Druk van een vat meten

Beste,

Als opdracht moet ik de druk van een vat meten. Opzich niet zo'n groot probleem tot de eisen van de opdracht. Zo mag er niets in het vat worden geplaatst wegens explosiegevaar. Dus nu zou ik de druk in het vat moeten meten door gebruik te maken van de uitzetting die het vat zal ondervinden door de druk. Deze uitzetting zal ik dan via een rekstrookje opmeten en vervolgens omvormen naar een druk die aanwezig is in het vat. Het is zo dat er enkele compensaties nodig zijn zoals de temperatuur want deze zal de uitzetting van het vat ook gaan beïnvloeden maar ook de luchtdruk zal ik mee in rekening moeten brengen.

Dus voor deze opstelling moet ik gebruik maken van 3 sensoren: één rekstrookje, temperatuurmeting en meeting van de luchtdruk. Dit omdat de druk in het vat kan variëren van 0 tot en met 8bar en de druk moet gekend zijn tot op 10mbar.

Ik weet ook wel dat er explosievrije drukopnemers bestaan maar deze mag ik van de leerkracht niet gebruiken omdat er dan wel iets in het vat wordt geplaatst. Daarom zal ik het moeten doen zoals hierboven beschreven staat.

Nu zijn er geen gegevens bekend van het soort vat en wat voor stof er in het vat komt vloeibaar,gasvormig. Ik dacht al om gebruik te maken van een boltank omdat de uitzetting hier langst alle kanten gelijk is en het dus niet uit maakt waar ik mijn rekstrookje plaats. Maar nu is de vraag hoe kan berekenen hoeveel het rekstrookje zal uitzetten onder invloed van de druk? Dit is vooral mechanica en dit is een vak dat sinds dit jaar is afgeschaft bij onze richting.

Ik heb op Wikipedia wel al onderstaande formule gevonden voor een boltank enkel weet ik niet wat ze bedoelen met membraanspanning en ook in welke eenheden al de gegevens moeten staan. Ook zie ik in deze formule niets terug van het gebruikte materiaal. Afhankelijk van het gebruikte materiaal van het vat zal deze toch harder of minder hard uitzetten?

Formule Wikipedia
Je kan de formule terugvinden onder het titeltje "Wanddikte van drukvaten"

Vriendelijke groeten
RS232

Even rustig dat artikeltje op wikipedia helemaal doorlezen. De membraanspanning is gewoon de spanning in de tankwand. Het membraan is de tankwand. Gebruik gewoon de (afgeleide) eenheden volgens het SI-stelsel (Newton, Volt, Ampere, seconde enz. enz). De membraanspanning is onafhankelijk van het gebruikte vatmateriaal, dus komt dat ook niet in de formule voor. Afhankelijk van de maximaal optredende membraanspanning kies je de wanddikte en wandmateriaal. Aan de hand van de elasticiteitsmodulus van het gekozen materiaal kan je uitrekenen hoeveel het vat opzwelt bij gegeven druk.

Bezoek mijn neefjes' site: www.tinuselectronics.nl

Druk en membraan- of omtrekspanning hebben allemaal dezelfde eenheid: Pascal.

Elasticiteitmodulus ook! 210 GPa voor staal.

8 Bar is 7 bar verschil, 700 000 Pa

bolvat van 0,01m dik en 1m radius:

700 000*1/2*0,01=35 000 000 Pa

Lengteverschil = ......

Tip: rekstrookje heeft dezelfde temperatuur als vat..

Ik heb de berekening eens gedaan voor een druk van 0.01bar maar maar ik vind dat de uitwijking nogal klein is.

Dus stel ik heb een boltank uit staal met een straal van 2.207m (45000 L) en een wand dikte van 4mm. (is dit realistisch of moet de wand nog dikker zijn? druk tot 8bar)

membraanspanning = (1000*2.207)/(2*0.004) = 275875Pa

relatieve lengte verandering = 275875Pa / 210GPa = 1.3137*10^-6 (dimensieloos? Pa wordt door Pa weg gedeeld)

Stel een excitatiespanning van 2V op de wheatstone brug en een guage factor van 2.

U = (2V* 2 * 1.3137*10^-6)/4 = 1.31369µV

Dus 1.31369µV per 10mBar.

Ik had onderstaande opnemer in gedachten omdat deze met Labview kan communiceren.

http://www.ni.com/pdf/manuals/376918a_02.pdf
Kijk P24 voor specificaties ik heb een rekstrookje van 120ohm gekozen

Zou de ruis van de omvormer al geen grote invloed hebben op het uiteindelijke resultaat omdat de signaalverandering zo klein is?

Goede tip trouwens het verschil tussen de materialen van het rekstrookje en van het vat zullen we zo goed als verwaarloosbaar zijn. Dan moet ik eigenlijk 2 sensoren hebben in het totaal 1 rekstrookje die de uitzetting gaat opmeten en 1 voor de luchtdruk.

Er zijn leveranciers van rekstrookjes die meer info hebben dan Wikipedia.

Of
https://de.wikipedia.org/wiki/Dehnungsmessstreifen

(leuk dat laatste woord.)

Peter112

Special Member

En hoe compenseer je als het vat 50 graden in temperatuur stijgt of daalt ?

Op 20 mei 2017 23:16:09 schreef RS232:

relatieve lengte verandering = 275875Pa / 210GPa = 1.3137*10^-6 (dimensieloos? Pa wordt door Pa weg gedeeld)

Of dat getal realistisch is weet ik niet, maar dimensiloos klopt: Het is het aantal meters dat ie uitrekt voor iedere meter materiaal.

four NANDS do make a NOR . Kijk ook eens in onze shop: http://www.bitwizard.nl/shop/

Op 21 mei 2017 19:41:19 schreef Peter112:
En hoe compenseer je als het vat 50 graden in temperatuur stijgt of daalt ?

Is het niet zo als je een rekstrookje neemt met dezelfde uitzettingscoefficient als die van het vat de temperatuur wordt gecompenseerd omdat de operavlakte van het rekstookje ook lichtjes mee gaat stijgen en dus de weerstand terug zal dalen?

Indien dit niet zo is kan ik altijd gebruik maken van twee rekstrookjes die op dezelfde temperatuur staan maar 1 hier van gaat enkel de uitzetting het andere rekstrookje dient echter alleen om de temperatuur te compenseren en mag dus geen vervorming ondergaan. Als men deze dan samen opneemt in de brug van Wheatstone zal de temperatuur worden geëlimineerd.

Het lijkt me, zonder materiaalkundige berekeningen, vrij eenvoudig aan te tonen dat die mogelijk is. Er bestaan immers stalen loadcells, op basis van rekstrookjes, waarmee je ijkwaardig op 6000 schaaldelen kunt meten, en als het niet ijkwaardig hoeft, nog wel een factor 5 tot 10 meer dan dat.

Een maximale druk van 8 bar en een gewenst oplossend vermogen van 10 millibar komt neer op maar 800 schaaldelen. Uiteraard moet je nog wat meer werk doen voor een daadwerkelijke nauwkeurigheid van 10 millibar (o.a. temperatuurcompensatie, lineariteitscorrectie, etc.), en groter oplossend vermogen helpt daarbij ook zeker.

Mijn punt is dat het mogelijk moet zijn om dit meetbaar te maken; als je onvoldoende uitslag krijgt, is de wand van het drukvat dus veel te dik. Nu heb je absoluut een gezonde veiligheidsmarge nodig, maar daar heb je ook wel wat ruimte voor.

Een excitatiespanning van 2V is wel erg weinig; de rekstrookjes en industriële loadcells die ik ken, hebben meestal een excitatiespanning van 5, 10, of zelfs 15V. Voor de hogere spanningen heb je uiteraard rekstrookjes nodig met een hogere weerstand. 1k is normaal voor 15V, als ik me goed herinner; bij lagere weerstanden zit je meestal op 5V.

Een industrie standaard loadcell doet 2mV/V (soms 3mV/V) bij vollast; 5V excitatie geeft je dus 10mV signaal, en met 6000 schaaldelen is dat dus 1.6uV per schaaldeel; dat is in de orde van grootte die jij uitgerekend hebt.

Een manager is iemand die denkt dat negen vrouwen in één maand een kind kunnen maken
Peter112

Special Member

Op 21 mei 2017 21:24:45 schreef RS232:
[...]
Is het niet zo als je een rekstrookje neemt met dezelfde uitzettingscoefficient als die van het vat de temperatuur wordt gecompenseerd omdat de operavlakte van het rekstookje ook lichtjes mee gaat stijgen en dus de weerstand terug zal dalen?

Indien dit niet zo is kan ik altijd gebruik maken van twee rekstrookjes die op dezelfde temperatuur staan maar 1 hier van gaat enkel de uitzetting het andere rekstrookje dient echter alleen om de temperatuur te compenseren en mag dus geen vervorming ondergaan. Als men deze dan samen opneemt in de brug van Wheatstone zal de temperatuur worden geëlimineerd.

Normaal plak je een referentie rekstrookje haaks op de meetrekstrook zodanig dat deze niet de meten beweging opneemt. Voor je bolvat moet je dus een oplossing zoeken, bv een haakse lip op het vat.

2mV/V is inderdaad een veel voorkomende waarde. De bij 5V excitatie spanning resulterende 10mV volle schaal is een klein signaal.
De keuze van het type en de montage van het rekstrookje zijn belangrijk. Vooral de afdichting tegen vocht is van belang.

Zie bijv.:
https://www.hbm.com/nl/

Nu ben ik wel een beetje in de war geraakt met K7Jz zijn tip.

Tip: rekstrookje heeft dezelfde temperatuur als vat..

Na deze tip dacht ik dat als men een rekstrookje neemt met ongeveer dezelfde uitzettingscoëfficiënt de temperatuurinvloed minder van belang werd omdat beide (vat en rekstrookje) dezelfde temperatuurvariatie zien. Dus daarom dacht ik dat het niet meer nodig was om een referentie rekstrookje te plaatsen.

Is de temperatuur van het vat aan de zonzijde ongeveer gelijk aan de temperatuur van het vat in de schaduwzijde?
Plak je het rekstrookje op het vat?
Ikzelf zou een metalen meetlint van ruwweg 12 meter om het midden van het vat spannen en dan gewoon aflezen hoe de lengte verandert met de druk en temperatuur. Volgens mij heb je dan een grotere lengtevariatie dan met rekstrookjes. Als het meetlint van hetzelfde materiaal gekozen wordt als het vat dan heb je geen of weinig temperatuurcompensatie nodig.

[Bericht gewijzigd door ohm pi op 22 mei 2017 18:33:45 (64%)]

Bezoek mijn neefjes' site: www.tinuselectronics.nl

Als je niets in het vat mag plaatsen van je leraar om de druk te meten vanwege explosiegevaar hoe krijgt je leraar dan dit vat op druk, want als jij het niet mag, mag hij het ook niet. Ik zou gewoon een vetvrij T-stukje en een drukopnemer gebruiken in de aansluiiting. Dan zit je niet in het vat

Goed punt; er zijn gewoon EX (explosiegevaarlijke zone) druksensoren te koop, en inkopen is vrijwel altijd goedkoper dan zelf iets maken, tenzij je hele grote aantallen nodig hebt.

Je kunt ook echt creatief worden, al is het maar om je docent te stangen. Rekstrookjes zijn natuurlijk de meest voor de hand liggende optie, maar er zijn talloze andere mogelijkheden. Is je wel eens opgevallen dat een basketbal op een andere toon gaat "zingen" als je hem hard oppompt? De resonantiefrequentie veranderd met de druk, omdat de voortplantingssnelheid van geluid veranderd. Je zou die resonantiefrequentie kunnen meten, of direct voor voortplantingssnelheid.

Waarschijnlijk is een paar rekstrookjes wel de beste manier om de gewenste nauwkeurigheid te halen, maar het is nooit verkeerd om even creatief naar een probleem te kijken.

Een manager is iemand die denkt dat negen vrouwen in één maand een kind kunnen maken

Geluidssnelheid is (vrijwel) onafhankelijk van de luchtdruk. Wikipedia liegt niet. https://nl.wikipedia.org/wiki/Geluidssnelheid

Bezoek mijn neefjes' site: www.tinuselectronics.nl

De vraag is WAAROM deze opdracht zo gegeven is. Mogelijk is het: Kunnen we een slim alternatief (mogelijk goedkoper) bedenken (en werkend krijgen) om de bestaande apparatuur te vervangen?

Een T-stuk is in sommige gevallen niet praktisch. Mijn broertje werkt aan bio-reactoren. Dan is ieder hoekje wat niet goed schoongemaakt kan worden vervelend. En gladde reactor is dan veel beter.

Ik moest even puzzelen om Sparky's basketbal en ohmpi's geluidsnelheid stellingen in overeenstemming te krijgen. De basketbal zingt niet door effecten in de lucht maar doordat de buitenkant vibreert tegen de veer-constante die door de opgepompte druk wordt veroorzaakt.

Dit is natuurlijk ook een geinig effect wat je kan gebruiken om de druk te bepalen. Een nadeel is dat als je een plastic basketbal hebt, de frequentie vooral door de druk bepaald wordt: het plastic heeft inherent weinig stijfheid/vering. Dit is heel anders bij een stalen drukvat.

Maar als je een goede "vind-de-resonantie-frequentie" hebt gemaakt kan de frequentie met belachelijk hoge preciesie gemeten worden. Worst-case moet je er een STM32F334 in zetten. Die kan timing metingen doen tot op 217ps resolutie. (stel dat ie op 3kHz resoneert, dan is 1 periode 300micro seconden. Dan kan je bijvoorbeeld 2999 of 3000 periodes in 1 hele seconde waarnemen, om te constateren dat de frequentie ongeveer tussen de 2999 en de 3000 zit. 0.03% mogelijke afwijking. Maar meet je na iedere seconde de doorkomst van het eerstvolgende pulsje, dan gaat je nauwkeurigheid al snel vele ordes van grootte omhoog. Zelfs op een lullige AVR kan dit al makkelijk met microseconde nauwkeurigheid, 1ppm, mits je kristal ook op dat niveau gecalibreerd is....)

four NANDS do make a NOR . Kijk ook eens in onze shop: http://www.bitwizard.nl/shop/

@REW: goed punt; dit effect werkt natuurlijk ook gewoon bij staal; gitaarsnaren stem je immers ook door de voorspanning te veranderen.

Op 22 mei 2017 22:00:45 schreef ohm pi:
Geluidssnelheid is (vrijwel) onafhankelijk van de luchtdruk. Wikipedia liegt niet. https://nl.wikipedia.org/wiki/Geluidssnelheid

De weerstand van een rekstrookje is ook "vrijwel" onafhankelijk van de rek ervan; 2mV/V in een brug configuratie betekend 0.05% verandering van onbelast tot maximale rek. Toch gebruiken we rekstrookjes om rek te meten.

Frequentie is een van de weinige variabelen die we met extreme nauwkeurigheid kunnen meten, omdat we daar hele goede referenties voor hebben. Kristallen zijn relatief slecht, maar op korte termijn goed genoeg als je op een iets langere tijdschaal (tientallen secondes) een mogelijkheid hebt om de afwijking te meten, zoals een GPS ontvanger. Veel beter dan GPS gaat het niet worden met "betaalbare" middelen.

Uiteraard zijn er nog meer factoren die invloed hebben op de geluidssnelheid (o.a. de temperatuur), maar daar kun je voor compenseren.

[Bericht gewijzigd door SparkyGSX op 23 mei 2017 09:06:23 (22%)]

Een manager is iemand die denkt dat negen vrouwen in één maand een kind kunnen maken

Temperatuurscompensatie?

De druk zou kunnen veranderen door temperatuurwijziging, dat wil je juist wel meten lijkt me. Als de bol uitzet of krimpt wordt de druk lager respectievelijk hoger, dat wil je ook meten. Je wilt dus dat het rekstrookje alleen reageert op druk en niet op temperatuur. Doet het dat wel, dan pas ga je spreken over compensatie lijkt me.

Je schrijft dat je niet weet of er een gas of vloeistof in de bol komt, maar je schrijft ook dat de druk overal in de bol gelijk zal zijn. Dat is dus alleen waar als er een gas in de bol komt!

Het uitzetten van de bol/tank bestaat uit twee delen
1 - door de druk van het gas of vloeistof
2 - door temperatuurverhoging van de tank zelf. Trefwoord: uitzettingscoëfficiënt
De uitzetting tgv de 2e factor dient gecompenseerd te worden.

Bezoek mijn neefjes' site: www.tinuselectronics.nl

Oeps, jep. La

Op 23 mei 2017 21:04:35 schreef necessaryevil:
Temperatuurscompensatie?

De druk zou kunnen veranderen door temperatuurwijziging, dat wil je juist wel meten lijkt me. Als de bol uitzet of krimpt wordt de druk lager respectievelijk hoger, dat wil je ook meten. Je wilt dus dat het rekstrookje alleen reageert op druk en niet op temperatuur. Doet het dat wel, dan pas ga je spreken over compensatie lijkt me.

Je schrijft dat je niet weet of er een gas of vloeistof in de bol komt, maar je schrijft ook dat de druk overal in de bol gelijk zal zijn. Dat is dus alleen waar als er een gas in de bol komt!

Oeps, jeps, niet helemaal goed gelezen.

Is dit een theoretische oefening of moet je het ook praktisch uitvoeren?

Ik ken firma's die vaten afvullen met gas en daarvoor een weegschaal gebruiken.
Denk aan gas voor verwarming van huizen: de vrachtwagens gaan eens leeg en eens vol op de weegbrug, het verschil is de netto hoeveelheid gas die in de tank zit.

En aangezien het volume van de tank gelijk blijft zal de druk moeten stijgen, alhoewel dit ook zal afhangen van het soort gas denk ik (sommige gassen gaan over naar vloeibaar of vaste stof als de druk stijgt).

8 bar drukverschil is nu wel niet zoveel in vergelijking met andere invloeden op het wegen maar in theorie lijkt het mij wel mogelijk.

Als je "gas levert" wil je weten hoeveel gas je levert. Dus het gewicht van de vrachtwagen meten levert precies op wat je wilt weten: hoeveel gas zit er in? De druk is van ondergeschikt belang. (*)

Een tankwagen schijnt volgens wikipedia 20 tot 40 kuub te bevatten. Als de boel vloeibaar wordt, zal de dichtheid wel ongeveer 0.8 gaan bedragen, dus zo'n 16-32 ton aan gas. Da's prima meetbaar, zelfs met een complete vrachtwagen er bij.

Gaat het om gasvormig gas, dan zit er 20-40 kg per bar druk in (da's voor lucht) (aardgas, CH4 is nog eens 2x lichter). Bij 8 bar, zou je dan slechts 80-160kg (aardgas) kunnen hebben. Dat wordt tricky meten. Als de chauffeur een weekendtas aan een collega heeft gegeven maakt dat significant uit.

(*) Hoewel je aardgas op de rekening in "kuub" wordt uitgedrukt, en dat sterk afhankelijk is van druk en temperatuur, verzekert m'n energieleverancier me dat ze daarvoor corrigeren en een standaard kuub bij een standaard druk en temperatuur meten. Gewoon een bepaald GEWICHT aan gas dus.

[Bericht gewijzigd door rew op 26 mei 2017 18:29:09 (17%)]

four NANDS do make a NOR . Kijk ook eens in onze shop: http://www.bitwizard.nl/shop/

Dat lijkt me een loadcell het een paar flinke magneten; zo simpel en doeltreffend dat je je afvraagt waarom je dat zelf niet bedacht hebt.

Een manager is iemand die denkt dat negen vrouwen in één maand een kind kunnen maken