia atmosferycznego może być obarczony błędami, które są owodowane: zaowietrzeniem barometru, brakiem ołożenia ionowego, niedokładnym ustawieniem odzielni, oraz wływami: kailarnego obniżenia oziomu rtęci, temeratury, szerokości geograficznej, wysokości ołożenia nad oziomem morza.
Niektóre błędy można skorygować wrowadzając do wyniku omiaru orawki. Wielkości orawek na wływ szerokości geograficznej i wysokości ołożenia określają wzory: ϕ =,00264 cos 2ϕ [kpa] [5] 0 o 6 h = 0,196 10 h [kpa] [6] o gdzie: o odczyt ciśnienia na barometrze [kpa] ϕ - szerokość geograficzna w miejscu omiaru [kpa] h - wysokość ołożenia nad oziomem morza [m]. Porawka ϕ ma znak ujemny (-) dla ϕ < 45 o i dodatni (+) dla ϕ > 45 o. Porawka h jest ujemna (-) dla h > 0, tzn dla unktów ołożonych nad oziomem morza. Temeratura ma istotny wływ na zmianę gęstości rtęci wyełniającej barometr oraz rozszerzalność szkła i odzielni. Pomiaru temeratury dokonuje się za omocą termometru umieszczonego na barometrze. Wielkość orawki temeraturowej określa wzór: gdzie: t temeratura wnętrza barometru [ o C]. t = 0,000163 t [kpa] [7] o Niedokładne ustawienie odzielni owoduje, że wyniki są obarczone błędem systematycznym. Wielkość tego błędu jest określana w czasie legalizacji barometru i nosi nazwę orawki instrumentalnej. Porawka ta uwzględnia również wływ kailarnego obniżenia rtęci w rurze barometrycznej. Porawioną wartość ciśnienia atmosferycznego obliczamy ze wzoru: b = + + ϕ + h + t = + s + t [kpa] [8] o o Wielkość s została wrowadzona w celu uroszczenia obliczeń. Ma ona wartość stałą w miejscu zamocowania barometru. Wyrażenie to nosi nazwę orawki stałej i oblicza się ze wzoru: s = + ϕ + h [9] Dokładne wyrowadzenie owyższych wzorów znajduje się w literaturze [1].
2.4. Barometry srężynowe Barometry srężynowe są rzykładem zastosowania manometrów uszkowych. Z uszki rzyrządu lub z szeregu uszek umieszczonych jedna nad drugą w celu owiększenia odkształcenia (rys. 2) zostaje usunięte owietrze. Puszka taka, hermetycznie zamknięta, nosi nazwę aneroidu, a jej odkształcenie jest funkcją ciśnienia atmosferycznego. Rys. 2. Schemat barometru srężynowego. Przyrząd reguluje się rzez orównanie go z barometrem rtęciowym zmieniając długość łącznika L (rys. 2). Barometr srężynowy ustęuje znacznie w dokładności barometrowi rtęciowemu, jest jednak wygodniejszy w użyciu. Stosowany jest jako barograf w lotnictwie i meteorologii. 2.4.1. Błędy omiarowe barometrów srężynowych Błędy omiaru ciśnienia mogą owstawać od wływem: temeratury, tarcia, histerezy, ołożenia barometru. Wływ temeratury na wskazania barometrów srężynowych określa wzór: = k t [kpa] [10] t o gdzie: k wsółczynnik zależny od rodzaju barometru [K -1 ] o ciśnienie wskazywane rzez barometr [kpa] t różnica omiędzy temeraturą omiaru a temeraturą wzorcowania manometru (20 o C) [K].
Definicje błędów sowodowanych tarciem, histerezą oraz ołożeniem barometru jak również sosób ich uwzględniania omówiono w [2]. 2.5. Pomiar wilgotności owietrza Powietrze atmosferyczne jest mieszaniną gazową, zawierającą zawsze ewną ilość ary wodnej. Zawartość ary wodnej w owietrzu atmosferycznym zmienia się zależnie od okoliczności, a zachowanie się jej jest odmienne od ozostałych gazów (możliwość zmiany stanu skuienia). Dla celów raktycznych można traktować owietrze jako mieszaninę owietrza suchego oraz ary wodnej. Powietrze wilgotne z dostateczną dokładnością można traktować jako gaz jednorodny o ewnym ciśnieniu całkowitym c, które zgodnie z rawem Daltona jest sumą ciśnienia owietrza suchego g oraz ciśnienia ary wodnej. Ciśnienie całkowite jest najczęściej równe ciśnieniu barometrycznemu: = = + [11] C b g Powietrze suche, w zależności od temeratury, ma określoną zdolność ochłaniania ary wodnej. W zależności od masy ary wodnej znajdującej się w jednostce objętości owietrza o określonej temeraturze, owietrze może wystęować jako: Powietrze wilgotne nienasycone, Powietrze wilgotne nasycone, Powietrze wilgotne zamglone. Wilgotność owietrza może być zdefiniowana w różny sosób. Wilgotność bezwzględna masowa, tzw zawartość wilgoci, jest to masa wilgoci rzyadająca na 1 kg owietrza suchego. m X = [kg/kg] [12] m s gdzie: m masa wilgoci m s masa owietrza suchego. Wilgotność bezwzględna objętościowa jest to masowa zawartość wilgoci w 1 m 3 wilgotnego owietrza. Wilgotność ta jest równa gęstości ary wodnej rzy danej temeraturze ρ [kg/m 3 ].
Wilgotność względna jest to stosunek gęstości ary wodnej w stanie aktualnym ρ rzy danej temeraturze: ρ ϕ = [13] ρ Stosując rawo Boyle a Mariotte a dla ary wodnej otrzymujemy:,, gdzie: = ϕ [14] ciśnienie cząstkowe ary wodnej w owietrzu ciśnienie nasycenia wody rzy tej samej temeraturze.,, Wilgotność owietrza można określić również wielkością zwaną stoniem nasycenia ψ wg wzoru: X ψ =,, [15] X 2.5.1. Metody omiaru wilgotności owietrza Wilgotność owietrza można określić różnymi metodami. Poniżej wymieniono metody najczęściej stosowane w raktyce. 1. metoda wagowa nazywana również grawimetryczną olega na usunięciu wilgoci z badanego owietrza, n. orzez całkowite jej ochłonięcie rzez absorbenty. Masę usuniętej wilgoci określa się orzez dokładne ważenie na wadze laboratoryjnej ochłaniacza. Jest to metoda bardzo dokładna, laboratoryjna. Stosuje się ją jako wzorzec dla innych metod omiarowych.. 2. metoda sychrometryczna olega na wykorzystaniu zjawiska obniżenia temeratury sowodowanego odarowaniem wody z wilgotnej owierzchni ciała do otaczającego owietrza nienasyconego. 3. metoda unktu rosy olegająca na dorowadzeniu ary wodnej znajdującej się w badanym owietrzu do stanu nasycenia rzez obniżenie temeratury. Pomiar wilgotności srowadza się do omiaru temeratury unktu rosy.
4. metoda omiaru temeratury równowagi między wodą w roztworze higroskoijnym (najczęściej LiCl) a arą wodną w otaczającym owietrzu, zwana metodą higrometryczną chlorolitową. 5. metody, w których wykorzystano zmianę arametrów mechanicznych lub elektrycznych ciał stałych od wływem zmiany wilgotności względnej badanego owietrza (jest to również metoda higrometryczna). Na odanych zasadach (orócz metody wagowej) oarte jest działanie rzyrządów do omiaru wilgotności owietrza, które można odzielić na trzy rodzaje: sychrometry higrometry rzyrządy do omiaru unktu rosy. 2.6. Psychrometry Przy omiarze wilgotności owietrza w tych rzyrządach wykorzystano zjawisko obniżania się temeratury zwilżonego czujnika termometru odczas rzeływu owietrza nienasyconego. Zasadę działania sychrometru okazano na rys. 3. W warstwie owietrza graniczącej bezośrednio z czujnikiem termometru mokrego ustali się stan nasycenia. Podczas rzeływu owietrza badanego o wilgotności względnej niższej od 100%, woda na skutek różnicy ciśnień cząstkowych ary wodnej, odarowuje z koszulki termometru mokrego i ochładza go oniżej temeratury owietrza nienasyconego. Po osiągnięciu stanu równowagi, wymiana cieła i masy omiędzy owietrzem a zwilżoną koszulką ustali się i można dokonać odczytu temeratur na termometrze suchym oraz mokrym. Różnica wskazań termometrów tych termometrów, tzw różnica sychrometryczna, zależy od wilgotności badanego owietrza. Rys. 3. Schemat działania sychrometru. Oznaczenia: 1 termometr suchy, 2 wentylator, 3 termometr mokry, 4 koszulka z gazy lub batystu, zwilżona wodą destylowaną.
Wilgotność względną owietrza w zależności od różnicy sychrometrycznej i rężności ary nasyconej określa wzór:,, m A( t s t m ) b ϕ = 100%, [16] s gdzie: m ciśnienie nasycenia wody rzy temeraturze mokrego termometru t m, [Pa], s ciśnienie nasycenia wody rzy temeraturze suchego termometru, t s, [Pa], (t s t m ) różnica sychrometryczna, [K], A stała sychrometryczna, [1/K], P b ciśnienie barometryczne, [Pa]. Psychrometr Assmana (rys. 4.) osiada wymuszony rzeływ owietrza dookoła obu termometrów. Przeływ ten owoduje wentylatorek 3, naędzany rzez srężynę nakręcaną kluczem 4 lub silniczkiem elektrycznym. Powietrze zasysane od dołu rzez tulejki 1 osiada zawsze w rzestrzeni obok naczyń termometrów jednakową rędkość ok. 2,5 m/s, czemu odowiada wartość stałej sychrometrycznej A = 0,000677. Tulejka 1 oraz zamknięta od góry rzestrzeń między tulejką i osłoną 2 stanowi izolację uniemożliwiającą wymianę cieła między naczynkami termometrów a otoczeniem roces nawilżania owietrza w warstwie granicznej wokół naczynia termometru można więc tu rzyjąć za adiabatyczny. Aby wykonać omiar sychrometrem Assmana, należy: za omocą ietki zwilżyć wodą destylowaną koszulkę termometru mokrego, uruchomić wentylatorek, 2.7. Wyznaczanie wilgotności względnej owietrza na odstawie wskazań sychrometru Po odczytaniu wskazań termometru mokrego oraz suchego, wilgotność względną owietrza można określić według jednej z trzech wymienionych oniżej metod. 1. obliczyć wilgotność względną owietrza według wzoru (16), rzy czym urzednio należy zmierzyć ciśnienie atmosferyczne oraz odczytać z tablic lub z wykresu i x ciśnienie nasycenia ary wodnej dla temeratury termometru suchego i mokrego.
2. odczytać wilgotność względną owietrza z tablic lub wykresów sychrometrycznych. 3. odczytać wilgotność względną owietrza za omocą wykresu i x. 4. o ustaleniu wskazań termometrów odczytać wartości t s oraz t m. Rys. 4. Psychrometr Assmana: 1 tuleja, 2 osłona, 3 wentylatorek, 4 klucz. 2.8. Higrometry włosowe Przyrządy te oarte są na własnościach włosów ludzkich lub zwierzęcych oraz niektórych włókien syntetycznych, olegających na zmianie ich długości od wływem zmian wilgotności owietrza. Schemat higrometru włosowego rzedstawia rys. 5. Rys. 5. Schemat higrometru włosowego: 1 wiązka włosów odtłuszczonych, 2 dźwignia, 3 srężyna dźwigni, 4 wskazówka, 5 unkt odarcia dźwigni, 6 skala.
Przyrządy te odznaczają się rostotą w budowie i działaniu i dlatego znajdują się w owszechnym użyciu wymagają jednak okresowego srawdzania i regulacji. 3. Wykonanie ćwiczenia 3. 1. Pomiar temeratury owietrza Dokonać omiaru temeratury owietrza na arterze i na iętrze: bez rzeływu owietrza wokół czujnika termometru, z rzeływem owietrza wokół czujnika termometru. Wyniki omiarów orównać i wyciągnąć odowiednie wnioski. 3. 2. Pomiar ciśnienia atmosferycznego Wykonać omiar ciśnienia owietrza barometrem rtęciowym oraz srężynowym, obliczyć wartość orawek ϕ, h, t i odać orawioną wartość ciśnienia atmosferycznego. Wynik odać wraz z błędem. 3. 3. Pomiar wilgotności owietrza Dokonać omiaru wilgotności względnej owietrza sychrometrem Assmana w omieszczeniu i na rzestrzeni otwartej (omiar temeratury termometru suchego i mokrego). Wilgotność względną owietrza określić rzez: odczyt za omocą wykresu i x, odczyt z tablic sychrometrycznych, obliczenie według wzoru (16). Wykonać omiar wilgotności względnej owietrza higrometrem włosowym. Wyniki omiarów orównać i rzedstawić odowiednie wnioski. 4. Literatura 1. Strauch E.: Metody i rzyrządy omiarowe w metrologii i hydrologii ; PWN Warszawa 1972. 2. Hibner W., Rosiński M.: Laboratorium techniki cielnej ; WPW Warszawa 1980. 3. Kotlewski F. i inni: Pomiary w technice cielnej ; PWN Warszawa 1974.