Jeden z prvních přístrojů na měření tlaku je dodnes široce používán díky své vlastní přesnosti a jednoduchosti ovládání. Jedná se o U-trubicový manometr, což je skleněná trubice ve tvaru písmene U částečně naplněná kapalinou. Tento manometr nemá žádné pohyblivé části a nevyžaduje kalibraci. Manometrická měření jsou funkcí gravitace a hustoty kapaliny, což jsou fyzikální vlastnosti, díky nimž je U-trubicový manometr etalonem přesnosti NIST.
Manometry jsou jak přístroje pro měření tlaku, tak kalibrační etalony. Jejich rozsah sahá od jednoduchých U-trubic a jamek naplněných kapalinou až po přenosné digitální přístroje s počítačovým rozhraním.
Jak je znázorněno na obrázku 1, při každém rameni U-trubicového manometru vystaveném atmosféře je výška kapaliny ve sloupcích stejná. Použijeme-li tento bod jako referenční a připojíme-li každé rameno k neznámému tlaku, rozdíl výšek sloupců udává rozdíl tlaků (viz obrázek 2).
 Obrázek 1. Při obou ramenech U-trubicového manometru otevřených do atmosféry nebo vystavených stejnému tlaku udržuje kapalina v každém rameni stejnou hladinu, čímž se stanoví nulová referenční hodnota. |
 Obrázek 2. V případě, že je měřicí přístroj umístěn ve vodorovné poloze, je možné, že je v něm umístěno potrubí. Při větším tlaku působícím na levou stranu U-trubicového manometru kapalina v levém rameni klesá a v pravém rameni stoupá. Kapalina se pohybuje tak dlouho, dokud se jednotková hmotnost kapaliny, označená h, přesně nevyrovná s tlakem. |
Základní vztah pro tlak vyjádřený sloupcem kapaliny je:
| Δp = P2-P1 = ρgh | (1) |
kde:
| Δp | = diferenční tlak |
| P1 | = tlak v nízkotlaké přípojce |
| P2 | = tlak ve vysokotlaké přípojcetlakové přípojky |
| ρ | = hustota indikující kapaliny (při určité teplotě) |
| g | = tíhové zrychlení (při určité zeměpisné šířce a nadmořské výšce) |
| h | = rozdíl výšek sloupců |
Výsledný tlak je rozdíl sil působících na jednotku plochy sloupců kapaliny, přičemž jednotkami jsou libry na čtvereční palec (psi) nebo newtony na čtvereční metr (pascaly). Manometr se k měření tlaku používá tak často, že běžnou jednotkou je také rozdíl výšek sloupců. Ten se vyjadřuje v palcích nebo centimetrech vody nebo rtuti při určité teplotě, což lze pomocí převodní tabulky změnit na standardní jednotky tlaku.
Všechna měření tlaku jsou diferenční. Referenční hodnotou může být nulový absolutní tlak (úplné vakuum), atmosférický tlak (barometrický tlak) nebo jiný tlak. Při jednom rameni manometru otevřeném do atmosféry (viz obrázek 3A) je měřeným tlakem ten, který převyšuje atmosférický tlak, který je na úrovni hladiny moře 14,7 psi, 101,3 kPa nebo 76 cmHg.
Obr. 3. Tlak v atmosféře. Manometrický tlak je měření vztažené k atmosférickému tlaku a mění se podle barometrického údaje. Měření manometrického tlaku je kladné, když je neznámý tlak vyšší než atmosférický tlak (A), a záporné, když je neznámý tlak nižší než atmosférický tlak (B).
Toto měření se nazývá manometrický tlak a vztah pro kladný tlak je vyjádřen takto:
| absolutní tlak = atmosférický tlak + kladný manometrický tlak | (2) |
Pro měření záporného tlaku (vakua) (viz obrázek 3B) jsou výšky sloupců obrácené a vztah je vyjádřen takto:
| absolutní tlak = atmosférický tlak + negativní manometr | (3) |
Tyto tlakové vztahy jsou znázorněny na obrázku 4.
Obrázek 4. Grafické znázornění kladného a záporného manometrického tlaku zobrazuje diferenční aspekt všech měření tlaku, kde manometrický tlak je rozdíl mezi absolutním a atmosférickým tlakem.
Obrázek 5. Na obrázku 5 je znázorněno, jak se při měření tlakového tlaku postupuje. V manometru s uzavřenou trubicí je referenčním tlakem vakuum neboli nulový absolutní tlak. Nejběžnější formou manometru s uzavřenou trubicí je běžný rtuťový barometr používaný k měření atmosférického tlaku.
Manometr může být konstruován tak, aby přímo měřil absolutní tlak. Manometr na obrázku 5 měří tlak ve srovnání s nulovým absolutním tlakem v utěsněném rameni nad rtuťovým sloupcem. Nejběžnější formou tohoto manometru je běžný rtuťový barometr používaný k měření atmosférického tlaku. Pomocí jediného připojení může toto uspořádání měřit tlaky nad a pod atmosférickým tlakem.
Varianty U-trubicového manometru
Diferenční tlak je vždy rozdílem výšek sloupců, bez ohledu na velikost nebo tvar trubic. Jak je znázorněno na obrázku 6A, jsou ramena obou manometrů otevřená do atmosféry a indikační kapaliny jsou na stejné úrovni. Připojení stejného tlaku k levému rameni každého manometru způsobí snížení jeho hladiny. Vzhledem k rozdílnému objemu v ramenech manometru se kapalina v každém sloupci pohybuje na jinou vzdálenost. Rozdíl mezi hladinami kapaliny v obou manometrech je však stejný (viz obrázek 6B).
Obrázek 6: Hladina kapaliny v obou manometrech je stejná. Údaj o tlaku je vždy rozdílem mezi výškami kapaliny bez ohledu na velikost trubice. Při obou ramenech manometru otevřených do atmosféry jsou hladiny kapaliny stejné (A). Při stejném přetlaku působícím na jedno rameno každého manometru se hladiny kapaliny liší, ale vzdálenost mezi výškami kapaliny je stejná.
Obrázek 7. U manometru typu studna je plocha průřezu jednoho ramene (studny) mnohem větší než u druhého ramene. Při působení tlaku na studnu se kapalina sníží jen nepatrně ve srovnání se stoupáním kapaliny v druhém rameni.
Tuto variabilitu ve velikosti trubek dále rozvíjí manometr typu studna (nebo zásobník) (viz obrázek 7). Při působení tlaku ve vrtu hladina mírně klesá ve srovnání s nárůstem hladiny ve sloupci. Kompenzací stupnice sloupce na pokles hladiny ve vrtu je možné přímo odečíst diferenční tlak. Na manometry typu studna jsou ve srovnání s manometry typu U-trubice kladeny následující pokyny pro připojení:
- Tlaky vyšší než atmosférické připojte ke studni; tlaky nižší než atmosférické připojte k trubici.
- Pro měření rozdílu připojte vyšší tlak ke studni.
- U manometrů se zvýšenou studnou lze pro manometrická měření a měření podtlaku použít připojení ke studni.
Variantou manometru se zvýšenou studnou je manometr se šikmou trubkou (nebo manometr s průvlakem) na obrázku 8.
. U nakloněné indikační trubice je 1 palec svislého stoupání roztažen na několik palců délky stupnice. Manometr s nakloněnou trubicí má lepší citlivost a rozlišení pro nízké tlaky.
Obrázek 8. Nízké tlaky a nízké diference lépe zvládá manometr se šikmou trubicí, kde lze 1 palec vertikální výšky kapaliny roztáhnout na 12 palců délky stupnice.
Indikace kapalin
Kapalinové manometry měří diferenční tlak vyrovnáváním hmotnosti kapaliny mezi dvěma tlaky. Lehké kapaliny, jako je voda, mohou měřit malé tlakové rozdíly; rtuť nebo jiné těžké kapaliny se používají pro velké tlakové rozdíly. U indikační kapaliny třikrát těžší než voda je rozsah měření tlaku třikrát větší, ale rozlišení se snižuje.
Indikačními kapalinami mohou být barevná voda, olej, benzeny, bromidy a čistá rtuť. Při výběru indikační kapaliny zkontrolujte specifikace týkající se specifické hmotnosti, rozsahu pracovních teplot, tlaku par a bodu vzplanutí. V úvahu je třeba vzít také korozivní vlastnosti, rozpustnost a toxicitu.
Digitální manometry
Kapalinový manometr má svá omezení. Skleněné trubice, indikační kapaliny a požadavky na montáž hladiny se hodí spíše do laboratoře než do terénu. Také je nelze propojit s počítačem nebo PLC. Tato omezení lze překonat pomocí digitálních manometrů. Tyto mikroprocesorové přístroje jsou k dispozici v praktických přenosných velikostech pro snadné použití v terénu nebo v provedení pro panelovou či samostatnou montáž s výstupy pro řízení procesu nebo přenos naměřených dat.
Při měření tlaku kapalinovými manometry je třeba ručně kompenzovat odchylky od standardních podmínek hustoty a tíhy. U digitálních manometrů je to jednodušší, protože některé korekční faktory kapalinových manometrů lze ignorovat a jiné lze kompenzovat softwarově.
S duálními porty stačí ke změně mezi měřením diferenčního, manometrického a absolutního tlaku vyměnit snímače.
Další běžné funkce digitálních manometrů zahrnují:
- Vestavěná paměť pro záznam dat nebo ukládání min./max. hodnot
- Zprůměrování řady naměřených hodnot pro tlumení tlakových pulzů
Digitální manometry s vyšší přesností se používají ke kalibraci převodníků tlaku a dalších tlakových přístrojů v terénu. Digitální kalibrátory jsou rychlejší a jednodušší, protože nevyžadují žádné krabice, plynové lahve, regulátory nebo závaží k nastavení a nemají žádné speciální plošiny nebo kritické požadavky na vyrovnání. Další srovnání specifikací kapalinových a digitálních manometrů je uvedeno v tabulce 1.
| TABULKA 1 | |||||
| Specifikace manometrů | |||||
| Kapalinové manometry | Digitální manometry | ||||
| U-.trubice | Studna | Šikmá | Všeobecné použití | Kalibrační | |
| Rozsah | 100 in. | 100 in. | 20 in. | 20-2000 in H2O, 20-2000 psig, 2000 mmHg |
2000 in H2O, 2000 psig, 2000 mmHg |
| Přesnost | ±½ dílku menší stupnice | ±½ dílku menší stupnice | ±½ dílku menší stupnice | ±0.025-0,1 % F.S. | ±0,025-0,1 % F.S. |
| Mokré části nebo média Kompatibilita |
Litina, nerezová ocel, PVC, sklo, Viton | Nerezová ocel, sklo, Viton | Akryl, nerezová ocel, hliník, sklo, Viton | Čisté, suché nekorozivní plyny; kapaliny kompatibilní s nerezovou ocelí | Čisté, suché nekorozivní plyny; kapaliny kompatibilní s nerezovou ocelí |
| Tlak Rating |
250 psig | 250-500 psig | 100-350 psig | 2 × rozsah | 2 × rozsah |
| Montáž | Stěna, | Stěna, stůl, zapuštěné čelo, trubka | Stěna, stolní | Přenosný | Přenosný |
| Relativní náklady | Nízké | Nízké/střední | Střední | Střední | Vysoká |
Pro další čtení
Massey, B.S. 1989. Mechanics of Fluids, 6. vydání, Londýn: Van Nostrand Reinhold.
Meriam Instrument. 1997. Using Manometry to Precisely Measure Pressure, Flow and Level [Použití manometrů k přesnému měření tlaku, průtoku a hladiny], Cleveland: Meriam Instrument.
Meriam, J.B. 1938. The Manometer and Its Uses [Manometr a jeho použití]. 2nd Ed., Cleveland: Meriam Instrument.
Omega Engineering. 1999. Transactions in Measurement and Control (Transakce v oblasti měření a regulace): Vydání: Manometry a měření, 2. vyd. Stamford, CT: Putnam Publishing and Omega Press.
Yeager, John, and Hrusch-Tupta, M.A., Eds. 1998. Low Level Measurements (Měření na nízkých úrovních). 5th Ed. Cleveland: Keithley Instruments.
SIDEBAR:
Slovník tlakoměrů a přesnosti
Absolutní tlak. Měření vztažené k nulovému tlaku; rovná se součtu manometrického a atmosférického tlaku. Běžnými jednotkami jsou libry na čtvereční palec (psia), milimetry rtuti (mmHga) a palce rtuti (in.Hga).
Přesnost. Míra blízkosti shody údaje se standardem. Pro absolutní přesnost se porovnává s primárním etalonem (etalon uznaný organizací NIST). Přesnost se obvykle udává jako plus nebo minus procento plného rozsahu stupnice. Kalibrační přesnosti se často udávají jako plus nebo minus procento odečtu s plus nebo minus počty.
Ambientní tlak. Tlak prostředí obklopujícího přístroj. Pohybuje se v rozmezí od 29,92 in.Hg u hladiny moře do několika centimetrů ve velkých nadmořských výškách.
Atmosférický tlak. Tlak atmosféry na jednotkovém povrchu. Nazývá se také barometrický tlak. Na úrovni hladiny moře činí 29,92 in.Hg absolutně.
Počet. Nejmenší přírůstek A/D převodu, který se zobrazí.
Diferenciální tlak. Rozdíl mezi dvěma body měření. Běžnými jednotkami jsou palce vody (in.H2O), libry na čtvereční palec (psi) a milibary (mbar).
Rozlišení zobrazení. Maximální počet číslic na digitálním displeji. Například při rozlišení displeje 4½ číslice se odečte maximálně 19 999 počtů a při rozlišení displeje 5 významných číslic se odečte maximálně 99 999 počtů.
Tlak na manometru. Měření vztažené k atmosférickému tlaku. Mění se podle barometrického údaje. Používá se také k určení maximální hodnoty tlaku manometrů. Mezi běžné jednotky patří libry na čtvereční palec (psig).
Rozsah. Oblast mezi dolní a horní mezí měření.
Rozsah. Nejmenší část měření, kterou lze zjistit.
Citlivost. Nejmenší změna měření, kterou lze zjistit.
Nejistota. Odhad možné chyby měření. Je to opak přesnosti.
Vakuum. Jakýkoli tlak nižší než atmosférický tlak. Pokud je vztažen k atmosféře, nazývá se měření vakuum (nebo záporný manometr). Při vztažení na nulový tlak se jedná o měření absolutního tlaku.
Nulový absolutní tlak. Úplná nepřítomnost jakéhokoli plynu; dokonalé vakuum.
