Manometr

Pomiar ciśnienia p względem ciśnienia atmosferycznego p_atm w jednostkach mmH₂O za pomocą u-rurki. Tutaj p jest mniejsze od p_atm i stąd ujemna wartość wyniku pomiaru.

Manometr z rurką Bourdona:
1 – koło zębate sprzężone z wskazówką (6); 2 – dźwignia zębata; 3 – oś obrotu dźwigni zębatej (2); 4 – cięgno; 5 – sprężysta rurka; 6 – wskazówka; 7 – uchwyt; 8 – gwint.

Manometr membranowy
1 – koło zębate sprzężone z wskazówką (5); 2 – trzpień z zębatką połączony z membraną (3); 4 – korpus; 5 – wskazówka.

Manometr (fr. manomètre) – przyrząd do pomiaru ciśnienia.

Podział przyrządów do pomiaru ciśnienia

Ze względu na ciśnienie odniesienia i wskazywane ciśnienie, przyrządy do pomiaru ciśnienia dzieli się na^[1]:

• absolutne (bezwzględne) – wskazują ciśnienie absolutne, czyli w odniesieniu do próżni,

• różnicowe – wskazują różnicę ciśnień,

• względne (manometry) – wskazują ciśnienie względem ciśnienia otoczenia (względne) i większe od niego,

• wakuometry – wskazują ciśnienia względne, ale mniejsze od ciśnienia otoczenia (podciśnienie),

• manowakuometry – wskazują ciśnienie względne większe oraz mniejsze od ciśnienia otoczenia.

Typy manometrów

• Hydrostatyczne (cieczowe)

  • U-rurka

• sprężynowe

  • ze sprężyną rurkową (Bourdona)

  • z przeponą falistą lub sprężystą

  • mieszkowe

• dzwonowe

• elektryczne

  • tensometryczne

  • piezoelektryczne

  • indukcyjne

• tłokowe

  • techniczne

  • obciążnikowo-tłokowy (manometr wzorcowy)

• puszki manometryczne

  • mieszki sprężyste

  • puszki membranowe

Manometr sprężynowy

Manometr z przeponą wykonaną z metalu, która pod wpływem różnicy ciśnień po jej obu stronach odkształca się, zmieniając położenie wskazówki na skali.

Rurka Bourdona

Manometry sprężynowe rurkowe, zwane też ciśnieniomierzami ze sprężyną rurkową składają się z wygiętej w łuk lub wielu zwojów rurki, zwanej od nazwiska konstruktora Eugène Bourdona rurką Bourdona.

Jeden koniec rurki jest zamocowany do obudowy i przez niego doprowadza się do rurki ciśnienie, drugi zamknięty koniec połączony jest z układem wskazującym ciśnienie wykonanym zazwyczaj jako układ przekładni. Rurka pełni jednocześnie rolę sprężyny powrotnej. W wygiętej rurce ciśnienie wywiera większy nacisk na powierzchnię zewnętrzną łuku rurki niż na powierzchnię wewnętrzną łuku, co powoduje, że rurka prostuje się nieco pod wpływem wzrostu ciśnienia. Zmiana wygięcia powoduje zmianę położenia zamkniętego końca połączonego ze wskazówką.

Manometry z rurką Bourdona są obecnie najczęściej stosowanymi manometrami.

Puszki membranowe

Szeroko stosowanymi elementami pomiarowymi są membrany i puszki membranowe. Membrany płaskie ze względu na małe ugięcia i silnie zakrzywioną charakterystykę są stosowane rzadziej niż membrany sfalowane^[2]. Membrany płaskie stosowane są głównie do pomiaru małych ciśnień z uwagi na większą czułość. Membrana sfalowana ma współosiowe wytłoczenia. Kształt promieniowego przekroju (profil) odgrywa zasadniczą rolę w ukształtowaniu charakterystyki. Wprowadzenie sfalowania powoduje zmniejszenie naprężeń spowodowanych rozciąganiem membrany oraz zwiększenie naprężeń spowodowaniem zginaniem^[3].

Mieszki sprężyste

Mieszki sprężyste stosowane są jako elementy pomiarowe w przypadku dużych ugięć i prostoliniowej charakterystyki bez względu na kierunek obciążenia. Czułość mieszka w zakresie proporcjonalnym jest stała, proporcjonalna do przyłożonej do denka siły^[4]. Mieszki stosowane są również jako czujniki temperatury.

Liczba Strouhala – jedna z liczb podobieństwa stosowanych w mechanice płynów (hydrodynamice, aerodynamice i reologii). Liczba ta służy do ustalania podobieństwa przepływów niestacjonarnych o charakterze pulsacyjnym: dwa pulsacyjne przepływy niestacjonarne są podobne, jeśli charakteryzują się takimi samymi liczbami Reynoldsa i Strouhala.

Definicja

Zgodnie ze standardem ISO 31-12:1992 (Quantities and Units: Characteristic Numbers) liczbę Strouhala definiuje się wzorem:

gdzie:

• – długość charakterystyczna zagadnienia,

• – częstotliwość charakterystyczna dla danego zagadnienia,

• – prędkość charakterystyczna płynu.

Częstotliwość charakterystyczna f to pewna częstotliwość określająca zmienność ruchu płynu w czasie. Np. dla opływu ciała stałego wykonującego drgania (lub obroty), jako f przyjmuje się częstotliwość tych drgań (obrotów).

Znaczenia prędkości i długości charakterystycznej są takie same, jak dla liczby Reynoldsa.

Inne definicje

W literaturze naukowej (np. Landau, Lifszic 1994) spotyka się też inną, nierównoważną definicją liczby Strouhala:

gdzie u i l mają takie samo znaczenie, jak powyżej, a

to czas charakterystyczny dla danego zagadnienia. Liczby Sr i S wiąże zależność

Zastosowanie i znaczenie liczby Strouhala

Wartość liczby Strouhala stosuje się jako kryterium charakteryzujące przepływy niestacjonarne o charakterze pulsacyjnym: dwa przepływy są podobne, jeśli charakteryzują się takimi samymi liczbami Reynoldsa i Strouhala.

Do zagadnień, w których wykorzystuje się liczbę Strouhala, należą m.in. opływ drgającej struny, teoria śmigła oraz opis wirów w ruchu turbulentnym (por. ścieżka von Karmana).

Prawo Stefana-Boltzmanna opisuje całkowitą moc wypromieniowywaną przez ciało doskonale czarne w danej temperaturze. Zostało opracowane w 1879 przez Jožefa Stefana i Ludwiga Boltzmanna.

gdzie

Φ - strumień energii wypromieniowywany w kierunku prostopadłym do powierzchni ciała [W / m²]

σ - stała Stefana-Boltzmanna

T - temperatura w skali Kelvina

Stała Stefana-Boltzmanna

Stała Stefana-Boltzmanna, stała promieniowania ciała doskonale czarnego – wielkość stała równa ilorazowi:

w którym:

E₀ – emitancja (moc emitowana przez jednostkę powierzchni) ciała doskonale czarnego

T – temperatura bezwzględna

Stała Stefana-Boltzmanna wynosi^[1]:

σ =

gdzie:

k_B – stała Boltzmanna

h – stała Plancka

c – prędkość światła

można z niej otrzymać wzór na gęstość energii (ciśnienie) promieniowania ciała doskonale czarnego:

α =

oraz gęstość odpowiadającej jej masy relatywistycznej:

m =

Przepływomierz – przyrząd pomiarowy służący do pomiaru strumienia objętości lub masy materii poruszającej się przez daną powierzchnię prostopadłą do kierunku przepływu.

Zdecydowana większość przepływomierzy służy do pomiaru przepływu cieczy, znacznie mniej konstrukcji służy do pomiaru przepływu gazów. Ponieważ ustrój pomiarowy przepływomierzy wskazuje zwykle wartość chwilową przepływu, konieczne jest zintegrowanie ich z licznikiem. Zatem całkowita objętość materii, która przepłynęła, jest uzyskiwana na drodze całkowania wartości natężenia przepływu w czasie (w kolejnych chwilach).

W konstrukcjach przyrządów pomiarowych do pomiaru przepływu można wyróżnić trzy główne grupy przepływomierzy oparte na:

• oddziaływaniu mechanicznym

• zjawiskach falowych: przepływomierze ultradźwiękowe oraz optyczne – wykorzystujące efekt Dopplera

• istnieniu pola elektromagnetycznego – oparte na prawie indukcji elektromagnetycznej Faradaya

Historycznie najstarsze są przepływomierze wykorzystujące mechanikę płynów. Są to często przepływomierze najprostsze w konstrukcji.

Często używane są mechaniczne przepływomierze

• manometryczne (ciśnieniowe)

  • zwężkowe – wykorzystują efekt spadku ciśnienia na elemencie pomiarowym (kryza, dysza, zwężka Venturiego)

  • inne przepływomierze generujące różnice ciśnień (przepływomierze z krzywizną, przepływomierze piętrzące, przepływomierze kapilarne, przepływomierze dynamometryczne), np. rurka Pitota, rurka Prandtla, mierniki wykorzystujące efekt Coandy

• o zmiennym przekroju (rotametry} – składają się z pływaka umieszczonego w stożkowej rurze. Są nazywane rotametrami od nazwy pierwszego producenta "Rota" (Niemcy)

• tachometryczne

• turbinowe

• komorowe

• oscylacyjne

• wirowe, np. z wirem precesyjnym

• Coriolisa

Popularnymi miernikami przepływu są też przepływomierze

• elektromagnetyczne

• ultradźwiękowe

• termiczne i kalorymetryczne

Pirometr

Pirometr - przyrząd pomiarowy służący do bezdotykowego pomiaru temperatury. Działa w oparciu o analizę promieniowania cieplnego emitowanego przez badane ciała.

Wszystkie ciała o temperaturze wyższej od temperatury zera bezwzględnego emitują promieniowanie cieplne o podobnej charakterystyce zwanej promieniowaniem ciała doskonale czarnego.

Proste pirometry mierzą ilość energii emitowanej poprzez pomiar temperatury elementu, na który pada promieniowanie. Do pomiaru temperatur powyżej 600°C używane są pirometry optyczne, w których jasność świecenia badanego obiektu jest porównywana z jasnością obiektu wzorcowego (np. żarnika).

W pirometrach najwyższej klasy mierzących w zakresie niskich temperatur stosuje się optykę zwierciadlaną, analogiczną do stosowanej w aparatach fotograficznych - tzw. lustrzankach. W pirometrach, w których zastosowano optykę zwierciadlaną nakierowanie pirometru na pole pomiarowe odbywa się w taki sam sposób w tradycyjnych aparatach fotograficznych - operator przez okienko widzi obiekt. W niektórych rozwiązaniach na czas pomiaru włącza się wskaźnik laserowy. Problem z właściwym ustawieniem pirometru nie występuje w pirometrach światłowodowych w których promieniowanie wnika do światłowodu przy powierzchni promieniującej[1].

W pirometrach stosuje się dwie grupy detektorów: termiczne i fotoelektryczne [2].

Pirometr używany jest między innymi przez straż pożarną do mierzenia temperatury w momencie gdy nie ma możliwości podejścia do źródła ciepła.

Termopara

Schemat termopary

Termoelement

Termopara (termoogniwo, termoelement, ogniwo termoelektryczne) – element obwodu elektrycznego składający się z dwóch różnych materiałów i wykorzystujący zjawisko Seebecka zachodzące na ich styku. Termopara jest wykorzystywana jako czujnik temperatury.

Termopary odznaczają się dużą dokładnością i elastycznością konstrukcji, co pozwala na ich zastosowanie w różnych warunkach. Wadą jest mechaniczna nietrwałość złącza pomiarowego i możliwość przepływu prądu poza obwodem termopary, gdy złącze nie jest izolowane. Izolacja złącza eliminuje ten efekt, ale wydłuża czas reakcji termopary na zmianę temperatury. Dlatego w pomiarach o dużej dynamice zmian stosuje się termopary bez osłony.

Zasada działania

Składa się z pary (dwóch) różnych metali zwykle w postaci przewodów, spojonych na dwóch końcach. Jedno złącze umieszczane jest w miejscu pomiaru, podczas gdy drugie utrzymywane jest w stałej temperaturze odniesienia. Pod wpływem różnicy temperatury między miejscami złączy (pomiarowego i "odniesienia") powstaje różnica potencjałów (siła elektromotoryczna), zwana w tym przypadku siłą termoelektryczną, proporcjonalna do różnicy tych temperatur.

Spoina pomiarowa może znajdować się w obudowie o dużym przewodnictwie cieplnym. Instaluje się ją w miejscu pomiaru temperatury. Złącze odniesienia może być umieszczane w ściśle określonej temperaturze odniesienia, np. topniejącym lodzie. Złącze to może nie być złączem bezpośrednim, a zamknięcie obwodu odbywa się poprzez zaciski miernika.

Zalety termopar

• nie wymagają zewnętrznego zasilania

• niewielkie rozmiary - możliwość lokalnego pomiaru temperatury

• niska pojemność cieplna

• mała bezwładność czasowa

• szeroki zakres pomiarowy przy dość dobrej liniowości

• prostota budowy

• duża niezawodność

Sprężarka

Mała sprężarka tłokowa, w dolnej części znajduje się zbiornik na sprężone powietrze

Sprężarka – maszyna energetyczna, której zadaniem jest podwyższenie ciśnienia gazu^[1] lub wymuszenie jego przepływu (nadanie energii kinetycznej).

W sprężarce ciśnienie ssawne - p_s jest nieznacznie niższe od ciśnienia atmosferycznego (na tyle tylko by zachować zdolność ssania), zaś ciśnienie tłoczne p_t znacznie wyższe od atmosferycznego, jak na to wskazuje parametr π.

Sprężarki, w których p_s jest znacznie niższe, a p_t tylko nieznacznie wyższe od ciśnienia otoczenia, nazywane są pompami próżniowymi.

Sprężarki w czasie pracy wydzielają dużą ilość ciepła, które musi być odprowadzone. Układy chłodzenia sprężarek są podobne do układów chłodzenia silników spalinowych. Dla mniejszych jednostek stosuje się chłodzenie bezpośrednie, dla większych pośrednie z chłodnicą. Sam sprężany gaz w wielu przypadkach jest również chłodzony poprzez chłodzenie międzystopniowe (intercooler).

Zastosowanie

Sprężarki stosuje się tam, gdzie chodzi o^[2]:

• zwiększenie gęstości czynnika gazowego,

• podniesienie ciśnienia tego czynnika,

• wymuszenie przepływu,

• podwyższenie temperatury czynnika gazowego,

• wywołanie dodatniego efektu Joule'a-Thomsona

Parametry pracy maszyn sprężających

• p_s - ciśnienie ssawne na wlocie do sprężarki

• p_t - ciśnienie tłoczne na wylocie ze sprężarki

• π = p_t/p_s - stosunek sprężania (spręż)

• Δp = p_t - p_s spiętrzenie statyczne lub całkowite

Rodzaje sprężarek

Podział ze względu na stosunek sprężania

• wentylatory dla π < 1.13 (przyrost ciśnienia nie przekraczający 10 kPa)

• dmuchawy dla 1.13 < π < 3

• kompresory^[1] dla π > 3

Podział ze względu na budowę

• wyporowe

  • sprężarka tłokowa

  • sprężarka śrubowa

  • sprężarka membranowa

  • sprężarka spiralna

  • sprężarka Roots

  • sprężarka łopatkowa

• przepływowe

  • sprężarka promieniowa

  • sprężarka diagonalna

  • sprężarka osiowa

  • sprężarka wirowa

  • sprężarka Comprex

• inne

  • sprężarka chemiczna (termiczna)

Podział ze względu na rodzaj sprężanego czynnika

• maszyny sprężające powietrzne

• maszyny sprężające gazowe

Podział ze względu na ilość stopni

• jednostopniowe,

• wielostopniowe.

Podział ze względu na mobilność

• sprężarka stacjonarna

• sprężarka przewoźna