EMEI08 - Arqu...da 2a Pratica - th2 - medi??o de press?o e lei de boyle

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(Parte 1 de 2)

Apostila Prática 02 EMEI08 – Laboratório de Fenômenos de Transporte

Lei de Boyle

Aparelho TH2

Professor: Prof. Rogério Fernandes Brito

Visão Geral
Diagramas do Equipamento
Descrição
Visão Geral
Operação
Operação do Equipamento
Exercícios de Ensino Laboratorial
Índice para Exercícios
Nomenclatura
Pressão relativa e absoluta
Dados técnicos

Índice Exercício D - Lei de Boyle ................................................................................................

Visão Geral

A gama TH é projetada para apresentar aos alunos os princípios fundamentais da termodinâmica. A gama de equipamentos inicia em conceitos básicos como medição de pressão e temperatura e conduz para a introdução das relações entre esses fundamentos, a primeira e a segunda lei da termodinâmica, os princípios de reversibilidade, entropia, entalpia e etc.

O equipamento permite ao aluno obter uma real compreensão sobre esses princípios. A pequena escala do equipamento permite que exercícios de aprendizagem relevantes sejam realizados em um período de tempo relativamente curto.

Este manual de instruções descreve a operação do equipamento de "Medição de Pressão e Calibração" TH2 que foi projetado pela Armfield para apresentar aos alunos o conceito de pressão e como diferentes técnicas podem ser empregada para medir essa variável.

Diferentes pressões fixas são geradas utilizando um Calibrador de Pressão de Peso Morto com a finalidade de calibrar os dispositivos de medição. Um manômetro de Bourdon e sensor de pressão eletrônico são conectados ao calibrador para possibilitar que suas características, incluindo precisão e linearidade, sejam determinadas.

O Calibrador de Pressão de Peso Morto pode ser utilizado para calibrar manômetros ou sensores de pressão diferentes dos fornecidos como parte do TH2 ao longo da faixa de 0 a 200 kNm-2.

A saída elétrica do sensor de pressão está disponível como um sinal de tensão para conexão direta com um PC através de um dispositivo de interface opcional (uma interface de PC e Windows com base no Software Educacional está disponível para suportar o equipamento de Medição de Pressão e Calibração TH2).

O TH2 também pode ser utilizado para provar a lei de Boyle, a qual se aplica a um gás ideal, que mostra que quando a temperatura é constante, a pressão e o volume são inversamente proporcionais.

Equipamento de Medição da Pressão e Calibração TH2

Diagramas do Equipamento Figura 1: Vista Superior do Equipamento de Medição e Calibração TH2

Manual de Instruções da Armfield

Figura 2: Vistas frontais do Equipamento de Medição da Pressão e Calibração TH2 (Partes removidas para possibilitar melhor clareza)

Diagramas do Equipamento Figura 3: Vistas Frontal e Traseira do Console Elétrico TH2

Descrição Quando necessário, consulte os desenhos na seção Diagramas do Equipamento.

Visão Geral

O equipamento é uma unidade superior de bancada projetado para apresentar aos alunos a pressão, escalas de pressão e dispositivos comuns disponíveis para medir a pressão.

O equipamento compreende um Calibrador de Pressão de Peso Morto para gerar um número de pressões predeterminadas, conectado a um manômetro de Bourdon e sensor de pressão eletrônico para permitir que suas características, incluindo a precisão e linearidade, sejam determinadas. O Calibrador de Pressão de Peso Morto, manômetro de Bourdon e o sensor de pressão são montados em uma placa de base em PVC comum. O console elétrico é independente.

O Calibrador de Pressão de Peso Morto consiste de um pistão de precisão (10) e cilindro correspondente (1) com um conjunto de pesos (12). Em condições normais de uso, a combinação adequada de pesos é aplicada na parte superior do pistão para gerar a pressão predeterminada desejada e, depois, o pistão é ajustado rotativo para reduzir o atrito vertical enquanto as leituras dos dispositivos de medição são registradas. A faixa de operação do Calibrador de Pressão de Peso Morto e a instrumentação é de 20 kNm-2 a 200 kNm-2.

O manômetro de Bourdon (5) e o sensor de pressão (6) são montados sobre um bloco do coletor (2) com um tanque de escorva (4) para conter o fluido hidráulico, o qual foi escolhido para ser água, de forma a garantir a segurança e utilização fácil. Uma válvula de escorva (7) entre o reservatório e o bloco do coletor permite que o cilindro, bloco coletor e um medidor de teste sejam facilmente preparados com água e prontos para o uso. Uma válvula amortecedora (8) entre o cilindro e o bloco do coletor permite que o fluxo de água seja restringido para demonstrar a aplicação de amortecimento. Uma válvula de isolamento adicional (9) no bloco do coletor permite que a água seja drenada a partir do bloco do coletor ou permite que os dispositivos alternativos sejam conectados para calibração. Esses dispositivos podem ser testados ao longo da faixa de 20 kNm-2 a 200 kNm-2.

O terminal da mangueira no acoplamento com válvula de liberação rápida (30) na parte superior do bloco do coletor conecta a seringa na unidade para demonstrar a lei de Boyle.

O manômetro de Bourdon (5) fornecido é um instrumento industrial tradicional com uma escala rotativa e um indicador mecânico. O medidor tem um diâmetro dial de 6" que incorpora uma escala arbitrária calibrada em graus de rotação (independente de unidades de pressão), além da escala normal calibrada em unidades de kNm-2. Uma face frontal de acrílico transparente permite a observação do tubo de Bourdon e o mecanismo que converte o movimento do tubo de Bourdon para rotação do ponteiro indicador.

O sensor de pressão eletrônico (6) fornecido incorpora um diafragma semicondutor que deflete quando a pressão é aplicada pelo fluido de trabalho. Essa deflexão gera uma saída de tensão que é proporcional à pressão aplicada. O sensor de pressão deve ser conectado ao soquete (20) marcado como "Pressure Sensor" na parte frontal do console.

A fonte de alimentação, os circuitos de condicionamento de sinal e etc. estão contidos em um console elétrico simples (15) com dispositivos de proteção de corrente apropriados e um RCD (26) para a proteção do operador. O console elétrico é projetado para dar suporte a todo o Calibrador de Pressão de Peso Morto sobre a bancada de teste.

Todos os circuitos na parte interna do console são operados por meio de um interruptor on/off (liga/desliga) da rede de energia elétrica (16) na parte frontal do console.

Descrição

Os vários circuitos na parte interna do console estão protegidos contra corrente excessiva através dos minidisjuntores, conforme a seguir:

CONT (27) Esse disjuntor protege a fonte de alimentação e os circuitos na parte interna do console.

O/P (28) Esse disjuntor protege a saída elétrica marcada como OUTPUT (23) na parte traseira do console. O soquete é utilizado para alimentar a interface IFD3 utilizada para registro de dados.

A tensão do sensor de pressão é exibida em um medidor digital (17) no console elétrico. Um circuito de condicionamento adicional incorpora ajustes de zero e span e permite que a saída de tensão do sensor de pressão seja convertida e exibida como um medidor de pressão de leitura direta calibrado em unidades de pressão. O controle de zero (21) e controle de span (2) são montados na parte frontal do console para facilidade de uso. Uma chave seletora (18) permite que a tensão do sensor ou a leitura da pressão de leitura direta seja exibida conforme a necessidade. A tensão do sensor de pressão é simultaneamente conectada a uma porta E/S (19) para conexão com um PC, utilizando um dispositivo de interface opcional (TH-IFD) com o pacote do software educacional (TH2-303).

Alternativamente, o sinal pode ser conectado a um registrador de sinais fornecido ao usuário, se necessário. As conexões elétricas para o conector da Porta E/S estão listadas em Conexões para a Porta E/S.

Antes da utilização, o tanque de escorva ser abastecido com água limpa (preferencialmente desionizada ou água desmineralizada) e o calibrador, manômetro de Bourdon e o sensor de pressão totalmente escorvados.

Operação Quando necessário, consulte os desenhos na seção Diagramas do Equipamento.

Operação do Equipamento

Este equipamento foi projetado para operar sobre uma faixa de pressões de 0 kN/m² a 200 kN/m². Uma pressão superior a 200 kN/m² pode danificar os sensores de pressão. Para evitar tais danos, NÃO APLIQUE PRESSÃO CONTÍNUA NA PARTE SUPERIOR DA HASTE DO PISTÃO ENQUANTO A VÁLVULA DE ESCORVA ESTIVER FECHADA, exceto pela aplicação das massas fornecidas. Um impulso pode ser aplicado ao pistão quando operar em uma pressão de fluido inferior a 200 kN/m². Esse procedimento está descrito no Exercício A.

O procedimento a seguir deve ser seguido para escorvar O Calibrador de Pressão de Peso Morto e os sensores de pressão, antes de tomar as leituras:

O pistão e o cilindro são combinados para garantir um ajuste preciso. Se mais de um TH2 (ou F1-1) for utilizado em laboratório, então, será necessário tomar cuidado para não confundir os pistões e os cilindros. O emparelhamento correto pode ser assegurado, verificando se a marca na extremidade do pistão corresponde à marca na flange do cilindro.

Nivele o equipamento utilizando os pés ajustáveis. Um nível de bolha circular foi fornecido para essa finalidade, montado na base do calibrador de pressão de peso morto.

Verifique se a válvula de drenagem (na parte traseira da base do manômetro de Bourdon) está fechada. Abasteça o tanque de escorva com água (preferivelmente, com purificada ou água desionizada). Abra a válvula amortecedora e a válvula de escorva.

Com ausência de massas no pistão, puxe lentamente o pistão para cima em uma distância de aproximadamente 6 cm (ou seja, um curso completo do pistão). Isso extrai água do tanque de escorva para o sistema.

Direcione o pistão firmemente para baixo, para eliminar o ar da parte de trás do cilindro em direção ao tanque de escorva.

Repita essas duas etapas até que nenhuma bolha esteja visível no sistema. Pode ser útil elevar a seção central do tubo de retorno entre o bloco do coletor e o tanque de escorva. Isso ajudará a evitar que o ar retorne para o sistema quando o pistão for levantado.

Eleve o pistão próximo à parte superior do cilindro, tomando cuidado para não elevá-lo suficientemente para permitir que o ar entre e, em seguida, feche a válvula de escorva.

O procedimento a seguir descreve a calibração do sensor de pressão semicondutor. O procedimento é diferente se estiver utilizando o software TH-303 opcional, no qual os usuários devem, em vez disso, consultar o Texto da Ajuda fornecido com o software:

O procedimento assume que o equipamento já foi instalado conforme descrito na seção Comissionamento.

Remova o pistão do cilindro e alterne o botão seletor no console para "Pressure".

Gire o controle para "zero" no console até que o display leia zero. Isso ajusta o primeiro ponto de referência para a calibração do sensor.

Retorne o pistão para o cilindro e escorve novamente o sistema, conforme descrito acima. Coloque todas os massas fornecidas no pistão, com a massa maior (2 ½ kg) sendo adicionada por último. Isso corresponde a uma pressão aplicada de 200 kN/m²

Gire o pistão e ajuste a unidade de controle de "span" até que a saída do sensor corresponda à pressão aplicada. Isso ajusta o segundo ponto de referência para a calibração.

A calibração pode ser testada, aplicando uma massa ao pistão, girando o pistão no cilindro e, em seguida, comparando a pressão aplicada à saída do sensor. Cada ½ kg de massa aplicada corresponde a 20 kN/m² da pressão aplicada. O próprio pistão fornece uma pressão aplicada de 20 kN/m².

Exercícios de Ensino Laboratorial Índice para Exercícios

Exercício D - Lei de Boyle

Nomenclatura A nomenclatura a seguir foi utilizada para a teoria e os cálculos apresentados neste manual:

Nome Símbolo Unidade Tipo Definição

Diâmetro do pistão d m Fornecido

O diâmetro do pistão do calibrador de pressão de peso morto. Isso pode ser substituído com suas próprias medições, se desejado.

Área transversal A m² Calculado

Área transversal do cilindro do calibrador de pressão de peso morto.

Massa do pistão

Mp kg Fornecido

Massa do pistão do calibrador de pressão de peso morto. Isso pode ser substituído com suas próprias medições, se desejado.

Massa sobre o pistão

Mm kg

Gravado Massa aplicada ao pistão.

Massa aplicada

Ma kg

Calculado Ma = Mp + Mm

Aceleração devido à gravidade g m/s²

Fornecido g = 9,81 m/s²

Força aplicada

F kg Gravado

Força aplicada ao fluido no sistema pelo pistão e massas.

F = g x Ma

Pressão aplicada

N/m² Calculado

Pressão aplicada ao calibrador de pressão de peso morto.

Pressão barométrica

Patm

N/m² Gravado

Pressão ambiente (atmosférica) dos arredores.

Pressão absoluta

Pabs

N/m² Calculado

Pressão aplicada relativa à pressão do vácuo total.

Ângulo do ponteiro graus Gravado

Ângulo do ponteiro tomado da escala do manômetro de Bourdon.

Saída do semicondutor e V Gravado

Saída do semicondutor tomada pelo display do console.

Manômetro de Bourdon indicado

Pb

N/m² Gravado

Pressão do medidor tomada pela escala do manômetro de Bourdon.

Pressão de semicondutor indicada

Ps

N/m² Gravado

Saída do semicondutor calibrado tomada pelo display do console.

Nomenclatura para Análise de Erros A nomenclatura a seguir foi utilizada para a análise de erros apresentada neste manual:

Nome Definição Cálculo

Valor indicado

Leitura do medidor, ou seja, a pressão indicada pelo sensor utilizado

Pi = Pb ou Ps, dependendo do sensor utilizado

Valor real

Pressão real, pressão aplicada pelo calibrador de pressão de peso morto Valor real = Pressão aplicada, Pa

Intervalo

Faixa de valores totais abrangidos nos resultados ou faixa de valores totais mensuráveis na escala do instrumento.

Faixa = Maior resultado – Menor resultado = Pi máx. – Pi mín.

ou

Leitura mínima possívelleitura (200

Faixa = Leitura máxima possível – kN / m² para equipamento utilizado)

Precisão Provavelmente os resultados estão de acordo entre si.

Sem cálculo. Os dados precisos têm uma dispersão pequena, indicando erro aleatório mínimo

Diferença real

Módulo da diferença entre o valor indicado e o valor atua ea = |Pi - Pa|

Precisão

Diferença máxima entre a pressão indicada e a pressão real ea máx. = |(Pi – Pa)máx.|

Precisão percentual da leitura de escala real

Maior diferença entre a pressão indicada e a pressão real, como um percentual da pressão real.

Precisão percentual da leitura de escala total

Maior diferença entre a pressão indicada e a pressão real, como um percentual de uma faixa.

Média Soma dos resultados dividida

pelo número dos resultados.

Desvio absoluto

Diferença entre um resultado único e a média de vários resultados da = |Pi - Pmédio

Desvio médio

Soma dos desvios absolutos dividida pelo número de desvios absolutos

Desvio padrão Normalmente valor utilizado

em análise de dados estatísticos médio máx.

Faixa máx.

Pressão relativa e absoluta

A medição de qualquer propriedade física se baseia na comparação com algum ponto de referência fixo. A pressão é uma dessas propriedades e a medição da pressão deve começar pela definição de um ponto fixo adequado. Uma referência óbvia é aquela da pressão ambiente dos arredores. Escalas de pressão têm sido baseadas em torno de um ponto zero da pressão da atmosfera ao nível do mar. Pressões inferiores à pressão atmosférica são atribuídas valores negativos; pressões superiores à pressão atmosférica têm valores positivos.

Medidores para medição de pressão fornecem leituras relativas a esse ponto zero através da comparação da pressão de interesse com a pressão do ar circundante. A pressão medida com um determinado medidor é dada em relação a um valor fixo e, em algumas vezes, é chamada de pressão manométrica. Medidores medem a diferença de pressão entre a pressão a ser medida e a pressão barométrica (ambiente). Isso poderá, então, precisar de ajustes para considerar qualquer diferença entre a pressão barométrica e a pressão ao nível do mar.

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