III. Manometry.

Ciśnienie p - granica stosunku siły normalnej do pow. do pola tej powierzchni, gdy wartości pola powierzchni dąży do zera. Podział manometrów:

-manometry tłokowe - w tych przyrządach ciśnienie równoważone jest wew. siłami działającymi na tłok.

-ciśnieniomierze sprężynowe - miarą ciśnienia odkształcenie elementu sprężynowego,

-manometry elektryczne - do pomiaru ciśnienia wykorzystano zmianę właściwości elektrycznych czujnika.

W zależności od przeznaczenia przyrządów do pomiaru ciśnienia rozróżnia się:

-manometry - do pomiaru nadciśnienia

-wakuometry - do pomiaru podciśnienia,

-manowakuometry - do pomiaru nadciśnienia i podciśnienia

-ciągomierze - do pomiaru małych podciśnień

-mikromanometry - do pomiaru małych wartości nadciśnienia lub podciśnienia.

-manometry różnicowe - do pomiaru różnicy ciśnień,

-barometry - do pomiaru ciśnienia baromatrycznego.

Przeznaczenie przyrządu może być również podstawą innej klasyfikacji, a mianowicie np. w grupie manometrów można wyróżnić:

-manometry techniczne,

-manometry kontrolne,

-manometry laboratoryjne,

-manometry wzorcowe.

Powyższe przyrządy różnią się między sobą także klasą niedokładności.

1.Manometry obciążnikowo - tłokowe

Zasada działania manometrów obciążnikowo - tłokowych polega na równoważeniu za pomocą obciążników siły spowodowanej działaniem ciśnienia na tłok o znanym polu przekroju poprzecznego. Na tłok poruszający się w cylindrze działają następujące siły: siła ciężkości tłoka i obciążników, siła spowodowana ciśnieniem cieczy manometrycznej, którą jest najczęściej olej, oraz siła tarcia, która przeciwdziała ruchowi tłoka w cylindrze.

gdzie:

G₀ - ciężar obciążników

G_t - ciężar tłoka

T - siła tarcia

W - siła wyporu cieczy wypełniajacej układ

A_cz - pole przekroju pow. czynnej tłoka

Aby wyeliminować wpływ siły tarcia T na wskazania manometru, w czasie pomiaru obciążnik wraz z tłokiem wprawiany jest w ruch obrotowy. Dzięki temu zamiast tarcia mechanicznego powstaje tarcie hydrauliczne o znacznie mniejszych wartościach sił.

Siła wyporu występująca we wzorze jest znikomo mała i w praktyce może być pominięta.

Wpływ zmiany wartości przyspieszenia siły ciężkości na wskazania manometru uwzględnia się za pomocą wzoru:

gdzie:

p - rzeczywista wartość ciśnienia,

po - wartość ciśnienia opisana na obciążniku,

g - przyspieszenie siły ciężkości w miejscu pomiaru.

gn - normalne przyśpieszenie siły ciężkości.

Manometry obciążnikowo - tłokowe stosowane są jako wzorce ciśnienia klasy sigma max= 0.05 lub 0.02. Ponieważ klasa niedokładności zależy od jakości wykonania elementów pomocniczych (szczelności prasy olejowej, zaworów odcinających itp.) zatem określenie manometr obciążnikowo - tłokowy oznacza cały zespół urządzeń koniecznych do wytwarzania i utrzymywania ciśnienia.

2.Manometry sprężynowe.

Zasada działania tego typu manometrów polega na wykorzystaniu do pomiaru ciśnienia sprężystych odkształceń elementów różnych typów. Przyjmując jako podstawę klasyfikacji manometrów typ elementu sprężystego rozróżnia się:

-manometry rurkowe,

-manometry przeponowe (membranowe),

-manometry mieszkowe (sylfonowe).

3.Manometry rurkowe - sa w chwili obecnej najczęściej używanymi przyrządami do pomiarów ciśnień. Budowane są o różnych zakresach pomiarowych i dla różnych czynników. Zasadniczym elementem manometru jest zwinięta rurka najczęściej o przekroju eliptycznym lub owalnym. Rurka wykonana jest ze sprężystego materiału: stali, brązu lub stali specjalnych, przy czym rodzaj stosowanego materiału zależy od własności czynnika, którego ciśnienie jest mierzone, oraz wymaganego zakresu pomiarowego. Jeden koniec rurki jest zamknięty, natomiast drugi jest zamocowany w króćcu zakończonym złączką z gwintem; za pomocą złączki łączy się rurkę z przestrzenią, w której należy zmierzyć ciśnienie. Jeżeli doprowadzony jest czynnik o ciśnieniu wyższym od ciśnienia atm., to krzywizna rurki zmniejszy się; w przypadku gdy czynnik wykazuje podciśnienie, krzywizna rurki rośnie. Ponieważ jeden koniec rurki jest sztywno zamocowany, zmiana krzywizny powoduje przemieszczenie jej drugiego swobodnego końca. Ruch swobodnego końca rurki oddziałuje na przekładnię przez układ wodzik - przegub na człon wskazujący manometru.

Przesunięcie s swobodnego końca rurki w określonym zakresie dł. jest proporcjonalne do ciśnienia p.

4.Manometry przeponowe - w tego typu manometrach czujnikiem jest przepona wykonana ze sprężystego materiału, szczelnie zamocowana na obwodzie pomiędzy kołnierzami górnej i dolnej części obudowy przyrządu. Sygnał mierzonego ciśnienia jest doprowadzony do jednej z komór utworzonych przez przeponę i obudowę czujnika. Ugięcie środka przepony odkształcającej się pod wpływem ciśnienia jest przekazywane za pośrednictwem układu dźwigni i przekładni zębatej na wskazówkę, której wychylenie jest miara ciśnienia. W celu uzyskania liniowej zależności pomiędzy odkształceniami a działającym ciśnieniem stosuje się przepony z wytłaczanymi falami (karbami). Liczba, kształt i wymiary fal zależą od przeznaczenia manometru, zakresu pomiarowego itp. W celu zwiększenia ugięcia przepony w manometrach do pomiaru małych ciśnień przepony łączy się w puszki. Stosuje się puszki aneroidowe i manometryczne.

Manometry przeponowe stosuje się do pomiarów ciśnień, których wartość nie przekracza 3 MPa. Najczęściej manometry te stosowane są do pomiarów podciśnień oraz różnicy ciśnień. Są one szczególnie zalecane do pomiaru ciśnienia cieczy gęstych i lepkich.

5.Manometry mieszkowe - czujnikiem pomiarowym w tego typu manometrach jest cylindryczne naczynie cienkościenne z pierścieniowymi karbami, które pod działaniem ciśnienia odkształca się. Czujnik pomiarowy w kształcie mieszka odznacza się dużą czułością; jest to najczulszy element sprężysty.

Zakres pomiarowy manometru jest tak dobrany, aby odkształcenie mieszka było proporcjonalne do działającego ciśnienia. zasadniczą wadą mieszków jest histereza oraz niestabilność charakterystyki. Mieszek rozpręża się pod wpływem ciśnienia działającego od wew. i za pośrednictwem układu dźwigniowego przesuwa drążek , który rejestruje zmiany ciśnienia na tarczy. Manometry mieszkowe stosuje najczęściej do pomiaru małych ciśnień 0.05 - 0.5 MPa i różnic ciśnień oraz jako wakuometry i barometry.

6.Zjawisko histerezy - polega na opóźnieniu wskazań manometru przy wzroście lub zmniejszeniu wartości mierzonego ciśnienia.

Podstawowymi przyczynami błędów występujących przy pomiarze ciśnień są zmiany temp. czujnika pomiarowego, histereza odkształceń sprężystych spowodowana przede wszystkim przeciążeniem czujnika oraz tarcie w mechanicznym układzie przenoszenia odkształceń czujnika.

7.Manometry oporowe - wykorzystano zjawisko zmiany oporu elektrycznego przewodników , które spowodowane jest działaniem ciśnienia zew. zjawisko to spowodowane jest zmianą geometrycznych wymiarów przewodnika oraz zmianą jego przewodności właściwej.

8.Manometry pojemnościowe - wykorzystuje się tu zjawisko zmiany pojemności elektrycznej płaskiego kondensatora spowodowane zmianą odległości pomiędzy jego płytkami. Zmianę pojemności czujnika mierzy się metodami rezonansowymi lub mostkami prądu zmiennego.

9.Manometry piezoelektryczne - wykorzystano tu zjawisko piezoelektryczne. Polega ono na powstawaniu ładunków elektrycznych na powierzchni niektórych kryształów pod działaniem siły ściskającej działającej w kierunku tzw. osi elektrycznej.

Włoskowatość - podniesienie lub obniżenie poziomu cieczy zależnie od tego, czy ciecz manometryczna zwilża ściankę manometru, czy też nie.

IV. Lepkość.

Lepkość - jest miarą tarcia wew. występującego podczas ruchu płynów i charakteryzuje ich zdolność do przenoszenia naprężeń stycznych.

Prawo Newtona - za pomocą jego można zdefiniować współczynnik lepkości. Na podstawie niego naprężenia styczne w laminarnym strumieniu płynu jest wprost proporcjonalne do gradientu prędkości w kierunku normalnym do kierunku przepływu.

gdzie:

τ - naprężenia styczne

η - współczynnik proporcjonalności

A zatem dynamiczny współczynnik lepkości określony jest wzorem:

W układzie SI jednostką współczynnika lepkości dynamicznej jest niutonosekunda na metr kwadratowy; jest to lepkość płynu, w którym prędkość liniowa pod działaniem naprężenia stycznego równego N/m2 ma prostopadle w kierunku przesunięcia gradiant prędkości 1 m/s na 1 m odległości.

Do pomiarów lepkości służą lepkościomierze (wiskozymetry); wykorzystano w nich szereg zjawisk fizycznych, których przebieg zależy od lepkości. W związku z tym rozróżnia się lepkościomierze :

-kapilarne, kulkowe, rotacyjne, wibracyjne, ultradźwiękowe itp.

Ponieważ lepkość płynów zależy od temp., wspólną cechą wszystkich wymienionych przyrządów jest urządzenie termostatyczne umożliwiające stabilizację temp. badanego płynu na żądanym poziomie.

1. Lepkościomierze kapilarne.

W tego typu lepkościomierzach wykorzystano prawo Hagen - Poisenille'a określające strumień masy cieczy wypływającej z rurki kapilarnej pod działaniem siły ciężkości lub sił ciśnienia wew..

Lepkościomierz Vogel - Ossaga - w skład tego przyrządu wchodzą: termostat z 2 wziernikami, zbiornik o pojemności 15 cm3 zamykany gwintowaną pokrywą wyposażoną w tulejki do zamocowania termometru i kapilary ze zbiornikiem, mieszadło powietrzne składające się z rurki i pompki. Pompa połączona przez zawór dwudrogowy i przewód gumowy z kapilarą służy do napełniania kapilary badanym płynem, a termometr do pomiaru temp. wody w termostacie.

W celu dokonania pomiaru lepkości należy napełnić zbiornik badanym płynem, zamocować termometr i kapilarę, a następnie za pomocą pompki napełnić zbiornik kapilary. Z kolei za pomocą palnika gazowego ustala się żądaną wartość temperatury wody w termostacie; pomiar rozpoczyna się z chwilą wyrównania temp. wody i badanej cieczy, po stwierdzeniu stanu równowagi na podstawie wskazań termometrów zdejmuje się wąż łączący pompkę z kapilarą i następnie mierzy czas obniżania poziomu badanej cieczy pomiędzy dwoma kreskami zaznaczonymi na kapilarze. Kinematyczny współczynnik lepkości oblicza się ze wzoru:

Lepkościomierz Englera - w tym przyrządzie pomiar lepkości sprowadza się do pomiaru czasu wypływu 200 cm3 badanej cieczy, wówczas lepkość względna wyrażona w stopniach Englera określa wzór:

Nie mogą one być stosowane do pomiaru cieczy o zbyt dużych lepkościach. Lepkościomierze te może być używany jedynie do orientacyjnego wyznaczania lepkości; w tym przypadku należy mierzyć czas wypływu mniejszej objętości cieczy do chwili gdy jej strumień jest jeszcze ciągły. Wówczas w celu obliczania właściwego czasu wypływu cieczy o objętości 200 należy czas wypływu 100 cm3 pomnożyć przez 2.329.

2. Lepkościomierze kulkowe.

W tych przypadkach miarą lepkości jest czas opadania kulki o określonej średnicy w rurce wypełnionej badana cieczą.

Zgodnie z prawem Stokesa prędkość opadania ciała stałego nie zależy od jego lepkości określana jest wzorem

w - prędkość opadania

c - współczynnik oporu

ζ₁ - gęstość materiału kuli

ζ₂ - gęstość cieczy

g - przyśpieszenie siły ciężkości

r - promień kuli

η - dynamiczny współczynnik lepkości

Lepkościomierz Hopplera - główna częścią przyrządu jest rurka szklana odchylona od pionu o 15 stopni, umieszczona w łaźni wyposażonej w grzejnik elektryczny. Takie umieszczenie rurki umożliwia zmiany temp. badanej cieczy. Rurka pomiarowa wyposażona jest w gwintowane pokrywy umożliwiające napełnianie jej cieczą oraz wprowadzenie kul. Łaźnia wraz z rurką jest zamocowana do podstawy za pomocą przegubu, takie zamocowanie umożliwia zmiany położenia kulki w rurce i dokładne wymieszanie badanej cieczy oraz cieczy wypełniającej łaźnię. Warunkiem prawidłowego pomiaru jest dokładne spoziomowanie przyrządu ; lepkościomierz wyposażony jest w komplet kulek o różnej średnicy i gęstości, kulki dobiera się odpowiednio do przewidywanej wartości współczynnika lepkości badanej cieczy.

3. Lepkościomierze rotacyjne.

W tego typu przyrządach miara lepkości jest moment skręcający wywołany oporem płynu, w którym obraca się czujnik pomiarowy.

Głównymi elementami przyrządu są dwa współosiowe cylindry. Cylinder zew. napełniany badaną cieczą obraca się ze stałą prędkością kątową, przy czym ruch cylindra wywołuje silnik przez przekładnię. Moment obrotowy wywołany lepkością cieczy działający na wew. cylinder jest równoważony siłą ciężkości odważnika umieszczonego na szalce, która przymocowana jest za pomocą nici do tarczy.

Lepkościomierz z wirnikiem wew. - wyposażony może być w wirnik kulisty lub cylindryczny. Pomiar lepkości sprowadza się w tym przypadku do pomiaru siły oporu, z jaką ciecz działa na obracający się wirnik. Najczęściej do pomiaru tej siły stosuje się dynamometru sprężynowego. Wówczas kąt skręcania dynamometru jest wprost proporcjonalny do dynamicznego współczynnika lepkości badanej cieczy.

Lepkościomierz z wirującymi tarczami - obie tarcze zanurzone są w badanej cieczy; dolna tarcza obraca się ze stałą prędkością kątową, natomiast moment obrotowy przekazywany tarczy górnej zależy od lepkości badanej cieczy. A zatem pomiar lepkości sprowadza się do pomiaru momentu obrotowego górnej tarczy.

Zakres pomiarowy lepkościomierzy rotacyjnych jest stosunkowo szeroki i wynosi 0.01 - 1000 Pa s.

4. Lepkościomierze wibracyjne.

Miara lepkości tu jest czas konieczny do zmniejszenia amplitudy wahań czujnika pomiarowego zanurzonego w badanej cieczy.

Czujnik przymocowany jest za pomocą trzpienia do rdzenia wykonanego z miękkiej stali. Rdzeń zawieszony na taśmach umieszczony jest w układzie elektromagnetycznym złożonym ze stałego magnesu oraz cewek. Cewki są tak połączone, że powstające przy przepływie prądu zmienne pole magnetyczne nakłada się na pole magnesu stałego, w rezultacie rdzeń wraz z czujnikiem wykonuje pionowe ruchy drgające. amplituda drgań wymuszonych zależy od strat energii drgającego układu, tj. od lepkości cieczy, odkształcenia sprężystych taśm oraz sił tarcia. dwie ostatnie wielkości sa stałe i tworzą charakterystykę, a zatem amplituda wahań będzie funkcją lepkości badanej cieczy. Drgania rdzenia przetworzone zostają na prąd elektryczny, którego napięcie zmierzone za pomocą miliwoltomierza jest funkcją lepkości. Przetwarzanie drgań uzyskuje się za pomocą cewek które zasilane sa przez zwoje transformatora różnicowego.

5. Lepkościomierze ultradźwiękowe.

Zasada pracy jest zjawisko tłumienia amplitudy swobodnych drgań ciała; ilościowy przebieg tego zjawiska zależy od tarcia wew. cieczy, którego miara jest jej lepkość.

Czujnikiem lepkościomierza jest element piezoelektryczny umieszczony na tworniku elektromagnesu. Uzwojenie wzbudzenia elektromagnesu zasilane jest przez generator wielkiej częstotliwości. Płytka drgając wraz z twornikiem indukuje na powierzchni zmienne napięcie, którego wartość zależy od amplitudy drgań. gdy lepkość cieczy rośnie, maleje amplituda drgań powodując zmniejszenie różnicy potencjałów pomiędzy powierzchniami płytki. Zmiany napięcia, które są funkcją lepkości, zostają wzmocnione w wzmacniaczu i mierzone za pomocą miliwoltomierza, który wycechowany jest w jednostkach lepkości.

---