Yksi varhaisimmista paineenmittauslaitteista on edelleen laajassa käytössä sen luontaisen tarkkuuden ja yksinkertaisen käytön vuoksi. Se on U-putkimanometri, joka on U:n muotoinen lasiputki, joka on osittain täytetty nesteellä. Tässä manometrissä ei ole liikkuvia osia eikä se vaadi kalibrointia. Manometrien mittaukset ovat painovoiman ja nesteen tiheyden funktioita, jotka molemmat ovat fysikaalisia ominaisuuksia, minkä vuoksi U-putkimanometri on NIST:n tarkkuusstandardi.
Manometrit ovat sekä paineen mittauslaitteita että kalibrointistandardeja. Ne vaihtelevat yksinkertaisista U-putkista ja nesteellä täytetyistä kaivoista kannettaviin digitaalisiin instrumentteihin, joissa on tietokoneliitäntä.
Kuten kuvassa 1 on esitetty, U-putkimanometrin kummankin jalan ollessa alttiina ilmakehälle nesteen korkeus pylväissä on yhtä suuri. Kun tätä pistettä käytetään vertailupisteenä ja kukin jalka liitetään tuntemattomaan paineeseen, pylväiden korkeuserot ilmaisevat paine-eron (ks. kuva 2).
 Kuva 1. Vertailupiste. Kun U-putkimanometrin molemmat jalat ovat avoinna ilmakehään tai niihin kohdistuu sama paine, nesteen taso pysyy samana kummassakin jalassa, mikä muodostaa nollavertailun. |
 Kuva 2. Kun U-putki-manometrin vasemmalle puolelle kohdistetaan suurempi paine, neste laskee vasemmassa jalassa ja nousee oikeassa jalassa. Neste liikkuu, kunnes nesteen yksikköpaino, jota h osoittaa, on täsmälleen yhtä suuri kuin paine. |
Nestepylvään ilmaiseman paineen perussuhde on:
| Δp = P2-P1 = ρgh | (1) |
missä:
| Δp | = paine-ero |
| P1 | = paine matalapaineliitännässä |
| P2 | = paine korkeapaineliitännässä.paineliitäntä |
| ρ | = osoittavan nesteen tiheys (tietyssä lämpötilassa) |
| g | = painovoiman kiihtyvyys (tietyllä leveysasteella ja tietyssä lämpötilassa). korkeudessa) |
| h | = pylväiden korkeuserot |
Tuloksena syntyvä paine on nestepylväiden pinta-alayksikköä kohti kohdistuvien voimien erotus, käyttäen yksikköinä punta per neliötuuma (psi) tai newtonia per neliömetri (pascal). Manometriä käytetään niin usein paineen mittaamiseen, että myös pylväiden korkeuserot ovat yleinen yksikkö. Tämä ilmaistaan tuumina tai senttimetreinä vettä tai elohopeaa tietyssä lämpötilassa, mikä voidaan muuttaa vakiopaineyksiköiksi muuntotaulukon avulla.
Kaikki paineen mittaukset ovat differentiaalisia. Vertailukohtana voi olla absoluuttinen nollapaine (täydellinen tyhjiö), ilmakehän paine (barometrinen paine) tai jokin muu paine. Kun manometrin toinen jalka on avoinna ilmakehään (ks. kuva 3A), mitattu paine on se, joka ylittää ilmakehän paineen, joka merenpinnan tasolla on 14,7 psi, 101,3 kPa tai 76 cmHg.
Kuva 3. Mitattu paine on paine, joka ylittää ilmakehän paineen, joka merenpinnan tasolla on 14,7 psi, 101,3 kPa tai 76 cmHg. Mittaripaine on ilmanpaineeseen suhteutettu mittaus, ja se vaihtelee barometrisen lukeman mukaan. Mittarin painemittaus on positiivinen, kun tuntematon paine ylittää ilmakehän paineen (A), ja negatiivinen, kun tuntematon paine on pienempi kuin ilmakehän paine (B).
Tätä mittausta kutsutaan ylipaineeksi, ja positiivisen paineen suhde ilmaistaan seuraavasti:
| absoluuttinen paine = ilmanpaine + positiivinen ylipaine | (2) |
Negatiivisen paineen (tyhjiö) mittauksessa (ks. kuva 3B) pylväskorkeudet kääntyvät päinvastaisiksi, ja suhde ilmaistaan seuraavasti:
| absoluuttinen paine = ilmakehän paine + negatiivinen ylipaine | (3) |
Nämä painesuhteet on esitetty kuvassa 4.
Kuva 4. Positiivisen ja negatiivisen ylipaineen graafinen esitys osoittaa kaikkien painemittausten differentiaaliaspektin, jossa ylipaine on absoluuttisen paineen ja ilmanpaineen erotus.
Kuva 5. Suljetun putken manometrissä paineen referenssi on tyhjiö eli absoluuttinen nollapaine. Yleisin suljetun putken manometrin muoto on perinteinen elohopeabarometri, jota käytetään ilmakehän paineen mittaamiseen.
Manometri voidaan suunnitella mittaamaan suoraan absoluuttista painetta. Kuvassa 5 esitetty manometri mittaa elohopeapatsaan yläpuolella olevassa suljetussa jalassa olevaa painetta verrattuna absoluuttiseen nollapaineeseen. Tämän manometrin yleisin muoto on tavanomainen elohopeabarometri, jota käytetään ilmakehän paineen mittaamiseen. Tällä kokoonpanolla voidaan yhdellä liitännällä mitata paineita ilmakehän paineen ylä- ja alapuolella.
U-putkimanometrin muunnokset
Eropaine on aina pylvään korkeuksien erotus putkien koosta tai muodosta riippumatta. Kuten kuvassa 6A on esitetty, molempien manometrien jalat ovat avoinna ilmakehään päin ja osoitusnesteet ovat samalla tasolla. Saman paineen kytkeminen molempien manometrien vasempaan jalkaan saa aikaan sen tason laskemisen. Manometrien jalkojen tilavuuden vaihtelun vuoksi neste liikkuu kummassakin pylväässä eri matkan. Molempien manometrien nestetasojen välinen ero on kuitenkin sama (ks. kuva 6B).
Kuva 6. Nestetasojen välinen ero. Painelukema on aina nestekorkeuksien välinen erotus putkikoosta riippumatta. Kun molemmat manometrin jalat on avattu ilmakehään, nestekorkeudet ovat samat (A). Kun kummankin manometrin toiseen jalkaan kohdistetaan yhtä suuri ylipaine, nestekorkeudet eroavat toisistaan, mutta nestekorkeuksien välinen etäisyys on sama.
Kuva 7. Kaivotyyppisessä manometrissa yhden jalan (kaivon) poikkipinta-ala on paljon suurempi kuin toisen jalan. Kun kaivoon kohdistetaan painetta, neste laskee vain vähän verrattuna nesteen nousuun toisessa jalassa.
Tämä putkikokojen vaihtelu jatkuu edelleen kaivotyyppisessä (tai säiliö-) manometrissa (ks. kuva 7). Kun kaivoon kohdistetaan painetta, taso laskee hieman verrattuna pylväässä tapahtuvaan tason nousuun. Kompensoimalla pylvään asteikon asteikot kaivon pudotuksen korjaamiseksi voidaan tehdä suora paine-erolukema. Kaivotyyppisille manometreille on asetettu liitäntäohjeita verrattuna U-putkityyppisiin:
- Kytke ilmakehää korkeammat paineet kaivoon; kytke ilmakehää matalammat paineet putkeen.
- Erottelumittauksia varten kytke korkeampi paine kaivoon.
- Korotetun kaivon manometreissä kaivon liitäntää voidaan käyttää mittari- ja alipainemittauksiin.
Kuvassa 8 esitetyn kaivotyyppisen manometrin muunnelma on kaltevan putken (tai vetoputken) manometri. Kaltevalla osoitinputkella 1 tuuman pystysuora nousu venytetään usean tuuman mitta-asteikon pituudelle. Kaltevan putken manometrin herkkyys ja erotuskyky ovat paremmat matalissa paineissa.
Kuva 8. Matalat paineet ja pienet paine-erot voidaan käsitellä paremmin kaltevan putken manometrillä, jossa 1 tuuman pystysuora nestekorkeus voidaan venyttää 12 tuuman mitta-asteikon pituuteen.
Nesteiden ilmoittaminen
Nestemanometrit mittaavat paine-eroa tasapainottamalla nesteen painoa kahden paineen välillä. Kevyillä nesteillä, kuten vedellä, voidaan mitata pieniä paine-eroja; elohopeaa tai muita raskaita nesteitä käytetään suuriin paine-eroihin. Kolme kertaa vettä raskaammalla osoitusnesteellä paineen mittausalue on kolme kertaa suurempi, mutta erotuskyky heikkenee.
Ohjeistavia nesteitä voivat olla värillinen vesi, öljy, bentseenit, bromidit ja puhdas elohopea. Kun valitset ilmaisinnestettä, tarkista spesifikaatiot ominaispainon, käyttölämpötila-alueen, höyrynpaineen ja leimahduspisteen osalta. Syövyttävät ominaisuudet, liukoisuus ja myrkyllisyys ovat myös huomioitavia seikkoja.
Digitaaliset manometrit
Nestemanometrillä on rajoituksia. Lasiputket, ilmaisunesteet ja tason kiinnitysvaatimukset sopivat paremmin laboratorioon kuin kentälle. Sitä ei myöskään voida liittää tietokoneeseen tai PLC:hen. Nämä rajoitukset voidaan poistaa digitaalisilla manometreillä. Näitä mikroprosessoripohjaisia mittalaitteita on saatavana kätevissä, kannettavissa mitoissa, jotka helpottavat käyttöä kentällä, tai paneeli- tai erillisasennustyyleissä, joissa on ulostulot prosessin ohjausta tai mittaustietojen siirtoa varten.
Tiheyden ja painovoiman vakio-olosuhteista poikkeavat muutokset on kompensoitava manuaalisesti tehtäessä painemittauksia nestemanometreillä. Tämä on helpompaa digitaalisilla manometreillä, koska osa nestemanometrien korjauskertoimista voidaan jättää huomiotta ja osa voidaan kompensoida ohjelmistossa.
Kaksoisporttien ansiosta antureita tarvitsee vain vaihtaa, kun halutaan vaihtaa paine-ero-, ylipaine- ja absoluuttisten painemittausten välillä.
Digitaalisten manometrien muita yleisiä ominaisuuksia ovat:
- Sisäänrakennettu muisti tietojen kirjaamista tai min./max.-lukemien tallentamista varten
- Keskiarvoistaminen useiden lukemien välillä paineimpulssien vaimentamiseksi
Korkeamman tarkkuuden digitaalisia manometrejä käytetään painelähettimien ja muiden painemittareiden kalibrointiin kentällä. Digitaaliset kalibraattorit ovat nopeampia ja yksinkertaisempia, koska niiden asentamiseen ei tarvita laatikoita, kaasupulloja, säätimiä tai painoja, eikä niissä ole erityisiä alustoja tai kriittisiä tasoitusvaatimuksia. Taulukossa 1 esitetään lisävertailuja nestemäisten ja digitaalisten manometrien eritelmistä.
| TAULUKKO 1 | ||||||
| Manometrin tekniset tiedot | ||||||
| Nestemanometrit | Digitaalimanometrit | |||||
| U-Putki | Kaivo | Kallistettu | Yleiskäyttö | Kalibrointi | ||
| Väli | 100 in. | 100 in. | 20 in. | 20-2000 in H2O, 20-2000 psig, 2000 mmHg |
2000 in H2O, 2000 psig, 2000 mmHg |
|
| Tarkkuus | ±½ pienemmän asteikon asteikosta | ±½ pienemmän asteikon asteikosta | ±½ pienemmän asteikon asteikosta | ±0.025-0,1 % F.S. | ±0,025-0,1 % F.S. | ±0,025-0,1 % F.S. |
| Kostutetut osat tai väliaineet Yhteensopivuus |
Valurauta, ruostumaton teräs, PVC, lasi, Viton | Ruostumaton teräs, lasi, Viton | Akryyli, ruostumaton teräs, alumiini, lasi, Viton | Puhtaat, kuivat, ei-syövyttävät kaasut; nesteet, jotka ovat yhteensopivia ruostumattoman teräksen kanssa | Puhtaat, kuivat, ei-syövyttävät kaasut; nesteet, jotka ovat yhteensopivia ruostumattoman teräksen kanssa | |
| paine Luokitus |
250 psig | 250-500 psig | 100-350 psig | 2 × vaihteluväli | 2 × vaihteluväli | |
| Asennuspaineet | Seinään, pöytä | Seinä, pöytä, uppoasennus, putki | Seinä, pöytä | Kannettava | Kannettava | |
| Relatiiviset kustannukset | Matalat | Alhaiset | Alhaiset/keskinkertaiset | Keskikokoinen | Keskikokoinen | Korkea |
Lisälukemista
Massey, B.S. 1989. Mechanics of Fluids, 6. painos, Lontoo: Van Nostrand Reinhold.
Meriam Instrument. 1997. Using Manometers to Precisely 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:
Manometer Pressure and Accuracy Glossary
Absolute Pressure. Nollapaineeseen suhteutettu mittaus; vastaa ylipaineen ja ilmanpaineen summaa. Yleisiä yksiköitä ovat punta per neliötuuma (psia), millimetrin elohopea (mmHga) ja tuuman elohopea (in.Hga).
Tarkkuus. Mittari, jolla mitataan, kuinka hyvin lukema vastaa standardin lukemaa. Absoluuttista tarkkuutta varten verrataan ensisijaiseen standardiin (NIST:n tunnustamaan standardiin). Tarkkuudet ilmoitetaan yleensä plus- tai miinusprosentteina täydestä asteikosta. Kalibrointitarkkuudet ilmoitetaan usein plus- tai miinusprosentteina lukemasta plus- tai miinuslaskuilla.
Ambienttipaine. Laitetta ympäröivän väliaineen paine. Se vaihtelee 29,92 in.Hg:stä merenpinnan tasolla muutamaan tuumaan suurissa korkeuksissa.
Atmosfäärin paine. Ilmakehän paine yksikön pinnalla. Kutsutaan myös barometriseksi paineeksi. Merenpinnan tasolla se on 29.92 in.Hg absoluuttinen.
Luku. Pienin näytettävä A/D-muunnoksen inkrementti.
Differentiaalipaine. Kahden mittauspisteen välinen ero. Yleisiä yksiköitä ovat vesituumat (in.H2O), punnat neliötuumaa kohti (psi) ja millibaarit (mbar).
Näytön tarkkuus. Digitaalinäytön numeroiden enimmäismäärä. Esimerkiksi 4½ merkitsevän numeron näyttöresoluutiolla luetaan enintään 19 999 numeroa ja 5 merkitsevän numeron näyttöresoluutiolla luetaan enintään 99 999 numeroa.
Mittaripaine. Ilmakehän paineeseen suhteutettu mittaus. Se vaihtelee barometrisen lukeman mukaan. Käytetään myös määrittämään manometrien enimmäispainearvot. Yleisiä yksiköitä ovat paunaa neliötuumaa kohti (psig).
Välialue. Mittausten ala- ja ylärajojen välinen alue.
Resoluutio. Pienin osa mittauksesta, joka voidaan havaita.
Tarkkuus. Pienin havaittava muutos mittauksessa.
Epävarmuus. Arvio mittauksen mahdollisesta virheestä. Tämä on tarkkuuden vastakohta.
Tyhjiö. Mikä tahansa paine, joka on alle ilmakehän paineen. Kun se suhteutetaan ilmakehään, sitä kutsutaan tyhjiö (tai negatiivinen mittari) -mittaukseksi. Nollapaineeseen suhteutettuna kyseessä on absoluuttinen painemittaus.
Absoluuttinen nollapaine. Kaasujen täydellinen puuttuminen; täydellinen tyhjiö.
