ĆWICZENIE 9.

POMIARY CIŚNIENIA


Kursywą oraz * zaznaczono rozszerzony program ćwiczenia

Kalibracja membranowego manometru tensometrycznego na prasie olejowej.
Porównawcze pomiary małych ciśnień statycznych za pomocą zintegrowanego czujnika
ciśnienia i U – rurki.
Opracowanie sprawozdania.

Przyrządy do pomiarów ciśnienia mierzą albo ciśnienie bezwzględne albo najczęściej
ciśnienie względne, mierzone jako nadwyżka ciśnienia względem ciśnienia atmosferycznego.
Ponieważ to ostatnie nie jest stałe może prowadzić to do istotnych błędów wyników
pomiarów małych ciśnień.
Wszystkie współcześnie stosowane przyrządy do pomiaru ciśnienia (poza być może tylko U-
rurką) działają na zasadzie odkształcania elementu sprężystego przez siłę wywołaną
mierzonym ciśnieniem. Wielkość odkształcenia, proporcjonalna do ciśnienia jest następnie
przetwarzana bądź na wychylenie wskazówki, tak jak w manometrze sprężynowym, bądź na
sygnał elektryczny, za pośrednictwem tensometrów, tak jak w manometrach membranowych.

1. Kalibracja czujnika ciśnienia MPX5100 na podstawie pomiaru ciśnienia za

pomocą manometru U – rurkowego.

Czujnik MPX5100 jest zintegrowanym membranowym czujnikiem ciśnienia różnicowego. W
jego obudowie znajduje się wytrawiona w płytce krzemowej membrana z implementowanymi
piezorezystorami (tensometrami półprzewodnikowymi), które reagują na odkształcenia
membrany wywołane różnicą ciśnień. Zmiany rezystancji piezorezystorów przetwarzane są
na napięcie przez zintegrowany z membraną wzmacniacz elektroniczny. Czujnik wymaga
zasilania z zewnątrz napięciem stałym, a wyjściem czujnika jest sygnał napięciowy
proporcjonalny do różnicy ciśnień działających na membranę.

Układ pneumatyczny do kalibracji czujnika przedstawia rysunek 9.1.

Zasilanie

Membrana

Wzmacniacz

Czujnik

V

Zadajnik
ciśnienia

P

P

P

P

o

P

o

h

Rys. 9.1.

Układ składa się z zadajnika ciśnienia w postaci gumowej gruszki, która połączona jest przez
trójnik ze skalowanym czujnikiem oraz manometrem U – rurkowym wypełnionym wodą.
Odkształcając gruszkę poprzez obciążenie odważnikami wytwarza się w układzie ciśnienie
powietrza, które może być zmierzone względem ciśnienia atmosferycznego poprzez odczyt
różnicy wysokości słupków wody w U – rurce.
Ciśnienie powietrza w układzie, względem ciśnienia atmosferycznego, można obliczyć wg
wzoru:

g

h

c

P

P

o

⋅

⋅

=

−

[Pa =

2

2

s

m

kg

m

N

⋅

=

] (1)

gdzie:

c - masa właściwa wody (należy przyjąć c = 1 g/cm

3

= 1000 kg/m

3

)

h – wysokość różnicy słupków wody w U – rurce [ cm = 0.01m]

g – przyspieszenie ziemskie ( należy przyjąć g = 9.81 m/s

2

)

Przed przystąpieniem do kalibracji należy sprawdzić czy ciśnienie w układzie jest równe
ciśnieniu otoczenia, o czym świadczy zerowa różnica wysokości słupków wody w U – rurce.
Jeżeli różnica taka występuje należy na chwilę rozszczelnić układ pneumatyczny.
Załączyć zasilanie czujnika i po chwili odczytać i zapisać w tabelce, w rubryce P-P

o

=0,

wskazania woltomierza.
Obciążyć zadajnik ciśnienia, tak aby uzyskać różnicę wysokości słupków wody w U – rurce
około 20 cm.
Zmierzyć różnicę wysokości słupków wody w U – rurce i odczytać wskazanie woltomierza.
Wyniki zapisać w tabelce.


Ciśnienie P-P

o

[cm-

H2O

]

0

----------------------

Odczyt woltomierza [V]

U

0

=

U =

----------------------

Ciśnienie [Pa]

0

----------------------

Stała czujnika

k [Pa/V]

--------------------

------------------------

Przeliczyć ciśnienie wg wzoru (1) tzn. wyrazić jego wartość w Paskalach [Pa] i zapisać wynik
w tabelce.
Obliczyć stałą

k [Pa/V] czujnika wg wzoru :

0

U

U

P

P

k

o

−

−

=

Wynik zapisać w tabelce.

Zmienić obciążenia zadajnika ciśnienia, kładąc na szalce dowolny ciężar i odczytać wartość
napięcia

U

1

wskazywanego przez woltomierz. Zapisać wynik w tabelce poniżej. Obliczyć

ciśnienie

P

1

w układzie, wynik zapisać w tabelce:

Napięcie [V]

Stała czujnika

k [Pa/V] Ciśnienie P

1

[Pa]

(

)

0

1

1

U

U

k

P

−

⋅

=

2. Kalibracja membranowego czujnika ciśnienia za pomocą manometru

sprężynowego z rurką Bourdone’a.

Uwaga! Nie poruszać śrubą napędzającą tłok nie kontrolując wskazania manometru.
Przekroczenie maksymalnego ciśnienia wskazywanego przez manometr może być
niebezpieczne a oprócz tego spowodować uszkodzenie aparatury.

Układ hydrauliczny do kalibracji membranowego czujnika ciśnienia przedstawiono na
rysunku 9.2. Układ wypełniony jest olejem, który sprężany jest tłokiem poruszanym za
pomocą śruby. Ciśnienie w układzie działa równocześnie na manometr sprężynowy i
przemysłowy membranowy czujnik ciśnienia. Czujnik ma w obudowie również odpowiedni
układ elektroniczny, nie jest to jednak czujnik zintegrowany. Czujnik wymaga zasilania z
zewnątrz napięciem stałym 12 do 30 V, a sygnałem wyjściowym jest napięcie mierzone w
układzie woltomierzem cyfrowym.

V

Manometr
sprężynowy

Zawór

Tłok

Olej

Zasilanie

Czujnik
membranowy

Rys. 9.2

Przed przystąpieniem do pomiaru należy sprowadzić do zera ciśnienie w układzie. Poruszając
tłokiem należy sprowadzić wychylenie manometru w okolice zera a następnie otworzyć
(odkręcić) zawór na krótką chwilę.
Odczytać i zapisać wskazanie woltomierza:

U

0

=

Przy zamkniętym zaworze (zakręconym) należy kręcić śrubą poruszającą tłok obserwując
wskazania manometru, tak aby wskazówka zatrzymywała się na głównych działkach jego

skali. Dla każdej ustalonej pozycji wskazówki należy odczytać wartość ciśnienia i
równocześnie wskazanie woltomierza. Wyniki zapisać w tabelce i obliczyć średnią wartość
stałej.

Ciśnienie

P odczytane

z manometru [Pa]

Odczyt

woltomierza

U [V]

Stała czujnika
C=P/(U-U

0

) [Pa/V]

Średnia wartość stałej
C

śr

=

∑

C/n

--------------

--------------- --------------

------------

Poprzez poruszenie tłoka ustalić dowolną wartość ciśnienia w układzie. Odczytać woltomierz
i zapisać jego wskazania. Odjąć wartość

U

0

.

Mnożąc różnicę napięć przez średnią wartość

stałej czujnika obliczyć ciśnienie w układzie. Zapisać jego wartość w tabelce:

Napięcie U [V]

C

śr

[Pa/V]

Ciśnienie P [Pa]

* Odczytać wskazania manometru

P

m

i zapisać poniżej:

P

m

=

* Obliczyć różnicę ciśnienia P wyznaczonego z odczytu napięcia i ciśnienia

P

m

odczytanego z

manometru. Traktując manometr jako wzorzec określić wartość błędu bezwzględnego
pomiaru

∆

.

∆

= P -

P

m

=

Aparatura:

1.

Zadajnik ciśnienia

2.

U – rurka

3.

Scalony membranowy czujnik ciśnienia ze wzmacniaczem

4.

Woltomierz cyfrowy

5.

Odważniki

6.

Prasa olejowa

7.

Manometr sprężynowy

8.

Membranowy czujnik ciśnienia