Szczecin, 17.05.2016r.

Ćwiczenie nr 4

POMIARY CIŚNIENIA I PRZEPŁYWU.
KALIBRACJA MANOMETRU CIECZOWEGO

Technologia chemiczna, rok II
Grupa laboratoryjna 2B
Duber Ewa
Kłosin Dominika
Zakrzewska Agata

Podstawy teoretyczne

Ciśnienie definiowane jest jako siła, działająca na powierzchnię. Najczęściej używaną jednostką ciśnienia jest paskal:

$$p = \frac{F}{A} = \frac{\text{mg}}{S}$$

$$\left\lbrack \text{Pa} \right\rbrack = \left\lbrack \frac{N}{m^{2}} \right\rbrack = \left\lbrack \frac{\text{kg}}{m \times s^{2}} \right\rbrack$$

W przypadku manometru cieczowego bierze się pod uwagę ciśnienie hydrostatyczne cieczy manometrycznej:

p = ρ × g × h

Zasada działania takiego manometru jest prosta: polega ona na ustaleniu się różnicy między ciśnieniem hydrostatycznym a ciśnieniem zewnętrznym. Na podstawie różnicy wysokości słupów cieczy w ramionach U-rurki oblicza się mierzone ciśnienie:

W przypadku manometru sprężynowego, wyposażonego w rurkę Bourdona, element sprężysty przetwarza wpływ ciśnienia na przemieszczenie wskazówki na tarczy manometru:

Natężenie przepływu jest miarą ilości płynu, gazu lub innej substancji przepływającej przez wyodrębnioną przestrzeń, obszar lub przekrój poprzeczny w czasie. Najczęściej mierzone są:

• masowe natężenie przepływu [kg/s]

• objętościowe natężenie przepływu [m³/s]

• molowe natężenie przepływu [mol/s]

Aparatura i schemat

Butla ze sprężonym powietrzem
Zawór reduktora ciśnienia
Manometr sprężynowy
Przepływomierz cieplnopojemnościowy (MPC)
Manometr cieczowy (U-rurka)
Przepływomierz bąbelkowy
Zawory odcinające i regulacyjne

Przebieg ćwiczenia

Zapoznano się z przyrządami pomiarowymi. Sprawdzono szczelność wszystkich połączeń aparatury. Ustawiono ciśnienie gazu 0,1 MPa. Nastawiono przepływ gazu na przepływomierzu cieplnopojemnościowym 100 cm³/min. Odkręcono zawór główny i regulujący gazu. Po ustaleniu się równowagi w manometrze cieczowym spisano różnicę wysokości słupów cieczy manometrycznej (ΔH) oraz zmierzono przepływ za pomocą przepływomierza bąbelkowego (3 pomiary). Następnie zmniejszono przepływ do 90 cm³/min, spisano wartość ΔH i przepływ na bąbelkomierzu, po czym znowu mniejszono przepływ gazu o 10 cm³/min, powtórzono czynności dla zadanego przepływu i powtarzano je aż do osiągnięcia wartości przepływu 20 cm³/min. Po zakończeniu pomiaru dopływ gazu odcięto, odkręcono zawór 3-drogowy i zamknięto zawór regulacyjny.

Wyniki pomiarów, obliczenia i wykresy

Lp.	Przepływomierz cieplnopojemnościowy [cm^3/min]	Różnica ciśnień w ramionach U-rurki ΔH [cm]	Przepływomierz bąbelkowy [cm^3/min]
1	100	11,5	34,7
2	90	10,3	38,5
3	80	9,1	4,3
4	70	8,5	49,4
5	60	7	57,6
6	50	5,3	69,1
7	40	4,5	86,4
8	30	3,5	115,3
9	20	2,5	173,4

Pomiar przepływu za pomocą przepływomierza bąbelkowego (V = 20 cm³, wielkość mierzona – czas, s)

Lp.	Pomiar	Średni czas
	I	II
1	11,4	11,6
2	12,9	12,8
3	14,3	14,3
4	16,5	16,5
5	19,2	19,1
6	23	23,1
7	28,9	28,7
8	38,5	38,5
9	57,9	57,9

Odchylenie standardowe przykładowego pomiaru i jego średniej arytmetycznej

$$S_{x} = \sqrt{\frac{1}{n - 1}\sum_{}^{}\left( x_{i} - \overset{\overline{}}{x} \right)^{2}}$$

$$S_{\overset{\overline{}}{x}} = \frac{S_{x}}{\sqrt{n}}$$

Dla serii pomiarów: 14,3; 14,3; 14,4 (n = 3) odchylenie standardowe wynosi S_x = 0,057, zaś odchylenie średniej arytmetycznej $S_{\overset{\overline{}}{x}}$ = 0,03.

Można zatem przyjąć, że przepływ pokazywany przez przepływomierz bąbelkowy jest równy przepływowi w manometrze cieczowym.

Zależność między wskazaniami przepływomierza cieplnopojemnościowego a bąbelkowego

Zależność między różnicą wysokości słupa cieczy w manometrze cieczowym a wskazaniami przepływomierza bąbelkowego

Zależność między przepływem gazu a wysokością słupa cieczy w manometrze cieczowym

Wnioski

Mała różnica w pomiarach mogła być przyczyną niedokładności odczytu oraz zmianą przepływu po dotarciu powietrza do przepływomierzu bąbelkowego. W miarę zmniejszania przepływu na przepływomierzu MPC różnica wysokości słupa cieczy w rurkach manometru również malała, co oznacza, że ciśnienie w układzie malało. Przepływ jaki wskazywał przepływomierz bąbelkowy różnił się od tego pokazywanego przez przepływomierz MPC. Należy zauważyć również , że wyniki pomiarów były bardzo zbliżone do siebie, więc powietrze w tych warunkach będzie zachowywało się tak samo.