metrologia ćw. 6 PDF

Preview

Summary

metrologia ćw. 6...

Description

Wstęp: Przyrządy pomiarowe do oceny wilgotności względnej powietrza: Psychrometr Assmana:

Rys.1. Uproszczony schemat psychrometru Assmanna

Schemat psychrometru Assmana przedstawiono na rysunku 1. Termometr cieczowy (1) tzw. termometr suchy jest wystawiony na działanie otaczającego powietrza i wskazuje temperaturę otoczenia w °C. Termometr cieczowy (2) tzw. termometr mokry, owinięty jest cienką tkaniną bawełnianą, która przed wykonaniem pomiaru jest zwilżana wodą destylowaną. Woda zawarta w tkaninie paruje pobierając ciepło z otoczenia termometru, a przez to obniża się temperatura otoczenia wskazywana przez termometr mokry. Wyznaczając różnicę wskazań temperatury termometru suchego i mokrego można obliczyć wilgotność względną powietrza. Różnice temperatur zależą między innymi od prędkości przepływu powietrza dookoła termometrów. Psychrometr Assmana zaopatrzony jest w wentylator (4) ssący powietrze z określoną prędkością, tj. 2,5 m/s. Wentylator i termometry są umieszczone we wspólnym tunelu przepływowym. Powietrze jest doprowadzone do termometrów od dołu. Wentyl i tor może być napędzany silniczkiem elektrycznym lub mechanicznym sprężynowym. Higrometr: Nazwa pochodzi od greckiego słowa hygros oznaczającego wilgotny, mokry. Działanie higrometrów opiera się na wykorzystaniu zjawiska modyfikacji właściwości pewnych substancji na skutek zmian wilgotności powietrza.

Higrometr włosowy: Podczas zmiany wilgotności względnej powietrza wiązka włosów (1) wydłuża się lub kurczy, co wskazuje bezpośrednio wskazówka (4) na skali (3) wycechowanej w procentach wilgotności względnej powietrza. Przeciwwaga (5) stwarza stałe napięcie wiązki włosów. Wobec występowania zjawiska

histerezy wydłużeń włosów pod wpływem zmian wilgotności względnej powietrza higrometry włosowe należy poddawać cotygodniowej, a najdalej comiesięcznej kontroli prawidłowości wskazań. Sprawdzanie higrometrów włosowych przeprowadza się porównując ich wskazania ze wskazaniami psychrometru Assmana. Reguluje się wtedy długość wiązki włosów przy śruby regulacyjnej (2). Higrometry często są zaopatrywane w urządzenia samopiszące i wówczas noszą miano higrografów.

Rys. 2. Higrometr włosowy: 1-wiązka włosów; 2 -śruba do regulowania napięcia włosa/sów; 3 -skala; 4 -wskazówka; 5przeciwwaga wskazówki

Higrometr elektroniczny pojemnościowy: Zasada działania higrometru elektronicznego pojemnościowego jest oparta na pomiarze admitacji (pojemności) pomiarowej warstwy higroskopijnej. Czujnik jest kondensatorem o złotej i aluminiowej porowatej elektrodzie z materiałem higroskopijnym jako dielektryka. Zmiana stałej dielektrycznej polimerowego materiału higroskopijnego jest proporcjonalna do wilgotności względnej powietrza, w której znajduje się czujnik wilgotności. Czujnik ten charakteryzuje się dużą stałością charakterystyki przy zmianach temperatury, małą bezwładnością wskazań, niskim współczynnikiem temperaturowym i możliwością pracy w wysokich temperaturach (nawet 150-200°C). Ważną cechą pojemnościowych czujników wilgotności jest ich zdolność do całkowitej regeneracji w przypadku wystąpienia kondensacji pary wodnej na powierzchni czujnika oraz duża odporność na opary związków chemicznych

. Rys.3. Czujnik higrometru pojemnościowego.

Przyrządy pomiarowe do pomiaru temperatury powietrza: Termometr:

Termometr - przyrząd do pomiaru temperatury w zakresie do 600°C. Przyrządy pomiarowe wyższych temperatur nazywają się pirometrami. Termometry działają na zasadzie wykorzystania zmiany określonych właściwości fizycznych ciał pod wpływem temperatury, np. rozszerzalności cieplnej cieczy. Termometr cieczowy: termometr, w którym pomiaru temperatury dokonuje się przez pomiar objętości cieczy. Składa się z ze zbiornika z cieczą, który jest połączony z kapilarą szklaną, wewnątrz której ponad cieczą znajduje się gaz obojętny. Umieszczona wzdłuż kapilary skala umożliwia odczyt temperatury. Cieczami stosowanymi w termometrach są najczęściej: rtęć( od –30 °C do 350 °C) , alkohol (−114 °C , +78 °C), toluen(–80 °C ,100 °C) , pantan (−200 °C, 30 °C) , galinstan (–19,5 °C, 1300 °C). Termometry cieczowe dzielą się na pałeczkowe (bagietkowe) i rurkowe, ermometry pałeczkowe są wykonane z pręta szklanego o średnicy (4÷8) mm z osiowo umieszczonym kanałem kapilary. Podziałka jest wytrawiona na powierzchni pręta. Dla poprawienia widoczności za kapilarą znajduje się nieprzezroczysta warstwa białej emalii.

Rys.4. Termometry szklane: a) pałeczkowy, b) rurkowy prosty, c) rurkowy kątowy, d) przemysłowy w osłonie stalowej: 1 zbiornik, 2 - kapilara, 3 - skala, 4 - rurka zewnętrzna, 5 - rozszerzenie kapilary, 6 - warstwa białej emalii.

Termometr bimetaliczny: Termometr bimetalowy zbudowane jest na zasadzie wykorzystania różnicy cieplnej rozszerzalności liniowej dwóch rożnych materiałów. Ciałem termometrycznym jest ciało stałe charakteryzujące się cieplnym współczynnikiem rozszerzalności liniowej α. Na rysunku 5 przedstawiono zależność wydłużenia względnego Δl/l od temperatury wybranych materiałów stosowanych w termometrach rozszerzalnościowych. Podstawowym elementem termometru jest tzw. bimetal, który ma postać taśmy wykonanej z dwóch różnych metali: czynnego i biernego. Połączenie obu metali wykonuje się przez zgrzewanie lub zwalcowanie na gorąco. W temperaturze 20°C taśma bimetalowa jest płaska. Ze wzrostem temperatury taśma bimetalowa wygina się w kierunku metalu biernego. Czujniki bimetalowe termometrów są wykonane jako płaskie taśmy w kształcie litery U, spirale płaskie oraz spirale walcowe, z metali stosowanych do budowy termometrów dylatacyjnych. Na rysunku 5 pokazano konstrukcję termometru bimetalowego z bimetalem w postaci spirali walcowej (5), która poprzez pręt (4) wraz ze zmianami mierzonej temperatury zmienia położenie wskazówki (1) na tle podziałki (2). Spirala jest umocowana w rurce osłonowej (6) wkręconej do kadłuba (3). Zakres pomiarowy termometrów bimetalowych wynosi od -40 do +400°C, zaś klasa dokładności (1 do 2°C). Głównymi

zaletami termometrów bimetalowych są: prosta i trwała konstrukcja, małe wymiary, duża odporność na drgania itp. Termometry te są w Laboratorium stosowane do pomiaru temperatury różnych płynów w zbiornikach, pomiaru temperatury oleju transformatorów energetycznych, temperatury otoczenia oraz temperatury powierzchni (bimetal ze spiralą płaską).

Rys.5. Termometr bimetalowy z czujnikiem spiralnym. 1-wskazówka, 2-podziałka, 3-kadłub, 4-pręt łączący bimetal ze wskazówką, 5-bimetal w kształcie spirali, 6-rurka osłonowa.

Termometry rezystancyjne: Ich działanie polega na wykorzystaniu zjawiska zmian rezystancji przewodników lub półprzewodników prądu elektrycznego wraz z temperaturą. Ze wzrostem temperatury wzrasta amplituda drgań jąder atomów oraz prawdopodobieństwo zderzeń elektronów swobodnych i jonów, co zwiększa hamowanie ruchu elektronów i powoduje wzrost rezystywności. W półprzewodnikach liczba swobodnych elektronów szybko rośnie ze wzrostem temperatury, co powoduje, że na ogół ich rezystywność maleje ze wzrostem temperatury. Pomiar temperatury termometrami rezystancyjnymi polega na pomiarze rezystancji rezystora termometrycznego, tworzącego czujnik termometryczny (czujnik temperatury). Termometr rezystancyjny składa się z czujnika termometrycznego, przewodów łączeniowych, miernika elektrycznego oraz źródła zasilania prądem elektrycznym.

Termohigrograf włosowy: Niektóre typy higrometrów włosowych są zaopatrzone w urządzenia rejestrujące, np. higrograf posiada układy do rejestracji wilgotności względnej, natomiast termohigrograf wyposażony jest w układy do rejestracji wilgotności względnej i temperatury powietrza. Zasada działania termohigrografu jest następująca: we wspólnej obudowie znajdują się dwa niezależne układy dźwigniowe połączone odpowiednio: jeden z pasemkiem włosów, a drugi z pasemkiem bimetalowym oraz ramionami pisaków zakończonych piórkami do tuszu. Piórka te kreślą w funkcji czasu przebieg zmian wilgotności względnej (piórko górne) i temperatury (piórko dolne) na specjalnym papierze zamocowanym na bębnie. Bęben jest napędzany mechanizmem zegarowym, który powoduje jeden obrót bębna w ciągu jednej doby (termohigrometr dobowy) lub w ciągu jednego tygodnia (termohigrometr tygodniowy).

Rys. 6. Termohigrograf włosowy typ TZ-18: 1 - obudowa, 2 - czujnik bimetaliczny, 3 - układ dźwigniowy, 4 - pasemko włosów, 5 - ramię pisaka, 6 - bęben obrotowy, 7 - papier, 8 - korekcja temperatury, 9 - korekcja wilgotności, 10 - klucz mechanizmu zegarowego

Przyrządy pomiarowe do pomiaru ciśnienia w laboratorium: Barometr hydrostatyczny – przyrząd do pomiaru ciśnienia atmosferycznego przy wykorzystaniu zjawiska próżni Torricellego. Określany jest także mianem barometru rtęciowego. Ma postać zamkniętej z jednej strony szklanej rurki o długości około 900 mm i średnicy około 10 mm wypełnionej cieczą roboczą, którą z racji dużej gęstości jest rtęć. W zamkniętej przestrzeni rurki ponad rtęcią jest obszar uważany za próżnię, w rzeczywistości wypełniony nasyconą parą rtęci. Ciśnienie atmosferyczne działające na rtęć poprzez otwarty koniec rurki powoduje jej przemieszczanie w górę lub w dół - zmianę wysokości słupa rtęci. Przykład: gdy ciśnienie atmosferyczne wzrasta powoduje podnoszenie się poziomu rtęci, co jest odczytywane jako zmiana dodatnia ciśnienia na skali w mm słupa rtęci (mm Hg) lub hektopaskalach (hPa).

Rys.7. Baromety: a) naczyniowy; b) lewarowy

Wykonanie ćwiczenia: Barometr rtęciowy

Odczytujemy wynik 1038hPa +/- 1hPa. Termometr cieczowy (alkoholowy)

Odczytujemy wynik 22°C +/-2°C. Psychometr Assmana

Odczytujemy wyniki: Termometr mokry 17,2°C +/-0,2°C, termometr suchy 24°C +/-0,2°C.

Termohigrometr elektroniczny

Odczytujemy wyniki: wilgotność 47,8% +/- 0,1%, temperatura 22,44 °C +/-0,1°C.

Tabela 1. Charakterystyka materiałów stosowanych w termometrach rezystancyjnych.

Tabela 2. Wilgotność względna powietrza określona na psychrometrze typu Assmana (prędkość przepływu powietrza — 2,5 m/s)

Tabela 3 Wartości ciśnień pary wodnej w zależności od temperatury powietrza

Tab.2 Wartości ciśnień pary wodnej w zależności od temperatury powietrza

Oraz za pomocą wzoru wyznaczamy wilgotność względną

Gdzie: Pt — ciśnienie nasyconej pary wodnej przy temperaturze ts, hPa Pm— ciśnienie nasyconej pary wodnej przy temperaturze tm, hPa Pb— ciśnienie atmosferyczne w laboratorium (odczytane na barometrze), hPa, A — współczynnik zależny od prędkości przepływu powietrza wokół mokrej otuliny termometru, dla psychrometru Assmana znajdującego się w laboratorium prędkość przepływu powietrza y, = 2,5 m/s i A = 0,000677, ts — temperatura odczytana na termometrze suchym, °C, tm — temperatura odczytana na termometrze mokrym, °C.

ts

tm

ts- tm

(ts- tm )APb

Pm

Pm− A ⋅ Pb ( t s−t m)

P m− A ⋅ P b ( t s − t m )

ϕ

Pt 2 4

17, 2

6,8

4,778536 8

19,37 2

14,5934632

0,48915543

48, 9

Wnioski: Obliczona wartość wilgotności z psychometru Assmana delikatnie różni się od tej wyznaczonej za pomocą termohigrometru elektronicznego. Różnica może mieć wiele przyczyn np. niedokładny odczyt z psychometru....