Misurazione della pressione

Sono stati inventati molti strumenti per misurare la pressione, con diversi vantaggi e svantaggi. Lintervallo di pressione, la sensibilità, la risposta dinamica e il costo variano di diversi ordini di grandezza da un progetto di strumento allaltro. Il tipo più antico è il manometro a colonna di liquido (un tubo verticale riempito di mercurio) inventato da Evangelista Torricelli nel 1643. Il tubo a U fu inventato da Christiaan Huygens nel 1661.

HydrostaticEdit

Gli indicatori idrostatici (come il manometro a colonna di mercurio) confrontano la pressione con la forza idrostatica per unità di area alla base di una colonna di fluido. Le misurazioni idrostatiche del manometro sono indipendenti dal tipo di gas misurato e possono essere progettate per avere una calibrazione molto lineare. Hanno una scarsa risposta dinamica.

PistonEdit

Gli indicatori a pistone controbilanciano la pressione di un fluido con una molla (ad esempio, manometri per pneumatici di precisione relativamente bassa) o un peso solido , nel qual caso è noto come tester del peso morto e può essere utilizzato per la calibrazione di altri misuratori.

Colonna del liquido (manometro) Modifica

I misuratori della colonna del liquido sono costituiti da una colonna di liquido in un tubo le cui estremità sono esposte a pressioni differenti. La colonna salirà o scenderà fino a quando il suo peso (una forza applicata a causa della gravità) sarà in equilibrio con il differenziale di pressione tra le due estremità del tubo (una forza applicata a causa della pressione del fluido). Una versione molto semplice è un tubo a forma di U mezzo pieno di liquido, un lato del quale è collegato alla regione di interesse mentre la pressione di riferimento (che potrebbe essere la pressione atmosferica o un vuoto) viene applicata sullaltro. La differenza nei livelli del liquido rappresenta la pressione applicata. La pressione esercitata da una colonna di fluido di altezza he densità ρ è data dallequazione della pressione idrostatica, P = hgρ. Pertanto, la differenza di pressione tra la pressione applicata Pa e la pressione di riferimento P0 in un manometro a tubo a U può essere trovata risolvendo Pa – P0 = hgρ. In altre parole, la pressione su entrambe le estremità del liquido (mostrata in blu nella figura) deve essere bilanciata (poiché il liquido è statico), quindi Pa = P0 + hgρ.

Nella maggior parte dei liquidi- misurazioni della colonna, il risultato della misurazione è laltezza h, espressa tipicamente in mm, cm o pollici. La h è anche conosciuta come la testa di pressione. Quando espressa come prevalenza, la pressione è specificata in unità di lunghezza e il fluido di misurazione deve essere specificato. Quando la precisione è critica, è necessario specificare anche la temperatura del fluido di misura, poiché la densità del liquido è una funzione della temperatura. Quindi, per esempio, la prevalenza potrebbe essere scritta “742,2 mmHg” o “4,2 inH2O a 59 ° F” per le misurazioni effettuate con mercurio o acqua come fluido manometrico rispettivamente. La parola “manometro” o “vuoto” può essere aggiunta a tale misurazione per distinguere tra una pressione al di sopra o al di sotto della pressione atmosferica. Sia i mm di mercurio che i pollici di acqua sono prevalenze comuni, che possono essere convertite in unità SI di pressione utilizzando la conversione di unità e le formule di cui sopra.

Se il fluido misurato è significativamente denso, possono essere apportate correzioni idrostatiche da effettuare per laltezza tra la superficie mobile del fluido di lavoro del manometro e la posizione in cui si desidera la misurazione della pressione, tranne quando si misura la pressione differenziale di un fluido (ad esempio, attraverso un orifizio o un venturi), nel qual caso la densità ρ deve essere corretto sottraendo la densità del fluido misurato.

Sebbene sia possibile utilizzare qualsiasi fluido, il mercurio è preferito per la sua alta densità (13,534 g / cm3) e la bassa pressione di vapore. Il suo menisco convesso è vantaggioso poiché ciò significa che non ci saranno errori di pressione nel bagnare il vetro, anche se in circostanze eccezionalmente pulite, il mercurio si attaccherà al vetro e il barometro potrebbe bloccarsi (il mercurio può sostenere una pressione assoluta negativa) anche sotto un forte vuoto. Per basse differenze di pressione vengono comunemente usati olio leggero o acqua (questultima dà luogo a unità di misura come pollici acqua e millimetri H2O). I manometri a colonna di liquido hanno una calibrazione altamente lineare. Hanno una scarsa risposta dinamica perché il fluido nella colonna può reagire lentamente a un cambiamento di pressione.

Quando si misura il vuoto, il liquido di lavoro può evaporare e contaminare il vuoto se la sua pressione di vapore è troppo alta. Quando si misura la pressione del liquido, un circuito riempito di gas o un fluido leggero può isolare i liquidi per evitare che si mescolino, ma questo può non essere necessario, ad esempio, quando il mercurio viene utilizzato come fluido del manometro per misurare la pressione differenziale di un fluido acqua. I semplici manometri idrostatici possono misurare pressioni che vanno da pochi torr (pochi 100 Pa) a poche atmosfere (circa 1000000 Pa).

Un manometro a colonna di liquido a ramo singolo ha un serbatoio più grande invece di un lato del tubo a U e ha una scala accanto alla colonna più stretta. La colonna può essere inclinata per amplificare ulteriormente il movimento del liquido. In base alluso e alla struttura, vengono utilizzati i seguenti tipi di manometri

1. Manometro semplice
2. Micromomanometro
3. Manometro differenziale
4. Invertito manometro differenziale

McLeod gaugeEdit

Un manometro McLeod isola un campione di gas e lo comprime in un manometro a mercurio modificato fino a quando la pressione è di pochi millimetri di mercurio. La tecnica è molto lenta e inadatta al monitoraggio continuo, ma è capace di una buona precisione. A differenza di altri manometri, la lettura del manometro McLeod dipende dalla composizione del gas, poiché linterpretazione si basa sulla compressione del campione come gas ideale. A causa del processo di compressione, il misuratore McLeod ignora completamente le pressioni parziali dei vapori non ideali che condensano, come oli della pompa, mercurio e persino acqua se sufficientemente compressi.

Intervallo utile: da circa 10-4 Torr (approssimativamente 10−2 Pa) a vuoti fino a 10−6 Torr (0,1 mPa),

0,1 mPa è la misurazione diretta più bassa possibile con la tecnologia attuale. Altri vacuometri possono misurare pressioni inferiori, ma solo indirettamente misurando altre proprietà dipendenti dalla pressione. Queste misurazioni indirette devono essere calibrate sulle unità SI mediante una misurazione diretta, più comunemente un manometro McLeod.

AneroidEdit

I manometri aneroidi si basano su un elemento metallico di rilevamento della pressione che si flette elasticamente sotto leffetto di una differenza di pressione attraverso lelemento. “Aneroide” significa “senza fluido” e il termine originariamente distingueva questi indicatori dagli indicatori idrostatici descritti sopra. Tuttavia, i manometri aneroidi possono essere utilizzati per misurare la pressione di un liquido e di un gas e non sono lunico tipo di manometro che può funzionare senza fluido. Per questo motivo, sono spesso chiamati indicatori meccanici nel linguaggio moderno. I misuratori aneroidi non dipendono dal tipo di gas misurato, a differenza dei misuratori termici e di ionizzazione, e hanno meno probabilità di contaminare il sistema rispetto ai misuratori idrostatici. Lelemento di rilevamento della pressione può essere un tubo Bourdon, un diaframma, una capsula o una serie di soffietti, che cambieranno forma in risposta alla pressione della regione in questione. La deflessione dellelemento di rilevamento della pressione può essere letta da un collegamento collegato a un ago, oppure può essere letta da un trasduttore secondario. I trasduttori secondari più comuni nei moderni vacuometri misurano una variazione di capacità dovuta alla deflessione meccanica. Gli indicatori che si basano su una variazione di capacità sono spesso indicati come manometri di capacità.

Indicatore BourdonEdit

Il manometro Bourdon utilizza il principio per cui un tubo appiattito tende a raddrizzarsi o riacquistare la sua forma circolare in sezione trasversale quando pressurizzato. Questo cambiamento nella sezione trasversale può essere appena percettibile, comportando sollecitazioni moderate allinterno della gamma elastica dei materiali facilmente lavorabili. La deformazione del materiale del tubo viene amplificata formando il tubo in una forma a C o anche unelica, in modo tale che lintero tubo tende a raddrizzarsi o srotolarsi elasticamente quando viene pressurizzato. Eugène Bourdon brevettò il suo calibro in Francia nel 1849 e fu ampiamente adottato per la sua sensibilità, linearità e accuratezza superiori; Edward Ashcroft acquistò i diritti di brevetto americano di Bourdon nel 1852 e divenne un importante produttore di manometri. Sempre nel 1849, Bernard Schaeffer a Magdeburgo, in Germania, brevettò un manometro a membrana (vedi sotto) di successo, che, insieme al manometro Bourdon, rivoluzionò la pressione misura nellindustria. Ma nel 1875, dopo la scadenza dei brevetti di Bourdon, la sua società Schaeffer e Budenberg producevano anche misuratori a tubo Bourdon.

In pratica, un il tubo è collegato allestremità cava ad un tubo fisso contenente la pressione del fluido da misurare. Allaumentare della pressione, lestremità chiusa si muove in un arco e questo movimento viene convertito nella rotazione di un (segmento di a) ingranaggio da un collegamento che è solitamente regolabile. Un pignone di piccolo diametro è sullalbero dellindice, quindi il movimento è ulteriormente amplificato dal rapporto di trasmissione. Il posizionamento della scheda indicatore dietro lindice, la posizione iniziale dellalbero dellindicatore, la lunghezza del leveraggio e la posizione iniziale, forniscono tutti mezzi per calibrare lindice per indicare il campo di pressione desiderato per le variazioni nel comportamento della molla Bourdon stessa.La pressione differenziale può essere misurata da manometri contenenti due diversi tubi Bourdon, con tiranti di collegamento.

I tubi Bourdon misurano la pressione relativa, relativa alla pressione atmosferica ambiente, rispetto alla pressione assoluta; il vuoto viene percepito come un movimento inverso. Alcuni barometri aneroidi utilizzano tubi Bourdon chiusi ad entrambe le estremità (ma la maggior parte utilizza diaframmi o capsule, vedi sotto). Quando la pressione misurata pulsa rapidamente, come quando il manometro è vicino a una pompa alternativa, viene spesso utilizzata una restrizione dellorifizio nel tubo di collegamento per evitare unusura non necessaria degli ingranaggi e fornire una lettura media; quando lintero calibro è soggetto a vibrazioni meccaniche, lintera cassa, compreso il puntatore e la scheda dellindicatore, può essere riempita con un olio o glicerina. Si sconsiglia di picchiettare sulla faccia dellindicatore in quanto tenderà a falsificare le letture effettive inizialmente presentate dallindicatore. Il tubo Bourdon è separato dalla superficie del manometro e quindi non ha alcun effetto sulla lettura effettiva della pressione. I tipici misuratori moderni di alta qualità forniscono una precisione del ± 2% dello span e uno speciale indicatore di alta precisione può essere accurato fino allo 0,1% del fondo scala.

I sensori a tubo bourdon al quarzo fuso con bilanciamento della forza funzionano secondo lo stesso principio ma utilizza il riflesso di un raggio di luce proveniente da uno specchio per rilevare lo spostamento angolare e la corrente viene applicata agli elettromagneti per bilanciare la forza del tubo e riportare a zero lo spostamento angolare, la corrente che viene applicata al bobine viene utilizzato come misura. A causa delle proprietà meccaniche e termiche estremamente stabili e ripetibili del quarzo e del bilanciamento della forza che elimina quasi tutti i movimenti fisici, questi sensori possono essere precisi fino a circa 1 PPM del fondo scala. A causa delle strutture in quarzo fuse estremamente sottili che devono essere realizzate a mano, questi sensori sono generalmente limitati a scopi scientifici e di calibrazione.

Nelle seguenti illustrazioni è stata mostrata la parte frontale trasparente della combinazione rappresentata di pressione e vacuometro. rimosso e il meccanismo rimosso dalla custodia. Questo particolare manometro è una combinazione di vacuometro e manometro utilizzato per la diagnosi automobilistica:

• Il lato sinistro della faccia, utilizzato per misurare il vuoto del collettore, è calibrato in centimetri di mercurio sulla sua scala interna e pollici di mercurio sulla sua scala esterna.
• la parte destra della faccia viene utilizzata per misurare la pressione della pompa del carburante o il turbo boost ed è calibrata in frazioni di 1 kgf / cm2 sulla scala interna e libbre per pollice quadrato sulla scala esterna.

Dettagli meccaniciModifica

Parti fisse:

• A: Blocco ricevitore. Questo unisce il tubo di ingresso allestremità fissa del tubo Bourdon (1) e fissa la piastra del telaio (B). I due fori ricevono le viti che fissano la custodia.
• B: piastra del telaio. La carta della figura è allegata a questo. Contiene i fori dei cuscinetti per gli assi.
• C: Piastra del telaio secondario. Supporta le estremità esterne degli assi.
• D: montanti per unire e distanziare le due piastre del telaio.

Parti mobili:

1. Estremità fissa del tubo Bourdon. Questo comunica con il tubo di ingresso attraverso il blocco ricevitore.
2. Estremità mobile del tubo Bourdon. Questa estremità è sigillata.
3. Perno e perno di articolazione
4. Collegare il perno di articolazione alla leva (5) con perni per consentire la rotazione del giunto
5. Leva, unestensione di lingranaggio del settore (7)
6. Perno dellasse dellingranaggio del settore
7. Ingranaggio del settore
8. Asse dellago dellindicatore. Questo ha un ingranaggio cilindrico che impegna lingranaggio del settore (7) e si estende attraverso la faccia per guidare lago dellindicatore. A causa della breve distanza tra la borchia di collegamento del braccio della leva e il perno di articolazione e la differenza tra il raggio effettivo dellingranaggio del settore e quello dellingranaggio cilindrico, qualsiasi movimento del tubo Bourdon è notevolmente amplificato. Un piccolo movimento del tubo si traduce in un ampio movimento dellago dellindicatore.
9. Molla a spirale per precaricare il treno di ingranaggi per eliminare il gioco del cambio e listeresi

DiaphragmEdit

Un secondo tipo di misuratore aneroide utilizza la deflessione di una membrana flessibile che separa le regioni di pressione diversa. La quantità di deflessione è ripetibile per pressioni note, quindi la pressione può essere determinata utilizzando la calibrazione. La deformazione di un diaframma sottile dipende dalla differenza di pressione tra le sue due facce. La faccia di riferimento può essere aperta allatmosfera per misurare la pressione relativa, aperta a una seconda porta per misurare la pressione differenziale, oppure può essere sigillata contro un vuoto o unaltra pressione di riferimento fissa per misurare la pressione assoluta. La deformazione può essere misurata utilizzando tecniche meccaniche, ottiche o capacitive.Vengono utilizzati diaframmi in ceramica e metallo.

Intervallo utile: superiore a 10-2 Torr (circa 1 Pa)

Per le misurazioni assolute, vengono spesso utilizzate capsule a pressione saldate con diaframmi su entrambi i lati.

forma:

• Piatto
• Corrugato
• Tubo appiattito
• Capsula

SoffiettoEdit

In manometri destinati a rilevare piccole pressioni o differenze di pressione, o richiedere la misurazione di una pressione assoluta, il treno di ingranaggi e lago possono essere azionati da una camera a soffietto chiusa e sigillata, chiamata aneroide, che significa “senza liquido”. (I primi barometri utilizzavano una colonna di liquido come lacqua o il mercurio metallico liquido sospeso dal vuoto.) Questa configurazione a soffietto viene utilizzata nei barometri aneroidi (barometri con ago indicante e quadrante), altimetri, barografi di registrazione dellaltitudine e altitudine strumenti di telemetria utilizzati nelle radiosonde meteorologiche. Questi dispositivi utilizzano la camera stagna come pressione di riferimento e sono azionati dalla pressione esterna. Altri strumenti sensibili del velivolo come gli indicatori di velocità dellaria e gli indicatori di velocità di salita (variometri) hanno connessioni sia alla parte interna della camera aneroide che a una camera di chiusura esterna.

Accoppiamento magneticoModifica

Questi indicatori utilizzano lattrazione di due magneti per tradurre la pressione differenziale in movimento di un indicatore a quadrante. Allaumentare della pressione differenziale, si sposta un magnete collegato a un pistone o a un diaframma in gomma. Un magnete rotante fissato a un puntatore si muove quindi allunisono. Per creare diversi intervalli di pressione, la rigidità della molla può essere aumentata o diminuita.

Indicatore del rotore di filatura Modifica

Lindicatore del rotore di filatura funziona misurando la quantità di rallentamento di una palla rotante dal viscosità del gas misurato. La sfera è in acciaio e viene fatta levitare magneticamente allinterno di un tubo dacciaio chiuso ad unestremità ed esposta al gas da misurare dallaltra. La pallina viene portata a velocità (circa 2500 rad / s), e la velocità misurata dopo lo spegnimento del drive, da trasduttori elettromagnetici. La gamma dello strumento è compresa tra 10-5 e 102 Pa (103 Pa con minore precisione). È sufficientemente preciso e stabile da poter essere utilizzato come standard secondario. Lo strumento richiede alcune abilità e conoscenze per essere utilizzato correttamente. Devono essere applicate varie correzioni e la palla deve essere fatta girare a una pressione ben al di sotto della pressione di misurazione prevista per cinque ore prima delluso. È particolarmente utile nei laboratori di calibrazione e ricerca in cui è richiesta unelevata precisione e sono disponibili tecnici qualificati.