Kolumna pomiarowa

Badając rozkład ciśnienia w ośrodkach porowatych większość badaczy, np. Lasowska (1996), Broda (1992), Peszyńska i inni (2010), stosowało zasadę zaproponowaną przez Darcy’ego, stosując układ pionowego ułożenia kolumny pomiarowej z górnym zasilaniem i z dolnym odpływem. Metoda ta sprawdza się w przypadku pomiarów dużych wartości spadku ciśnienia. Przy małych wartościach ciśnień rzędu 10 Pa, co odpowiada różnicy wysokości słupa wody równej 1 mm, zastosowanie tej metody nie sprawdziłoby się. Trudno byłoby porównywać poziomy powierzchni swobodnej (piezometrem) dla tak małych różnic, tym bardziej, że znajdowałyby się na różnej wysokości. Wpływ tej różnicy wysokości, a co za tym idzie ciśnienia hydrostatycznego, uniemożliwiłby prawidłowy odczyt zmierzonych wartości. Dlatego początkowo przyjęto, że kolumna pomiarowa powinna być położona poziomo. Jednak takie ułożenie w przypadku długiej kolumny wiązałoby się z trudnością jej idealnego wypoziomowania. Ostatecznie założono więc, że kolumna pomiarowa będzie usytuowana pionowo, a zostanie zmodyfikowany tylko układ zasilający i odbiorczy, umożliwiając pomiar małych wartości ciśnień hydrostatycznych.

  Rys. 52. Fotografia kolumny pomiarowej (dół) z uwidocznionymi mosiężnymi prętami.

  Rys. 53. Fotografia kolumny pomiarowej (dół) z uwidocznionymi mosiężnymi prętami tworzącymi

Przyjęto, że kolumna pomiarowa będzie wykonana z przezroczystego materiału, łatwego w obróbce, którego przykładem jest pleksi. Wymiar standartowej płyty pleksi wynosi 2050 x 3050 mm, a więc przyjęto, że bok płyty o wymiarze 2050 mm będzie stanowił wysokość kolumny pomiarowej. Zakupiono więc płytę pleksi o grubości 15 mm i przystąpiono do jej przycinania. Przy założeniu dokładności wykonania rzędu 0.1 mm nie znaleziono nikogo, kto by się podjął wykonania tego zadania. Problem polegał na tym, że dostępne maszyny mogły wykonać taką kolumnę z założoną dokładnością tylko do wysokości 600 mm. Postanowiono więc własnoręcznie ją zbudować. Ustawianie maszyny do cięcia pleksi na paski o odpowiedniej szerokości z założona dokładnością, mierzoną suwmiarka cyfrowa z rozdzielczością 0.1 mm, trwało nieraz cały dzień. Przy pomocy szczelinomierza o rozdzielczości 0.01 mm korygowano ustawioną wartość, sprawdzając poprawność ustawienia za pomocą próbnych cięć wykonanych na sklejce.

Kolumna pomiarowa została podzielona na dwie komory – prostopadłościany o wymiarach 720 x 720 x 2050 mm oraz 720 x 300 x 2050 mm. Pozostawiono przy tym, służący do wymiany płynu między nimi, otwór o wymiarach 720 x 660 mm na dole kolumny powstały ze skrócenia płyty rozdzielającej je o wartość 660 mm (rys. 52). Dla lepszego opływu koniec tej płyty sfrezowano do postaci półokręgu. Komora pierwsza o wymiarach 720 x 720 x 2050 mm przeznaczona została do umieszczania w niej badanego ośrodka porowatego zbudowanego z jednakowych kulek. Aby kulki nie przemieszczały się do drugiej kolumny, na jej końcu umieszczono pręty mosiężne o średnicy 4 mm. Środek pierwszego i ostatniego pręta umieszczono w odległości 3 mm od ściany bocznej, a środki pozostałych prętów oddalone były od siebie o odległość 6 mm. Dokładność rozmieszczenia prętów w komorze wynosiła ± 0.1 mm. Na tych prętach została umieszczona w poprzek warstwa kolejnych prętów mosiężnych o średnicy również 4 mm dla kulek o średnicy 6 mm oraz 2 mm dla kulek o średnicy 4.5 mm. Utworzoną w ten sposób kratownicę mosiężną pokazano na rys. 53. Założono, że pręty te będą mogły przemieszczać się swobodnie, aby samoistnie dopasowywać się do warstwy kulek ułożonej na nich. Liczba tych prętów była dopasowana do typu układanej na nich warstwy kulek tak, aby pręty znajdowały się dokładnie pomiędzy odpowiednimi rzędami kulek, blokując w ten sposób ich późniejsze przemieszczanie się (rys. 53).

Umieszczenie dwóch komór – prostopadłościanów mających wspólna jedna ścianę oraz połączonych ze sobą u dołu pozwoliło mierzyć różnicę powierzchni swobodnej między nimi. W przypadku braku przepływu po dostatecznie długim czasie poziomy powierzchni swobodnych wyrównywały się. Duży obszar powierzchni powodował zmniejszenie wpływu napięcia powierzchniowego na poprawność wykonywanych pomiarów. Natomiast w trakcie przepływu różnica pomiędzy nimi określała wartość spadku ciśnienia. Przyjęto, że przyłącze zasilające kolumnę oraz przyłącza do podłączenia urządzeń mierzących wartość ciśnienia hydrostatycznego w dwóch komorach, będą zawsze poniżej poziomu wody (rys. 54). Przy czym przyłącza do pomiaru ciśnienia starano się wykonać dokładnie na tej

  Rys. 54. Fotografia kolumny pomiarowej (góra) z uwidocznionymi przyłączami przed modyfikacją.

  Rys. 55. Fotografia kolumny pomiarowej (góra) z uwidocznionymi przyłączami po modyfikacją.

Rys. 56. Fotografia urządzenia do regulowania położenia powierzchni swobodnej zwierciadła wody w kolumnie pomiarowej przed modyfikacją i po.

samej wysokości mimo, że różnica w wysokości ich rozmieszczenia teoretycznie nie powinna wpływać na dokładność pomiaru. Przyłącze wyjściowe w zależności od procesu pomiarowego mogło być zalane częściowo lub całkowicie.

Po wykonaniu kolumny pomiarowej i zmontowaniu całego stanowiska pomiarowego okazało się, że należy te przyłącza zmodyfikować. Modyfikacja nie polegała na tym, że konieczne było przesunięcie ich w inne miejsce, tylko zastosowanie czegoś w rodzaju ‘odpowietrzników’, ponieważ cały układ pomiarowy był odizolowany od wpływu warunków atmosferycznych. Poprowadzona więc została dodatkowa instalacja, umożliwiająca wymianę powietrza pomiędzy odpowiednimi modułami, a co za tym idzie wyrównanie wartości ciśnień nad powierzchnią swobodną płynu. Niewłaściwe zaprojektowanie tej instalacji powodowało powstawanie w różnych miejscach niepożądanych strat ciśnienia. Błędy instalacyjne powodowały czasami nawet zatrzymanie procesu swobodnego przepływu płynu pod wpływem sił grawitacyjnych na skutek powstawania baniek z powietrzem wywołujących spiętrzenia. Należało więc zmodyfikować instalację powietrza doprowadzoną do kolumny pomiarowej (rys. 55) w ten sposób, aby istniała możliwość usuwania z układu baniek powietrza powodujących zaburzenia

przepływu. Modyfikacja stanowisk była wyjątkowo prosta. Zamiast zastosowanych kolanek użyto trójników (rys. 56).