POLITECHNIKA LSKA W GLIWICACH WYDZIAŁ INYNIERII RODOWISKA I ENERGETYKI INSTYTUT MASZYN I URZDZE ENERGETYCZNYCH Pomiar cinie Laboratorium metrologii (M 4) Opracował: dr in. Jacek Łyczko Sprawdził: dr in. Jan Około-Kułak Zatwierdził: dr hab. in. Janusz Kotowicz
1. CEL WICZENIA Celem wiczenia jest poznanie metod i przyrzdów słucych do pomiaru cinie wraz z uwzgldnieniem błdów i nieprawidłowoci, które mog wystpi w trakcie pomiarów cinienia. 2. WPROWADZENIE TEORETYCZNE Naprenie wystpujce w płynach, wywołane działaniem zewntrznych czynników, takich jak zmiany objtoci, zmiany cieplne, prdkoci, przyspieszenia itp. charakteryzuje si wielkoci nazywan cinieniem. Warto cinienia p jest definiowana jako siła F działajca prostopadle na powierzchni A F p = A W przypadku słupów cieczy lub gazów o wysokoci h, hgρ p = gdzie: ρ - gsto g przyspieszenie ziemskie Jednostki cinienia jednostka podstawowa wg układu SI to paskal N kg 1Pa = 1 = 1 2 2 m m s inne spotykane obecnie lub dawniej jednostki zestawiono w tablicy jednostka przelicznik uwagi N/m 2 niuton na metr kwadratowy 1 N/m 2 = 1 Pa dyn/cm 2 dyna na centymetr kwadratowy 1 dyn/cm 2 = 10-1 Pa jedn. nielegalna (baria) Bar Bar 1 bar = 10 5 Pa jedn. nielegalna kg/m 2 kilogram-siła na metr 1 kg/m 2 = 9,80665 Pa jedn. nielegalna kwadratowy at; kg/cm 2 atmosfera techniczna; kilogramsiła na centymetr kwadratowy 1 at = 1 kg/cm 2 = 98066,5 Pa jedn. nielegalna Atmo atmosfera fizyczna 1 atm = 760 mm Hg = jedn. nielegalna 101325 Pa Mm Hg; Tr milimetr słupa rtci; tor 1 mm Hg = 1 Tr = 133,322 jedn. nielegalna Pa Mm H 2 O milimetr słupa wody 1 mm H 2 O = 9,80665 Pa jedn. nielegalna jednostki anglosaskie in H 2 O cal słupa wody 1 in H 2 O = 249,089 Pa in Hg cal słupa rtci 1 in Hg = 3386,39 Pa lbf/in 2 funt-siła na cal kwadratowy 1 lbf/in 2 = 6894,76 Pa Laboratorium metrologii. Pomiar cinie 2
Terminologia stosowana przy okrelaniu cinienia: Cinienie całkowite, dynamiczne i statyczne Cinienie bezwzgldne, wzgldne, manometryczne Nadcinienie, podcinienie, prónia procentowa 3. PRZYRZDY DO POMIARU CINIENIA (RÓNICY CINIE) Manometry hydrostatyczne (U-rurki) Jest najprostszym przyrzdem do pomiaru cinienia. Składa si najczciej z rurki szklanej wygitej w kształt litery U. Cieczami manometrycznymi najczciej s woda, rt lub alkohol. Zakres pomiarowy zwykle od 0 do 1000 mm słupa cieczy. Dokładno pomiarowa to ok. 1 mm słupa cieczy. Stosowane s manometry jedno- i dwuramienne oraz do pomiaru małych cinie mikromanometry. Manometry piercieniowe (wagi piercieniowe) Podstawowym elementem jest ruchomy piercie czciowo wypełniony ciecz pomiarow. Punkt podparcia piercienia znajduje si nieco powyej rodka cikoci. W połoeniu zerowym ciecz stoi po obu stronach na tej samej wysokoci. Pod wpływem jednostronnego nadcinienia p równowaga ta zostaje zakłócona, po drugiej stronie ciecz si wychyla i na komor zaczyna działa moment obrotowy. Wywołuje to moment przeciwny (od rodka cikoci komory) a do uzyskania równowagi. Mierzona rónica cinie jest proporcjonalna do sinusa kta wychylenia α. Manometry pływakowe i dzwonowe Składaj si z wypełnionej ciecz obudowy oraz pływajcego dzwonu zanurzeniowego, pod który zostaje doprowadzony impuls mierzonego cinienia. Przyrzd ten słuy głównie do pomiaru małych wartoci cinienia oraz jako czujnik rejestratorów. Podobnie działa manometr pływakowy. Laboratorium metrologii. Pomiar cinie 3
Manometry sprynowe Czujnikiem pomiarowym jest z reguły spryna metalowa. W grupie tej mona wyróni: Manometry przeponowe Manometry rurkowe Manometry puszkowe i mieszkowe Zaletami s niewraliwo na wstrzsy, niski koszt produkcji oraz moliwo pomiaru duych cinie. Wad jest konieczno wzorcowania oraz stosowania odpowiednich warunków zabudowy przy pomiarze cinie cieczy gorcych (np. pary wodnej). Przetworniki elektryczne cinienia/rónicy cinie Wykorzystuj róne właciwoci fizyczne/elektryczne w celu okrelenia cinienia. W grupie tej wystpuj mierniki: oporowe, piezoelektryczne Laboratorium metrologii. Pomiar cinie 4
i tensometryczne. Charakteryzuj si du dokładnoci przetwarzania oraz moliwoci pomiaru wielkoci szybkozmiennych (mała bezwładno własna czujnika). Najczciej s zintegrowane z układami przetwarzajcymi, gdzie sygnałem wyjciowym jest zunifikowany sygnał napiciowy lub prdowy. Rurki spitrzajce Rurki spitrzajce (Prandtla i Pitota) słu do pomiaru cinienia dynamicznego i/lub całkowitego. Zasada działania rurek polega na przekształceniu energii dynamicznej strugi czynnika (przez wyhamowanie) na energi potencjaln cinienia, które jest nastpnie mierzone np. przy uyciu manometru typu U-rurka lub mikromanometru. 4. INSTALACJA MANOMETRÓW Prawidłowa instalacja cinieniomierzy jest warunkiem koniecznym do uzyskania wiarygodnych wyników pomiarów. Cinieniomierz tylko wtedy bdzie wskazywał cinienie statyczne, gdy płyn bdzie w spoczynku lub składowa wektora prdkoci w kierunku otworu króca bdzie równa zeru. Jeli przepływ ma charakter pulsujcy, stosuje si złcze z kapilar (zwykle o długoci 50 mm i rednicy 0.5-1.0 mm). Przed kadym cinieniomierzem powinien znajdowa si kurek trójdrony, który umoliwi: Odłczenie cinieniomierza, Włczenie cinienia, Sprawdzenie zerowania si cinieniomierza, Przyłczenie manometru kontrolnego, Przedmuchanie przewodu doprowadzajcego cinienie. Laboratorium metrologii. Pomiar cinie 5
W celu ochrony sprystego czujnika cinienia przed szkodliwym działaniem czynnika gorcego (np. pary wodnej), agresywnego chemicznie, zapylenia lub zalania gstniejc ciecz stosuje si ciecze poredniczce, przekazywanie cinienia przez przepon niespryst lub cigłe przepłukiwanie przewodu pod cinieniem objtym gazem lub ciecz. Przy przekazywaniu cinienia na odległo stosuje si przewody rurowe o rednicy φ 4-6 mm dla gazów i φ 10-12 mm dla cieczy. Wskazania cinieniomierzy mog by podczas pomiarów obarczone błdami spowodowanymi midzy innymi przez: Zastosowanie niesprawdzonego manometru, Zatkanie si lub nieszczelno rurek impulsowych doprowadzajcych cinienie do miernika, Rónic wysokoci geodezyjnej pomidzy punktem poboru cinienia i miejscem zainstalowania manometru, gdy przewody zalane s ciecz lub kondensatem (jest to błd systematyczny), Niecałkowite wypełnienie przewodów ciecz poredniczc, w przypadku tego typu pomiaru (błd klasyfikowany jako przypadkowy), Wykroplenie si wilgoci i zalanie ni niej połoonych przewodów, w przypadku pomiaru cinienia gazu. 5. PRZEBIEG WICZENIA Zaznajomi si z budow i zasadami działania poszczególnych rodzajów manometrów. Zanotowa zakresy pomiarowe i inne dane eksploatacyjne przyrzdów. Dokona odczytów wysokoci słupa rtci i temperatury otoczenia dla barometru. Wyznaczy charakterystyki statyczne sprawdzanych manometrów. Wyniki pomiarów zanotowa we właciwych tabelach Obliczenie cinienia atmosferycznego w czasie zaj, na podstawie odczytu wysokoci słupa rtci w barometrze oraz aktualnej temperatury otoczenia. Uwzgldnienie poprawki temperaturowej. Obliczenie niedokładnoci pomiaru spowodowanej przez niedokładno pomiaru wysokoci słupa cieczy manometrycznej. Laboratorium metrologii. Pomiar cinie 6
6. OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW Obliczy warto cinienia atmosferycznego na podstawie serii dokonanych pomiarów wysokoci słupa rtci i temperatury otoczenia oraz okreli dokładno otrzymanego wyniku. Wykreli charakterystyki statyczne wagi piercieniowej, manometru przeponowego i przetwornika cinienia przy uyciu manometru cieczowego typu "U-rurka". Przeprowadzi analiz poprawnoci wskaza, sprawdzanego pras hydrauliczn, manometru sprynowego. Obliczy dokładno wartoci cinienia mierzonego przy uyciu mikromanometru. 7. SPRAWOZDANIE Sprawozdanie powinno zawiera: Stron tytułow (nazw wiczenia, numer sekcji, nazwiska i imiona wiczcych oraz dat wykonania wiczenia). Dane przyrzdów pomiarowych. Schematy układów pomiarowych. Tabele wyników pomiarowych ze wszystkich stanowisk. Obliczenia i wykresy wymienionych wielkoci i zalenoci. Uwagi i wnioski (dotyczce przebiegu charakterystyk, ich odstpstw od przebiegów teoretycznych, rozbienoci wyników na rónych stanowiskach itp.). Laboratorium metrologii. Pomiar cinie 7
ZAŁCZNIK: TABELE POMIAROWE Pomiar cinienia atmosferycznego L.p. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Imi i nazwisko wysoko słupa rtci h Hg [mm Hg] temperatura otoczenia t ot [ o C] dokładno pomiaru temp. otoczenia t ot [ o C] dokładno pomiaru wysokoci słupa rtci h Hg [mm Hg] Laboratorium metrologii. Pomiar cinie 8
Charakterystyki statyczne rónych rodzajów manometrów l.p. L U-rurka [mm H 2 O] P waga piercieniowa [mm Hg] manometr membranowy [mm H 2 O] przetwornik rónicy cinie [mv] Laboratorium metrologii. Pomiar cinie 9
Wzorcowanie manometru sprynowego przy uyciu prasy hydraulicznej l.p. obcienie [kg], [MPa] manometr 1 [MPa] manometr 2 [MPa] Uwagi rednica tłoka d [mm] dokładno pomiaru rednicy tłoka d [mm] Laboratorium metrologii. Pomiar cinie 10