Měření tlaků Václav Uruba, Ústav termomechaniky AV ČR Stavové veličiny určující stav plynu: Tlak p Teplota T Pro ideální plyn stavová rovnice: PV = RT Vzduch lze považovat za ideální Všechny ostatní fyzikální veličiny jsou funkcí P a T: 3 3,484 10 P kg ρ = 3 T m, 7 0,75 kg µ = 2,561 10 T ms, 1,25 4 0,87 J λ = 1,83 10 T K ms, l = 1,098 T [ m] P Měření tlaků: Bodové měření odběry o Ve stěně o V proudu sondy Měření rozložení o Přepínače tlaku (1 snímač) o Vícenásobné manometry (baterie snímačů) o Tlakocitlivé nátěry optická metoda, rozložení na povrchu, malá citlivost (vysoké rychlosti) Měření tlaků 1
Manometry Kapalinové Elastické Kapalinové manometry Kapaliny: Voda k = 9.81 Líh (obarvený) Rtuť k = 133 p = hρg p[ Pa] h[ mm] k =, k = ρ g Přesnost čtení h: Bez pomůcek ±0,5mm (5Pa) S optikou ±0,05mm (0,5Pa) Mikromanometry ±0,01mm (0,1Pa) Výhody: Není třeba cejchovat Jednoduché Nevýhody: Meniskus možná chyba čtení Složitá digitalizace Měření tlaků 2
Kapalinové manometry Plováky odstranění problémů s meniskem Měření tlaků 3
Snímače tlaku elastické Absolutní Diferenciální S referencí Měření tlaků 4
Princip snímání piezorezistivní indukční kapacitní optické Piezorezistivní snímače Si destička membrána, difundované snímače (polovodiče) Měření tlaků 5
Výhody: Vysoká citlivost Velký výstupní signál Malý vnitřní objem (miniaturní snímače) Vysoká vlastní frekvence (řádu khz) Nevýhody: Nelinearita Citlivost na teplotu teplotní drift nuly Horší stabilita Kapacitní, indukční a optické snímače Velká komora (vlnovec) snímá se deformace stěny Měření tlaků 6
Výhody: Citlivost Stabilita Přesnost Nevýhody: Velikost Nižší frekvence Měření tlaků 7
Sondy Celkový tlak Pitotova sonda Sonda celkového tlaku Měření tlaků 8
Statický tlak Tlak na stěně Odběr přívod snímač Ø 0,5 mm Snímač ve stěně ( flush mounted ) snímač membrána Měření tlaků 9
Kombinované sondy Prandtlova sonda Pitot- static probe Měří se přímo dynamický tlak Měření tlaků 10
Sondy pro měření směru Sondy s více senzory Víceotvorové (3 7) Dvě strategie Natáčení sondou složitá manipulace, jednoduché vyhodnocení Směrové cejchování sondy jednoduchá manipulace, složité vyhodnocení Měření tlaků 11
Natáčení sondy Cejchování jen pro vektor rychlosti ve směru sondy Měření tlaků 12
Směrové cejchování sondy Pětiotvorová sonda Náběžná část kuželová půlkulová (vysoké rychlosti) Měření tlaků 13
U = Qcosα cos β V = Qcosα sin β W = Qsinα Bezrozměrné součinitele Kα αβ, = P4 P2 / P1 Pm ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Kβ αβ = P P P P, 5 3 / 1 m ( α, β) ( ) ( 2 1 m / ρ /2) Cq = P P Q Q p (, ) ( ) /( ) C H P P P αβ = 1 1 m H ( αβ ) = ( + + + ) P, P P P P /4 m 2 3 4 5 α, β Měření tlaků 14
Měření tlaků 15
Faktory ovlivňující přesnost měření tlaků Směr proudění Smyková oblast Turbulence Blízkost stěny Nízká rychlost Rázové vlny Časová konstanta Směr proudění Velký vliv na čtenou hodnotu Měření tlaků 16
Smyková oblast U p 0 δ Turbulence Bernouliho rovnice: U = U + u, p 0 = p+ ρu 2 2 ( ) ( 2 ) 2 U = U + u = U + 2Uu+ u = U + 0+ u 2 2 2 pro 20% intenzitu fluktuací: zvýšení p 0 o 4%, U o 2% I u 2 2 u = 100% U Blízkost stěny Malá korekce do 1,5% na rychlosti při dotyku sondy Měření tlaků 17
Nízká rychlost Pro Re < 50 korekce! Měření tlaků 18
Rázové vlny Dvě fáze zbrždění tekutiny Neisoentropická až po rázovou vlnu Do stagnačního bodu isoentropicky Měření tlaků 19
Časová konstanta Skoková změna tlaku změna údaje manometru (exponenciální) zkreslení periodických signálů Faktory ovlivňující odezvu Vlastní frekvence manometru (např. membrány) Přenosová funkce přívodního potrubí Vlastnosti tekutiny Měření tlaků 20