Manometr

Wynaleziono wiele technik umożliwiających mierzenie ciśnienia i pustki. Instrumenty służące do pomiaru ciśnienia nazywane są manometrami i czujnikami próżni. Manometr może się odnosić do urządzenia mierzącego ciśnienie, zazwyczaj ograniczone do ciśnień bliskich atmosferycznemu. Określenie manometr jest często używane w stosunku do instrumentów mierzących ciśnienie słupa wody.

Próżniomierz wykorzystywany jest do mierzenia ciśnienia w próżni- które jest następnie podzielone na dwie podkategorie, wysokiej i niskiej próżni (czasem ultra- wysokiej próżni). Zastosowane przedziały ciśnień wielu technik wykorzystywanych do mierzenia próżni pokrywa się. Dlatego dzięki połączeniu kilku różnych typów wskaźników, możliwy jest pomiar ciśnienia w sposób ciągły od 10 mbar w dół do 10-11 mbar

Ciśnienie absolutne, względne, różnica ciśnień

Codzienne pomiary ciśnienia, takie jak sprawdzanie ciśnienia w kołach, są zazwyczaj dokonywane w stosunku do ciśnienia atmosferycznego. W innych przypadkach są wykonywane w stosunku do próżni lub innych doraźnych ciśnień. Podczas rozróżniania ciśnień wykorzystujemy następujące wyrażenia:

Ciśnienie absolutne to miara przyjmująca za zero ciśnienie w próżni. Jest to suma ciśnienia względnego i ciśnienia atmosferycznego.

Ciśnienie względne przyjmuje za punkt zerowy wartość 1 atm/bar, jest równe ciśnieniu absolutnemu minus ciśnienie atmosferyczne.

Dyferencjał ciśnień jest różnicą ciśnień między dwoma punktami.

Ciśnienie w kołach oraz ciśnienie krwi są ciśnieniami względnymi, podczas gdy ciśnienia atmosferyczne i głębokiej próżni jest ciśnieniem absolutnym. Dyferencjały są powszechnie wykorzystywane w przemysłowych operacjach. Ciśnieniomierze mierzące różnice ciśnień posiadają dwa porty, każdy podłączony do jednej z objętości których ciśnienie jest monitorowane. W efekcie taki ciśnieniomierz wykonuje matematyczne operacje odejmowania przez mechaniczne możliwości, wykluczając konieczność kontrolowania dwóch różnych mierników i sprawdzania różnych odczytów przez operatora czy system sterujący.

Ciśnienie atmosferyczne wynosi około 100 kPa na poziomie morza, jednak zmienia się wraz ze zmianą wysokości i pogody. Jeżeli ciśnienie absolutne cieczy pozostaje stałe, manometr mierzący ciśnienie tej samej cieczy będzie wskazywał różne ciśnienia zgodnie ze zmianami ciśnienia atmosferycznego. Na przykład kiedy samochód jedzie pod górę, wraz ze wzrostem wysokości (ciśnienie atmosferyczne zmniejsza się), ciśnienie opon się zwiększa. Niektóre standardowe wartości ciśnienia atmosferycznego takie jak 101,325 kPa lub 100 kPa zostały zdefiniowane, i niektóre instrumenty pomiarowe wykorzystują jedną z tych standardowych wartości jako stałe odniesienie zera, zamiast rzeczywistych zmian ciśnienia powietrza. Ogranicza to dokładność tych instrumentów, zwłaszcza gdy są używane na dużych wysokościach.

Wykorzystanie atmosfery jako odnośnika jest zazwyczaj oznaczone przez literę g po jednostce ciśnienia, na przykład 30 psi g, co oznacza, że ciśnienie zmierzone jest ciśnieniem absolutnym minus ciśnienie atmosferyczne. Są dwa rodzaje mierników ciśnienia wentylowane (vg) i zamknięte (sg).

Manometry w nurkowaniu Manometry używane w nurkowaniu do mierzenia ciśnienia w butlach to najczęściej manometry mechaniczne z rurką Bourdon'a.
Ciśnienie doprowadzone z komory wysokiego ciśnienia I stopnia automatu prostuje rurkę a ten ruch jest przenoszony na wskazówkę.

Drugi rodzaj manometrów no manometry elektroniczne z przetwornikowym pomiarem ciśnienia. Takie manometry są dokładniejsze i bardziej stabilne w pomiarach.
Ciśnienie wyświetlają cyfrowo na ekranie.

Trzeci rodzaj pomiaru jest też elektroniczny ale w tym wypadku przetwornik wraz z nadajnikiem jest umieszczony w transmiterze (nadajniku) wkręconym do portu wysokiego ciśnienia w I stopniu automatu i bez przewodowo przekazuje wartość ciśnienia do komputera na ręce nurka.

Przyrządy

Stworzono wiele narzędzi do mierzenia ciśnienia z różnymi wadami i zaletami. Zakres ciśnienia, wrażliwość, dynamika i koszty wszystkich różnią się o kilka rzędów wielkości, w zależności od modelu urządzenia. Najstarszym typem jest kolumna cieczy (pionowa zamknięta z jednej strony rurka wypełniona rtęcią), manometr stworzony przez Evngelista Torricelli w 1643. Rurka w kształcie U została wymyślona przez Christian’a Huygens w 1661.

Hydrostatyczne

Wskaźniki hydrostatyczne porównują ciśnienie do mocy hydrostatycznej na jednostkę powierzchni u podstawy słupa cieczy. Pomiary wskaźników hydrostatycznych są niezależne od rodzaju mierzonego gazu, mają słabą dynamikę.

Tłokowy

Manometr tłokowy przeciwważy ciśnienie cieczy sprężyną, lub solidnym ciężarkiem nazywanym testerem martwej wagi, wykorzystuje się go do kalibracji innych mierników.

Kolumna cieczy

W tym przypadku pionowa kolumna płynu umieszczona jest w pionowej rurce, której obydwa końce poddane są różnym ciśnieniom. Kolumna będzie się podnosić i opadać , aż do momentu kiedy jej waga będzie w równowadze z różnicą ciśnień na końcach rurki. Bardzo prostą wersją jest rurka w kształcie litry U wypełniona do połowy płynem. Jeden koniec rurki przymocowany jest do interesującego nas miejsca, podczas gdy ciśnienie referencyjne (może to być ciśnienie atmosferyczne lub pustka) jest przyłączone do drugiego końca. Różnica w poziomach płynu reprezentuje zaaplikowane ciśnienie. Ciśnienie wywarte przez kolumnę cieczy o wysokości h, oraz gęstości ρ jest wyliczane z równania na ciśnienie hydrostatyczne: P = hgρ. Dlatego różnicę ciśnień między ciśnieniami przyłożonym Pa, a ciśnieniem referencyjnym Po w manometrze w kształcie U można odczytać rozwiązując Pa – Po = hgp. Innymi słowy, ciśnienie na obydwóch końcach płynu jest równe (ciecze są nieściśliwe), a zatem Pa = Po + hgp. Jeżeli mierzona ciecz jest bardzo gęsta, konieczne jest wykonanie poprawek hydrostatycznych dotyczących wysokości pomiędzy ruchomą powierzchnią płynu manometru i miejscem gdzie pożądane jest dokonanie pomiaru, z wyjątkiem kiedy mierzymy różnicę ciśnienia płynu, wtedy gęstość p powinna być poprawiona przez odjęcie gęstości mierzonego płynu.

Chociaż można wykorzystać każdy płyn, rtęć jest preferowana z powodu swojej wysokiej gęstości (31,534 g/cm3) i niskiego ciśnienia pary. Woda jest powszechnie wykorzystywana przy określaniu niewielkich różnic ciśnień oraz powyżej ciśnienia pary wodnej. Ciśnieniomierze cieczowe są niezależne od rodzaju mierzonego gazu i posiadają liniową kalibrację. Wykazują się słabą dynamiką. Przy mierzeniu próżni , pracujący płyn może wyparować i zanieczyścić próżnię, jeżeli ciśnienie pary jest za duże.

Manometr kolumny cieczy z jednym końcem ma większy zbiornik zamiast jednej strony rurki w kształcie U, oraz posiada skalę obok węższej kolumny. Kolumna może być pochylona zwiększając tym samym ruchy płynu. Podział manometrów ze względu na wykorzystanie i struktury:

1.Prosty manometr

2.Mikromanometr

3.Manometr różnicowy

4.Odwrócony manometr różnicowy

Miernik McLeod

Wskaźnik ten izoluje próbkę gazu i kompresuje go w zmodyfikowanym manometrze rtęciowym, aż ciśnienie osiągnie kilka mmHg. Gaz musi być dobrze zachowany (na przykład nie może się skraplać). Technika ta jest powolna i nie nadaje się do stałej obserwacji, ale jest bardzo precyzyjna.

Użyteczny zakres: powyżej 10-4 torr (w przybliżeniu 10-2 Pa) aż do 10-6 torr (0,1 mPa)

0,1 mPa jest najniższym bezpośrednim pomiarem jakiego można wykonać przy pomocy obecnej technologii. Inne mierniki próżni mogą mierzyć niższe ciśnienia, ale jedynie pośrednio przez pomiar innych właściwości kontrolowanych przez ciśnienie. Te pośrednie pomiary muszą być skalibrowane do jednostek SI przez bezpośredni pomiar.

Aneroid

Mierniki te opierają się na metalowym elemencie reagującym na ciśnienie, który wygina się pod wpływem różnic ciśnienia. Aneroid oznacza „bez cieczy”, określenie to odróżniło te mierniki od hydrostatycznych. Jednakże aneroidowe mierniki można wykorzystać zarówno do zmierzenia ciśnienia cieczy jak i gazu i nie są jedynymi rodzajami mierników które mogą działać bez cieczy. Z tego powodu są często nazywane mechanicznymi miernikami. Aneroidowe mierniki nie są zależne od rodzaju badanego gazu, w przeciwieństwie do mierników termalnych i jonizacyjnych, oraz zmniejszają ryzyko zanieczyszczenia systemu. Elementem czułym na ciśnienie może być rurka Burdona, membrana czy kapsułka, która zmieni kształt w odpowiedzi na nacisk w danym miejscu. Wygięcia czujnika ciśnienia mogą być odczytane dzięki połączeniu do igły, lub przez dodatkowy przetwornik.

Bourdon

Jest to zasklepiona, wygięta rurka, zwykle wykonana z miedzi, która prostuje się pod wpływem ciśnienia (gdy ciśnienie wewnątrz rurki jest większe od ciśnienia otoczenia). Koniec rurki jest połączony z zębatkami i dźwigniami, które poruszają centrycznie osadzoną igłę wskazującą ciśnienie na tarczy. Zmieniające się ciśnienie powoduje ruch wskazówki zgodnie lub przeciwnie do kierunku ruchu zegara. Eugene Burdon opatentował swój ciśnieniomierz we Francji w 1849 i został powszechnie przyjęty ze względu na wysoką czułość, liniowość i dokładność. Edward Aschcroft kupił amerykański patent Burdona w 1852 i został głównym producentem ciśnieniomierzy. Również w 1849 w Magdeburg, w Niemczech Bernard Schaeffer opatentował ciśnieniomierz membranowy, który razem z manometrem Burdona, zrewolucjonizował mierzenie ciśnienia w przemyśle. Ale w 1875 kiedy minął termin ważności patentu Burdona, jego firma Schaeffer and Budenberg również zaczęła tworzyć manometry z rurką Burdona.

Membranowy

Drugi rodzaj manometru aneroidowego wykorzystuje wygięcie giętkiej membrany oddzielającej rejony o różnych ciśnieniach. Wielkość wygięcia jest powtarzalna dla znanych ciśnień, więc ciśnienie może być określone z wykorzystaniem kalibracji. Deformacja cienkiej membrany jest zależna od różnicy ciśnień pomiędzy jej obydwiema stronami. Strona referencyjna może być otwarta na atmosferę w celu zmierzenia ciśnienia względnego, otwarta na drugi port w celu zmierzenia dyferencjału ciśnień, lub może być zabezpieczona przed próżnią lub innym stałym ciśnieniem odniesienia w celu dokonania pomiaru ciśnienia absolutnego. Deformacja może być zmierzona za pomocą technik mechanicznych, optycznych lub pojemnościowych. Stosowane są membrany ceramiczne i metalowe.

Budowa

Pomimo, że różne urządzenia dają różne informacje, wiele z nich funkcjonuje podobnie. Np zarówno ciśnieniomierz jak i głębokościomierz odczytują ciśnienie – odpowiednio w butli i ciśnienie otoczenia. Zarówno wersje mechaniczne jak i elektroniczne mają zbliżoną koncepcję budowy Rurka Burdona jest najczęściej używanym mechanizmem do pomiaru ciśnienia. Jest to zasklepiona, wygięta rurka, wykonana zwykle z miedzi, która prostuje się gdy ciśnienie wewnątrz rurki jest większe od ciśnienia otoczenia. Koniec rurki łączy się z zębatkami i dźwigniami, które poruszają centrycznie osadzoną igłę wskazującą ciśnienie na tarczy. Zmieniające się ciśnienie powoduje ruch wskazówki zgodnie lub przeciwnie do kierunku ruchu zegara. W taki sposób działa mechaniczny, analogowy ciśnieniomierz lub manometr. Inną odmianą spiralnie zwiniętej rurki Bourdona jest rurka zwinięta w spiralę, której zasada działania jest taka sama: wskazówka łączy się z końcem rurki i wymaga tylko niewielkiego ruchu spirali aby ustawić się w pozycji wskazania wartości ciśnienia. Spiralne konstrukcje są powszechnie stosowanie w mechanicznych głębokościomierzach, ale rzadko w manometrach. Jednym z problemów konstrukcji opartych na koncepcji rurki Bourdona jest zabezpieczenie mechanizmu przed korozją i odkładaniem się osadów. Takiego problemu nie ma w podwodnych ciśnieniomierzach, w których rurka wypełniona jest powietrzem, a cały mechanizm jest zabezpieczony w wodoodpornej obudowie wypełnionej powietrzem lub olejem. Mechaniczne głębokościomierze to inna sprawa. Wczesne konstrukcje, które pozwalały aby woda wpływała do wnętrza rurki były awaryjne, gdy rurka zatykała się krystalizującą solą lub wysychającymi osadami. Można było temu zaradzić umieszczająć spiralną rurkę i otaczające ją mechanizmy w wypełnionej olejem obudowie. W takim rozwiązaniu, zewnętrzne ciśnienie było przenoszone przez olej, który powodował wyginanie rurki bardziej dokładnie i ściśle. To eliminowało problem zanieczyszczeń. Obecnie mechanizm ciśnieniomierzy pozostał popularny zwłaszcza wśród nurków technicznych, a mechaniczne głębokościomierze prawie całkowicie zniknęły. W ich miejsce pojawiły się głębokościomierze elektroniczne, zwykle zintegrowane z funkcjami pomiaru czasu, a najczęściej jako część komutera nurkowego. Element, który umożlwia pomiar ciśnienia to najczęściej półprzewodnikowy przetwornik elektroniczny zwany piezorezystorem. Typowy przetwornik ciśnienia zbudowany jest z ceramicznej membrany z napylonymi jonowo ścieżkami rezystancyjnymi, których opór maleje wprost proporcjonalnie do wzrostu ciśnienia uginającego membranę. Mierząc spadek napięcia, obwód zawierający taki element może przeliczać wartości elektryczne na wskazania ciśnienia, zarówno głębokość jak ciśnienie w butli pokazywać w wyskalowanych wartościach. Odkrycie takiego przetwornika było kluczowym etapem powstania komputera nurkowego.

Dokładność Pomiaru Średnica manometru ma bardzo istotny wpływ na dokładność odczytu. Z tego powodu dokładne manometry mają dużą średnicę. Im większa średnica manometru tym większy obwód koła ze skalą podziałki i dzięki temu większa odległość pomiędzy działkami – w konsekwencji możliwość umieszczenia większej ilości pojedynczych działek, a co za tym idzie tym większa dokładność pomiaru.

Sama wielkość – średnica i promień zawinięcia rurki Bourdona jest właściwie niezależny od wielkości manometru. Przyjmuje się, że im mniejszy mechanizm tym jest bardziej dokładny w sensie pomiaru ciśnienia gazu, ale niestety trudniejszy do wykonania ze względu na precyzję. Wielkość mechanizmu mocno zależy również od mierzonego ciśnienia – im większe mierzymy ciśnienie tym mechanizm będzie większy, a w każdym razie sama rurka Bourdona będzie wykonana z grubszego materiału.

Powyższe rozważania dotyczące średnicy nie maja praktycznego znaczenia dla manometrów nurkowych – ze względów dokładności pomiarowej należy te manometry traktować bardziej jako wskaźniki, niż przyrządy pomiarowe, zwłaszcza pod woda, gdzie z dokładnością odczytu może być różnie. Oczywiście manometry nurkowe występują w średnicach 40 – 60 mm i to który z nich wybierzemy bardziej zależy od naszych upodobań niż faktycznej dokładności przyrządu, bo ta niewiele się zmienia przy tych średnicach. Na tych większych cyferki będą prawdopodobnie większe.

Ponieważ manometry nurkowe są wykonane do ciśnień w okolicach 200 barów w związku z tym bardzo tracą na dokładności w obszarze pomiaru ciśnień bliskich zero. Obszar 10-30 barów jest pomiarowo bardzo niedokładny. Wynika to z konieczności zastosowania mechanizmu (rurki Bourdona) wytrzymałej na ciśnienie około 300 bar (liczone z zapasem). Kiedy manometr jest nowy, wskazówka przy powrocie opiera się o punkt końcowy oporowy i rurka Bourdona jest w pewnym, małym napięciu – gdyby nie było tego punktu wskazówka przesunęłaby się na pozycje poniżej zera na skali. W praktyce powoduje to, że mamy jeszcze czym oddychać pomimo, że manometr pokazuje już zero na skali. W trakcie eksploatacji manometru rurka Bourdona prostuje się i zwija. Jest to ruch nieznaczny, jednak mający wpływ na strukturę materiału. Materiał rurki Bourdona zmienia swoją strukturę z biegiem czasu i utwardza się. Sprawia to, że przy wysokim ciśnieniu manometr dość dokładnie wskazuje ciśnienie. Przy powrocie z powodu utwardzenia materiału rurka już nie tak mocno powraca więc początkowe ciśnienie w obszarze zero jest wskazywane coraz mniej dokładnie. Pojedyncze zmiany są niezauważalne, ale manometr po dłuższej eksploatacji może wskazywać 10-20 bar przy braku gazu w butli. Do tego nakłada się sprawa wyrobienia mechanizmu przekładniowego wskazówki i/lub opierania się wskazówki o tarcze, szkiełko lub skrzywienie osi wskazówki – konsekwencja to konieczność pukania w manometr, aby uzyskać prawidłowy odczyt (samo pukanie w manometr powinno być odruchem – należy do normalnych elementów eksploatacji – podobnie jest z barometrem atmosferycznym – jeśli po popukaniu w manometr wskazówka wyraźnie opada, manometr należy wymienić). Takie uszkodzenia nie są niczym nadzwyczajnym jeśli weźmie się pod uwagę, że manometr co jakiś czas uderzy nam o coś, pomimo naszych starań, aby obchodzić się z nim delikatnie. Tutaj pojawia się kolejny dylemat, czy lepiej jest mieć manometr w miękkiej obudowie chroniącej przed skutkami uderzeń, czy lepiej bez niej mając możliwość łatwej kontroli wizualnej stanu manometru. Wybory nie są takie oczywiste. By Trajter