Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest:

1. zapoznanie się z metodami i przyrządami do pomiaru ciśnień.

2. zapoznanie się z budową oraz zasadą działania rurki Prandtla oraz Pilota.

3. pomiar dopuszczalnego odchylenia osi sondy od kierunku przepływu powietrza.

4. wyznaczenie prędkości w kanale.

1. Wstęp teoretyczny

Stosunek nieskończenie małej siły powierzchniowej DP do elementu powierzchni DA, na który

ona działa, nazywamy ciśnieniem, czyli:

Z przedstawionej definicji wynika, że ciśnienie jest wektorem zwróconym w kierunku powierzchni, na którą działa. Jeżeli płyn znajduje się w stanie spoczynku, to ciśnienie traci charakter wektora i staje się jednorodną, skalarną funkcją miejsca, niezależną od kierunku.

Z przyczyn metrologicznych dokonano dwóch sposobów podziału ciśnienia. Przyrządy stosowane do pomiaru ciśnienia wyznaczają jego wartość od określonego poziomu odniesienia, z czym jest związany pierwszy sposób podziału (rys 1):

• ciśnienie absolutne pa, czyli bezwzględne, mierzone względem próżni doskonałej, dla której p =0;

• ciśnienie barometryczne pb, nazywane również atmosferycznym, które jest ciśnieniem bezwzględnym atmosfery;

• nadciśnienie pn, które jest nadwyżką ciśnienia absolutnego pa1 ponad barometryczne pb stąd:

• podciśnienie pw, równe różnicy między ciśnieniem barometrycznym i ciśnieniem bezwzględnym pa2,

Drugi sposób podziału jest związany z ruchem płynów i wówczas wyróżnia się następujące rodzaje ciśnienia:

• ciśnienie statyczne ps - ciśnienie, jakie wskazywałby przyrząd pomiarowy, który porusza się wraz z czynnikiem ruchem ustalonym, z prędkością strumienia i w kierunku tym samym co strumień;

• ciśnienie całkowite pc, nazywane również ciśnieniem spiętrzenia - ciśnienie wywierane przez płyn na przeszkodę ustawioną prostopadle do kierunku przepływającego strumienia, w punkcie całkowitego zahamowania ruchu płynu;

• ciśnienie dynamiczne pd - przyrost ciśnienia płynu, który porusza się z prędkością v i jest spowodowany całkowitym zahamowaniem przepływu

Klasyfikacja przyrządów pomiarowych

Ze względu na przeznaczenie przyrządy służące do pomiaru ciśnienia można podzielić

następująco:

• przyrządy do pomiaru ciśnienia absolutnego, w których zero na skali oznacza próżnię absolutną (barometry, manometry ciśnienia absolutnego);

• przyrządy do pomiaru różnicy ciśnień, nazywane manometrami różnicowymi;

• przyrządy do pomiaru nadciśnienia, podciśnienia lub nadciśnienia i podciśnienia, nazywane odpowiednio: manometrami, wakuometrami i manowakuometrami (zero na skali wymienionych ciśnieniomierzy oznacza ciśnienie barometryczne).

Biorąc pod uwagę zasadę działania, rozróżnia się następujące rodzaje

przyrządów służących do pomiaru ciśnienia:

• hydrostatyczne, nazywane manometrami cieczowymi;

• prężne;

• tłokowe, czyli obciążnikowo-tłokowe;

• elektryczne.

Rurki spiętrzające

Do określenia ciśnienia dynamicznego, a tym samym w sposób pośredni do wyznaczenie prędkości służą rurki spiętrzające. Znanych jest wiele rozwiązań konstrukcyjnych rurek spiętrzających, spośród których najszersze zastosowanie znalazły rurki Pitota i Prandtla.

Schemat pomiaru rurką Pitota pokazano na rysunku 12.6a. Przyrządem jest sztywna rurka zagięta pod kątem prostym (sonda). Sonda, umieszczona w osi przewodu przeciwnie do kierunku przepływu, jest połączona z manometrem różnicowym giętkim przewodem. Ciśnienie, jakie zostanie zmierzone za pomocą manometru, jest sumą ciśnienia panującego w przewodzie (statycznego) oraz spiętrzenia ciśnienia wywołanego zahamowaniem strugi (dynamicznego). Zmierzone ciśnienie jest więc ciśnieniem całkowitym p_c. Aby wyznaczyć prędkość c, należy wykonać jeszcze pomiar ciśnienia statycznego. Ciśnienie statyczne można zmierzyć za pomocą rurki impulsowej, umiejscowionej w otworze ścianki przewodu. Aby ułatwić obliczenie wyników pomiarów, stosuje się układ pokazany na rysunku 12.6b. W tym układzie manometr różnicowy wskazuje bezpośrednio różnicę mierzonych ciśnień, czyli ciśnienie dynamiczne p_d. Trudność posługiwania się rurką Pitota polega między innymi na konieczności stosowania dwóch oddzielnych nie związanych ze sobą przyrządów do pomiaru ciśnienia całkowitego i statycznego.

Najszersze zastosowanie znalazło drugie rozwiązanie rurek spiętrzających w postaci rurki Prandtla (rys. 12.7ab), która łączy w jednym przyrządzie oba te elementy. Otwory boczne w sondzie umożliwiają mierzenie ciśnienia statycznego p_s, otwór zaś z przodu - ciśnienia całkowitego p_c. Łącząc odpowiednio rurkę Prandtla z manometrami różnicowymi można mierzyć wielkość ciśnienia dynamicznego p_d.

Aby pomiar był dokładny, głowicę rurki należy ustawić równolegle do kierunku przepływu. Odchylenie jej od kierunku przepływu w niezabudowanej strudze o kąt 14^o nie wpływa znacząco na pomiar ciśnienia dynamicznego, powodując błąd wskazania rzędu 1,5%. Różnice ciśnień, jakie mierzy się przy użyciu rurek spiętrzających, są niewielkie i zwykle do tego celu używamy mikromanometrów różnicowych. Ze względu na niewielką średnicę otworu pomiarowego istnieje niebezpieczeństwo zatkania się rurki przy przepływie płynów zanieczyszczonych. Rurki spiętrzające są łatwe w obsłudze, montażu i demontażu, są przydatne do pomiaru prędkości w przewodach o dużych średnicach, a zwłaszcza w przewodach o przekroju różnym od kołowego. Podobnie jak zwężki, mogą być używane przy znormalizowanej konstrukcji do pomiaru strumienia płynu bez uprzedniego wzorcowania.

W przemyśle spożywczym rurki spiętrzające znalazły zastosowanie w pomiarach ilości przepływającego powietrza (suszarnie, klimatyzacja, kotły) oraz w pomiarach ilości spalin w kotle (tzw. ciągu).

2. Schemat stanowiska pomiarowego

Rys. Schemat stanowiska pomiarowego

3. Przebieg ćwiczenia

Kolejność wykonania czynności pomiarowych:

1. Zapoznać się z budową oraz zasadą działania rurki Prandtla, manometrów.

2. Wyzerować wskazania manometru elektronicznego.

3. Ustawiamy sondę Prandtla w położeniu podstawowym tj równoległym do kierunku przepływu (kąt 0º)

4. Uruchamiamy wentylator.

5. Odczytujemy wartość ciśnienia z manometru elektronicznego.

6. Zmieniamy położenie kątowe sondy o 2º.

7. Odczytujemy wartość ciśnienia z manometru elektronicznego.

8. Powtarzamy czynności 4 i 5 zmieniając kąt co 2º w kierunku dodatnim, a później w kierunku ujemnym

9. Wyłączamy wentylator.

Literatura

1. Bukowski J., Kijkowski P.: Kurs mechaniki płynów, PWN Warszawa 1980,

---