Upload
lamminh
View
218
Download
2
Embed Size (px)
Citation preview
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