NESTEEN TIHEYDEN MITTAUS AALTO-YLIOPISTO INSINÖÖRITIETEIDEN KORKEAKOULU KON-C3004 Kone- ja rakennustekniikan laboratoriotyöt Emma Unonius, Justus Manner, Tuomas Hykkönen 15.10.2015
Sisällysluettelo Teoria... 2 Tutkimusongelman määrittäminen... 3 Tarve... 3 Tavoitteet ja tulos... 3 Laajuus... 3 Reunaehdot... 3 Mittaussuunnitelma... 4 Lähestymistapa... 4 Mittausjärjestelmä... 4 Aikataulu... 4 Tiedonhaku aihealueelta... 5 Mittausten toteutus... 6 Tulosten kirjaaminen ja käsittely... 6 Turvallisuustarkastelu... 6 Virhetarkastelu... 6 Lähteet... 7 1
Teoria Venymäliuska on herkkä anturi, joka on tarkoitettu mittaamaan materiaalin venymää. Venymäliuska toimii mittaamalla anturin resistanssin muutosta. Kun mitattava aine venyy tai kutistuu, johdelangan resistanssi muuttuu. Tähän vaikuttavat mitattavan aineen resistiivisyys, johtimen pituus sekä poikkipinta-ala seuraavasti: / ^2 Kun mitattava aine venyy, sen tilavuus muuttuu. Tämä tarkoittaa muutosta sekä aineen poikkipinta-alassa sekä pituudessa. Kaavan mukaan, se vaikuttaa myös resistiivisyyteen. [1] Venymäliuska-kokeet usein vaativat vahvistimia, sillä jännitteen muutokset ovat usein millivolteissa. [2] Kuva demonstroi venymäliuskan toimintaa [3] 2
Tutkimusongelman määrittäminen Tarve Nesteet muodostuvat usein seoksista, joiden tiheyksistä ei ole varmaa tietoa Tiheyttä tarvitaan useissa käytännön sovelluksissa sekä laskelmissa, jolloin tarvitaan tietoa sen hetkisen aineen tiheydestä. Tälle kokeella pyritään valmistamaan laite, jonka avulla tarvittavan tiedon selvittää hetkessä. Tämä laite on tarkoitus koota laboratoriosta löytyvistä laitteista ja käyttää apuna vain venymäliuskaa. Tavoite ja tulos Tavoitteemme on suunnitella ja toteuttaa kohtuullisen yksinkertainen ja varma, toimiva kokeellinen tutkimusmenetelmä nesteen tiheyden mittaamiselle. Tekemällä laitteesta yksinkertaisen ja helppokäyttöisen pystymme välttämään vääriä tuloksia, sillä mitä monimutkaisempi laite on, sitä varmemmin käyttö on huolimatonta ja virheellistä. Laajuus ja syvyys Tiheysmittarin ei tarvitse olla kannettava, mutta mittausten toistaminen täytyy onnistua laboratorioolosuhteissa. Mitataan nesteiden tiheyksiä, ei kiinteiden tai kaasumaisten aineiden. Reunaehdot Koe on tarkoitus toteuttaa käyttämällä venymäliuskoja. Kokeessa käytettävät laitteet, välineet ja materiaalit rajoittuvat niihin mitä koululla on meille tarjota. Lisäksi toimimme kurssin puitteissa, eli aikataulu sekä budjetti on jo valmiiksi määrätty. 3
Mittaussuunnitelma Lähestymistapa Nesteen tiheyttä ei tiedetä, eikä sitä kyetä selvittämään luotettavasti laskennallisesti, vaan tiheys pitää selvittää kokeellisesti. Ei käytetä esimerkiksi painemittaria vaan käytetään tunnettua tilavuutta ja voimaa. Voiman laskemiseen käytetään kokeellisesti mittaamalla saatua venymää. Tilavuus pidetään vakio, ja se määritetään itse. Mittausjärjestelmä Palkki puristetaan pöydän reunaan, ja mitataan palkin pituus. Puhdistettuun ja tasoitettuun palkin pintaan liimataan venymäliuska. Palkin päähän kiinnitetään mitta-astia narulla. Venymäliuskan toinen pää kiinnitetään vahvistimen kautta USB-tiedonkeruulaitteseen, joka lähettää jännitelukemia tietokoneelle. Venymäliuskan resistanssi muuttuu sitä venytettäessä, mutta tietokoneelle saapuva data on jännitettä. Wheatstonen silta. Tietokoneella Labview-ohjelma muuttaa nämä tiedot aineen tiheydeksi. Koe tullaan tekemään Aalto-yliopiston konetekniikan laboratoriossa, missä olosuhteet kuten lämpötila ja kosteus tulevat muuttumaan mahdollisimman vähän. Mitattavan nesteen lämpötila mitataan ennen mittausta. Toistetaan kokeet kahdesti yhdelle aineelle, jotta saadaan luotettavat ja vertailukelpoiset tulokset nesteiden välille. Tarvittavat mittalaitteet ja välineet: venymäliuska, tietokone, mitta-astia, USB-tiedonkeruulaite, vahvistin, litteä metallipalkki. Mitattavat nesteet: vesi, suolavesi ja öljy. Aikataulu Vko DL 41 42 Koesuunnitelman laatiminen 16.10. 42 43 Koesuunnitelman vertaisarvio 19.10. 43 44 Koesuunnitelman päivitys 26.10. 44 46 Kokeen suorittaminen 47 49 Loppuraportin kirjoittaminen 50 Loppuraportin palautus 7.12. 4
Tiedonhaku aihealueelta Teorialähteenä käytimme Kari Santaojan Rasitusopin käsikirjaa: Kari Santaoja, Rasitusopin käsikirja, Taras, 2015, ISBN: 978-952-67899-2-7 Lisäksi hyödynsimme kurssilla saatuja tietoja ja taitoja sekä MyCoursesissa olevia venymäliuskoihin liittyviä Youtube-videoja. Tiheyttä voidaan mitata myös massan ja tilavuuden kautta, tai käyttämällä hydrostaattista painetta mittaavaa anturia. 5
Mittausten toteutus Valmistellaan Labview-ohjelma. Ensin välineet valmistellaan käyttökuntoon. Puhdistetaan ja hiotaan palkki. Mitta-astia puhdistetaan ja kiinnitetään palkiin. Liimataan palkkiin venymäliuska, ja kytketään sen johdot USB-laatikkoon, joka kytketään koneeseen. Tämän jälkeen kalibroidaan laite vertaamalla venymiä tyhjän mitta-astian kanssa puhtaan veden, jonka lämpötila on tunnettu, aiheuttaman venymän kanssa. Tämän jälkeen aloitetaan itse koemittaus. Aluksi käytämme suolavettä, joka on x-prosenttista. Mittaamme mitta-astian täyteen suolavettä. Ajetaan Labview-ohjelma, ja kirjoitetaan tulokset ylös. Mitta-astia puhdistetaan ja täytetään öljyllä. Edelliset vaiheet toistetaan. Tulosten kirjaaminen ja datan käsitteleminen Tulokset kirjataan ylös Excel-tiedostoon tietokoneelle. Varaudumme siihen, että mittausdatasta joudutaan laskemaan keskiarvoja, jotta saadaan käyttökelpoista mittausdataa nesteiden tiheyksien laskemiseksi. Aiemmista laboratoriotöistä saatujen kokemusten perusteella mittaustulokset saattavat heitellä paljonkin odotettavista tuloksista. Odotettavat tulokset osoittaisivat öljyn olevan vähemmän tiheää kuin puhdas vesi, ja suolaveden olevan tiheämpää kuin puhdas vesi. Asetamme tavoitteeksi ja odotamme mittausten olevan 5 % tarkkuudella oikeita. Turvallisuustarkastelu Mittausten suorittaminen lienee erittäin turvallista, sillä kokeessa ei käytetä esimerkiksi avotulta, teräviä ja/tai raskaita välineitä tai osia. Lisäksi käyttämämme sähkölaitteet ovat kytketty matalajännitteiseen sähköverkkoon, joten sähköiskujenkaan vaaraa ei oikeastaan ole. Pieniä, hyvin epätodennäköisiä turvallisuusuhkia ovat metallinen ulokepalkki, jonka venymää mitataan. Tällä on mahdollista satuttaa itseään epäasianmukaisella toiminnalla. Käytössämme on myös nesteitä, joiden läiskyminen tai kaatuminen lattialle aiheuttaa liukastumisvaaran. Virhetarkastelu Kokeessa suurimpana haasteena lienee saada nesteiden tilavuus pysymään täysin vakiona. Käyttämämme mitta-astia ei ole niin tarkka kuin toivoisimme käytössämme olevista resursseista johtuen, mikä voi aiheuttaa mitattavien nesteiden tilavuuksissa pieniä eroja. Mikäli mitta-astia ei puhdisteta tarpeeksi huolellisesti, voi siihen jäädä pieniä määriä edellistä nestettä, joka voi hieman vääristää tulosta. Mittalaite voi aiheuttaa pieniä heittoja. Esimerkiksi tilavuuden virhettä voidaan minimoida siten, että jokainen kokeen tekijöistä katsoo, mitattavan nesteen tilavuuden olevan tarkka. 6
Lähteet: [1] Unonius, L., Koneosaston opetukseen Fysikaalista mittaustekniikkaa, Helsinki, 2005 [2] Teknologiakasavatus NYT!, Venymäliuska, Oulun yliopisto, 2007, Katsottavissa: http://www.oulu.fi/teknokas/tehtavakortit/venymaliuska.pdf (15.10.2015) [3] Wikipedia.com, Strain Gauge, Katsottavissa: https://en.wikipedia.org/wiki/strain_gauge (15.10.2015) 7