lab-sonda prandtla_1.doc

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 pc. 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 pd. 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 ps, otwór zaś z przodu - ciśnienia całkowitego pc. Łącząc odpowiednio rurkę Prandtla z manometrami różnicowymi można mierzyć wielkość ciśnienia dynamicznego pd.

              Aby pomiar był dokładny, głowicę rurki należy ustawić równolegle do kierunku przepływu. Odchylenie jej od kierunku przepływu w niezabudowanej strudze o kąt 14o 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,