Jeden z najwcześniejszych przyrządów do pomiaru ciśnienia jest nadal w powszechnym użyciu ze względu na swoją dokładność i prostotę działania. Jest to manometr U-rurkowy, który jest szklaną rurką w kształcie litery U, częściowo wypełnioną cieczą. Manometr ten nie ma ruchomych części i nie wymaga kalibracji. Pomiary manometryczne są funkcjami grawitacji i gęstości cieczy, obu właściwości fizycznych, które sprawiają, że manometr U-rurkowy jest standardem dokładności NIST.
Manometry są zarówno przyrządami do pomiaru ciśnienia, jak i wzorcami kalibracyjnymi. Ich zakres sięga od prostych U-rurek i studzienek wypełnionych cieczą do przenośnych przyrządów cyfrowych z interfejsem komputerowym.
Jak pokazano na rysunku 1, z każdą nogą manometru U-rurkowego wystawioną na działanie atmosfery, wysokość cieczy w kolumnach jest równa. Wykorzystując ten punkt jako punkt odniesienia i podłączając każdą nóżkę do nieznanego ciśnienia, różnica wysokości kolumn wskazuje na różnicę ciśnień (patrz Rysunek 2).
 Rysunek 1. Gdy obie odnogi manometru U-rurkowego są otwarte dla atmosfery lub poddane temu samemu ciśnieniu, ciecz utrzymuje ten sam poziom w każdej odnodze, ustanawiając zerowe odniesienie. |
 Rysunek 2. Przy większym ciśnieniu przyłożonym do lewej strony manometru U-rurkowego, ciecz obniża się w lewej odnodze i podnosi się w prawej. Ciecz porusza się do momentu, gdy ciężar jednostkowy cieczy, wskazany przez h, dokładnie równoważy ciśnienie. |
Podstawową zależnością dla ciśnienia wyrażonego przez słup cieczy jest:
| Δp = P2-P1 = ρgh | (1) |
gdzie:
| Δp | = różnica ciśnień |
| P1 | = ciśnienie w przyłączu niskiego ciśnienia |
| P2 | = ciśnienie w przyłączu wysokiegoprzyłącze wysokociśnieniowe |
| ρ | = gęstość płynu wskazującego (w określonej temperaturze) |
| g | = przyspieszenie ziemskie (na określonej szerokości geograficznej i wysokości) |
| h | = różnica w wysokościach kolumn |
Ciśnienie wynikowe jest różnicą pomiędzy siłami wywieranymi na jednostkę powierzchni kolumn cieczy, z funtami na cal kwadratowy (psi) lub niutonami na metr kwadratowy (paskal) jako jednostkami. Manometr jest tak często używany do pomiaru ciśnienia, że różnica wysokości kolumn jest również powszechnie stosowaną jednostką. Jest to wyrażone w calach lub centymetrach wody lub rtęci w określonej temperaturze, które mogą być zmienione na standardowe jednostki ciśnienia za pomocą tabeli konwersji.
Wszystkie pomiary ciśnienia są różnicowe. Odniesieniem może być zerowe ciśnienie bezwzględne (próżnia całkowita), ciśnienie atmosferyczne (ciśnienie barometryczne) lub inne ciśnienie. Przy jednej odnodze manometru otwartej do atmosfery (patrz rysunek 3A), mierzone ciśnienie jest tym, które przekracza ciśnienie atmosferyczne, które na poziomie morza wynosi 14,7 psi, 101,3 kPa lub 76 cmHg.
Rysunek 3. Ciśnienie manometryczne jest miarą w stosunku do ciśnienia atmosferycznego i zmienia się wraz z odczytem barometrycznym. Pomiar ciśnienia manometrycznego jest dodatni, gdy nieznane ciśnienie przekracza ciśnienie atmosferyczne (A), a jest ujemny, gdy nieznane ciśnienie jest mniejsze od ciśnienia atmosferycznego (B).
Pomiar ten nazywa się ciśnieniem manometrycznym, a zależność dla ciśnienia dodatniego wyraża się następująco:
| ciśnienie bezwzględne = ciśnienie atmosferyczne + dodatnie ciśnienie manometryczne | (2) |
W przypadku pomiaru ciśnienia ujemnego (próżni) (zob. rys. 3B), wysokości kolumn są odwrotne, a zależność wyraża się następująco:
| ciśnienie bezwzględne = ciśnienie atmosferyczne + podciśnienie manometryczne | (3) |
Te zależności ciśnienia przedstawiono na rysunku 4.
Rysunek 4. Graficzne przedstawienie dodatniego i ujemnego ciśnienia manometrycznego pokazuje aspekt różnicowy wszystkich pomiarów ciśnienia, gdzie ciśnienie manometryczne jest różnicą między ciśnieniem bezwzględnym a ciśnieniem atmosferycznym.
Rysunek 5. W manometrze szczelnie zamkniętym rurkowym ciśnieniem odniesienia jest próżnia, czyli zerowe ciśnienie bezwzględne. Najbardziej rozpowszechnioną formą manometru szczelnie zamkniętego jest konwencjonalny barometr rtęciowy stosowany do pomiaru ciśnienia atmosferycznego.
Manometr może być zaprojektowany do bezpośredniego pomiaru ciśnienia bezwzględnego. Manometr przedstawiony na rysunku 5 mierzy ciśnienie w porównaniu z zerowym ciśnieniem bezwzględnym w uszczelnionej nóżce nad słupem rtęci. Najbardziej powszechną formą tego manometru jest konwencjonalny barometr rtęciowy stosowany do pomiaru ciśnienia atmosferycznego. Za pomocą tylko jednego połączenia, konfiguracja ta może mierzyć ciśnienia powyżej i poniżej ciśnienia atmosferycznego.
Odmiany manometru U-rurkowego
Ciśnienie różnicowe jest zawsze różnicą wysokości kolumn, niezależnie od rozmiaru lub kształtu rurek. Jak pokazano na rysunku 6A, nóżki obu manometrów są otwarte do atmosfery, a płyny wskazujące znajdują się na tym samym poziomie. Podłączenie tego samego ciśnienia do lewej odnogi każdego manometru powoduje obniżenie jego poziomu. Ze względu na różnice w objętości nóg manometru, płyn w każdej kolumnie przemieszcza się na inną odległość. Jednak różnica między poziomami płynu w obu manometrach jest identyczna (patrz rysunek 6B).
Rysunek 6. Odczyt ciśnienia jest zawsze różnicą pomiędzy wysokościami cieczy, niezależnie od rozmiarów rurki. Przy obu nóżkach manometru otwartych do atmosfery, poziomy cieczy są takie same (A). Przy jednakowym dodatnim ciśnieniu przyłożonym do jednej odnogi każdego manometru, poziomy cieczy różnią się, ale odległość między wysokościami cieczy jest taka sama.
Rysunek 7. W manometrze typu studzienkowego pole przekroju poprzecznego jednej odnogi (studzienki) jest znacznie większe niż drugiej odnogi. Gdy do studzienki przyłożone jest ciśnienie, płyn obniża się tylko nieznacznie w porównaniu ze wzrostem płynu w drugiej odnodze.
Dalszym rozwinięciem tej różnicy w rozmiarach rur jest manometr typu studziennego (lub zbiornikowego) (zob. rys. 7). W miarę wzrostu ciśnienia w studni, poziom nieznacznie spada w porównaniu do wzrostu poziomu w kolumnie. Poprzez kompensację podziałki na skali kolumny w celu skorygowania spadku w studni, możliwe jest dokonanie bezpośredniego odczytu różnicy ciśnień. Istnieją wytyczne dotyczące połączeń umieszczone na manometrach typu studni, w porównaniu do stylu U-rurki:
- Podłącz ciśnienia wyższe niż atmosferyczne do studni; podłącz ciśnienia niższe niż atmosferyczne do rury.
- Dla pomiarów różnicowych, podłącz wyższe ciśnienie do studni.
- W przypadku manometrów z podniesioną studzienką, przyłącze studzienki może być używane do pomiarów manometrycznych i próżniowych.
Odmianą manometru typu studzienkowego jest manometr z pochyloną rurką (lub manometr przeciągowy) przedstawiony na rysunku 8. W przypadku pochylonej rurki wskazującej, 1 cal pionowego wzniesienia jest rozciągnięty na kilka cali długości skali. Manometr z pochyloną rurką ma lepszą czułość i rozdzielczość dla niskich ciśnień.
Rysunek 8. Niskie ciśnienie i niskie różnice ciśnień są lepiej obsługiwane przez manometr z rurką pochyłą, gdzie 1 cal wysokości pionowej cieczy może być rozciągnięty do 12 cali długości skali.
Płyny wskazujące
Manometry cieczowe mierzą ciśnienie różnicowe poprzez równoważenie ciężaru cieczy pomiędzy dwoma ciśnieniami. Lekkie ciecze, takie jak woda, mogą mierzyć małe różnice ciśnień; rtęć lub inne ciężkie ciecze są używane do dużych różnic ciśnień. Dla cieczy wskazującej 3 razy cięższej od wody, zakres pomiaru ciśnienia jest 3 razy większy, ale rozdzielczość jest zmniejszona.
Cieczami wskazującymi mogą być: kolorowa woda, olej, benzeny, bromki i czysta rtęć. Przy wyborze płynu wskazującego należy sprawdzić specyfikacje dotyczące ciężaru właściwego, zakresu temperatur roboczych, ciśnienia pary i temperatury zapłonu. Właściwości korozyjne, rozpuszczalność i toksyczność są również brane pod uwagę.
Manometry cyfrowe
Manometr cieczowy ma ograniczenia. Szklane rurki, płyny wskazujące i wymagania dotyczące montażu poziomu są bardziej odpowiednie do laboratorium niż do pracy w terenie. Ponadto nie można go połączyć z komputerem lub sterownikiem PLC. Takie ograniczenia można przezwyciężyć stosując manometry cyfrowe. Te mikroprocesorowe przyrządy są dostępne w wygodnych, przenośnych rozmiarach, ułatwiających pracę w terenie, lub w wersjach do montażu panelowego lub wolnostojącego, z wyjściami do sterowania procesem lub przesyłania danych pomiarowych.
Odchylenia od standardowych warunków gęstości i ciężaru muszą być kompensowane ręcznie podczas wykonywania pomiarów ciśnienia za pomocą manometrów cieczowych. W przypadku manometrów cyfrowych jest to łatwiejsze, ponieważ niektóre współczynniki korekcji dla manometrów cieczowych można zignorować, a inne skompensować w oprogramowaniu.
Dzięki podwójnym portom, zamiana czujników to wszystko, co jest potrzebne do zmiany pomiędzy pomiarami ciśnienia różnicowego, manometrycznego i absolutnego.
Inne wspólne cechy manometrów cyfrowych obejmują:
- Pamięć wbudowaną do rejestrowania danych lub przechowywania odczytów min./max.
- Uśrednianie wielu odczytów w celu tłumienia impulsów ciśnienia
Manometry cyfrowe o wyższej dokładności są używane do kalibracji przetworników ciśnienia i innych przyrządów ciśnieniowych w terenie. Kalibratory cyfrowe są szybsze i prostsze, ponieważ nie wymagają skrzynek, butli gazowych, regulatorów ani ciężarków do ustawienia i nie mają specjalnych platform ani krytycznych wymagań dotyczących wypoziomowania. Dalsze porównanie specyfikacji manometrów cieczowych i cyfrowych przedstawiono w tabeli 1.
| Tabela 1 | |||||
| Specyfikacje manometrów | |||||
| Manometry cieczowe | Manometry cyfrowe | ||||
| U- | Rurka | Dołączona | Ogólne zastosowanie | Kalibracja | |
| Zakres | 100 cali. | 100 in. | 20 in. | 20-2000 w H2O, 20-2000 psig, 2000 mmHg |
2000 w H2O, 2000 psig, 2000 mmHg |
| Dokładność | ±½ podziałki skali mniejszej | ±½ podziałki skali mniejszej | ±½ podziałki skali mniejszej | ±0.025-0,1% F.S. | ±0,025-0,1% F.S. |
| Części zwilżane lub media Kompatybilność |
Żeliwo, stal nierdzewna, PVC, szkło, Viton | Stal nierdzewna, szkło, Viton | Akryl, stal nierdzewna, aluminium, szkło, Viton | Czyste, suche gazy niekorozyjne; ciecze kompatybilne ze stalą nierdzewną | Czyste, suche gazy nie powodujące korozji; ciecze kompatybilne ze stalą nierdzewną |
| Ciśnienie Rating |
250 psig | 250-500 psig | 100-350 psig | 2 × zakres | 2 × zakres |
| Mounting | Wall, stół | Ściana, stół, zlicowany przód, rura | Wall, stół | Przenośny | Przenośny |
| Koszt względny | Niski | Niski/średni | Medium | Wysoki | |
For Further Reading
Massey, B.S. 1989. Mechanics of Fluids, 6th Ed., London: Van Nostrand Reinhold.
Meriam Instrument. 1997. Using Manometers to Precisely Measure Pressure, Flow and Level, Cleveland: Meriam Instrument.
Meriam, J.B. 1938. Manometr i jego zastosowania. 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. Pomiar odnoszący się do ciśnienia zerowego; równa się sumie ciśnienia manometrycznego i ciśnienia atmosferycznego. Powszechnymi jednostkami są funty na cal kwadratowy (psia), milimetry rtęci (mmHga) i cale rtęci (in.Hga).
Dokładność. Miara bliskości porozumienia odczytu z odczytem z normy. W przypadku dokładności bezwzględnej należy porównać z głównym standardem (uznanym przez NIST). Dokładności są zwykle określane jako plus lub minus procent pełnej skali. Dokładności kalibracji są często podawane jako plus lub minus procent odczytu z plusem lub minusem zliczeń.
Ciśnienie otoczenia. Ciśnienie medium otaczającego urządzenie. Waha się ono od 29,92 in.Hg na poziomie morza do kilku cali na dużych wysokościach.
Ciśnienie atmosferyczne. Ciśnienie atmosfery na powierzchni jednostki. Nazywane również ciśnieniem barometrycznym. Na poziomie morza wynosi ono 29,92 in.Hg bezwzględne.
Licznik. Najmniejszy przyrost konwersji A/D, który jest wyświetlany.
Ciśnienie różnicowe. Różnica między dwoma punktami pomiarowymi. Typowe jednostki to cale wody (in.H2O), funty na cal kwadratowy (psi) i milibary (mbar).
Rozdzielczość wyświetlacza. Maksymalna liczba cyfr na wyświetlaczu cyfrowym. Na przykład przy rozdzielczości wyświetlacza wynoszącej 4½ cyfry odczytuje się maksymalnie 19 999 zliczeń, a przy rozdzielczości wyświetlacza wynoszącej 5 cyfr znaczących odczytuje się maksymalnie 99 999 zliczeń.
Ciśnienie manometryczne. Pomiar odnoszący się do ciśnienia atmosferycznego. Zmienia się w zależności od odczytu barometrycznego. Używana również do określania maksymalnego ciśnienia znamionowego manometrów. Powszechne jednostki obejmują funty na cal kwadratowy (psig).
Zakres. Region pomiędzy dolną i górną granicą pomiaru.
Rozdzielczość. Najmniejsza część pomiaru, która może zostać wykryta.
Czułość. Najmniejsza zmiana w pomiarze, która może być wykryta.
Pewność. Oszacowanie możliwego błędu w pomiarze. Jest to przeciwieństwo dokładności.
Próżnia. Każde ciśnienie poniżej ciśnienia atmosferycznego. Gdy odnosi się do atmosfery, nazywa się to próżnią (lub ujemnym manometrem) pomiaru. W przypadku odniesienia do ciśnienia zerowego jest to pomiar ciśnienia bezwzględnego.
Zerowe ciśnienie bezwzględne. Całkowity brak jakiegokolwiek gazu; doskonała próżnia.
