Metode şi aparate pentru măsurarea presiunii

Catedra de Termotehnică, Maşini Termice şi Frigorifice

LUCRAREA Nr. 2 Metode şi aparate pentru măsurarea presiunii. 1. DEFINIŢII ● Presiunea = forţa exercitată normal pe unitatea de suprafaţă:

p

Fn A

 N  0 vid absolut  N kT dacă p  0   V T  0 zero absolut  Presiunea atmosferică = presiunea exercitată local de atmosfera terestră. Presiune absolută = presiunea determinată faţă de nivelul de zero ( vidul absolut). Suprapresiune = presiune mai mare decât presiunea atmosferică locală. Depresiune (vacuum) = presiune mai mică decât presiunea atmosferică locală. Presiune relativă = presiunea determinată faţă de nivelul presiunii atmosferice: - presiune manometrică = diferenţa dintre suprapresiune şi presiunea atmosferică. - presiune vacuummetrică = diferenţa dintre presiunea atmosferică şi depresiune. Presiune diferenţială = diferenţa de presiune dintre două medii diferite.

Teoria cinetico – moleculară: p  ● ● ● ● ● ●

ps - suprapresiune p m  p  p a - presiunea manometrică pa - presiunea atmosferică p v  p a  p - presiunea vacuummetrică

p

pd - depresiune (vacuum) p nivelul vidului absolut

0

pv  pa  p   g z

pm  p  pa   g z

b)

a)

Fig.1 Presiunea a)manometrică; b) vacuummetrică

1

S.Dimitriu © 2010

Catedra de Termotehnică, Maşini Termice şi Frigorifice 2. UNITĂŢI DE MĂSURĂ. ● Sistemul Internaţional (SI) N  1 Pa (Pascal) m2 - multipli: 1 kPa  10 3 Pa; 1MPa  10 6 Pa; 1 bar  10 5 Pa ● Sistemul tehnic (ST)  p ST  1 kgf2 - unitatea sistemului: m kgf kgf 1 at  1 2  10 4 2 - multiplu: cm m ● Alte unităţi: - milimetrul coloană de mercur (mmHg sau torr) = presiunea hidrostatică a unei coloane de mercur cu înălţimea de 1 mm. - milimetrul coloană de apă (mmH2O sau mmCA) = presiunea hidrostatică a unei coloane de apă cu înălţimea de 1 mm. ● Relaţii între unităţile de măsură: kgf kgf 1 bar  1,02  1,02 at; 1 at  1 2  0,981 bar 2 cm cm

- unitatea sistemului:  p SI  1

1 mmHg   Hg g h  133,3 Pa 1 mmH 2 O   H 2O g h  9,81 Pa

1 bar  750 mmHg  10200 mmH 2 O 3. CLASIFICAREA APARATELOR DE MĂSURARE A PRESIUNII I) În funcţie de valoarea presiunii măsurate de aparat: - manometre şi micromanometre: măsoară suprapresiuni relative ( p > pa) - vacuummetre şi microvacuummetre: măsoară depresiuni relative ( p < pa) - manovacuummetre: măsoară atât suprapresiuni cât şi depresiuni relative - barometre: măsoară presiunea atmosferică II) În funcţie de destinaţie: - aparate etalon: pentru etalonarea şi verificarea mijloacelor de măsurare a presiunii; au precizia cea mai ridicată (precizie metrologică); - aparate de laborator: pentru măsurători precise şi verificarea aparatelor de lucru; - aparate de lucru: pentru măsurători curente; III) În funcţie de principiul de funcţionare: - aparate cu lichid: măsoară denivelarea unei coloane de lichid; - aparate cu element elastic: măsoară mărimea deformaţia unui element elastic; - aparate electrice: măsoară variaţia unei mărimi electrice cu presiunea. 4. CLASA DE PRECIZIE. Clasa de precizie = abaterea maximă admisă, exprimată în procente din domeniul de indicare (valoarea maximă a scării gradate, dacă aceasta începe de la zero ( Vmin  0 ) considerată constantă pe toată scara aparatului:

2

S.Dimitriu © 2010


C

a Vmax  Vmin

100 [%]

Exemplu: pentru un manometru care are scara gradată 0..16 bar şi clasa de precizie 2,5 se admite o abatere maximă: 2,5 a  16  0,4 bar 100 Utilizarea claselor de precizie: - 0,05...0,1 pentru aparate etalon - 0,16...1,0 pentru aparate de laborator - 1,6 ....4,0 pentru aparate folosite în măsurări industriale. 5. PREZENTAREA APARATELOR PENTRU MĂSURAREA PRESIUNII A. Aparate cu lichid. Avantaje: - sunt simple din punct de vedere constructiv; - au preţ de cost scăzut; - au precizie de măsurare mare - sunt uşor de citit şi manipulat Dezavantaje: - sunt fragile - au domeniul de măsurare limitat la maxim 1,5... 2 bar Lichide utilizate: - mercur  HG  13525 kg/m3 - apa  apa  1000 kg/m3 - alcool

 alc  808 kg/m3

A.1. Aparate cu tub U

Fig.2 Aparatul cu tub U 1-placa suport; 2-tub de sticlă; 3-scara gradată in mm.

p   g z [Pa] Poate fi utilizat ca manometru sau vacuummetru, în care caz o ramură este liberă în atmosferă, sau pentru măsurarea diferenţei de presiune dintre două medii diferite.

3

S.Dimitriu © 2010

Catedra de Termotehnică, Maşini Termice şi Frigorifice A.2 Aparate cu rezervor şi tub vertical Unul din braţe este un rezervor având secţiunea A, iar celălalt un tub subţire de secţiune a. Racordarea la sursa de presiune se face astfel ca denivelarea să fie întotdeauna în sensul ridicării nivelului în tub.

Fig.3 Manometrul cu rezervor. 1-tub subţire; 2-rigla gradată în mm; 3-rezervorul cu lichid. a a 1  p   g z 1   [Pa] uzual  A A 500  Se utilizează ca manometru sau ca vacuummetru. utilizare ca manometru: sursa de presiune se leagă la rezervor, tubul este liber în atmosferă; utilizare ca vacuummetru: sursa de presiune se leagă la tub, rezervorul este liber în atmosferă.

A.3 Aparate cu rezervor şi tub înclinat (micromanometre). Se utilizează pentru măsurarea presiunilor/depresiunilor foarte mici 10...150 mmH2O

Fig.4 Schema constructivă a unui manometru cu rezervor şi tub înclinat 1-rezervor; 2-riglă gradată în mm; 3-tub de secţiune redusă. 4

S.Dimitriu © 2010

Catedra de Termotehnică, Maşini Termice şi Frigorifice a  p   g l  sin    [Pa] A 

uzual

a 1  A 500

sau

p  k l [mmH2O] în care lungimea l se măsoară în mm, iar dacă aparatul se umple cu alcool (   808 kg/m3) constanta k are în funcţie de unghiul α al tubului valorile 1/2, 1/5, 1/10, 1/25, 1/50 şi 1/100.

Exemplu: Se citeşte l  25 mm, iar tubul, care este liber în atmosferă, este fixat la o înclinare ce corespunde valorii k  1 / 50 . Rezultă presiunea manometrică: 1 p  p  p a  k l  25  0,5 mmH 2 O  0,5  9,81  4,9 Pa 50

Fig.5 Micromanometrul cu rezervor şi tub înclinat. 1-postament; 2-rezervor; 3-tub de sticlă; 4-ax de rotaţie; 5-sector circular; 6-braţ; 7,8suruburi de reglare; 9,10-nivelă cu bulă de aer; 11 şurub de reglare la zero.

5

S.Dimitriu © 2010

Catedra de Termotehnică, Maşini Termice şi Frigorifice B. Aparate cu element elastic B.1 Aparate cu tub elastic (Bourdon) 11

9

7

Fig.6 Principiul constructiv al aparatului cu tub Bourdon. 1-tub elastic; 2-suport; 3-dop; 4-tijă; 5-racord; 6-piuliţă; 7-cadran; 8-sector dinţat; 9-carcasă; 10-ac indicator; 11-scara gradată.

Este cel mai utilizat tip de aparat. Secţiunea tubului este eliptică; Tubul se deformează sub acţiunea forţelor datorate presiunii exterioare p a , respectiv interioare p (care trebuie măsurată) Materialul din care este confecţionat tubul elastic: – aliaje de Cu (p < 100 bar); – oţeluri aliate (p > 100 bar); (p foarte mici). – cuarţ Domeniul de utilizare: 0...400 bar.

Fig.7 Manometre cu tub elastic Bourdon

6

S.Dimitriu © 2010

Catedra de Termotehnică, Maşini Termice şi Frigorifice B.2 Aparate cu membrană

Fig.8 Manometre cu membrană 1-membrană; 2-flanşă; 3-capac; 4-mecanism cu pârghii; 5-ac indicator; 6-scara gradată. Utilizari: Pentru fluide corozive, viscoase, care cristalizează, cu temperaturi foarte scăzute, respectiv foarte ridicate, pentru respectarea condiţiilor aseptice in industria alimentara si farmaceutică. Materiale membrană: inox AISI316, Hastelloy, Monel, Inconel, nichel, Tantal, Titan, platina, argint, Teflon. Racordare la instalaţie: prin filet exterior, filet interior si piuliţă olandeză sau flanşe DIN, ASME B.3 Aparate cu capsulă sau burduf elastic (silfon).

b)

a)

Fig.9. Elemente elastice a) capsulă elastică; b) burduf elastic (silfon)

7

S.Dimitriu © 2010

Catedra de Termotehnică, Maşini Termice şi Frigorifice Aparatele cu capsulă se utilizează pentru măsurarea presiunilor mici 0..100 mbar.

Fig.10 Aparate cu capsulă elastică. C. Aparate pentru măsurarea presiunii atmosferice Principiul barometrului - presiunea hidrostatică a coloanei de lichid este egală cu presiunea atmosferică.

Fig 11 Principiul de funcţionare al barometrului cu mercur ● Evanghelista Torricelli (1608-1647) - fizician italian, inventatorul barometrului ● Nicolas Fortin (1750-1831) - inginer francez, a perfecţionat barometrul lui Torricelli ● Robert Hooke (1635-1703) - fizician englez, modifică barometrul lui Toricelli.

8

S.Dimitriu © 2010


Fig.12 Barometre cu mercur

Fig 13. Barometre aneroide

Fig 14 Barograful

Fig.15 Principiul barometrului aneroid

Barograful serveşte pentru înregistrarea continuă, pe o diagramă, a variaţiei presiunii atmosferice. Elementul sensibil este un burduf elastic care are în interior presiunea standard de 760 mmHg. Este prevăzut cu un dispozitiv de compensare a variaţiei temperaturii atmosferice.

9

S.Dimitriu © 2010


Barometrul ECCO-CELLI Caracteristici: - A fost patentat în 1998. - Este la fel de precis ca şi barometrul cu mercur. - Este ecologic, neconţinând mercur. - Este format dintr-un barometru cu sifon umplut cu un lichid de natură siliconică colorat în roşu si un termometru de precizie cu alcool metilic, colorat în albastru. - Intre tubul barometrului şi cel al termometrului se află o scară glisantă, gradată în unităţi de presiune (mbar) - Diviziunile scării sunt de patru ori mai mari decât la barometrul cu mercur, facilitînd citirea acesteia

Fig.16 Barometrul ECO-CELLI Funcţionare: - Variaţia înălţimii coloanei de lichid a barometrului este determinată de variaţia presiunii atmosferice, dar şi de cea a temperaturii atmosferice. - Corecţia de temperatură se realizează prin deplasarea scării gradate dintre tuburile aparatului astfel încât reperul trasat la mijlocul acesteia să se plaseze la înălţimea coloanei de lichid din termometru. - Mărimea presiunii atmosferice se citeşte în dreptul coloanei de lichid a barometrului.

10

S.Dimitriu © 2010

Catedra de Termotehnică, Maşini Termice şi Frigorifice D. Aparate pentru măsurarea presiunii prin procedee electrice (traductoare). Principiul de funcţionare: variaţia presiunii determină modificarea unei mărimi electrice care generează la ieşirea unui amplificator un curent electric în domeniul 2...10 mA; 4...20 mA (curent unificat) sau o tensiune electrică în domeniul 0...10 V (tensiune unificată). Clasificare: - traductoare rezistive - traductoare inductive - traductoare tensometrice - traductoare capacitive - traductoare piezoelectice. D.1 Traductoare rezistive a) Aparate cu potenţiometru Principiul de funcţionare: mişcarea determinată de deformare unui element elastic: tub Bourdon, capsulă, burduf, etc., deplasează cursorul unui potenţiometru. Variaţia rezistenţei este măsurată cu un aparat magnetoelectric, o punte Weathstone sau cu ajutorul unui circuiot electronic cu afişaj digital

Fig 17 Aparat cu tub Bourdon şi potenţiometru 1-axul aparatului; 2-tub Bourdon; 3-braţ mobil; 4-cursor; 5-potenţiometru; 6-conductorul de legătură; 7-aparat magnetoelectric

b) Aparate cu film rezistiv polisiliconic. Principiul de funcţionare: variaţia rezistenţei unei pelicule de silicon care se deformează sub acţiunea presiunii. Circuitul electronic generează curent unificat 4...20 mA, sau afişează digital valoarea presiunii.

Fig. 18 Aparate cu film rezistiv 11

S.Dimitriu © 2010


D.2 Traductoare inductive Principiul de funcţionare: modificarea inductanţei unei bobine datorită deplasării unui miez de fier acţionat de deformarea unui element elastic. Se utilizează în special pentru măsurarea presiunilor rapid variabile.

Fig.19 Principiul de funcţionare al senzorilor inductivi. D.3 Traductoare capacitive. Principiul de funcţionare: variaţia capacităţii unui condensator prin modificarea distanţei dintre armături, grosimii dielectricului sau suprafeţei armăturilor.

Fig.20 Traductorul capacitiv cu celulă DELTA

12

S.Dimitriu © 2010


Fig. 21 Traductorul capacitiv cu membrană elastică 1-membrană elastică(armătura mobilă); 2-corp; 3-armătura fixă; 4-izolator; 5-piesă de reglaj a distanţei dintre armături;6-piuliţă; 7-electrod

D.4 Traductoare tensometrice. Principiul de funcţionare: Modificarea rezistenţei electrice a unui fir sau pelicule metalice datorită tensiunilor care apar la alungirea materialului. Elementul sensibil este lipit pe o lamelă deformabilă ca urmare a acţiunii presiunii. Măsurarea variaţiei rezistenţei se face cu o punte Wheatstone.

Fig. 22 Principiul traductorului tensometric.

13

S.Dimitriu © 2010

Catedra de Termotehnică, Maşini Termice şi Frigorifice D.4 Traductoare piezoelectrice. În 1880, Jacques si Pierre Curie au observat ca aplicarea unei presiuni asupra unei lamele de cuarţ determină încărcarea acesteia cu o sarcină electrică. Cei doi fizicieni au denumit efectul observat piezo de la verbu l grecesc piezontas (a apăsa).

Δp     

− ΔU

    

+ q  k p [C/N  m ] 2

k  2,16  10 12 C/N

Fig. 23 Ilustrarea efectului piezoelectric. -

Traductoarele de presiune piezoelectrice se folosesc pentru măsurări ale presiunilor rapid variabile în timp, aşa cum se întâlnesc în cazul maşinilor termice. Pentru mărirea tensiunii la ieşire este preferabil să se monteze mai multe cristale în perechi, electric în paralel iar mecanic în serie. Întreg ansamblul trebuie pretensionat (cu ajutorul unor arcuri, a unor membrane sau a unor tuburi cu pereţi subţiri) pentru a mări sensibilitatea traductorului.

Fig.24.Traductorul piezolelectric 1-corp; 2-piuliţă; 3-membrană; 4,6,7-discuri metalice; 5-cristale de cuarţ; 8-bilă; 9-piuliţă; 10-manşon; 11suport izolator; 12-conductor electric

14

S.Dimitriu © 2010

Catedra de Termotehnică, Maşini Termice şi Frigorifice 5. VERIFICAREA MANOMETRELOR.

a)

b) Fig. 25. Aparate pentru verificat manometre a) aparat cu piston şi greutăţi; b) pompă cu piston

Aparatele pentru măsurarea presiunilor se verifică în vederea stabilirii încadrării în clasa de precizie prin : - utilizarea unui aparat care, prin intermediul unui piston pe care se aşează greutăţi etalon (fig.25 a), realizează presiuni de referinţă într-un cilindru cu ulei; - utilizarea unei pompe cu piston cu ulei (fig.25 b), cu ajutorul căreia se realizează diferite presiuni şi compararea indicaţiilor aparatului cu cele ale unuia etalon.

Fig. 26 Schema aparatului pentru verificat manometre cu pompă cu piston. 1-cilindrul pompei; 2-piston; 3-şurub; 4-roată de manevră; 5,6-robineţi; 7-rezervor cu ulei; 8-ventil de alimentare cu ulei; 9-manometru etalon; 10-manometru de verificat.

15

S.Dimitriu © 2010

Metode şi aparate pentru măsurarea presiunii

Recommend Documents