PAINEMITTAUKSET - metrology.tkk.fimetrology.tkk.fi/courses/S-108.4010/2008/semenoja.pdf ·...

PAINEMITTAUKSET0,0005 Pa ... 500 MPa

Mittaustekniikan lisensiaattikurssi 3.4.2008

Mittatekniikan keskusSari Semenoja, p. 010 6054 432, @mikes.fi

2

Mittatekniikan keskus MIKES

Paineen kansallinen mittanormaalilaboratorio

Mittausalue 0,0005 Pa … 500 MPa (5000 bar)

Akkreditoidut paineen kalibrointilaboratoriot:K004 InspectaK008 VaisalaK009 FinnairK013 LentotekniikkalaitosK026 Beamex

3

Mittatekniikan keskus MIKES

Kansallisen mittanormaalilaboratorion tehtävät:

- kansallisten mittanormaalien ylläpito- osallistuminen kansainvälisiin vertailumittauksiin- jäljitettävyyden siirtäminen akkreditoiduille laboratorioille- kalibroinnit loppukäyttäjille silloin, kun akkreditoitujen laboratorioiden mittauskyky tai alue ei ole soveltuva

4

MIKESin paineen mittausalueet

Öljynpaine

0,5 MPa … 500 MPa

Kaasun ylipaine

0,1 Pa … 16 MPa

Absoluuttipainealue

0,0005 Pa … 120 kPa

5

Paine

p = F/A

”Paine on pintaa vastaan kohtisuoraan vaikuttavan voiman F ja saman pinnan alan Aosamäärä”

Hydrostaattinen paine

p = ρg∆hmissä ρ on tiheys, g on putoamiskiihtyvyys ja ∆h on korkeusero

6

Paineen erilaiset nimitykset

Absoluuttinen paine

- vertailuarvona ideaalinen tyhjiö- näin ollen aina nollaa suurempi- pienten absoluuttipaineiden mittareita

kutsutaan vakuumimittareiksi

7

Paineen erilaiset nimitykset

Vallitseva ilmanpaine

- ilmakehän aiheuttamaa absoluuttista painetta- vertailuarvona tyhjiö- vaihtelee osana säätilan vaihtelua- ilmanpaineeseen vaikuttaa mittauspaikan

korkeus merenpinnasta- vallitsevan ilmanpaineen mittareita kutsutaan

barometreiksi

8

Paineen erilaiset nimitykset

Ylipaine- vertailuarvona vallitseva ilmanpaine- esim. auton rengaspaine- voidaan muuntaa absoluuttipaineeksi lisäämällä

vallitseva ilmanpaine

Alipaine- negatiivista ylipainetta- vertailuarvona vallitseva ilmanpaine- absoluuttiseksi paineeksi muunnettuna aina

vallitsevaa ilmanpainetta pienempi

9

Paineen erilaiset nimitykset

Paine-ero

- paine-erosta puhutaan erityisesti silloin, kun vertailuarvona on jokin muu kuin tyhjiö tai vallitseva ilmanpaine

- tällöin vertailuarvoa kutsutaan usein linjapaineeksi

10

Paineen erilaiset nimitykset

11

Paine

Monia eri sovelluksia myös jokapäiväisessä elämässä, esim. auton rengaspaine, öljynpaine, ilmanpaine sääilmiönä, verenpaine, paineastiat jne.

Painetta voidaan käyttää hyväksi myös muiden suureiden määrittämisessä, esim. voima, nestepinnan korkeus, nopeus, korkeus, syvyys, virtausmäärä

12

Paine

Paineen SI-järjestelmän mukainen yksikkö on pascal [Pa]

1 Pa = 1 N/m2

Hyvin usein käytetään kerrannaisia, esim. hPa, kPa ja MPa

SI-järjestelmän mukaisten yksiköiden käyttöä tulisi suosia

13

Paine

Muita kuin SI-järjestelmän mukaisia yksiköitä on kuitenkin edelleen käytössä monia, yksi yleisimmistä on esim. bar

1 bar = 0,1 MPa = 100 kPa

1 mbar = 1 hPa

14

Paineen yksikön realisointi

Nestepatsasmanometri

- hydrostaattinen paine p = ρg∆h

Suurimäntäinen painevaaka

- määritelmä p = F/A

15

Hydrostaattinen paine

Hydrostaattinen paine on nesteen tai kaasun oman painovoiman aiheuttama paineHydrostaattisen paineen suuruuteen ei vaikuta väliaineen tilavuus tai massa, vaan ainoastaan tiheys ja korkeus(ero)Esim. nesteessä kaikki samalla syvyydellä olevat kappaleet ovat yhtä suuren paineen ympäröimiä ja jos eri muotoisissa astioissa on samaa nestettä yhtä korkealla, vallitsee astioiden pohjassa yhtä suuri paine

16

Paineen yksikön realisointi

Nestepatsasmanometri

17

Paineen yksikön realisointi

Nestepatsasmanometri

Nestepinnan tasoa voidaan mitata esim. laserinterferometrin tai kapasitiivisen anturin avulla

18

Paineen yksikön realisointi

Ylöspäin vaikuttaa voima F1:

F1 = pAAlaspäin vaikuttaa voima F2:

F2 = mgTasapainotilanteessa

F1 = F2

p = (mg) / APainevaaka

19

Paineen yksikön realisointi- Suurimäntäinen painevaaka

Tehollinen pinta-ala määritetään dimensiomittausten avulla

Männän halkaisija on yleensä noin 35 mmtai 50 mm

Halkaisijan mittauksen epävarmuus alle 0,1 µm

Männän ja sylinterin välys alle 1 µm

Materiaali wolframkarbidi

20

Paineen yksikön realisointi

Painevaaka

21

Paineen yksikön realisointi

Painevaaka

22

Paineen yksikön realisointi

Painevaaka

Ylipaineen mittaus

Absoluuttipaineen mittaus

23

Painevaaka

MIKESin paineen mittanormaalit:

Ylipainealue, öljynpaineet- painevaa’at; useita mäntä-sylinteriyhdistelmiä, pienin pinta-ala n. 2 mm2

Ylipainealue, kaasunpaineet- painevaa’at; useita mäntä-sylinteriyhdistelmiä, suurin männän halkaisija n. 50 mm- mahdollista määrittää pinta-ala myös dimensiomittauksin

24

Painevaa’an kalibrointi, ristiinkellutus

25

Painevaa’an paineen laskentakaava

Peruskaava:

Amgp =

Otetaan ilman nosteen vaikutus huomioon:

A

mgp massat

ilma )1(ρρ

−=

missä m on painevaa’alla olevat massat, g on putoamiskiihtyvyys, A on painevaa’an tehollinen pinta-ala ja ρ on tiheys

26

Painevaa’an paineen laskentakaava

Tehollinen pinta-ala A20C on riippuvainen lämpötilasta

Vertailulämpötila on 20 ºC

Otetaan myös lämpötilan vaikutus huomioon laskentakaavassa:

)]20(21[

)1(

20 −+

−=

tA

mgp

C

massat

ilma

αρρ

missä α on materiaalin lämpötilakerroin ja t on lämpötila

27

Painevaa’an paineen laskentakaava

Tehollinen pinta-ala A riippuu myös paineesta, jos paine on iso:

)1)](20(21[

)1(

20,0 ptA

mgp

C

massat

ilma

λαρρ

+−+

−=

missä λ on paineriippuvuus-kerroin, Γ on pintajännitys ja c on männän ympärysmitta)1)](20(21[

)1(

20,0 ptA

cmgp

C

massat

ilma

λα

Γρρ

+−+

+−=

Jos kyseessä on öljynpainevaaka, öljyn pintajännitys on otettava huomioon:

28

Paineenmittauslaitteita

Paine aiheuttaa mittauslaitteen tyypistä riippuen jonkin muutoksen mittarin tuntopäähän, esim.

– elastinen muodonmuutos kalvoon, palkeeseen tai bourdonkaareen

– vastuksen, kapasitanssin tai ominaistaajuuden muutos

– viskositeetin tai sähkönjohtavuuden muutos

29

Paineenmittauslaitteita

30

Paineenmittauslaitteita

Bourdon-putki

Kalvo

31

Barometrialue

MIKESissä on barometrialueen mittanormaalina painevaaka, jonka toimintaperiaate on sama kuin ylipainealueen painevaaoillakin

Barometrialueen absoluuttipainemittauksia varten painevaaka on varustettu lasisella vakuumikuvulla sekä itse rakennetulla punnustenvaihtimella

32

Barometrialue

33

Barometrialue

34

Paineen yksikön realisointi

Painevaaka- ja nestepatsasmanometrialueen alapuolella paineen yksikkö voidaan realisoida mäntämanometrin tai static expansion -järjestelmän avulla

Mäntämanometri

– mäntään kohdistuva paine mitataan voima-anturilla

– kun tehollinen pinta-ala tunnetaan, voidaan määrittää paine

35

Mäntämanometri

Yli- ja absoluuttipainealueet: painevaaka FPG8601

- painevaaka-osa, jossa mäntä- sylinteriyhdistelmä ja voima-anturi- mäntä ei pyöri, keskitetään kaasuvirtauksen avulla- paineenohjausyksikkö- kannettava tietokone, jossa mittaus- ja tiedonkeruuohjelmisto- referenssivakuumimittari- vakuumipumput

36

Mäntämanometri

plub

phi

pref

REG

SUPPLY

LUBRICATING FLOW

MASS COMPARATOR

FPG8601

37

FPG8601

38

Paineen yksikön realisointi

Static expansion -järjestelmä

– tietyssä tilavuudessa vallitsevan paineen annetaan laajentua suurempaan tunnettuun tilavuuteen

– tilavuuksien keskinäisen suhteen avulla voidaan määrittää paine

– laajennuksia voidaan tehdä useita peräkkäin

39

Absoluuttipaineet, vakuumialue

MIKESin vakuumialueen mittanormaalit:

- Kapasitiiviset anturit (CDG / Baratronit)- 1, 10 ja 100 torr

- Spinning rotor -mittari (SRG)

40

CDG -Capacitance Diaphragm Gauge

Kapasitiivinen anturi, jossa tuntoelimenä metallinen tai keraaminen kalvo

Paine vaikuttaa kalvon toiselle puolelle aiheuttaen kalvoon siirtymän, jonka vuoksi kapasitanssi muuttuu

Etuna pieni riippuvuus kaasun ominaisuuksista, eli tulos ei riipu mitattavan kaasun lajista

41

CDG -Capacitance Diaphragm Gauge

Rakenne:- kalvo- esivahvistin ja silta- lämpötilasäädelty kotelo- piirilevy”single-ended dual-electrode / AC bridge”

Materiaali:- Inconel- ruostumaton teräs

42

Paineenmittauslaitteita

CDG -Capacitance Diaphragm Gauge

43

Spinning rotor -mittari SRG

Tuntoelin on magneettisesti leijuva pallo, joka sijaitsee putkessa, joka on yhteydessä vakuumikammioon

Mittauspäässä on käämit pallon pyörittämiseen ja pallon liikkeen tunnistamiseen

Pallo saavuttaa tietyn kiertonopeuden, jonka jälkeen se jatkaa pyörimistä vapaasti

44

Spinning rotor -mittari SRG

Kaasumolekyylit törmäilevät pallon pintaan aiheuttaen vastuksen, joka hidastaa pallon pyörimistä

Tunnistinkäämit mittaavat hidastumisnopeuden

Laitteen elektroniikkayksikkö määrittää mitatun paineen arvon mittausajan, fysikaalisten parametrien ja käytetyn kaasun ominaisuuksien perusteella

45

Spinning rotor -mittari SRG

- lasketaan molekyylin törmäysnopeus ja pyörivään palloon aiheutuva törmäyksen aiheuttama impulssi- integroimalla pallon pintojen yli saadaan pallon pyörimisnopeuden hidastuminen tietyssä ajassa, johtuen kaasumolekyylien aiheuttamasta kitkasta- laskennassa otetaan huomioon vain saapuvien molekyylien tangentiaalinen voima (oletettu tekninen sileä pinta, total tangential impulsetransfer) ja tästä aiheutuva virhe korjataan korjauskertoimella

46

Spinning rotor -mittari SRG

Lopulta paine saadaan laskettua kaavalla, joka sisältää

- pallon säteen- pallon tiheyden- molekyylin keskimääräisen nopeuden

- kaasuvakio R- lämpötila- molekyylipaino

- tiettyyn kierrosmäärään kuluvan aikatiedon- korjauskertoimen (accommodation factor)

47

Paineenmittauslaitteita

SRG -Spinning Rotor Gauge

48

Kalibrointi

Kalibroimalla selvitetään sisään syötetyn paineen ja ulostulon (esim. mittarin osoitinnäyttämä, mittarin numeronäyttämä, jännitesignaali, virtasignaali) välinen yhteys

Kalibroinnin jäljitettävyyden perusedellytys ja lähtökohta on katkeamaton kalibrointien ketju SI-yksikön realisointiin.

49

Kalibrointi

SI-yksikköön ulottuva katkeamaton kalibrointiketju edellyttää, että

- kaikista ketjun osista on kalibrointitodistus- mittausmenetelmä on dokumentoitu- mittaustulokset on kirjattu ja säilytetty- kalibroinnit tulee uusia tietyin väliajoin- laitteet ovat yksilöitävissä- mittausepävarmuus on tiedossa ja ilmoitettu- laboratorion, joka tekee kalibroinnin tulee osoittaa pätevyytensä

50

Painemittauksiin liittyviä erityispiirteitä

- Hystereesi

- Korkeuserokorjaus

51

HystereesiPaineen nousevassa ja laskevassa suunnassa saadaan erilaiset tuloksetMittarin käyttäjä tarvitsee tuloksille sellaisen epävarmuuden, jossa sekä nousevan että laskevan suunnan tulokset ovat mukanaKäytännössä ei välttämättä tiedetä, onko paine nousussa vai laskussa (esim. huojuva paine mittauskohteessa)Huom. hystereesi & spesifikaationmukaisuusHuom. hystereesi & hajonta

52

Hystereesi

53

Hydrostaattinen paine

Hydrostaattisen paine on olemassa kaikkialla painovoimakentän vaikutusalueella!

->

Väliaineen sisällä vallitsevaan paineeseen vaikuttaa aina kaksi tekijää:

- väliaineeseen kohdistuva ulkoinen paine- väliaineen omasta painosta johtuva hydrostaattinen paine

54

Hydrostaattinen paine

Esim.Väliaine suljettuna sylinteriin, jossa on mäntä

Mäntää painamalla kohdistetaan väliaineeseen ulkoinen paine

Myös ympärillä vallitseva ilmanpaine aiheuttaa väliaineeseen ulkoisen paineen

Ulkoisten painetekijöiden lisäksi hydrostaattinen paine, joka aiheutuu väliaineesta itsestään

55

Hydrostaattinen paine, korkeuserokorjaus

Hydrostaattinen paine tulee ottaa huomioon mittauksia tehtäessä ja laitteita kalibroitaessa

Jos laitteet sijaitsevat eri korkeuksilla, niihin vaikuttaa erisuuruinen hydrostaattinen paine

Korkeuserosta johtuva ero hydrostaattisessa paineessa voi olla sitä luokkaa, että se pitää ottaa huomioon mittaustuloksia laskettaessa

-> Korkeuserokorjaus

56

Korkeuserokorjaus, väliaineena öljy

Öljyt kokoonpuristumattomia

Tiheys pysyy vakiona paineesta riippumatta

Korkeuserokorjaus ei ole paineesta riippuvainen

Tarkastellaan tilannetta seuraavan kuvan avulla...

57

Korkeuserokorjaus, väliaineena öljy

58

Korkeuserokorjaus, väliaineena öljy

Paine tasolla R:)( ilmaöljy pp −

Paine tasolla X:)( ,, xilmaxöljy pp −

Toisaalta, jos X on h:n verran R-tasoa ylempänä:ghpp öljyxöljyöljy ρ+= ,

Ja vastaavasti ilmanpaineelle tasolla R:ghpp ilmaxilmailma ρ+= ,

59

Korkeuserokorjaus, väliaineena öljy

Edellä esitetystä seuraa, että paine-ero kahden tason, R ja X, välillä on:

ghpppp ilmaöljyxilmaxöljyilmaöljy )()()( ,, ρρ −=−−−

Näin ollen korkeuserosta johtuva tekijä, eli painelukemaan tarvittava korjaus on:

gh ilmaöljy )( ρρ −

60

Korkeuserokorjaus, väliaineena öljy

Varustetaan vielä korkeuserokorjauksen kaava miinus-etumerkillä, jotta saadaan mittanormaalin lukemaan tarvittava korjaus valmiiksi oikeanmerkkisenä:

])([ gh ilmaöljy ρρ −−

Huom! Kaavaan sijoitettava h:n arvo on plus-merkkinen, jos mittari on ylempänä kuin mittanormaali. Ja vastaavasti miinus-merkkinen, jos mittari on alempana.

61

Korkeuserokorjaus, väliaineena öljy

Esimerkki 1

Öljyn tiheys on 900 kg/m3, ilman tiheyson 1,2 kg/m3 ja putoamiskiihtyvyyden g arvo on 9,8 m/s2. Kalibroitava mittari on 1 cm alempana kuin mittanormaali. Kuinka suuri on korkeuserokorjaus?

-[-0,01 m × (900 kg/m3 - 1,2 kg/m3) × 9,8 m/s2] = 88 Pa

62

Korkeuserokorjaus, väliaineena kaasu

Kaasut voimakkaasti kokoonpuristuvia

Tiheys riippuu paineesta

Korkeuserokorjaus on paineesta riippuvainen

->Ensin pitää laskea kaasun tiheys tarkasteltavassa paineessa, ja vasta sitten päästään laskemaan itse korkeuserokorjausta

63

Korkeuserokorjaus, väliaineena kaasu

Esimerkki

Mitattava paine on 1 MPa ylipainetta

Väliaineena käytettävä kaasu on argon

Lämpötila mittaushetkellä on 24 °C

Mittanormaali on 50 cm alempana kuin kalibroitava paineanturi

64

Korkeuserokorjaus, väliaineena kaasu

Muunnetaan annetut tiedot sopivaan muotoon, jotta voidaan sijoittaa ne tiheyden laskentakaavaan:

Mitattava ylipaine 1 MPa on absoluuttipaineeksi muunnettuna 1,1 MPa

Lämpötila 24 °C on Kelvin asteina 297,15 K

Argonin tiheys normaaliolosuhteissa on1,78 kg/m3

65

Korkeuserokorjaus, väliaineena kaasu

Sijoitetaan kaavaan ja lasketaan tiheys:

77,17101325

110000015,29715,27378,1) tp,( =⋅⋅=kaasuρ

Eli argonin tiheys paineessa 1,1 MPa abs. ja lämpötilassa 24 °C on 17,77 kg/m3

Nyt kun tiheys tiedetään, voidaan laskea korkeuserokorjaus samalla kaavalla kuin öljyn tapauksessakin...

66

Korkeuserokorjaus, väliaineena kaasu

Kaavahan oli:

Sijoitetaan arvot tähän ja lasketaan tulos:-[0,5 m × (17,77 kg/m3 - 1,2 kg/m3) × 9,8 m/s2] = -81 Pa

Eli mittanormaalin lukemasta on vähennettävä korkeuserosta johtuva 81 Pa.

])([ gh ilmaöljy ρρ −−

67

Korkeuserokorjauksen erikoistapaukset

- Painevaaka, jossa sylinteri kelluu (normaalisti kelluu mäntä)

- Pienet paineet, kun väliaineen tiheys on pienempi kuin ympäröivän ilman tiheys

68

Loppu

Kiitos mielenkiinnosta!

Mittatekniikan keskusSari Semenoja, p. 010 6054 432, @mikes.fi