Eines der frühesten Druckmessgeräte ist wegen seiner inhärenten Genauigkeit und einfachen Bedienung auch heute noch weit verbreitet. Es handelt sich um das U-Rohr-Manometer, ein U-förmiges Glasrohr, das teilweise mit Flüssigkeit gefüllt ist. Dieses Manometer hat keine beweglichen Teile und erfordert keine Kalibrierung. Manometrische Messungen sind Funktionen der Schwerkraft und der Dichte der Flüssigkeit, beides physikalische Eigenschaften, die das U-Rohr-Manometer zu einem NIST-Standard für Genauigkeit machen.
Manometer sind sowohl Druckmessgeräte als auch Kalibrierstandards. Sie reichen von einfachen U-Rohren und mit Flüssigkeit gefüllten Vertiefungen bis hin zu tragbaren digitalen Instrumenten mit einer Computerschnittstelle.
Wie in Abbildung 1 dargestellt, ist die Höhe der Flüssigkeit in den Säulen gleich, wenn jeder Schenkel eines U-Rohr-Manometers der Atmosphäre ausgesetzt ist. Nimmt man diesen Punkt als Bezugspunkt und verbindet jeden Schenkel mit einem unbekannten Druck, so zeigt die Differenz der Säulenhöhen die Druckdifferenz an (siehe Abbildung 2).
 Abbildung 1. Wenn beide Schenkel eines U-Rohr-Manometers zur Atmosphäre hin offen sind oder dem gleichen Druck ausgesetzt sind, hält die Flüssigkeit in jedem Schenkel den gleichen Füllstand, wodurch ein Nullbezug hergestellt wird. |
 Abbildung 2. Wird auf die linke Seite eines U-Rohr-Manometers ein größerer Druck ausgeübt, so sinkt die Flüssigkeit im linken Schenkel und steigt im rechten Schenkel an. Die Flüssigkeit bewegt sich so lange, bis die Gewichtseinheit der Flüssigkeit, angegeben durch h, den Druck genau ausgleicht. |
Die grundlegende Beziehung für den Druck einer Flüssigkeitssäule lautet:
| Δp = P2-P1 = ρgh | (1) |
wobei:
| Δp | = Differenzdruck |
| P1 | = Druck am Niederdruckanschluss |
| P2 | = Druck am HochdruckDruckanschluss |
| ρ | = Dichte der Anzeigeflüssigkeit (bei einer bestimmten Temperatur) |
| g | = Erdbeschleunigung (bei einem bestimmten Breitengrad und Höhe) |
| h | = Differenz der Säulenhöhen |
Der resultierende Druck ist die Differenz zwischen den Kräften, die pro Flächeneinheit der Flüssigkeitssäulen ausgeübt werden, mit den Einheiten Pfund pro Quadratzoll (psi) oder Newton pro Quadratmeter (Pascal). Das Manometer wird so häufig zur Druckmessung verwendet, dass auch die Differenz der Säulenhöhen eine gängige Einheit ist. Diese wird in Zoll oder Zentimeter Wasser oder Quecksilber bei einer bestimmten Temperatur ausgedrückt, die mit einer Umrechnungstabelle in Standarddruckeinheiten umgewandelt werden können.
Alle Druckmessungen sind Differenzmessungen. Die Referenz kann der absolute Druck Null (ein totales Vakuum), der atmosphärische Druck (der barometrische Druck) oder ein anderer Druck sein. Wenn ein Schenkel eines Manometers zur Atmosphäre hin offen ist (siehe Abbildung 3A), wird der Druck gemessen, der über dem atmosphärischen Druck liegt, der auf Meereshöhe 14,7 psi, 101,3 kPa oder 76 cmHg beträgt.
Abbildung 3. Der Überdruck ist eine Messung relativ zum atmosphärischen Druck und variiert mit dem barometrischen Wert. Eine Überdruckmessung ist positiv, wenn der unbekannte Druck über dem Atmosphärendruck (A) liegt, und negativ, wenn der unbekannte Druck unter dem Atmosphärendruck (B) liegt.
Diese Messung wird Überdruck genannt, und die Beziehung für einen positiven Druck wird ausgedrückt durch:
| absoluter Druck = Atmosphärendruck + positiver Überdruck | (2) |
Für eine Unterdruckmessung (Vakuum) (siehe Abbildung 3B) kehren sich die Säulenhöhen um, und die Beziehung wird ausgedrückt durch:
| absoluter Druck = Atmosphärendruck + negativer Überdruck | (3) |
Diese Druckverhältnisse sind in Abbildung 4 dargestellt.
Abbildung 4. Eine grafische Darstellung von positivem und negativem Überdruck zeigt den Differenzaspekt aller Druckmessungen, wobei der Überdruck die Differenz zwischen absolutem Druck und atmosphärischem Druck ist.
Abbildung 5. Bei einem Manometer mit geschlossener Röhre ist der Referenzdruck ein Vakuum oder der absolute Druck Null. Die gebräuchlichste Form eines Manometers mit geschlossener Röhre ist das herkömmliche Quecksilberbarometer, das zur Messung des atmosphärischen Drucks verwendet wird.
Ein Manometer kann so konstruiert werden, dass es den absoluten Druck direkt misst. Das Manometer in Abbildung 5 misst den Druck im Vergleich zum absoluten Druck Null in einem abgedichteten Rohr über einer Quecksilbersäule. Die häufigste Form dieses Manometers ist das herkömmliche Quecksilberbarometer, das zur Messung des atmosphärischen Drucks verwendet wird. Mit nur einem Anschluss kann diese Konfiguration Drücke über und unter dem Atmosphärendruck messen.
Variationen des U-Rohr-Manometers
Der Differenzdruck ist immer die Differenz der Säulenhöhen, unabhängig von der Größe oder Form der Rohre. Wie in Abbildung 6A dargestellt, sind die Schenkel beider Manometer zur Atmosphäre hin offen, und die Anzeigeflüssigkeiten befinden sich auf dem gleichen Niveau. Wird an den linken Schenkel beider Manometer derselbe Druck angelegt, so sinkt der Füllstand. Aufgrund des unterschiedlichen Volumens der Manometerschenkel bewegt sich die Flüssigkeit in jeder Säule über eine unterschiedliche Strecke. Die Differenz zwischen den Flüssigkeitsständen in beiden Manometern ist jedoch identisch (siehe Abbildung 6B).
Abbildung 6. Der abgelesene Druck ist immer die Differenz zwischen den Flüssigkeitshöhen, unabhängig von den Rohrgrößen. Wenn beide Manometerschenkel zur Atmosphäre hin geöffnet sind, sind die Flüssigkeitsstände gleich (A). Bei gleichem Überdruck an einem Schenkel jedes Manometers sind die Flüssigkeitsstände unterschiedlich, aber der Abstand zwischen den Flüssigkeitshöhen ist der gleiche.
Abbildung 7. Bei einem Brunnenmanometer ist die Querschnittsfläche des einen Schenkels (des Brunnens) viel größer als die des anderen Schenkels. Wenn Druck auf den Brunnen ausgeübt wird, sinkt die Flüssigkeit nur geringfügig im Vergleich zum Flüssigkeitsanstieg im anderen Schenkel.
Diese Variation der Rohrgrößen wird durch das Brunnenmanometer (oder Reservoirmanometer) weitergeführt (siehe Abbildung 7). Wenn das Bohrloch mit Druck beaufschlagt wird, fällt der Pegel im Vergleich zum Pegelanstieg in der Säule leicht ab. Durch Kompensation der Skaleneinteilung der Säule, um das Absinken des Brunnens zu korrigieren, ist es möglich, den Differenzdruck direkt abzulesen. Für Brunnenmanometer gelten im Vergleich zu U-Rohr-Manometern bestimmte Anschlussvorschriften:
- Drücke, die höher als der atmosphärische Druck sind, an den Brunnen anschließen; Drücke, die niedriger als der atmosphärische Druck sind, an das Rohr anschließen.
- Für Differenzmessungen den höheren Druck an den Brunnen anschließen.
- Bei Manometern mit hochgezogenem Brunnen kann der Brunnenanschluss für Über- und Unterdruckmessungen verwendet werden.
Eine Variante des Brunnenmanometers ist das Manometer mit geneigtem Rohr (oder Windmesser) in Abbildung 8. Bei einem Schrägrohrmanometer wird eine vertikale Steigung von 1 Zoll auf mehrere Zoll Skalenlänge ausgedehnt. Das Schrägrohrmanometer hat eine bessere Empfindlichkeit und Auflösung für niedrige Drücke.
Abbildung 8. Niedrige Drücke und niedrige Differentiale werden besser mit einem Schrägrohrmanometer gehandhabt, bei dem 1 Zoll vertikale Flüssigkeitshöhe auf 12 Zoll Skalenlänge ausgedehnt werden kann.
Anzeigeflüssigkeiten
Flüssigkeitsmanometer messen den Differenzdruck durch Ausgleich des Gewichts einer Flüssigkeit zwischen zwei Drücken. Leichte Flüssigkeiten wie Wasser können kleine Druckunterschiede messen; Quecksilber oder andere schwere Flüssigkeiten werden für große Druckunterschiede verwendet. Bei einer Anzeigeflüssigkeit, die dreimal so schwer ist wie Wasser, ist der Druckmessbereich dreimal so groß, aber die Auflösung ist geringer.
Anzeigeflüssigkeiten können gefärbtes Wasser, Öl, Benzole, Bromide und reines Quecksilber sein. Bei der Auswahl einer Anzeigeflüssigkeit sind die Spezifikationen für spezifisches Gewicht, Betriebstemperaturbereich, Dampfdruck und Flammpunkt zu prüfen. Korrosive Eigenschaften, Löslichkeit und Toxizität sind ebenfalls zu berücksichtigen.
Digitale Manometer
Ein Flüssigkeitsmanometer hat seine Grenzen. Die Glasrohre, die Anzeigeflüssigkeiten und die Anforderungen an die Befestigung des Füllstands eignen sich eher für ein Labor als für die Praxis. Außerdem können sie nicht mit einem Computer oder einer SPS verbunden werden. Solche Einschränkungen können mit digitalen Manometern überwunden werden. Diese mikroprozessorgesteuerten Instrumente sind in praktischen, tragbaren Größen für den einfachen Einsatz vor Ort oder in Schalttafel- oder Standalone-Ausführung erhältlich und verfügen über Ausgänge zur Steuerung eines Prozesses oder zur Übertragung von Messdaten.
Bei Druckmessungen mit Flüssigkeitsmanometern müssen Abweichungen von den Standardbedingungen für Dichte und Schwerkraft manuell kompensiert werden. Bei digitalen Manometern ist dies einfacher, da einige der Korrekturfaktoren für Flüssigkeitsmanometer ignoriert werden können und andere in der Software kompensiert werden können.
Bei zwei Anschlüssen genügt ein Austausch der Sensoren, um zwischen Differenz-, Überdruck- und Absolutdruckmessungen zu wechseln.
Weitere gemeinsame Merkmale von Digitalmanometern sind:
- Ein integrierter Speicher für die Datenprotokollierung oder die Speicherung von Min./Max.-Messwerten
- Mittelwertbildung einer Reihe von Messwerten zur Dämpfung von Druckimpulsen
Digitale Manometer mit höherer Genauigkeit werden zur Kalibrierung von Drucktransmittern und anderen Druckmessgeräten vor Ort verwendet. Digitale Kalibratoren sind schneller und einfacher, da sie keine Kästen, Gasflaschen, Regler oder Gewichte benötigen, um aufgestellt zu werden, und keine speziellen Plattformen oder kritischen Nivellierungsanforderungen haben. Weitere Vergleiche der Spezifikationen von Flüssigkeits- und Digitalmanometern sind in Tabelle 1 aufgeführt.
| TABELLE 1 | |||||
| Spezifikationen für Manometer | |||||
| Flüssigkeitsmanometer | Digitalmanometer | ||||
| U-Rohr | Schacht | Gefälle | Allgemeiner Zweck | Kalibrieren | |
| Bereich | 100 in. | 100 in. | 20 in. | 20-2000 in H2O, 20-2000 psig, 2000 mmHg |
2000 in H2O, 2000 psig, 2000 mmHg |
| Genauigkeit | ±½ der kleinen Skalenteilung | ±½ der kleinen Skalenteilung | ±½ der kleinen Skalenteilung | ±0.025-0,1% V.E. | ±0,025-0,1% V.E. |
| Benetzte Teile oder Medien Verträglichkeit |
Gusseisen, Edelstahl, PVC, Glas, Viton | Edelstahl, Glas, Viton | Acryl, Edelstahl, Aluminium, Glas, Viton | Saubere, trockene nicht korrosive Gase; Flüssigkeiten, die mit Edelstahl verträglich sind | Reine, trockene, nicht-korrosive Gase; Flüssigkeiten, die mit Edelstahl kompatibel sind |
| Druck Rating |
250 psig | 250-500 psig | 100-350 psig | 2 × Bereich | 2 × Bereich |
| Montage | Wand, Tisch | Wand, Tisch, frontbündig, Rohr | Wand, Tisch | Portabel | Portabel |
| Relative Kosten | Niedrig | Niedrig/mittel | Mittel | Mittel | Hoch |
Für weitere Informationen
Massey, B.S. 1989. Mechanics of Fluids, 6. Aufl., London: Van Nostrand Reinhold.
Meriam Instrument. 1997. Using Manometers to Precise Measure Pressure, Flow and Level, Cleveland: Meriam Instrument.
Meriam, J.B. 1938. The Manometer and Its Uses. 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, and Hrusch-Tupta, M.A., Eds. 1998. Low Level Measurements. 5th Ed. Cleveland: Keithley Instruments.
SIDEBAR:
Glossar für Manometerdruck und Genauigkeit
Absoluter Druck. Eine Messung, die sich auf den Druck Null bezieht; entspricht der Summe aus Überdruck und atmosphärischem Druck. Übliche Einheiten sind Pfund pro Quadratzoll (psia), Millimeter Quecksilber (mmHga) und Zoll Quecksilber (in.Hga).
Genauigkeit. Ein Maß für die Übereinstimmung eines Messwerts mit dem eines Standards. Bei absoluter Genauigkeit wird mit einem Primärstandard (einem von NIST anerkannten Standard) verglichen. Genauigkeiten werden normalerweise als plus oder minus Prozent des Skalenendwerts angegeben. Kalibriergenauigkeiten werden oft als plus oder minus Prozent des Messwerts mit plus oder minus Zählwerten angegeben.
Umgebungsdruck. Der Druck des Mediums, das ein Gerät umgibt. Er variiert von 29,92 in.Hg auf Meereshöhe bis zu einigen Zentimetern in großen Höhen.
Atmosphärischer Druck. Der Druck der Atmosphäre auf einer Einheitsfläche. Auch barometrischer Druck genannt. Auf Meereshöhe beträgt er 29,92 in.Hg absolut.
Count. Das kleinste Inkrement einer A/D-Wandlung, das angezeigt wird.
Differenzdruck. Die Differenz zwischen zwei Messpunkten. Übliche Einheiten sind Zoll Wasser (in.H2O), Pfund pro Quadratzoll (psi) und Millibar (mbar).
Anzeigeauflösung. Die maximale Anzahl der Ziffern auf einer Digitalanzeige. Bei einer Anzeigeauflösung von 4½ Stellen werden beispielsweise maximal 19.999 Zählungen angezeigt; bei einer Anzeigeauflösung von 5 signifikanten Stellen werden maximal 99.999 Zählungen angezeigt.
Überdruck. Eine Messung, die sich auf den atmosphärischen Druck bezieht. Er variiert mit dem barometrischen Wert. Wird auch zur Angabe der maximalen Druckrate von Manometern verwendet. Übliche Einheiten sind Pfund pro Quadratzoll (psig).
Bereich. Der Bereich zwischen der unteren und der oberen Grenze von Messungen.
Auflösung. Der kleinste Teil einer Messung, der erkannt werden kann.
Empfindlichkeit. Die kleinste Änderung einer Messung, die erkannt werden kann.
Ungenauigkeit. Eine Schätzung des möglichen Fehlers bei einer Messung. Dies ist das Gegenteil von Genauigkeit.
Vakuum. Jeder Druck unterhalb des Atmosphärendrucks. Bezieht man sich auf die Atmosphäre, spricht man von einer Vakuummessung (oder Unterdruckmessung). Bezieht man sich auf den Druck Null, handelt es sich um eine Absolutdruckmessung.
Absoluter Druck Null. Die vollständige Abwesenheit von Gas; ein perfektes Vakuum.
