MAINSKI FAKULTET SARAJEVOKATEDRA ZA MOTORE I VOZILAPredmet: Ispitivanje i eksploatacija motora

Projektni zadatakMjerenje pritiska

Sarajevo, maj 2014. Ibrahimovi Alen

U okviru zadatka potrebno je uraditi sljedee : Dati osnovne pojmove za pritisak kao mjernu veliinu, Opisati osnovne metode mjerenja pritiska, Obrazloiti metodologiju mjerenja pritiska putem piezoelektrinih davaa, Navesti osnovnu opremu neophodnu za snimanje indiciranog pritiska u cilindru, Navesti sve neophodne informacije za dobijanje razvijenog dijagrama pritiska, Na koji nain se vremenska skala [s] pretvara u uglovnu [] skalu, Na koji nain se odreuje vrijednost pritiska u bar ima, Za primjer snimljenog pritiska [napn-vrijeme] kreirati razvijeni dijagram pritiska [bar-KV] ako je pojaanje na pojalalu 20 bar/V i broj okretaja motora 1800 o/min.

UVODMjerenje pritiska u cilindru je neophodno za kvalitetno razumijevanje procesa koji se obavljaju u motoru. Takoer, kvalitetnim mjerenjem je mogue odrediti i snagu motora, te uoiti eventualne nedostatke i raditi na njihovom poboljanju. Mjerenje pritiska iste kompresije je veoma est metod za odreivanje stanja motora nakon odreenog vremena eksploatacije. Pri mjerenju pritiska iste kompresije je potrebno onemoguiti paljenje smjese u cilindru (njaee se montaom senzora pritiska automatski onemoguuje paljenje).

1. Osnovne postavke i vrste pritiskaPritisak spada u izvedene veliine i jednak je odnosu sile F i povrine na koju djeluje sila vertikalno. Uobiajeni simbol je malo slovo p.

p - pritisakF - sila vertikalna na povrinuA povrina

Jedinice koje se primjenjuju pri mjerenju pritiska su Bar (bar), Pascal (Pa), Newton po metru kvadratnom (N/m). Osim navedenih jedinica jo uvijek su u internoj upotrebi i sljedee jedinice: milimetara vodenog stuba (mmVS), milimetara ivinog stuba (mmHg), milimetara ivinog stuba redukovan na 0C (Torr).S obzirom na stanje okoline razlikuju se: apsolutni pritisak, podpritisak, nadpritisak i barometarski pritisak (apsolutni pritisak okoline) to je prikazano na slici 1.

Slika 1. Definicije pojmova pritiskaVeze izmeu apsolutnog pritiska, podpritiska, nadpritiska i barometarskog pritiska:pa = pb + pn pa = pb - pp pri emu je: - apsolutni pritisak, barometarski pritisak, - nadpritisak, - podpritisak

Pri strujanju fluida pritisak se moe definisati kao : pri emu je : - statika komponenta pritiska, - dinamika komponenta pritiska koja se javlja usljed strujanja fluida.

Za sluaj stacionarnog strujanja fluida dinamika komponenta pritiska se moze izraziti kao:

pri emu je: - dinamika komponenta pritiska usljed strujanja fluida, w - brzina strujanja fluida, - gustina fluida.Za sluaj nestacionarnog strujanja fluida dinamika komponenta pritiska se moze izrazititi kao:

pri emu je : dinamika komponenta pritiska pri nestacionarnom toku, talas pritiska u smjeru strujanja fluida, povratni (reflektovani) talas pritiska.

2. Osnovne metode mjerenja pritiska2.1 Mehaniki ureaji za mjerenje pritiskaMehaniki ureaji za mjerenje pritiska primjenjuju se za jednostavnije sluajeve, kao to je npr.mjerenje ulja za podmazivanje. Na slici 2 prikazane su dvije izvedbe, jedna sa metalnom membranom, a druga sa cjevastom oprugom. Oba ureaja mogu registrovati kako nadpritisak tako i podpritisak. Sa jedne strane membrane, odnosno cijevi djeluje atmosferski pritisak, tako da ustvari ovi ureaji mogu registrovati samo razliku pritiska izmeu mjernog objekta i okoline.

Slika2. Mehaniki ureaji za mjerenje pritiska

Kod ureaja sa metalnom membranom, sa jedne strane membrane djeluje pritisak koji se eli izmjeriti, te se usljed njegovog dejstva membrana deformie (ispupenje). Putem polunog mehanizma i para zupanika pomjera se kazaljka koja omoguava oitavanje vrijednosti pritiska. Pri mjerenju nadpritiska ovi ureaji se koriste do 30 bar. Sa ureajem sa cjevastom oprugom mogu se mjeriti izrazito visoke vrijednosti pritiska. Kod njega je mjerni dio cijev pljosnatog poprenog presjeka, koja je na svom zatvorenom kraju savijena. Usljed pritiska koji vlada u unutranjosti cijevi deformie se cijev pljosnatog poprenog presjeka i tei da poprimi kruni oblik. Usljed toga savijeni dio cijevi se ispravlja i pri tome djeluje na poluni mehanizam i par zupanika koji pomjeraju kazaljku koja omoguava oitavanje vrijednosti pritiska. U grupu mehanikih ureaja za mjerenje pritiska spada i tzv. barometar sa zatvorenom posudom, koji je prikazan na slici 3.

Slika 3. Barometar sa zatvorenom posudom

Ovaj ureaj slui za mjerenje atmosferskog pritiska. Pritisak vazduha sabija posudu iz koje je evakuiran vazduh. Pri tome metalna opruga odrava u ravnotei sile koje su posljedica pritiska vazduha. Pomjeranje povrine posude prenosi se na kazaljku koja omoguava oitavanje vrijednosti pritiska.

2.2 Ureaji za mjerenje pritiska sa tenouUreaji za mjerenje pritiska sa tenou su jednostavne konstrukcije i pomou njih je mogue jednostavno i brzo oitati vrijednost pritiska. Uglavnom se koriste za mjerenje malih i najmanjih pritisaka do vrijednosti 3 bar, jer u protivnom bi ureaj poprimio prevelike dimenzije i postao neadekvatan za primjenu. Princip rada ovog ureaja se vidi sa slike 4.

Slika 4. U cijev za mjerenje pritiska

Staklena cijev savijena u obliku slova U se putem crijeva prikopava na mjerno mjesto. Cijev je ispunjena tenou, najee ivom ili vodom. U jednom kraku U cijevi na slobodnu povrinu tenosti djeluje pritisak koji se eli izmjeriti, dok u drugom kraju djeluje atmosferski pritisak. Razlika pritisaka potiskuje dio tenosti u krak U cijevi u kojoj djeluje atmosferski pritisak, ukoliko je mjereni pritisak vei od atmosferskog. U obratnom sluaju, ukoliko je atmosferski pritisak vei od mjerenog pritiska dio tenosti e se potisnuti u suprotnu stranu. Razlika visina povrina tenosti predstavlja mjeru za izraunavanje nad, odnosno pod-pritiska prema sljedeem izrazu :p = ghpri emu je:p nad- odnosno pod pritisak, specifina gustina mjerne tenosti, ubrzanje Zemljine tee

Osjetljivost ureaja za mjerenje pritiska sa tenou se moe poveati na dva naina:a) Primjenom tenosti sa manjom specifinom gustinomb) Naginjanjem mjernog kraka cijevi.Ukoliko se pri mjerenju kao tenost koristi voda, to se postupkom pod a) moe relativno malo poveati osjetljivost, poto su specifine gustine drugih mjernih tenosti vrlo malo manje od 1,0 g/cm3. Ukoliko se primjeni postupak pod b) dobiva se ureaj za mjerenje pritiska sa kosom cijevi, koji je prikazan na slici 5.

Slika 5. Ureaj za mjerenje pritiska sa kosom cijevi

Pri primjeni ovakvog ureaja pritisak se moe izraunati po sljedeoj formuli:p = g l sinpri emu je :p nad -, odnosno pod - pritisak, l - duina stuba tenosti, - nagib mjerne cijevi

Za vrlo precizna mjerenja vrlo malih pritisaka najiru primjenu imaju tzv. mikromanometri.Mjerno podruje takvog manometra je do 400 mmVS sa oitavanjem od 0.1 mmVS. Kao primjer mikromanometra na slici 6 prikazan je tzv. Betz mikromanometar. U iroku posudu centralno se postavlja mjerna cijev. U sluaju nadpritiska slobodna povrina mjerne tenosti se die u mjernoj cijevi. Pri tome se pomjera i plovak za koji je zakaena staklena skala. Ova staklena skala prolazi pored optikog ureaja koji omoguava dvadesetostruko uveanje slike staklene skale. Podjela staklene skale je 0,1 mmVS. Kao mjerna tenost se koristi destilovana voda, koja pored toga sto ima veliku mjernu osjetljivost posjeduje i prednost to pri uobiajnim mjerenjima nije potrebno posebno izraunavati temperaturnu zavisnost njene specifine gustine. Ovim ureajem mogue je mjeriti pod-, nad-pritiske kao i razliku pritisaka.

Slika 6. Betz-mikromanometar

Prstenasta vaga ili manometar, koji je prikazan na slici 7, je takoer ureaj za mjerenje pritiska koji se koristi pri mjerenjima sa diznama i sondama , ali se ne moe direktno ubrojati u ureaje za mjerenje pritiska sa tenou. Tenost u ovom ureaju ne slui direktno za mjerenje pritiska, ve slui iskljuivo za razdvajanje prostora pod pritiskom. Tenost koja se koristi u ovim ureajima meutim ograniava mjerno podruje. U sluaju prekoraenja max. dozvoljenog pritiska moe doi do izbacivanja tenosti iz cijevi.

Slika 7. Prstenasti manometarPrethodno nabrojani ureaji za mjerenje pritiska omoguavaju mjerenje samo statike komponente pritiska. U stacionarnim tokovima dinamika komponenta pritiska moe se izmjeriti koristei tzv. Pitot-Prandtl cijev, koja je prikazna na slici 8. Pitot - Prandtlova cijev postavlja se tako da se usmjeri svojim otvorom prema struji fluida i na tom eonom otvoru (zaustavnoj toki) koji je spojen sa jednim krajem diferencijalnog manometra mjeri veliinu totalnog pritiska, a boni otvori koji su okomiti na struju fluida spojeni su na drugi kraj diferencijalnog manometra koji mjeri veliinu statikog pritiska koji vlada u struji fluida i koji ne ovisi o brzini fluida. Tako spojen manometar pokazuje pritisak koji je razlika totalnog i statikog pritiska tj. manometar pokazuje upravo dinamiki pritisak koji se javlja kao posljedica pretvaranja kinetike energije struje u potencijalnu energiju koja se manifestira porastom dinamikog pritiska. ematski prikaz postavljanja i spajanja Pitot - Prandtlove cijevi dat je na slici 8.

Slika 8. ematski prikaz spajanja Pitot - Prandtlove cijevi

2.3 Elektrini ureaji za mjerenje pritiska

Pod elektrinim mjernim ureajima u principu se smatraju ureaji koji u potpunosti rade pomou elektrine energije. Ovim ureajima je mogue mjerenje brzopromjenljivih pritisaka kako to se npr. javljaju u cilindru motora, sistemima za ubrizgavanje goriva i u usisnim i izduvnim granama motora.

Slika 9. Manomentar sa cijevnom oprugom i induktivnim davaemNajveu primjenu za mjerenje pritiska ovakve vrste imaju tzv. piezoelektrini davai. Pored piezoelektrinih davaa koriste se jo induktivni davai i davai u obliku mjernih traka. Signali koje emituju ovakvi davai se preko elektrinih vodova i pojaivaa signala vode a odgovarajui ureaj za oitavanje, koji moe biti oscilograf ili u novije vrijeme raunar.

2.3.1 Piezoelektrini davai pritiska

Kod piezoelektrinih davaa iskoriten je fenomen da odreeni kristali pod dejstvom mehanike sile na svojim povrinama stvaraju elektrini naboj. Ovakav efekat naziva se piezo efekat. Direktni piezo efekat nastaje kada se usljed dejstva mehanikom silom na povrinama kristala indukuje elektrini naboj. Reciproni piezo efekat nastaje kada se na odreenim povrinama kristala uspostavi elektrino polje koje prouzrokuje mehanike napone, koji doprinose deformacijama kristala. Piezo efekti su polarizovani, to znai piezo efekat mijenja svoj predznak ukoliko i uzrok promijeni svoj predznak.

3. Osnovne razlike izmeu longitudinalonog i transferzalnog piezoelektrinog davaaUkoliko se kristal kvarca izloi sili u pravcu jedne od x-osa, doi e do njegove deformacije kao to je to ematski prikazano na slici 10., te uslijed elektrine polarizacije na gornjoj elektrodi e se indukovati negativan, a na donjoj elektrodi pozitivan naboj. Ovakav postupak naziva se longitudinalni direktni piezo efekt. Ukoliko se meutim na kristal kvarca djeluje okomito prema jednoj od x-osa u pravcu y naboji e se manifestovati na slobodnim (neoptereenim) bonim povrinama kristala to je prikazano na slici 3. Ovakav postupak se naziva transverzalni direktni piezo efekt.

Slika 10. ematski prikaz deformacije kristala kvarca a) longitudinalni piezo efekt b) transverzalni pizo efekt

Pri longitudinalnom piezo efektu koliina elektrinog naboja zavisi iskljuivo od specifinog povrinskog pritiska a ne i od veliine kristala koji odaje naboj (prenika kristala,debljine kristala).

Pri transverzalnom piezio efektu koliina elektrinog naboja je zavisna od oblika kristala. Koliina naboja je utoliko vea ukoliko su vee dimenzije kristala u pravcu y, a manje dimenzije u pravcu X.

Nedostaci koritenja longitudinalnog piezo efekta u davaima su: mala koliina naboja u sluaju postavljanja vie ploa kristala jedan na drugi (u svrhu poveanja koliine naboja): komplikovanija je izvedba linearnost sistema se smanjuje sniava se sopstvena frekvenca

Prednosti koritenja longitudinalnog piezo efekta u davaima su: kompaktna izvedba velika otpornost na mehanika djelovanja.Da bi se odklonuli nedostaci davaa koji koriste longitudinalni efekt, firma AVL razvila je modularni princip gradnje davaa koji je prikazan na slici 11.

Slika 11. ematski prikaz AVL kvarcnog mikromodula

U svrhu razlikovanja gradnje davaa sa longitudinalnim i transverzalnim efektom na slici 12 data je njihova usporedba.

Slika 12. Poreenje konstrukcije kvarcnih davaa sa longitudinalnim i transverzalnim piezo efektomVeliine koje karakteriu piezoelektrini dava jesu: Linearnost, Osjetljivost, Izolacija, Temperaturno ponaanje, Ponaanje pri ubrzavanju, Sopstvena frekvenca, Vijek upotrebe.

-LinearnostKoliina naboja koja se emituje od kristala piezoelektrinog davaa proporcionalan je sili kojom je kristal optereen. Ukoliko nastupi nelinearno ponaanje piezoelektrinog davaa uzrok treba traiti u mehanikoj konstrukciji samog davaa ili ostalim elektronskim elementima mjerne linije.

-OsjetljivostOsjetljivost piezoelektinog davaa koji radi na principu longitudinalnog efekta prvenstveno zavisi od broja korienih kristala. Dakle, poveanje osjetljivosti ovakve konstrukcije se moe poveati iskluivo poveanjem broja koritenih ploa kristala.

Kod dfavaa koji se zasnivaju na transferzalnom piezoelektrinom principu, na osjetljivost se moe uticati putem dimenzija stubova koritenog kvarca.

-IzolacijaKod davaa namijenjenih za upotrebu pri niim temperaturama kao izolacioni materijal koristi se teflon, dok se pri izlaganju viim temperaturama koristi keramika.

-Temperaturno ponaanjeKristali se mogu zagrijavati do temperature od 573 C bez da izgube svoja piezoelektrina svojstva. Emitovani naboj se sa poveanjem temperature smanjuje i pri dostizanju 573 C iznosi 0. Nakon to se kristal ohladi osjetljivost se u punom obimu ponovo uspostavlja. Ukoliko se kristal zagrije iznad njegove temperature topljenja trajno gubi piezoelektrini efekat.

-Sopstvena frekvencaSopstvena frekvenca piezolektrinog davaa pritiska zavisi u prvom redu od mase medija koji se nalazi izmeu kristala i mjerenog medija, te od same konstrukcije davaa. Kod davaa pritiska malih dimenzija moe se postii sopstvena frekvenca do 200 kHz, pa ak i vea.

-Vijek trajanjaPravilnim koritenjem kristala njegov vijek trajanja je neogranien. Piezo efekat ostaje u kristalu postojan i nakon dugogodine uptrebe, Mehaniko preoptereenje kristala zbog prekoraenja njegovog mjernog podruja je skoro pa nemogua.

Slika 13. Prikaz vodeno hlaenog piezo elektrinog davaa (AVL)a) ematski prikazb) konstruktivna izvedba

Slika 14. Prikaz davaa ugraenog u svjeicu (proizvoa Kistler)

4. Osnovna oprema neophodna za snimanje indiciranog pritiska u cilindruMjerni sistem za mjerenje dinamike komponente pritiska se sastoji od piezoelektrinog davaa, pojaivaa naboja i registratora (osciloskopa). Piezoelektrini dava marke Kistler postavljen je u svjeicu koja omoguava njegovo spajanje sa cilindrom motora sus. Dava se putem koaksijalnog kabla povezuje sa osciloskopom. ema mjerne linije prikazana je na slici 11.

Slika11. Blok ema mjerne linije sa piezoelektrinim davaem pritiska

5. Informacije neophodne za dobijanje razvijenog dijagrama pritiskaZa dobijanje razvijenog dijagrama pritiska informacije koje su potrebne su broj obrtaja i optereenje motora u tom trenutku kojem vrimo mjerenje pomou davaa i karakteristike motora.

6. Pretvaranje vremenske skale [s] u uglovnu [] skaluAko imamo vrijeme u sekundama (s) i ako se to pomnoi sa ugaonom brznom (rad/s) dobijemo skalu u radijanima. Kako je veza izmeu radijana i stepeni: rad =180 to konano dobijemo skalu u ().tj. ako je x koordinata neke take npr. 5 s i ako je broj obrtaja konstantan sve vrijeme onda je 5 s = broj radijana koje je obrnulo koljenasto vratilo do tog momenta.

7. Odreivanje pritiska u bar-ima

Pritisak izmjeren piezoelektrinim davaem je proporcionalan svjetlosnom zapisu na ekranu osciloskopa. Vrijednost pritiska se rauna kao:

gdje su:p pritisak h visina svjetlosnog zapisa na ekranu osciloskopa (div) pojaanje osciloskopa (V/div) pojaanje pojaivaa naboja (bar/V)

Npr.Ako je signal na ekranu osciloskopa zasvijetlio do visine 2,25 div, te ako je pojaiva naboja podeen na = 20 bar/V i pojaanje osciloskopa = 1 V/div to je vrijednost mjernog pritiska

Zakljuak

Pri izradi laboratorijske vjebe smo se upoznali sa nainom rada u laboratoriji, praktino iskusili kako se rukuje sa instrumentima, uli smo o tome kako se kreu cijene odreenih instrumenata. Pri mjerenju pritiska u cilindru smo koristili mjerni ureaj tipa K (sa termo elementima od eljezo-konstantana). Primjetili smo i razliku izmeu pritiska iste kompresije i pritiska u cilindru kada postoji sagorijevanje.

Literatura

Filipovi I.,Bibi D.,Pikula B.,Trobradovi M., Metode ispitivanja motora i vozila (metodiki praktikum),Sarajevo ,2005.http://www.riteh.uniri.hr/zav_katd_sluz/zvd_teh_term_energ/nas/laboratorijske_vjezbe_%2007/2_tlak.pdf

2