8. TLAKOMĚRY. Úkol měření. Popis přípravků a přístrojů

Transkript

1 Úkol měření 8. TLAKOMĚRY 1. Ověřte funkci diferenčního kapacitního tlakoměru pro měření malých tlakových rozdílů. 2. Změřte závislost obou kapacit na tlakovém rozdílu.. Údaje porovnejte s průmyslovým diferenčním tlakoměrem PMD V jednotlivých bodech měřte také průtok vzduchu pomocí plováčkového průtokoměru (rotametru). Postup měření Změřte závislost kapacity CP a CL na tlaku p měřeném kapalinovým sloupcovým (nádobkovým) manometrem. Údaje z kapalinového manometru porovnejte s údajem diferenčního tlakoměru Deltabar S, typ PMD75. Tlak p je závislý na hodnotě napájecího napětí ventilátoru stavitelného regulačním transformátorem a měřeného střídavým ručkovým voltmetrem. Motor ventilátoru se rozbíhá asi při 40 V, maximální napájecí napětí nesmí překročit 110 V (efektivní hodnota). Objemový průtok vzduchu měřte též plováčkovým průtokoměrem (rotametrem). Zpracování výsledků měření a) Spočítejte maximální výchylku x a konstantu tuhosti k [N/m] membrány senzoru. b) Vyneste závislosti C P, C L, C L -C P na tlaku p. c) Vyneste závislost průtoku na tlaku p zjistěte zda se jedná o laminární proudění. Popis přípravků a přístrojů Zdroj tlakové diference Jako zdroj malého rozdílu tlaků je použit úbytek tlaku vzduchu vzniklý viskózním třením při proudění v trubici kruhového průřezu. U laminárního proudění je tlaková diference lineárně závislá na střední rychlosti, a tedy průtoku. Této skutečnosti se často využívá při měření objemového průtoku. Podmínka laminarity je splněna, je-li Reynoldsovo číslo Re <

2 l ventilátor v D průtokoměr p 1 p 2 h kapalinový manometr kapacitní manometr Obr. 1 Měření tlaku kapalinovým sloupcovým (nádobkovým) a kapacitním manometrem; D = 2,95 mm je vnitřní průměr trubice, l = 0 mm je vzdálenost otvorů pro odběr úbytku tlaku Pro kruhovou trubici je Reynoldsovo číslo definováno jako a objemový průtok při laminárním proudění pak je kde ρ je hustota vzduchu [kg/m ], D Q V l ρ D Re = p (8.1) 2 2l 1 [ m s ] 4 π D Q V = p (8.2) 128l je vnitřní průměr trubice [m], D = 2,95 mm, je objemový průtok [m /s] je vzdálenost míst odběru rozdílu tlaků, l = cm, je dynamická viskozita [Pa.s]. Dynamická viskozita vzduchu závisí na teplotě, v intervalu teplot 0 až 50 C ji lze nahradit přímkou [ Pa.s; C] 8 5 = 4, t + 1, (8.) Hustota vzduchu při normálním atmosférickém tlaku je v rozmezí teplot 15 až 25 C ρ = 1,2 ± 0,05 kg/m Kapacitní diferenční manometr 2

3 Pracuje na principu měření výchylky membrány vystavené působení rozdílu tlakových sil vyvolaných rozdílem tlaků p = p1 p2 (8.4) F = p. S (8.5) kde S je plocha membrány [m 2 ]; průměr membrány je 8 cm. P Při vychýlení membrány působí proti tlakové síle direktivní síla úměrná tuhosti membrány: kde k je tuhost membrány [N/m], x je výchylka membrány ze střední polohy [m]. Při ustálení polohy membrány platí : F d = k. x (8.6) k F d = F p p = x (8.7) S výchylka membrány je tedy přímo úměrná měřenému tlakovému rozdílu. Pro změnu kapacity platí vztah ε S C = [ m] (8.8) d + x kde d je klidová vzdálenost membrány od elektrod [m], S je plocha membrány [m 2 ] (průměr membrány je 8 cm), ε ε o je permitivita vzduchu, ε ε o = 8, [F/m], je permitivita vakua Lihový sloupcový (nádobkový) manometr Kapalinový manometr M má sklopnou trubici, takže při stejné výšce h se dosáhne prodloužení délky sloupce kapaliny a tím zvýšení citlivosti. Při měření použijte polohu pro poměr výšky h a délky sloupce l - 1:8. Manometr je plněn etanolem, jehož hustota při C je a součinitel objemové roztažnosti ρ β = 789 kg m 1 = 1,1.10 K Hustotu při skutečné teplotě t (použijte vestavěný teploměr) stanovíte ze vztahu t [ 1+ γ( ) ] ρ = ρ t,

4 kde γ je teplotní součinitel hustoty (přibližně platí γ = -β). Rozdíl tlaků měřený kapalinovým manometrem je kde g = 9,81 m s -2 je gravitační zrychlení. p = hρ g = l ρ g, (8.12) 8 Při velkém sklonu trubice manometru pro poměr 1:8 je nutné přesně ustavit vodorovnou polohu manometru podle vestavěných libel, během měření je nutné zachování vodorovné polohy kontrolovat. Nezapomeňte odečíst výšku hladiny pro nulovou tlakovou diferenci. Diferenční tlakoměr Deltabar S typ PMD75 Je senzor diferenčního tlaku, průtoku a hladiny od firmy Endress+Hauser. Jako senzor tlaku je použita kovová membrána s polovodičovými piezorezistivními tenzometry zapojenými do můstku, jehož výstupní napětí, které je úměrné rozdílu tlaků, je měřeno a dále zpracováváno. Výstupem je (kromě displeje) proudová smyčka 4- ma. (Je podporována i digitální komunikace protokolem HART). Samotný měřicí element je umístěn ve speciální oddělené komůrce a tlak měřeného média se k němu přivádí pomocí hydraulické kapaliny (oleje). Podrobně je senzor zakreslen na obrázku 2. Obr. 2 Uspořádání měřicího členu 1. Snímací element 2. Kovová membrána. Oddělovací membrány 4. Oddělovací olej 5. Ochrana proti přetížení p1 a p2 vstupní tlaky Příklady použití tohoto diferenčního tlakoměru pro měření průtoku a hladiny jsou na následujících obrázcích. 4

5 Obr. Měření průtoku (vlevo: s použitím clony, vpravo: s Pitotovou trubicí) Obr. 4 Měření hladiny Základní parametry senzoru: Měřicí rozsah: mbar (1 mbar = 100 Pa) difereční Maximální pracovní tlak: 160 bar (tj. nediferenční) Základní přesnost: ±0,15% z rozsahu Časová stabilita: ±0,18% z URL/rok (URL - Upper Range Limit tj. 0 mbar) Výstup: displej, 4 ma (+ protokol HART) Napájení: VDC Plováčkový průtokoměr (rotametr) Obr. 5 Diferenční tlakoměr Deltabar S PMD75 Plováčkové průtokoměry (rotametry) se často používají k měření objemového průtoku kapalin i plynů. V průmyslových aplikacích bývá poloha plováčku bezkontaktně snímána pro dálkový přenos údaje. V naší laboratoři je použit rotametr laboratorního provedení s výměnnou trubicí i plováčky. Volbou průměru trubice a hmotnosti plováčku se nastaví rozsah přístroje. Průtokoměr je kalibrován pro vzduch ( C) a destilovanou vodu (15 C) při normálním atmosférickém tlaku. Pro jiné podmínky nebo jiná média je nutno naměřený údaj korigovat. Výška h na stupnici trubice R01U rotametru při použití dutého hliníkového plováčku odpovídá (při tlaku vzduchu na vtoku p = 1, Pa a teplotě C) průtoku podle polynomu: Q = 0,2 + 1, h + 9, h 2 2, h [l/min;mm] (8.1) 5