FSI VUT v Brně, Energetický ústav Odbor termomechaniky a techniky prostředí prof. Ing. Milan Pavelek, CSc. EXPERIMENTÁLNÍ METODY I OSNOVA 4. KAPITOLY Úvod do problematiky měření tlaků Kapalinové tlakoměry Deformační tlakoměry Připojení tlakoměrů Umístění tlakových odběrů 4. Měření tlaků
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 p s daný vnějšími silami a tlakem hydrostatickým Tlak dynamický p d Tlak celkový p c TLAKOMĚRY Barometry Manometry Vakuometry Δp s ρgh ρw p d p p p c KAPALINOVÉ DEFORMAČNÍ s d p p b pro barometrický tlak pro tlaky větších než barometrický pro tlaky menší než barometrický 0 p I p II p pr I p po II I p ref II Metody měření tlaků Absolutní Diferenční - vůči referenčnímu tlaku např. barometrickému 0
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 = 8-1 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 ρ ρ g h h konst 1 Korekce h h = h Nekorigované + h r [m] pro vodu je h r = 30/d [mm] pro ethylalkohol je h r = 8/d [mm] pro rtuť je h r = -8/d [mm] (vliv kapilární deprese) 3
KAPALINOVÉ TLAKOMĚRY - NÁDOBKOVÝ TLAKOMĚR Trubice s větším tlakem nahrazena nádobkou, měří se výška jen jedné hladiny. d Δp ρ ρ1 gh 1 h d1 Pro (d / d 1 ) = 1/700 až 1/500 lze člen zanedbat, d = 3 až 10 mm. konst KAPALINOVÝ MIKROMANOMETR L = 00-600 mm, d = 3 až 4 mm, dvě libely, vyrovnávací nádobka s lihem. d Δp ρ ρ1 g L sinα d1 ρ ρ g L e L konst 1 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 h bývá s nejistotou 0,1 mm. p b ρ Hg g h d, Skut 1 h, Skut d1 konst (d / d 1 ) + 1 je zahrnuto do měřítka h Korekce h Na kapilární depresi h k v příloze skript. (Pro trubice 7-15 mm a pro výšku vrchlíku 0, - 1,8 mm) Na teplotu rtuti h t = -0,000163 h.t, kde konstanta 0,000163 K -1 je relativní objemová roztažnost pro mosazné měřítko a rtuťový sloupec. h,skut = h + h k + h t 5
6 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 00 MPa nebo pro podtlak. VLNOVCOVÉ TLAKOMĚRY Rozsah je dán vloženou pružinou, či materiálem vlnovcového měchu. Jsou vhodné pro přetlaky a diference do 400 kpa.
DEFORMAČNÍ TLAKOMĚRY - KRABICOVÉ TLAKOMĚRY - ANEROIDY Může být i více krabic s pružnými dny 0 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 50 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 přišroubován. Senzor tlaku Odděleně od tlakového odběru Senzoru bývá s tlakovým odběrem propojen (ovlivňuje to dynamické vlastnosti měření): Pryžovou či umělohmotnou hadičkou do +00 kpa a -50 kpa. Hadičky jsou navlečené, zajištěné páskou, nad 10 kpa sponou. Měděnou trubičkou do 0 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. Připojení tlakových převodníků 9
UMÍSTĚNÍ TLAKOVÝCH ODBĚRŮ Tlakové odběry umísťujeme: Dle druhu měřeného tlaku (p s, p c či p d ) d Dle místa odběru (na stěně nádoby či potrubí, na vnějším povrchu těles, nebo uvnitř proudu tekutiny) Dle typu proudění (1D, D, 3D) Odběry pro statický tlak p s a) b) Jsou to tvory na stěnách ( d = 0,5 1 mm, pro páru až 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 p c Jsou to otvory ve směru proudu, obvykle na čelech sond (Pitotova sonda, Prandtlova sonda, válcová sonda aj.) Dynamický tlak p d = p c p s 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