PAINEMITTAUKSET 0,0005 Pa... 500 MPa Mittaustekniikan lisensiaattikurssi 3.4.2008 Mittatekniikan keskus Sari Semenoja, p. 010 6054 432, @mikes.fi
Mittatekniikan keskus MIKES Paineen kansallinen mittanormaalilaboratorio Mittausalue 0,0005 Pa 500 MPa (5000 bar) Akkreditoidut paineen kalibrointilaboratoriot: K004 Inspecta K008 Vaisala K009 Finnair K013 Lentotekniikkalaitos K026 Beamex 2
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 3
MIKESin paineen mittausalueet Öljynpaine 0,5 MPa 500 MPa Kaasun ylipaine 0,1 Pa 16 MPa Absoluuttipainealue 0,0005 Pa 120 kpa 4
Paine p = F/A Paine on pintaa vastaan kohtisuoraan vaikuttavan voiman F ja saman pinnan alan A osamäärä Hydrostaattinen paine p = ρg h missä ρ on tiheys, g on putoamiskiihtyvyys ja h on korkeusero 5
Paineen erilaiset nimitykset Absoluuttinen paine - vertailuarvona ideaalinen tyhjiö - näin ollen aina nollaa suurempi - pienten absoluuttipaineiden mittareita kutsutaan vakuumimittareiksi 6
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 7
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 8
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 9
Paineen erilaiset nimitykset 10
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 11
Paine Paineen SI-järjestelmän mukainen yksikkö on pascal [Pa] 1 Pa = 1 N/m 2 Hyvin usein käytetään kerrannaisia, esim. hpa, kpa ja MPa SI-järjestelmän mukaisten yksiköiden käyttöä tulisi suosia 12
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 13
Paineen yksikön realisointi Nestepatsasmanometri - hydrostaattinen paine p = ρg h Suurimäntäinen painevaaka - määritelmä p = F/A 14
Hydrostaattinen paine Hydrostaattinen paine on nesteen tai kaasun oman painovoiman aiheuttama paine Hydrostaattisen 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 15
Paineen yksikön realisointi Nestepatsasmanometri 16
Paineen yksikön realisointi Nestepinnan tasoa voidaan mitata esim. laserinterferometrin tai kapasitiivisen anturin avulla Nestepatsasmanometri 17
Paineen yksikön realisointi Ylöspäin vaikuttaa voima F 1 : F 1 = pa Alaspäin vaikuttaa voima F 2 : F 2 = mg Tasapainotilanteessa F 1 = F 2 Painevaaka p = (mg) / A 18
Paineen yksikön realisointi - Suurimäntäinen painevaaka Tehollinen pinta-ala määritetään dimensiomittausten avulla Männän halkaisija on yleensä noin 35 mm tai 50 mm Halkaisijan mittauksen epävarmuus alle 0,1 µm Männän ja sylinterin välys alle 1 µm Materiaali wolframkarbidi 19
Paineen yksikön realisointi Painevaaka 20
Paineen yksikön realisointi Painevaaka 21
Paineen yksikön realisointi Ylipaineen mittaus Absoluuttipaineen mittaus Painevaaka 22
Painevaaka MIKESin paineen mittanormaalit: Ylipainealue, öljynpaineet - painevaa at; useita mäntä-sylinteriyhdistelmiä, pienin pinta-ala n. 2 mm 2 Ylipainealue, kaasunpaineet - painevaa at; useita mäntä-sylinteriyhdistelmiä, suurin männän halkaisija n. 50 mm - mahdollista määrittää pinta-ala myös dimensiomittauksin 23
Painevaa an kalibrointi, ristiinkellutus 24
Painevaa an paineen laskentakaava Peruskaava: p = mg A Otetaan ilman nosteen vaikutus huomioon: p = mg (1 ρ ρ A ilma ) massat missä m on painevaa alla olevat massat, g on putoamiskiihtyvyys, A on painevaa an tehollinen pinta-ala ja ρ on tiheys 25
Painevaa an paineen laskentakaava Tehollinen pinta-ala A 20C on riippuvainen lämpötilasta Vertailulämpötila on 20 ºC Otetaan myös lämpötilan vaikutus huomioon laskentakaavassa: ρilma mg (1 ) ρmassat p = A [1 + 2α ( t 20)] 20C missä α on materiaalin lämpötilakerroin ja t on lämpötila 26
Painevaa an paineen laskentakaava Tehollinen pinta-ala A riippuu myös paineesta, jos paine on iso: p = p = ρilma mg (1 ) ρmassat A0,20C [1 + 2α ( t 20)](1 + λp) Jos kyseessä on öljynpainevaaka, öljyn pintajännitys on otettava huomioon: ρilma mg (1 ) + Γc ρmassat A0,20C [1 + 2α ( t 20)](1 + λp) missä λ on paineriippuvuuskerroin, Γ on pintajännitys ja c on männän ympärysmitta 27
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 28
Paineenmittauslaitteita 29
Paineenmittauslaitteita Bourdon-putki Kalvo 30
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 31
Barometrialue 32
Barometrialue 33
Paineen yksikön realisointi Painevaaka- ja nestepatsasmanometrialueen alapuolella paineen yksikkö voidaan realisoida mäntämanometrin tai static expansion - järjestelmän avulla Mäntämanometri mäntään kohdistuva paine mitataan voimaanturilla kun tehollinen pinta-ala tunnetaan, voidaan määrittää paine 34
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 35
Mäntämanometri SUPPLY LUBRICATING FLOW REG MASS COMPARATOR p lub p hi p ref FPG8601 36
FPG8601 37
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 38
Absoluuttipaineet, vakuumialue MIKESin vakuumialueen mittanormaalit: - Kapasitiiviset anturit (CDG / Baratronit) - 1, 10 ja 100 torr - Spinning rotor -mittari (SRG) 39
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 40
CDG -Capacitance Diaphragm Gauge Rakenne: -kalvo - esivahvistin ja silta - lämpötilasäädelty kotelo - piirilevy single-ended dual-electrode / AC bridge Materiaali: -Inconel - ruostumaton teräs 41
Paineenmittauslaitteita CDG -Capacitance Diaphragm Gauge 42
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 43
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 44
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 impulse transfer) ja tästä aiheutuva virhe korjataan korjauskertoimella 45
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) 46
Paineenmittauslaitteita SRG -Spinning Rotor Gauge 47
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. 48
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 49
Painemittauksiin liittyviä erityispiirteitä -Hystereesi - Korkeuserokorjaus 50
Hystereesi Paineen nousevassa ja laskevassa suunnassa saadaan erilaiset tulokset Mittarin käyttäjä tarvitsee tuloksille sellaisen epävarmuuden, jossa sekä nousevan että laskevan suunnan tulokset ovat mukana Käytännössä ei välttämättä tiedetä, onko paine nousussa vai laskussa (esim. huojuva paine mittauskohteessa) Huom. hystereesi & spesifikaationmukaisuus Huom. hystereesi & hajonta 51
Hystereesi 52
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 53
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 54
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 55
Korkeuserokorjaus, väliaineena öljy Öljyt kokoonpuristumattomia Tiheys pysyy vakiona paineesta riippumatta Korkeuserokorjaus ei ole paineesta riippuvainen Tarkastellaan tilannetta seuraavan kuvan avulla... 56
Korkeuserokorjaus, väliaineena öljy 57
Korkeuserokorjaus, väliaineena öljy Paine tasolla R: ( p p ) ilma öljy Paine tasolla X: p p ) ( öljy, x ilma, x Toisaalta, jos X on h:n verran R-tasoa ylempänä: p p + ρ gh öljy = öljy, x öljy Ja vastaavasti ilmanpaineelle tasolla R: p p + ρ gh ilma = ilma, x ilma 58
Korkeuserokorjaus, väliaineena öljy Edellä esitetystä seuraa, että paine-ero kahden tason, R ja X, välillä on: ( p p ) ( p p öljy ilma öljy x ilma, ) h( ρ = ρ, x öljy ilma ) g Näin ollen korkeuserosta johtuva tekijä, eli painelukemaan tarvittava korjaus on: h( ρ ρ ) öljy ilma g 59
Korkeuserokorjaus, väliaineena öljy Varustetaan vielä korkeuserokorjauksen kaava miinus-etumerkillä, jotta saadaan mittanormaalin lukemaan tarvittava korjaus valmiiksi oikeanmerkkisenä: [ h( ρ ρ ) g] öljy ilma Huom! Kaavaan sijoitettava h:n arvo on plusmerkkinen, jos mittari on ylempänä kuin mittanormaali. Ja vastaavasti miinus-merkkinen, jos mittari on alempana. 60
Korkeuserokorjaus, väliaineena öljy Esimerkki 1 Öljyn tiheys on 900 kg/m 3, ilman tiheys on 1,2 kg/m 3 ja putoamiskiihtyvyyden g arvo on 9,8 m/s 2. Kalibroitava mittari on 1 cm alempana kuin mittanormaali. Kuinka suuri on korkeuserokorjaus? -[-0,01 m (900 kg/m 3-1,2 kg/m 3 ) 9,8 m/s 2 ] = 88 Pa 61
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 62
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 63
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 on 1,78 kg/m 3 64
Korkeuserokorjaus, väliaineena kaasu Sijoitetaan kaavaan ja lasketaan tiheys: ρ kaasu 273,15 1100000 ( p, t ) = 1,78 = 17,77 297,15 101325 Eli argonin tiheys paineessa 1,1 MPa abs. ja lämpötilassa 24 C on 17,77 kg/m 3 Nyt kun tiheys tiedetään, voidaan laskea korkeuserokorjaus samalla kaavalla kuin öljyn tapauksessakin... 65
Korkeuserokorjaus, väliaineena kaasu Kaavahan oli: [ h( ρ ρ ) g] öljy ilma Sijoitetaan arvot tähän ja lasketaan tulos: -[0,5 m (17,77 kg/m 3-1,2 kg/m 3 ) 9,8 m/s 2 ] = -81 Pa Eli mittanormaalin lukemasta on vähennettävä korkeuserosta johtuva 81 Pa. 66
Korkeuserokorjauksen erikoistapaukset - Painevaaka, jossa sylinteri kelluu (normaalisti kelluu mäntä) - Pienet paineet, kun väliaineen tiheys on pienempi kuin ympäröivän ilman tiheys 67
Loppu Kiitos mielenkiinnosta! Mittatekniikan keskus Sari Semenoja, p. 010 6054 432, @mikes.fi 68