Nyomásmérés és nyomásmérő eszközök

Alapok A nyomásmérés az áramlástanban éppolyan alapvető fontosságú, mint az elektromosságtanban a feszültség és az áramerősség mérése. A legtöbb esetben nem abszolút nyomásértéket (vákuumtól számított értéket), hanem nyomáskülönbséget mérünk. A nyomáskülönbség mérésére a következő két legfontosabb alapelvet használjuk: 1. a nyomással egyensúlyt tartó folyadékoszlop magasságából a hidrosztatika törvénye alapján, 2. a nyomás hatására alakját rugalmasan változtató szilárd test alakváltozásának méréséből határozzuk meg a nyomás nagyságát.

Abszolút- és túlnyomás fogalma Ha számolunk, vagy mérünk nyomás értékekkel, akkor tudnunk kell, hogy a számításban, vagy a méréskor mi volt a nyomás referencia értéke. Legtöbb esetben a referencia nyomás az atmoszférikus nyomás és a mért vagy számított nyomás értéke "túlnyomás". Az abszolút vákuumhoz képest mért nyomást "abszolút nyomásnak" hívjuk. Minden esetben fontos tudni a nyomás értékről, hogy abszolút, vagy túlnyomás. A kétféle nyomás között a következő egyszerű kapcsolat áll fenn: pabs=ptúl+patm Az abszolút vákuum a lehetséges legkisebb nyomás, ezért az abszolút nyomás mindig pozitív. A túlnyomás lehet negatív is, ha az atmoszféra alatti a nyomás, ezt vákuumnak is hívják. Az atmoszférikus nyomás változik a hely az idő és az időjárási viszonyok függvényében, nem egy állandó érték. Az atmoszférikus nyomás értéke a földfelszín közelében 95 kPa (abs) és 105 kPa (abs) között változik. A normál atmoszférikus nyomás 101.3 kPa (abs).

Higanyos barométer Súlyánál fogva a légkör a benne levő testekre nyomást fejt ki. A légköri nyomás mérésére a legegyszerűbb eszköz a higanyos barométer. A légnyomást ezzel az eszközzel először Evangelist Torricelli (1608-47) olasz fizikus mérte meg 1643-ban. Kb. 1m hosszú, egyik végén zárt üvegcsövet színültig töltünk higannyal, majd a cső végét befogva, lefelé fordítva, higanyt tartalmazó edénybe állítjuk. Ha a befogott véget szabaddá tesszük, a higany csak részben folyik ki. A higany a csőben kb. 760 mm-el magasabban áll meg, mint a külső edényben lévő higany felszíne, ha a kísérletet a tenger szintjének közelében végezzük el. A tenger szintjén a normál légköri nyomás p0 = 101 350 Pa, ρHg = 13 600 kg/m3 és g = 9,81 m/s2, így a barométerben a higanyszál magassága h = 0,76 m = 760 mm. Egy vizes manométer 10,35 m-t mutatna. Azért használnak higanyt, mert ez a legnagyobb sűrűségű folyadék. A nyomás egységeként a "torr" is használatos Torricelli emlékére, bár az SI mértékrendszernek ez nem alapegysége. 1 torr = 1 Hgmm = 9,81 . 13,6 = 133,4 Pa vérnyomást a mai napig is "torr"-ban adják meg, pl.: 120/80 torr valakinek a vérnyomása.

U-cső, mint manométer A legegyszerűbb folyadékoszlopos nyomásmérő eszköz az U-cső. Működése a hidrosztatikai egyensúly elvén alapszik. A gyakorlatban kétféle kialakításával találkozhatunk. A gyakrabban használt változatnál mindkét szár nyitott. A másik változatnál csak az egyik szár nyitott .

Az U-cső nyomásegyensúlya Első lépésként a vonatkoztatási szintet kell felvennünk (0-szint). A folyadékok határfelületein keresztül nem szabad a hidrosztatika alapegyenletét alkalmazni, hiszen akkor a sűrűség ugrásszerűen megváltozik, tehát nem állandó. A határfelületeken segédpontokat kell felvenni, ahol a nyomások azonosságát kell feltételezni. Az U-cső nyomásegyensúlya miatt a bal- és jobboldali ágában a nyomások azonosak: pb=pJ p0+ρvízgh1=pl+ρHggh2 A levegő nyomása a jobboldali zárt ágban: pl=p0+ρvízgh1-ρHggh2 Ahol a p0 a légköri nyomás aminek közepes értéke 105 Pa

Mikromanométerek A mikromanométerek az "U"- cső elvén, a leolvasási hossz növelése útján, pl. a ferdecsöves, vagy görbecsöves mikromanométerek segítségével oldják meg a nyomásmérés pontosságának növelését. Az ábra a ferdecsöves mikromanométer elvi vázlatát mutatja. Adott p1 - p2 nyomáskülönbség esetén az "α" szög változtatásával a leolvasási hossz növelhető és ezen keresztül a nyomásmérés pontossága is fokozható. A leolvasás pontosságát optikai eszközökkel lehet növelni. A mikromanométereket elsősorban légtechnikai mérésekhez használjuk.

Bourdon-csöves nyomásmérő Talán a legelterjedtebb nyomásmérő műszer a Bourdon-csöves nyomásmérő . Nevét Eugéne Bourdon (1808-1884) francia mechanikusról, feltalálójáról kapta. A körívre, vagy spirálra hajlított cső egyik végét beforrasztják, vagy fémkupakkal lezárják, és egy mutatóhoz csatlakoztatják. A másik vége kapcsolódik a nyomásmérési helyhez. A cső belsejébe jutó nyomás kiegyenesíteni igyekszik a csövet. A cső szabad végét egy szerkezet felnagyítva juttatja a mutatóhoz, amelyet elmozdít. A mutató alatti skálát megfelelően kalibrálják. A műszer széleskörű elterjedését egyszerű szerkezete és könnyű kezelhetősége magyarázza.

Egyéb nyomásmérő eszközök-nyomástávadók Az elektromos kimenetet adó eszközök elterjedése egyre szélesebb körben jelentkezik az ipari, laboratóriumi felhasználásban. Ennek oka a számítógépes adatfeldolgozás, irányítás és vezérlés rohamos terjedése. Az elektromos kimeneti jellel rendelkező nyomásmérő eszközök különböző elven működhetnek. Az egyik fajtájuk az, amelynél a folyadékos mikromanométerek folyadék-szint érzékelését elektromos jellé alakítják, és ezt lehet azután megfelelő átalakítással felhasználni. Az elektronikus nyomásmérők egy további csoportja az, amelynél a nyomás hatására egy rugalmas elem deformálódik és a létrejött deformáció érzékelésével kapott elektromos feszültség, vagy áram szolgál kimenőjelként. Leggyakrabban deformálódó elemnek membránt használnak kis nyomások érzékelésére. A membrán anyagától, geometriai méreteitől függ a nyomásmérő érzékenysége, pontossága. A membrán anyaga nagyban befolyásolja a mérés pontosságát, a nyomásmérő nullhibáját, karakterisztikájának linearitását. Léteznek még piezoelektromos elven, mágneses elven működő nyomásmérő eszközök is.