Een van de vroegste drukmeetinstrumenten wordt vandaag de dag nog steeds veel gebruikt vanwege zijn inherente nauwkeurigheid en eenvoud van bediening. Het is de U-buismanometer, een U-vormige glazen buis die gedeeltelijk met vloeistof is gevuld. Deze manometer heeft geen bewegende delen en hoeft niet te worden gekalibreerd. Manometermetingen zijn functies van de zwaartekracht en de dichtheid van de vloeistof, beide fysische eigenschappen die de U-buismanometer tot een NIST-standaard voor nauwkeurigheid maken.
Manometers zijn zowel instrumenten voor drukmeting als ijkstandaarden. Zij variëren van eenvoudige U-buizen en met vloeistof gevulde putjes tot draagbare digitale instrumenten met een computerinterface.
Zoals in figuur 1 is te zien, is de hoogte van de vloeistof in de kolommen gelijk, wanneer elke poot van een U-buismanometer aan de atmosfeer is blootgesteld. Wanneer dit punt als referentie wordt gebruikt en elke poot met een onbekende druk wordt verbonden, geeft het verschil in kolomhoogte het verschil in druk aan (zie figuur 2).
 Figuur 1. Met beide benen van een U-buismanometer open voor de atmosfeer of onderworpen aan dezelfde druk, handhaaft de vloeistof hetzelfde niveau in elk been, waardoor een nulreferentie wordt vastgesteld. |
 Figuur 2. Wanneer een grotere druk wordt uitgeoefend op de linkerkant van een U-buismanometer, daalt de vloeistof in het linkerbeen en stijgt in het rechterbeen. De vloeistof beweegt totdat het gewicht per eenheid van de vloeistof, aangegeven door h, precies in evenwicht is met de druk. |
De fundamentele relatie voor de druk uitgedrukt door een vloeistofkolom is:
| Δp = P2-P1 = ρgh | (1) |
waar:
| Δp | = verschildruk |
| P1 | = druk aan de lagedrukaansluiting |
| P2 | = druk aan de hogedrukaansluiting | = druk aan de hogedrukaansluiting |
| .drukaansluiting | |
| ρ | = dichtheid van de aanwijzende vloeistof (bij een bepaalde temperatuur) |
| g | = versnelling van de zwaartekracht (op een bepaalde breedtegraad en hoogte) |
| h | = verschil in kolomhoogten |
De resulterende druk is het verschil tussen de krachten die worden uitgeoefend per eenheid van oppervlakte van de vloeistofkolommen, met als eenheden pounds per square inch (psi) of newtons per vierkante meter (pascal). De manometer wordt zo vaak gebruikt om de druk te meten dat het verschil in kolomhoogte ook een gebruikelijke eenheid is. Dit wordt uitgedrukt in inches of centimeters water of kwik bij een bepaalde temperatuur, die met een omzettingstabel kunnen worden veranderd in standaard drukeenheden.
Alle drukmetingen zijn differentiaalmetingen. De referentie kan absolute druk nul zijn (een totaal vacuüm), atmosferische druk (de barometerdruk), of een andere druk. Met één poot van een manometer open naar de atmosfeer (zie figuur 3A), is de gemeten druk die welke de atmosferische druk overschrijdt, welke op zeeniveau 14,7 psi, 101,3 kPa, of 76 cmHg bedraagt.
Figuur 3. De overdruk is een meting ten opzichte van de atmosferische druk en varieert met de barometerstand. Een meting van de overdruk is positief wanneer de onbekende druk hoger is dan de atmosferische druk (A), en is negatief wanneer de onbekende druk lager is dan de atmosferische druk (B).
Deze meting wordt overdruk genoemd, en de relatie voor een positieve druk wordt uitgedrukt door:
| absolute druk = atmosferische druk + positieve overdruk | (2) |
Voor een meting van negatieve druk (vacuüm) (zie figuur 3B) zijn de kolomhoogten omgekeerd en wordt de relatie uitgedrukt door:
| absolute druk = atmosferische druk + negatieve overdruk | (3) |
Deze drukrelaties zijn weergegeven in figuur 4.
Figuur 4. Een grafische voorstelling van positieve en negatieve overdruk toont het differentiële aspect van alle drukmetingen, waarbij de overdruk het verschil is tussen de absolute druk en de atmosferische druk.
Figuur 5. Bij een manometer met verzegelde buis is de drukreferentie een vacuüm, of absolute druk nul. De meest gebruikelijke vorm van een manometer met verzegelde buis is de conventionele kwikbarometer die wordt gebruikt om de atmosferische druk te meten.
Een manometer kan worden ontworpen om rechtstreeks de absolute druk te meten. De manometer in figuur 5 meet de druk ten opzichte van de absolute druk nul in een afgesloten poot boven een kwikkolom. De meest gebruikelijke vorm van deze manometer is de conventionele kwikbarometer die wordt gebruikt om de atmosferische druk te meten. Met slechts één aansluiting kan deze configuratie drukken boven en onder de atmosferische druk meten.
Variaties op de U-buismanometer
De verschildruk is altijd het verschil in kolomhoogten, ongeacht de grootte of vorm van de buizen. Zoals in figuur 6A te zien is, staan de benen van beide manometers open voor de atmosfeer en bevinden de aanwijzende vloeistoffen zich op hetzelfde niveau. Door dezelfde druk op de linkerpoot van elke manometer aan te sluiten, daalt het niveau ervan. Door de volumeverschillen in de manometerpoten beweegt de vloeistof in elke kolom een andere afstand. Het verschil tussen de vloeistofniveaus in beide manometers is echter identiek (zie figuur 6B).
Figuur 6. De drukaflezing is altijd het verschil tussen de vloeistofhoogten, ongeacht de grootte van de buis. Met beide manometerpoten open naar de atmosfeer, zijn de vloeistofniveaus gelijk (A). Bij een gelijke overdruk op één poot van elke manometer verschillen de vloeistofniveaus, maar is de afstand tussen de vloeistofhoogten gelijk.
Figuur 7. Bij een manometer van het puttype is de dwarsdoorsnede van het ene been (de put) veel groter dan die van het andere been. Wanneer druk wordt uitgeoefend op de put, daalt de vloeistof slechts weinig in vergelijking met de vloeistofstijging in het andere been.
De manometer van het puttype (of reservoir) (zie figuur 7) voert deze variatie in buisafmetingen verder door. Wanneer druk op de put wordt uitgeoefend, daalt het niveau enigszins in vergelijking met de stijging van het niveau in de kolom. Door de schaalverdeling van de kolom te compenseren voor de daling in de put, is het mogelijk de verschildruk rechtstreeks af te lezen. Er zijn aansluitingsrichtlijnen voor manometers van het puttype, in vergelijking met de U-buisstijl:
- Sluit drukken hoger dan atmosferisch aan op de put; sluit drukken lager dan atmosferisch aan op de buis.
- Voor differentiaalmetingen, sluit u de hogere druk aan op de put.
- Bij manometers met verhoogde peilbuis kan de aansluiting op de peilbuis worden gebruikt voor peil- en vacuümmetingen.
Een variant van de peilbuismanometer is de schuine-buismanometer (of trekmeter) in figuur 8. Met een schuine aanwijzingsbuis wordt 1 inch verticale stijging over enkele centimeters schaallengte uitgesmeerd. De schuine-buismanometer heeft een betere gevoeligheid en resolutie voor lage drukken.
Figuur 8. Lage druk en lage differentiëlen worden beter verwerkt met een manometer met schuine buis, waarbij 1 in. verticale vloeistofhoogte kan worden uitgerekt tot 12 in. schaallengte.
Indicating Fluids
Liquid manometers meten drukverschil door het gewicht van een vloeistof te balanceren tussen twee drukken. Lichte vloeistoffen zoals water kunnen kleine drukverschillen meten; kwik of andere zware vloeistoffen worden gebruikt voor grote drukverschillen. Voor een aanwijsvloeistof die 3 maal zwaarder is dan water, is het drukmeetbereik 3 maal zo groot, maar de resolutie wordt kleiner.
Aanwijsvloeistoffen kunnen gekleurd water, olie, benzenen, bromiden, en zuiver kwik zijn. Controleer bij de keuze van een aanwijsvloeistof de specificaties voor soortelijk gewicht, bedrijfstemperatuurbereik, dampdruk en vlampunt. Corrosieve eigenschappen, oplosbaarheid en toxiciteit zijn ook van belang.
Digitale Manometers
Een vloeistofmanometer heeft beperkingen. Glazen buizen, aanwijsvloeistoffen en montagevoorschriften voor het niveau zijn meer geschikt voor een laboratorium dan voor in het veld. Hij kan ook niet worden gekoppeld aan een computer of PLC. Dergelijke beperkingen kunnen worden overwonnen met digitale manometers. Deze op een microprocessor gebaseerde instrumenten zijn verkrijgbaar in handige, draagbare maten voor gemakkelijk gebruik in het veld, of in paneel- of stand-alone montagestijlen, met uitgangen voor het besturen van een proces of het overbrengen van meetgegevens.
Variaties van standaardomstandigheden van dichtheid en zwaartekracht moeten handmatig worden gecompenseerd bij het uitvoeren van drukmetingen met vloeistofmanometers. Dit is gemakkelijker met digitale manometers, omdat sommige correctiefactoren voor vloeistofmanometers kunnen worden genegeerd en andere kunnen worden gecompenseerd in software.
Met dubbele poorten is het verwisselen van sensoren alles wat nodig is om te wisselen tussen differentiële, gauge en absolute drukmetingen.
Andere veel voorkomende kenmerken van digitale manometers zijn:
- Onboard geheugen voor data logging of het opslaan van min./max. metingen
- Het gemiddelde van een aantal metingen om drukpulsen te dempen
Hogere nauwkeurigheid digitale manometers worden gebruikt om druk transmitters en andere druk instrumentatie in het veld te kalibreren. Digitale kalibratoren zijn sneller en eenvoudiger omdat er geen dozen, gasflessen, regelaars of gewichten nodig zijn om ze op te stellen en er geen speciale platforms of kritische waterpasvereisten zijn. Verdere vergelijkingen van de specificaties van vloeistof- en digitale manometers zijn te vinden in tabel 1.
| TABLE 1 | |||||
| specificaties manometer | |||||
| vloeistofmanometers | digitale manometers | ||||
| U-tube | Well | Inclined | General Purpose | Calibrating | |
| Range | 100 in. | 100 in. | 20 in. | 20-2000 in H2O, 20-2000 psig, 2000 mmHg |
2000 in H2O, 2000 psig, 2000 mmHg |
| Nauwkeurigheid | ±½ van de kleine schaalverdeling | ±½ van de kleine schaalverdeling | ±½ van de kleine schaalverdeling | ±0.025-0.1% F.S. | ±0.025-0.1% F.S. |
| Bevochtigde onderdelen of media Compatibiliteit |
Gietijzer, roestvrij staal, PVC, glas, Viton | Roestvast staal, glas, Viton | Acryl, roestvrij staal, aluminium, glas, Viton | Schone, droge niet-corrosieve gassen; vloeistoffen die verenigbaar zijn met roestvrij staal | Schone, droge, niet-corrosieve gassen; vloeistoffen die compatibel zijn met roestvrij staal |
| Druk Rating |
250 psig | 250-500 psig | 100-350 psig | 2 × bereik | 2 × bereik |
| Montage | Wand, tafel | Wand, tafel, verzonken front, pijp | Wand, tafel | Draagbaar | Draagbaar |
| Relatieve kosten | Laag | Laag/Middelmatig | Medium | Medium | High |
Vordere lectuur
Massey, B.S. 1989. Mechanics of Fluids, 6th Ed., Londen: 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:
Woordenlijst manometerdruk en -nauwkeurigheid
Absolute druk. Een meting ten opzichte van de nuldruk; gelijk aan de som van de overdruk en de atmosferische druk. Gangbare eenheden zijn pounds per square inch (psia), millimeters kwik (mmHga), en inches kwik (in.Hga).
Nauwkeurigheid. Een maat voor de mate van overeenstemming van een meting met die van een standaard. Voor absolute nauwkeurigheid wordt vergeleken met een primaire standaard (een door NIST erkende standaard). Nauwkeurigheden worden gewoonlijk gespecificeerd als plus of min procent van de volledige schaal. Kalibratienauwkeurigheden worden vaak opgegeven als plus of min procent van de aflezing met plus of min tellingen.
Omgevingsdruk. De druk van het medium rondom een apparaat. Deze varieert van 29,92 in.Hg op zeeniveau tot enkele centimeters op grote hoogten.
Atmosferische druk. De druk van de atmosfeer op een oppervlakte-eenheid. Ook wel barometerdruk genoemd. Op zeeniveau is deze 29,92 in.Hg absoluut.
Count. De kleinste increment van een A/D conversie die wordt weergegeven.
Differentiële druk. Het verschil tussen twee meetpunten. Gangbare eenheden zijn inches water (in.H2O), pounds per square inch (psi), en millibars (mbar).
Display Resolutie. Het maximum aantal cijfers op een digitaal display. Bijvoorbeeld, een displayresolutie van 4½ cijfers leest een maximum van 19.999 tellingen; en een displayresolutie van 5 significante cijfers leest een maximum van 99.999 tellingen.
Gauge Pressure. Een meting gerelateerd aan de atmosferische druk. Het varieert met de barometrische lezing. Wordt ook gebruikt om de maximale druk van manometers aan te geven. Gangbare eenheden zijn pounds per square inch (psig).
Range. Het gebied tussen de onder- en bovengrens van metingen.
Resolutie. Het kleinste deel van een meting dat kan worden waargenomen.
Gevoeligheid. De kleinste verandering in de meting die kan worden gedetecteerd.
Onzekerheid. Een schatting van de mogelijke fout in een meting. Dit is het tegenovergestelde van nauwkeurigheid.
Vacuüm. Elke druk beneden de atmosferische druk. Wanneer het wordt gerelateerd aan de atmosfeer, wordt het een vacuümmeting (of negatieve manometer) genoemd. Wanneer het wordt gerelateerd aan nuldruk, is het een absolute drukmeting.
Nul Absolute Druk. De volledige afwezigheid van enig gas; een perfect vacuüm.
