Méréstechnika - Nyomásmérés alapok

Az előző szakmai tudásbázis cikkünkben az alapfogalmakkal ismerkedtünk meg. A jelenlegi szakanyagban a nyomásmérés alapjait ismertetjük.

A nyomásmérés a méréstechnológiában az egyik legalapvetőbb mérés. A nyomás méréssel képesek vagyunk egy tartály nyomásának mérésére, vagy a hidrosztatikai nyomásból akár a tartályban lévő folyékony anyag magasságának a mérésére is. Nézzük hát a fizikai alapelveket.

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:

• a nyomással egyensúlyt tartó folyadékoszlop magasságából a hidrosztatika törvénye alapján,
• 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 így a "túlnyomás". Vagyis lefordítva, a légköri nyomáshoz mérjük a nyomás értékét.

Ismétlésként:

1 bar = ~100 kilopascal nyomásnak felel meg, és megközelítőleg egyenlő a Földön a tengerszinten mérhető atmoszferikus nyomással.

Az abszolút vákuumhoz képest mért nyomást "abszolút nyomásnak" hívjuk. Minden esetben fontos tudni a nyomás értékről, hogy abszolút, vagy túlnyomás.

1. Az abszolút vákuum a lehetséges legkisebb nyomás, ezért az abszolút nyomás mindig pozitív.
2. A túlnyomás lehet negatív is, ha az atmoszféra alatti a nyomás, ezt vákuumnak is hívják.
3. Az atmoszférikus nyomás változik a hely az idő és az időjárási viszonyok függvényében, nem egy állandó érték.
4. Az atmoszférikus nyomás értéke a földfelszín közelében 95 kPa (abs) és 105 kPa (abs) között változik. A normál atmoszférikus nyomás 101.3 kPa (abs).

  A Nyomás mérése:

A nyomás egyenesen arányos a nyomóerővel, és fordítottan arányos a nyomott felülettel. Ezen az elv alapján a nyomás mérését a történelem során legelőször a higanyos barométerrel mérték.

A fizikai alapelv a következő:

Súlyánál fogva a légkör a benne levő testekre nyomást fejt ki. Amennyiben ez igaz, úgy egy olyan eszközben amelyben a légköri nyomást egy referencia értékhez mérjük, úgy az eltolódás alapján a légköri nyomást megmérhetjük.

A légnyomást a higanyos barométerrel 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

A vérnyomást a mai napig is "torr"-ban adják meg, pl.: 120/80 torr valakinek a vérnyomása.

A fenti elvek az alapja a méréstechnológiának.

A következő mérési eszközök lehetségesek (deformáció elvén működő):

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.

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. Ha egy zárt tartályba levegőt juttatunk a tartály falára a levegő nyomást gyakorol. Ezt a nyomást statikus nyomásnak hívjuk, ami nem egyéb, mint a falakra gyakorolt belső feszítő erő.

Bourdon-csöves nyomásmérő

A legelterjedtebb nyomásmérő műszer a Bourdon-csöves nyomásmérő. Nevét Eugéne Bourdon (1808-1884) francia mechanikusról, feltalálójáról kapta. A körívre, vagyspirálra 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.

 Nyomás-távadók

Az elektronikus nyomásmérőknél a nagy kihívás, hogy a fizikai nyomás értékét, hogyan lehet elektromos jellé átalakítani. A legegyszerűbb elv, ha 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 null hibáját, karakterisztikájának linearitását. Ezen kívül van piezoelektromos elven (nyúlásmérő bélyeg), mágneses elven működő nyomásmérő eszközök is.