1. No category

NESTEEN TIHEYDEN MITTAUS
AALTO-YLIOPISTO
INSINÖÖRITIETEIDEN KORKEAKOULU
KON-C3004 Kone- ja rakennustekniikan laboratoriotyöt
Emma Unonius, Justus Manner, Tuomas Hykkönen
15.10.2015
Sisällysluettelo
Teoria ................................................................................................................................................................ 2
Tutkimusongelman määrittäminen................................................................................................................... 3
Tarve ............................................................................................................................................................. 3
Tavoitteet ja tulos .......................................................................................................................................... 3
Laajuus .......................................................................................................................................................... 3
Reunaehdot ................................................................................................................................................... 3
Mittaussuunnitelma.......................................................................................................................................... 4
Lähestymistapa .............................................................................................................................................. 4
Mittausjärjestelmä ......................................................................................................................................... 4
Aikataulu ....................................................................................................................................................... 4
Tiedonhaku aihealueelta ................................................................................................................................ 5
Mittausten toteutus .......................................................................................................................................... 6
Tulosten kirjaaminen ja käsittely ...................................................................................................................... 6
Turvallisuustarkastelu ....................................................................................................................................... 6
Virhetarkastelu ................................................................................................................................................. 6
Lähteet .............................................................................................................................................................. 7
1
Teoria
Venymäliuska on herkkä anturi, joka on tarkoitettu mittaamaan materiaalin venymää.
Venymäliuska toimii mittaamalla anturin resistanssin muutosta. Kun mitattava aine venyy tai kutistuu,
johdelangan resistanssi muuttuu. Tähän vaikuttavat mitattavan aineen resistiivisyys, johtimen pituus sekä
poikkipinta-ala seuraavasti:
/^2
Kun mitattava aine venyy, sen tilavuus muuttuu. Tämä tarkoittaa muutosta sekä aineen poikkipinta-alassa sekä
pituudessa. Kaavan mukaan, se vaikuttaa myös resistiivisyyteen. [1]
Venymäliuska-kokeet usein vaativat vahvistimia, sillä jännitteen muutokset ovat usein millivolteissa. [2]
Kuva demonstroi venymäliuskan toimintaa [3]
2
Tutkimusongelman määrittäminen
Tarve
Nesteet muodostuvat usein seoksista, joiden tiheyksistä ei ole varmaa tietoa
Tiheyttä tarvitaan useissa käytännön sovelluksissa sekä laskelmissa, jolloin tarvitaan tietoa sen hetkisen aineen
tiheydestä. Tälle kokeella pyritään valmistamaan laite, jonka avulla tarvittavan tiedon selvittää hetkessä. Tämä
laite on tarkoitus koota laboratoriosta löytyvistä laitteista ja käyttää apuna vain venymäliuskaa.
Tavoite ja tulos
Tavoitteemme on suunnitella ja toteuttaa kohtuullisen yksinkertainen ja varma, toimiva kokeellinen
tutkimusmenetelmä nesteen tiheyden mittaamiselle. Tekemällä laitteesta yksinkertaisen ja helppokäyttöisen
pystymme välttämään vääriä tuloksia, sillä mitä monimutkaisempi laite on, sitä varmemmin käyttö on
huolimatonta ja virheellistä.
Laajuus ja syvyys
Tiheysmittarin ei tarvitse olla kannettava, mutta mittausten toistaminen täytyy onnistua laboratorioolosuhteissa. Mitataan nesteiden tiheyksiä, ei kiinteiden tai kaasumaisten aineiden.
Reunaehdot
Koe on tarkoitus toteuttaa käyttämällä venymäliuskoja. Kokeessa käytettävät laitteet, välineet ja materiaalit
rajoittuvat niihin mitä koululla on meille tarjota. Lisäksi toimimme kurssin puitteissa, eli aikataulu sekä budjetti
on jo valmiiksi määrätty.
3
Mittaussuunnitelma
Lähestymistapa
Nesteen tiheyttä ei tiedetä, eikä sitä kyetä selvittämään luotettavasti laskennallisesti, vaan tiheys pitää selvittää
kokeellisesti. Ei käytetä esimerkiksi painemittaria vaan käytetään tunnettua tilavuutta ja voimaa. Voiman
laskemiseen käytetään kokeellisesti mittaamalla saatua venymää. Tilavuus pidetään vakio, ja se määritetään
itse.
Mittausjärjestelmä
Palkki puristetaan pöydän reunaan, ja mitataan palkin pituus. Puhdistettuun ja tasoitettuun palkin pintaan
liimataan venymäliuska. Palkin päähän kiinnitetään mitta-astia narulla. Venymäliuskan toinen pää kiinnitetään
vahvistimen kautta USB-tiedonkeruulaitteseen, joka lähettää jännitelukemia tietokoneelle. Venymäliuskan
resistanssi muuttuu sitä venytettäessä, mutta tietokoneelle saapuva data on jännitettä. Wheatstonen silta.
Tietokoneella Labview-ohjelma muuttaa nämä tiedot aineen tiheydeksi.
Koe tullaan tekemään Aalto-yliopiston konetekniikan laboratoriossa, missä olosuhteet kuten lämpötila ja
kosteus tulevat muuttumaan mahdollisimman vähän. Mitattavan nesteen lämpötila mitataan ennen mittausta.
Toistetaan kokeet kahdesti yhdelle aineelle, jotta saadaan luotettavat ja vertailukelpoiset tulokset nesteiden
välille.
Tarvittavat mittalaitteet ja –välineet: venymäliuska, tietokone, mitta-astia, USB-tiedonkeruulaite, vahvistin,
litteä metallipalkki.
Mitattavat nesteet: vesi, suolavesi ja öljy.
Aikataulu
Vko
DL
41–42
Koesuunnitelman laatiminen
16.10.
42–43
Koesuunnitelman vertaisarvio
19.10.
43–44
Koesuunnitelman päivitys
26.10.
44–46
Kokeen suorittaminen
47–49
Loppuraportin kirjoittaminen
50
Loppuraportin palautus
7.12.
4
Tiedonhaku aihealueelta
Teorialähteenä käytimme Kari Santaojan Rasitusopin käsikirjaa: Kari Santaoja, Rasitusopin käsikirja, Taras,
2015, ISBN: 978-952-67899-2-7
Lisäksi hyödynsimme kurssilla saatuja tietoja ja taitoja sekä MyCoursesissa olevia venymäliuskoihin liittyviä
Youtube-videoja.
Tiheyttä voidaan mitata myös massan ja tilavuuden kautta, tai käyttämällä hydrostaattista painetta mittaavaa
anturia.
5
Mittausten toteutus
Valmistellaan Labview-ohjelma.
Ensin välineet valmistellaan käyttökuntoon. Puhdistetaan ja hiotaan palkki. Mitta-astia puhdistetaan ja
kiinnitetään palkiin. Liimataan palkkiin venymäliuska, ja kytketään sen johdot USB-laatikkoon, joka kytketään
koneeseen. Tämän jälkeen kalibroidaan laite vertaamalla venymiä tyhjän mitta-astian kanssa puhtaan veden,
jonka lämpötila on tunnettu, aiheuttaman venymän kanssa. Tämän jälkeen aloitetaan itse koemittaus.
Aluksi käytämme suolavettä, joka on x-prosenttista. Mittaamme mitta-astian täyteen suolavettä. Ajetaan
Labview-ohjelma, ja kirjoitetaan tulokset ylös. Mitta-astia puhdistetaan ja täytetään öljyllä. Edelliset vaiheet
toistetaan.
Tulosten kirjaaminen ja datan käsitteleminen
Tulokset kirjataan ylös Excel-tiedostoon tietokoneelle. Varaudumme siihen, että mittausdatasta joudutaan
laskemaan keskiarvoja, jotta saadaan käyttökelpoista mittausdataa nesteiden tiheyksien laskemiseksi.
Aiemmista laboratoriotöistä saatujen kokemusten perusteella mittaustulokset saattavat heitellä paljonkin
odotettavista tuloksista. Odotettavat tulokset osoittaisivat öljyn olevan vähemmän tiheää kuin puhdas vesi, ja
suolaveden olevan tiheämpää kuin puhdas vesi. Asetamme tavoitteeksi ja odotamme mittausten olevan 5 %
tarkkuudella oikeita.
Turvallisuustarkastelu
Mittausten suorittaminen lienee erittäin turvallista, sillä kokeessa ei käytetä esimerkiksi avotulta, teräviä ja/tai
raskaita välineitä tai osia. Lisäksi käyttämämme sähkölaitteet ovat kytketty matalajännitteiseen sähköverkkoon,
joten sähköiskujenkaan vaaraa ei oikeastaan ole. Pieniä, hyvin epätodennäköisiä turvallisuusuhkia ovat
metallinen ulokepalkki, jonka venymää mitataan. Tällä on mahdollista satuttaa itseään epäasianmukaisella
toiminnalla. Käytössämme on myös nesteitä, joiden läiskyminen tai kaatuminen lattialle aiheuttaa
liukastumisvaaran.
Virhetarkastelu
Kokeessa suurimpana haasteena lienee saada nesteiden tilavuus pysymään täysin vakiona. Käyttämämme
mitta-astia ei ole niin tarkka kuin toivoisimme käytössämme olevista resursseista johtuen, mikä voi aiheuttaa
mitattavien nesteiden tilavuuksissa pieniä eroja. Mikäli mitta-astia ei puhdisteta tarpeeksi huolellisesti, voi
siihen jäädä pieniä määriä edellistä nestettä, joka voi hieman vääristää tulosta. Mittalaite voi aiheuttaa pieniä
heittoja. Esimerkiksi tilavuuden virhettä voidaan minimoida siten, että jokainen kokeen tekijöistä katsoo,
mitattavan nesteen tilavuuden olevan tarkka.
6
Lähteet:
[1] Unonius, L., Koneosaston opetukseen Fysikaalista mittaustekniikkaa, Helsinki, 2005
[2] Teknologiakasavatus NYT!, Venymäliuska, Oulun yliopisto, 2007, Katsottavissa:
http://www.oulu.fi/teknokas/tehtavakortit/venymaliuska.pdf (15.10.2015)
[3] Wikipedia.com, Strain Gauge, Katsottavissa: https://en.wikipedia.org/wiki/Strain_gauge (15.10.2015)
7