En av de tidigaste tryckmätningsinstrumenten används fortfarande flitigt i dag på grund av sin inneboende noggrannhet och enkla användning. Det är U-rörsmanometern, som är ett U-format glasrör som är delvis fyllt med vätska. Denna manometer har inga rörliga delar och kräver ingen kalibrering. Manometermätningar är funktioner av gravitationen och vätskans densitet, båda fysiska egenskaper som gör U-rörmanometern till en NIST-standard för noggrannhet.
Manometrar är både tryckmätningsinstrument och kalibreringsstandarder. De varierar från enkla U-rör och brunnar fyllda med vätska till bärbara digitala instrument med datorgränssnitt.
Som visas i figur 1, med varje ben i en U-rörmanometer utsatt för atmosfären, är vätskehöjden i kolumnerna lika stor. Genom att använda denna punkt som referens och ansluta varje ben till ett okänt tryck anger skillnaden i kolonnhöjd skillnaden i tryck (se figur 2).
 Figur 1. När båda benen på en U-rörsmanometer är öppna mot atmosfären eller utsätts för samma tryck håller vätskan samma nivå i båda benen, vilket skapar en nollreferens. |
 Figur 2. Med ett större tryck på vänster sida av en U-rörsmanometer sjunker vätskan i det vänstra benet och stiger i det högra benet. Vätskan rör sig tills vätskans enhetsvikt, som anges med h, exakt balanserar trycket. |
Den grundläggande relationen för tryck uttryckt genom en vätskekolonn är:
| Δp = P2-P1 = ρgh | (1) |
där:
| Δp | = differenstryck | |
| P1 | = tryck vid lågtrycksanslutningen | |
| P2 | = tryck vid högtrycksanslutningen | = tryck vid lågtrycksanslutningen.tryckanslutning |
| ρ | = densitet för indikeringsvätskan (vid en viss temperatur) | |
| g | = gravitationsacceleration (vid en viss latitud och höjd) | |
| h | = skillnad i kolonnhöjder |
Det resulterande trycket är skillnaden mellan de krafter som utövas per enhet av vätskekolonnernas yta, med pund per kvadrattum (psi) eller newton per kvadratmeter (pascal) som enheter. Manometern används så ofta för att mäta trycket att skillnaden i kolonnhöjd också är en vanlig enhet. Detta uttrycks i tum eller centimeter vatten eller kvicksilver vid en viss temperatur, vilket kan ändras till standardtrycksenheter med hjälp av en omvandlingstabell.
Alla tryckmätningar är differentiella. Referensen kan vara absolut nolltryck (totalt vakuum), atmosfäriskt tryck (barometriskt tryck) eller ett annat tryck. Med en manometers ena ben öppet mot atmosfären (se figur 3A) är det uppmätta trycket det som överstiger det atmosfäriska trycket, som på havsnivå är 14,7 psi, 101,3 kPa eller 76 cmHg.
Figur 3. Manometertrycket är ett mått i förhållande till det atmosfäriska trycket och varierar med den barometriska avläsningen. En mätning av ett mättryck är positiv när det okända trycket överstiger det atmosfäriska trycket (A) och negativ när det okända trycket är lägre än det atmosfäriska trycket (B).
Denna mätning kallas för övertryck och förhållandet för ett positivt tryck uttrycks genom:
| absolut tryck = atmosfärstryck + positivt övertryck | (2) |
För en mätning av ett negativt tryck (vakuum) (se figur 3B), är kolonnhöjderna omvända och förhållandet uttrycks genom:
| absolut tryck = atmosfärstryck + negativt manometertryck | (3) |
Dessa tryckförhållanden visas i figur 4.
Figur 4. En grafisk representation av positivt och negativt övertryck visar differentialaspekten av alla tryckmätningar, där övertryck är skillnaden mellan absolut tryck och atmosfäriskt tryck.
Figur 5. I en manometer med förslutet rör är tryckreferensen ett vakuum, eller noll absolut tryck. Den vanligaste formen av en manometer med förslutet rör är den konventionella kvicksilverbarometer som används för att mäta atmosfäriskt tryck.
En manometer kan utformas för att direkt mäta absolut tryck. Manometern i figur 5 mäter trycket jämfört med det absoluta nolltrycket i ett förseglat rör ovanför en kvicksilverkolonn. Den vanligaste formen av denna manometer är den konventionella kvicksilverbarometer som används för att mäta atmosfäriskt tryck. Med bara en anslutning kan denna konfiguration mäta tryck över och under det atmosfäriska trycket.
Variationer på U-rörmanometern
Differenstrycket är alltid skillnaden i kolonnhöjd, oavsett rörens storlek eller form. Som visas i figur 6A är benen på båda manometrarna öppna mot atmosfären och indikeringsvätskorna befinner sig på samma nivå. Om samma tryck kopplas till det vänstra benet på varje manometer sänks dess nivå. På grund av volymvariationen i manometerbenen rör sig vätskan i varje kolonn olika långt. Skillnaden mellan vätskenivåerna i de båda manometrarna är dock identisk (se figur 6B).
Figur 6. Tryckavläsningen är alltid skillnaden mellan vätskehöjderna, oavsett rörstorlekar. Med båda manometerbenen öppna mot atmosfären är vätskenivåerna desamma (A). Med ett lika stort övertryck på ett ben av varje manometer skiljer sig vätskenivåerna åt, men avståndet mellan vätskehöjderna är detsamma.
Figur 7. I en manometer av brunnstyp är tvärsnittsytan för det ena benet (brunnen) mycket större än för det andra benet. När tryck läggs på brunnen sänks vätskan endast något jämfört med vätskestigningen i det andra benet.
Denna variation i rörstorlekar fortsätter med en manometer av brunnstyp (eller reservoarmanometer) (se figur 7). När tryck läggs på brunnen sjunker nivån något jämfört med nivåhöjningen i kolonnen. Genom att kompensera kolonnens skalgraderingar för att korrigera för brunnsfallet är det möjligt att göra en direkt avläsning av differenstrycket. Det finns anslutningsriktlinjer för manometrar av brunnstyp jämfört med manometrar med U-rör:
- Ansluta tryck som är högre än atmosfäriskt till brunnen; anslut tryck som är lägre än atmosfäriskt till röret.
- För differentialmätningar, anslut det högre trycket till brunnen.
- För manometrar med upphöjd brunn kan brunnsanslutningen användas för mätning av manometer och vakuum.
En variant av manometern av brunnstyp är manometern med lutande rör (eller dragmätare) i figur 8. Med ett lutande indikeringsrör sträcker sig 1 tum av en vertikal stigning över flera tum av skalans längd. Manometern med lutande rör har bättre känslighet och upplösning för låga tryck.
Figur 8. Låga tryck och låga differenser hanteras bättre med en manometer med lutande rör, där 1 tum av vertikal vätskehöjd kan utsträckas till 12 tum av skalans längd.
Indikerande vätskor
Vätskemanometrar mäter differenstryck genom att balansera vikten av en vätska mellan två tryck. Lätta vätskor som vatten kan mäta små tryckskillnader; kvicksilver eller andra tunga vätskor används för stora tryckskillnader. För en indikeringsvätska som är 3 gånger tyngre än vatten är tryckmätningsområdet 3 gånger större, men upplösningen minskar.
Indikeringsvätskor kan vara färgat vatten, olja, bensener, bromider och rent kvicksilver. När du väljer en indikeringsvätska ska du kontrollera specifikationerna för specifik vikt, arbetstemperaturområde, ångtryck och flampunkt. Frätande egenskaper, löslighet och toxicitet är också faktorer som måste beaktas.
Digitala manometrar
En vätskemanometer har begränsningar. Glasrör, indikeringsvätskor och krav på nivåmontering lämpar sig bättre för ett laboratorium än för fältet. Dessutom kan den inte anslutas till en dator eller PLC. Sådana begränsningar kan övervinnas med digitala manometrar. Dessa mikroprocessorbaserade instrument finns i bekväma, bärbara storlekar för enkel användning på fältet, eller i panel- eller fristående monteringsstilar, med utgångar för styrning av en process eller överföring av mätdata.
Variationer från standardförhållanden för densitet och gravitation måste kompenseras manuellt när man gör tryckmätningar med vätskemanometrar. Detta är lättare med digitala manometrar, eftersom vissa av korrektionsfaktorerna för vätskemanometrar kan ignoreras och andra kan kompenseras i mjukvara.
Med dubbla portar räcker det med att byta sensorer för att växla mellan differential-, gauge- och absoluta tryckmätningar.
Andra vanliga egenskaper hos digitala manometrar är bland annat:
- Bordminne för dataloggning eller lagring av min/max-avläsningar
- Medelvärdeberäkning av ett antal avläsningar för att dämpa tryckpulser
Digitala manometrar med högre noggrannhet används för att kalibrera trycksändare och annan tryckinstrumentering i fält. Digitala kalibratorer är snabbare och enklare eftersom de inte kräver några lådor, gasflaskor, regulatorer eller vikter för att ställas in och de har inga speciella plattformar eller kritiska krav på nivellering. Ytterligare jämförelser av specifikationer för flytande och digitala manometrar visas i tabell 1.
| TABELL 1 | |||||||
| Manometerspecifikationer | |||||||
| Vätskemanometrar | Digitala manometrar | ||||||
| U-.rör | Brunn | Inklinerad | Allmänt ändamål | Kalibrering | |||
| Avstånd | 100 tum. | 100 tum. | 20 tum. | 20-2000 i H2O, 20-2000 psig, 2000 mmHg |
2000 i H2O, 2000 psig, 2000 mmHg |
||
| Noggrannhet | ±½ av mindre skala | ±½ av mindre skala | ±½ av mindre skala | ±½ av mindre skala | ±0.025-0,1% F.S. | ±0,025-0,1% F.S. | ±0,025-0,1% F.S. |
| Vattnade delar eller medier Kompatibilitet |
Gjutjärn, rostfritt stål, PVC, glas, Viton | Rått stål, glas, Viton | Akryl, rostfritt stål, aluminium, glas, Viton | Rena, torra, icke-korrosiva gaser; vätskor som är kompatibla med rostfritt stål | Rena, torra icke frätande gaser; Vätskor som är kompatibla med rostfritt stål | ||
| Tryck Rating |
250 psig | 250-500 psig | 100-350 psig | 2 × intervall | 2 × intervall | ||
| Montering | Vägg, bord | Vägg, bord, infälld front, rör | Vägg, bord | Bärbar | Bärbar | ||
| Relativ kostnad | Låg | Låg/medelhög | Låg/medelhög | Medium | Medium | Hög | |
För ytterligare läsning
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. Manometern och dess användningsområden. 2nd Ed., Cleveland: Meriam Instrument.
Omega Engineering. 1999. Transactions in Measurement and Control: Tvärsnitt: Transactions of Measurements 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:
Glans för manometertryck och noggrannhet
Absoluta tryck. Ett mått refererat till nolltryck; är lika med summan av manometertryck och atmosfäriskt tryck. Vanliga enheter är pund per kvadrattum (psia), millimeter kvicksilver (mmHga) och tum kvicksilver (in.Hga).
Noggrannhet. Ett mått på hur nära överensstämmelsen mellan en avläsning och en standard är. För absolut noggrannhet, jämför med en primär standard (som erkänns av NIST). Noggrannheten anges vanligen som plus eller minus procent av fullt skalutslag. Kalibreringsnoggrannheten anges ofta som plus eller minus procent av avläsningen med plus eller minus räkningar.
Ambientryck. Trycket i det medium som omger en anordning. Det varierar från 29,92 tum Hg på havsnivå till några få tum på hög höjd.
Atmosfäriskt tryck. Atmosfärens tryck på en enhets yta. Även kallat barometriskt tryck. På havsnivå är det 29,92 in.Hg absolut.
Talet. Det minsta steg i en A/D-omvandling som visas.
Differentialtryck. Skillnaden mellan två mätpunkter. Vanliga enheter är tum vatten (in.H2O), pund per kvadrattum (psi) och millibar (mbar).
Displayupplösning. Det maximala antalet siffror på en digital display. Till exempel, en displayupplösning på 4½ siffror läser maximalt 19 999 räkningar, och en displayupplösning på 5 signifikanta siffror läser maximalt 99 999 räkningar.
Gauge Pressure (mätartryck). En mätning som avser det atmosfäriska trycket. Det varierar med den barometriska avläsningen. Används också för att ange det maximala tryckvärdet för manometrar. Vanliga enheter är pounds per square inch (psig).
Range. Området mellan den nedre och övre gränsen för mätningar.
Upplösning. Den minsta delen av en mätning som kan detekteras.
Känslighet. Den minsta förändringen i en mätning som kan upptäckas.
Unsäkerhet. En uppskattning av det möjliga felet i en mätning. Detta är motsatsen till noggrannhet.
Vakuum. Varje tryck under det atmosfäriska trycket. När det refereras till atmosfären kallas det för en vakuummätning (eller negativ mätning). När det refereras till nolltryck är det en absoluttrycksmätning.
Nollabsoluttryck. Fullständig avsaknad av gas, perfekt vakuum.
