5. VLHKOSŤ A TLAK OVZDUŠIA

Transcript

1 5. VLHKOSŤ A TLAK OVZDUŠIA 5.1 Definícia vlhkosti Vlhkosť vzduchu, resp. plynu je spôsobená obsahom vodných pár v danej látke. Ich množstvo je premenlivé a závisí aj od teploty a tlaku. Vlhkosť plynov, kvapalín a tuhých látok sa vyjadruje viacerými jednotkami. Na vyjadrenie obsahu vodných pár - vlhkosti plynu sú najčastejšie používané pojmy absolútna a relatívna vlhkosť. Absolútna vlhkosť Φ je definovaná ako pomer hmotnosti vodnej pary m, nachádzajúcej sa v plyne k celkovému objemu vlhkého plynu V: Φ = m Í V (5.1) Takto vyjadrená vlhkosť predstavuje hustotu vodnej pary, ktorú obsahuje plyn. V technickej praxi sa najčastejšie vyjadruje v [g.m -3 ]. Na meranie absolútnej vlhkosti sa používajú adsorbčné trubice, obsahujúce hygroskopické látky (napr. chlorid vápenatý, oxid fosforečný, koncentrovaná kyselina sírová a pod.) vo vhodnom nosiči. Množstvo vodných pár sa po presatí definovaného objemu vzduchu určí vážením. Najvyššia absolútna vlhkosť vzduchu je na rovníku a klesá smerom k pólom. Znižuje sa aj s nadmorskou výškou. Maximálna vlhkosť Φ nas vzduchu je množstvo vodných pár, ktoré môže vzduch prijať za určitej teploty a tlaku, aby sa vodnými parami úplne nasýtil. Toto množstvo prudko rastie so zvyšujúcou sa teplotou, tlak vzduchu je takmer zanedbateľný. Pri teplote 0 C je maximálna vlhkosť vzduchu len 1,10 [g.m -3 ] a pri 0 C je 5,85 [g.m -3 ] pri 0 C je 17,3 [g.m -3 ] a pri 50 C až 51,16 [g.m -3 ]. Relatívna vlhkosť Φ plynu je pomer absolútnej vlhkosti plynu k vlhkosti plynu s nasýtenými parami (maximálnej vlhkosti) za tej istej teploty a tlaku: Φ = Φ Φ nas (5.) 66

2 alebo vyjadrená v percentách. Suchý plyn má teda relatívnu vlhkosť Φ = 0 (0%), plyn v stave nasýtenia vodnou parou má vlhkosť Φ = 1 (100%). Φ ' = Φ Φ nas 100 (%) (5.3) Pri reálnych plynoch relatívna vlhkosť závisí okrem tlaku aj od teploty. Relatívna vlhkosť je potom daná pomerom hustôt Φ = ρ ρ nas 100(%) (5.4) Ak klesá teplota vzduchu (plynu) za nezmenenej absolútnej vlhkosti, rastie relatívna vlhkosť až po maximálnu hodnotu 100%. Pri ďalšom poklese teploty sa začnú vodné pary zrážať, túto teplotu nazývame rosný bod. Relatívna vlhkosť atmosférického vzduchu sa v našich podmienkach pohybuje v rozpätí 30 až 80%. Z hľadiska relatívnej vlhkosti vzduchu možno objekty rozdeliť na suché (do 50%), normálne (51-60%), vlhké (61-75%) a mokré (nad 75%). Človek najlepšie znáša relatívnu vlhkosť od 50 do 65%. Ak je nižšia, je vzduch suchý, napr. v miestnostiach vykurovaných ústredným kúrením. Rovnako ľadový zimný vzduch vysušuje sliznice dýchacích ciest. Ak je relatívna vlhkosť väčšia ako 65%, je vzduch vlhký, presýtený vodnými parami. Človek sa v takomto prostredí intenzívne potí, pot sa neodparuje, neodoberá telu nadbytočné teplo. Preto vlhké teplo znášame pri rovnakej teplote horšie ako suché teplo. Pri zvýšení alebo znížení relatívnej vlhkosti prostredia sa menia u človeka niektoré fyziologické (dýchanie, potenie) a psychické (nepokoj, znížená pozornosť) funkcie človeka. 5. Teplota rosného bodu Teplota rosného bodu t t je teplota, ktorú má vlhký plyn, ak je za stáleho tlaku (izobarický) ochladený do úplného nasýtenia vzhľadom na rovný povrch vody. Rosný bod zmesi plynov a pár je vždy nižší ako daná teplota zmesi, resp. sa tejto teplote rovná. Pri teplotách t< 0 C sa môže voda z vlhkého plynu vylučovať vo forme ľadu, alebo podchladenej vody. Pre jednoznačnosť 67

3 vyjadrovania sa popri pojme rosný bod zavádza pre teploty nižšie ako 0 C bod osrienenia. 5.3 Prístroje na meranie vlhkosti Meranie vlhkosti vzduchu (plynu) sa obmedzuje na meranie tlaku a teploty, prípadne pri známom konštantnom tlaku iba na meranie teploty. Relatívna vlhkosť vzduchu sa meria rôznymi metódami. Metódy merania vlhkosti vzduchu sa všeobecne dajú použiť aj pre plyny. Medzi najpoužívanejšie metódy patria: a) psychrometrická metóda, založená na znížení teploty mokrého povrchu oproti teplote okolitého vzduchu. Parciálny tlak pary meriame z poklesu teploty teplomeru pri odparovaní vody do vzduchu. Prístroje sa nazývajú psychrometre a meranie sa obmedzuje na meranie teploty suchého a mokrého vzduchu, b) kondenzačná metóda je založená na orosovaní chladeného povrchu, meranie sa obmedzí na meranie teploty, c) hygroskopická metóda, založená na dĺžkovej zmene niektorých materiálov so zmenou relatívnej vlhkosti. Prístroje hygrometre udávajú relatívnu vlhkosť priamo zo zmeny vlastnosti citlivého média, ktorým býva vlas, blana, resp. iný materiál, difúzna metóda je založená na rôznej difúznej rýchlosti vzduchu a vodnej pary, špeciálne metódy sú založené na závislosti elektrickej vodivosti od vlhkosti, na využívaní absorpčných a adsorpčných vlastností rôznych materiálov a pod. 5.4 Psychrometrická metóda Táto metóda patrí medzi najrozšírenejšie metódy merania vlhkosti vzduchu. Vlhkosť vzduchu sa stanovuje z údajov dvoch teplomerov psychrometra a to mokrého t, ktorý je zmáčaný vodou a suchého, ktorý udáva teplotu vzduchu t 1. Meriame zníženie teploty z t 1 na t pri vyparovaní vody vo vlhkom vzduchu. Čím menej je meraný vzduch nasýtený vodnými parami, teda čím je suchší (menšia relatívna vlhkosť), tým intenzívnejšie sa odparuje voda zo zmáčaného teplomeru, a tým väčší je aj rozdiel medzi údajmi obidvoch teplomerov (t 1 t ). Psychrometrický rozdiel (t 1 t ) je úmerný nedosýtenosti meraného plynu, jeho teplote a rýchlosti obtekania okolo vlhkého teplomeru. Podľa psychrometrického rozdielu sa z tabuliek alebo monogramu určuje tlak vodnej pary a 68

4 z nej relatívna vlhkosť. Na obr. 5.1 je diagram na určenie relatívnej vlhkosti vzduchu Rozdelenie prístrojov založených na psychrometrickom princípe a) Aspiračné psychrometre, pri ktorých sa konštantný prietok plynu za čas, potrebný na odčítanie psychrometrického rozdielu zabezpečuje malým ventilátorom, poháňaným elektromotorom alebo hodinovým strojčekom. Presnosť ortuťových teplomerov je ± 1 % relatívnej vlhkosti. Jedným z najpoužívanejších prístrojov je Assmanov psychrometer, obr.5.. Má dva teplomery vetrané ventilátorom, poháňaným hodinovým strojčekom. Rýchlosť prietoku vzduchu je 3 m.s -1. b) Mávacie psychrometre, pri ktorých sa dosahuje potrebná ventilácia ručným otáčaním okolo stabilnej osi. Čas otáčania je s, pričom sa rýchlo odčíta psychrometrický rozdiel a meranie sa opakuje, až sa výsledky dvoch po sebe idúcich meraní zhodujú. Z psychrometrického rozdielu sa pomocou grafu, tabuliek alebo špeciálneho počítača určí relatívna vlhkosť s presnosťou ± 1 % v závislosti od teploty a vlhkosti vzduchu a aj od presnosti teplomerov. c) Stabilné psychrometre bez nútenej cirkulácie. Chyba merania je ± 0 % relatívnej vlhkosti. Príkladom je stojančekový psychrometer Kavalier, našej výroby. Zhodnotenie prístrojov založených na psychrometrickom princípe: výhody jednoduchosť; pri teplotách t > 0 C majú dostatočnú presnosť, relatívne malá časová konštanta, jednoduchá kalibrácia, nevýhody údaj čiastočne závislý od barometrického tlaku, citlivosť s klesajúcou teplotou veľmi klesá, rýchlosť prúdenia plynu musí byť konštantná, pri nízkych teplotách sa obtiažne zabezpečuje automatické zvlhčovanie mokrého teplomeru, veľká citlivosť na znečistenie. 69

5 Obr.5.1 Diagram na určenie relatívnej vlhkosti vzduchu 1 -suchý teplomer, - zmáčaný teplomer, 3 trubica, 5 tieniace puzdro, 5 ventilátor, 6 papučka. Obr.5. Assmanov psychrometer 70

6 5.5 Kondenzačná metóda Lesklá kovová plocha sa ochladzuje, až sa na nej začne zrážať para v podobe jemnej rosy, keď vzduch dosiahne stav sýtosti. Potom sa kovová plôška ohrieva, až rosa zmizne. Meria sa teplota, pri ktorej vzniká a mizne rosa. Stredná hodnota nameraných teplôt je rosný bod, z ktorého sa určuje absolútna vlhkosť vzduchu. Najčastejšie sa používajú 3 detektory orosenia: fotoelektrický, konduktometrický a radiačný. 5.6 Fotoelektrická detekcia Pri fotoelektrickej detekcii sa kovové zrkadielko, vyleštené do vysokého lesku, osvetľuje žiarovkou tak, aby odrazený lúč dopadal na fotoelektrický článok. Keď sa pri ochladzovaní zrkadielka objaví kondenzát, fotočlánok zareaguje na túto zmenu poklesom prúdu. 5.7 Radiačná detekcia Pri radiačnej detekcii je na povrchu zrkadielka vrstvička rádioaktívneho materiálu. Orosenie zrkadielka je indikované zoslabením žiarenia α a β, vyžarovaného z povrchu. 5.8 Konduktometrická detekcia Pri konduktometrickej detekcii sa namiesto kovového zrkadielka používa platnička z dielektrického materiálu, najčastejšie zo skla. Okamžik orosenia sa prejaví prudkým zmenšením povrchového odporu. Na meranie vlhkosti možno použiť všetky pevné a kvapalné látky, ktoré sa vyznačujú nápadnými hygroskopickými vlastnosťami. Zmena vlhkosti sa prejavuje zmenou niektorej význačnej vlastnosti hygroskopickej látky, a to buď hmotnosti, alebo objemu, alebo dĺžky, prípadne aj farby. Vlastnosti hygroskopických látok sú často nezávislé od teploty, ale závislé od pomeru parciálneho tlaku pár vo vzduchu k parciálnemu tlaku nasýtených pár pri tej istej teplote, teda od relatívnej vlhkosti ϕ. Požiadavky kladené na merací element: jednoznačne má reagovať na zmeny vlhkosti, reprodukovateľne, s nepatrným oneskorením, nezávisle od vonkajších vplyvov napr. teploty. 5.9 Hygroskopická metóda 71

7 Prístroj, ktorý v určitom rozsahu spĺňa tieto požiadavky a je rozšírený v meracej technike, je vlasový hygrometer. Zakladá sa na predĺžení odmasteného a špeciálnym spôsobom preparovaného vlasu. Predĺženie je 1, 5 až, 5% jeho dĺžky pri značnej zmene relatívnej vlhkosti od 0 do 100. Používa sa jediný vlas, alebo zväzok vlasov v rôznej úprave: Prevod predĺženia je alebo priamy na ukazovateľ (Lambrechtov hygrometer), alebo diaľkový (s odporovým vysielačom, pneumatickým prevodníkom a pod.) Meracím elementom vlasového hygrometra je zväzok odmastených vlasov, s jedným koncom spojeným s nastavovacím zariadením a druhým koncom spojeným s pákovým prevodom na ukazovateľ. Rozsah merania je 0 100%, s presnosťou ± 5%, rozsah použiteľnosti je C. Keď hygrometer pracuje pri pomerne nízkych hodnotách relatívnej vlhkosti, musí sa občas regenerovať v priestore so 100% relatívnou vlhkosťou. Na prístroj je pripevnený teplomer. Údaje hygrometra sú len nepatrne závislé od teploty. Vlasový hygrometer má aj napriek niektorým nevýhodám stále miesto v meracej technike, pretože priamo ukazuje relatívnu vlhkosť ; údaje sú nezávislé od prúdenia vzduchu, a preto nepotrebuje umelú ventiláciu; je jednoduchý a teda lacný. Na technické účely bol vyvinutý difúzny hygrometer. Jeho funkcia sa zakladá na rozdielnej difúznej rýchlosti pre vzduch a vodnú paru. Pri meraní sa predpokladá, že existuje materiál, ktorý je pre vzduch priepustný a pre vodnú paru nepriepustný (semipermeabilná membrána). Metódy uvedené ako špeciálne sa vo svete neustále rozvíjajú zavádzaním nových metód vo fyzike, elektronike a chémii Praktické určenie vlhkosti Význam merania vlhkosti tkvie v tom, že zmeny vlhkosti vzduchu tak, ako sa väčšinou vplyvom klimatických podmienok prejavujú, spôsobujú aj príslušné zmeny medzi obsahom vlhkosti v plynnej fáze a medzi podielom vody v kvapalných a pevných látkach. Voda alebo vlhkosť pri technických procesoch podstatne ovplyvňujú fyzikálne a chemické vlastnosti látok; mnoho látok sa vplyvom atmosferickej vlhkosti mení a rozkladá. Na ilustráciu možno uviesť, že hygroskopické látky sa používajú na priame vysušovanie plynov (aerodynamické tunely), prítomnosť vlhkosti vplýva na množstvo chemických reakcií a technologických procesov (mletie a triedenie pevných látok), pri sušení pevných látok má mimoriadny 7

8 význam rovnováha medzi vlhkosťou plynnej a pevnej fázy. Dôležité je napríklad počítať s obsahom vlhkosti v plynoch alebo vo vzduchu pri meraní funkčných vlastností lopatkových strojov (ventilátorov, turbodúchadiel a pod) a spaľovacích motorov, kde obsah vlhkosti priamo ovplyvňuje hustotu nasávaného média. Z odboru životného prostredia je problém pri elektrostatickom odlučovaní napr. popolčeka, ktorý je takisto vo veľkej miere ovplyvňovaný vlhkosťou. Straty spôsobené nesprávnym odhadom vlhkosti, nevhodnou prístrojovou technikou alebo nedostatočným poznaním hygroskopických vlastností materiálu dosahujú stá milióny korún ročne. V praxi sa najčastejšie meria vlhkosť atmosferického vzduchu, prípadne iných plynov, až do teploty 300 C. Na meranie vo voľných priestoroch sa osvedčuje Assmanov psychrometer. Pri meraní má byť voľne zavesený a chránený pred priamymi slnečnými lúčmi a silným vetrom. Občas treba kontrolovať tkaninu vlhkého teplomeru, či nie je suchá. Pri meraní za mrazu je vhodné ešte pred odčítaním niekoľkokrát sa dotknúť kúskom dreva navlhčenej tkaniny, pretože tým sa podchladená voda, ktorá by mohla byť na tkanine, zmení na ľad. Pre iné plyny ako vzduch a v širšom rozsahu teplôt treba relatívnu vlhkosť vyrátať. Na meranie vlhkosti plynov v potrubiach a v uzavretých kanáloch sa používajú prevádzkové vlhkomery alebo psychrometer, zložený z termoelektrických článkov. Na meranie vlhkosti plynov s vyššou teplotou a najmä spalín sa používajú prístroje na stanovenie rosného bodu Stanovenie vlhkosti odpadového plynu Vlhkosť plynov je potrebné stanoviť pri zisťovaní objemového prietoku a hmotnostného toku znečisťujúcich látok, pretože koncentrácia sa najčastejšie stanovuje v suchom plyne a objemový prietok je zmeraný ako prietok vlhkého plynu. Na jeho prepočet na suchý stav je potrebné poznať vlhkosť. Na stanovenie obsahu vlhkosti sa často používajú adsorbéry tvaru U, o objeme asi 100 ml s kužeľovými ventilmi na koncoch trubice. Adsorbéry sa naplnia aktivovaným sorbentom. Ako sorbent sa používa granulovaný silikagél impregnovaný kobaltnatou soľou, prípadne syntetický zeolit 5A, prednostne zvolený pre vodnú paru. Silikagél sa aktivuje asi 5 hodín pri 00 C, syntetický zeolit 5 hodín pri 500 C. Po aktivácii a vychladnutí sa adsorbéry s náplňou sorbentu zvážia a uložia až do odberu vzorky odpadového plynu do exikátora. Na odber vzorky (podľa obsahu vlhkosti až 5 litrov 73

9 vzdušniny) sa používa odberová sonda, resp. sklenená nahrievaná kapilára. Za odberovú sondu (kapiláru) sa inštaluje adsorbér, za ním membránové čerpadlo a napokon vodný bubnový plynomer, opatrený tlakomerom a teplomerom. Obsah vlhkosti sa stanoví diferenčným vážením pred a po odbere plynu, ktorého objem sa meria plynomerom. Meranie vlhkosti psychrometrickou metódou sa používa pri teplotách odpadového plynu do asi 100 C. Metóda spočíva v meraní teploty odpadového plynu suchým a zmáčaným teplomerom. Po vsunutí mokrého teplomera do prúdiacej vzdušniny sa teplota vplyvom adiabatického ochladzovania znižuje a po odparení vody v tkanine, (v ktorej je obalený zmáčaný teplomer) sa začne zvyšovať. Za smerodajnú sa považuje najnižšia teplota vlhčeného teplomera. Pohyb vzduchu okolo teplomera musí byť aspoň 3 m.s -1. Teplomer sa zvlhčí destilovanou vodou s teplotou 0 C ± C, ktorá do tkaniny vnikne vzlínaním. Vlhkosť plynu Φ sa odčíta v % z diagramu. Prepočet na parciálny tlak vodných pár sa vypočíta podľa vzťahu: p vlhk = ϕ.p 100 nas (5.5) Vlhkosť H v % objemu sa urči: p H % = p vlhk stat (5.6) kde: p nas je tlak nasýtenej vodnej pary odčítaný z tabuliek pri teplote odmeranej suchým teplomerom [kpa], p stat statický tlak v potrubí odpadového plynu [kpa]. 5.1 Kalibrácia meracích prístrojov Kalibrácia meracích prístrojov je nevyhnutná najmä vtedy, keď prístroj má stupnicu vyznačenú priamo v percentách relatívnej vlhkosti. Sú to vlasové vlhkomery s priamym odčítaním, tiež registračné. Pri psychrometroch sa kalibrujú len použité teplomery, a len občas sa kontroluje rýchlosť prúdenia okolo teplomeru, alebo sa 74

10 kontroluje, či sa na tkanine, ktorá obaľuje vlhký teplomer, nevylúčili soli Meranie tlaku Definícia tlaku a tlakovej diferencie Tlak je jedna zo základných prevádzkových veličín a takisto ako teplota je stavovou veličinou, ktorá určuje stav látok. Všetky tekutiny v kvapalnom alebo plynnom stave, prípadne pary, (zmesi) vyvodzujú určitý tlak na steny, ktoré ich obklopujú, alebo pôsobia na steny telesa, ktoré je do nich ponorené. Ich fyzikálne vlastnosti potom závisia od tlaku, napr. špecifický objem alebo teplota varu vody v kotli a pod. Tlak p je definovaný ako podiel elementu sily df, ktorý pôsobí kolmo na element plochy ds. df p = ds (5.7) Pri konštantnom tlaku platí F p = S (5.8) Jednotkou tlaku je Pascal [Pa]. Používajú sa aj násobky a podiely kilopascal [kpa] = 10 3 Pa, megapascal [MPa] = 10 6 Pa, mikropascal [µpa] = 10-6 Pa a iné. Okrem uvedeného vzťahu možno tlak vyjadriť hydrostatickým tlakom stĺpca tekutiny. Hydrostatický tlak v hĺbke h [m] pod hladinou je daný vzťahom: p = h.ρ. g (5.9) kde: ρ hustota kvapaliny, g tiažové zrýchlenie. 75

11 V tekutine, ktorá je v pokoji, pôsobí iba statický tlak p s. Jeho hodnota je nezávislá od smeru, v ktorom tlak zisťujeme. Z určitého bodu pôsobí rovnako všetkými smermi. V prúdiacej tekutine pôsobí okrem statického tlaku p s aj dynamický tlak p d. Jeho veľkosť je: p d 1 = ρw (5.10) Súčet statického a dynamického tlaku dáva celkový tlak p c p c = p s + p d (5.11) Celkový tlak p c, n pôsobiaci v prúdiacej kvapaline z určitého miesta vo všeobecnom smere sa rovná súčtu statického a dynamického tlaku v tomto smere (obr. 5.3).Veľkosť celkového tlaku vo všeobecnom smere je potom: 1 = ps + pd cosβ = ps + ρw cosβ p c,n p s p c všeobecný. p s 45 smer n (5.1) p d w smer vektora rýchlosti Obr. 5.3 Schéma pôsobenia statického a dynamického tlaku Potom v smere rýchlosti prúdenia w, kde je uhol ß = 0, je celkový maximálny tlak p c max : p c max = p + p s d 1 = ps + ρw (5.13) 76

12 Parciálny tlak je tlak jednej zložky zo zmesi pár alebo plynov. Merané tlaky môžu byť časovo stále, alebo časovo premenlivé. Ideálne časovo stále tlaky sa v technickej praxi vyskytujú len zriedka. Pri časovo premenlivých tlakoch rozlišujeme deje, ktoré sú fyzikálnou podstatou stacionárne alebo nestacionárne. Pri stacionárnych tlakoch dochádza k časovým zmenám tlaku vplyvom dynamiky prúdiacej tekutiny a meraný tlak pulzuje okolo strednej tlakovej hodnoty. Odčítaný stredný p je aritmetický priemer odčítaných maximálnych a minimálnych tlakov (obr. 5.4a). Pri nestacionárnych tlakoch takisto nastávajú časové zmeny tlaku spôsobené jeho kolísaním (obr. 5.4b). p p a) b) Obr. 5.4 Kolísanie tlaku Pri meraní rozlišujeme,(obr. 5.5): absolútny nulový tlak, ktorý sa prisudzuje priestoru, v ktorom nie je látka, absolútny tlak je tlak meraný od absolútneho nulového tlaku (p), barometrický tlak je tlak atmosféry pri zemskom povrchu, meria sa od absolútnej tlakovej nuly (b). 77

13 Pa 10 5 pretlak Δp = p - b barometrický tlak b podtlak Δp = p b 0 absolútny tlak p = b + p m absolútny tlak p = b - p m absolútna tlaková nula Obr. 5.5 Grafické znázornenie tlakových oblastí Väčšina tlakomerov je konštruovaná tak, že sa meria rozdiel medzi meraným tlakom p m a barometrickým tlakom b. Ak je p m > b, rozdiel sa nazýva pretlak, a naopak pre p m < b, sa rozdiel nazýva podtlak. V blízkosti absolútnej nuly sa podtlak nazýva vákuum. V technickej praxi sa prevažne merajú tlakové rozdiely, pričom sa obidva tlaky odlišujú od barometrického tlaku. Ich rozdiel sa nazýva tlaková diferencia a označuje sa Δp Rozdelenie tlakomerov Tlakomery rozdeľujeme podľa rozsahu meraného tlaku, fyzikálneho princípu a stupňa presnosti merania. Podľa rozsahu meraného tlaku rozdeľujeme manometre na: meranie pretlakov, barometre na meranie atmosferických tlakov, vákuometre na meranie veľkých podtlakov, manovákuometre na meranie pretlakov a podtlakov. 78

14 p 1 p p 0 h h h 1 p 1 S h h 0 h 1 S 1 A B Obr. 5.6 Kvapalinové diferenčné tlakomery Podľa použitého fyzikálneho princípu rozlišujeme prístroje: kvapalinové (hydrostatické), deformačné, so silovým účinkom - zvonové, piestové, prstencové, elektrické a špeciálne. Podľa stupňa presnosti rozoznávame tlakomery: prevádzkové, kontrolné, laboratórne Kvapalinové tlakomery Kvapalinové tlakomery využívajú účinok hydrostatického tlaku kvapaliny v prístroji, kde sila vyvodená meraným tlakom je v rovnováhe s tiažou stĺpca tlakomernej kvapaliny. Ich použitie je neobmedzené na meranie tlakov, ktoré sa s časom len málo menia a na použiteľný rozsah, daný stĺpcom tlakomernej kvapaliny. Tieto tlakomery sú najjednoduchšie, presné a spoľahlivé prístroje, rozšírené na prevádzkové a laboratórne meranie pomerne malých tlakov. Pre rôzne rozsahy merania sa tlakomery plnia kvapalinami s rozličnou hustotou a pokiaľ je to možné, s malým povrchovým napätím. Meraný rozsah tlakomerov možno meniť v pomere až 1:17 79

15 (etylalkohol a ortuť). Pretože hustota tlakomerných náplní závisí od teploty, musí sa pri vyhodnocovaní počítať s korekciou nameraného tlaku. Tlakomery sa používajú prevažne na meranie pretlakov, podtlakov, a tlakových rozdielov a na meranie barometrického tlaku Kvapalinové diferenčné tlakomery Kvapalinové diferenčné tlakomery sú v podstate dve zvislé trubice s rovnakým alebo odlišným prierezom tvaru U, naplnené asi do polovice tlakomernou kvapalinou. Do obidvoch ramien sa privádzajú rozdielne tlaky a meria sa ich tlakový rozdiel Δp. Podľa obr.5.6 a vychýli meraná diferencia Δp = p 1 p hladinu kvapaliny o výšku h. Potom platí rovnica: Δp = g h (ρ 1 ρ ) (5.14) kde: ρ 1 - hustota tlakomernej kvapaliny ρ - hustota meraného prostredia Ak je trubicový tlakomer tvaru U zhotovený z kalibrovaných sklených rúrok s rovnakým priemerom a ak zanedbáme tiaž vzduchového stĺpca, zmení sa rovnica (5.14) na tvar: Δp = g h ρ 1 (5.15) Presnosť odčítania je ± 1 mm dĺžky stupnice. Pri prevádzkovom meraní sa z bezpečnostných dôvodov často nahrádzajú sklené tlakomerné trubice kovovými rúrkami z antikoróznej ocele. Náplň tvorí ortuť a indikuje sa indukčnou cievkou. Ide o tlakomery s potlačenou hladinou a s rôznou konštrukciou Nádobkové tlakomery Nádobkové tlakomery odvodené z trubicových tlakomerov tvaru U, majú jedno rameno (nádobku) v porovnaní s druhým veľmi široké. Keď je v nádobke tlak p 1 > p, hladina v nádobke klesne o výšku h 1, a v sklenej trubici vystúpi do výšky h. Potom platí: S 1 h 1 = S h (5.16) 80

16 kde: S 1 - prierez nádobky S - prierez trubice Meraná tlaková diferencia podľa rovnice (5.14) je: S h = h1 + h = h + 1 S1 (5.17) potom po dosadení do rovnice (5.14) je: S Δp = + 1 gh S 1 ( ρ ρ ) 1 (5.18) V praxi sa pri týchto tlakomeroch používa redukovaná stupnica charakterizovaná prevodom prístroja e = 1 + (S /S 1 ). Pretože ρ 1 a ρ sú v priebehu merania konštantné, môžeme určiť konštantu prístroja K = e g (ρ 1 ρ ). Konečný tvar rovnice je potom: Δp = K h (5.19) Pre malé tlakové rozdiely 1 10 Pa sa používajú mikromanometre so sklonenou trubicou. Ich presnosť je podľa tlakomernej náplne až 10 Pa. Je to v podstate nádobkový tlakomer s trubicou sklonenou pod uhlom alfa od vodorovnej roviny a odčítava sa vzdialenosť l na šikmo sklonenej stupnici: h = l sinα (5.15) Potom rozdiel tlakov je daný vzťahom: d 1 Δp = gρl d + sinα (5.15) Prevod mikromanometra je sa mení podľa sklonu tlakomernej trubice, pri menšom uhle je menší rozsah: h S d1 e = = + sinα = + sinα (5.16) l S1 d 81

17 Keď sa pri kvapalinových tlakomeroch nevystačí s vizuálnym odčítaním tlakov, používajú sa plavákové diferenčné tlakomery s rozsahom kpa, s presnosťou okolo %. Prenos údaja hladiny oddeľovanej kvapaliny zabezpečuje plavák s prevodom magnetickou spojkou. Na veľmi presné merania, najmä v laboratóriu, používa sa Betzov projekčný tlakomer (obr. 5.7). Jeho podstatou je tiež nádobkový tlakomer. Na hladine kvapaliny pláva sklený plavák so zavesenou sklenou priehľadnou a presnou stupnicou. Optickým systémom sa obraz stupnice premieta na matnicu. Odčítať sa dá aj z väčšej vzdialenosti s presnosťou zodpovedajúcou rozsahu merania, daného dĺžkou trubice so stupnicou a náplňou manometra. Pri dĺžke trubice mm a pri vodnej náplni je rozlišovacia schopnosť ± 0,1 mm vodného stĺpca. Nevýhodou všetkých nádobkových tlakomerov je, že musia dodržať konštantné prierezy nádobiek a trubíc, aby sa nezmenila hodnota prevodu prístroja e. Do tejto skupiny patrí aj ortuťový staničný barometer. V podstate to je hydrostatický tlakomer, prispôsobený na meranie absolútneho metrického tlaku b. Na nádobke barometra je pripojená sklená, na hornom konci zatavená trubica. Trubica a nádobka sú čiastočne naplnené ortuťou a v hornom konci trubice je vákuum. Pre priame odčítanie barometrického tlaku na stupnici trubice nemá stupnica delenie po milimetroch, ale po dielikoch. Hodnoty odčítané na redukovanej stupnici udávajú barometrický tlak v mm výšky ortuťového stĺpca. Pri meraní staničným barometrom sa musí opravovať odčítaná hodnota na kapilaritu, teplotu 0 C a normálové tiažové zrýchlenie. Pri kvapalinových tlakomeroch možno polohu hladiny tlakomernej kvapaliny indikovať priamo na stupnici, alebo snímať elektrickými snímačmi s elektrickým výstupným signálom. V meracej technike ide o kontaktné, odporové kapacitné, fotoelektrické a indukčné snímače Deformačné tlakomery Deformačné tlakomery sú najčastejšie používané prístroje na prevádzkové meranie tlaku. Pri meraní sa využíva deformácia pružného člena na prevod tlaku na mechanickú výchylku. Výchylka sa ďalej spracúva prevodom na priamy ukazovateľ alebo prevodom na elektrický, prípadne pneumatický signál, ktorý sa ďalej vyhodnocuje. Najčastejšie používané sú pružné členy, obr

18 Obr 5.7 Betzov tlakomer Tlakomer s Bourdonovou trubicou Tlakomer s Bourdonovou trubicou, obr. 5.8 je v technickej praxi najpoužívanejší. Meracím prvkom je kruhová trubica eliptického prierezu. Jeden koniec je pripevnený na teleso tlakomeru a prepojený s meraným tlakom. Druhý, voľný koniec je uzavretý a spojený s prevodovým mechanizmom a ukazovateľom na stupnici. Tieto prístroje sa používajú v rozsahu od kpa do desiatok MPa, s presnosťou asi ±,5 % podľa triedy presnosti (1,5,,5). Pri pokojnom zaťažení sa za spoľahlivé údaje pokladajú hodnoty odčítané v 1/5 až /3 stupnice, pre pulzujúci tlak v 1/5 až 1/ stupnice Membránové deformačné tlakomery Membránové deformačné tlakomery. Ich tlakomernou časťou je pružná membrána kruhového tvaru, na obvode pevne uchytená a jednostranne namáhaná meraným pretlakom. Z voľnej strany obyčajne pôsobí barometrický tlak. Priehyb membrány je mierou pretlaku, zväčšuje sa mechanickým prevodom a mení sa na uhlové 83

19 Obr.5.8 Deformačný tlakomer s Bourdonovou trubicou natočenie ručičky ukazovateľa. Membrána sa používa od tlaku maximálne 3,5 MPa. Výhodou membránových tlakomerov je malá hmotnosť ich častí, a preto sa používajú najmä pri meraní v prostredí s vibráciami Skrinkové (škatuľové) tlakomery Skrinkové (škatuľové) tlakomery sú v podstate membránové tlakomery, pri ktorých sa zväčšenie sily a zdvihu dosahuje zväčšením plochy membrány. Tlakomerným prvkom je plochá skrinka (škatuľka) s dnami, vytvorenými membránami. Môže sa pripojiť aj niekoľko membránových skriniek, a tým zvýšiť citlivosť tlakomeru. Tieto tlakomery sa používajú na meranie malých pretlakov, podtlakov a tlakových diferencií, a to do 10 kpa, s presnosťou asi ±%. 84

20 Vlnovcové tlakomery. Vlnovcové tlakomery. Ich tlakomernou časťou je kovový vlnovec, uložený v komore. Keď v smere pozdĺžnej osi pôsobí tlaková sila vyvolaná rozdielom vnútorného a vonkajšieho tlaku, zmení sa pôvodná dĺžka vlnovca. Charakteristika vlnovca je daná použitým materiálom a konštrukciou. Potrebný merací rozsah je možno upraviť pružinou vo vlnovci. Na priame meranie tlaku sa vlnovec nepoužíva. Využíva sa v regulačnej technike pri tlakomerných snímačoch a prevodníkoch pre tlaky do 500 kpa s presnosťou okolo ± 0,5%. Objemový spôsob indikácie tlaku sa používa najmä tam, kde pružným členom je valcová trubica umiestnená v plášti spojenom s kapilárou. Priestor medzi trubicou a plášťom je úplne vyplnený indikačnou kvapalinou. Pružnou deformáciou trubice sa zväčšuje objem a časť kvapaliny sa vytlačí do kapiláry. Výška kvapalinového stĺpca v kapiláre je mierkou deformácie. a) membrána b) valcová trubica c) deformačná skrinka d) vlnovec Obr. 5.9 Základné tvary pružných členov 85

21 5.17 Tlakomery so silovým účinkom Tlakomery so silovým účinkom (obr. 5.10), menia meranie tlaku na meranie sily, ktorej účinok je v rovnováhe s účinkom zisťovaného tlaku. Vyrovnávacia sila sa najčastejšie vyvodzuje závažím alebo pružinou. Hlavnými zástupcami týchto prístrojov sú piestové, zvonové a prstencové tlakomery Piestový tlakomer Piestový tlakomer. Na pieste s tanierom pôsobí z jednej strany sila F a z druhej strany tlak kvapaliny p. Rovnováha medzi silou závažia F a tlakom oleja na pieste sa dosiahne v okamihu zastavenia pohybu piesta v smere svojej osi. Indikácia tlaku je jednoduchá, pretože je určená tiažou závažia Multiplikátor Na meranie osobitne vysokých tlakov, kde je veľká vyvažovacia sila alebo malé priemery piesta, sa využívajú multiplikátory. V podstate ide o diferenčný piest, na ktorý z obidvoch strán pôsobia pretlaky p 1 a p. Piestové tlakomery sa používajú na kalibráciu deformačných manometrov a pri prevádzkových meraniach, najmä vysokých tlakov rádu 10 6 Pa. Ich nevýhodou sú vysoké požiadavky na tesnosť piesta a malú treciu silu pri jeho pohybe a veľká hmotnosť závažia na vyváženie Zvonový tlakomer Zvonový tlakomer je nízkotlakovou modifikáciou piestového tlakomeru,. Tvoria ho dve otvorené nádoby, zasunuté do seba. Jedná nádoba je pevná, druhá pohyblivá, čiastočne naplnená uzatváracou kvapalinou. Pri pôsobení tlaku vnútri prístroja sa pohyblivá nádoba vynorí. Jej vynorenie môže byť priamo mierou tlaku, ale najčastejšie sa to kompenzuje silou F, pôsobiacou na pohyblivú nádobu. Zvonový tlakomer sa používa na meranie malých pretlakov rádu 10 Pa 1 kpa. Je veľmi presný a vyžaduje silu na prestavenie. 86

22 a - piestový, b multiplikátor, c zvonový, d prstencový Obr 5.10 Tvary tlakomerov so silovým účinkom Prstencový tlakomer (prstencová váha) Prstencový tlakomer (prstencová váha) pozostáva z kruhovej trubice (prstenca) čiastočne naplnenej uzatváracou kvapalinou. Trubica je zavesená tak, aby sa mohla voľne pohybovať okolo stredu v meridiálnej rovine. Trubica má závažie a tlakové ohybné prívody, medzi ktorými je priehradka. Pôsobením pretlaku v jednej časti trubice vzniká moment, ktorý natáča prstenec, a ten sa vyrovnáva momentom tiaže vychýleného závažia. Tlakový rozdiel je iba funkciou natočeného prstenca a nezávisí od hustoty uzatváracej kvapaliny. Prstencové tlakomery sa používajú ako prevádzkové prístroje. Výhody: jednoduchá zmena meracieho rozsahu zmenou závažia a necitlivosť na zmenu teploty, nevýhodou je veľká zotrvačnosť Elektrické a špeciálne tlakomery Elektrické a špeciálne tlakomery pracujú na iných než doteraz opísaných princípoch. Jedným z najpoužívanejších je piezoelektrický tlakomer, založený na piezoelektrickom jave v kremennej doštičke. Vnútri niektorých kryštalických dielektrík vplyvom mechanických deformácií vzniká elektrická polarizácia. Ihneď ako prestane pôsobiť mechanické napätie, dielektrikum sa vráti do pôvodného stavu. Elektrické odporové tlakomery využívajú zmenu elektrického odporu na meranie vysokých, rýchlo sa meniacich tlakov. 87

23 Špeciálne tlakomery využívajú možnosť premeniť meranie tlaku na meranie iných veličín, napr. na meranie mechanického momentu, viskozity, žiarenia a pod. Využívajú sa iba v extrémnych podmienkach, kde sa nedajú použiť bežné metódy merania tlaku Inštalácia tlakomerov a ich overovanie S meracím miestom sa tlakomery spájajú prípojkou. Miesto tlakového odberu sa musí vhodne zvoliť a samotný odber sa musí správne uskutočniť, aby sa snímaný tlak nepriaznivo neovplyvnil. Pri meraní statického tlaku na stene tlakového priestoru sa odber uskutočňuje podľa obr Vnútorný povrch steny otvoru musí byť čistý. Pri meraní pary sa používajú otvory do priemeru mm. Odberový otvor musí mať ostrú hranu. 90 ±5 Ø0.5 1 Obr 5.11 Schéma pripojenia tlakovej prípojky na stenu Pri snímaní statického tlaku prúdiacej kvapaliny sa musí zvoliť odberové miesto vo vzdialenosti asi desiatich priemerov potrubia od miesta rušivého vplyvu (koleno, ventil, redukcia). Tlakové odbery sa spájajú s tlakomermi normalizovanými gumovými hadicami alebo rúrkami (medené). Pri meraní tlaku média s vysokou teplotou sa tlakový odber opatrí kondenzačnou nádobkou alebo kondenzačnou slučkou, aby sa do tlakomeru privádzal iba chladný kondenzát. 88

24 5.0 Činnosť tlakomerov Činnosť tlakomerov počas merania je vystavená rozličným vplyvom, ktoré by mohli podstatne znehodnotiť namerané hodnoty. Všetky tlakomery sa preto musia kalibrovať, a to porovnávaním ich údajov s údajom kontrolného meradla, alebo overením prístroja nepriamou kontrolnou metódou. Podmienkou je, aby chyba kontrolného meradla alebo metódy bola najmenej o rád menšia než chyba kalibrovaného tlakomeru. Na skúšanie deformačných manometrov sa v strojárskej praxi bežne používa kalibračná stolica (porovnávacie zariadenie), kde sa údaje kalibrov daného tlakomeru porovnávajú s údajmi presného (etalónového) tlakomeru. Skúšobný tlak sa vyvinie tlakovým olejom. Počet bodov kalibrácie závisí od triedy presnosti prístroja. Snažíme sa kalibrovať v tých bodoch, kde je tlak udaný celou číslicou. Jednotlivé body kalibrácie sa overujú dvakrát (pri zaťažovaní a pri odľahčovaní). Získané výsledky sa často odlišujú. V praxi sa však často používa iba jedna korekčná kalibračná krivka tlakomeru. 5.1 Aplikačné možnosti pri extrémne vysokých tlakoch V špeciálnych laboratóriách boli vyvinuté lisy, schopné stlačiť vzorky látok až na 50 GPa. Za takýchto extrémnych podmienok sa podstatne menia vlastnosti látok kovy sa stávajú tekutými, kvapaliny (napr. benzín, lieh, etylén) tuhnú, izolátory sa stávajú elektricky vodivými, krehké látky sú mimoriadne plastické, z grafitu možno vyrábať priemyselné diamanty. Pôsobením veľmi vysokých tlakov sa zvyšuje plasticita ocele, tlakom sa odstránia chyby kryštálovej mriežky, takže niektoré vzorky majú až stonásobne vyššiu pevnosť. Pri súčasnom ohreve možno zlievať kovy, ktoré nemožno spojiť žiadnym iným spôsobom. Pri vysokých tlakoch sa neobvykle správa aj ľad, ktorý pri tlaku 00 MPa a teplote C je ešte v stave tekutom (voda). Pri 600 MPa má podobu ľadu so zmenenou štruktúrou a celkom novými vlastnosťami. Zvyšovaním tlaku rastie aj jeho teplota tavenia, takže pri 4 GPa má podobu ľadu, avšak horúceho s teplotou +00 C. 89