Unul dintre cele mai vechi instrumente de măsurare a presiunii este încă utilizat pe scară largă astăzi datorită preciziei sale inerente și simplității de operare. Este vorba de manometrul cu tub în formă de U, care este un tub de sticlă în formă de U umplut parțial cu lichid. Acest manometru nu are părți mobile și nu necesită calibrare. Măsurătorile manometrice sunt funcții ale gravitației și ale densității lichidului, ambele proprietăți fizice care fac din manometrul cu tub în U un etalon NIST pentru precizie.
Manometrele sunt atât instrumente de măsurare a presiunii, cât și etaloane de calibrare. Acestea variază de la simple tuburi în U și puțuri umplute cu lichid până la instrumente digitale portabile cu o interfață de calculator.
Cum se arată în figura 1, cu fiecare picior al unui manometru cu tub în U expus la atmosferă, înălțimea lichidului din coloane este egală. Folosind acest punct ca referință și conectând fiecare picior la o presiune necunoscută, diferența de înălțime a coloanelor indică diferența de presiuni (vezi figura 2).
 Figura 1. Cu ambele picioare ale unui manometru cu tub în U deschise la atmosferă sau supuse la aceeași presiune, lichidul menține același nivel în fiecare picior, stabilind o referință zero. |
 Figura 2. La o presiune mai mare aplicată în partea stângă a unui manometru cu tub în U, lichidul coboară în piciorul stâng și crește în piciorul drept. Lichidul se deplasează până când greutatea unitară a lichidului, indicată de h, echilibrează exact presiunea. |
Relația fundamentală pentru presiunea exprimată printr-o coloană de lichid este:
| Δp = P2-P1 = ρgh | (1) |
unde:
| Δp | = presiunea diferențială | |
| P1 | = presiunea la racordul de joasă presiune | |
| P2 | = presiunea la racordul de înaltă presiuneconexiune de presiune | |
| ρ | = densitatea fluidului indicator (la o anumită temperatură) | |
| g | = accelerația gravitațională (la o anumită latitudine și altitudine) | |
| h | = diferența de înălțime a coloanelor |
Presiunea rezultată este diferența dintre forțele exercitate pe unitatea de suprafață a coloanelor de lichid, având ca unități de măsură livre pe inch pătrat (psi) sau newtoni pe metru pătrat (pascals). Manometrul este atât de des utilizat pentru a măsura presiunea încât diferența dintre înălțimile coloanelor este, de asemenea, o unitate comună. Aceasta este exprimată în inci sau centimetri de apă sau mercur la o anumită temperatură, care poate fi schimbată în unități standard de presiune cu ajutorul unui tabel de conversie.
Toate măsurătorile de presiune sunt diferențiale. Referința poate fi presiunea absolută zero (un vid total), presiunea atmosferică (presiunea barometrică) sau o altă presiune. Cu un picior al unui manometru deschis spre atmosferă (a se vedea figura 3A), presiunea măsurată este cea care depășește presiunea atmosferică, care la nivelul mării este de 14,7 psi, 101,3 kPa sau 76 cmHg.
Figura 3. Presiunea manometrică este o măsurătoare în raport cu presiunea atmosferică și variază în funcție de valoarea barometrică. O măsurare a presiunii manometrice este pozitivă atunci când presiunea necunoscută depășește presiunea atmosferică (A) și este negativă atunci când presiunea necunoscută este mai mică decât presiunea atmosferică (B).
Această măsurătoare se numește presiune manometrică, iar relația pentru o presiune pozitivă se exprimă prin:
| presiune absolută = presiune atmosferică + presiune manometrică pozitivă | (2) |
Pentru o măsurătoare de presiune negativă (vid) (vezi figura 3B), înălțimile coloanelor se inversează, iar relația se exprimă prin:
| presiune absolută = presiune atmosferică + presiune manometrică negativă | (3) |
Aceste relații de presiune sunt prezentate în figura 4.
Figura 4. O reprezentare grafică a presiunii manometrice pozitive și negative arată aspectul diferențial al tuturor măsurătorilor de presiune, unde presiunea manometrică este diferența dintre presiunea absolută și presiunea atmosferică.
Figura 5. Într-un manometru cu tub etanș, presiunea de referință este vidul sau presiunea absolută zero. Cea mai comună formă de manometru cu tub etanș este barometrul convențional cu mercur utilizat pentru măsurarea presiunii atmosferice.
Un manometru poate fi proiectat pentru a măsura direct presiunea absolută. Manometrul din figura 5 măsoară presiunea în comparație cu presiunea absolută zero într-un picior etanșat deasupra unei coloane de mercur. Cea mai comună formă a acestui manometru este barometrul convențional cu mercur utilizat pentru a măsura presiunea atmosferică. Cu o singură conexiune, această configurație poate măsura presiuni peste și sub presiunea atmosferică.
Variații asupra manometrului cu tuburi în U
Presiunea diferențială este întotdeauna diferența dintre înălțimile coloanelor, indiferent de mărimea sau forma tuburilor. După cum se arată în figura 6A, picioarele ambelor manometre sunt deschise la atmosferă, iar fluidele indicatoare sunt la același nivel. Conectarea aceleiași presiuni la piciorul stâng al fiecărui manometru face ca nivelul acestuia să scadă. Din cauza variației de volum în picioarele manometrului, fluidul din fiecare coloană se deplasează pe o distanță diferită. Cu toate acestea, diferența dintre nivelurile fluidelor din ambele manometre este identică (vezi figura 6B).
Figura 6. Citirea presiunii este întotdeauna diferența dintre înălțimile fluidelor, indiferent de dimensiunile tuburilor. Cu ambele picioare ale manometrului deschise la atmosferă, nivelurile fluidului sunt aceleași (A). Cu o presiune pozitivă egală aplicată la un picior al fiecărui manometru, nivelurile fluidelor diferă, dar distanța dintre înălțimile fluidelor este aceeași.
Figura 7. La un manometru de tip puț, suprafața secțiunii transversale a unui picior (puțul) este mult mai mare decât cea a celuilalt picior. Atunci când se aplică presiune în puț, fluidul coboară doar puțin în comparație cu creșterea fluidului în celălalt picior.
Cu această variație a dimensiunilor tuburilor mai departe este manometrul de tip puț (sau rezervor) (a se vedea figura 7). Pe măsură ce se aplică presiune în puț, nivelul scade ușor în comparație cu creșterea nivelului în coloană. Prin compensarea gradațiilor scării coloanei pentru a corecta căderea din puț, este posibil să se facă o citire directă a presiunii diferențiale. Există directive de conectare plasate pe manometrele de tip puț, în comparație cu cele de tip tub U:
- Conectați presiunile mai mari decât cea atmosferică la puț; conectați presiunile mai mici decât cea atmosferică la tub.
- Pentru măsurători diferențiale, conectați presiunea mai mare la puț.
- Pentru manometrele cu puț supraînălțat, racordul la puț poate fi folosit pentru măsurători manometrice și de vid.
O variație a manometrului de tip puț este manometrul cu tub înclinat (sau manometru de tiraj) din figura 8. Cu un tub indicator înclinat, o creștere verticală de 1 inch este întinsă pe o lungime de câțiva inch de scală. Manometrul cu tub înclinat are o sensibilitate și o rezoluție mai bune pentru presiuni mici.
Figura 8. Presiunea scăzută și diferențele mici sunt mai bine gestionate cu un manometru cu tub înclinat, unde 1 inch de înălțime verticală a lichidului poate fi întins pe o lungime de 12 inch de scală.
Fluide indicatoare
Manometrele cu lichid măsoară presiunea diferențială prin echilibrarea greutății unui lichid între două presiuni. Lichidele ușoare, cum ar fi apa, pot măsura diferențe mici de presiune; mercurul sau alte lichide grele sunt folosite pentru diferențe mari de presiune. Pentru un lichid indicator de 3 ori mai greu decât apa, domeniul de măsurare a presiunii este de 3 ori mai mare, dar rezoluția este redusă.
Lichidele indicatoare pot fi apă colorată, ulei, benzeni, bromuri și mercur pur. Atunci când selectați un fluid indicator, verificați specificațiile privind densitatea specifică, intervalul de temperatură de funcționare, presiunea de vapori și punctul de inflamabilitate. Proprietățile corozive, solubilitatea și toxicitatea sunt, de asemenea, considerente de luat în considerare.
Manometre digitale
Un manometru cu lichid are limitări. Tubulatura din sticlă, lichidele indicatoare și cerințele de montare a nivelului sunt mai potrivite pentru un laborator decât pentru teren. De asemenea, nu poate fi interfațat cu un calculator sau un PLC. Aceste limitări pot fi depășite cu ajutorul manometrelor digitale. Aceste instrumente bazate pe microprocesor sunt disponibile în dimensiuni convenabile, portabile, pentru o utilizare ușoară pe teren, sau în stiluri de montare pe panou sau autonomă, cu ieșiri pentru controlul unui proces sau pentru transferul datelor de măsurare.
Variațiile față de condițiile standard de densitate și gravitație trebuie compensate manual atunci când se fac măsurători de presiune cu manometre pentru lichide. Acest lucru este mai ușor cu manometrele digitale, deoarece unii dintre factorii de corecție pentru manometrele pentru lichide pot fi ignorați, iar alții pot fi compensați în software.
Cu porturi duble, schimbarea senzorilor este tot ceea ce este necesar pentru a schimba între măsurătorile de presiune diferențială, manometrică și absolută.
Alte caracteristici comune ale manometrelor digitale includ:
- Memorie la bord pentru înregistrarea datelor sau pentru stocarea citirilor min./max.
- Medierea unui număr de citiri pentru a atenua impulsurile de presiune
Manometrele digitale de acuratețe mai mare sunt folosite pentru a calibra transmițătoarele de presiune și alte instrumente de presiune pe teren. Calibratoarele digitale sunt mai rapide și mai simple, deoarece nu au nevoie de cutii, butelii de gaz, regulatoare sau greutăți pentru a fi configurate și nu au platforme speciale sau cerințe critice de nivelare. Alte comparații ale specificațiilor manometrelor cu lichid și digitale sunt prezentate în tabelul 1.
| TABELUL 1 | ||||||
| Specificațiile manometrelor | ||||||
| Manometre cu lichid | Manometre digitale | |||||
| U-tub | Buc | Inclinat | Scop general | Calibrare | ||
| Razem | 100 in. | 100 in. | 20 in. | 20-2000 in H2O, 20-2000 psig, 2000 mmHg |
2000 in H2O, 2000 psig, 2000 mmHg |
|
| Acuratețe | ±½ din gradația scării minore | ±½ din gradația scării minore | ±½ din gradația scării minore | ±0.025-0,1% F.S. | ±0,025-0,1% F.S. | ±0,025-0,1% F.S. |
| Părți umede sau medii Compatibilitate |
Fiertă, oțel inoxidabil, PVC, sticlă, Viton | Oțel inoxidabil, sticlă, Viton | Acrilic, oțel inoxidabil, aluminiu, sticlă, Viton | Gaze necorozive curate și uscate; lichide compatibile cu oțelul inoxidabil | Gaze necorozive, curate și uscate; lichide compatibile cu oțelul inoxidabil | |
| Presiune Rataj |
250 psig | 250-500 psig | 100-350 psig | 2 × interval | 2 × interval | |
| Montare | Perete, masă | perete, masă, frontală încastrată, țeavă | Perete, masă | Portabil | Portabil | |
| Costul relativ | Bătrân | Bătrân/mediu | Mediu | Mediu | Înalt | |
Pentru lecturi suplimentare
Massey, B.S. 1989. Mechanics of Fluids, ed. a 6-a, Londra: 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 (Manometrul și utilizările sale). Ed. a 2-a., Cleveland: Meriam Instrument.
Omega Engineering. 1999. Transactions in Measurement and Control: Force-Related Measurements, 2nd Ed. Stamford, CT: Putnam Publishing și Omega Press.
Yeager, John, și Hrusch-Tupta, M.A., Eds. 1998. Low Level Measurements. Ed. a 5-a. Cleveland: Keithley Instruments.
SIDEBAR:
Glosar de presiune și precizie manometrică
Presiune absolută. O măsurătoare raportată la presiunea zero; este egală cu suma dintre presiunea manometrică și presiunea atmosferică. Unitățile de măsură uzuale sunt livre pe inch pătrat (psia), milimetri de mercur (mmHga) și inci de mercur (in.Hga).
Acuratețe. O măsură a apropierii concordanței dintre o citire și cea a unui etalon. Pentru precizie absolută, se compară cu un etalon primar (unul recunoscut de NIST). Preciziile sunt de obicei specificate ca un procent în plus sau în minus din scala completă. Preciziile de etalonare sunt deseori indicate ca procent în plus sau în minus din citire cu plus sau minus.
Presiune ambiantă. Presiunea mediului care înconjoară un dispozitiv. Ea variază de la 29,92 in.Hg la nivelul mării până la câțiva centimetri la altitudini mari.
Presiune atmosferică. Presiunea atmosferei pe o suprafață unitară. Numită și presiune barometrică. La nivelul mării este de 29,92 in.Hg absolut.
Contor. Cel mai mic increment al unei conversii A/D care este afișat.
Presiune diferențială. Diferența dintre două puncte de măsurare. Unitățile obișnuite sunt inch de apă (in.H2O), lire pe inch pătrat (psi) și milibari (mbar).
Rezoluția afișajului. Numărul maxim de cifre de pe un afișaj digital. De exemplu, o rezoluție a afișajului de 4½ cifre citește un maxim de 19.999 de cifre; iar o rezoluție a afișajului de 5 cifre semnificative citește un maxim de 99.999 de cifre.
Gauge Pressure. O măsurătoare raportată la presiunea atmosferică. Aceasta variază în funcție de citirea barometrică. Utilizată, de asemenea, pentru a specifica presiunea nominală maximă a manometrelor. Unitățile comune includ lire pe inch pătrat (psig).
Range. Regiunea dintre limitele inferioară și superioară ale măsurătorilor.
Rezoluție. Cea mai mică porțiune a unei măsurători care poate fi detectată.
Sensibilitate. Cea mai mică modificare în măsurare care poate fi detectată.
Incertitudine. O estimare a erorii posibile a unei măsurători. Este opusul preciziei.
Vacuum. Orice presiune sub presiunea atmosferică. Atunci când este raportată la atmosferă, se numește măsurare în vid (sau manometru negativ). Când este raportată la presiunea zero, este o măsurătoare de presiune absolută.
Presiune absolută zero. Absența completă a oricărui gaz; un vid perfect.
