Pomiar ciśnienia - T. Kapusta.pdf - Termodynamika - hivantera

T 04 - Pomiar ciśnień 2/13

POMIAR CIŚNIEŃ

Wiadomości teoretyczne do ćwiczenia „Pomiar ciśnień” konieczne do opanowania przez studentów zawarte są

w niniejszej instrukcji oraz

- Pomiary cieplne WNT 1995 cz. I str. 161 - 185 lub

- Pomiary cieplne i energetyczne WNT 1981 str. 178 - 193

1. CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawami teoretycznymi i praktycznymi pomiaru ciśnienia oraz

budową ciśnieniomierzy, ich obsługą, a także metodami skalowania i sprawdzania przyrządów pomiarowych.

2. OKREŚLENIA PODSTAWOWE

Jeśli w płynie na dowolny element powierzchni Δ A zawierający punkt M działa parcie Δ F (wypadkowa sił

powierzchniowych normalna do powierzchni), to siła normalna d o pow ie rzchni w punkcie M wynosi:

lim

Δ 0

→

Wartość liczbową p wektora p nazywa się ciśnieniem w punkcie M.

Z pojęciem ciśnienia w płynach wiążą się następujące stwierdzenia:

- ciśnienie w danym punkcie płynu będącego w spoczynku jest jednakowe we wszystkich kierunkach,

- ciśnienie w płynie znajdującym się w stanie równowagi jest w każdym punkcie prostopadłe do powierzchni, na

którą działa,

- przy pominięciu sił ciężkości i innych sił masowych ciśnienie w każdym punkcie płynu jest jednakowe.

Najprościej ciśnienie można zdefiniować jako stosunek siły do powierzchni, na którą ta siła działa.

p =

W zastosowaniach technicznych wpływ sił ciężkości (zwłaszcza na ciecze) jest zazwyczaj niepomijalny.

Traktując pole sił grawitacyjnych jako jednorodne - powierzchnie jednakowego ciśnienia otrzymuje się jako

płaszczyzny poziome (powierzchnie normalne do kierunku siły ciężkości). W tak określonym polu grawitacyjnym o

przyspieszeniu g ciśnienie działające na powierzchnię podstawy słupa jednorodnego płynu o gęstości i wysokości h

wynosi

W wielu zastosowaniach praktycznych przyjęło się traktować wysokość słupa cieczy jako miarę ciśnienia.

Ciśnienie mierzone w porównaniu z próżnią absolutną nosi nazwę ciśnienia absolutnego albo bezwględnego,

przy czym ciśnienie absolutne atmosfery przyjęto nazywać ciśnieniem barometrycznym (lub atmosferycznym)

Przyrządy do pomiaru ciśnienia mierzą zazwyczaj nie jego wartość, lecz różnicę od poziomu odniesienia. Jeśli

różnicę tę wywołuje ciśnienie absolutne wyższe od poziomu odniesienia, to nazywa się ją nadciśnieniem p n , a gdy

niższe to podciśnieniem p p .

Gdy płyn znajduje się w ruchu, to rozróżnia się pojęcie ciśnień: statycznego, dynamicznego i całkowitego.

Ciśnienie statyczne - ciśnienie jakie pokazałby przyrząd poruszający się z prędkością strugi w tym samym co

ona kierunku.

Ciśnienie dynamiczne - ciśnienie powstające w wyniku izentropowego wyhamowania strumienia płynu do

prędkości równej zero i zmiany jego energii kinetycznej w energię potencjalną (ciśnienia). Dla płynów nieściśliwych

oblicza się wzorem

p ρ

p d

Ciśnienie całkowite zwane także ciśnieniem spiętrzenia jest równe sumie ciśnienia statycznego oraz ciśnienia

dynamicznego.

Rys. 1. Rodzaje ciśnień

T 04 - Pomiar ciśnień 3/13

Zgodnie z obowiązującym układem jednostek SI jednostką podstawową ciśnienia jest paskal (Pa) czyli N/m 2 .

Ponieważ jest to jednostka bardzo mała, w praktyce, poza pomiarami próżni, są używane jednostki wielokrotnie

większe np

- 1 hPa = 10 2 Pa

- 1 MPa = 10 6 Pa

Ze względu na posługiwanie się aparaturą pomiarową wyprodukowaną w latach ubiegłych, zmuszeni jesteśmy

do posługiwania się tymczasowo innymi jednostkami:

- atmosfera techniczna

1 at = 1 kG/cm 2 = 98 066,5 Pa

- bar

1 bar = 10 5 Pa

- Tor

1 Tr = 1 mm Hg =133,322 Pa

- mm słupa wody

1 mm H 2 O = 9,80665 Pa

- atmosfera fizyczna

1 atm = 101325 Pa

3. KLASYFIKACJA PRZYRZĄDÓW POMIAROWYCH

Przyrządy do pomiaru ciśnienia klasyfikuje się wg różnych kryteriów. Można np. wprowadzić podział na

manometry mierzące różne rodzaje ciśnienia: nadciśnienie (manometry), podciśnienie (tzw. wakuometry) i ciśnienie

bezwzględne oraz próżnię (próżniomierze). Częsty jest podział wg zastosowania i klasy dokładności, np.: ruchowe,

laboratoryjne, kontrolne, wzorcowe. Kolejnym kryterium podziału jest podział wg zasady działania na manometry

cieczowe, sprężyste i parametryczne.

3.1 Manometry cieczowe

Zasada pomiaru ciśnienia za pomocą manometrów cieczowych polega na samoczynnym ustaleniu się

równowagi stałej między ciśnieniem mierzonym a ciśnieniem hydrostatycznym słupa cieczy manometrycznej w

przyrządzie stanowiącym naczynie połączone. Od cieczy manometrycznej wymaga się aby:

• tworzyły wyraźny menisk

• nie mieszały się

• nie wchodziły w reakcję chemiczną z płynami, z którymi się stykają

• nie zmieniają swej gęstości poprzez pochłanianie lub odparowanie innych składników

• powinny charakteryzować się małym współczynnikiem rozszerzalności cieplnej

• posiadać mały stopień zwilżania szkła

• posiadać kontrastowy kolor lub trwale się barwić

• przy pomiarze ciśnień bliskich próżni ważną cechą jest mała prężność pary cieczy manometrycznej.

Najczęściej jako ciecze manometryczne stosowane są: rtęć, czterobromoetan, chloroform, dwusiarczek węgla,

wodę, toulen i oleje silikonowe.

Na dokładność pomiaru manometrami cieczowymi w głównej mierze ma wpływ:

- zmiana temperatury otoczenia (wpływ złożony przez oddziaływanie na długość skali, gęstość cieczy

manometrycznej i napięcie powierzchniowe),

- włoskowatość,

- zmiana gęstości cieczy manometrycznej,

- poziom zamocowania manometru,

- niedokładność ustawienia pionu rurek manometrycznych oraz dla niektórych typów manometrów złe

ustawienie zera.

Jeśli temperatura otoczenia, przy której dokonano pomiaru ciśnienia jest inna niż temperatura cechowania to

poprawkę temperaturową obliczamy:

( ) ( )

]

gdzie: T - temperatura przy której dokonano pomiaru, T s - temperatura cechowania, T n - temperatura do której należy

zredukować wskazania manometru, h 0 - wysokość słupa cieczy wyrażona w działkach o wielkości nominalnej,

jaką wykazałby manometr, gdyby pomiar odbywał się w temperaturze T n , h - zmierzona wysokość słupa cieczy,

β - współczynnik rozszerzalności skali np dla szkła (5÷12) 10 -6 1/K, dla mosiądzu 19·10 -6 1/K, dla drewna 5· 10 -

6 1/K, α - współczynnik rozszerzalności objętościowej cieczy manometrycznej.

[

−

Manometry cieczowe mierzą ciśnienie panujące w miejscu przyłączeniu tylko wtedy, gdy są umieszczone na

odpowiedniej wysokości. Manometr powinien być usytuowany tak, by na poziomie miejsca odbioru znalazł się

w przypadku pomiaru:

- nadciśnienia - dolny poziom cieczy manometrycznej

- podciśnienia - górny poziom cieczy manometrycznej

T 04 - Pomiar ciśnień 4/13

3.1.1 Manometr cieczowy dwuramienny ( U-rurka)

Przyrząd elementarny stanowi szklana, wygięta w kształcie litery U rurka o pionowych ramionach

wypełnionych częściowo cieczą manometryczną o znanej gęstości ρ. Manometr ten mierzy różnicę ciśnień

działających na swobodne powierzchnie cieczy w rurkach.

Z równania równowagi sił dla przekroju A-A różnica ciśnień wynosi

(

−

ρ −

) g

Rys. 2. Manometr cieczowy dwuramienny

Manometry tego typu w wykonaniach przemysłowych są bardzo dużą i rozbudowaną grupą przyrządów.

Zachowując niezmienną zasadę pomiaru, są wyposażone w wiele urządzeń pomocniczych, jak ruchome skale, zawory

odcinające, odpowietrzające, spustowe, naczynia zbiorcze zabezpieczające przed wypływem cieczy mierniczej, osłony

specjalne. Najbardziej rozpowszechnionym przykładem przemysłowego zastosowania manometru dwuramiennego jest

manometr typu MUR (rys. 3.2).

−

Jeśli gęstości ρ 1 i ρ 2 są zbliżone do siebie i mniejsze od ρ to zależność powyższa upraszcza się do

Rys.3.2. Manometr typu MUR

1 - łącznik

2 - blok zaworowy

3- zawory odpowietrzające

4 - zawory odcinające

5 - zawór wyrównawczy do regulacji zera

6 - pokrętło do zaworów

7 - naczynie

8 - rurka szklana

9 - blok dolny

10 – pokrętło umocowujące osłonę

11 - osłona przednia

12 - obudowa

13 - wspornik do umocowania manometru

Obudowę manometru stanowi masywny ceownik (12), do którego w górnej części jest przymocowany blok

zaworowy (2), a w dolnej części blok (9) z zaworem do odprowadzania lub wprowadzania cieczy manometrycznej.

Między blokami w dławnicach z uszczelkami gumowymi, są umocowane rurki szklane przechodzące w górnej części w

naczynie przechwytujące ciecz manometryczną w przypadku nadmiernego wzrostu różnicy ciśnień. Zawory

odpowietrzające (3) służą do usuwania pęcherzy powietrza z przewodów łączących, wypełnionych cieczą lub

przedmuchiwanie przewodów łączących w przypadku wypełnienia gazem. Podziałka jest naniesiona na wewnętrznej

powierzchni osłony wykonanej ze szkła organicznego.

T 04 - Pomiar ciśnień 5/13

3.1.2 Manometr jednoramienny

Jest to przekształcona U - rurka, w której jedno ramię zastąpiono naczyniem o znacznie większym w stosunku

do rurki przekroju. Duże zmiany poziomu cieczy w rurce odpowiadają nieznacznym wahaniom swobodnej powierzchni

cieczy w naczyniu. Rzeczywista wysokość cieczy h uwzględniająca zmierzoną wysokość h 2 i zmianę poziomu w

naczyniu h 1 , jeśli przekroje rurki są odpowiednio A r i A n . wynosi

⎜

⎝

⎟

⎠

Rys.3.3 Manometr cieczowy jednoramienny

Jeśli A r << A n to zmianę poziomu cieczy w naczyniu można pominąć. W wykonaniach technicznych, w celu

uzyskania dokładnego pomiaru stosuje się przesuwanie skali wg wskaźnika poziomu cieczy w naczyniu, nastawny

wypełniacz naczynia do regulacji poziomu zerowego, bądź nacina się skalę uwzględniającą zmianę poziomu

odniesienia.

3.1.3. Manometr z rurką pochyłą

Przy pomiarze małych ciśnień rzędu kilku czy kilkunastu mm słupa cieczy stosuje się przyrządy w których

dokonuje się pomiaru długości słupa cieczy w pochyłym ramieniu zamiast różnicy jej poziomów.

Przyrząd ten, będący rozwinięciem technicznym manometru jednoramiennego przez pochylenie ramienia pod

określonym kątem α do poziomu, mierzy ciśnienie określane różnicą poziomów h w wyniku pomiaru długości słupa

cieczy l. Uwzględniając, że wzrost poziomu cieczy h 2 w rurce pochyłej odpowiada spadkowi poziomu h 1 w naczyniu i

oznaczając odpowiednio przekrój naczynia i rurki przez A n i A r otrzymuje się

⎜

⎝

sin

⎟

⎠

Jeśli A r <<A n to można pominąć stosunek przekroju rurki i przekroju naczynia i korzystać z

h = l sin α

W wykonaniach technicznych manometry te mają rurki zarówno o stałym, jak i nastawialnym kącie pochylenia.

W przyrządach o nastawialnym kącie nachylenia podziałka skali jest wykonana dla jednego kąta a dla innych położeń

podane jest tzw. przełożenie manometru i

sin

a wówczas h = l / i

Rys. 3.4 Manometr cieczowy z rurką pochyłą

Jednym z tego typu manometrów jest manometr Recknagla przedstawiony na rys. 3.5.

⎛

⎞

⎛

⎞

T 04 - Pomiar ciśnień 6/13

Rys. 3.5 Manometr Recknagla:

1 - zbiornik,

2 - rurka,

3 - podstawa,

4 - podzielnia,

5 - śruba,

6 - podziałka,

7 - poziomnice

Manometr ten posiada kilka położeń ustawienia ramienia przez co można zmieniać zarówno zakres jak i

dokładność pomiaru. W praktyce dla danej cieczy manometrycznej dobiera się kilka położeń rurki o kątach takich aby

iloczyn ρ m. g sinα był równy 0,1; 0,2; 0,3; ....

Przy posługiwaniu się tego typu manometrami należy zwracać uwagę na dokładne ustawienie przyrządu wg

poziomnicy. Błąd ten wzrasta przy zmniejszaniu się kąta α.

3.1.4 Manometr pierścieniowy (waga pierścieniowa)

Podstawowym elementem manometru jest zamknięty pierścień rurowy (1) wypełniony cieczą i podparty w

łożysku (2). W górnej części pierścienia znajduje się szczelna przegroda (3) oraz króćce (4) i (5), za pomocą których

doprowadzane są impulsy ciśnienia. W zależności od przyłożonej różnicy ciśnień pierścień może się obracać wokół

punktu podparcia. W przypadku, gdy siły działające po obu stronach przegrody są różne, ciecz znajdująca się w dolnej

części pierścienia przemieści się jak w manometrze U - rurkowym. Wychyleniu słupa cieczy towarzyszy naruszenie

równowagi statycznej przyrządu. Nowe położenie równowagi jest funkcją różnicy ciśnień, którą określa się zależnością

−

sin

Rys. 3.6 Waga pierścieniowa

C - stała dla danego przyrządu, zależna od jego

wymiarów, ϕ - kąt obrotu pierścienia

Z powyższego wynika że mierzona różnica ciśnień jest proporcjonalna do sinusa kąta wychylenia. Z tego też

powodu podziałki tego rodzaju manometrów są nierównomierne.

Ponieważ ze względów konstrukcyjnych kąt obrotu pierścienia nie powinien przekraczać 60°, ogranicza to

długość podziałki przy bezpośrednim połączeniu wskazówki miernika z pierścieniem. W celu zwiększenia podziałki

stosuje się między pierścieniem a osią wskazówki miernika specjalną przekładnię. Kąt obrotu na wyjściu z przekładni

jest proporcjonalny do różnicy ciśnień (podziałka tych mierników jest proporcjonalna.

3.1.5 MIKROMANOMETR KOMPENSACYJNY

Mikromanometr kompensacyjny zwany również mikrometrem „Askania” stosowany jest do pomiaru małych

ciśnień w zakresie 0 - 150 mm H 2 O z dokładnością sięgającą 0,02 - 0,04 mm H 2 O, oraz może być wykorzystany do

cechowania innych przyrządów. Cieczą manometryczną jest woda.

Mikromanometr Askania posiada zbiornik większy podnoszony do góry za pomocą śruby mikrometrycznej,

oraz zbiornik mniejszy przesuwany w górę i w dół jedynie o kilkanaście milimetrów. Oba zbiorniki są połączone

wężem gumowym.

Przy ciśnieniu atmosferycznym w obu zbiorniczkach należy ustawić zbiornik większy w położeniu zerowym,

mniejszy w położeniu takim aby ostrze kolca zanurzonego w wodzie destylowanej dotykało swym końcem menisku.

Gdyby nie było to możliwe należy dodać lub ująć nieco wody.

p =

Pomiar ciśnienia - T. Kapusta.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: