Laboratorium Termodynamiki i Pomiarów Maszyn Cielnych POLITECHNIKA KRAKOWSKA Instytut Inżynierii Cielnej i Procesowej Zakład Termodynamiki i Pomiarów Maszyn Cielnych LABORATORIUM TERMODYNAMIKI I POMIARÓW MASZYN CIEPLNYCH Podstawy teoretyczne do ćwiczeń laboratoryjnych POMIAR CIŚNIENIA oracował: dr inż. Ryszard Kantor
Laboratorium Termodynamiki i Pomiarów Maszyn Cielnych Z definicji ciśnienie oznacza stosunek siły F do ola owierzchni A, na które siła ta działa. F A Wymiarem ciśnienia jest więc jednostka siły odniesiona do jednostki ola owierzchni.. Jednostki ciśnienia.. Jednostki główne W układzie SI jednostką główna jest [N/m ] zwany askalem [Pa]. N m kgm s m kg ms Pa.. Wartość ciśnienia może być wyrażona wysokością słua cieczy Równoważąc mierzone ciśnienie słuem cieczy manometrycznej oblicza się jego wartość ze wzoru: kg m lub h g Pa h gdzie: t t t t h t [m] - wysokość słua cieczy manometrycznej w temeraturze omiaru, t [kg/m 3 ] - gęstość ciężaru (ciężar właściwy) cieczy manometrycznej w temeraturze omiaru, t [kg/m 3 ] - gęstość masy cieczy manometrycznej w temeraturze omiaru, g = 9,80665 [m/s ] - rzyśieszenie grawitacyjne. W rzyadku stosowania wody jako cieczy manometrycznej można w uroszczeniu niezależnie od temeratury rzyjąć: [kg/dm 3 ] H O i wówczas [mmh O] = 9,80665 [N/m ] =9,80665 [Pa] Jeżeli ciśnienie mierzymy wysokością słua rtęci, to jako jednostkę ciśnienia można stosować tor [Tr]. Jest to ciśnienie, rzy którym siętrzenie rtęci o temeraturze t = 0 [ o C] i gęstości ohg = 3,546 [kg/dm 3 ] wynosi [mm]. kg m [ Tr] 3,595 9,8067 [ mm] 33,3[ Pa] oraz Tr 3,6 [kg/m 3 dm s ] 3,6 [mmh O] Wływ temeratury na ciężar właściwy, względnie gęstość rtęci, na ogół nie może być ominięty. W związku z tym, chcąc wyrazić wartość ciśnienia w [Tr], należy zredukować odczytaną wysokość słua rtęci h t [mmhg] do 0 [ o C] według zależności: t [ Tr] h h gdzie - względny wsółczynnik rozszerzalności liniowej rtęci i odziałki. o t 4 Dla rzyrządów wykonanych ze szkła jenajskiego wyełnionego rtęcią: h h,70 t [ Tr].3. Jednostki ochodne i inne jednostki stosowane w raktyce Jednostkami ochodnymi układu SI stosowanymi w raktyce są: [mbar] = 00 [Pa] = hpa = 0,97 [kg/m ] 0, [mmh O] 0,75 [Tr] [bar] = 0 5 [Pa] = 0,9869 atm,097 [mmh O] 750 [Tr] 4,5 [PSI] [atm] = 760 [Tr],035 [bar] =,033 [at]. [at] = [kg/cm ] = 0,980665 [bar] [ PSI] = [Lbf/in ] = 6895 [Pa] W fizyce i chemii stosuje się często jako jednostkę ciśnienia 760 [Tr] czyli atmosferę fizyczną [atm]. Stosowana jest również, zwłaszcza w starszych oracowaniach atmosfera techniczna [at]. o t
Laboratorium Termodynamiki i Pomiarów Maszyn Cielnych 3. Ciśnienie statyczne s, całkowite c, dynamiczne d ma na celu określenie wartości jednego z głównych arametrów termodynamicznych łynu (cieczy, ary lub gazu), tj. ciśnienia statycznego. Ciśnieniem statycznym s nazywamy ciśnienie łynu znajdującego się w soczynku (n. ciśnienie w zbiorniku) względnie ciśnienie łynu rzeływającego, ale mierzone w ten sosób, że rędkość rzeływu w nie ma wływu na wartość tego ciśnienia (ciśnienie jakie wskazywałby rzyrząd oruszający się z rędkością strumienia łynu i w tym samym co strumień kierunku). Jeżeli w strumieniu łynu umieścimy małą (w orównaniu do ola rzekroju orzecznego rzeływającego łynu) rzegrodę ustawioną rostoadle do kierunku rędkości w, w ostaci n. łytki omiarowej, to na łytce strumień zostanie całkowicie zahamowany, a w miejscu zahamowania rzeływu ciśnienie wzrośnie w stosunku do ciśnienia statycznego osiągając wielkość c zwaną ciśnieniem całkowitym. Przyrost ciśnienia na owierzchni łytki na skutek całkowitego zahamowania rzeływu na łytce wynosi kg/ m lub Pa w d g w d i nazywany jest ciśnieniem dynamicznym d. s + d = c Analogiczne zjawisko wystąi w rzyadku ustawienia rostoadle do kierunku rzeływu łynu otworu sondy omiarowej. Na owierzchni czołowej otworu sondy wystęuje ciśnienie całkowite. Porzez jednoczesny omiar ciśnienia całkowitego i ciśnienia statycznego uzyskuje się bezośredni omiar ciśnienia dynamicznego zgodnie z równaniem d = c s. Przyrządy wykorzystujące tę zasadę to m. in. rurki Pitota i rurki Prandtla (ois w instrukcji do Ćwiczenia nr 7: Badanie wentylatorów). Służą one rzede wszystkim do ośredniego omiaru rędkości strugi i wykorzystywane są m. in. w lotnictwie oraz w omiarach rędkości gazu (owietrza) w kanałach wentylacyjnych. Warunki, jakie muszą być sełnione rzy omiarze ciśnienia statycznego:. W łynach nieruchomych ciśnienie można rzekazywać do rzyrządu za omocą rurki (rzewodu) umieszczonej w dowolnym unkcie zbiornika, rzy czym mierzone jest ciśnienie w danym unkcie. W rzyadku cieczy należy uwzględnić ciśnienie hydrostatyczne.. W łynach rzeływających ciśnienie statyczne odbiera się na ogół rzy ściance rzewodu rzez wywiercony otwór o średnicy -3 mm, rzy czym krawędź otworu nie może osiadać nierówności lub rąbków owstałych o wierceniu (rys. a). W celu wyeliminowania wływu rędkości łynu stosuje się króćce omiarowe, ustawione w ten sosób, że wektor rędkości rzeływu jest styczny do łaszczyzny wlotowej otworu imulsowego. Przy większych rędkościach stosuje się niekiedy rurki zakończone tzw. łytką Saire a ustawioną równolegle do kierunku rzeływu (rys.b), której zadaniem jest wyrostowanie strugi łynu. Znacznie leszym rozwiązaniem jest zastosowanie sondy w kształcie rurki zaskleionej, z otworami w owierzchni bocznej (rys. c), umieszczonej równolegle do kierunku rzeływu. Taką samą sondą, lecz otwartą i bez otworów bocznych (rys. d) mierzy się ciśnienie całkowite. 3. Ciśnienie bezwzględne i względne Rys. Wszystkie rzyrządy służące do omiaru ciśnień wskazują różnicę ciśnień działających o jednej i drugiej stronie elementu omiarowego (elementu srężystego, słua cieczy lub t.). 3
Laboratorium Termodynamiki i Pomiarów Maszyn Cielnych 4 3.. Ciśnienie bezwzględne (absolutne) abs Jeżeli o jednej stronie elementu omiarowego anuje różnia, wówczas rzyrząd taki będzie wskazywał ciśnienie bezwzględne czyli ciśnienie mierzone względem różni. Tylko takimi rzyrządami można zmierzyć ciśnienie otoczenia (barometryczne) o. Są to barometry rtęciowe (rys.) lub stalowe aneroidy (rys.3). Aneroid rejestrujący nazywamy barografem. Pustą rzestrzeń nad meniskiem barometru rtęciowego wyełnia ara cieczy manometrycznej o ciśnieniu nasycenia. W rzyadku, gdy cieczą manometryczną jest rtęć, ciśnienie nasycenia w temeraturze 0 C wynosi = 0,000 Tr. Jest to bardzo niskie ciśnienie, bliskie zeru bezwzględnemu i nosi nazwę różni Torricellego. Rys. Rys.3 3.. Ciśnienie względne w (nadciśnienie n, odciśnienie, ciśnienie różnicowe ) W rzyadku gdy o jednej stronie elementu omiarowego anuje stałe ciśnienie otoczenia ot, wówczas rzyrząd będzie wskazywał ciśnienie względne w czyli ciśnienie mierzone względem aktualnego ciśnienia otoczenia. W tym rzyadku ciśnienie absolutne oblicza się jako sumę ciśnienia otoczenia ot i ciśnienia względnego w, rzy czym ciśnienie otoczenia należy wyrazić w tych samych jednostkach, co zmierzone ciśnienie względne. Jeżeli ciśnienie absolutne abs jest większe od ciśnienia otoczenia, wówczas ciśnienie względne wskazywane rzez rzyrząd nazywamy nadciśnieniem n (rys.4). abs ot to w Jeżeli ciśnienie absolutne abs jest mniejsze od ciśnienia otoczenia ot, wówczas ciśnienie względne w wskazywane rzez rzyrząd nazywamy odciśnieniem (rys.4). n i abs ot n abs ot to w i abs ot Wartość ciśnienia wyraża się często jako rocent różni a r : a r ot 00% Jeżeli o jednej stronie elementu omiarowego anuje ciśnienie a o drugiej, wówczas rzyrząd wskazuje ciśnienie różnicowe (rys. 4) Rys. 4 4
Laboratorium Termodynamiki i Pomiarów Maszyn Cielnych 5 4. Klasyfikacja rzyrządów do omiaru ciśnienia 4.. Klasyfikacja według rodzaju i zakresu mierzonego ciśnienia A. Manometry bezwzględne (absolutne) mierzące ciśnienie względem różni bezwzględnej: barometry, aneroidy, skrócone wakuometry rtęciowe. B. Manometry i mikromanometry mierzące nadciśnienie względem ciśnienia barometrycznego. C. Próżniomierze (wakuometry) i ciągomierze mierzące odciśnienie względem ciśnienia barometrycznego. D. Manowakuometry mogące mierzyć zarówno nadciśnienie jak i odciśnienie. E. Manometry i mikromanometry różnicowe mierzące ciśnienie różnicowe. Mikromanometrami i ciągomierzami nazywamy rzyrządy służące do omiaru ciśnienia rzędu kilku lub kilkudziesięciu mmh O. 4.. Klasyfikacja według zasady działania A. Manometry hydrostatyczne (cieczowe) omiar oiera się na rawach hydrostatyki. B. Manometry hydrauliczne omiar oiera się na zasadzie hydraulicznej (rawo Pascala). C. Manometry srężynowe omiar oiera się na zasadzie srężystego odkształcenia elementu omiarowego (rurki, membrany mieszka, it.)od wływem działającego na niego ciśnienia. D. Manometry elektryczne omiar oiera się na zmianie własności elektrycznych czujnika (oorowego, iezoelektrycznego, ojemnościowego, indukcyjnego) od wływem działającego ciśnienia. 4.3. Klasyfikacja według rzeznaczenia A. Manometry techniczne klasa 6 B. Manometry kontrolne i laboratoryjne klasa 0,5 C. Manometry laboratoryjne i wzorcowe klasa oniżej 0,5 5. Manometry i mikromanometry hydrostatyczne 5.. Manometry cieczowe dwuramienne (U-rurki) Ze względu na swoją rostotę budowy i techniki omiaru, U-rurki znalazły najszersze zastosowanie zwłaszcza w omiarach laboratoryjnych. Według rawa naczyń ołączonych w obu gałęziach U-rurki ciśnienia na tych samych oziomach są jednakowe i niezależne od kształtu rzekroju. W rzyadku gdy nad cieczą manometryczną znajduje się gaz, ciężar jego można ominąć i wówczas dla oziomu x-x (rys.5) g h Przełożenie wskazań U-rurki: ; g h h h s Przełożenie wskazań U-rurki (czułość rzyrządu) jest tym większe im mniejszy jest ciężar właściwy cieczy manometrycznej. Dla wody różnica ciśnień = [kg/m ] owoduje wychylenie menisku h = [mm] czyli s =. Ciężar właściwy stosowanych cieczy manometrycznych w temeraturze 0 [ o C] i odowiadające im rzełożenia wskazań zestawiono w tabeli. Rys. 0 [kg/dm 3 ] [s] [kg/dm 3 ] [s] Alkohol 0,79,6 Chloroform,493 0,67 Toulen 0,866,6 Bromek etylenu,7 0,46 Woda 0.998,0 Bromoform,903 0,34 Dwusiarczek węgla,63 0,79 Rtęć 3,546 0,074 0 Czułość U-rurki rtęciowej jest więc 3,6 razy mniejsza niż wodnej. 5
Laboratorium Termodynamiki i Pomiarów Maszyn Cielnych 6 5.. Mikromanometry hydrostatyczne Przyrządy służące do omiaru małych ciśnień (rzędu setnych do kilkuset mmh O) zwane mikromanometrami owinny mieć możliwie duże rzełożenie wskazań. W zwykłych U-rurkach cieczowych rzez zastosowanie cieczy manometrycznej o najmniejszym ciężarze właściwym (alkoholu) można zwiększyć rzełożenie wskazań najwyżej do s =,6, co oznacza, że różnicy ciśnień [mmh O] odowiada wychylenie menisku,6 [mm]. Chcąc uzyskać większe rzełożenie wskazań stosuje się inne rozwiązania. 5... U-rurka dwucieczowa Rys. 6 U-rurkę (Rys. 6) zakończoną zbiorniczkami o dużym olu rzekroju A wyełnia się dwoma cieczami o różnych ciężarach właściwych (, ). Ciecze nie mogą się mieszać ze sobą, tworząc na granicy zetknięcia wyraźnie widoczny menisk (n. woda i nafta). Zakładając duży stosunek ól rzekroju zbiorniczków i ramion U-rurki A /A możemy rzyjąć, że z 0 i oziom w zbiorniczkach rzy omiarze ciśnienia nie ulega zmianie. Z równowagi hydrostatycznej dla oziomu x - x H H h h h s W ten sosób stosując n. wodę i naftę ( = 0,5) uzyskuje się rzełożenie wskazań s = 6,7. 5... Mikromanometr naczyniowy z ochyłą rurką (Recknagla) Jest to manometr naczyniowy, w którym rurkę można nachylać od dowolnym kątem (Rys 7). Rys.7 h z l sin ; h A z l A A l sin A r z s A sin A Zależnie od kąta ochylenia rurki α i ciężaru właściwego cieczy manometrycznej (alkohol) γ, można uzyskać rzełożenie wskazań 0, 0 a nawet 50. Wartość mierzonej różnicy ciśnień l / s Przyrząd jest samocechowalny, tzn. nie wymaga innego wzorcowego manometru do cechowania. Cechowanie ma na celu srawdzenie, czy rzełożenie wskazań dla wszystkich odcinków odziałki jest stałe, czyli czy stały jest stosunek ól rzekroju A / A (stały rzekrój rurki) i kąt ochylenia (czy oś rurki jest rostoliniowa). r z Cechowanie rzerowadza się metodą dolewania znanej objętości cieczy V. Przyrząd ma charakter rzyrządu laboratoryjnego i używany jest najczęściej do wzorcowania mikromanometrów technicznych i ciągomierzy. r z r z 6
Laboratorium Termodynamiki i Pomiarów Maszyn Cielnych 7 5..3. Mikromanometr komensacyjny zwany minimetrem (Askania) Zakres omiarowy 50 lub 50 [mmh O], dokładność odczytu odziałki 0,0 [mm], dokładność omiaru ciśnienia 0,05 0,0 [kg/m ]. s s o lustro z z Rys.8 k Dwa ołączone ze sobą wężem gumowym zbiorniki z i z, z których jeden (omiarowy) z można odnosić za omocą śruby mikrometrycznej s, wyełnione są częściowo wodą destylowaną w ten sosób, żeby rzy równych ciśnieniach w obu zbiornikach ( = = ot ) i umieszczeniu zbiornika z na wysokości oczątku odziałki (0) oziom wody w zbiorniku z znajdował się na wysokości ostrza kolca k. Nieznaczne rzelanie wody rzy naełnieniu lub zmniejszenie jej ilości na skutek odarowania można korygować rzez odniesienie lub obniżenie (w niewielkim zakresie) zbiornika z za omocą nakrętki s o. Srawdzenia i ewentualnego korygowania ołożenia zerowego minimetru należy dokonywać rzed każdym omiarem. Układ soczewek umożliwia obserwowanie w lusterku obrazu kolca i jego odbicia w wodzie. Poziom wody w zbiorniku z znajduje się na wysokości ostrza kolca, jeżeli obrazy kolca i jego odbicia stykają się. Pomiar różnicy ciśnień Do końcówki + minimetru odłącza się rzewód ciśnienia większego, do końcówki - ciśnienia mniejszego. Na skutek różnicy ciśnień oziom wody w zbiorniku z obniża się, natomiast w zbiorniku z odnosi się, rzy czym różnica oziomów h [mmh O] =. Podnosząc za omocą śruby mikrometrycznej s zbiornik z komensuje się odłączoną różnicą ciśnień dorowadzając do onownego zetknięcia się kolca z lustrem wody. Odczytana na śrubie mikrometrycznej wysokość h odniesienia zbiornika z jest wartością mierzonej różnicy ciśnień w mm H O. Ze względu na komensacyjną metodą omiaru, stosowanie minimetru ogranicza się do omiaru ciśnień stałych nie zmieniających się w czasie omiaru. Używany jest on do wzorcowania innych mikromanometrów oraz do omiaru ciśnienia dynamicznego rurkami siętrzającymi. 6. Manometry hydrauliczne Działanie manometrów hydraulicznych oiera się na zasadzie równowagi hydraulicznej między ciśnieniem a siłą działającą na jednostkę ola owierzchni rzegrody ruchomej (n. dzwonu, tłoka) wg równania definicyjnego F A 7
Laboratorium Termodynamiki i Pomiarów Maszyn Cielnych 8 Manometry hydrauliczne różnią się od manometrów hydrostatycznych głównie tym,że równowaga sił zależy od ola owierzchni elementu ruchomego, rzy czym na ogół w danym rzyrządzie ole to ma wartość siły. Do tej gruy manometrów należą m. in.: A. Waga dzwonowa, B. Waga ierścieniowa, C. Manometry tłokowe rasy hydrauliczne. 6.. Prasa hydrauliczna Manometry tłokowe stosuje się do omiaru wysokich ciśnień, rzede wszystkim jednak do srawdzania i statycznego cechowania manometrów. W tym rzyadku noszą one nazwę ras hydraulicznych do cechowania manometrów (Rys. 9). Istotą wykorzystania ras hydraulicznych jest znajomość ola owierzchni czołowej A tłoczka, oraz siły F rostoadłej do owierzchni A. Ciśnienie oleju wywołane w zamkniętym zbiorniku i działające na owierzchnię A tłoczka równoważone jest siłą F równą ciężarowi G będącego sumą ciężarów tłoczka, tłoczyska oraz talerzy obciążających. Zmiana tłoczek ilości talerzy owoduje zmianę całkowitej siły F. Przy stałej znanej owierzchni A, można łatwo określić ciśnienie anujące w układzie. Jeżeli ole owierzchni tłoczka wynosi A = cm a wartość siły obciążającej G = kg, to ciśnienie wywołane = kg/cm = at. Rys. 9 7. Manometry srężynowe Manometry srężynowe działają na zasadzie zależności odkształcenia srężystego od ciśnienia. W zależności od elementu ulegającego odkształceniu manometry srężynowe dzieli się na:. Puszkowe (mieszkowe, syfonowe).. Przeonowe (membranowe). 3. Rurkowe. 7.. Manometry uszkowe (Rys. 0) Stosuje się je do omiaru małych nad i odciśnień w zakresie do 000 mmh O. Odkształcenie x max = 80 [mm], dokładność 3 %. Elementem srężynującym może być uszka metalowa sfalowana na obocznicy lub uszka osiadająca na jednej lub na obu owierzchniach czołowych membrany z wytłoczonymi wsółśrodkowo falami. Sfalowanie membrany ma na celu uzyskanie liniowej zależności odkształcenia membrany od ciśnienia. Rys.0 7.. Manometry membranowe (Rys. ) Sfalowana metalowa membrana zaciśnięta między kołnierzami korusu manometru, odkształca się od wływem ciśnienia. Odkształcenie to, nie rzekraczające [mm], rzenoszone jest na wskazówkę za omocą stosunkowo dużej rzekładni. Manometry metalowe stosuje się do omiaru ciśnień nie rzekraczających na ogół 0 [bar] (max. 30 [bar]), rzede wszystkim jednak do omiaru odciśnień oraz ciśnienia różnicowego. Dużą zaletą tego tyu manometrów jest odorność na wstrząsy (mała masa membrany) oraz stosunkowo łatwa możliwość zabezieczenia owierzchni wewnętrznych rzed korodującym działaniem łynów, których ciśnienie się mierzy. Manometry membranowe wykonywane są w niskich i średnich klasach dokładności. Rys. 8
Laboratorium Termodynamiki i Pomiarów Maszyn Cielnych 9 7.3. Manometry rurkowe (Rys. ) Elementem siętrzającym jest tzw. rurka Bourdona, tj. metalowa rurka o słaszczonym rzekroju orzecznym (A-A), zwinięta w kształcie łuku koła. Kąt zwinięcia rurki wnosi 70, dla ciśnień wyższych od 00 [bar] 80. Jeżeli od manometru wymaga się dużej czułości wówczas stosuje się kąty zwinięcia rurki większe od 360 o, rzy czym ma ona wtedy ostać srężyny siralnej (zwoje w jednej łaszczyźnie) lub srężyny śrubowej. Jeden koniec rurki wlutowany jest w króciec manometru, drugi zaś wolny zamknięty korkiem ołączony jest za ośrednictwem cięgła (a) z rzekładnią zębatą naędzającą wskazówkę. Jeżeli ciśnienie wewnątrz rurki jest większe od zewnętrznego wówczas rzekrój orzeczny odkształca się, stara się zbliżyć do kołowego, jednocześnie zaś rurka stara się rozwinąć, co owoduje rzesunięcie swobodnego jej końca (x max = 58 [mm]). Jeśli ciśnienie w rurce Bourdona jest niższe od zewnętrznego, wtedy rurka zwija się. Wykorzystuje się to w różniomierzach (wakuometrach) lub manowakuometrach. Manometry rurkowe stosuje się do omiaru ciśnień w bardzo szerokim zakresie ocząwszy od a niskich (0 0 [bar]), średnich (do 0 [bar]) do najwyższych (do 000 [MPa]). W zależności od zakresu stosuje się różne materiały oraz rzekroje orzeczne rurek, jak również szczegóły konstrukcyjne manometrów. 8. Manometry i rzetworniki elektryczne Są to manometry, które działają na zasadzie rzetwarzania ciśnienia na znormalizowaną wielkość elektryczną, która jest mierzona za omocą odowiednich elektrycznych rzyrządów omiarowych wyosażonych w czytelny wskaźnik analogowy lub cyfrowy. Manometry zasadniczo składają się z trzech odstawowych elementów (Rys. 3): Rys. czujnika, rzetwarzającego ciśnienie na inną wielkość fizyczną; n. odkształcenie membrany owodujące rzesuwanie elementu zmieniającego jeden z arametrów (n. oorność lub ojemność) w elektrycznym układzie omiarowym, rzetwornika, rzetwarzającego sygnał wyjściowy z czujnika na standaryzowaną wielkość elektryczną, miernika, wsółcześnie zazwyczaj elektronicznego, mierzącego i rzetwarzającego sygnał elektryczny z rzetwornika na zestaw znaków graficznych w ostaci liczby i jednostki mierzonej wielkości fizycznej, tu ciśnienia. Manometry elektryczne są niemal niezastąione rzy omiarach i rejestracji ciśnień szybkozmiennych oraz bardzo wysokich ciśnień i różni. Rys. 3 Wszystkie trzy wymienione elementy stanowią tyowy tor omiarowy. Jeżeli wystęują w jednej obudowie, nazywane są manometrami, lub szerzej ciśnieniomierzami. Każdy z nich może być jednak osobnym elementem mającym odowiedni zestaw wejść i wyjść zaewniających wsółracę z innymi częściami większego systemu omiarowego. Najczęściej w raktyce, sotyka się zestaw czujnik-rzetwornik nazywany rzetwornikiem ciśnienia. Jak wsomniano wcześniej, miernik może być elementem na stałe dołączonym do rzetwornika ciśnienia, stanowiąc lokalny zestaw omiarowy - manometr. Przetworniki mogą być także elementem większego zestawu omiarowego a sygnał omiarowy ciśnienia, o rzetworzeniu, wyświetlony na zbiorczym anelu lub ekranie. Przetworniki ciśnienia należą, orócz termometrów, do najowszechniej wykorzystywanych elementów w układach rzemysłowej automatyki kontrolnej i omiarowej. Systemy automatyki rzemysłowej bazują zasadniczo na znormalizowanych 9
Laboratorium Termodynamiki i Pomiarów Maszyn Cielnych 0 sygnałach analogowych, niosących informację o najróżniejszych arametrach fizycznych kontrolowanych rocesów. Przyjęto nastęujące sygnały jako tyowe dla omiarów w automatyce: naięciowe: o 0-5 V o - 5 V o 0-0 V o - 0 V rądowe: o 0-5 ma o - 5 ma o 0-0 ma o 4-0 ma W raktyce najczęściej sotykany jest standard 4-0 ma, oraz nieco rzadziej 0-0 V. Jak łatwo zauważyć orównując konstrukcję różnych czujników ciśnienia, elementem wystęującym w większości rozwiązań jest metalowa lub krzemowa membrana, która rzetwarza ciśnienie na rzesunięcie x. Znaczące różnice ojawiają się doiero w układach rzetwarzających rzesunięcie x na wielkość elektryczną służącą do sterowania w układach automatyki albo do wyświetlenia wartości ciśnienia w ostaci ciągu znaków liczbowych. Do najoularniejszych rzetworników ciśnienia stosowanych w rzemyśle należą: rzetworniki ojemnościowe, rzetworniki iezorezystancyjne, rzetworniki iezoelektryczne (omiar ciśnień szybkozmiennych). 8.. Przetworniki iezorezystancyjne (tensometryczne). Przetworniki iezorezystancyjne (tensometryczne) wykorzystują efekt zmiany rezystancji materiału od wływem odkształcenia membrany na skutek działania ciśnienia. Na jednej z warstw owierzchni membrany wytrawiony jest zestaw iezorezystorów ołączonych, w najrostszej wersji, w układzie mostka Wheatstone a (Rys. 4). Identyczną zasadę działania mają czujniki tensometryczne, które zamiast ółrzewodnikowych iezorezystorów w układzie mostka mają tensometry oorowe. Czułość iezorezystora jest nawet dziesięciokrotnie większa niż tensometru oorowego, dlatego iezorezystory częściej stosuje się jako czujniki w omiarach sił oraz narężeń statycznych i dynamicznych. Zwłaszcza gdy często ożądane jest, aby konstrukcja czujnika była jak najmniejsza. Odkształcenie membrany Rys.4 owoduje odkształcenie ołączonych z nią iezorezystorów, zmieniając ich rezystancję. Dwa z nich (R i R3) umieszczone równolegle do kierunku narężenia są rozciągane i ich rezystancja rośnie. Dwa (R i R4) umieszczone rostoadle do kierunku narężenia są ściskane, a ich rezystancja maleje ze wzrostem ciśnienia. Mierzone naięcie nierównowagi mostka U wy jest roorcjonalne do odkształcenia membrany czujnika i do zmiany ciśnienia działającego na membranę. Czujniki iezorezystancyjne cechują się dużą trwałością, szerokim zakresem ciśnień i małymi rozmiarami. Mają zastosowanie do rejestracji i omiarów zarówno ciśnień statycznych jak i szybkozmiennych. 8.. Przetworniki ojemnościowe. Rys.5 Membrana metalowa lub kwarcowa okryta warstwą metalu wraz z równolegle do niej zamocowanymi o rzeciwnych stronach łytkami stałymi tworzy kondensator. Z jednej strony na membranę działa ciśnienie odniesienia, n. barometryczne, z drugiej zaś ciśnienie mierzone. W zależności od rodzaju ciśnienia odniesienia czujnik może mierzyć ciśnienie absolutne, nad- lub odciśnienie oraz ciśnienie 0
Laboratorium Termodynamiki i Pomiarów Maszyn Cielnych różnicowe. Pod wływem zmiany ciśnienia membrana ugina się owodując zmianę ojemności kondensatora, która owoduje zmianę naięcia wyjściowego U wy odłączonego do układu mostka. W zależności od rozwiązania mostek może być albo zrównoważony albo niezrównoważony. W rzyadku mostka zrównoważonego, o zmianie ciśnienia, a co za tym idzie odkształceniu membrany, układ dąży do wyzerowania naięcia U wy orzez zmianę ojemności regulowanego kondensatora. W układzie mostka niezrównoważonego mierzone ciśnienie jest roorcjonalne do stosunku naięcia wyjściowego U wy do naięcia zasilania. Poularne są również rzetworniki ojemnościowe z jedną ruchomą okładką kondensatora. Druga okładka jest nieruchoma. W tych rozwiązaniach okładka ruchoma osadzona jest na membranie i jej rzesunięcie jest bezośrednią funkcją zmiany ciśnienia. Przesunięcie membrany owoduje zmianę ojemności kondensatora. Zmiana ojemności jest rzetwarzana jest na sygnał wyjściowy albo rądowy albo naięciowy. 8.3. Przetworniki iezoelektryczne. Wykorzystuje się w tym wyadku zjawisko iezoelektryczne niektórych kryształków (kwarc, turmalin, sól Seignette a) olegające na owstawaniu różnych ładunków elektrycznych, ujemnych i dodatnich, na łaszczyznach łytek wyciętych rostoadle do osi elektrycznych kryształków. Rys.6 Ładunki te są roorcjonalne do siły działającej na owierzchni łytek Q = F. Płytki kryształków umieszcza się w odowiedniej obudowie (Rys. ) w ten sosób, by na owierzchniach skierowanych ku sobie owstawały ładunki jednoimienne. Powstała różnica otencjałów jest nastęnie wzmacniania i kondycjonowana w układach elektronicznych. Czujniki iezoelektryczne, ze względu na niską ojemność elektryczną łytki omiarowej w ołączeniu ze skończoną oornością układu omiarowego, nadają się jedynie do omiarów ciśnień szybkozmiennych, a w szczególności zmian ciśnienia w silnikach i maszynach tłokowych. Cechują się bardzo dużą trwałością, szerokim zakresem ciśnień i małymi rozmiarami. 8.4. Przetworniki działające na zasadzie zmian rzewodności cielnej gazów od wływem ciśnienia Drucik latynowy zamieszczony w osi cylindrycznego kanału, w którym anuje mierzone ciśnienie, zasilany jest rądem o stałym natężeniu. Temeratura drucika, a więc i jego oór zwiększa się w rzyadku gorszych warunków odrowadzenia cieła do ścianek kanału, czyli w rzyadku zmniejszenia się rzewodności cielnej gazu. Przewodność cielna gazu w końcu zależy od jego gęstości, a więc i ciśnienia. Drucik latynowy stanowi jedną z gałęzi mostka Wheatstone a. Na identycznej zasadzie działają tzw. różniomierze Piraniego do omiaru wysokich różni. 8.. Przetworniki oorowe Działanie ich oarte jest na zasadzie zmian ooru elektrycznego rzewodnika od wływem ciśnienia R = kr, gdzie k ciśnieniowy wsółczynnik oorności, którego wartość zależy od materiału oornika. Stosuje się manganin, dla którego k jest dodatni i wynosi około,50-6 [cm /kg]. Ze względu na małą wartość wsółczynnika k, czujniki te stosuje się do omiaru bardzo wysokich ciśnień rzędu tysięcy [bar]. 8.5. Przetworniki indukcyjne Zamianę imulsów ciśnienia na imulsy elektryczne można również osiągnąć rzez zmianę indukcyjności obwodu zasilanego rądem zmiennym. Cewka z żelaznym rdzeniem zasilana jest rądem zmiennym o wysokiej i stałej częstotliwości. Gdy na kotwicę umieszczoną na srężystej membranie działa ciśnienie, wtedy szerokość szczeliny między kotwicą a rdzeniem cewki ulegnie zmianie, a więc zmieni się też natężenie rądu w obwodzie omiarowym. 9. Srawdzanie i wzorcowanie manometrów W większości rzyrządów cechowanie wskaźników wyznacza się doświadczalnie, w związku z czym należy srawdzić rawidłowość wskazań tych rzyrządów bezośrednio o ich wykonaniu oraz okresowo w miarę uływu czasu ich użytkowania. Srawdzanie wskazań dokonuje się rzez orównanie ze wskazaniami rzyrządów wzorcowych samocechowalnych lub rzyrządów wzorcowych o wyższej klasie dokładności.
Laboratorium Termodynamiki i Pomiarów Maszyn Cielnych 0. Lista zagadnień do oanowania.. Definicja ciśnienia. Jednostki główne, jednostki ochodne i inne jednostki stosowane w raktyce. Przeliczanie jednostek.. Ciśnienie hydrostatyczne. 3. Rodzaje ciśnień w strumieniu rzeływającego łynu. Ciśnienie statyczne, dynamiczne i całkowite. Metody omiaru. 4. Ciśnienia względne i bezwzględne (absolutne). Definicje, oziomy odniesienia. Procent różni. 5. Klasyfikacja rzyrządów do omiaru ciśnienia: według rodzaju i zakresu mierzonego ciśnienia, według zasady działania i według rzeznaczenia. 6. Manometry hydrostatyczne: zasada omiaru i wyrowadzenie wzorów na różnicę ciśnień oraz rzełożenie. 7. Manometry hydrauliczne: zasada działania i rzeznaczenie. 8. Manometry i rzetworniki elektryczne: zasada działania i metody omiaru. 9. Przetworniki elektryczne: sosób odłączenia i wsółraca w układach sterowania i omiarowch. 0. Srawdzanie, wzorcowanie, cechowanie [].. Metoda wychyłowa i komensacyjna omiaru.. Błędy omiaru. Klasa dokładności rzyrządu omiarowego []. W niniejszym skrycie odano jedynie odstawowe informacje na temat omiaru ciśnień, stąd wskazane jest uzuełnienie wiedzy wykorzystując odaną niżej literaturę oraz inne dostęne źródła. Literatura uzuełniająca:. T.R. Fodemski Pomiary cielne cz.i i II (olecane). www.omega.com/literature/transactions (ang.) (olecane) 3. M. Mieszkowski - Pomiary cielne i energetyczne 4. T. Bohdal i in. Ćwiczenia laboratoryjne z termodynamiki 5. Miniskryty ZTiPMC - do wyożyczenia w Czytelni Biblioteki Głównej PK lub w czytelniach Domów Akademickich