Pomiary ciśnień i sprawdzanie manometrów

Pomiary ciśnień i sprawdzanie
manometrów
Instrukcja do ćwiczenia nr 2
Miernictwo energetyczne - laboratorium
Opracowała: dr inŜ. ElŜbieta Wróblewska
Zakład Miernictwa i Ochrony Atmosfery
Wrocław, grudzień 2008 r.
I. WSTĘP
Ciśnienie (def.) – siła normalna, równomiernie rozłoŜona na powierzchni o polu
jednostkowym, wyznaczane z zaleŜności:
dp=dF/dA
W technice pomiarowej wyróŜnia się następujące rodzaje ciśnień:
•
Ciśnienie atmosferyczne (barometryczne) pot – jest to ciśnienie wywołane cięŜarem
słupa powietrza atmosfery ziemskiej
•
Ciśnienia absolutne (bezwzględne) pa – jest to całkowite ciśnienie, pod którego
działaniem znajduje się czynnik,
•
Ciśnienie manometryczne pm:
− nadciśnienie – jest to ciśnienie stanowiące dodatnią róŜnicę między ciśnieniem
absolutnym a atmosferycznym:
p m = p a - p ot
(p
a
> p ot )
− podciśnienie – jest to ciśnienie stanowiące dodatnią róŜnicę między ciśnieniem
atmosferycznym i absolutnym:
p m = p a - p ot
(p
a
< p ot )
Rys.1. Rodzaje ciśnień [2]
2
W przypadku, gdy mamy do czynienia z czynnikiem poruszającym się, rozróŜniamy:
•
ciśnienie statyczne ps – jest to ciśnienie, które wskazałby manometr poruszający się z
prędkością czynnika,
•
ciśnienie dynamiczne pd – jest to przyrost ciśnienia jaki by nastąpił, gdyby
adiabatycznie odwracalnie zahamować czynnik do prędkości w=0,
•
całkowite pc – jest to ciśnienie równe sumie ciśnienia statycznego i dynamicznego:
pc = p s + p d
Ciśnienie manometryczne mierzy się przyrządami zwanymi manometrami, które ze względu
na zasadę działania dzielimy na:
•
cieczowe (hydrostatyczne) – działają na zasadzie równowaŜenia mierzonego ciśnienia
słupem cieczy:
•
-
manometr dwuramienny (U-rurka),
-
barometr,
-
manometry z rurką pochyłą,
-
mikromanometry kompensacyjne.
spręŜynowe – ich działanie opiera się na zasadzie odkształcenia róŜnego rodzaju
elementów spręŜystych pod wpływem siły wywołanej ciśnieniem. Ze względu na
rodzaj elementu spręŜystego, manometry spręŜynowe dzielimy na:
•
-
rurkowe,
-
membranowe (przeponowe),
-
mieszkowe.
tłokowe – ich zasada działania polega na równowaŜeniu siły wywieranej przez
ciśnienie na tłok za pomocą siły wywieranej przez wzorcowe cięŜary. Manometry te
stosuje się do dokładnych pomiarów ciśnień, do wzorcowania i sprawdzania
manometrów.
•
II.
elektryczne.
WYKONANIE POMIARÓW I OBLICZEŃ
II.1. POMIAR CIŚNIENIA MANOMETRAMI CIECZOWYMI
W instalacji zastosowano cztery manometry cieczowe dwuramienne 5, których jedno
ramię jest połączone z przewodem 2, w którym panuje ciśnienie bezwzględne pa, a drugie
3
ramię z atmosferą o ciśnieniu pot. W instalacji znajdują się ponadto mikromanometr
kompensacyjny 6 i mikromanometr z rurką pochyłą 7. Jako cieczy manometrycznej uŜyto w
manometrach 5 rtęci, wody, alkoholu etylowego i czterochlorku węgla. Na manometrze
odczytuje się wartość ht stanowiącą róŜnicę poziomów zwierciadła cieczy manometrycznej
(wysokość słupa cieczy) w temperaturze t.
Ciśnienie manometryczne pm oblicza się z zaleŜności:
p m = ht ρ t g = ht γ t
gdzie:
ρt – gęstość cieczy manometrycznej w temperaturze t,
g – przyspieszenie ziemskie,
γt – cięŜar właściwy cieczy manometrycznej w temperaturze t.
Rys. 2. Stanowisko doświadczalne do wykonania pomiaru ciśnień manometrami
cieczowymi [1]
W ćwiczeniu naleŜy dokonać pomiaru kilku wartości ciśnienia p1 (nastawianego
pokrętłem 3) za pomocą manometrów cieczowych zainstalowanych na stanowisku
doświadczalnym. Dla kaŜdego manometru, na podstawie odczyntanej wartości ht, oblicza się
wartość ciśnienia manometrycznego pm i absolutnego pa, przy czym:
p a = p m + p ot
4
Następnie określamy niepewność pomiaru wartości p1, przyjmując wartość poprawną
ciśnienia wyznaczoną mikromanometrem kompensacyjnym 6.
II.2. POMIAR CIŚNIENIA MIKROMANOMETREM Z RURKĄ POCHYŁĄ.
Niewielkie
ciśnienia,
którym
odpowiadają
wysokości
ht<150mm
mierzy
się
mikromanometrem z rurką pochyłą, stanowiącym odmianę manometru jednoramiennego.
Rys. 3. Mikromanometr z rurką pochyłą [1]
Przy równych ciśnieniach pa=pot ciecz manometryczna zajmuje jednakowe połoŜenia w obu
ramionach mikromanometru. JeŜeli pa>pot, to poziom cieczy w naczyniu obniŜy sięponiŜej
połoŜenia oznaczonego linią przerywaną, natomiast w pochyłej rurce nastąpi przesunięcie
menisku o wartość l. RóŜnicę poziomów oblicza się z zaleŜności:
H=Cl
gdzie:
C – przełoŜenie mikromanometru wyraŜone zaleŜnością:
C = sin α + (d 2 d1 )2
Ciśnienie manometryczne pm oblicza się wg:
pm=hγt
gdzie:
γt – cięŜar właściwy cieczy manometrycznej.
Przed pomiarem przyrząd poziomuje się oraz sprawdza wskazanie zerowe dla
nastawionej wartości przełoŜenia C. po przyłączeniu mikromanometru 7 do instalacji zadaje
5
się dowolne ciśnienie p1 i odczytuje na skali przyrządu przesunięcie menisku l w pochyłej
rurce. Na podstawie odczytanej wartości wielkości l naleŜy określić wartość ciśnienia
manometrycznego pm i absolutnego pa oraz wyznaczyć niepewność pomiaru p1 przyjmując za
wartość poprawną wskazanie mikromanometru kompensacyjnego.
II.3. POMIAR CIŚNIENIA MANOMETRAMI SPRĘśYNOWYMI
Pomiar ciśnienia manometrami spręŜynowymi moŜna dokonać za pomocą metody
pośredniej i metody bezpośredniej.
Metoda pośrednia polega na porównywaniu wskazań manometru badanego ze
wskazaniami manometru wzorcowego.
Rys. 4. Praska hydrauliczna do sprawdzania manometrów [1]
Manometr wzorcowy 1 i manometr badany 2 są przyłączone do układu za
pośrednictwem zaworów 3 i 4. Cały układ wypełnia się olejem umieszczonym w zbiorniku 5.
do wytworzenia dowolnego ciśnienia w układzie praski słuŜy tłok 6, którego przesuw w
cylindrze 7 dokonuje się przez obracanie kółka 8. sprawdzanie manometru na prasce
rozpoczyna się od zassania płynu do cylindra 7. w tym celu naleŜy odkręcić zawór 9 na
zbiorniku z cieczą, a następnie wykręcać powoli tłok 6 za pomocą kółka 8 do chwili, gdy cały
cylinder 7 wypełni się olejem. Po zakręceniu zaworu 9 i odkręceniu zaworów 3 i 4 naleŜy
powoli i ostroŜnie wkręcać tłok do chwili, gdy wskazówka manometru badanego ustawi się
na sprawdzanej kresce podziałki (wartość pb). odpowiednią rzeczywistą wartość ciśnienia pw
odczytuje się na podziałce manometru wzorcowego. Manometr sprawdza się w co najmniej
pięciu punktach równomiernie rozłoŜonych na całej skali przyrządu, dla ciśnień rosnących
(indeks „r”) i malejących (indeks „m”).
6
Na podstawie otrzymanych wyników kreśli się charakterystykę, podającą zaleŜność wskazań
przyrządu wzorcowego pwr i pwm od wskazań manometru badanego pb. porównując wartości
ciśnień odczytanych z obu manometrów oblicza się błąd bezwzględny badanego przyrządu
dla wskazań rosnących i malejących wg zaleŜności:
∆p r = p b
p wr
∆p m = pb
p wm
a następnie wykreśla się charakterystykę ∆p r = f ( p b ) oraz ∆p m = f ( p b ).
Dokładność manometru badanego jest określona za pomocą klasy dokładności
definiowanej jako liczba równa maksymalnemu dopuszczalnemu błędowi przyrządu,
odniesionemu do pełnego zakresu skali i wyraŜonemu w procentach.
Błąd względny badanego manometru oblicza się dla wskazań rosnących i malejących:
δr =
∆p r
100%
pb max
δm =
∆p m
100%
pb max
i porównuje z jego klasą dokładności.
Metoda bezpośrednia sprawdzania manometrów jest metoda z wykorzystaniem tzw.
praski Ruchholza.
Rys. 5. Praska Ruchholza [1]
7
Wskazania manometru badanego 1 sprawdza się a pomocą manometru tłokowego 2, na
którym dokonuje się bezpośredniego odczytu wartości cięŜaru całkowitego (będącego sumą
cięŜaru zespołu tłoka G i cięŜaru odwaŜników G1), obciąŜającego tłok 3 o określonym
przekroju czynnym Acz. Wówczas wartość mierzonego ciśnienia pm wyznacza się z
zaleŜności:
pm =
G + G1
Acz
Obliczone w ten sposób ciśnienie panuje na dolnej płaszczyźnie tłoka. JeŜeli miernik
znajduje się na innej wysokości niŜ ta powierzchnia, naleŜy uwzględnić ciśnienie
odpowiedniego słupa cieczy. W związku z tym manometr posiada wskaźnik 4 połoŜenia
tłoka, a pomiar ścisły jest tylko przy jednym połoŜeniu. Pomiędzy tłokiem 3 a cylindrem 5
istnieje mała szczelina, przez którą wycieka olej spod tłoka, co w konsekwencji prowadzi do
opadania tłoka. AŜeby dokonywać pomiaru przy właściwym połoŜeniu tłoka, naleŜy w razie
potrzeby wprowadzić do układu brakujący olej za pomocą pompy 6. Tłok 3 manometru
wprawią się w ruch obrotowy w celu zmniejszenia tarcia i obciąŜa odwaŜnikiem G1 i oblicza
ciśnienie manometryczne pm. odczytu manometru badanego 1 dokonuje się w chwili, gdy tłok
opadając przyjmie właściwe połoŜenie, co sprawdza się na wskaźniku 4 połoŜenia tłoka.
LITERATURA
[1] „Laboratorium procesów termoenergetycznych”, pod red. Negrusza A., Politechnika
Wrocławska, Wrocław 1987
[2] Taler D., „Pomiar ciśnienia, prędkości i strumienia przepływu płynu”, Uczelniane
Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne, Kraków 2006
[3] „Miernictwo energetyczne”, praca zb. pod red. Negrusza A., Sąsiadka M., Politechnika
Wrocławska, Wrocław 1977
[4] Negrusz A., Stańda J., „Badania procesów termoenergetycznych”, cz. I, Politechnika
Wrocławska, Wrocław 1980
8