MJERENJE PRITISKA

PB 175

Rezime: Cilj ovog seminarskog rada jeste prikazati važnost mjerenja koje susrećemo u svakodnevnom životu, kao i u područjima privrede i tehnike. Kroz nekoliko stranica, objasnila sam definicije mjerenja, postupke i instrumente za mjerenje.

Ključne riječi: bar, kalibracija, pritisak, senzori

Uvod

Mjerenje je postupak određivanja vrijednosti neke mjerne veličine. Izravnim mjerenjem uspoređuje se mjerena veličina s istovrsnom usporedbenom veličinom, takozvanom mjernom jedinicom. Cilj mjerenja je dobivanje pouzdanog iskaza o nepoznatim podatcima predmeta. Mjerenja su uglavnom praktične (eksperimentalne) prirode, a mogu uključiti i teorijska razmatranja i proračune.

Znanost o mjerenju – mjeriteljstvo – vjerojatno je najstarija znanost u svijetu te je znanje o tome kako se ono primjenjuje temeljna potreba u praktično svim znanstveno utemeljenim zanimanjima a mjerenje pritiska njena je važna i sadržajna komponenta.

Pritisak je jedna od najčešće mjerenih veličina u tehnici i industriji uopšte.

Osnovni pojmovi i definicija pritiska

Silom na neku površinu može djelovati kruto tijelo, tekućine ili plinovi. Ta sila može biti posljedica gibanja molekula neke tekućine, izazvanog njenim toplinskim stanjem, ili pak težina okomitog stupca te tekućine jednoliko raspoređene po vodenoj podlozi. Kod plinova i tekućina molekule međusobno djeluju istim tlakom pod kojim se nalazi čitava masa ili dio plina. U plinovima i tekućinama pritisak djeluje u svim smjerovima jednakim intenzitetom. Kod krutih tijela tlak definiramo kao omjer sila međusobnog djelovanja u smjeru normale na dodirnu površinu i veličinu same površine. Mjerna tehnika pritiska obuhvaća ogromno područje od oko 10-9 do 105 at. To područje se može pokriti samo različitim izvedbama instrumenata, koji djeluju na različitim principima. Mjerila pritiska nazivamo manometrima.

Pritisak (p), se definise kao omjer sile (F) i površine (S) na koju ta sila djeluje pod pravim uglom. Možemo pisati :

Međutim važno je znati da tlak ovisi o trenutnoj težini tako zamišljenog stupca zraka, koja je podložna mnogim utjecajima, pa se atmosferski tlak stalno i nepravilno mijenja.

Slika 1. Ovisnost pritiska o težini zamišljenog stupca fluida

Nizom mjerenja utvrđen je njegov normalni iznos na površini mora pri temperaturi od 15 pa se za normalni atmosferski tlak uzima: p0 = 1 atm = 760 mm Hg = 1.03327 kp cm-2 = 101325 Pa

Postoji nekoliko oblika izmjerenog tlaka: - diferencijalni tlak: razlika između dva tlaka kojima je izložen senzor (transmiteri ovakvog tipa zovu se i Delta P transmiteri) - mjereni tlak: u slučaju kada je jedna ulazna strana transmitera otvorena prema atmosferi i izložena je atmosferskom tlaku - apsolutni tlak: u slučaju kada je jedna ulazna strana transmitera spojena na vakuum - glavni tlak: u slučaju kada je jedna ulazna strana transmitera otvorena prema atmosferi i izložena atmosferskom tlaku, a druga izložena stupcu tekućine određene visine (visina izražena mjernom jedinicom npr. milimetri stupca vode, žive itd.)

Pritisak fluida predstavlja djelovanje normalne sile svedene na jedinicu površine.Razlikuju se strujni i zaustavni pritisak.

· Stvarni pritisak u nekom mediju zove se strujni pritisak i označava se sa

p. Ovaj pritisak se naziva i statički pritisak.

· Zaustavni pritisak je onaj pritisak koji odgovara pritisku fluida, kada se

fluid zaustavi bez gubitka energije. Zbirni pritisak nastao u posmatranoj

tački zove se i totalni ili zaustavni pritisak pt.

Postoji nekoliko oblika izmjerenog tlaka:

- diferencijalni tlak: razlika između dva tlaka kojima je izložen senzor (transmiteri ovakvog tipa zovu se i Delta P transmiteri)

- mjereni tlak: u slučaju kada je jedna ulazna strana transmitera otvorena prema atmosferi i izložena je atmosferskom tlaku

- apsolutni tlak: u slučaju kada je jedna ulazna strana transmitera spojena na vakuum

- glavni tlak: u slučaju kada je jedna ulazna strana transmitera otvorena prema atmosferi i izložena atmosferskom tlaku, a druga izložena stupcu tekućine određene visine (visina izražena mjernom jedinicom npr. milimetri stupca vode, žive itd.)

Slika 2. a)diferencijalni; b)mjerni, c)apsolutni; d)glavni

Statički i zaustavni pritisak

Statički pritisak je pritisak fluida koji miruje u svim pravcima i ne zavisi od pravca djelovanja. Ukoliko se jave gradijenti pritiska u kontinuumu, javlja se tok fluida iz tačke višeg pritiska u područje nizeg pritiska. Ukupni pritisak, u tom slučaju nije nezavisan od pravca. Statički pritisak se mjeri na jedan od dva osnovna načina: • na zidu cijevi ili kućišta, • pomoću Prandtlove sonde za statički pritisak.

Instrumenti zamjerenje pritiska

Instrumenti za mjerenje pritiska su manometri. Prva poznata upotreba manometra oko 1730 godine. Historija i etimologija za manometar:

Francuski manomère, iz grčkog manosa rijetka, labava + francuski -mètre

Postoje različite konstrukcije i izvedbe manometara urađene na različitim principima mjerenja. Za mjerenje pritiska se koriste različiti instrumenti zavisno od mjernog opsega,osjetljivosti, tačnosti, dinamičkog odziva, vrste fluida i sl. Poznati su kao manometri ukoliko mjere nadpritisak, vakummetri za mjerenje podpritiska, diferencijalni manometri kada mjere razliku pritisaka i barometri za mjerenje atmosferskog pritiska. Osnovnekarakteristike (opseg, tačnost, osjetljivost itd.) mogu varirati za nekoliko redova veličine od jednog do drugog instrumenta, koji se mogu svrstati u tri osnovne grupe:

· Hidrostatički

· Mehanički

· Elektronski.

Hidrostatički manometri

Hidrostatičkimanometri su apsolutni manometri jer oni direktno pokazuju pravu vrijednost pritiska. Normalna sila djeluju na stub tečnosti visine h, je sila gravitacije, F=mg=hAρg, tako da je pritisak p=hρg, koji predstavlja osnovnu jednačinu svakog hidrostatičkog manometra. Uz silu gravitacije, na stub tečnosti u cijevi djeluju i kapilarne sile usljed kojih se tečnost ucijevi dodatno diže ili spušta za određenu veličinu hk.O ovoj činjenici treba voditi računa kod manometarskih cijevi manjeg prečnika.

Manometri u obliku U – cijevi

Danas nisu u prevelikoj upotrebi u industriji ali daju korisne informacije o temeljima mjerenja pritiska. U – manometar je ispunjen nekom tekućinom (vodom, alkoholom, živom) i spojen je svojim krajevima na ulaze različitih tlakova p1 i p2. Kada je p1 = p2 stupac tekućine u oba kraka U – manometra je u istoj razini. Promjenom vrijednosti p1 ili p2 stupci tekućine zauzimaju nove vrijednosti visine. Razlika u visinama stupaca h je proporcionalna diferencijalnom pritisku (odnosno razlici pritiska).

Slika 3. U-manometar; a)p1=p2; b) p1>p2

Manometri nejednakih površina

Manometri nejednakih površina su konstruirani s nejednakim površinama fluida u cijevima (visina H i ovdje je proporcionalna razlici pritiska).

Slika 4. Manometar nejednakih površina

Kosi manometar

Kosi manometar je osjetljiviji pri mjerenju niskih pritisaka, a vrijednost mjerenja očitava se s mjerne skale na dužini d.

Slika 5. kosi nanometar

Bourdonova cijev

Uređaj je dugo u upotrebi te je pogodan za mjerenje visokih i niskih tlakova. Pomak cijevi uslijed pritiska fluida prenosi se pomoću spoja i nazubljenog dijela na zupčanik pokazivača pritiska. Bourdonova cijev se može koristiti za mjerenje pritiska od 0 – 30 kPa pa do 0 – 50 Mpa. Bourdonova cijev može biti spojena na potenciometar te u tom slučaju daje izlazni signal u obliku električnog napona.

Slika 6) Bourdonova cijev

Minimetar

Minimetar se koristi kada su zahtjevi za tačnost pri mjerenju malenih razlika pritisaka naročito veliki. To je u stvari U-cijev u obliku dviju proširenih posuda, koje su međusobno spojene savitljivom cijevi. U fiksnoj proširenoj posudi, na koju se priključuje pretlak, nalazi se zlatni šiljak, koji pri izjednačenom tlaku, u nul položaju, upravo dodiruje razinu vode, kojom je napunjen instrument. Kada na instrument djeluje neka razlika pritiska podiže se druga posuda pomoću vretena sa vijkom sve dok opet šiljak upravo ne dosegne razinu vode. Ispravno podešavanje postiže se pomoću optičkog uređaja. Pošto u trenu očitavanja položaj razine vode ostaje isti, eventualne netočnosti u izvedbi instrumenta ili zbog kapilariteta nemaju utjecaj na točnost mjerenja. Pomoću mikrometarskog vijka mogu se razlike položaja razina vode očitavati vrlo precizno (u granicama 0,02 – 0,05 mm).

Prstenasta vaga

Prstenasta vaga je u stvari U-cijev u obliku torusa-prstena.Ovaj manometar se naročito koristi za mjerenje većih pritisaka u cjevovodnom sistemu, npr. za mjerenje protoka u parovodovima.

U prstenastom bubnju nalazi se zaporna tekućina. Tačka oslona se nalazi iznad težišta prstena kako je prikazano na slici 6. Ako na jednoj strani vlada pritisak, pomiče se tekućina i nastaje zakretni moment koji zakreće kazaljku instrumenta. Mjerena razlika tlaka je proporcionalna sinusu ugla zakreta kazaljke.

Mikromanometar (manometar s priklonjenom cijevi)

Manometar s priklonjenom cijevi služi za mjerenje vrlo malih pritisaka. Cijev je priklonjena pod uglom α prema horizontali. Otklon u koso položenoj cijevi biti će proporcionalno uvećan sinusu ugla nagiba cijevi. Kada nastupi p2 > p1 kapljevina daleko dopire u kosu cijev pa je već za male p, l veliko, ako je ugao priklona malen. Na sličan način kao i prije može se dokazati da je:

Da bi postigli što veće osjetljivosti potrebno je ugao priklona učiniti što manjim. Ako se želi čitati direktno na skali (l) uz zanemarivu pogrešku tada treba udovoljiti uvjet da je A2 >>A1. Za punjenje se obično uzima alkohol ili koja druga organska kapljevina. Prednost ove izvedbe pred izvedbama s okomitim cijevima je ta što je ovdje pomak veći nego što p pa se može koristiti duža skala. Ovakvi kapljevinski manometri s priklonjenom cijevi vrlo su prikladni i jednostavni. Ako se instrument izvede s promjenjivim nagibom cijevi i kučištem od kovine naziva se mikromanometar. Mikromanometri su danas u jako čestoj upotrebi.

Elektronski manometri

Ovi manometri koriste elektronske senzore pritiska. Najčešći tipovi ovih senzora su: piezootporni,

kapacitivni,

elektromagnetni i

piezoelektrični.

Sve vrste ovih manometara sadrže elastičnu membranu sa odgovarajućim elektronskim senzorom koji registruje deformaciju membrane pod dejstvom pritiska. U slučaju piezootpornog manometra to je tanka metalna žica, zalijepljena na membranu priključena na izvor napona. Usljed deformacije membrane dolazi do deformacije žice (izduženje ili skraćenja) usljed čega se mijenja njen električni otpor. Ako se žica priključi na električni izvor doći će do promjene napona na njenim krajevima ili inteziteta struje koja teče kroz žicu.

Kod kapacitivnog manometra membrana predstavlja jednu stranu kondenzatora, čiji se kapacitet mijenja sa pomjeranjem membrane. Elektromagnetni senzori rade na principu promjene induktivnosti kalema u čijem jezgru se nalazi feromagnet koji se pomjera pri deformaciji membrane.

Piezoelektrični senzori koriste osobine nekih materijala, npr. kristala, da generišu promjenu napona na svojim krajevima kada se izlože dejstvu sile odnosno pritiska. Sve vrste ovih senzora imaju malu vremensku konstantu odnosno relativno visokdinamički odziv, tako da su posebno pogodni za mjerenje dinamičkih pritisaka.Naročito visok odziv imaju piezoelektrični davači.

Mjerni opseg

Pritisak se mjeri u opsegu od 0 do 1010Pa. S obzirom na usvojene kategorije pritiska u tehničkoj praksi, pritisak se najčešće mjeri u četiri oblasti kako to prikazuje Slika 2:

1 - oblast niskog apsolutnog pritiska odnosno tehničkog vakuuma (10-10- 100 Pa)

2 - oblast barometarskog pritiska

3 - oblast malih diferencijalnih pritisaka u odnosu na atmosferski, potpritiska p-pa<0

natpritiska p-pa>0 u opsegu 0 - 2500 Pa

4 - oblast visokog relativnog pritiska (natpritiska) (0 -1010Pa)..[6]

Slika 7. Oblasti tehičkog mjerenja pritiska

· Vakuum je stanje u kome jepritisak nula, a isti naziv se koristi za

mjerenje niskih pritisaka manjih od 100 Pa.

· Apsolutni pritisak je pritisak koji izmjeri u odnosu na pritisak jednak nuli.

· Relativni pritisak je pritisak mjeren s obzirom na pritisak okoline.

· Nadpritisak je pritisak viši od pritiska okoline.

· Podpritisak je pritisak niži od pritiska okoline..[1]

Senzori pritiska

Mjerenje pritiska u većini slučaja svodi se na mjerenje pomaka osjetnog elementa (senzora). Uslijed razlike pritiska dolazi do pomaka osjetnog elementa (membrana, mijeh, spiralna cijev)

koji se može detektirati pretvornikom pomaka. Postoje i mjerni osjetnici pritiska kod kojih

se mjerenje svodi na mjerenje promjene napona na mjernom osjetniku ili

promjene jakosti električne struje uslijed promjene otpora koja nastaje kao posljedica

promjene naprezanja u osjetnom elementu. Takvi osjetnici su npr. tenzometarske trake i piezootpornici.

Slika 9) Prikaz tenzometarske trake

Senzori za industrijska mjerenja

Najvažnija osobina senzora koji treba da rade u industrijskim uslovima je stabilan i dugotrajan bezotkazni rad uređaja, bez nekog posebnog održavnja. Visoka klasa tačnosti u 90% slučajeva nije primarna, tj. 1% greške je sasvim dovoljno tačno. Od toga je značajnije da uređaj ne bude preskup. U industrijske svrhe se koriste nabrojani senzori. Pretvarači deformacija su:

1. Piezootporni senzori - pretvarač deformacija

2. Senzori u obliku metalnih traka - pretvarač deformacija

• metalne trake na foliji,

• metalne trake na tankom filmu,

• metalne trake na debelom filmu.

Pretvarači pomjeranja su:

1. Senzori na principu Holovog efekta, pretvarač pomjeranja

2. Kapacitivni senzori - pretvarač pomjeranja

3. Induktivni senzori - pretvarač pomjeranja

4. Potenciometarski senzori - pretvarač pomjeranja.

Ostali pretvarači:

1. Piezoelektrični senzori koji rade na principu piezoelektričniog efekta

2. Ostali principi

• Pirani vakuum mjerači

• Jonizacioni mjerači pritiska

• Frikcioni mjerači pritiska

• McLeodeovi kompresioni mjerači.

Izbor uređaja za mjerenje pritiska

Pri izboru mjerača pritiska treba voditi računa o:

· području primjene i konstrukcionoj varijanti mjerača

· mjernom opsegu i tipu izlaznog signala

· karakteristikama mjerača i dodatnoj opremi.[1]

Područje primjene i konstrukciona varijanta mjerača

Prvo je neophodno definisati uslove okruženja u kome se vrši mjerenje, jer oni u velikoj mjeri određuju varijantu mjerača koji će se primeniti. Najčešće se uslovi okruženja mogu svrstati u jednu od tri kategorije:

· normalno okruženje, što podrazumijeva neagresivne i neeksplozivne sredine, odnosno ambijent u kome radnici mogu boraviti bez dodatnih sredstava za zaštitu na radu

· agresivno okruženje, koje podrazumijeva opasne materije koje putem korozionog ili nekog drugog dejstva mogu štetno uticati na mjerač

· eksplozivno okruženje, koje zahteva posebne mjere zaštite[2]

Mjerni opseg i tip izlaznog signala

Pod mjernim opsegom ovdje podrazumijevamo raspon u kome će se kretati mjereni pritisak u normalnim uslovima. Pored toga potrebno je znati maksimalni i minimalni pritisak koji može da se javi, da li postoji mogućnost preopterećenja mjerača i kolika je kao i granice u kojima se mijenja temperatura okoline, što takođe može da utiče na tačnost mjerenja. Proizvođači nude više varijanti izlaznog signala mjerača, kao što suproporcionalni, strujni, naponski.

Karakteristike mjerača i dodatna oprema

Ova grupa parametara obuhvata:

· tehnologiju uređaja (induktivni, piezoelektrični, kapacitivni,piezorezistivni...)

· tip displeja (analogni, digitalni, grafički...)

· mogućnost kalibracije

· relejne i alarmne izlaze i temperaturnu kompenzaciju.

Literatura:

1.http://www.am.unze.ba/pdf/Skripta%20Metrologija.pdf

2. http://www.unidu.hr/datoteke/majelic/ABP-5.pdf

3. .http://ccd.uns.ac.rs/aus/autIND/sau_doc/Za%20sajt/07_Meraci_pritiska.pdf

4. https://www.ibej.ba/bs/proizvodi/mjerenje-pritiska/7

5. https://resources.saylor.org/wwwresources/archived/site/wp-content/uploads/2011/04/Pressure_measurement.pdf

6. http://wwwcourses.sens.buffalo.edu/mae334/notes/PressureMeasurement.pdf

7.http://www.rgcetpdy.ac.in/Notes/MECH/III%20YEAR/MECHANICAL%20MEASUREMENTS/Unit%203.pdf

8.https://chem.libretexts.org/Bookshelves/General_Chemistry/Book%3A_ChemPRIME_(Moore_et_al.)/09Gases/9.03%3A_Measurement_of_Pressure

10. https://www.merriam-webster.com/dictionary/manometer#h1