FSI VUT v Brně, Energetický ústav Odbor termomechaniky a techniky prostředí prof. Ing. Milan Pavelek, CSc.
EXPERIMENTÁLNÍ METODY I 4. Měření tlaků OSNOVA 4. KAPITOLY ● Úvod do problematiky měření tlaků ● Kapalinové tlakoměry ● Deformační tlakoměry ● Připojení tlakoměrů ● Umístění tlakových odběrů
ÚVOD DO PROBLEMATIKY MĚŘENÍ TLAKŮ TLAK p [Pa] je stavová veličina. Jedná se o sílu působící kolmo na jednotkovou plochu a platí: p dF dS V PROUDÍCÍ TEKUTINĚ ROZLIŠUJEME ● Tlak statický ps daný vnějšími silami a Δps ρgh tlakem hydrostatickým
● Tlak dynamický pd ● Tlak celkový pc TLAKOMĚRY ● Barometry ● Manometry ● Vakuometry
ρw 2 pd 2 pc ps pd
KAPALINOVÉ DEFORMAČNÍ
p
I pI
ppr I
pb
pref ppo II II pII
0
0
Metody měření tlaků ● Absolutní ● Diferenční - vůči referenčnímu tlaku např. barometrickému
pro barometrický tlak pro tlaky větších než barometrický pro tlaky menší než barometrický
2
KAPALINOVÉ TLAKOMĚRY - 1 KAPALINOVÉ TLAKOMĚRY - Hydrostatické tlakoměry Existují jako manometry, barometry i vakuometry. Náplní je nejčastěji ethylalkohol, voda, nebo rtuť. TRUBICOVÝ TLAKOMĚR U-trubice d = 8 - 12 mm, výšky až 1,5 m, které musí být čisté a před měřením se mají smočit. Nejistota určení výšky h je 0,001 m. Pro velké p se U-trubice řadí do série.
Δp ρ2 ρ1 g h h konst Korekce h
h = hNekorigované + hr [m] pro vodu je hr = 30/d [mm] pro ethylalkohol je hr = 8/d [mm] pro rtuť je hr = -8/d [mm] (vliv kapilární deprese)
3
KAPALINOVÉ TLAKOMĚRY - 2 NÁDOBKOVÝ TLAKOMĚR Trubice s větším tlakem nahrazena nádobkou, měří se výška jen jedné hladiny.
d 22 Δp ρ2 ρ1 gh2 2 1 h2 konst d1
Pro (d2 / d1)2 = 1/700 až 1/500 lze člen zanedbat, d2 = 3 až 10 mm. KAPALINOVÝ MIKROMANOMETR L = 200 - 600 mm, d2 = 3 až 4 mm, dvě libely, vyrovnávací nádobka s lihem.
d 22 Δp ρ2 ρ1 g L 2 sinα d1 ρ2 ρ1 g L e L konst Konstanta mikromanometru e = 1:1 až 1:50
4
KAPALINOVÉ TLAKOMĚRY - 3 STANIČNÍ BAROMETR Jedná se o nádobku se rtutí a s uzavřenou vertikální trubicí. Odečítání h2 bývá s nejistotou 0,1 mm.
d 22 pb ρHg g h2,Skut 2 1 h2,Skut konst d1 (d2 / d1)2 + 1 je zahrnuto do měřítka h2 Korekce h2 ● Na kapilární depresi hk v příloze skript. (Pro trubice 7 - 15 mm a pro výšku vrchlíku 0,2 - 1,8 mm) ● Na teplotu rtuti ht = -0,000163 h2.t , kde konstanta 0,000163 K-1 je relativní objemová roztažnost pro mosazné měřítko a rtuťový sloupec. h2,Skut = h2 + hk + ht
5
DEFORMAČNÍ TLAKOMĚRY - 1 ● Deformační tlakoměry využívají pružné deformace měřicích členů vhodných tvarů. ● Mechanickým ústrojím se deformace přenáší na stupnici přístroje, některé tlakoměry jsou vybaveny i prvky pro elektrická měření. ● Teplota měřicích členů by neměla přesáhnout 80 °C, aby se trvale nezměnily deformační vlastnosti. TRUBICOVÉ TLAKOMĚRY Bourdonova zploštělá trubice, nebo trubice ve tvaru spirály, šroubovice - do 200 MPa nebo pro podtlak.
VLNOVCOVÉ TLAKOMĚRY Rozsah je dán vloženou pružinou, či materiálem vlnovcového měchu. Jsou vhodné pro přetlaky a diference do 400 kPa.
6
DEFORMAČNÍ TLAKOMĚRY - 2 KRABICOVÉ TLAKOMĚRY - ANEROIDY Může být i více krabic s pružnými dny 20 až 100 mm. Jsou vhodné pro přetlaky a diference do 10 kPa. Někdy mají i bimetalickou kompenzaci vlivu teploty. Příkladem je barograf. MEMBRÁNOVÉ TLAKOMĚRY Zvlněná ocelová membrána 60 až 250 mm. Vhodné pro přetlaky a diference do 4 MPa. Vhodné pro měření proměnných tlaků. Membránové snímače tlaku s rovnou membránou Kovová či křemíková membrána do 10 mm. Vhodné pro diference a měnící se tlaky 10 Pa až 10 MPa. S vakuovou komorou i pro absolutní tlaky. Deformace snímána tenzometricky, indukčně, kapacitně, piezoelektricky apod. Používají se u stacionárních zařízení, v regulaci, u laboratorních i servisních měření.
Senzor absolutního tlaku Vakuum
7
DEFORMAČNÍ TLAKOMĚRY - 3 Inteligentní membránové snímače tlaku SMART Umožňují linearizaci a digitalizaci signálu, kompenzaci změn okolních parametrů, systematických chyb, zlepšení dynamických vlastností, identifikaci snímače, lepší přesnost, dálkovou kalibraci, nastavení měřicího rozsahu, tlumení, odmocnění či invertování a dálkovou kontrolu stavu snímače a prostředí. PŘÍSTROJE - Elektrické digitální tlakoměry
● Jsou mobilní, tlak se přivádí k tlakoměru. ● Mají rovné membrány s elektrickým snímáním deformací. ● Mívají analogový či digitální výstup, paměť, tiskárnu, vestavěný počítač aj.
Diferenční tlakoměr Airflow
Barometr Airflow
8
PŘIPOJENÍ TLAKOMĚRŮ Přesná měření vyžadují exaktně Odběr statického tlaku provedené tlakové odběry. SENZORY MOHOU BÝT UMÍSTĚNY: ● Přímo u tlakového odběru Senzor bývá k tlakovému odběru Připojení Senzor přišroubován. tlaku tlakových ● Odděleně od tlakového odběru převodníků Senzoru bývá s tlakovým odběrem propojen (ovlivňuje to dynamické vlastnosti měření): Pryžovou či umělohmotnou hadičkou do +200 kPa a -50 kPa. Hadičky jsou navlečené, zajištěné páskou, nad 10 kPa sponou. Měděnou trubičkou do 20 MPa. Trubičky se pájí či šroubují. Před měřením je nutná kontrola hadiček či trubiček - těsnosti spojů, odvzdušnění u měření kapalin, odstranění kapaliny u měření plynů. 9
UMÍSTĚNÍ TLAKOVÝCH ODBĚRŮ Tlakové odběry umísťujeme: ● Dle druhu měřeného tlaku (ps, pc či pd) d ● Dle místa odběru (na stěně nádoby či potrubí, na vnějším povrchu těles, nebo uvnitř proudu tekutiny) ● Dle typu proudění (1D, 2D, 3D) a) b) Odběry pro statický tlak ps Jsou to tvory na stěnách ( d = 0,5 1 mm, pro páru až 2 mm), bez otřepů, kolmé k proudu, vzdálené od překážek. K nim je zašroubována, připájena, přilepena, zalisována trubička pro připojení hadiček či tlakoměrů. Statický tlak v tekutině se měří sondami (trubičkami). Odběry pro celkový tlak pc Jsou to otvory ve směru proudu, obvykle na čelech sond (Pitotova sonda, Prandtlova sonda, válcová sonda aj.) Dynamický tlak pd = pc – ps se měří připojením tlakových odběrů statického a celkového tlaku k diferenčnímu manometru Tlaky při prostorovém proudění se měří několika různě situovanými otvory - viz kulové sondy, drápkové sondy, válcové sondy 10
