Pomiar_cisnienia.pdf

(237 KB) Pobierz

Pomiar_cisnienia

LABORATORIUM SENSORÓW I POMIAROWYCH WIELKOŚCI

NIEELEKTRYCZNYCH (SPW)

Ćwiczenie nr 1

Pomiary ciŚnienia hydrostatycznego

Opracowała: mgr inŜ. Ewa KałuŜny

Warszawa, 2009

251829276.415.png

1 Cel Ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową oraz zasadą działania czujników ciśnienia,

jak równieŜ przeprowadzenie badań ciśnienia słupa wody za pomocą katetera z

piezorezystancyjnym czujnikiem ciśnienia do zastosowań medycznych.

2 WiadomoŚci wstĘpne

Ciśnienie jest wielkością definiowaną jako stosunek siły powierzchniowej F do pola

powierzchni S, na którą ta siła działa:

Jednsotką ciśnienia w układzie SI jest pascal (Pa)

PoniewaŜ Pa jest jednostką bardzo małą, stosuje się jednostki o wiele większe: hPa=10 2 Pa,

MPa=10 6 Pa. W literaturze moŜna się jednak spotkać z innymi jednostkami ciśnienia, coraz

rzadziej uŜywanymi w dzisiejszych pomiarach:

bar

1bar = 10 5 Pa

kilogram siła na metr kwadratowy

1kG/m 2 = 9,81Pa

atmosfera techniczna [kG/cm 2 ]

at = 98100Pa

atmosfera fizyczna

atm = 101325Pa

tor

tr = 1mmHg = 133Pa

milimetr słupa wody

mmH 2 0 = 9,80665Pa

W wielu zastosowaniach przyjęło się traktować wysokość słupa cieczy jako miarę ciśnienia.

W teorii płynów z ciśnieniem związane są następujące stwierdzenia:

·

ciśnienie w danym punkcie płynu będącego w spoczynku jest jednakowe we wszystkich

kierunkach,

·

ciśnienie w płynie znajdującym się w stanie równowagi jest w kaŜdym punkcie

prostopadłe do powierzchni, na którą działa,

we wszystkich cząstkach cieczy połoŜonych w jednej i tej samej płaszczyźnie poziomej

ciśnienie jest jednakowe.

Spośród ciśnień moŜna wyróŜnić:

ciŚnienie absolutne (całkowite, bezwzglĘdne) – ciśnienie wyznaczane względem próŜni,

ciŚnienie atmosferyczne (barometryczne) - ciśnienie wywierane przez warstwę powietrza,

podciŚnienie – ciśnienie mniejsze niŜ ciśnienie w otoczeniu,

nadciŚnienie – ciśnienie większe niŜ ciśnienie w otoczeniu,

przy czym moŜna spotkać się z określeniami nadciśnienie dodatnie i ujemne, gdzie dodatnie

definiowane jest zgodnie z powyŜszą definicją nadciśnienia, natomiast nadciśnienie ujemne

oznacza podciśnienie.

Przyrządy do pomiaru ciśnienia mierzą zazwyczaj nie jego wartość, tylko jego róŜnicę

w stosunku do ciśnienia odniesienia, będącego często ciśnieniem atmosferycznym.

Gdy płyn znajduje się w ruchu to mówi się o ciśnieniu dynamicznym oraz statycznym.

CiŚnienie statyczne jest to ciśnienie wskazywane przez przyrząd poruszający się w strumieniu

płynu z taką samą prędkością i w tym samym kierunku, w którym porusza się płyn tak, aby

·

251829276.426.png

251829276.437.png

251829276.448.png

prędkość względna przyrządu i płynu była równa zeru. Oznacza to równieŜ, Ŝe, gdy płyn nie

porusza się, tj. pozostaje w stanie spoczynku ciśnieniem, jakie w nim panuje, jest ciśnienie

statyczne. Ciśnienie dynamiczne występuje tylko podczas ruchu płynu i jest definiowane

wzorem:

ρ

×

v

2

p

=

d

2

ρ – gęstość cieczy,

v – prędkość przepływu cieczy.

Ciśnienie na głębokości h pod zwierciadłem cieczy równa się ciśnieniu

atmosferycznemu p b powiększonemu o cięŜar słupa cieczy o podstawie równej jednostce pola

powierzchni a wysokości odpowiadającej głębokości z, na której znajduje się rozpatrywany

punkt p h (ciśnienie hydrostatyczne):

CiŚnienie hydrostatyczne związane jest z cięŜarem cieczy a jego

wartość na poziomie odległym o h od powierzchni cieczy

obliczamy ze wzoru:

g – przyspieszenie ziemskie.

Ciśnienie hydrostatyczne nie zaleŜy od rozmiarów i kształtu

naczynia z cieczą (czyli od ilości cieczy w naczyniu) i jest

izotropowe (rozchodzi się jednakowo we wszystkich kierunkach).

W ćwiczeniu do pomiaru ciśnienia hydrostatycznego wykorzystywany będzie kateter

firmy Sentron z końcówką zawierającą piezorezystancyjny czujnik ciśnienia 1 . Czujniki tego

typu wykorzystują efekt zmiany rezystancji materiału pod wpływem działającego ciśnienia.

W konstrukcji powyŜszego czujnika, jak równieŜ w typowych czujnikach

piezorezystancyjnych, głównym elementem jest wytrawiona w krzemie membrana. Po jednej

stronie (spodniej) membrany znajduje się ciśnienie odniesienia (będące ciśnieniem

atmosferycznym doprowadzonym przez odpowiedni kanał wlotowy). Struktura czujnika jest

1 Opracowanie na podstawie patentu nr 4722348

251829276.001.png

251829276.012.png

251829276.023.png

osadzona na warstwie szkła, o identycznej rozszerzalności

cieplnej jak krzem. Mierzone ciśnienie jest doprowadzane

przez otwór w obudowie do membrany, co powoduje jej

odkształcenie i jednocześnie zmianę rezystancji

umieszczonych na niej piezorezystorów. Piezorezystory

tworzą mostek Wheatstone’a w taki sposób, Ŝe pod wpływem

odkształcenia, dwa z nich ulegają rozciągnięciu (ich

rezystancja rośnie) – umieszczone równolegle do kierunku

działania napręŜenia, a dwa ściśnięciu (ich rezystancja

maleje) - umieszczone prostopadle do kierunku działania

napręŜenia.

Ze względu na bardzo małe wartości (rząd dziesiątek miliwoltów), sygnał napięciowy

z mostka pomiarowego jest podawany na obwód wzmacniający, skąd moŜe być rejestrowany

na multimetrze lub oscyloskopie. W związku z powyŜszym tor pomiarowy przybiera

następującą

postać:

V+

R

R

S-

S+

R

R

V-

Przed rozpoczęciem pomiarów naleŜy przeprowadzić kalibrację przetwornika za pomocą

pokrętła potencjometru:

Ciśnienie, w którym przeprowadzana jest kalibracja jest ciśnieniem odniesienia. Ze względu

na potrzeby ćwiczenia, naleŜy jako ciśnienie odniesienia przyjąć ciśnienie atmosferyczne.

Schemat zastosowanego wzmacniacza wygląda następująco:

251829276.034.png

251829276.045.png

251829276.056.png

251829276.067.png

251829276.078.png

251829276.089.png

251829276.100.png

251829276.111.png

251829276.122.png

251829276.133.png

251829276.144.png

251829276.155.png

251829276.166.png

251829276.177.png

251829276.188.png

251829276.199.png

251829276.210.png

251829276.221.png

251829276.232.png

251829276.243.png

251829276.254.png

251829276.265.png

251829276.276.png

251829276.287.png

251829276.298.png

251829276.309.png

251829276.320.png

251829276.331.png

251829276.342.png

251829276.353.png

251829276.364.png

251829276.375.png

251829276.386.png

251829276.397.png

251829276.402.png

251829276.403.png

251829276.404.png

251829276.405.png

251829276.406.png

251829276.407.png

251829276.408.png

251829276.409.png

251829276.410.png

251829276.411.png

251829276.412.png

251829276.413.png

251829276.414.png

251829276.416.png

251829276.417.png

251829276.418.png

251829276.419.png

251829276.420.png

251829276.421.png

251829276.422.png

251829276.423.png

251829276.424.png

251829276.425.png

251829276.427.png

251829276.428.png

251829276.429.png

251829276.430.png

251829276.431.png

251829276.432.png

251829276.433.png

251829276.434.png

251829276.435.png

251829276.436.png

251829276.438.png

251829276.439.png

251829276.440.png

251829276.441.png

251829276.442.png

251829276.443.png

251829276.444.png

251829276.445.png

251829276.446.png

251829276.447.png

251829276.449.png

251829276.450.png

251829276.451.png

251829276.452.png

251829276.453.png

251829276.454.png

251829276.455.png

251829276.456.png

251829276.457.png

251829276.458.png

251829276.002.png

251829276.003.png

251829276.004.png

251829276.005.png

251829276.006.png

251829276.007.png

251829276.008.png

251829276.009.png

251829276.010.png

251829276.011.png

251829276.013.png

251829276.014.png

251829276.015.png

251829276.016.png

251829276.017.png

251829276.018.png

251829276.019.png

251829276.020.png

251829276.021.png

251829276.022.png

251829276.024.png

251829276.025.png

251829276.026.png

251829276.027.png

251829276.028.png

251829276.029.png

251829276.030.png

251829276.031.png

251829276.032.png

251829276.033.png

251829276.035.png

251829276.036.png

251829276.037.png

251829276.038.png

251829276.039.png

251829276.040.png

251829276.041.png

251829276.042.png

251829276.043.png

251829276.044.png

251829276.046.png

251829276.047.png

251829276.048.png

251829276.049.png

251829276.050.png

251829276.051.png

251829276.052.png

251829276.053.png

251829276.054.png

251829276.055.png

251829276.057.png

251829276.058.png

251829276.059.png

251829276.060.png

251829276.061.png

251829276.062.png

251829276.063.png

251829276.064.png

251829276.065.png

251829276.066.png

251829276.068.png

251829276.069.png

251829276.070.png

251829276.071.png

251829276.072.png

251829276.073.png

251829276.074.png

251829276.075.png

251829276.076.png

251829276.077.png

251829276.079.png

251829276.080.png

251829276.081.png

251829276.082.png

251829276.083.png

251829276.084.png

251829276.085.png

251829276.086.png

251829276.087.png

251829276.088.png

251829276.090.png

251829276.091.png

251829276.092.png

251829276.093.png

251829276.094.png

251829276.095.png

251829276.096.png

251829276.097.png

251829276.098.png

251829276.099.png

251829276.101.png

251829276.102.png

251829276.103.png

251829276.104.png

251829276.105.png

251829276.106.png

251829276.107.png

251829276.108.png

251829276.109.png

251829276.110.png

251829276.112.png

251829276.113.png

251829276.114.png

251829276.115.png

251829276.116.png

251829276.117.png

251829276.118.png

251829276.119.png

251829276.120.png

251829276.121.png

251829276.123.png

251829276.124.png

251829276.125.png

251829276.126.png

251829276.127.png

251829276.128.png

251829276.129.png

251829276.130.png

251829276.131.png

251829276.132.png

251829276.134.png

251829276.135.png

251829276.136.png

251829276.137.png

251829276.138.png

251829276.139.png

251829276.140.png

251829276.141.png

251829276.142.png

251829276.143.png

251829276.145.png

251829276.146.png

251829276.147.png

251829276.148.png

251829276.149.png

251829276.150.png

251829276.151.png

251829276.152.png

251829276.153.png

251829276.154.png

251829276.156.png

251829276.157.png

251829276.158.png

251829276.159.png

251829276.160.png

251829276.161.png

251829276.162.png

251829276.163.png

251829276.164.png

251829276.165.png

251829276.167.png

251829276.168.png

251829276.169.png

251829276.170.png

251829276.171.png

251829276.172.png

251829276.173.png

251829276.174.png

251829276.175.png

251829276.176.png

251829276.178.png

251829276.179.png

251829276.180.png

251829276.181.png

251829276.182.png

251829276.183.png

251829276.184.png

251829276.185.png

251829276.186.png

251829276.187.png

251829276.189.png

251829276.190.png

251829276.191.png

251829276.192.png

251829276.193.png

251829276.194.png

251829276.195.png

251829276.196.png

251829276.197.png

251829276.198.png

251829276.200.png

251829276.201.png

251829276.202.png

251829276.203.png

251829276.204.png

251829276.205.png

251829276.206.png

251829276.207.png

251829276.208.png

251829276.209.png

251829276.211.png

251829276.212.png

251829276.213.png

251829276.214.png

251829276.215.png

251829276.216.png

251829276.217.png

251829276.218.png

251829276.219.png

251829276.220.png

251829276.222.png

251829276.223.png

251829276.224.png

251829276.225.png

251829276.226.png

251829276.227.png

251829276.228.png

251829276.229.png

251829276.230.png

251829276.231.png

251829276.233.png

251829276.234.png

251829276.235.png

251829276.236.png

251829276.237.png

251829276.238.png

251829276.239.png

251829276.240.png

251829276.241.png

251829276.242.png

251829276.244.png

251829276.245.png

251829276.246.png

251829276.247.png

251829276.248.png

251829276.249.png

251829276.250.png

251829276.251.png

251829276.252.png

251829276.253.png

251829276.255.png

251829276.256.png

251829276.257.png

251829276.258.png

251829276.259.png

251829276.260.png

251829276.261.png

251829276.262.png

251829276.263.png

251829276.264.png

251829276.266.png

251829276.267.png

251829276.268.png

251829276.269.png

251829276.270.png

251829276.271.png

251829276.272.png

251829276.273.png

251829276.274.png

251829276.275.png

251829276.277.png

251829276.278.png

251829276.279.png

251829276.280.png

251829276.281.png

251829276.282.png

251829276.283.png

251829276.284.png

251829276.285.png

251829276.286.png

251829276.288.png

251829276.289.png

251829276.290.png

251829276.291.png

251829276.292.png

251829276.293.png

251829276.294.png

251829276.295.png

251829276.296.png

251829276.297.png

251829276.299.png

251829276.300.png

251829276.301.png

251829276.302.png

251829276.303.png

251829276.304.png

251829276.305.png

251829276.306.png

251829276.307.png

251829276.308.png

251829276.310.png

251829276.311.png

251829276.312.png

251829276.313.png

251829276.314.png

251829276.315.png

251829276.316.png

251829276.317.png

251829276.318.png

251829276.319.png

251829276.321.png

251829276.322.png

251829276.323.png

251829276.324.png

251829276.325.png

251829276.326.png

251829276.327.png

251829276.328.png

251829276.329.png

251829276.330.png

251829276.332.png

251829276.333.png

251829276.334.png

251829276.335.png

251829276.336.png

251829276.337.png

251829276.338.png

251829276.339.png

251829276.340.png

251829276.341.png

251829276.343.png

251829276.344.png

251829276.345.png

251829276.346.png

251829276.347.png

251829276.348.png

251829276.349.png

251829276.350.png

251829276.351.png

251829276.352.png

251829276.354.png

251829276.355.png

251829276.356.png

251829276.357.png

251829276.358.png

251829276.359.png

251829276.360.png

251829276.361.png

251829276.362.png

251829276.363.png

251829276.365.png

251829276.366.png

251829276.367.png

251829276.368.png

251829276.369.png

251829276.370.png

251829276.371.png

251829276.372.png

251829276.373.png

251829276.374.png

251829276.376.png

251829276.377.png

251829276.378.png

251829276.379.png

251829276.380.png

251829276.381.png

251829276.382.png

251829276.383.png

251829276.384.png

251829276.385.png

251829276.387.png

251829276.388.png

251829276.389.png

251829276.390.png

251829276.391.png

251829276.392.png

251829276.393.png

251829276.394.png

251829276.395.png

251829276.396.png

251829276.398.png

251829276.399.png

251829276.400.png

Głównymi elementami wzmacniacza są: precyzyjny wzmacniacz pomiarowy z programowo

ustalonym wzmocnieniem typu AD624 (Analog Devices), wzmacniacz z izolacją

galwaniczną AD215 (Analog Devices), stabilizator napięcia dodatniego A78L08 (AME) oraz

niskoszumowy wzmacniacz operacyjny TL070 (Texas Instrument).

3 Wymagane wiadomoŚci

Podstawowa wiedza z zakresu pomiarów ciśnienia (ze szczególnym zastosowaniem

medycznym) oraz budowy i zasady działania czujników ciśnienia: pojemnościowych i

piezorezystancyjnych.

4 Przebieg Ćwiczenia

4.1 Zapoznać się ze stanowiskami pomiarowymi oraz zasadą pomiaru ciśnienia.

4.2 Na stanowisku nr 1 dokonać kalibracji przetwornika ciśnienia umieszczonego w

kateterze (jako ciśnienie odniesienia przyjąć ciśnienie atmosferyczne).

4.3 Umieścić kateter w rurze z naniesioną miarką oraz dokonać pomiaru charakterystyki

zmienności ciśnienia w zaleŜności od głębokości jego zanurzenia (czynność wykonać:

dla zanurzania i wynurzania kateteru).

4.4 Na stanowisku nr 2 dokonać pomiaru ciśnienia, w zaleŜności od wysokości

umiejscowienia czujnika względem pojemnika z wodą (czujnik powinien znajdować się

zarówno nad, jak i poniŜej poziomu cieczy w pojemniku). Spisać wartość napięcia

zasilania czujnika.

4.5 Na stanowisku nr 3 do pojemnika wlać wodę. Za pomocą termometru rtęciowego

dokonać pomiaru temperatury cieczy. Dokonać pomiaru ciśnienia wody z

wykorzystaniem kateteru (czynność powtórzyć dla trzech wybranych temperatur).

NIE PRZEKRACZAĆ TEMPERATURY 50°C!

5 Opracowanie wyników

5.1 Wykreślić (na jednym wykresie) charakterystykę zmierzoną zgodnie z punktem 4.3

(w kierunku zanurzania) wraz z charakterystyką idealną obliczoną na podstawie wzoru

p h =gρh.

5.2 Wyznaczyć błąd względny pomiaru uzyskanych wartości.

5.3 Przeanalizować zjawisko histerezy.

5.4 Wykreślić charakterystykę zmian ciśnienia w zaleŜności od wysokości czujnika

względem poziomu cieczy w pojemniku (na podstawie wyników z pkt. 4.4).

5.5 Przeanalizować wpływ temperatury na pomiar ciśnienia hydrostatycznego.

251829276.401.png

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin