Menu

Pomiar ciśnienia

1. Jednostki ciśnienia

Ciśnienie jest wielkością charakteryzującą wielkość siły działającej na powierzchnię. W układzie międzynarodowym jednostek SI ciśnienie określane jest w paskalach.

1Pa = 1N/m2

Paskal jest bardzo małą jednostką dlatego w praktyce stosowane są jego wielokrotności, np. 

1 hPa = 100 Pa 

1kPa = 1000 Pa

1 MPa = 1000000 Pa

Oprócz paskali w technice używane są inne jednostki ciśnienia, jak:

1 Bar = 100.000 Pa

1 mm Hg =  133,31 Pa

1 mm H2O = 9,81 Pa

1 psi = 1 funt/cal = 1 lb/in2 = 6,8927x103 Pa

1 atm (atmosfera fizyczna) = 101325 Pa

1 at (atmosfera techniczna) = 9,81 x 104 Pa = 10m H2O

 

Wielkość i rodzaj zmierzonego ciśnienia zależy od punktu odniesienia. Ciśnienie zmierzone od poziomu próżni nosi nazwę ciśnienia absolutnego lub bezwzględnego i ma najczęściej oznaczenie literą P. Ciśnienie zmierzone przez manometr nosi nazwę ciśnienia manometrycznego i oznaczane jest literą Pm. Ciśnienie manometryczne mierzone jest zwykle od ciśnienia odniesienia barometrycznego, którym jest ciśnienie otaczającego manometr powietrza. W zależności od wartości tego ciśnienia możemy mówić o  nadciśnieniu - jeżeli ciśnienie manometryczne jest większe od 0, lub podciśnieniu, jeśli jest < 0. Ciśnienie wywierane przez słup otaczającego powietrza nosi nazwę atmosferycznego lub barometrycznego  i oznaczane jest Pb.

manome1.jpg

Rys.1 Rodzaje ciśnienia

 

W technice stosuje sie też określenie ciśnienia hydrostatycznego które wywołane jest przez słup płynu i wynosi:

 

                                                                Ph = ρ g h

gdzie: ρ - gęstość cieczy, g - przyspieszenie ziemskie, h - wysokość słupa cieczy

 

2. Podział ciśnieniomierzy

 

W zależności od rodzaju mierzonego ciśnienia ciśnieniomierze możemy podzielić na:

absolutne – do pomiaru ciśnienia absolutnego,

różnicowe - do pomiaru różnicy ciśnienia,

manometry - do pomiaru nadciśnienia,

wakuometry - do pomiaru podciśnienia,

manowakuometry - do pomiaru nadciśnienia i podciśnienia,

 

Ze względu na budowę i sposób pomiaru ciśnienia:

- manometry hydrostatyczne (cieczowe)

- manometry tłokowe 

- manometry sprężyste

- manometry pływakowe i dzwonowe

- manometry elektryczne

- manometry parametryczne

 

3. Manometr cieczowy U-rurkowy

Za jego pomocą można mierzyć nadciśnienie, podciśnienie oraz różnicę ciśnień w zależności od sposobu przyłączenia. Jest to najprostszy manometr służący do pomiaru technicznych ciśnień, w tym m.in. do pomiaru małej różnicy ciśnień, jak np. przy przepływie płynów przez zwężkę. Najważniejszą częścią tego manometru (rys. 2) jest rurka szklana (1) zgięta na kształt litery U, deska mocująca (2) oraz podziałka milimetrowa (3). Wysmanome2.jpgokość ciśnienia wskazana przez manometr jest równa różnicy wysokości (h) słupów cieczy w obu ramionach manometru, pomnożonej przez ciężar właściwy cieczy manometrycznej.  

                               P = ρ · g · h

            

gdzie: ρ - gęstość cieczy w kg/m3, h - wysokość słupa cieczy w [m]

g - przyspieszenie ziemskie 9,81 m/s2

Manometry  U-rurkowe  stosowane  są do maksymalnie  ciśnienia 300 kPa. Minimalna wysokość h mierzonego ciśnienia nie powinna być mniejsza niż 10 mm. Poniżej tych wartości wskazania manometru są mało dokładne.

 

Rys.2 manometr U-rurkowy

 

Manometr Recknagla (z rurką pochyłą) 


W celu zwiększenia dokładności pomiaru małych ciśnień rzędu kilkudziesięciu paskali, stosuje się manometry z rurką pochyłą. Ideowy schemat takiego manometru pokazano na rys. 3. Zastosowanie rurki pochyłej umożliwia zwiększenie dokładności odczytu przemieszczeń słupa cieczy manometrycznej, ponieważ wysokość h (rys. 3) mierzy się za pośrednictwem długości słupa cieczy l. Błąd pomiaru przy posługiwaniu się manometrem z rurką pochyłą maleje wraz z malejącym "α" (im mniejszy kąt pochylenia rurki, tym większa długość słupa cieczy odpowiadająca określonemu ciśnieniu). Jednak przy małym "α", mimo zastosowania kapilary o średnicy wewnętrznej 1,5 - 4 mm i
cieczy manometrycznej o małej lepkości (alkohol C2H5OH), menisk staje się niewyraźny.

Rys.3 manometr z rurką pochyłą

 


W manometrze Recknagla (Rys. 4) rurce można nadawać kilka różnych pochyleń, a przez to zmieniać zakres pomiarowy i jednocześnie dokładność pomiaru (Tab. 1). Manometr ten może służyć do pomiaru nadciśnienia, podciśnienia oraz różnicy ciśnień. Nadaje się on szczególnie do współpracy z rurkami spiętrzającymi. Jest także przystosowany do pomiaru ciśnień dynamicznych. Podstawowymi częściami manometru są: zbiornik pomiarowy (1) zamocowany na
podstawie (2), szklana rurka pomiarowa (3) umieszczona w ramieniu mikromanometru (4); uchwyt (5)
i prowadnica wskaźnika (6). Rurka pomiarowa połączona jest ze zbiornikiem (1) rurką metalową
przechodzącą przez oś obrotu ramienia. Kurek rozdzielczy (12) zamocowany na pokrywie zbiornika,
zaopatrzony jest w dwie końcówki,
pomiar17.jpgoznaczone (+} i (-), do których doprowadza się ciśnienia (do
końcówki (+) ciśnienie wyższe, do końcówki (—) ciśnienie niższe).

 

Rys.4 Manometr Recknagela (opis w tekście)

 

Tabela.1 Dokładność pomiarowa manometru Recknagela.

Przełożenie Zakres pomiarowy Klasa dokładności
n Pa %
1:1 0-1600 0,5
1:2 0-800 0,5
1:5 0-320 0,5
1:10 0-160 1,0
1:25 0-64 1,5
1:50 0-32 2,5

 

 

 

 

 

Manometr sprężysty z rurką Bourdona

 

To obecnie najczęściej i najchętniej stosowany manometr. Do pomiaru ciśnienia wykorzystywana jest tutaj zwinięta rurka o spłaszczonym  przekroju (najczęściej eliptycznym lub owalnym).  Rurka wykonana jest ze sprężystego materiału: stali, brązu lub stali specjalnych, przy czym rodzaj stosowanego materiału zależy  od własności płynu, którego ciśnienie jest mierzone oraz od wymaganego zakresu pomiarowego. Jeden koniec rurki jest zamknięty, natomiast drugi jest zamocowany w króćcu zakończonym złączką z gwintem; za pomocą złączki łączy się rurkę z przestrzenią, w której panuje mierzone ciśnienie.   Wzrost ciśnienia medium w rurce, powoduje jest mechaniczne odkształcenie (rurka dąży do wyprostowania), które przeniesione przez system przekładni (tzw. wodzik i przegub) na wskazówkę zegara pokazuje wartość ciśnienia. Przy nadciśnieniu rurka prostuje się (jej krzywizna się zmniejsza), przy podciśnieniu zachodzi sytuacja odwrotna, rurka zwiększa swoja krzywiznę. Manometry rurkowe mogą być dzięki temu wykorzystywane zarówno do pomiaru nadciśnienia jak i podciśnienia (wakuometry), a także jako manometry do pomiaru nad i podciśnienia (manowakuometry). Przy właściwym doborze materiału sprężystego na rurkę, a także jej przekroju poprzecznego, można takie manometry wykonywać na ciśnienie do ok. 2000 MPa. 

 manome3.jpg

 

Rys.5 manometr rurkowy z rurka Bourdona. Ozn. 1 rurka Bourdona, 2-króciec z gwintowanym przyłączem, 3-obudowa manometru, 4-cięgno, 5- korek zamykający rurkę, 6-przekładnia, 7- wskazówka.

 

 manome5.jpg

 

 

 

 

Manometry tłokowe
W przyrządach tych ciśnienie równoważone jest zewnętrznymi siłami działającymi na tłok. Na tłok
poruszający się w cylindrze działają następujące siły: siła ciężkości tłoka i obciążników siła
spowodowana ciśnieniem cieczy manometrycznej oraz siła tarcia, która przeciwdziała ruchowi tłoka w
cylindrze. Manometry tłokowe budowane są w dwóch podstawowych odmianach: jako manometry techniczne i jako manometry obciążnikowo-tłokowe. O ile pierwsza grupa nie jest szeroko stosowana w praktyce, z powodu skomplikowanej budowy i niewielkiej pewności ruchu, o tyle manometry obciążnikowo-tłokowe znalazły szerokie zastosowanie do wzorcowania i sprawdzania manometrów innych typów. Wykorzystuje się je również do bezpośredniego pomiaru wysokich ciśnień. Zakres stosowanych
ciśnień jest bardzo duży i wynosi 0,2-3000 MPa, przy czym niedokładność wskazań dochodzi do
zaledwie ±0,2% górnej wartości granicznej zakresu pomiarowego.

Rys.6 Schemat manometru obciążnikowo-tłokowego. Główne części manometru
to: 1 - tłok, 2 - cylinder, 3 - talerz, 4 - obciążniki.

pomiar19.jpg

Tłok jest stalowym wałkiem, na końcu którego
znajduje się nakrętka nie pozwalająca na wyjęcie tłoka z cylindra, bez uprz
edniego wykręcenia
cylindra z podstawy. Zazwyczaj cylinder wykonuje się ze stopów metali nieżelaznych (brąz lub
mosiądz). Tłok i kanał wewnętrzny cylindra mają kształt walca i są tak do siebie dopasowane, aby luz pomiędzy nimi był rzędu kilku mikronów. Powierzchnie te powinny być starannie wypolerowane. Dla dogodnej obsługi manometry tłokowe zaopatruje się w pompę olejową (5) składającą się ze śruby (6), cylindra (7) i tłoczka gumowego (8). Przestrzeń tłoczna pompy olejowej jest połączona kanałem z cylindrem (2), gniazdami do wkręcania manometrów wzorcowych (9) oraz zbior
nikiem oleju (10). Zarówno cylinder, zbiornik oleju jak i gniazda manometrów mogą być odcinane od pompy olejowej zaworami (11), (12) i (13).
Zasadnicze błędy przy pomiarze ciśnienia manometrami tłokowymi wynikają z:
- niedokładnego wyznaczenia ciężarów tłoka i obciążników, - pominięcia sił tarcia (w celu zmniejszenia wpływu sił tarcia bezpośrednio przed dokonaniem odczytu wprawia się talerz wraz z obciążnikami w ruch obrotowy), - błędów w określeniu powierzchni czynnej tłoka (powierzchnia, na którą działa wytworzone
ciśnienie.

 

Manometry przeponowe

 

Wykorzystują do pomiaru ciśnienia elastyczną membranę szczelnie zamocowaną w obudowie. Górna część membrany połączona jest z dźwignią i przekładnią, przenoszącą ruch na wskazówkę manometru.  Dolna część połączona jest z ośrodkiem w którym panuje ciśnienie. Działanie ciśnienia na membranę powoduje jej odkształcenie które za pośrednictwem przekładni przenoszone jest na wskazówkę manometru. Dla zapewnienia liniowego odkształcenia przepony wykonuje sie jako faliste (rys.). Manometry przeponowe mogą być wykorzystywane do pomiaru ciśnień nie większych niż 3 MPa. Najczęściej są wykorzystywane do pomiaru podciśnienia lub różnicy ciśnień pomiędzy dwoma ośrodkami.  W tym ostatnim przypadku ciśnienie z jednego ośrodka skierowane jest na górę membrany a z drugiego , na jej dolna część.

manome4.jpg

Rys.7 Manometr przeponowy: 1 — przepona, 2 — dżwignia,3—przekładniazębata,4 — wskazówka, 5

pokrywa gpomiar23.jpgórna, 6 — pokrywa dolna


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Manometry pływakowe i dzwonowe

Składają się z wypełnionej cieczą obudowy oraz pływającego dzwonu zanurzeniowego, pod który zostaje doprowadzony impuls mierzonego ciśnienia. Przyrząd ten służy głównie do pomiaru małych wartości ciśnienia oraz jako czujnik rejestratorów. Podobnie działa manometr pływakowy.

 

Rys.8 manometr pływakowy

 

Czujniki i przetworniki ciśnienia

 

Wyróżnić można dwa podstawowe rodzaje sygnałów generowanych przez
czujniki ciśnienia i wynikające stąd metody ich pomiaru:

- jako przemieszczenie, którego pomiaru dokonuje się metodą odchyleniową;
- jako siła, której pomiaru dokonuje się równoważąc jej oddziaływanie metodą
kompensacyjną.
W pierwszym przypadku ciśnienie oddziałując na określoną (stałą)
powierzchnię generuje siłę, która wywołuje przesunięcie i jest równoważona: siłą
sprężystości czujnika pomiarowego (rurka Bourdona, membrana, mieszek) lub
dodatkowymi sprężynami (osiowymi, płaskimi). Wielkość odkształcenia jest bardziej lub mniej proporcjonalna (liniowość czujnika) do siły (ciśnienia) i wywołuje bardziej lub mniej proporcjonalną (liniowość przetwornika) zmianę:

- indukcji magnetycznej – w przetwornikach indukcyjnościowych;
- pojemności elektrycznej – w przetwornikach pojemnościowych;
- rezystancji – w przetwornikach: potencjometrycznych, tensometrycznych lub piezorezystancyjnych.
W drugim przypadku ciśnienie oddziałując na określoną (stałą) powierzchnię generuje siłę, która jest kompensowana siłą wytwarzaną przez elektryczny lub pneumatyczny układ równoważenia.

Przetworniki indukcyjnościowe
W przetwornikach indukcyjnościowych wykorzystuje się zjawisko zmiany indukcji magnetycznej do przetworzenia przemieszczenia na wartość napięcia elektrycznego. Rozróżnia się przetworniki, w których następuje zmiana: indukcyjności własnej L (przetworniki dławikowe i solenoidalne), indukcyjności wzajemnej M (przetworniki transformatorowe).
Przetworniki indukcyjnościowe są stosowane do pomiaru przesunięć od mikrometrów do kilku milimetrów, ale są również konstrukcje do pomiaru przesunięć
rzędu kilkudziesięciu centymetrów. Obecnie przetworników indukcyjnościowych do pomiaru ciśnienia już się nie stosuje. Zostały one wyparte przez przetworniki z czujnikami: pojemnościowymi lub
piezorezystancyjnym.

Przetworniki pojemnościowe
Zmianę pojemności układu elektrod tworzących kondensator wykorzystuje się do pomiaru wielkości mechanicznych, dających się przetworzyć na wzajemne przemieszczenie elektrod lub zmianę stałej dielektrycznej przestrzeni między elektrodami. Bezpośrednią wielkością wejściową (mierzoną) jest przemieszczenie liniowe lub kątowe oraz zmiana grubości lub poziomu dielektryka.

pomiar24.jpg

Rys.9 Przetwornik ciśnienia. Po lewej czujnik ciśnienia
 

Przykładem nowoczesnego przetwornika różnicy ciśnień (nadciśnienia) z czujnikiem pojemnościowym może być konstrukcja opracowana przez firmę Rosamount (rys. 9). Funkcję czujnika ciśnienia spełnia różnicowy kondensator pomiarowy, w którym elektrodą pomiarową jest sprężysta membrana. Mierzona
różnica ciśnień oddziałuje na membrany separujące i jest przenoszona na pośredniczącą ciecz (olej silikonowy lub ciecz chemicznie bierna) wypełniającą komory pomiarowego kondensatora. Przemieszczenie sprężystej membrany pomiarowej jest proporcjonalne do różnicy ciśnień i wynosi ok. 0,1 mm. Powstała w wyniku przemieszczenia membrany pomiarowej różnica pojemności, między obu
częściami kondensatora, jest przetwarzana w układzie elektronicznym na sygnał wyjściowy przetwornika (4÷20) mA (źródło prądowe), pracującego w dwuprzewodowym układzie połączeń zewnętrznych.
Przetwornik pomiarowy składa się z dwóch zasadniczych części:

- głowicy pomiarowej,
- zespołu układu elektronicznego.

Głowica pomiarowa składa się z modułu czujnika oraz przykręconych do niego dwóch obudów bocznych. Obudowy boczne tworzą z modułem czujnika dwie komory: wyższego i niższego ciśnienia. Do komór tych, poprzez odpowiednie przyłącza, jest doprowadzony czynnik mierzony. Zespołu układu elektronicznego jest umieszczony w jednej z dwu komór obudowy wykonanej ze stopu aluminiowego w kształcie walca. W drugiej komorze umieszczone są zaciski przyłącza połączeń zewnętrznych. Zespół dwóch kondensatorów stanowiących czujnik pomiarowy jest zasilany z generatora o częstotliwości podstawowej 32 kHz. Pojemność poszczególnych cel różnicowego kondensatora pomiarowego wynosi ok. 150 pF. Na częstotliwość generatora wpływa położenie membrany sprężystej (elektrody ruchomej) kondensatora pomiarowego. Zmiany częstotliwości są prostowane przez demodulator. Demodulator i termistor do kompensacji zmian temperatury czujnika są umieszczone w głowicy pomiarowej.

Charakterystycznymi cechami przetworników pojemnościowych są:
- mała wartość wymaganej siły do przesunięcia elektrody,
- duża impedancja wyjściowa (w celu jej zmniejszenia układy pomiarowe są zasilane napięciem wysokiej częstotliwości do 10 kHz),
- przy stosunkowo małej pojemności własnej przetwornika (pojemność przetworników <100 pF) duży wpływ mają pojemności przewodów doprowadzających (w celu wyeliminowania tego wpływu budowa przetwornika jest bardzo zwarta).
 

Przetworniki z czujnikami krzemowymi
Współcześnie w warunkach przemysłowych dominują układy, w których ciśnienie, a mówiąc ściślej różnica ciśnień, jest przetwarzana na proporcjonalny sygnał elektryczny w specjalnej konstrukcji czujnikach wykonanych z krzemu lub z krzemu połączonego ze szkłem. Można wyróżnić trzy rodzaje krzemowych czujników ciśnienia:
− piezorezystancyjne,
− pojemnościowe,
− rezonansowe.

Wszystkie te rodzaje czujników wykorzystują w swojej zasadzie działania bardzo ważną i mającą duże praktyczne zastosowanie właściwość kryształu krzemu: praktycznie całkowity brak oznak zmęczenia przy niewielkich odkształceniach. Właściwość ta powoduje, że odpowiednio ukształtowane struktury krzemowe, takie jak cienkie membrany, cienkie pręty (beleczki) itp. można „nieskończenie” razy w niewielkim stopniu odkształcać i nie powoduje to praktycznie jakichkolwiek trwałych zmian ich właściwości. Coraz większą popularnością cieszą się układy zintegrowane, w których: czujnik ciśnienia oraz układy wzmacniające, zapewniające jego liniowość oraz kompensację wpływu temperatury, mieszczą się w jednej strukturze półprzewodnikowej (MEMS – Micro-Electro-Mechanical-Systems). Na wyjściu takiego układu
otrzymuje się sygnał analogowy lub cyfrowy proporcjonalny do mierzonego ciśnienia.

Rys.10 Piezorezystancyjny czujnik ciśnienia

 

W piezorezystancyjnym czujniku ciśnienia cienka membrana krzemowa ugina się pod wpływem oddziaływania ciśnienia płynu. Grubość membrany zależy od zakresu pomiarowego ciśnień i wynosi (5÷200) µm. W ugiętej membranie powstają naprężenia rozciągająco–ściskające. W obszarze tych naprężeń umieszczone są piezorezystory połączone w układ mostka Wheatstone’a tak, aby otrzymać w nich dodatnie i ujemne zmiany rezystancji wywołane efektem piezorezystancyjnym. Zmiany rezystancji są zależne od wielkości naprężenia (odkształcenia) membrany, a więc od ciśnienia. Najczęściej stosuje się dwa piezorezystory równoległe i dwa piezorezystory prostopadłe do krawędzi membrany (rys. 10). Takie ułożenie piezorezystorów wykorzystuje silne naprężenia powstające przy jej krawędzi: prostopadłe do niej rozciągające (wzrost rezystancji) i równoległe do niej ściskające (zmniejszenie rezystancji). Aby uzyskać dużą zmianę rezystancji, piezorezystory powinny być krótkie i umieszczone jak najbliżej krawędzi membrany. Rezystory prostopadłe do krawędzi membrany dzieli się najczęściej na dwa krótsze odcinki.

pomiar25.jpg

Rys.11 Przemysłowy czujnik ciśnienia pizorezystancyjny.

Fot. Przetwornik ciśnienia z miejscowym odczytem.(Aplisens)

 

Obecnie do pomiaru ciśnienia są powszechnie stosowane przetworniki
z czujnikami piezorezystancyjnymi z wyjściowym sygnałem prądowym (4÷20) mA  i cyfrowym. Zakresy pomiarowe tych czujników pozwalają mierzyć
ciśnienia (pod- i nadciśnienia) od (0÷100) Pa do nawet ponad 40 MPa. Ciśnieniomierze hydrostatyczne, które przez wiele lat były podstawowymi ruchowymi przyrządami pomiarowymi w zakresach niższych ciśnień, przeszły do
historii. W laboratoriach pomiarów cieplnych stosowane są jeszcze ciśnieniomierze
cieczowe: mikromanometr , ciśnieniomierz z rurką pochyłą, naczyniowy oraz obciążnikowy w wykonaniu manometru wzorcowego, do sprawdzania innych ciśnieniomierzy, głównie sprężystych.
Na wybór właściwego przyrządu do pomiaru ciśnienia mają wpływ następujące czynniki:

- wartość mierzonego ciśnienia i rodzaj płynu (woda, para, gaz itp.),
- sposób, miejsce wykonywania i wykorzystywania wyniku pomiaru,
- wymagana dokładność pomiaru.
Przy doborze manometru sprężystego należy zwrócić uwagę, aby jego wskazanie przy pomiarze ciśnień quasi-stacjonarnych zawierało się w granicach od 1/3 do 2/3, a ciśnień pulsujących od 1/3 do 1/2 zakresu pomiarowego. Temperatura otoczenia manometru powinna zawierać się w granicach od +5 do +40°C.

 

Inne konstrukcje

 

Manometry mierzące ciśnienie w miejscach narażonych na drgania często wypełnia się specjalnym olejem lub gliceryną, aby uniknąć drgań wskazówki. manometr może pełnić od razu funkcję pomiaru temperatury. Nosi wtedy nazwę termomanometru.

pomiar27.jpg 

Fot. Po lewej - manometr glicerynowy, po prawej termomanometr.

 

Przy pomiarze podciśnienia (wakuometr) skala manometru ma odwrotny kierunek wskazań. Wskazówka porusza się wyjątkowo od prawej do lewej strony tarczy.

 

Fot. Wakuometr (po lewej) i manometr kontaktowy (po prawej)

 

Manometr może nie tylko mierzyć ciśnienia w instalacji ale także sterować procesami, np. przy osiągnięciu wymaganego ciśnienia. Manometry tego typu noszą nazwę kontaktowych i posiadają w swojej budowie urządzenie stykowo-nastawcze, które przy określonym ciśnieniu zamyka obwód elektryczny.

Przykładowe możliwości pracy manometru kontaktowego na przykładzie modelu 111.20 firmy Wika Polska.


 

 


 

 

 

 

    

 

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});