Ciśnienia PDF

Preview

Summary

Zbiór pojęć nt. Ciśnienia...

Description

POMIAR CIŚNIENIA 1. PODSTAWOWE POJĘCIA Jednym z podstawowych parametrów określających termodynamiczny stan ciała jest ciśnienie. Pomiar ciśnienia jest elementem składowym prawie wszystkich pomiarów występujących w praktyce inżynierskiej. Ciśnienie jest wywierane na ciała stałe i płyny w kierunku prostopadłym do ich powierzchni. W ogólnym przypadku ciśnienie P definiuje się jako granicę stosunku siły normalnej do powierzchni do pola tej powierzchni, gdy wartość pola powierzchni dąży do zera

P = lim

∆ A→ 0

Fn ∂Fn = A ∂A

gdzie: Fn - składowa siły prostopadła do powierzchni, A - pole powierzchni. Gdy siła Fn rozłożona jest równomiernie na powierzchni, wówczas ciśnienie określa wzór:

P=

Fn A

Wartość mierzonego ciśnienia zależy od przyjętego poziomu odniesienia. Ciśnienie zmierzone względem próżni jest nazywane ciśnieniem absolutnym lub bezwzględnym i najczęściej bywa oznaczane literą P. Ciśnienie manometryczne Pm - jest to różnica ciśnienia absolutnego i ciśnienia otoczenia, którym najczęściej jest ciśnienie atmosferyczne, wskazywane przez barometr. Ciśnienie manometryczne może przyjmować wartości większe od zera i wówczas mówi się o nadciśnieniu lub wartości mniejsze od zera i wówczas mówi się o podciśnieniu lub tzw. „próżni". Ciśnienie wywierane przez słup powietrza atmosferycznego nosi nazwę ciśnienia barometrycznego (atmosferycznego) i oznaczane jest przez Pb. Wzajemne zależności między omówionymi ciśnieniami pokazano na rys. 1.

Rys. 1. Rodzaje ciśnień Ciśnienie wywierane przez słup płynu nosi nazwę ciśnienia hydrostatycznego i jest określone wzorem:

P = ρ⋅g⋅h gdzie: ρ - gęstość cieczy manometrycznej, g - przyspieszenie grawitacyjne,

1

h - wysokość słupa cieczy. W układzie międzynarodowym jednostek miar SI podstawową jednostką ciśnienia jest paskal. Jeden paskal jest to ciśnienie, które wywiera siła 1N działająca równomiernie na powierzchnię o polu 1m2. Ponieważ paskal jest jednostką ciśnienia bardzo małą, np.: ciśnienie barometryczne wyraża się liczbą około 105 Pa, stąd w technice używa się wielokrotności tej jednostki: kilopaskali (1 kPa = 103 Pa) oraz magapaskali (l MPa = 106 Pa). Innymi jednostkami, w których wyraża się wielkość ciśnienia są:

kG N = 9,80665 ⋅10 4 2 = 0,0981 MPa 2 cm m Bar 1bar = 105 Pa Tor (Wysokość słupa rtęci) 1Tr = 1mmHg = 133,3Pa Wysokość słupa wody 1mmH 2O = 9,81Pa Atmosfera techniczna 1at = 1

2. PRZYRZĄDY DO POMIARU CIŚNIENIA – SPRAWDZANIE I WZORCOWANIE CIŚNIENIOMIERZY

CIŚNIENIOMIERZE.

W zależności od przyjętego ciśnienia odniesienia wyróżniamy następujące rodzaje ciśnieniomierzy: absolutne – do pomiaru ciśnienia absolutnego, różnicowe - do pomiaru różnicy ciśnienia, manometry - do pomiaru nadciśnienia, wakuometry - do pomiaru podciśnienia, manowakuometry - do pomiaru nadciśnienia i podciśnienia, Sprawdzaniem nazywa się czynność porównania wskazań przyrządu pomiarowego z przyrządem wzorcowym w celu skontrolowania przyrządu i ewentualnego wprowadzenia poprawek. Wzorcowanie manometru polega na wyznaczaniu charakterystyki, czyli zależności wskazań przyrządu od rzeczywistej (wzorcowej) wartości ciśnienia lub zależności odchyłki wskazań przyrządu (w stosunku do przyrządu wzorcowego) od jego podziałki. Cechowaniem określa się operację umieszczania na narzędziu pomiarowym oznaczeń stwierdzających jego zgodność z wymaganiami technicznymi, normami lub przepisami legalizacyjnymi.

2.1. SPRAWDZANIE HYDROSTATYCZNYCH

I

WZORCOWANIE

MANOMETRÓW

W przyrządach tego rodzaju mierzone ciśnienie równoważone jest hydrostatycznym ciśnieniem słupa cieczy. Do sprawdzania używa się mikromanometru Askania. 2.1.1. Wzorcowanie mikromanometrów Schemat ideowy układu do wzorcowania mikromanometrów pokazano na rys.2. Manometrem wzorcowym jest mikromanometr Askania, manometrami badanymi są: mikromanometr Recknagla, manometr przeponowy i dwa manometry U-rurkowe. Wzorcowanie przeprowadza się w całym zakresie pomiarowym mikromanometru Askania. Ciśnienie w układzie jest wytwarzane za pomocą pompki wodnej (rys.2).

2

Rys. 2. Schemat ideowy układu do wzorcowania mikromanometrów: 1 — mikromanometr Askania, 2 - mikromanometr Recknagla, 3 - manometr przeponowy, 4 - U-rurka wypełniona rtęcią., 5 - U-rurka wypełniona woda, 6 — pompka wodna Sposób pomiaru 1. Ustawić przyrządy w pozycji roboczej: manometry Askania i Recknagla ustawia się w pionie za pomocą poziomic wbudowanych w te przyrządy; manometry U-rurkowe ustawia się za pomocą pionu murarskiego; manometr przeponowy jest wbudowany zgodnie z zaleceniem podanym na tarczy. 2. Wyzerować mikromanometry Askania i Recknagla zgodnie ze wskazówkami podanymi niżej (pozostałe przyrządy nie wymagają zerowania). 3. Podłączyć mikromanometr Askania do źródła ciśnienia (pozostałe manometry są podłączone na stałe). 4. Wytworzyć ciśnienie w układzie za pomocą pompki wodnej przez podniesienie naczynia A - rys. 2 o jeden uskok do góry. 5. Zmierzyć wartość uzyskanego ciśnienia za pomocą mikromanometru Askania (patrz niżej). 6. Odczytać wskazania przyrządów wzorcowanych. 7. Powtórzyć czynności z pkt. 5 i 6, podnosząc naczynie A za każdym razem o jeden uskok w górę, wytwarzając w ten sposób odpowiednie ciśnienie w całym zakresie pomiarowym manometru Askania. 2.1.2. Wzorcowanie mikromanometru Recknagla Sprawdzanie manometru Recknagla polega na ustaleniu rzeczywistego błędu wskazania przyrządu (przy zadanym położeniu) i porównaniu go z błędem granicznym wynikającym z klasy przyrządu (dla danego położenia). Sprawdzenia dokonuje się mierząc jednocześnie zadaną wartość ciśnienia manometrem wzorcowym i manometrem badanym (patrz Rys.3). Manometrem wzorcowym jest manometr Askania typu MK-2. Wzorcowanie przeprowadza się aż do uzyskania maksymalnego wychylenia (1) w manometrze Recknagla. Nadciśnienie w układzie wytwarzane jest za pomocą drugiego manometru Askania spełniającego rolę pompki wodnej (podnoszenie zbiornika 1 powoduje sprężenie powietrza nad powierzchnią cieczy drugiego zbiornika 2).

3

Rys.3 Schemat układu do sprawdzania manometru z pochyłym ramieniem; 1- manometr Askania (wzorcowy), 2- manometr Recknagla, 3- pompka wodna (manometr Askania pomocniczy). Sposób pomiaru. 1. Ustawić przyrząd w pozycji pracy (manometry Askania i manometr Recknagla ustawia się za pomocą poziomic wbudowanych w te manometry). 2. Wyzerować manometr Askania zgodnie ze wskazówkami podanymi w instrukcji poniżej. 3. Połączyć manometr Askania z pozostałymi przyrządami. 4. Wytworzyć ciśnienie w układzie za pomocą pompki wodnej. W tym celu podnieść naczynie 1 w pomocniczym manometrze ASKANIA (za pomocą śruby mikrometrycznej 7, kręcąc w prawo) na wysokość 10 mm. 5. Odczytać wartość ciśnienia z wzorcowanego manometru Askania. 6. Odczytać wychylenie cieczy w manometrze Recknagla. 7. Podnieść naczynie 1 w pomocniczym manometrze Askania o kolejne 10 mm i po ustaleniu się ciśnienia wykonać czynności z punktów 5 i 6. 8. Podnosić naczynie 1 w pomocniczym manometrze Askania tak długo, aż osiągnie się maksymalne wychylenie cieczy w manometrze Recknagla. 2.1.3. Manometr dwuramienny, tzw. U – rurkowy – budowa i zasada działania Za pomocą manometrów U - rurkowych można mierzyć nadciśnienie, podciśnienie oraz różnicę ciśnień w zależności od sposobu przyłączenia. Jest to najprostszy manometr służący do pomiaru technicznych ciśnień, w tym m.in. do pomiaru małej różnicy ciśnień, jak np. przy przepływie płynów przez zwężkę. Najważniejszą częścią tego manometru (rys. 4) jest rurka szklana (1) zgięta na kształt litery U, deska mocująca (2) oraz podziałka milimetrowa (3). Zasada działania manometrów U - rurkowych oparta jest na równości ciśnień na poziomych powierzchniach ekwipotencjalnych w naczyniach połączonych. Pomiarowi podlega przesunięcie słupa cieczy manometrycznej (spiętrzenie) h. Wobec tego, że na poziomie niższej powierzchni cieczy ciśnienia w obu ramionach są jednakowe, to

P1 = γ ⋅ h + P2 a różnica ciśnień wynosi:

P2 − P1 = ∆P = γ ⋅ h = ρ ⋅ g ⋅ h gdzie: γ - ciężar właściwy cieczy manometrycznej [N/m3], W trakcie pomiarów tym przyrządem należy unikać wychyleń (wysokości słupa) mniejszych od 100 mm, ze względu na zmniejszającą się dokładność pomiarów. Dla określonego ciśnienia wychylenie to zależy od gęstości użytej cieczy ( h =

∆P ). Do mierzenia niedużych ciśnień należy stosować ciecze o ρg

małej gęstości. W praktyce wykonuje się U - rurki do pomiaru ciśnień nie przekraczających 300 kPa.

4

Podyktowane to jest m.in. trudnością w utrzymaniu jednakowej temperatury (gęstości) cieczy manometrycznej na poziomach różniących się znacznie wysokością.

Rys. 4. Manometr cieczowy dwuramienny. 2.1.4. Manometr Recknagla (z rurką pochyłą) - budowa i zasada działania W celu zwiększenia dokładności pomiaru małych ciśnień rzędu kilkudziesięciu paskali, stosuje się manometry z rurką pochyłą. Ideowy schemat takiego manometru pokazano na rys. 5. Zastosowanie rurki pochyłej umożliwia zwiększenie dokładności odczytu przemieszczeń słupa cieczy manometrycznej, ponieważ wysokość h (rys. 5) mierzy się za pośrednictwem długości słupa cieczy l. Błąd pomiaru przy posługiwaniu się manometrem z rurką pochyłą maleje wraz z malejącym α (im mniejszy kąt pochylenia rurki, tym większa długość słupa cieczy odpowiadająca określonemu ciśnieniu). Jednak przy małym α, mimo zastosowania kapilary o średnicy wewnętrznej 1,5 - 4 mm i cieczy manometrycznej o małej lepkości (alkohol C2H5OH), menisk staje się niewyraźny. W manometrze Recknagla (Rys. 6) rurce można nadawać kilka różnych pochyleń, a przez to zmieniać zakres pomiarowy i jednocześnie dokładność pomiaru (Tab. 1). Manometr ten może służyć do pomiaru nadciśnienia, podciśnienia oraz różnicy ciśnień. Nadaje się on szczególnie do współpracy z rurkami spiętrzającymi. Jest także przystosowany do pomiaru ciśnień dynamicznych. Podstawowymi częściami manometru są: zbiornik pomiarowy (1) zamocowany na podstawie (2), szklana rurka pomiarowa (3) umieszczona w ramieniu mikromanometru (4); uchwyt (5) i prowadnica wskaźnika (6). Rurka pomiarowa połączona jest ze zbiornikiem (1) rurką metalową przechodzącą przez oś obrotu ramienia. Kurek rozdzielczy (12) zamocowany na pokrywie zbiornika, zaopatrzony jest w dwie końcówki, oznaczone (+} i (-), do których doprowadza się ciśnienia (do końcówki (+) ciśnienie wyższe, do końcówki (—) ciśnienie niższe).

5

Rys.5. Manometr z rurką pochyła. Sposób odczytywania wskazań manometru.

Rys 6. Manometr Recknagla - widok Tablica 1 Zakresy pomiarowe oraz klasy dokładności manometru typu Recknagla MPR—4 Przełożenie Zakres pomiarowy* Klasa dokładności n

[Pa]

[%]

6

1:1

0 - 1600

0,5

1:2 1:5 1:10 1:25 1:50

00000-

0,5 0,5 1,0 1,5 2,5

800 320 160 64 32

*dla cieczy o gęstości 800 kg/m3 Może on przyjmować trzy położenia: P - pomiar, Z - zamknięte, 0 - zerowanie manometru. Do podstawy mikromanometru przymocowane są: płaskie ramię (8) służące do zamocowania rurki pomiarowej pod odpowiednim kątem, dwie śruby (9) do poziomowania oraz poziomica (7). W pokrywie mikromanometru znajduje się otwór (10) służący do napełniania przyrządu cieczą manometryczną oraz urządzenie do jej nastawiania w punkcie zerowym (za pomocą gałki pokrętnej 11). Przy korzystaniu z tego typu przyrządów należy zwrócić szczególn ą uwagę na dokładne poziomowanie podstawy. Niedokładne poziomowanie może być przyczyną znacznych błędów pomiarowych, przy czym ich wartość wzrasta ze zmniejszeniem kąta nachylenia ramienia (zwiększeniem przełożenia). Wykonanie pomiaru ciśnienia mikromanometrem Recknagla 1. Ustawić manometr w pozycji pionowej (poziomica 7). 2. Wyzerować manometr (manometr odłączony od źródła ciśnienia): - ustawić kurek rozdzielczy 12 w pozycji „0", - ustawić ramię mikromanometru 4 w pozycji pionowej, - sprawdzić, czy najniższy punkt menisku w rurce pomiarowej 3 znajduje się na kresce oznaczającej początek skali; jeśli nie, to wyzerować przyrząd za pomocą gałki pokrętnej 11. 3. Ustawić kurek rozdzielczy 12 w pozycji „P". 4. Podłączyć manometr do źródła ciśnienia (przy pomiarze nadciśnienia wąż podłączamy do końcówki ze znakiem (+)). 5. Po odczekaniu, aż ciecz przestanie drgać w rurce pomiarowej, dokonać odczytu wartości ciśnienia ze skali naniesionej na rurce pomiarowej 3. 2.1.5. Mikromanometr kompensacyjny Askania Do pomiaru bardzo małych ciśnień stosowane są mikromanometry kompensacyjne. Najbardziej rozpowszechnionym przyrządem tego typu jest mikromanometr Askania. Jego przekrój jest pokazany na Rys.7. Jest to przyrząd laboratoryjny służący do pomiaru nadciśnienia, podciśnienia oraz różnicy ciśnień statycznych. Ze względu na uzyskiwaną dokładność pomiaru (Tabl. 2) znajduje zastosowanie m.in. przy wzorcowaniu i sprawdzaniu innych manometrów. Głównymi elementami składowymi przyrządu są dwa naczynia (1) i (2) wypełnione częściowo cieczą manometryczną (wodą destylowaną) i połączone giętkim przewodem (3). Naczynie (2) wykonane jest w kształcie walca o osi poziomej; walec zamknięty jest dwoma przezroczystymi dnami, z których jedno stanowi soczewka wypukła (4). Wewnątrz naczynia umieszczone jest stożkowe ostrze (5), którego wierzchołek znajduje się w osi optycznej soczewki. Naczynie (1) przymocowane jest do śruby mikrometrycznej (6); skok jej wynosi zwykle 1 mm. Głowica (7) śruby mikrometrycznej wyposażona jest w podziałkę (8) stanowiącą noniusz podziałki pionowej (9); wartość elementarnej działki skali pionowej wynosi 1 mm. Wysokość położenia naczynia (1) pokazuje na skali poziomej wskaźnik (10) a na skali pionowej wskaźnik (11). Różnicę poziomów cieczy w obu naczyniach, spowodowaną mierzonym ciśnieniem (rys. 3.10), kompensuje się przez podnoszenie za pomocą śruby mikrometrycznej naczynia (1) do chwili, gdy nastąpi zetknięcie ostrza (5) ze zwierciadłem cieczy. Obserwację tego zjawiska ułatwia to, że przez wziernik widoczne jest zarówno ostrze, jak i jego odbicie w zwierciadle cieczy. Mikromanometr poziomuje się za pomocą śrub (12); wskaźnikiem prawidłowego ustawienia jest poziomica (13). Do zerowania (adjustowania) mikromanometru służy śruba (14), którą regulować można położenie naczynia (2).

7

Rys. 7. Mikromanometr Askania Tablica 2 Dane techniczne mikromanometrów kompensacyjnych typu Askania MK-1 i MK-2 Parametr MK-1 MK-2 Zakres wskazań - max Klasa dokładności Maks. ciśnienie statyczne Ciecz manometryczna zalecana

1471 Pa 0,05 10 kPa woda destylowana

2452 Pa 0,05 10 kPa woda destylowana

Pomiar ciśnienia mikromanometrem Askania 1. Ustawić manometr w pozycji pionowej (poziomica 13). 2. Wyzerować przyrząd (manometr odłączony od źródła ciśnienia); - ustawić zero na skali pionowej i poziomej (dokonuje się tego za pomocą głowicy 7 śruby mikrometrycznej 6 - Rys.7), - za pomocą śruby regulacyjnej 14 doprowadzić zbiornik 2 do położenia, w którym wierzchołek ostrza 5 zetknie się ze swoim odbiciem lustrzanym (Rys. 8 - przekrój A). ostrze pomiarowe zbliży się do swego obrazu odbitego bez wzajemnego przecięcia się 3. Podłączyć manometr do źródła ciśnienia (przy pomiarze nadciśnienia wąż podłącza się do końcówki (+)).

8

4. Skompensować wytworzone ciśnienie przez podnoszenie naczynia 1 do położenia, w którym nastąpi zetknięcie ostrza 5 ze zwierciadłem cieczy (Rys. 8 -przekrój A); naczynie 1 podnosi się kręcąc w prawo głowicą 7 śruby mikrometrycznej 6. 5. Odczytać wartość ciśnienia na podziałkach: pionowej 9 i poziomej 8. Pomiar ciśnienia przy użyciu minimetru Askania sprowadza się do mierzenia wzniosu zbiornika wyrównawczego (Rys. 8), a nie różnicy poziomów cieczy. Jest to bardzo korzystne, gdyż eliminuje błędy związane z lepkością cieczy, zwilżaniem ścianek i niejednakową średnicą rurek na całej długości, ponieważ praktycznie oba meniski są na tej samej wysokości naczyń.

Rys. 8. Zasada działania mikromanometru Askania 2.1.6 Błędy pomiarowe manometrów hydrostatycznych Podstawowe przyczyny błędów występujących przy pomiarze ciśnienia za pomocą manometrów hydrostatycznych rozpatrzone są poniżej. 1. Podniesienie poziomu cieczy w rurce wskutek zjawiska włoskowatości (kapilarności). Zmianę wysokości słupa cieczy h w spowodowaną zjawiskiem włoskowatości można określić według przybliżonego wzoru:

hw ≅

11 mm dla alkoholu d

hw ≅

30 mm dla wody. d

Z obu wzorów wynika, że wartość wielkości hw można skutecznie zmniejszyć stosując do budowy manometrów rurki o odpowiednio dużych średnicach. W manometrach U-rurkowych, teoretycznie biorąc, wpływ włoskowatości jest skompensowany, gdy średnice rurek obu ramion są identyczne. Należy podkreślić odmienne zachowanie się rtęci wskutek włoskowatości. Rtęć nie zwilża ścianek rurek szklanych, tworząc menisk wypukły. Dla wody i alkoholu poprawkę hw należy odjąć od wskazań manometru. Dla rtęci natomiast poprawkę hw należy dodać do wskazań manometru. Postępuje się przy tym zgodnie z następującą zasadą: menisk wklęsły odczytuje się wg najniższego jego punktu, zaś wypukły - wg najwyższego.

9

Rys. 9 Widok menisku wklęsłego. 2. Nieuwzględnienie zmian temperatury, które powodują równoczesną zmianę gęstości cieczy manometrycznej oraz zmianę długości skali pomiarowej. 3. Zanieczyszczenie a w szczególności zatłuszczenie rurek; błąd wynikający z zatłuszczenia rurek może być dużo większy od błędu wynikającego z nieuwzględnienia wpływu zjawiska włoskowatości. 4. Nierównomierne średnice rurek; celem uniknięcia tego błędu stosuje się rurki kalibrowane o stałej średnicy. 2.1.7. Ciecze manometryczne Ciecze manometryczne powinny tworzyć wyraźny menisk, tzn. nie mogą mieszać się ani tworzyć roztworów z płynem impulsowym (wywierającym ciśnienie), lepkość, współczynnik rozszerzalności objętościowej oraz napięcie powierzchniowe cieczy nie powinny być zbyt duże, gęstość cieczy nie może ulegać zmianom w wyniku absorpcji pary wodnej z powietrza lub odparowywania bardziej lotnych składników. Tablica 3 Gęstości niektórych cieczy manometrycznych Nazwa cieczy Wzór chemiczny manometrycznej

Alkohol etylowy Woda Rtęć

C2H5OH H 2O Hg

3 Gęstość ρ [kg/m3] w temperaturze t [ °C ] 10

20

35

817 1000 13570

809 998 13550

706 994 13510

2.2. SPRAWDZANIE I WZORCOWANIE CIŚNIENIOMIERZY SPRĘŻYNOWYCH Wskutek zachodzących procesów starzenia, wskazania manometrów sprężynowych różnią się nieraz bardzo znacznie od rzeczywistej wartości mierzonego ciśnienia. Przyczyną tego jest histereza odkształceń sprężystych czujnika oraz zużycie mechanizmu przekazywania impulsu ciśnienia. Do wzorcowania i sprawdzania manometrów stosuje się wzorcowe manometry sprężynowe lub obciążnikowo-tłokowe. Ogólne zasady sprawdzania i wzorcowania przedstawiają się następująco. Przyrządy, badany i wzorcowy, ustawia się w położeniu normalnym i sprawdza czy wskaźniki (wskazówka, menisk) są w położeniu zerowym. Następnie oba przyrządy przyłącza się równolegle do zbiornika, w którym przy pomocy pompy ciśnieniowej (prasy hydraulicznej, sprężarki) lub w przypadku próżniomierza - pompy próżniowej, wytwarza się ciśnienie wyrażające się całkowitą ilością działek na manometrze badanym lub wzorcowym. Wskazania przyrządu sprawdza się w całym obszarze jego podziałki w takiej ilości punktów, jaka jest określona normą dla danego typu przyrządu. W wielu przypadkach zaliczanie manometrów do tej lub innej klasy dokładności zależy prawie wyłącznie od wartości liczbowej opóźnienia sprężystego. Stąd też manometry sprężynowe sprawdza się dla ciśnień rosnących i malejących po odpowiednim przetrzymaniu przyrządu przy najwyższym

10

ciśnieniu oznaczonym na podziałce. Ze względu na istnienie tarcia i luzów w mechanizmie przekładni manometrów sprężynowych niezbędne jest każdorazowe opukanie przyrządu przed odczytaniem wskazania. 2.2.1. Wzorcowanie wakuometrów Schemat ideowy układu do wzorcowania wakuometrów jest przedstawiony na rys. 10. Manometrem wzorcowym jest manometr sprężynowy z rurką Bourdona, a manometr...