Uno dei primi strumenti di misurazione della pressione è ancora oggi ampiamente utilizzato per la sua intrinseca precisione e semplicità di funzionamento. È il manometro a tubo a U, che è un tubo di vetro a forma di U parzialmente riempito di liquido. Questo manometro non ha parti mobili e non richiede taratura. Le misurazioni manometriche sono funzioni della gravità e della densità del liquido, entrambe proprietà fisiche che rendono il manometro a U uno standard NIST per la precisione.
I manometri sono sia strumenti di misurazione della pressione che standard di calibrazione. Vanno da semplici tubi a U e pozzetti riempiti di liquido a strumenti digitali portatili con un’interfaccia computer.
Come mostrato nella Figura 1, con ogni gamba di un manometro a U esposto all’atmosfera, l’altezza del liquido nelle colonne è uguale. Usando questo punto come riferimento e collegando ogni gamba ad una pressione sconosciuta, la differenza di altezza delle colonne indica la differenza di pressione (vedi Figura 2).
 Figura 1. Con entrambe le gambe di un manometro a U aperto all’atmosfera o sottoposto alla stessa pressione, il liquido mantiene lo stesso livello in ogni gamba, stabilendo un riferimento zero. |
 Figura 2. Con una maggiore pressione applicata al lato sinistro di un manometro a U, il liquido si abbassa nella gamba sinistra e sale in quella destra. Il liquido si muove fino a quando il peso unitario del liquido, indicato da h, bilancia esattamente la pressione. |
La relazione fondamentale per la pressione espressa da una colonna di liquido è:
| Δp = P2-P1 = ρgh | (1) |
dove:
| Δp | = pressione differenziale |
| P1 | = pressione alla connessione di bassa pressione |
| P2 | = pressione alla connessione di altapressione |
| ρ | = densità del fluido indicatore (a una temperatura specifica) |
| g | = accelerazione di gravità (a una latitudine e elevazione) |
| h | = differenza di altezza delle colonne |
La pressione risultante è la differenza tra le forze esercitate per unità di superficie delle colonne di liquido, con libbre per pollice quadrato (psi) o newton per metro quadrato (pascal) come unità. Il manometro è così spesso usato per misurare la pressione che la differenza tra le altezze delle colonne è anche un’unità comune. Questo è espresso in pollici o centimetri d’acqua o di mercurio ad una temperatura specifica, che può essere cambiato in unità standard di pressione con una tabella di conversione.
Tutte le misure di pressione sono differenziali. Il riferimento può essere la pressione assoluta zero (un vuoto totale), la pressione atmosferica (la pressione barometrica), o un’altra pressione. Con una gamba di un manometro aperta all’atmosfera (vedi Figura 3A), la pressione misurata è quella che supera la pressione atmosferica, che a livello del mare è 14,7 psi, 101,3 kPa, o 76 cmHg.
Figura 3. La pressione relativa è una misura relativa alla pressione atmosferica e varia con la lettura barometrica. Una misura di pressione relativa è positiva quando la pressione sconosciuta supera la pressione atmosferica (A), ed è negativa quando la pressione sconosciuta è inferiore alla pressione atmosferica (B).
Questa misura è chiamata pressione relativa, e la relazione per una pressione positiva è espressa da:
| pressione assoluta = pressione atmosferica + pressione relativa positiva | (2) |
Per una misura di pressione negativa (vuoto) (vedi Figura 3B), le altezze delle colonne si invertono e la relazione è espressa da:
| Pressione assoluta = pressione atmosferica + pressione relativa negativa | (3) |
Queste relazioni di pressione sono mostrate nella Figura 4.
Figura 4. Una rappresentazione grafica della pressione relativa positiva e negativa mostra l’aspetto differenziale di tutte le misure di pressione, dove la pressione relativa è la differenza tra la pressione assoluta e la pressione atmosferica.
Figura 5. In un manometro a tubo sigillato, il riferimento di pressione è il vuoto, o la pressione assoluta zero. La forma più comune di un manometro a tubo sigillato è il tradizionale barometro a mercurio usato per misurare la pressione atmosferica.
Un manometro può essere progettato per misurare direttamente la pressione assoluta. Il manometro in figura 5 misura la pressione rispetto alla pressione assoluta zero in un tubo sigillato sopra una colonna di mercurio. La forma più comune di questo manometro è il tradizionale barometro a mercurio usato per misurare la pressione atmosferica. Con un solo collegamento, questa configurazione può misurare le pressioni sopra e sotto la pressione atmosferica.
Variazioni sul manometro a U
La pressione differenziale è sempre la differenza delle altezze della colonna, indipendentemente dalla dimensione o dalla forma dei tubi. Come mostrato nella figura 6A, le gambe di entrambi i manometri sono aperte all’atmosfera e i fluidi indicatori sono allo stesso livello. Collegando la stessa pressione alla gamba sinistra di ogni manometro, il suo livello si abbassa. A causa della variazione di volume nelle gambe del manometro, il fluido in ogni colonna si sposta di una distanza diversa. Tuttavia, la differenza tra i livelli di fluido in entrambi i manometri è identica (vedi Figura 6B).
Figura 6. La lettura della pressione è sempre la differenza tra le altezze del fluido, indipendentemente dalle dimensioni del tubo. Con entrambe le gambe del manometro aperte all’atmosfera, i livelli del fluido sono gli stessi (A). Con una pressione positiva uguale applicata a una gamba di ogni manometro, i livelli del fluido differiscono, ma la distanza tra le altezze del fluido è la stessa.
Figura 7. In un manometro a pozzo, l’area della sezione trasversale di una gamba (il pozzo) è molto più grande dell’altra gamba. Quando la pressione viene applicata al pozzo, il fluido si abbassa solo leggermente rispetto all’aumento del fluido nell’altra gamba.
Questa variazione nelle dimensioni del tubo è portata avanti dal manometro a pozzo (o serbatoio) (vedi Figura 7). Quando la pressione viene applicata al pozzo, il livello scende leggermente rispetto all’aumento del livello nella colonna. Compensando le graduazioni della scala della colonna per correggere la caduta del pozzo, è possibile effettuare una lettura diretta della pressione differenziale. Ci sono delle linee guida per il collegamento dei manometri a pozzo, rispetto a quelli a tubo a U:
- Collegare le pressioni superiori a quella atmosferica al pozzo; collegare le pressioni inferiori a quella atmosferica al tubo.
- Per le misure differenziali, collegare la pressione più alta al pozzo.
- Per i manometri a pozzo rialzato, la connessione al pozzo può essere utilizzata per misurazioni di pressione e vuoto.
Una variante del manometro a pozzo è il manometro a tubo inclinato (o draft gauge) in Figura 8. Con un tubo indicatore inclinato, 1 in. di un aumento verticale è allungato su diversi pollici di lunghezza della scala. Il manometro a tubo inclinato ha una migliore sensibilità e risoluzione per le basse pressioni.
Figura 8. Basse pressioni e bassi differenziali sono meglio gestiti con un manometro a tubo inclinato, dove 1 in. di altezza verticale del liquido può essere allungato a 12 in. di lunghezza della scala.
Indicazione dei fluidi
I manometri a liquido misurano la pressione differenziale bilanciando il peso di un liquido tra due pressioni. Liquidi leggeri come l’acqua possono misurare piccole differenze di pressione; il mercurio o altri liquidi pesanti sono usati per grandi differenze di pressione. Per un liquido indicatore 3 volte più pesante dell’acqua, il campo di misurazione della pressione è 3 volte maggiore, ma la risoluzione è ridotta.
I liquidi indicatori possono essere acqua colorata, olio, benzeni, bromuri e mercurio puro. Quando si seleziona un fluido indicatore, controllare le specifiche per il peso specifico, l’intervallo di temperatura operativa, la pressione di vapore e il punto di infiammabilità. Anche le proprietà corrosive, la solubilità e la tossicità sono considerazioni.
Manometri digitali
Un manometro liquido ha dei limiti. Il tubo di vetro, i fluidi indicatori e i requisiti di montaggio del livello sono più adatti a un laboratorio che al campo. Inoltre, non può essere interfacciato con un computer o un PLC. Queste limitazioni possono essere superate con i manometri digitali. Questi strumenti basati su microprocessore sono disponibili in dimensioni comode e portatili per la facilità d’uso sul campo, o in stili di montaggio a pannello o stand-alone, con uscite per il controllo di un processo o il trasferimento dei dati di misurazione.
Le variazioni dalle condizioni standard di densità e gravità devono essere compensate manualmente quando si effettuano misure di pressione con manometri per liquidi. Questo è più facile con i manometri digitali, perché alcuni dei fattori di correzione per i manometri a liquido possono essere ignorati e altri possono essere compensati nel software.
Con le doppie porte, lo scambio di sensori è tutto ciò che è necessario per cambiare tra misure di pressione differenziale, relativa e assoluta.
Altre caratteristiche comuni dei manometri digitali includono:
- Memoria integrata per la registrazione dei dati o la memorizzazione delle letture minime e massime
- Media di un certo numero di letture per smorzare gli impulsi di pressione
I manometri digitali di precisione superiore sono utilizzati per calibrare i trasmettitori di pressione e altri strumenti di pressione sul campo. I calibratori digitali sono più veloci e più semplici perché non richiedono scatole, bombole di gas, regolatori o pesi da impostare e non hanno piattaforme speciali o requisiti di livellamento critici. Ulteriori confronti tra le specifiche dei manometri liquidi e digitali sono mostrati nella tabella 1.
| Tabella 1 | |||||
| Specifiche dei manometri | |||||
| Manometri liquidi | Manometri digitali | ||||
| U-tubo | Bene | Inclinato | Uso generale | Calibrazione | |
| Range | 100 in. | 100 in. | 20 in. | 20-2000 in H2O, 20-2000 psig, 2000 mmHg |
2000 in H2O, 2000 psig, 2000 mmHg |
| Precisione | ±½ della graduazione della scala minore | ±½ della graduazione della scala minore | ±½ della scala minore | ±0.025-0,1% F.S. | ±0,025-0,1% F.S. |
| Parti bagnate o mezzi Compatibilità |
Ghisa, acciaio inox, PVC, vetro, Viton | Acciaio inox, vetro, Viton | Acrilico, acciaio inox, alluminio, vetro, Viton | Gas puliti e asciutti non corrosivi; liquidi compatibili con l’acciaio inossidabile | Gas puliti, secchi non corrosivi; liquidi compatibili con l’acciaio inossidabile |
| Pressione Rating |
250 psig | 250-500 psig | 100-350 psig | 2 × gamma | 2 × gamma |
| Montaggio | Muro, tavolo | Muro, tavolo, a filo frontale, tubo | Parete, tavolo | Portabile | Portabile |
| Costo relativo | Basso | Basso/medio | Medio | Medio | Alto |
Per ulteriori letture
Massey, B.S. 1989. Meccanica dei fluidi, 6° Ed., Londra: Van Nostrand Reinhold.
Meriam Instrument. 1997. Using Manometers to Precisely Measure Pressure, Flow and Level, Cleveland: Meriam Instrument.
Meriam, J.B. 1938. Il manometro e i suoi usi. 2nd Ed., Cleveland: Meriam Instrument.
Omega Engineering. 1999. Transazioni in misura e controllo: Misure legate alla forza, 2a Ed. Stamford, CT: Putnam Publishing e Omega Press.
Yeager, John, e Hrusch-Tupta, M.A., Eds. 1998. Misure di basso livello. 5° Ed. Cleveland: Keithley Instruments.
SIDEBAR:
Glossario della pressione e della precisione del manometro
Pressione assoluta. Una misura riferita alla pressione zero; è uguale alla somma della pressione relativa e della pressione atmosferica. Le unità comuni sono libbre per pollice quadrato (psia), millimetri di mercurio (mmHga) e pollici di mercurio (in.Hga).
Precisione. Una misura della vicinanza di accordo di una lettura a quella di uno standard. Per la precisione assoluta, confrontare con uno standard primario (uno riconosciuto dal NIST). Le precisioni sono solitamente specificate come un più o meno per cento del fondo scala. Le precisioni di calibrazione sono spesso date come più o meno percentuale di lettura con più o meno conteggi.
Pressione ambiente. La pressione del mezzo che circonda un dispositivo. Varia da 29,92 in.Hg a livello del mare a pochi pollici ad alta quota.
Pressione atmosferica. La pressione dell’atmosfera su una superficie unitaria. Chiamata anche pressione barometrica. A livello del mare è 29.92 in.Hg assoluta.
Conteggi. Il più piccolo incremento di una conversione A/D che viene visualizzato.
Pressione differenziale. La differenza tra due punti di misurazione. Le unità comuni sono pollici d’acqua (in.H2O), libbre per pollice quadrato (psi) e millibar (mbar).
Risoluzione display. Il numero massimo di cifre su un display digitale. Per esempio, una risoluzione del display di 4½ cifre legge un massimo di 19.999 conteggi; e una risoluzione del display di 5 cifre significative legge un massimo di 99.999 conteggi.
Pressione relativa. Una misura riferita alla pressione atmosferica. Varia con la lettura barometrica. Usata anche per specificare la pressione massima dei manometri. Le unità comuni includono libbre per pollice quadrato (psig).
Range. La regione tra il limite inferiore e superiore delle misure.
Risoluzione. La più piccola porzione di una misurazione che può essere rilevata.
Sensibilità. Il più piccolo cambiamento nella misurazione che può essere rilevato.
Incertezza. Una stima del possibile errore in una misurazione. Questo è l’opposto della precisione.
Vuoto. Qualsiasi pressione al di sotto della pressione atmosferica. Quando è riferita all’atmosfera, è chiamata una misura di vuoto (o calibro negativo). Quando è riferita alla pressione zero, è una misura di pressione assoluta.
Pressione assoluta zero. La completa assenza di qualsiasi gas; un vuoto perfetto.
