Metode şi aparate pentru măsurarea presiunii.

1. DEFINIŢII

● Presiunea = forţa exercitată normal pe unitatea de suprafaţă : p =

FnA

Teoria cinetico – moleculară : p = NV KT dacă p = 0 ⇒

{N=0( vid absolut )¿ ¿¿¿● Presiunea atmosferică = presiunea exercitată local de atmosfera terestră .

● Presiune absolută = presiunea determinat ă faţă de nivelul de zero ( vidul absolut).

● Suprapresiune= presiune mai mare decât presiunea atmosferică locală .

● Depresiune (vacuum)= presiune mai mică decât presiunea atmosferică locală .

● Presiune relative = presiunea determinat ă faţă de nivelul presiunii atmosferice:

- presiune manometrică =diferenţa dintre suprapresiune şi presiunea atmosferică .

- presiune vacuummetrică = diferenţa dintre presiunea atmosferică şi depresiune.

● Presiune diferenţială = diferenţa de presiune dintre două medii diferite.

1

Fig. 1 Presiunea a)manometrică; b)vacuummetrică

2. UNITĂŢI DE MĂSURĂ.

● Sistemul Internaţional (SI)

- unitatea sistemului: [ p ]SI=1

N

m2=1Pa(Pascal )

- multipli: 1 KPa = 103 Pa; 1MPa = 106 PA; 1bar = 105 Pa

● Sistemul tehnic (ST)

- unitatea sistemului: [ p ]ST=1

kfg

m2

- multiplu: 1 at=1

kfg

cm2=104 kfg

m2

● Alte unităţi:

- milimetrul coloană de mercur(mmHg sau torr)= presiunea hidrostatică a unei

coloane de mercur cu înălţimea de 1 mm.

- milimetrul coloană de apă(mmH2O sau mmCA) = presiunea hidrostatică a unei

coloane de apă cu înălţimea de 1 mm.

● Relaţii între unităţile de măsură :

1bar=1 .02kgf

cm2=1 .02at ;1at=1

kgf

cm2=0 . 981bar

2

1mmHg=pHg gh=133 .3Pa1mmH 2O=pH 2O

gh=9 .81 Pa

1bar=750mmHg=10200mmH2O

3. CLASIFICAREA APARATELOR DE MĂSURARE A PRESIUNII

I)În funcţie de valoarea presiunii măsurate de aparat:

- manometre şi micromanometre: măsoară suprapresiuni relative ( p > pa)

- vacuummetre şi microvacuummetre: măsoară depresiuni relative( p < pa)

- manovacuummetre: măsoară atât suprapresiuni cât şi depresiuni relative

- barometer: măsoară presiunea atmosferică

II) În funcţie de destinaţie:

-aparate etalon: pentru etalonarea şi verificarea mijloacelor de măsurare a presiunii;

au precizia cea mai ridicată (precizie metrologică );

-aparate de laborator: pentru măsurători precise şi verificarea aparatelor de lucru;

-aparate de lucru: pentru măsurători curente;

III) În funcţie de principiul de funcţionare:

-aparate cu lichid: măsoară denivelarea unei coloane de lichid;

-aparate cu element elastic: măsoară mărimea deformaţia unui element elastic;

-aparate electrice: măsoară variaţia unei mărimi electrice cu presiunea.

4. CLASA DE PRECIZIE.

Clasa de precizie= abaterea maxima admisă exprimată în procente din domeniul

de indicare (valoarea maxima a scării gradate, dacă aceasta începe de la zero (Vmin

=0)considerate constantă pe toată scara aparatului:

C=|a|

Vmax−V min

100 [ % ]

Exemplu: pentru un manometru care are scara gradată 0...16 bar și clasa de

precizie 2,5 se admite o abatere maximă:

a=±2 .5100

. 16=±0. 4bar

3

Utilizarea claselor de precizie:

- 0,05...0,1 pentru aparate etalon

- 0,16...1,0 pentru aparate de laborator

- 1,6 ....4,0 pentru aparate folosite în măsurări industriale.

5. PREZENTAREA APARATELOR PENTRU MĂSURAREA PRESIUNII

A. Aparate cu lichid.

Avantaje: - sunt simple din punct de vedere constructiv;

- au preţ de cost scăzut;

- au precizie de măsurare mare

- sunt uşor de citit şi manipulat

Dezavantaje: - sunt fragile

- au domeniul de măsurare limitat la maxim 1,5... 2 bar

Lichide utilizate: - mercur pHG = 13525 kg/m3

- apa papa = 1000 kg/m3

- alcool palc = 808 kg/m3

A.1.Aparate cu tub U

4

Fig.2 Aparatul cu tub U

1-placa suport; 2-tub de sticlă; 3-scara gradată în mm

Δp=pqz [Pa]

Poate fi utilizat ca manometru sau vacuummetru, în care caz o ramură este liberă în

atmosferă, sau pentru măsurarea diferenţei de presiune dintre două medii diferite.

A.2 Aparate cu rezervor şi tub vertical

Unul din braţe este un rezervor având secţiunea A, iar celălalt un tub subţire de

secţiunea. Racordarea la sursa de presiune se face astfel ca denivelarea să fie

întotdeauna în sensul ridicării nivelului în tub.

Fig.3 Manometrul cu rezervor.

1-tub subțire; 2-rigla gradată în mm; 3-rezervorul cu lichid.

Δp=pqz (1+ aA )

[Pa] usual aA

≈ 1500

Se utilizează ca manometru sau ca vacuummetru.

-utilizare ca manometru: sursa de presiune se leagă la rezervor, tubul este liber în

atmosferă;

5

-utilizare ca vacuummetru: sursa de presiune se leagă la tub, rezervorul este liber în

atmosferă.

A.3 Aparate cu rezervor şi tub înclinat (micromanometre).

Se utilizează pentru măsurarea presiunilor/depresiunilor foarte mici 10...150 mmH2O.

Fig.4 Shema constructive a unui manometru cu rezervor și tub înclinat

1-rezervor; 2-riglă gradate în mm; 3-tub de secțiune redusă

Δp=pgl(sin α+ aA )

[Pa] uzual aA

≈ 1500

sau

Δp=Kl [mmH2O]

în care lungimea l se măsoară în mm, iar dacă aparatul se umple cu alcool

(808=kg/m3) constanta k are în funcţie de unghiulαal tubului valorile 1/2, 1/5, 1/10,

1/25, 1/50 şi 1/100.

Exemplu: Se citeşte l=25 mm, iar tubul, care este liber în atmosferă, este fixat la o

înclinare ce corespunde valorii k=l/50. Rezultă presiunea manometrică:

Δp=p−pa=kl=1

5025=0 . 5mmH 2O=0 . 5⋅9 . 81=4 . 9Pa

6

Fig.5 Micromanometrul cu rezervor și tub înclinat.

1-postament; 2-rezervor; 3-tub de sticlă; 4-ax de rotație; 5-sector circular; 6-braț; 7,8-

șuruburi de reglare; 9,10-nivelă cu bulă de aer; 11-șurub de reglare la zero.

B.Aparate cu element elastic

B.1 Aparate cu tub elastic (Bourdon)

7

Fig.6 Principiul constructiv al aparatului cu tub Bourdon.

1-tub elastic; 2-suport; 3-dop; 4-tijă; 5-racord; 6-piuliță; 7-cadran; 8-sector dințat;

9-carcasă; 10-ac indicator; 11-scara gradată.

Este cel mai utilizat tip de aparat.

Secţiunea tubului este eliptică; Tubul se deformează sub acţiunea forţelor datorate

presiunii exterioare pa , respectiv interioare p (care trebuie măsurată).

Materialul din care este confecţionat tubul elastic:

– aliaje de Cu ( p< 100 bar);

– oţeluri aliate ( p> 100 bar);

– cuarţ ( p foarte mici).

Domeniul de utilizare: 0...400 bar.

8

Fig. 7 Manometre cu tub elastic Bourdon

B.2 Aparate cu membrană

Fig.8 Manometre cu membrană

1-membrană; 2-flașă; 3-capac; 4-mecanism cu pârghii; 6-scara gradată.

Utilizari: Pentru fluide corozive, viscoase, care cristalizează , cu temperaturi foarte

scăzute, respectiv foarte ridicate, pentru respectarea condiţiilor aseptice in industria

alimentara si farmaceutică.

9

Materiale membrană: inox AISI316, Hastelloy, Monel, Inconel, nichel, Tantal,Titan,

platina, argint, Teflon.

Racordare la instalaţie: prin filet exterior, filet interior si piuliţă olandeză sau flanşe

DIN, ASME

B.3 Aparate cu capsulă sau burduf elastic (silfon).

Fig.9 Elemente elastice a)capsulă elastică; b)burduf elastic (sifon)

Aparatele cu capsulă se utilizează pentru măsurarea presiunilor mici 0...100 mbar.

Fig.10 Aparate cu capsulă elastică.

10

C. Aparate pentru măsurarea presiunii atmosferice

Principiul barometrului – presiunea hidrostatică a coloanei de lichid este egală cu

presiunea atmosferică.

Fig.11 Principiul de funcționare al barometrului cu mercur

● Evanghelista Torricelli (1608-1647) - fizician italian, inventatorul barometrului

● Nicolas Fortin (1750-1831) - inginer francez, a perfecţionat barometrul lui Torricelli

● Robert Hooke (1635-1703) - fizician englez, modifică barometrul lui Toricelli.

11

Fig.12 Barometre cu mercur Fig.13 Barometre aneroide

Fig. 14 Barograful Fig. 15 Principiul barometrului aneroid

Barograful serveşte pentru înregistrarea continuă, pe o diagramă, a variaţiei presiunii

atmosferice. Elementul sensibil este un burduf elastic care are în interior presiunea

12

standard de 760 mmHg. Este prevăzut cu un dispozitiv de compensare a variaţiei

temperaturii atmosferice.

Barometrul ECCO-CELLI

Caracteristici:

- A fost patentat în 1998.

- Este la fel de precis ca şi barometrul cu mercur.

- Este ecologic, neconţinând mercur.

- Este format dintr-un barometru cu sifon umplut cu un lichid de natură siliconică

colorat în roşu si un termometru de precizie cu alcool metilic, colorat în albastru.

- Intre tubul barometrului şi cel al termometrului se află o scară glisantă, gradată în

unităţi de presiune (mbar)

- Diviziunile scării sunt de patru ori mai mari decât la barometrul cu mercur, facilitând

citirea acesteia.

13

Fig.16 Barometrul ECI-CELLI

Funcţionare:

- Variaţia înălţimii coloanei de lichid a barometrului este determinată de variaţia

presiunii atmosferice, dar şi de cea a temperaturii atmosferice.

- Corecţia de temperatură se realizează prin deplasarea scării gradate dintre tuburile

aparatului astfel încât reperul trasat la mijlocul acesteia să se plaseze la înălţimea

coloanei de lichid din termometru.

- Mărimea presiunii atmosferice se citeşte în dreptul coloanei de lichid a barometrului.

D. Aparate pentru măsurarea presiunii prin procedee electrice(traductoare).

Principiul de funcţionare: variaţia presiunii determină modificarea unei mărimi

electrice care generează la ieşirea unui amplificator un curent electric în domeniul

2...10 mA; 4...20 mA (curent unificat) sau o tensiune electrică în domeniul 0...10 V

(tensiune unificată).

Clasificare:

- traductoare rezistive

- traductoare inductive

- traductoare tensometrice

- traductoare capacitive

- traductoare piezoelectice.

D.1Traductoare rezistive

a) Aparate cu potenţiometru

Principiul de funcţionare: mişcarea determinatăde deformare unui element elastic:

tub Bourdon, capsulă, burduf, etc., deplasează cursorul unui potenţiometru. Variaţia

rezistenţei este măsurată cu un aparat magnetoelectric, o punte Weathstone sau cu

ajutorul unui circuiot electronic cu afişaj digital.

14

Fig.17 Aparat cu tub Bourbon și ponțiometru

1-axul aparatului; 2-tub Bourbon; 3-braț mobil; 4-cursor; 5-potențiometru;

6-conductorul de legătură; 7-aparat magnetoelectric

b)Aparate cu film rezistiv polisiliconic.

Principiul de funcţionare: variaţia rezistenţei unei pelicule de silicon care se

deformează sub acţiunea presiunii. Circuitul electronic generează curent unificat 4...20

mA, sau afişează digital valoarea presiunii.

Fig.18 Aparate cu film rezistiv

D.2Traductoare inductive

Principiul de funcţionare: modificarea inductanţei unei bobine datorită deplasării

unui miez de fier acţionat de deformarea unui element elastic.

Se utilizează în special pentru măsurarea presiunilor rapid variabile.

15

Fig.19Principiul de funcționare al senzorilor inductivi

D.3 Traductoare capacitive

Principiul de funcţionare: variaţia capacităţii unui condensator prin modificarea

distanţei dintre armături, grosimii dielectricului sau suprafeţei armăturilor.

16

Fig.21 Traductorul capacitiv cu membrană elastică

1-membrană elastică(armătură mobilă); 2-corp; 3-armătură fixă; 4-izolator;17

5-piesă de reglaj a distanței dintre armături; 6-piuliță; 7-electrod

18