background image

TEMAT ĆWICZENIA 

 Wyznaczanie zależności temperatury wrzenia wody od ciśnienia 

CEL ĆWICZENIA 

Głównym  celem  ćwiczenia  jest  wyznaczenie  zależności  temperatury  wrzenia  wody  od 
ciśnienia. 
 
PODSTAWY TEORETYCZNE DO SAMODZIELNEGO OPRACOWANIA 
Para  nasycona  sucha  i  para  mokra,  para  przegrzana,  stopień  suchości,  utajone  ciepło 
parowania  (utajona  entalpia  parowania),  zależność  ciśnienia  pary  wodnej  nasyconej  od 
temperatury,  wykres  stanów  dla  wody  w  układach  współrzędnych    p-v,  T-s,  h-s,  punkt 
potrójny wody, punkt krytyczny wody, równanie Clausiusa-Clapeyrona, równanie Antoine'a, 
metoda najmniejszych kwadratów. 

 

ZESTAW POMIAROWY 

Przedstawiony  na  rys.1  zestaw  pomiarowy  składa  się  z  membranowej  pompy  próżniowej  o 
regulowanej  mocy  ssania  9,  dzięki  której  jest  możliwe  uzyskanie  podciśnienia  nad 
powierzchnią wody znajdującą się w szklanej kolbie 1. Do ogrzewania wody znajdującej się 
w kolbie wykorzystywana jest czasza grzejna o regulowanej mocy grzewczej 2. Wytworzona 
w kolbie para wodna jest skraplana w szklanej chłodnicy wodnej 3.  
Pomiar  temperatury  pary  znajdującej  się  w  kolbie  jest  realizowany  za  pomocą 
rezystancyjnego czujnika temperatury 8 (Pt100) pracującego w układzie trójprzewodowym o 
rezystorze pomiarowym wykonanym w klasie B wg PN - EN 60751 + A2: 1997 (dla klasy B 
niepewność  pomiaru  temperatury  wyrażonej  w 

o

C  jest  równa 

(

)

T

,

,

+

±

005

0

3

0

).  Odczyt 

temperatury  odbywa  się  za  pomocą  przenośnego  miernika  o  temperatury  o  zakresie 
pomiarowym −50÷200 

o

C i niepewności pomiaru ±(0,15%zakresu + 1dgt). Do pomiaru zmian 

ciśnienia  pary  wodnej  zastosowano  przetwornik  ciśnienia  4  o  zakresie  pomiarowym  −1÷0,6 
bar z prądowym sygnałem wyjściowym (4÷20 mA) i liniowej charakterystyce. Dopuszczalna 
temperatura pomiaru  ciśnienia dla tego przetwornika wynosi 80

  o

C. Niepewność pomiarowa 

przetwornika  wynosi  0,25%  zakresu  pomiarowego.  Przetwornik  jest  zasilany  przy  pomocy  
stabilizowanego  zasilacza  prądu  stałego  5.  Pomiar  ciśnienia  w  kolbie  odbywa  się  na 
podstawie  pomiaru  spadku  napięcia  na  rezystorze  6  o  znanej  rezystancji  R,  przy  pomocy 
cyfrowego woltomierza 7 o niepewności pomiaru napięcia DC ±(0,5% wartości zmierzonej+ 
2dgt).  
Do pomiaru ciśnienia barometrycznego zastosowano rtęciowy  barometr stacyjny. 

W  cylindrze  11  znajduje  się  substancja  osuszająca  (sito  molekularne).  Naczynie  10 

stanowi rodzaj buforu zabezpieczającego przetwornik ciśnienia. 

 

PROCEDURA POMIAROWA 

Przed uruchomieniem stanowiska należy sprawdzić szczelność wszystkich połączeń oraz ilość 
wody  w  kolbie.  Włączyć  zasilacz  stabilizowany  i  zanotować  wskazanie  woltomierza  7  przy 
ciśnieniu atmosferycznym panującym w kolbie.  Zanotować wskazanie barometru. Następnie 
włączyć  zasilanie  czaszy  grzejnej,  ustawiając  jednocześnie  regulator  mocy  grzewczej  na 
maksymalną moc, i podgrzać wodę do temperatury ok. 30 

o

C. Zmniejszyć moc grzewczą do 

ok. 50%. Włączyć przepływ wody chłodzącej przez chłodnicę. Uruchomić pompę próżniową 
i ustawić maksymalną moc ssania za pomocą regulatora. Po wystąpieniu wrzenia i ustaleniu 
się  parametrów  zanotować  temperaturę  wrzenia  i  dopowiadające  jej  podciśnienie  dla 
pierwszego  punktu  pomiarowego  (wykonać  co  najmniej  po  pięć  odczytów  temperatury  i 
spadku  napięcia  ).  Następnie  należy  zwiększyć  ciśnienie  nad  powierzchnią  wody, 

background image

zmniejszając moc ssania pompy próżniowej i ponownie doprowadzić do stanu, wrzenia cały 
czas grzejąc wodę w kolbie za pomocą czaszy grzejnej. Ponownie zanotować ciśnienie i temp. 
wrzenia.  Procedurę  powtórzyć,  aż  do  osiągnięcia  w  kolbie  ciśnienia  atmosferycznego.  Aby 
wykonać, pomiar w warunkach ciśnienia atmosferycznego należy wyłączyć pompę próżniową 
i  wyjąc  wąż  z  króćca  ssawnego  pompy.  Wykonać  pomiar  dla  co  najmniej  pięciu  punktów 
pomiarowych.  

 

Rys.1. Schemat stanowiska pomiarowego 

 
OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW 
Przed  rozpoczęciem  pomiarów  należy  zanotować  ciśnienie  atmosferyczne  oraz  temperaturę 
panującą  w  laboratorium.  Wykonać  co  najmniej  pięć  odczytów  ciśnienia  atmosferycznego. 
Wyniki  zestawić  w  tabeli  1.  Obliczyć  średnie  z  wielkości  mierzonych  oraz  standardową 
niepewność wyniku (średniej).    

 
Tabela 1. Wyniki pomiarów ciśnienia atmosferycznego  

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
   

W  trakcie  pomiaru  dla  każdego  punktu  pomiarowego  (dla  każdej  temperatury  wrzenia)  
zanotować  temperaturę  i  spadek  napięcia  na  rezystorze  pomiarowym.  Wykonać  co  najmniej 
po pięć odczytów. Wyniki zestawić w tabeli 2 przedstawionej poniżej.    

L.p. 

Ciśnienie atmosferyczne, p

a

 

mmHg 

Odczyt nr 1 

 

-/- nr 2 

 

-/- nr 3 

 

-/- nr 4 

 

-/- nr 5 

 

Średnia, 

x

 

 

Niepewność 
standardowa 

średniej 

)

p

(

u

a

A

 

 

Względna  niepewność 
standardowa 

średniej, 

)

x

(

e

A

 

 

background image

Dla każdego punktu pomiarowego obliczyć średnie z wielkości mierzonych oraz standardową 
niepewność wyniku (średniej).    
 
 
 
 

Tabela 2. Wyniki pomiarów ciśnienia nasycenia w funkcji temperatury. 

Uwaga:  Przyjąć  zasadę  podawania  jednej  cyfry  znaczącej  niepewności.  Ostatnia  cyfra 
znacząca  w  każdym  wyniku  powinna  być  tego  samego  rzędu  (stać  na  tym  samym  miejscu 
dziesiętnym) co błąd. 

 
Dla  liczby  N  niezależnych  pomiarów  eksperymentalnej  wielkości  x,  o  jednakowych 

niepewnościach, najbardziej wiarygodnym przybliżeniem jest średnia arytmetyczna 

x

  

=

=

N

i

i

x

N

x

1

1

,              

 

 

(1) 

gdzie : N -liczba pomiarów. 
Najlepszym  przybliżeniem  niepewności  średniej  arytmetycznej 

x

  jest  odchylenie 

standardowe  średniej  (jest  to  tzw.  niepewność  typu  A,  -jest  oparta  na  metodzie  określania 
niepewności pomiaru na podstawie analizy statystycznej serii wyników pomiarów)  

(

)

(

)

1

1

2

=

=

N

N

x

x

)

x

(

u

N

i

i

A

  

 

 

 

(2)                                                         

lub operując niepewnością względną: 

(

)

1

1

1

2

=

=

=

N

N

x

x

x

)

x

(

u

)

x

(

e

N

i

i

A

A

.  

  

 

  

(3) 

Aby  określić  niepewność  całkowitą  pomiaru  wielkości  mierzonej,  należy  dodatkowo 

uwzględnić  niepewność  typu  B,  która  jest  obliczana  na  podstawie  rozkładu 
prawdopodobieństwa  przyjętego  przez  eksperymentatora.  Generalnie  metoda  B  służy  do 

 

I punkt pomiarowy 

II punkt pomiarowy 

i-ty punkt pomiarowy  V punkt pomiarowy 

Temp. 
wrzenia 
 

o

Spadek 
napięcia na 
rezystorze,  

Temp. 
 wrzenia,  
 

o

Spadek 
napięcia na 
rezystorze,  

Temp. 
wrzenia 
 

o

Spadek 
napięcia na 
rezystorze  

Temp. 
wrzenia 
 

o

Spadek 
napięcia na 
rezystorze  

Odczyt nr 1 

 

 

 

 

 

 

 

 

-/- nr 2 

 

 

 

 

 

 

 

 

-/- nr 3 

 

 

 

 

 

 

 

 

-/- nr 4 

 

 

 

 

 

 

 

 

-/- nr 5 

 

 

 

 

 

 

 

 

Średnia, 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Niepewność 
standardowa 

średniej 

)

x

(

u

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Względna  niepewność 
standardowa 

średniej, 

)

x

(

e

A

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

szacowania  niepewności  instrumentalnej.  Niepewność  standardową  typu  B  określa  się  na 
drodze analizy, opartej na wszystkich możliwych informacjach.  
 W  skład  niepewności  typu  B  wchodzą  np.:  niepewność  wzorcowania  (kalibracji)  przyrządu 
pomiarowego,  niepewność  eksperymentatora,  niepewność  tablicową  (niepewność  danych 
zaczerpniętych z literatury) itp.  
 

Przyjmuje  się,  że  standardowa  niepewność  typu  B  jest  równa  odchyleniu 

standardowemu rozkładu jednostajnego, czyli: 

   

 

 

 

 

3

x

)

x

(

u

i

B

=

,  

 

 

 

 

(6) 

gdzie: 

x

i

(błąd  graniczny)  np.  niepewność  wzorcowania  przyrządu  pomiarowego, 

niepewność eksperymentatora, niepewność tablicowa itp. 
Łączna niepewność standardowa typu B może być przedstawiona zależnością: 

(

)

=

i

i

B

x

)

x

(

u

3

2

 

 

 

(7) 

lub operując niepewnością względną: 

x

)

x

(

u

)

x

(

e

B

B

=

 

 

 

 

(8) 

 

 Uwaga:  W dokumentacji technicznej, informacje o dokładności pomiaru przyrządem 

cyfrowym podawane są często w postaci uproszczonej: np.  ±(0,1%+2dgt). Taki zapis należy 
interpretować jako sumę błędu równego 0,1% wartości mierzonej i błędu, odpowiadającego 
2-krotnej rozdzielczości pola odczytowego. 

 
Wyniki  obliczeń  niepewności  temperatury,  napięcia  i  ciśnienia  atmosferycznego 

należy przedstawić w tabelach 3,4, i 5. 

 

Tabela 3. Niepewność typu B pomiaru temperatury . 

 
 
 
 
 

L.p. 

Temperatura  

 

Niepewność standardowa typu B temperatury, u

B

(T)

 

Średnia 
arytmetyczna  

T

o

C

 

Niepewność 
standardowa 
czujnika 
temperatury, 

o

C

 

3

T

)

T

(

u

cz

cz

B

=

 

Niepewność 
standardowa 
miernika 
temperatury,

 o

C

 

3

T

)

T

(

u

m

m

B

=

 

Łączna 

niepewność 

standardowa  typu  B 
temperatury,    u

B

(T) 

 

o

C

 

 
 

)

T

(

u

)

T

(

u

m

cz

B

B

2

2

+

 

Łączna 

względna 

niepewność 
standardowa typu B 
temperatury, % 

T

)

T

(

u

)

T

(

e

B

B

=

 

I punkt pomiarowy 

 

 

 

 

 

II punkt pomiarowy 

 

 

 

 

 

III punkt pomiarowy 

 

 

 

 

 

IV punkt pomiarowy 

 

 

 

 

 

V punkt pomiarowy 

 

 

 

 

 

Błąd graniczny czujnika temp.:

(

)

T

,

,

T

cz

+

±

=

005

0

3

0

 

Błąd graniczny miernika temp.:

(

)

dgt

zakresu

%

,

T

m

+

±

=

1

15

0

 

background image

 
 
 
 
 

Tabela 4. Niepewność typu B pomiaru napięcia . 

 

Tabela 5. Niepewność typu B pomiaru ciśnienia atmosferycznego  

 
 
 
 
 
 
 
 

 

Niepewność  standardowa  wielkości  mierzonych  bezpośrednio  jest  sumą  niepewności 

standardowych typu A i typu B: 

)

x

(

u

)

x

(

u

)

x

(

u

B

A

2

2

+

=

.   

 

 

 

(9) 

Aby  określić  ciśnienie  bezwzględne  jakie  panuje  w  kolbie  należy  na  podstawie 

charakterystyki  przetwornika  przeliczyć  wskazywane  napięcie  na  wartość  ciśnienia  z 
następującej zależności:  

R

S

U

U

p

p

i

at

at

i

=

 

 

 

(10) 

gdzie:  p

at

-  ciśnienie  atmosferyczne,  S-czułość  przetwornika,    U

at

-napięcie  na  rezystorze 

odpowiadające  ciśnieniu  atmosferycznemu,  U

i

-napięcie  na  rezystorze  odpowiadające 

podciśnieniu w kolbie w i-tym punkcie pomiarowym, R- rezystancja rezystora pomiarowego. 
Dla przetwornika liniowego czułość S wyraża się zależnością: 

                           

 

     

min

max

min

max

X

X

Y

Y

S

=

,                                                       (11) 

L.p. 

Spadek 
napięcia 

na 

rezystorze 

Niepewność standardowa B napięcia, u

B

(V)

 

Średnia 
arytmetyczna  

U

, V

 

Niepewność 
standardowa 
przetwornika 
ciśnienia, 

V

 

3

U

)

U

(

u

cz

cz

B

=

 

Niepewność 
standardowa 
miernika, V 
 

3

U

)

U

(

u

m

m

B

=

 

Łączna 

niepewność 

standardowa  typu  B 
napięcia, 

 

V

 

 
 

)

U

(

u

)

U

(

u

m

cz

B

B

2

2

+

 

Łączna  względna 
niepewność 
standardowa  typu 
B, % 

U

)

U

(

u

)

U

(

e

B

B

=

 

I punkt pomiarowy 

 

 

 

 

 

II punkt pomiarowy 

 

 

 

 

 

III punkt pomiarowy 

 

 

 

 

 

IV punkt pomiarowy 

 

 

 

 

 

V punkt pomiarowy 

 

 

 

 

 

Błąd graniczny czujnika ciśnienia:

(

)

zakresu

%

,

R

S

U

cz

25

0

±

=

 (bez uwzględnienia niepewności rezystora) 

Błąd graniczny miernika.:

(

)

dgt

U

%

,

U

m

+

±

=

2

5

0

  

Ciśnienie 
atmosferyczne,  

at

p

 , bar 

Niepewność 
standardowa  średniej, 
bar 

3

at

cz

at

B

p

)

p

(

u

=

 

Względna 

niepewność 

standardowa 

średniej, 

at

at

B

at

B

p

)

p

(

u

)

p

(

e

=

 

 

 

Błąd graniczny barometru.: 

hPa

p

at

cz

1

±

=

 

background image

gdzie: X

max

- maksymalny sygnał wejściowy przetwornika, X

min

- minimalny sygnał wejściowy 

przetwornika Y

max

- maksymalny sygnał wyjściowy, Y

max

- minimalny sygnał wyjściowy. 

Całkowita niepewność standardowa ciśnienia może być obliczona na podstawie prawa 

propagacji 

niepewności 

pomiarach 

pośrednich 

dla 

wielkości 

wejściowych 

nieskorelowanych: 

 





=

i

i

i

c

)

x

(

u

x

p

)

p

(

u

2

2

 

 

 

 

(12)

 

 

 

 

 

Całkowita  niepewność  standardowa  temperatury  może  być  obliczona  na  podstawie 

wyrażenia (9). 
Wyniki pomiarów temperatury, ciśnienia i ich niepewności całkowite dla wszystkich punktów 
pomiarowych należy zestawić w tabeli 6.  
 

Tabela 6. Wyniki pomiarów ciśnienia i temperatury wrzenia.   

 
 Następnie  wykorzystując  metodę  najmniejszych  kwadratów  dokonać  aproksymacji  danych 
pomiarowych przy pomocy równania Clausiusa –Clapeyrona: 

C

T

R

h

)

p

ln(

i

lg

+

=

 

 

 

 

(13) 

gdzie: 

lg

h

-utajona  entalpia  (ciepło)  parowania  kJ/kg,    R

i

-  indywidualna  stała  gazowa 

kJ/kgK, C-stała całkowania, T- temperatura, K. 
Powyższe równanie można przekształcić do postaci: 

( )

b

a

+

=

τ

τ

π

 

 

 

 

(14) 

gdzie: 

( )

p

ln

=

π

T

1

=

τ

i

lg

R

h

a

=

, b=C.  

Ostatecznie otrzymuje się równanie linii prostej w układzie współrzędnych π,τ. 
Wykorzystując  metodę  najmniejszych  kwadratów  można  obliczyć  współczynniki  a  i  b 
równania (14): 
 

L.p. 

Temperatura 

Ciśnienie 

Średnia 
arytmet.  

T

, K

 

Całkowita 
niepewność 
standardowa 
średniej  
u(T), K 
(z równania 9) 

Całkowita 
względna 
niepewność 
standardowa 
średniej, % 

Średnia 
arytmet. 

p

bar 

Całkowita 
niepewność 
standardowa 
średniej 
 u(p), bar 
(z równania 12) 

Całkowita 
względna 
niepewność 
standardowa 
średniej, % 

I punkt pomiarowy 

 

 

 

 

 

 

II punkt pomiarowy 

 

 

 

 

 

 

III punkt pomiarowy   

 

 

 

 

 

IV punkt pomiarowy   

 

 

 

 

 

IV punkt pomiarowy   

 

 

 

 

 

background image

2

1

1

2

1

1

1



=

=

=

=

=

=

N

j

j

N

j

j

N

j

j

N

j

j

N

j

j

j

N

N

a

τ

τ

π

τ

π

τ

,   

 

 

 

(15) 

2

1

1

2

1

1

1

1

2



=

=

=

=

=

=

=

N

j

j

N

j

j

N

j

N

j

j

j

N

j

j

j

N

j

j

N

b

τ

τ

π

τ

τ

π

τ

 

 

 

(16) 

gdzie: N- liczba punktów pomiarowych. 
Niepewności standardowe współczynników a i b oblicza się następująco: 

2

1

1

2



=

=

=

N

j

j

N

j

j

y

N

N

s

)

a

(

u

τ

τ

 

 

 

(17) 

 

2

1

1

2

1

2



=

=

=

=

N

j

j

N

j

j

N

j

j

y

N

s

)

b

(

u

τ

τ

τ

 

 

 

(18) 

 
 

(

)

[

]

2

1

2

+

=

=

N

b

a

s

N

j

j

j

y

τ

π

 

 

 

 

(19) 

 
Wykorzystując  metodę  najmniejszych  kwadratów  dokonać 

aproksymacji  danych 

pomiarowych przy pomocy równania Antoine’a: 

( )

T

ln

B

T

R

A

C

)

p

ln(

i

+

=

 

 

 

(20) 

gdzie: A, B- stałe w równaniu entalpii parowania w funkcji temperatury  (do wyprowadzenia 
równania 

Antoine’a 

przyjęto, 

że 

entalpia 

parowania 

jest 

liniową 

funkcją 

temperatury:

T

B

A

h

lg

+

=

),  R

i

-  indywidualna  stała  gazowa  kJ/kgK,  C-stała  całkowania, 

T- temperatura, K. 
Powyższe równanie można przekształcić do postaci: 

( )

( )

γ

τ

β

τ

α

τ

π

+

+

=

−1

ln

 

 

(21) 

gdzie: 

( )

p

ln

=

π

T

1

=

τ

i

R

A

=

α

, β=B, γ=C.  

background image

Przedstawić  wyniki  pomiarów  wraz  z  ich  niepewnościami  całkowitymi  dla  wszystkich 
punktów pomiarowych na wykresie w układzie ln(p), T

-1

.  

Aby wyznaczyć stałe α,β,γ  występujące w równaniu (21), należy rozwiązać układ równań: 
 
 

( )

( )

( )

( )

(

)

( )

( )

( )

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

+

+

=

+

+

=

+

+

=

N

j

j

N

j

j

j

N

j

j

N

j

j

j

N

j

j

N

j

j

N

j

j

j

N

j

j

j

N

j

j

N

j

j

N

j

j

ln

ln

ln

ln

ln

N

ln

1

1

1

1

2

1

1

1

1

2

1

1

1

1

1

1

1

1

1

τ

γ

τ

τ

β

τ

α

τ

π

τ

γ

τ

β

τ

τ

α

τ

π

γ

τ

β

τ

α

π

.   

 

(22) 

Naszkicować na wykresie równanie (14) i (20).  Porównać własne wyniki pomiarów z danymi 
literaturowymi.  Dodatkowo  wyznaczyć  utajone  ciepło  parowania  wody  na  podstawie 

równania  Clausiusa  –Clapeyrona    oraz  Antoine’a 

lg

h

  (wykorzystać 

i

lg

R

h

a

=

T

B

A

h

lg

+

=

). 

Uwaga:  Równania  (15,16,17,18,19,22)  są  słuszne,  w  przypadku  gdy  niepewności 

pomiaru temperatury są znikomo małe w stosunku do niepewności pomiaru ciśnienia oraz gdy 
niepewności ciśnienia są jednakowe.