A legkorábbi nyomásmérő műszerek egyike, amelyet eredendő pontossága és egyszerű működése miatt ma is széles körben használnak. Ez az U-csöves manométer, amely egy U alakú, folyadékkal részben megtöltött üvegcső. Ennek a manométernek nincsenek mozgó alkatrészei, és nem igényel kalibrálást. A manométeres mérések a gravitáció és a folyadék sűrűségének függvényei, mindkét fizikai tulajdonságnak köszönhetően az U-csöves manométer a NIST pontossági szabványa.
A manométerek egyszerre nyomásmérő műszerek és kalibrációs etalonok. Az egyszerű U-csövektől és folyadékkal töltött kutaktól a számítógépes interfésszel ellátott hordozható digitális műszerekig terjednek.
Amint az 1. ábrán látható, az U-csöves manométer mindkét lábát kitéve a légkörnek, az oszlopokban lévő folyadék magassága egyenlő. Ezt a pontot referenciaként használva és az egyes lábakat egy ismeretlen nyomáshoz csatlakoztatva az oszlopmagasságok különbsége jelzi a nyomáskülönbséget (lásd a 2. ábrát).
 1. ábra. Az U-csöves manométer mindkét szárát a légkör felé nyitva vagy azonos nyomásnak kitéve, a folyadék mindkét szárban ugyanazt a szintet tartja fenn, ezzel létrehozva a nulla referenciát. |
 2. ábra. Az U-csöves manométer bal oldalára kifejtett nagyobb nyomás hatására a folyadék a bal szárban csökken, a jobb szárban pedig emelkedik. A folyadék addig mozog, amíg a folyadék h-val jelzett egységnyi tömege pontosan kiegyenlíti a nyomást. |
A folyadékoszlop által kifejezett nyomás alapvető összefüggése:
| Δp = P2-P1 = ρgh | (1) |
hol:
| Δp | = nyomáskülönbség |
| P1 | = nyomás a kisnyomású csatlakozásnál |
| P2 | = nyomás a nagynyomású csatlakozásnál |
| P2 | = nyomás a nagynyomású csatlakozásnál.nyomáscsatlakozás |
| ρ | = a jelzőfolyadék sűrűsége (egy adott hőmérsékleten) |
| g | = a gravitációs gyorsulás (egy adott szélességi és tengerszint feletti magasságon). magasság) |
| h | = oszlopmagasságok különbsége |
A keletkező nyomás a folyadékoszlopok felületegységére kifejtett erők különbsége, amelynek mértékegysége font/négyzet hüvelyk (psi) vagy newton/négyzetméter (pascal). A manométert olyan gyakran használják a nyomás mérésére, hogy az oszlopmagasságok különbsége is gyakori mértékegység. Ezt hüvelykben vagy centiméter vízben vagy higanyban fejezik ki egy adott hőmérsékleten, ami egy átváltási táblázat segítségével átváltható a nyomás szabványos mértékegységeire.
Minden nyomásmérés differenciálnyomás. A referencia lehet nulla abszolút nyomás (teljes vákuum), légköri nyomás (a barometrikus nyomás) vagy más nyomás. A manométer egyik lábát a légkör felé nyitva tartva (lásd a 3A ábrát), a mért nyomás az, amely meghaladja a légköri nyomást, amely tengerszinten 14,7 psi, 101,3 kPa vagy 76 cmHg.
3. ábra. A mért nyomás a légköri nyomáshoz viszonyított mérés, és a barometrikus leolvasással változik. A nyomásmérés pozitív, ha az ismeretlen nyomás meghaladja a légköri nyomást (A), és negatív, ha az ismeretlen nyomás kisebb, mint a légköri nyomás (B).
Ezt a mérést mérőnyomásnak nevezzük, és az összefüggést pozitív nyomás esetén a következőképpen fejezzük ki:
| abszolút nyomás = légköri nyomás + pozitív mérőnyomás | (2) |
Negatív nyomás (vákuum) mérés esetén (lásd a 3B ábrát) az oszlopmagasságok megfordulnak, és az összefüggést a következőképpen fejezzük ki:
| abszolút nyomás = légköri nyomás + negatív mérőnyomás | (3) |
A 4. ábra mutatja ezeket a nyomásviszonyokat.
4. ábra. A pozitív és negatív mérőnyomás grafikus ábrázolása az összes nyomásmérés differenciális aspektusát mutatja, ahol a mérőnyomás az abszolút nyomás és a légköri nyomás közötti különbség.
5. ábra. A zárt csöves manométerben a nyomásreferencia a vákuum, vagyis a nulla abszolút nyomás. A zárt csöves manométer legelterjedtebb formája a légköri nyomás mérésére használt hagyományos higanyos barométer.
A manométer kialakítható az abszolút nyomás közvetlen mérésére is. Az 5. ábrán látható manométer a nulla abszolút nyomáshoz viszonyított nyomást méri egy higanyoszlop feletti zárt lábban. E manométer legelterjedtebb formája a légköri nyomás mérésére használt hagyományos higanyos barométer. Ez a konfiguráció egyetlen csatlakozással képes a légköri nyomás feletti és alatti nyomás mérésére.
Változatok az U-csöves manométeren
A nyomáskülönbség mindig az oszlopmagasságok különbsége, függetlenül a csövek méretétől vagy alakjától. Amint a 6A. ábrán látható, mindkét manométer lábai nyitva vannak a légkör felé, és a jelzőfolyadékok azonos szinten vannak. Ha ugyanazt a nyomást csatlakoztatjuk mindkét manométer bal lábához, akkor annak szintje csökken. A manométerszárak térfogatának változása miatt a folyadék az egyes oszlopokban különböző távolságot tesz meg. A két manométerben lévő folyadékszintek közötti különbség azonban azonos (lásd a 6B. ábrát).
6. ábra. A leolvasott nyomás mindig a folyadékmagasságok közötti különbség, függetlenül a csőmérettől. Ha mindkét manométerláb a légkör felé nyitott, a folyadékszintek azonosak (A). Ha mindkét manométer egyik lábára azonos túlnyomást alkalmazunk, a folyadékszintek különböznek, de a folyadékmagasságok közötti távolság azonos.
7. ábra. A kút típusú manométerben az egyik láb (a kút) keresztmetszete sokkal nagyobb, mint a másik lábé. Amikor a kútra nyomást fejtünk ki, a folyadék csak kis mértékben csökken a másik lábon történő folyadékemelkedéshez képest.
A csőméretek ezen eltérését továbbviszi a kút típusú (vagy tározó) manométer (lásd a 7. ábrát). Ahogy a kútra nyomást fejtünk ki, a szint enyhén csökken az oszlopban bekövetkező szintemelkedéshez képest. Az oszlop skálaosztásainak kompenzálásával, hogy korrigálja a kút esését, lehetővé válik a nyomáskülönbség közvetlen leolvasása. A kúttípusú manométerekre csatlakozási irányelvek vonatkoznak, szemben az U-csöves típusokkal:
- Az atmoszféránál nagyobb nyomást a kúthoz, az atmoszféránál kisebb nyomást a csőhöz kell csatlakoztatni.
- Különbségmérés esetén a nagyobb nyomást kell a kúthoz csatlakoztatni.
- A megemelt kútszerű manométerek esetében a kútcsatlakozás használható mérő- és vákuummérésekhez.
A kútszerű manométerek egyik változata a 8. ábrán látható ferde csöves (vagy huzatmérő) manométer. A ferde jelzőcsővel 1 hüvelyknyi függőleges emelkedés több hüvelyknyi skálahosszra nyúlik. A ferdecsöves manométer jobb érzékenységgel és felbontással rendelkezik alacsony nyomások esetén.
8. ábra. Az alacsony nyomás és az alacsony nyomáskülönbségek jobban kezelhetők a ferdecsöves manométerrel, ahol 1 hüvelyk függőleges folyadékmagasság 12 hüvelyk skálahosszra nyújtható.
Folyadékok kijelzése
A folyadékmanométerek a nyomáskülönbséget úgy mérik, hogy a folyadék súlyát két nyomás között kiegyenlítik. A könnyű folyadékok, mint például a víz, kis nyomáskülönbségek mérésére alkalmasak; a higany vagy más nehéz folyadékok nagy nyomáskülönbségek mérésére szolgálnak. A víznél 3-szor nehezebb jelzőfolyadék esetén a nyomásmérési tartomány 3-szor nagyobb, de a felbontás csökken.
A jelzőfolyadékok lehetnek színezett víz, olaj, benzolok, bromidok és tiszta higany. A jelzőfolyadék kiválasztásakor ellenőrizze a fajsúlyra, az üzemi hőmérséklettartományra, a gőznyomásra és a lobbanáspontra vonatkozó specifikációkat. A korróziós tulajdonságok, az oldhatóság és a toxicitás szintén szempontok.
Digitális manométerek
A folyékony manométereknek vannak korlátai. Az üvegcsövek, a jelzőfolyadékok és a szintbeépítési követelmények jobban megfelelnek a laboratóriumban, mint a terepen. Emellett nem kapcsolható össze számítógéppel vagy PLC-vel. Ezek a korlátok a digitális manométerekkel áthidalhatók. Ezek a mikroprocesszor-alapú műszerek kényelmes, hordozható méretekben kaphatók a terepen való könnyű használat érdekében, illetve panelen vagy önállóan szerelhető kivitelben, kimenetekkel a folyamat vezérléséhez vagy a mérési adatok továbbításához.
A folyadékmanométerekkel végzett nyomásméréseknél a sűrűség és a gravitáció szabványos körülményeitől való eltéréseket kézzel kell kompenzálni. Ez a digitális manométerekkel egyszerűbb, mivel a folyadékmanométerek egyes korrekciós tényezői figyelmen kívül hagyhatók, mások pedig szoftveresen kompenzálhatók.
A kettős portokkal csak az érzékelők cseréje szükséges a differenciál-, a mérő- és az abszolút nyomásmérések közötti váltáshoz.
A digitális manométerek további általános jellemzői:
- A fedélzeti memória az adatnaplózáshoz vagy a min./max. leolvasások tárolásához
- A nyomásimpulzusok tompítása érdekében több leolvasás átlagolása
A digitális manométereket nagyobb pontossággal használják a nyomásátadók és más nyomásműszerek helyszíni kalibrálására. A digitális kalibrátorok gyorsabbak és egyszerűbbek, mivel nincs szükség dobozokra, gázpalackokra, szabályozókra vagy súlyokra a beállításhoz, és nincsenek speciális platformok vagy kritikus szintezési követelmények. A folyadékos és digitális manométerek specifikációinak további összehasonlítása az 1. táblázatban látható.
| TABELLA 1 | ||||||
| Manométer-specifikációk | ||||||
| Folyékony manométerek | Digitális manométerek | |||||
| U-Cső | Kút | Függőleges | Általános célú | Kalibráló | ||
| Tartomány | 100 in. | 100 in. | 20 in. | 20-2000 in H2O, 20-2000 psig, 2000 mmHg |
2000 in H2O, 2000 psig, 2000 mmHg |
|
| Pontosság | ±½ a kis skála beosztásából | ±½ a kis skála beosztásából | ±½ a kis skála beosztásából | ±0.025-0,1% F.SZ. | ±0,025-0,1% F.SZ. | |
| nedvesített alkatrészek vagy közegek kompatibilitás |
öntöttvas, rozsdamentes acél, PVC, üveg, Viton | rozsdamentes acél, üveg, Viton | akril, rozsdamentes acél, alumínium, üveg, Viton | tiszta, száraz, nem korrodáló gázok; rozsdamentes acéllal kompatibilis folyadékok | Tiszta, száraz, nem maró gázok; rozsdamentes acéllal kompatibilis folyadékok | |
| Nyomás Minősítés |
250 psig | 250-500 psig | 100-350 psig | 2 × tartomány | 2 × tartomány | |
| Monitorozás | Falra, asztal | Fal, asztal, süllyesztett front, cső | Falra, asztal | Hordozható | Hordozható | |
| Relatív költség | alacsony | alacsony/közepes | alacsony/közepes | közepes | közepes | magas |
Bővebb információ
Massey, B.S. 1989. Mechanics of Fluids (Folyadékok mechanikája), 6. kiadás, London: Van Nostrand Reinhold.
Meriam Instrument. 1997. Manométerek használata a nyomás, az áramlás és a szint pontos méréséhez, Cleveland: Meriam Instrument.
Meriam, J.B. 1938. A manométer és felhasználása. 2nd Ed., Cleveland: Meriam Instrument.
Omega Engineering. 1999. Transactions in Measurement and Control: Force-Related Measurements, 2. kiadás. Stamford, CT: Putnam Publishing and Omega Press.
Yeager, John, and Hrusch-Tupta, M.A., Eds. 1998. Alacsony szintű mérések. 5th Ed. Cleveland: Keithley Instruments.
SIDEBAR:
Manométernyomás és pontosság szótár
Abszolút nyomás. Nulla nyomásra vonatkoztatott mérés; egyenlő a mérőnyomás és a légköri nyomás összegével. Gyakori mértékegységek a font per négyzet hüvelyk (psia), a milliméter higany (mmHga) és a hüvelyk higany (in.Hga).
Pontosság. A leolvasott érték és a szabványos érték közötti egyezés közelségének mérőszáma. Abszolút pontosság esetén egy elsődleges (a NIST által elismert) etalonhoz kell hasonlítani. A pontosságot általában a teljes skála plusz vagy mínusz százalékában adják meg. A kalibrálási pontosságokat gyakran a leolvasás plusz vagy mínusz százalékában adják meg, plusz vagy mínusz számlálással.
Ambient nyomás. Az eszközt körülvevő közeg nyomása. A tengerszinten mért 29,92 in.Hg-tól a nagy magasságban mért néhány hüvelykig változik.
A légköri nyomás. A légkör nyomása egy egységnyi felületen. Más néven barometrikus nyomás. A tengerszinten 29,92 in.Hg abszolút érték.
Count. Az A/D konverzió legkisebb inkrementuma, amely megjelenik.
Differenciális nyomás. Két mérési pont közötti különbség. Gyakori mértékegységek a víz hüvelyk (in.H2O), font per négyzet hüvelyk (psi) és a millibar (mbar).
Kijelzőfelbontás. A digitális kijelzőn megjelenő számjegyek maximális száma. Például egy 4½ számjegyű kijelző felbontása legfeljebb 19 999 számjegyet olvas le; és egy 5 szignifikáns számjegyű kijelző felbontása legfeljebb 99 999 számjegyet olvas le.
Mérőnyomás. A légköri nyomásra vonatkoztatott mérés. A barometrikus leolvasással változik. A manométerek maximális nyomásértékének meghatározására is használják. Az általános mértékegységek közé tartozik a font per négyzet hüvelyk (psig).
Tartomány. A mérések alsó és felső határai közötti tartomány.
Rezolúció. A mérés legkisebb része, amely érzékelhető.
Ézékenység. A mérés legkisebb észlelhető változása.
Mérési bizonytalanság. Egy mérés lehetséges hibájának becslése. Ez a pontosság ellentéte.
Vákuum. Bármilyen nyomás a légköri nyomás alatt. Ha a légkörre vonatkoztatjuk, akkor vákuum (vagy negatív mérőműszer) mérésnek nevezzük. Nulla nyomásra vonatkoztatva abszolút nyomásmérésnek nevezzük.
Nulla abszolút nyomás. Minden gáz teljes hiánya; tökéletes vákuum.
