Mérésadatgyűjtés-jelfeldolgozás 2. előadás A nyomás mérés alapvető eszközei 1
A nyomás lásd: Transzport folyamatok modellezése 5. ea 2
mértékegységek SI: Pa (N/m2) 1 Pa kis nyomás, ezért általában kpa használatos 3
további mértékegységek bar 1 bar = 105Pa atm 1 atm = 1,01 105Pa at 1 at = 9,8 104Pa vízoszlopmm 1 v.o.mm = 9,8 Pa Hgmm (torr) 1 torr = 1,33 102Pa psi 1 Pa» 1,45 10-4psi, 1psi» 6,89kPa 4
túlnyomás mérés (psig) 5
abszolút nyomás (psia) 6
nyomáskülönbség (psid) 7
P Ismeretlen nyomás Px Abszolút nyomás Pa differenciális nyomás Pd relatív nyomás Pr Referencia nyomás Pr Atmoszféra nyomása Pa vákum 8
A földi légkör Föld felszínére kifejtett nyomása: elfogadott értékét egy atmoszférának nevezik, amely 1013 milibarral, 101 325 pascallal (Pa) vagy 760 torr-al egyenlő. A nyomás a tengerszint feletti magassággal és a hőmérséklettel változik. (Mérése a magasság közelítő megállapítására alkalmas.) Standard szintnek tengerszinten mért átlagos nyomást (1013,25 mbar) tekintik, s a különböző magasságokon mért adatokat általában ehhez viszonyítva adják meg. A légnyomást barométerrel mérik. 9
légnyomás Meteorológiai műszer a légnyomás mérésére, Torricelli találta fel 1643-ban. Azon az elven alapul, hogy ha egy egyik végén lezárt higannyal telt csövet nyitott végével egy higannyal töltött edénybe állítunk (lásd a képen), akkor a higanyoszlop magassága a higannyal teli edényre nehezedő légnyomásnak megfelelően változik. Még ma is használják ezt a műszert, számos típusa létezik. A légnyomás mérésének másik eszköze a szelence membrán (aneroid barométer), ez egy fémdoboz, amelyben vákuum van, a doboz hajlékony oldalai a változó légnyomás szerint tágulnak, illetve húzódnak össze. A légnyomás változásait az idő függvényében a barográf kirajzolja 10
Levegő nyomás mérésének alapvető eszközei U-csöves manométerek Ipari üzemekben, laboratóriumokban és tartályokban gázok nyomásának mérésére használják. A műszer mérőeleme falapra szerelt, U-alakban hajlított egyszerű üvegcső. A milliméter-osztású mérce az üvegcső két szára között helyezkedik el. A 0-pont a mérce közepén van. A műszer nyomás, huzat, differenciálnyomás mérésére egyaránt alkalmas. Mérőfolyadéka víz, alkohol, higany stb. A leolvasott érték természetesen függ a mérőfolyadék fajsúlyától. Alacsony nyomások nyomásmérésére használják. Az üvegcső két végére adott nyomás különbsége a csőben lévő folyadékoszlopot egyik irányban elmozdítja. A skála úgy van beosztva, hogy a műszer nyomás nélküli állapotában nem szükséges a nulla ponton állnia. Leolvasáskor az alsó, felső folyadékszint távolságát két szám jelzi, melyeket összeadva kapjuk a teljes nyomásra utaló számértéket. 11
ρ viz = 1000 kg/m3 ρ Hg = 13600 kg/m3 12
Levegő nyomás mérésének alapvető eszközei U-csöves manométerek 13
14
Levegő nyomás mérésének alapvető eszközei U-csöves manométerek Tartomány Függ a mérőfolyadék sűrűségétől Túlnyomás mérése vákumban Üvegcső hossza is megszabja (pl. 1000 Hgmm = 133kPa) alkalmazása Laboratóriumokban, hitelesítésre Előny: pontos, egyszerű, olcsó Hátrány: törékeny, nehezen automatizálható 15
FELADAT! 16
Mérés ferdecsöves manométerrel. Kis nyomások, nyomáskülönbségek mérésére alakították ki a ferdecsöves manométereket. Mivel a mérés egyszerűbb, ha csak egy ágat kell leolvasni, és pontosabb a leolvasás, ha a megmaradó ágat megdöntjük, az ábrán látható konstrukció alakult ki. A nyomás nagyságát itt is, a függőleges irányban bejelölt h méret jelzi. Ezt a méretet közvetlenül mérni nem lehet, meg nem is pontosabb, mint az eddigiek, ezért a ferde csövön elhelyezett beosztás és a cső ferdeségének szögével lehet a leolvasási pontosságot növelni. 17
18
Rugalmas alakváltozáson alapuló nyomásmérők Membrános nyomásmérők Síkmembrán Bordázott membrán Szelence membrán Csőmembrán A mérés alapja, hogy a nyomás hatására deformálódott membrán kitérése és az azt létrehozó nyomás között reprodukálható összefüggés legyen. Az érzékelő anyaga lehet fém, vagy nem fémes anyag, pl. műanyag, kerámia, stb. 19
Tehát ezen műszerek a nyomás hatására létrejövő rugalmas alakváltozás alapján működnek. Előnyük a kis méret, a tetszőleges működési helyzet, mechanikai rezgéseknek ellenálló kivitel, nagy mérési tartomány leolvasáshoz nagyméretű skála készíthető, és nagy mérési pontosság. A rugóelemes nyomásmérők mérési tartománya néhány Pa nyomástól több száz MPa-ig tejed. 20
21
síkmembrán Érzékelője két karima közé befogott rugalmas lap (membrán). Nyomás hatására a membrán kihajlik A kihajlás teljes terheléskor kb. 1,5 2 mm. Túlterheléskor a membrán a befogókarimára felfekszik, így a sérülést a membrán elkerüli. Nyomás, vákuum és nyomáskülönbség egyaránt mérhető. A mechanikai rezgéseket jól tűri, ezért sűrű anyagok nyomásának mérésére igen alkalmas. Túlterhelésre és hőmérséklet változásra érzékeny. 22
23
aneroid barométer (szelence membrán) Érzékelőeleme vékony, rugalmas anyagból készült, henger alakú szelence, mely a mérendő nyomás hatására rugalmas alakváltozást szenved. A bevezetett nyomás hatására a két homloklap kihajlik, melynek nagysága arányos a nyomással. A szelence mozgását karos mechanizmus (emeltyű) továbbítja a mutatószerkezethez. A műszer annál érzékenyebb, minél vékonyabb fémlemezből készül a szelence, és minél nagyobb a hatásos felülete. Túlterhelésre érzékenyek, ekkor az érzékelő eredeti alakját elveszíti, és további mérésre már nem alkalmas. A szelence visszatérítő ereje kicsi, mert a lemezvastagság vékony, és ily módon nullhibával kell számolni. Ezért a szelencét pálca alakú egyenes rugóval előfeszítik. Alkalmas nyomás, nyomáskülönbség és vákuum mérésére. 24
aneroid barométer 25
aneroid barométer 26
csőmembrán A csőmembrán vékony, varrat nélküli, hullámosított, 8..300mm átmérőjű cső. Közepes és nagy nyomások, ill.nyomáskülönbségek mérésére, érzékelésére alkalmas. A nyomás hatására l deformációkeletkezik amelyet villamos jel megváltoztatására lehet átalakítani. Az automatizált rendszerek leggyakoribb nyomás érzékelője 27
csőmembrán Egyik végén zárt, hullámos cső, mely a nyomás hatására hosszirányban megnyúlik vagy rövidül. Érzékenysége a legnagyobb, hosszirányú méretváltozása az anyag rugalmassági határán belül arányos a terhelő nyomással. Érzékenysége függ a felülettől, a hullámok számától, a falvastagságtól és az anyag szilárdságától Lágyított anyagból készítik, és az anyag rugalmasságát rugóval pótolják. Nyomás, vákuum és nyomáskülönbség mérhető vele. 28
Csőrugós nyomásmérő (Bourdon cső) mutató áttétel Ház X a nyomás hatására létrejött deformáció Karos mechanizmus 29
Bourdon cső belső terét valamely közeg nyomásával terhelve az kör alakot igyekszik felvenni. A cső anyaga rugalmas. A Bourdon-cső egyik végét lágy forrasszal a rugótestbe forrasztják, a nagy méréstartományú műszereknél becsavarozzák, a másik végét fémkupakkal lezárják. A csőrugó szabad vége nyomás hatására elmozdul, mely elmozdulás nagysága a cső anyagának rugalmassági határán belül arányos a terhelő nyomással. Terhelhetőségét befolyásolják a cső anyagának rugalmassága, keresztmetszetének alakja és görbületi íve. Különlegesen nagy nyomások mérésére központon kívüli excentrikus furatú kör keresztmetszetű csöveket használnak. Az elmozdulás mértéke a csőrugó anyagától is függ, ezért kis- és közepes méréstartományú csövek anyaga általában színesfém, nagy nyomások mérésére szolgáló műszerekben acél. A Bourdon-csöves nyomásmérők fontos szerkezeti eleme a rugó-test vagy rugóállvány, mely tartja a csőrugót, hordozza a mutatószerkezetet és a tokot, a műszertokból kinyúló csavarmenetes csonk útján a mérendő térhez kapcsolódik. A rugótest anyaga általában azonos a csőrugó anyagával. A csőrugó szabad végének elmozdulását karos áttétel továbbítja a mutatószerkezethez. 30
Bourdon cső 31
Bourdon cső Tartomány 35kPa 1 GPa alkalmazása: ipar kompenzáció: hőmérséklet Előny: olcsó, egyszerű, megbízható, automatizálható Hátrány: lassú 32
osztálypontosság 33
34
35
Nyúlásmérő bélyeggel (strain gauge) ellátott érzékelő 36
Kapacitív nyomásérzékelő 37
Piezoelektromos nyomásérzékelő 38
kérdések zh-ra mi a barometrikus nyomás? nyomás mértékegysége SI-ben 1 bar definíciója abszolút hiba definíciója relatív hiba definíciója nyomás definíciója osztálypontosság 39
KÖSZÖNÖM A FIGYELMET! 40