Measurement of small values of hydrostatic pressure difference

• Autorzy: Broda K. , Filipek W.

Warianty tytułu

PL

Pomiar małych wartości różnicy ciśnień hydrostatycznych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In order to describe the fluid flow through the porous centre, made of identical spheres, it is necessary to know the pressure, but in fact – the pressure distribution. For the flows in the range that was traditionally called laminar flow (i. e. for Reynolds numbers (Bear, 1988; Duckworth, 1983; Troskolański, 1957) from the range 0,01 to 3) it is virtually impossible with the use of the tools directly available on the market. Therefore, many scientists who explore this problem have concentrated only on the research of the velocity distribution of the medium that penetrates the intended centre (Bear, 1988) or pressure distribution at high hydraulic gradients (Trzaska & Broda, 1991, 2000; Trzaska et al., 2005). It may result from the inaccessibility to the measurement methods that provide measurement of very low hydrostatic pressures, such as pressure resulting from the weight of liquid located in the gravitational field (Duckworth, 1983; Troskolański, 1957). The pressure value c. 10 Pa (Troskolański, 1957) can be generated even by 1 mm height difference between the two levels of the free water surface, which in fact constitutes the definition of gauging tools of today measuring the level of the hydrostatic pressure. Authors proposed a method of hydrostatic pressure measurement and devised a gauging tool. Then a series of tests was conducted aiming at establishing what is the influence of various factors, such as temperature, atmospheric pressure, velocity of measurement completion, etc. on the accuracy and method of measurements. A method for considerable reduction of hysteresis that occurs during measurement was also devised. The method of measurement of small hydrostatic difference measurements allows for the accuracy of measurement of up to 0.5 Pa. Measurement results can be improved successfully by one order of magnitude, which for sure would entail necessary temperature stabilization of the tool. It will be more difficult though to compensate the influence of atmospheric pressure on the measurement process.

PL

Aby opisać przepływ płynu przez ośrodek porowaty konieczna jest znajomość ciśnienia, a tak naprawdę jego rozkładu. Dla przepływów w zakresie umownie nazwanym laminarnym (tj. dla liczb Re (Bear, 1988; Duckworth, 1983; Troskolański, 1957) z zakresu 0.01 do 3) jest to praktycznie niemożliwe posługując się bezpośrednio dostępnymi na rynku przyrządami. Dlatego wielu naukowców zajmujących się tym zagadnieniem skoncentrowało się tylko na badaniach rozkładu prędkości medium przenikającego przez zadany ośrodek (Bear, 1988) lub rozkładu ciśnienia przy wysokich spadkach hydraulicznych (Trzaska i Broda, 1991, 2000; Trzaska i in., 2005). Jako przyczynę można wskazać niedostępność metod pomiarowych umożliwiających pomiar bardzo niskich ciśnień hydrostatycznych, czyli ciśnienia wynikającego z ciężaru cieczy znajdującego się w polu grawitacyjnym (Duckworth, 1983; Troskolański, 1957). Wartość ciśnienia około 10 Pa (Troskolański, 1957) może już wygenerować różnica 1 mm wysokości między dwoma poziomami swobodnego zwierciadła wody, co stanowi tak naprawdę rozdzielczość dzisiejszych przyrządów pomiarowych mierzących wielkość ciśnienia hydrostatycznego. Problem mierzenia tak niskich ciśnień dla cieczy nie tkwi w tym, że technicznie nie jest możliwe zbudowanie takiego czujnika, ale wynika z faktu, że możemy mierzyć ciśnienie wewnątrz ograniczonego obszaru z rozdzielczością np. 0.1 Pa tylko wtedy, gdy zmiana ciśnienia związana z położeniem lub przemieszczeniem przyrządu pomiarowego nie wpływa na dokładność. Dlatego czujniki o takim zakresie pomiarowym, budowane są tylko dla mediów gazowych. Przystępując do projektowania i konstruowania stanowiska pomiarowego założono, że pomiar ciśnienia w zakresie od 0 do 25 Pa ma być wykonany z dokładnością do 2%, czyli z rozdzielczością wynoszącą 0,5 Pa. Konstrukcję oparto o czujnik (różnicowy) model MS-321-LCD firmy Magnesense przeznaczony do mierzenia mediów gazowych. Zasadę pomiaru niskich ciśnień hydrostatycznych przedstawiono na Rys. 2. Na rys. 4 pokazano zdjęcie fragmentu autorskiej aparatury do pomiaru bardzo niskich wartości różnicy ciśnień hydrostatycznych. W artykule opisano tylko najważniejsze zagadnienia będące podstawą umożliwiającą skonstruowanie takiego urządzenia. Przystępując do pomiarów nie znano, w jaki sposób będzie zachowywać się aparatura i jaka metodyka pomiarów będzie najwłaściwsza i pozwalająca na osiągnięcie zakładanej dokładności. Zaprezentowana nowatorska metoda pomiaru małych różnic ciśnień hydrostatycznych pozwala mierzyć różnicę ciśnień hydrostatycznych z dokładnością do 0.5 Pa, co przedstawiono w artykule. Należy tu zwrócić uwagę, że przedstawiona metodologia pomiarów przy zastosowaniu doskonalszego czujnika pozwoli w przyszłości na zwiększenie dokładności pomiaru co najmniej o jeden rząd. Z pewnością wiązałoby się to z koniecznością zastosowania stabilizacji temperatury urządzenia. W trakcie pomiarów niekorzystnym zjawiskiem okazało się pojawienie histerezy, co pociągnęło za sobą konieczność opracowania metodologii wydatnego jej zmniejszenia poniżej klasy zastosowanego czujnika, co udało się osiągnąć a rezultaty przedstawiono na rys. 5, 6, 8, 9. Trudniej będzie natomiast skompensować wpływ ciśnienia atmosferycznego na proces pomiarowy.

Słowa kluczowe

EN

small values of pressure difference; measurements; filtration; manometers

PL

małe wartości różnicy ciśnień; pomiary; filtracja; manometry

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2012
• Tom: Vol. 57, no. 1
• Strony: 157--167
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Broda K.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining and Geoengineering, Al. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

autor

Filipek W.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining and Geoengineering, Al. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

Bibliografia

• Adamson W., 1997. Physical chemistry of surfaces. New York: John Wiley & Sons, Inc, s. 355. ISBN 0-471-14873-3.
• Bear J., 1988. Dynamics of Fluids in Porous Media. Dover Publications, INC. New York.
• Duckworth R.A., 1983. Mechanika płynów. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa.
• Filek K., Roszczynialski W., Wacławik J., 1990. Laboratorium mechaniki płynów z elementami pomiaroznawstwa. Wydawnictwo AGH, Kraków.
• Filipek W., 2011. Badania modelowe hydrodynamicznych własności ośrodków porowatych zbudowanych z sieci komórek elementarnych. Praca doktorska AGH Kraków.
• Górniak H., Szymczyk J., 1999. Podstawy termodynamiki. Część I i II, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice.
• Raymond W., 1997. Pressure Transducers, What They Are and How to Select One. Measurements and Control.
• Raymond W., 1998. Pressure Transducers, Flow Control.
• Szargut J., 1997. Termodynamika techniczna. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice.
• Troskolański A.T., 1957. Hydromechanika techniczna tom III Pomiary wodne. Państwowe Wydawnictwa Techniczne. Warszawa.
• Trzaska A., Broda K., 1991. Comparison of the Actual Course of the Phenomenon of Colmatage with Its Theoretical Description. Archives of Mining Sciences, 36, 4.
• Trzaska A., Broda K., 2000. Possibility of Determining Colmatage Parameters and Functions Basing on the Theory of Colmatage and Experiment. Archives of Mining Sciences, 45, 4, 527-542.
• Trzaska A., Broda K., Filipek W., Sobowska K., 2005. O zjawisku kolmatacji i jego wpływie na otoczenie. (The Phenomenon of Colmatage and Its Effect on the Environment). Archives of Mining Sciences, 50, Special Issue 43-56.