Et af de tidligste trykmålingsinstrumenter er stadig meget anvendt i dag på grund af dets iboende nøjagtighed og enkle betjening. Det er U-rørmanometeret, som er et U-formet glasrør, der er delvist fyldt med væske. Dette manometer har ingen bevægelige dele og kræver ingen kalibrering. Manometermålinger er funktioner af tyngdekraften og væskens massefylde, begge fysiske egenskaber, der gør U-rørmanometeret til en NIST-standard for nøjagtighed.
Manometre er både trykmålingsinstrumenter og kalibreringsstandarder. De spænder fra enkle U-rør og brønde fyldt med væske til bærbare digitale instrumenter med en computergrænseflade.
Som det fremgår af figur 1, er væskehøjden i kolonnerne lige stor, når hvert ben af et U-rørmanometer er eksponeret for atmosfæren. Ved at bruge dette punkt som reference og forbinde hvert ben med et ukendt tryk angiver forskellen i søjlehøjder forskellen i tryk (se figur 2).
 Figur 1. Når begge ben af et U-rørmanometer er åbne for atmosfæren eller udsat for det samme tryk, opretholder væsken det samme niveau i hvert ben, hvorved der etableres en nulreference. |
 Figur 2. Når der påføres et større tryk på venstre side af et U-rørmanometer, sænkes væsken i det venstre ben og stiger i det højre ben. Væsken bevæger sig, indtil væskens enhedsvægt, som er angivet ved h, nøjagtigt afbalancerer trykket. |
Den grundlæggende relation for tryk udtrykt ved en væskesøjle er:
| Δp = P2-P1 = ρgh | (1) |
hvor:
| Δp | = differenstryk | |
| P1 | = tryk ved lavtryksforbindelsen | |
| P2 | = tryk ved højtryksforbindelsen | = tryk ved højtryksforbindelsen |
| = tryk ved højtryksforbindelsentrykforbindelse | ||
| ρ | = densitet af indikationsvæsken (ved en bestemt temperatur) | |
| g | = tyngdeacceleration (ved en bestemt breddegrad og højde) | |
| h | = forskel i søjlehøjder |
Det resulterende tryk er forskellen mellem de kræfter, der udøves pr. enhed af væskesøjlernes overfladeareal, med pund pr. kvadrattomme (psi) eller newton pr. kvadratmeter (pascal) som enheder. Manometeret bruges så ofte til at måle tryk, at forskellen i kolonnehøjder også er en almindelig enhed. Dette udtrykkes i tommer eller centimeter vand eller kviksølv ved en bestemt temperatur, som kan ændres til standardtryksenheder ved hjælp af en omregningstabel.
Alle trykmålinger er differentialmålinger. Referencen kan være nul absolut tryk (et totalt vakuum), atmosfærisk tryk (det barometriske tryk) eller et andet tryk. Med det ene ben af et manometer åbent mod atmosfæren (se figur 3A) er det målte tryk det tryk, der overstiger det atmosfæriske tryk, som på havniveau er 14,7 psi, 101,3 kPa eller 76 cmHg.
Figur 3. Manometertryk er en måling i forhold til det atmosfæriske tryk, og det varierer med den barometriske måling. En måling af overtryk er positiv, når det ukendte tryk er højere end det atmosfæriske tryk (A), og negativ, når det ukendte tryk er lavere end det atmosfæriske tryk (B).
Denne måling kaldes overtryk, og sammenhængen for et positivt tryk udtrykkes ved:
| absolut tryk = atmosfærisk tryk + positivt overtryk | (2) |
For en måling af negativt tryk (vakuum) (se figur 3B) er søjlehøjderne omvendt, og sammenhængen udtrykkes ved:
| absolut tryk = atmosfærisk tryk + negativt manometertryk | (3) |
Disse trykforhold er vist i figur 4.
Figur 4. En grafisk fremstilling af positivt og negativt overtryk viser det differentielle aspekt af alle trykmålinger, hvor overtryk er forskellen mellem absolut tryk og atmosfærisk tryk.
Figur 5. I et manometer med lukket rør er trykreferencen et vakuum eller nul absolut tryk. Den mest almindelige form for et manometer med lukket rør er det konventionelle kviksølvbarometer, der anvendes til måling af atmosfærisk tryk.
Et manometer kan være konstrueret til direkte måling af absolut tryk. Manometeret i figur 5 måler trykket i forhold til det absolutte nultryk i et forseglet ben over en kviksølvsøjle. Den mest almindelige form af dette manometer er det konventionelle kviksølvbarometer, der anvendes til måling af atmosfærisk tryk. Med blot én tilslutning kan denne konfiguration måle tryk over og under atmosfærisk tryk.
Variationer på U-rørmanometeret
Differenstrykket er altid forskellen i søjlehøjder, uanset rørenes størrelse eller form. Som vist i figur 6A er benene på begge manometre åbne for atmosfæren, og de indikerende væsker er på samme niveau. Tilslutning af det samme tryk til det venstre ben af hvert manometer får niveauet til at falde. På grund af volumenvariationen i manometerbenene bevæger væsken i hver søjle sig en forskellig afstand. Forskellen mellem væskestanden i de to manometre er dog identisk (se figur 6B).
Figur 6. Trykaflæsningen er altid forskellen mellem væskehøjderne, uanset rørstørrelserne. Når begge manometerben er åbne for atmosfæren, er væskeniveauerne de samme (A). Når der påføres et lige stort overtryk på det ene ben af hvert manometer, er væskeniveauerne forskellige, men afstanden mellem væskehøjderne er den samme.
Figur 7. I et manometer af brøndtypen er tværsnitsarealet af det ene ben (brønden) meget større end det andet ben. Når der påføres tryk på brønden, sænkes væsken kun lidt sammenlignet med væskestigningen i det andet ben.
Dette manometer af brøndtypen (eller reservoirmanometeret) (se fig. 7) er en videreførelse af denne variation i rørstørrelser. Når der påføres tryk på brønden, falder niveauet en smule sammenlignet med niveaustigningen i søjlen. Ved at kompensere kolonnens skalainddelinger for brøndfaldet er det muligt at foretage en direkte aflæsning af differenstryk. Der er fastsat retningslinjer for tilslutning af manometre af brøndtypen sammenlignet med manometre af U-rørtypen:
- Anslut tryk højere end atmosfærisk til brønden; tilslut tryk lavere end atmosfærisk til røret.
- For differentialmålinger skal det højere tryk tilsluttes til brønden.
- For manometre med hævet brønd kan brøndtilslutningen anvendes til målinger af manometer og vakuum.
En variant af brøndmanometeret er manometeret med skråt rør (eller trækmåler), som vist i figur 8. Med et skråt indikeringsrør strækkes 1 tomme af en lodret stigning over flere tommer af skalaens længde. Manometeret med skråt rør har bedre følsomhed og opløsning ved lave tryk.
Figur 8. Lavt tryk og lave differentialer håndteres bedre med et manometer med skråt rør, hvor 1 tommer lodret væskehøjde kan strækkes til 12 tommer skalalængde.
Indikering af væsker
Væske manometre måler differenstryk ved at afbalancere vægten af en væske mellem to tryk. Lette væsker som f.eks. vand kan måle små trykforskelle; kviksølv eller andre tunge væsker anvendes til store trykforskelle. For en indikatorvæske, der er 3 gange tungere end vand, er trykmålingsområdet 3 gange større, men opløsningen er reduceret.
Indikatorvæske kan være farvet vand, olie, benzener, bromider og rent kviksølv. Når du vælger en indikatorvæske, skal du kontrollere specifikationerne for specifik vægtfylde, driftstemperaturområde, damptryk og flammepunkt. Ætsende egenskaber, opløselighed og toksicitet er også vigtige overvejelser.
Digitale manometre
Et væskemanometer har begrænsninger. Glasrør, indikationsvæsker og krav til montering af niveauet egner sig bedre til et laboratorium end til brug i marken. Det kan heller ikke forbindes med en computer eller PLC. Sådanne begrænsninger kan overvindes med digitale manometre. Disse mikroprocessorbaserede instrumenter fås i praktiske, bærbare størrelser til nem brug i marken eller som panel- eller stand-alone-montering med udgange til styring af en proces eller overførsel af måledata.
Variationer i forhold til standardbetingelser for densitet og tyngdekraft skal kompenseres manuelt, når der foretages trykmålinger med væskemanometre. Dette er lettere med digitale manometre, fordi nogle af korrektionsfaktorerne for væskemanometre kan ignoreres, og andre kan kompenseres i software.
Med dobbelte porte er det blot nødvendigt at udskifte sensorer for at skifte mellem differential-, gauge- og absolutte trykmålinger.
Andre almindelige funktioner i digitale manometre omfatter:
- Indbygget hukommelse til datalogning eller lagring af min./max. aflæsninger
- Middelværdiberegning af et antal aflæsninger for at dæmpe trykimpulser
Digitale manometre med højere nøjagtighed anvendes til kalibrering af tryktransmittere og andre trykinstrumenter i marken. Digitale kalibratorer er hurtigere og enklere, da de ikke kræver kasser, gasflasker, regulatorer eller vægte at opstille, og de har ingen særlige platforme eller kritiske nivelleringskrav. Tabel 1 viser yderligere sammenligninger af specifikationer for flydende og digitale manometre.
| TABEL 1 | |||||||
| Manometerspecifikationer | |||||||
| Væske manometre | Digitale manometre | ||||||
| U-rør | Brønd | Inklineret | Almene formål | Kalibrering | |||
| Rækkevidde | 100 tommer. | 100 in. | 20 tommer. | 20-2000 in H2O, 20-2000 psig, 2000 mmHg |
2000 in H2O, 2000 psig, 2000 mmHg |
||
| Nøjagtighed | ±½ af mindre skalainddeling | ±½ af mindre skalainddeling | ±½ af mindre skalainddeling | ±½ af mindre skalainddeling | ±0.025-0,1% F.S. | ±0,025-0,1% F.S. | ±0,025-0,1% F.S. |
| Våddele eller medier Kompatibilitet |
Gusjern, rustfrit stål, PVC, glas, Viton | Edelstål, glas, Viton | Akryl, rustfrit stål, aluminium, glas, Viton | Rene, tørre, ikke-korrosive gasser; væsker, der er forenelige med rustfrit stål | Rene, tørre, ikke ætsende gasser; Væsker, der er kompatible med rustfrit stål | ||
| Tryk Klasse |
250 psig | 250-500 psig | 100-350 psig | 2 × området | 2 × området | ||
| Montering | Væg, bord | Væg, bord, forsænket foran, rør | Væg, bord | Bærbar | Bærbar | ||
| Relative omkostninger | Lav | Lav | Lav/medium | Medium | Medium | Høj | |
For Further Reading
Massey, B.S. 1989. Mechanics of Fluids, 6th Ed., London: Van Nostrand Reinhold.
Meriam Instrument. 1997. Brug af manometre til nøjagtig måling af tryk, flow og niveau, Cleveland: Meriam Instrument.
Meriam, J.B. 1938. Manometeret og dets anvendelser. 2nd Ed., Cleveland: Meriam Instrument.
Omega Engineering. 1999. Transactions in Measurement and Control: Force-Related Measurements, 2nd Ed. Stamford, CT: Putnam Publishing and Omega Press.
Yeager, John, og Hrusch-Tupta, M.A., Eds. 1998. Low Level Measurements. 5th Ed. Cleveland: Keithley Instruments.
SIDEBAR:
Glossar for manometertryk og -nøjagtighed
Absolut tryk. En måling, der er refereret til nultryk; er lig med summen af overtryk og atmosfærisk tryk. Almindelige enheder er pund pr. kvadrattomme (psia), millimeter kviksølv (mmHga) og tommer kviksølv (in.Hga).
Nøjagtighed. Et mål for, i hvor høj grad en aflæsning stemmer overens med en standard. For absolut nøjagtighed skal der sammenlignes med en primær standard (anerkendt af NIST). Nøjagtigheder angives normalt som et plus eller minus procent af fuld skala. Kalibreringsnøjagtigheder angives ofte som plus eller minus procent af aflæsning med plus eller minus tællinger.
Ambient Pressure. Trykket i det medium, der omgiver en anordning. Det varierer fra 29,92 in.Hg på havniveau til nogle få tommer i store højder.
Atmosfærisk tryk. Atmosfærens tryk i atmosfæren på en enheds overflade. Også kaldet barometrisk tryk. På havniveau er det 29,92 in.Hg absolut.
Tæller. Det mindste trin i en A/D-konvertering, der vises.
Differentialt tryk. Forskellen mellem to målepunkter. Almindelige enheder er tommer vand (in.H2O), pund pr. kvadrattomme (psi) og millibar (mbar).
Displayopløsning. Det maksimale antal cifre på et digitalt display. En displayopløsning på 4½ cifre viser f.eks. maksimalt 19.999 tællinger, og en displayopløsning på 5 signifikante cifre viser maksimalt 99.999 tællinger.
Målertryk. En måling, der refererer til det atmosfæriske tryk. Det varierer med den barometriske aflæsning. Bruges også til at specificere det maksimale trykniveau for manometre. Almindelige enheder omfatter pund pr. kvadrattomme (psig).
Rækkevidde. Området mellem den nedre og øvre grænse for målinger.
Opløsning. Den mindste del af en måling, der kan detekteres.
Følsomhed. Den mindste ændring i en måling, der kan detekteres.
Usikkerhed. Et skøn over den mulige fejl i en måling. Dette er det modsatte af nøjagtighed.
Vakuum. Ethvert tryk under det atmosfæriske tryk. Når det refereres til atmosfæren, kaldes det en vakuummåling (eller negativ måling). Når det refereres til nultryk, er det en absolut trykmåling.
Nulabsoluttryk. Det fuldstændige fravær af enhver gas; et perfekt vakuum.
