Politechnika Szczecińska KATEDRA TECHNIKI CIEPLNEJ LABORATORIA Z PODSTAW TECHNIKI CIEPLEJ SPRAWOZDANIE
Ćwiczenie Nr:
Data wyk. ćw.
Prowadzący ćwiczenie

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodami pomiarów ciśnienia oraz przyrządami służącymi do tego pomiaru, i poznanie metod cechowania manometrów i indykatorów.

1. Teoria

Ciśnienie – jest to stosunek siły F wywieranej przez płyn na powierzchnię do pola . do pola tej powierzchni A.

p=F/A

Podstawowa jednostka ciśnienia – w układzie SI

N/m²=Pa

Jest to ciśnienie , które wywiera 1N na powierzchnię 1m³.

Ciśnienie absolutne lub bezwzględne – p_a– jest to ciśnienie mierzone w odniesieniu

do próżni absolutnej.

Ciśnienie całkowite – p_c strumienia przepływającego płynu określa wzór:

p_c = p_s + p_d

p_s – ciśnienie statyczne

p­_d – ciśnienie dynamiczne

p_a- ciśnienie bezwzględne , p_p- podciśnienie , p_n- nadciśnienie , p_b- ciśnienie bezwzględne

Ciśnienie statyczne – jest to ciśnienie płynu w spoczynku lub w przypadku przepływów

ustalonych.

Ciśnienie dynamiczne – oblicza się ze wzoru:

P_d = (*c²)/2 [Pa]

-gęstość płynu

c²- prędkość płynu

Ogólny podział manometrów:

Ze względu na zasadę działania:

a. manometry cieczowe – w przyrządach tych mierzone jest ciśnienie równoważone

hydrostatycznym ciśnieniem słupa cieczy:

• manometry dwuramienne

• manometry jednoramienne

• manometry z rurką pochyłą

• manometry pierścieniowe

• barometry

b. manometry tłokowe – ciśnienie równoważone jest wewnętrznymi siłami działającymi

na tłok.

c. manometry elektryczne – do pomiaru ciśnienia wykorzystuje się zmianę właściwości elektrycznych czujnika.

d. ciśnieniomierze sprężynowe – miarą ciśnienia jest odkształcenie elementu sprężystego:

• rurkowe

• przeponowe

• mieszkowe

W zależności od przeznaczenia do pomiaru ciśnienia wyróżniamy:

• manometry do pomiaru nadciśnienia

• wakuometry do pomiaru podciśnienia

• manowakuometry do pomiaru podciśnienia i nadciśnienia

• ciągomierze do pomiaru małych podciśnień

• rurkomanometry do pomiaru małych wartości nadciśnienia i podciśnienia

• barometry do pomiaru ciśnienia barometrycznego

W grupie manometrów można wyróżnić:

• manometry techniczne

• manometry kontrolne

• manometry laboratoryjne

Zasada działania manometrów cieczowych polega na pomiarze przemieszczenia się cieczy w naczyniach połączonych. Przemieszczenia te są wynikiem ustalenia się równowagi pomiędzy mierzonym ciśnieniem a hydrostatycznym ciśnieniem słupa cieczy manometrycznej. W rezultacie pomiar ciśnienia sprowadza się do pomiaru wysokości słupa cieczy oraz wyznaczenia jej gęstości.

Manometry sprężynowe działają na zasadzie zależności odkształcenia sprężystego od ciśnienia .

W manometrach tłokowych ciśnienie określa się na zasadzie równowagi statycznej tłoka ruchomego w cylindrze, na który z jednej strony działa parcie cieczy wywołane mierzonym ciśnieniem, z drugiej zaś znana siła od ciężaru.

Manometry elektryczne działają na zasadzie zjawisk elektrycznych zachodzących w materiałach wywołanych bezpośrednio ciśnieniem.

Mikrometr Ascania

Do pomiaru bardzo małych ciśnień stosowane są mikrometry kompensacyjne. Najbardziej znanym przyrządem tego typu jest mikrometr Ascania.

Głównymi elementami składowymi przyrządu są dwa naczynia , wypełnione częściowo cieczą manometryczną i połączone giętkim przewodem, wewnątrz naczynia znajduje się stożkowe ostrze , którego ostrze znajduje się w osi optycznej soczewki. Naczynie przymocowane jest do śruby mikrometrycznej , której skok wynosi zazwyczaj 1mm . Mikrometr napełniany jest zwykle wodą destylowaną co powoduje, że wyniki pomiaru wyrażone są bezpośrednio w mmH₂O .

Mikrometr Recknagla

Należy do manometrów z rurką pochyłą, jest manometrem o zmiennym przełożeniu, stosuje się je w celu zwiększenia dokładności pomiaru małych ciśnień. Zastosowanie rurki pochyłej umożliwia zwiększenie dokładności odczytu pomieszczeń słupa cieczy, ponieważ zamiast pomiaru wysokości mierzy się długość słupa cieczy. Przy korzystaniu z tego przyrządu należy zwrócić uwagę na dokładne poziomowanie, może być przyczyną znacznych błędów pomiarowych przy czym ich wartość wzrasta przy zmniejszeniu kąta pochylenia ramienia.

Manometr Tłokowy

Do bezpośredniego pomiaru wysokości, przede wszystkim jednak do sprawdzenia i cechowania manometrów sprężynowych stosuje się manometry tłokowe. W przyrządach tych ciśnienie określa się na zasadzie równowagi statycznej tłoka ruchomego w cylindrze, na który z jednej strony działa parcie cieczy p_n, z reguły oleju, wywołane mierzonym ciśnieniem p, z drugiej zaś znana siła ciężaru, ciśnienie panujące w cylindrze określa się z pominięciem tarcia ze wzoru:

p= F/A [Pa]

1. czynna powierzchnia tłoka

F- siła pochodząca od ciężaru obciążników i tłoka

Błąd przyrządu zależy od dokładności, z jaką określono siłę F oraz czynny przekrój tłoka A.

1. Opis stanowisk pomiarowych.

Stanowisko pierwsze składa się z:

1. mikromanometru Recknagla

2. manometru kontrolno-pomiarowego

3. mikromanometru Ascania

1. W mikrometrze Recknagla można nadać rurce kilka różnych pochyle, a przez to zmienić zakres pomiarowy i dokonać pomiaru. Podziałka wykonana jest dla kąta pochylenia rurki, przy czym może to być położenie pomiarowe. Przy posługiwaniu się manometrami z rurką pochyłą należy zwracać uwagę na dokładne ustawienie przyrządu według poziomicy. Błąd na skutek niedokładnego ustawienia przyrządu wzrasta przy zmniejszeniu kąta ramienia.

2. Manometr kontrolno- pomiarowy umożliwia uzyskanie podciśnienia w przedziale 0-1000 Pa i nadciśnienia 0-1500 Pa. Klasa niedokładności manometru wynosi 0,1%. Na jednym z ramion wagi dzwonowej zawieszony jest dzwon zanurzony w cieczy manometrycznej wypełniającej zbiornnik, który jest sztywno zamocowany do postawy dźwigni. Do poziomowania manometru służą śruby, a wskaźnikiem poziomowego ustawienia układu jest poziomica. Przed przystąpieniem do wzorcowania manometrów należy sprawdzić poziom cieczy w zbiorniku. W tym celu przestrzeń pod dzwonem łączy się z atmosferą za pomocą zaworów. Gdy przez otwarte zawory wypływa ciecz ,oznacza to, że ilość cieczy w zbiorniku jest wystarczająca. Do wytworzenia w układzie nadciśnienia należy ustawić na prawej szalce odważnik, a następnie za pomocą pompki tłoczyć powietrze do chwili, gdy waga znajdzie się powtórnie w stanie równowagi.

3. Mikrometr Ascania składa się z dwóch naczyń wypełnionych częściowo cieczą manometryczną i połączonych gumową rurką. Eliminuje to błędy spowodowane napięciem powierzchniowym cieczy manometrycznej. Naczynie wykonane jest w kształcie walca o osi poziomej, walec zamknięty jest dwoma przezroczystymi dnami, z których jedna stanowi soczewkę wypukłą. Wewnątrz naczynia umieszczone jest stożkowe ostrze, którego wierzchołek znajduje się w osi optycznej soczewki. Różnice poziomów cieczy w obu naczyniach spowodowane mierzonym ciśnieniem kompensuje się przez podnoszenia się naczynia za pomocą śruby mikrometrycznej.

Stanowisko drugie składa się z:

• manometru z elementami sprężystymi

Manometr składa się ze zbiornika oleju połączonego za pomocą kolektora z cylindrem i manometrami wzorcowym i sprawdzanym. Tłok poruszany jest w cylindrze za pomocą pokrętła. Sprawdzanie składa się z serii pomiarowych przy ciśnieniu rosnącym, a następnie malejącym.

1. Obliczenia

MANOMETR Z ELEMENTAMI SPRĘŻYSTYMI

Błąd max.= (k*z)/100

Sprężynowo-tłokowy obciążnikowo- tłokowy

Δp_max= (0,5*2,45)/100=0,01225 MPa Δp_max=(1,6*2,5)/100=0,04 MPa

Sprężynowo-tłokowy

Δp_m=p_m-p_w błąd bezwzględny (obliczenia przykładowe)

Δp_m=0,0588399-0,14709975=-0,08825985

Δp_m=0,5982056-0,63773225=-0,03952665

Δp_m=1,08853815-1,12776475=-0,0392266

Δp_r=p_r-p_w

Δp_r=0,588399-0,14709975=0,44129925

Δp_r=0,5982056-0,63773225=-0,03952665 Δp_m=Δp_r

Δp_r=1,08853815-1,12776475=-0,0392266 Δp_m=Δp_r

MANOMETR RECKANAGLA

Numer: 47957

Przełożenie: 1 : 2

Zakres pomiarowy: 210 Pa = 21,415mmH₂O

Klasa dokładności: 0,5

p=h_w*ρ_w*g

p=h_d*ρ_d*g

h_w=h_d*(ρ_d/ρ_w)

h_w=h_d*ρ_d=I*ρ_d*sinα

h_d/I= sinα przełożenie mikromanometru

g_d=820 (kg/m³)

g_w=998 (kg/m³)

h_w= wysokość słupa wody

h_d= wysokość słupa denaturatu

ρ_w= gęstość wody

ρ_d= gęstość denaturatu

g –przyśpieszenie ziemskie

a) Wartość p przy ciśnieniu rosnącym.

h_d1=0,5*24*10^-3=0,012 m

h_w=0,012*820/998=0,0098 m [m*(kg/m³)*(m/s²)=(kg/m*s²)=Pa]

p=0,0098*998*9,82/9,806=9,78 mmH₂O [(Pa/9,806)=mmH₂O]

h_d2=0,5*49*10^-3=0,0245

h_w=0,0245*820/998=0,020

p=0,020*998*9,81/9,806=19,96 mmH₂O

b) Wartość p przy ciśnieniu malejącym.

p_r=p_m

h_d2=0,5*48*10^-3=0,024 m

h_w=0,024*820/998=0,0197 m

p=0,0197*998*9,81/9,806=19,688 mmH₂O

Obliczanie błędu bezwzględnego Δp

a) Błąd bezwzględny przy ciśnieniu rosnącym.

Δp= p -p

Δp=10-9,78=0,22 mmH₂O

Δp=20-19,98=0,02 mmH₂O

Δp=30-29,100=0,9 mmH₂O

Δp=40-39,79=0,21 mmH₂O

b) Błąd bezwzględny przy ciśnieniu malejącym.

Δp= p -p

Δp=10-9,78=0,22 mmH₂O

Δp=20-19,688=0,31 mmH₂O

Δp=30-29,942=0,06 mmH₂O

Δp=40-39,79=0,21 mmH₂O

Obliczam błąd max.

Δp_max=+^- (k*z)/100

p_max =(0,5*21,415)/100= 0,1mmH₂O

MANOMETR ASCANIA

Klasa: 0,01

Zakres: 150 mmH₂O

Błąd bezwzględny:

Przy ciśnieniu rosnącym:

Δp= 9,1-10=-0,9 mmH₂O

Δp=19,02-20=-0,98 mmH₂O

Δp=28,94-30=-1,06 mmH₂O

Δp=38,17-40=-1,83 mmH₂O

Δp=48,95-50=-1,05 mmH₂O

Przy ciśnieniu malejącym:

Δp= 9,34-10=-0,66 mmH₂O

Δp=18,8-20=-1,2 mmH₂O

Δp=28,79-30=-1,21 mmH₂O

Δp=38,25-40=-1,75 mmH₂O

Δp=49,16-50=-0,84 mmH₂O

Δp_max= (k*z)/100= (0,01*150)/100=0,015 mmHg

1. Wnioski

Dokonując określonych pomiarów dla różnych przypadków, stwierdzamy, że wyniki które otrzymaliśmy znacznie różnią się od siebie. Zanim przeprowadzimy analizę tych wyników trzeba podkreślić, iż pomiarów dokonywaliśmy za pomocą przyrządów różniących się sposobem działania i zasadami odczytu. Różnice wynikają także z tego, że używane urządzenia różnią się klasami dokładności. Celem naszego ćwiczenia było cechowanie manometrów i sprawdzenie czy nadają się do użytku. Pomiarów dokonywaliśmy za pomocą kilku mikromanometrów. Dwa z nich były to Ascania i Recknagel, zarówno jeden jak i drugi służą do pomiarów ciśnień o bardzo małych wartościach. Różnica między nimi polega na sposobie odczytu, w mikromanometrze Ascania wynik odczytujemy z podziałki na śrubie mikrometrycznej i jej noniusza znajdującego się na głowicy śruby. Natomiast w przypadku mikromanometru Recknagla wynik odczytuje się z podziałki umieszczonej na pochyłej rurce wypełnionej cieczą manometryczną.