10

Ćwiczenie 1

Wyznaczanie kierunkowej charakterystyki sondy Prandtla.

1. Cel ćwiczenia:

1. zapoznanie się z metodami i przyrządami do pomiaru ciśnień.
2. zapoznanie się z budową oraz zasadą działania rurki Prandtla oraz Pitota.
3. pomiar dopuszczalnego odchylenia osi sondy od kierunku przepływu powietrza.
4. wyznaczenie prędkości przepływu powietrza w przewodzie.

2. Wprowadzenie:

Do określenia ciśnienia dynamicznego, a tym samym w sposób pośredni do wyznaczenie prędkości przepływu służą rurki spiętrzające. Znanych jest wiele rozwiązań konstrukcyjnych rurek spiętrzających, spośród których najszersze zastosowanie znalazły rurki  Pitota i  Prandtla.

Najprostszym przyrządem służącym do pomiaru prędkości miejscowej jest tzw. rurka Pitota.  Była ona używana pierwotnie do pomiaru prędkości wody w rzekach i na rys 1 przedstawia ja w tym właśnie zastosowaniu. Jest to sztywna rurka zagięta pod kątem prostym (sonda). Sonda  umieszczona jest w osi przewodu przeciwnie do kierunku przepływu i 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 v, należy wykonać jeszcze pomiar ciśnienia statycznego. Ciśnienie statyczne można zmierzyć np. za pomocą rurki impulsowej, umiejscowionej w otworze ścianki przewodu.  Trudność posługiwania się rurką Pitota polega między innymi na konieczności stosowania dwóch oddzielnych nie związanych ze sobą przyrządów do pomiaru ciśnienia całkowitego i statycznego.

Rys. 1 Rurka Pitota

Najszersze zastosowanie znalazło drugie rozwiązanie rurek spiętrzających w postaci rurki Prandtla (rys. 2), która łączy w jednym przyrządzie oba te elementy. Otwory boczne w sondzie umożliwiają mierzenie ciśnienia statycznego ps, otwór zaś z przodu - ciśnienia całkowitego pc.

Wyznaczenie prędkości przepływu opiera na wykorzystaniu zależności ciśnienia dynamicznego od prędkości przepływu.

                                                                                      (1)

stąd                                                                                                                                                           (2)

Łącząc odpowiednio rurkę Prandtla z manometrami różnicowymi wodnymi dynamiczne wyrażamy wzorem:

                                                        (3)

Porównując wzory (2) i (3) otrzymujemy prędkość V

Rys 2. Rurka Prandtla

              Niezbędnym warunkiem uzyskania wysokiej dokładności pomiarów jest właściwe ustawienie rurki Prandtla względem kierunku przepływu. Na rysunku 3 pokazano, w jaki sposób zmieniają się wskazania rurki Prandtla (r), sondy do pomiaru ciśnienia statycznego (s) oraz rurki Pitota (t) w zależności od kąta α zawartego między osią przyrządu a kierunkiem prędkości strugi niezakłóconej.

Aby pomiar był dokładny, głowicę rurki należy ustawić równolegle do kierunku przepływu. Wg PN-81/M-42364 odchylenie głowicy rurki 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).

Rys. 3. Krzywa błędu rurki Prandtla (r), sondy do pomiaru ciśnienia statycznego (s) i rurki Pitota (t)

3. Schemat stanowiska pomiarowego

Rys. 4. Schemat stanowiska do pomiarów kierunkowej charakterystyki sondy Prandtla.

4. Przebieg ćwiczenia:

Kolejność wykonania czynności pomiarowych:

1. Zapoznać się z budową oraz zasadą działania sondy Prandtla oraz manometrów.
2. Wyzerować wskazania manometru elektronicznego.
3. Ustawić sondę Prandtla w położeniu równoległym do kierunku przepływu (kąt 0º).
4. Uruchomić wentylator.
5. Odczytać wartość ciśnienia dynamicznego z manometru elektronicznego.
6. Zmienić położenie sondy o kąt 2º.
7. Odczytać wartość ciśnienia dynamicznego z manometru elektronicznego.
8. Powtórzyć czynności 6 i 7 zmieniając kąt ustawienia sondy o 2 stopnie, w kierunku dodatnim.
9. Powtórzyć czynności 3, 6, 7 zmieniając kąt ustawienia sondy o 2 stopnie, w kierunku ujemnym.
10. Pomiary ciśnienia dynamicznego zapisać w tabeli.
11. Wyłączyć wentylator.
12. Odczytać ciśnienie powietrza z barometru rtęciowego oraz temperaturę i wilgotność z wykorzystaniem Psychrometru Assmanna.
13. Zapisać błędy wielkości mierzonych.

5. Tabela pomiarowo - obliczeniowa