Měření tlaku

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na: Navigace, Hledání

V minulosti bylo vynalezeno a vyvinuto několik způsobů měření tlaku a vakua. Zařízení pro měření tlaku se mohou nazývat různými jmény, především je to manometr nebo vakuová měrka, dále to může být snímač tlaku, čidlo tlaku nebo také tlakový senzor.

Manometr může být také specifikován[kým?] jako analogový manometr nebo digitální manometr. Obecně jsou velmi univerzální díky své široké škále tlakových rozsahů.

Vakuová měrka se používá pro měření tlaku ve vakuu, které se dále dělí na několik podkategorií, viz níže.

Hrubé rozdělení velikostí tlaku[editovat | editovat zdroj]

  • dokonalé vakuum 0 Pa (absolutně prázdný prostor, je to spíše hypotetická situace)
  • extrémně vysoké vakuum < 10−10 Pa
  • ultravysoké vakuum 10−10 – 10−7 Pa
  • vysoké vakuum 10−7 – 10−2 Pa
  • nízké vakuum 10−1 – 102 Pa
  • normální atmosférický tlak u hladiny moře 1,01325 × 105 Pa
  • zvýšený tlak, do ~ 3 × 106 Pa[zdroj?]
  • vysoký tlak, do ~ 4 × 107 Pa[zdroj?]
  • velmi vysoký tlak, do ~ 5 × 108 Pa[zdroj?]
  • ultravysoký tlak, nad ~ 5 × 108 Pa

Absolutní tlak, relativní tlak a diferenční tlak[editovat | editovat zdroj]

Každé měření tlaku a to i například měření tlaku v pneumatikách, se vztahuje k nějakému referenčnímu tlaku. Většinou bývá měření vztaženo k tlaku fyzikální atmosféry, jindy to je měření vzhledem k ideálnímu vakuu nebo vůči jinému referenčnímu tlaku. Při měření tlaku tedy rozlišujeme následující pojmy:

  • Absolutní tlak je tlak měřený vůči ideálnímu vakuu, absolutní tlak je roven relativnímu tlaku plus atmosférický tlak.
  • Relativní tlak je tlak měřený vůči atmosférickému tlaku, takže je roven rozdílu absolutního tlaku a atmosférického tlaku.
  • Diferenční tlak je rozdíl tlaku mezi dvěma různými body.

Jednotky[editovat | editovat zdroj]

Pascal a jeho násobky a díly[editovat | editovat zdroj]

Hlavní jednotkou tlaku je v soustavě SI pascal, značka Pa. Odpovídá síle jednoho newtonu působící na plochu jednoho metru čtverečního. Pro mnoho oborů technické praxe ja pascal nevhodný kvůli své malé velikosti a poměrně těžké měřitelnosti. Používají se proto jeho násobky a díly:

Dekadické násobky
  • V technické praxi v oborech pracujících s tlaky řádově blízkými tlaku atmosférickému nebo vyššími (tlaková zařízení, hydrostatické tlaky ve větších hloubkách) se používají zejména násobky kilopascal (kPa, tj 103 Pa) a megapascal (MPa, tj. 106 Pa).
  • V oboru hlubinné geologie a geofyziky se používá také gigapascal (GPa, tj. 109 Pa).
  • Hektopascal (hPa, tj. 100 Pa) se ve větší míře používá pouze v meteorologii, kde nahradil tradiční, stejně velký milibar.
Dekadické díly
  • Ve vakuové technice se používají menší jednotky jako milipascal (mPa, tj. 10-3 Pa) a mikropascal (μPa, tj. 10-6 Pa).

Pascal (včetně jeho dekadických násobků a dílů je jedinou jednotkou plně podporovanou současnými českými i evropskými technickými normami. V jiných částech světa se lze setkat s mnoha dalšími jednotkami tlaku. I v Česku se v technické praxi tradičně používají mnohé další zastaralé jednotky nebo jednotky vycházející ze zahraničních měrových soustav. Některé z nich uvádí následující přehled:

Bar[editovat | editovat zdroj]

1 bar = 100 000 Pa. Bar je užíván pro svou názornost zejména v průmyslu neboť přibližně odpovídá starší jednotce tlaku jedné atmosféry. V meteorologii byla běžně používaná jednotka milibar (tisícina baru).

Technická atmosféra, kilopond na centimetr čtvereční, kilogram na centimetr čtvereční[editovat | editovat zdroj]

(Technická) atmosféra (značka at) je zastaralou jednotkou tlaku, nepatřící do soustavy jednotek SI.

1 at = kp/cm² = gn·kg/cm² = 98066 Pa.

Jiné názvy pro (technickou) atmosféru jsou "kg/cm²" či "kp/cm²". První název je z dnešního pohledu nejen zastaralý, ale i nesprávný, protože nerespektuje fyzikální rozměr, ve skutečnosti se myslí gn·kg/cm².

Fyzikální atmosféra, standardní atmosféra[editovat | editovat zdroj]

Fyzikální atmosféra neboli standardní atmosféra (značka atm) je zastaralá jednotka, která se rovná normálnímu barometrickému tlaku při hladině moře. Platí proto

1 atm = 101 325 Pa.

Milimetr vodního sloupce[editovat | editovat zdroj]

1 mmH2O = 9,8066 Pa. Tato jednotka je odvozena z praktické realizace měření velmi malých tlaků pomocí tzv. U trubic naplněných vodou. Používala se a doposud někdy používá zejména v oblasti vzduchotechniky nebo řízení spalovacích procesů. Vyskytuje se i zápis mm v.s. Můžeme se setkat také se stejně definovanou jednotkou, ale 1000× větší - mH2O.

Palec vodního sloupce[editovat | editovat zdroj]

1 inH2O = 1 inAq = 249,1 Pa. Obdoba předešlé jednotky, dodnes hojně používaná v angloamerických teritoriích.

Torr, milimetr rtuťového sloupce[editovat | editovat zdroj]

1 torr = 1 mmHg = 133,32 Pa. Zastaralá, nepovolená jednotka tlaku. Odvozena z fyzické realizace dnes již nepoužívaných rtuťových tlakoměrů. Nejčastěji se používala zejména v meteorologii, kde ji nahradila alespoň řádově podobná jednotka hPa (hektopascal). Jako torr se dodnes používá především v lékařství.

Palec rtuťového sloupce[editovat | editovat zdroj]

1 inHg = 3386,4 Pa. Obdoba předchozí jednotky, používaná v angloamerických teritoriích.

Libra na čtvereční palec[editovat | editovat zdroj]

1 psi = 6894,8 Pa ("pound per square inch"). Nejčastěji používaná jednotka pro měření tlaku v angloamerických teritoriích.

Pro vyjádření okolností se v praxi užívají následující varianty této jednotky:

  • psia ("pound per square inch absolute") udává tlak absolutní, tj. oproti vakuu;
  • psig ("pound per square inch gage") udává přetlak vzhledem k tlaku atmosférickému.

Libra na čtvereční stopu[editovat | editovat zdroj]

1 psf = 47,881 Pa ("pound per square foot"). Jednotka používaná zřídka pro měření malých tlaků v angloamerických teritoriích.

Zařízení[editovat | editovat zdroj]

Pro měření tlaku již bylo vynalezeno velké množství přístrojů, každý z nich má své výhody i nevýhody. Tlakový rozsah, přesnost, dynamická odezva atd. Nejstarším z nich je kapalinová trubice (vertikální trubice naplněná rtutí) byla vynalezena Evangelistou Torricellim v roce 1643. U-trubice byla vynalezena o 18 let později Christiaanem Huygensem.

Hydrostatický[editovat | editovat zdroj]

Hydrostatická měřidla ( jako například sloupcový rtuťový manometr) porovnávají tlak s hydrostatickou silu na jednotku plochy. Hydrostatická měřidla jsou nezávislá na druhu měřeného plynu a může být navržen tak, aby měl velmi lineární kalibraci. Tyto snímače mají špatnou dynamickou odezvu.

Pístový[editovat | editovat zdroj]

Pístová měřidla s protiváhou kapaliny a pružinou (například měřidla tlaku pneumatik s nízkou přesností).

U-manometr s kapalinovým sloupcem[editovat | editovat zdroj]

Jak už sám název napovídá, jedná se o průhlednou trubici (většinou skleněnou) zahnutou do tvaru písmene U. Manometr měří rozdíl tlaků ve dvou bodech, kdy jeden bod je připojen na referenční tlak (předem definovaný) a druhý bod je připojen na měřený tlak. Výhodou je poměrně vysoká přesnost (u mikromanometrů s laserovým odečtem) nevýhodou je malá rychlost měření, tedy dynamického tlaku. V ustáleném stavu je rozdíl mezi referenčním (nebo známým) tlakem p1 a měřeným (neznámým) tlakem p2 dán vztahem \Delta p = p2-p1 nebo \Delta p= h \rho g\,\! kde ρ je hustota manometrické kapaliny při teplotě měření, g je místní gravitační zrychlení a h je výškový rozdíl hladin v obou ramenech manometru.

Pro tlaky nižší než tlak atmosférický se často používá zkrácený rtuťový U-manometr. Rozdíl hladin v ramenech tohoto manometru nám přímo udává tlak vakua v připojeném systému jednotkách torr (mm Hg sloupce). Pro velmi přesná měření jsou k dispozici mikromanometry s laserovým odečtem hladiny rtuti a ty jsou schopny měřit změny tlaků 0,05 Pa.

McLeodův kompresní manometr[editovat | editovat zdroj]

McLeodův kompresní manometr pracuje tak že nad rtuťovým uzávěrem je uzavřeno definované množství plynu, který je stlačován (expandován) hydrostatickým tlakem rtuťového sloupce a tlakem v měřeném prostoru. Princip tohoto manometru je založen Boylově zákonu a slouží jako tlakový (vakuový) standard pro rozsahy od 10-4 Pa do 103 Pa s kalibrační nejistotou 0,5% pro tlaky vyšší než 10-1 Pa a kolem 3% při tlacích nižších než 10-2 Pa.

Aneroid[editovat | editovat zdroj]

Podrobnější informace naleznete v článku Aneroid.

Aneroid je přístroj k měření atmosférického tlaku (tlaku vzduchu), na rozdíl od barografu ukazuje současný stav tlaku. Práce s aneroidem byla oproti práci se rtuťovým tlakoměrem podstatně jednodušší, protože přístroj je menší, uzavřený (nehrozí únik rtuti) a odolnější (nehrozí rozbití skleněných částí).

Manometr s Bourdonovou trubicí[editovat | editovat zdroj]

Manometr s Bourdonovou trubicí

Jedná se o mechanický převodník tlaku, který převádí tlakovou energii na výchylku měřícího zařízení. Výhodou těchto manometrů je poměrně široký rozsah měřených tlaků, od 0 do cca 2000 MPa. Je určen především pro měření tlaku vzduchu (při měření tlaku vodních par je nutné jej připojit přes tzv. kondenzační smyčku)

Boudonův manometr využívá principu sploštělé trubičky zahnuté do kruhového tvaru, která se při připojení tlaku snaží narovnat a naopak při odpojení tlaku se vrací do kruhového tvaru. Ačkoli tato změna je prakticky neznatelná, postačuje k převodu tlakové síly na výchylku ukazatele manometru. Napětí této Boudonovy trubice se někdy zvětšuje sploštěním do tvaru písmene C nebo stočením trubice do tvaru šroubovice.

V praxi je sploštělá tenkostěnná trubice připojena na zdroj tlaku měřeného média. Druhý, uzavřený, konec se při rostoucím tlaku pohybuje do oblouku a tím se pomocí malé převodovky rozpohybuje ukazatel do rotačního pohybu. Tento mezičlen, převodovka je většinou nastavitelná. Prostor ke kalibraci poskytuje umístění počátku (nulového tlaku) a umístění číselníku.

Na následujícím obrázku je zobrazen manometr s kombinovaným ciferníkem pro měření přetlaku a podtlaku.

Přední část s ukazatelem a ciferníkem
Mechanická část s Bourdonovou trubicí
Mechanické detaily[editovat | editovat zdroj]
Detail mechanických dílů

Pevné součásti:

  • A: Vstupní blok. Spojuje přívodní trubku k pevnému konci Bourdonovy trubice (1) a zajišťuje desku šasi (B). Dva otvory jsou určeny pro přišroubování pouzdra.
  • B: Deska šasi. Slouží k připojení ciferníku, součástí jsou také díry pro osky ostatních součástí.
  • C: Druhá deska šasi. Zajišťuje druhé konce osek.
  • D: Distance spojující a vymezující vzdálenost mezi oběma deskami šasi.

Pohyblivé části:

  1. Pevný konec Bourdonovy trubice, který je propojen s přívodní trubkou přes vstupní blok.
  2. Pohyblivý konec Bourdonovy trubice. Tento konec je zatěsněn.
  3. Čep
  4. Díl spojující čep s pákou (5) oba díly umožňují rotaci.
  5. Páka, která je prodloužením úhlového převodu (7)
  6. Čep úhlového převodu.
  7. Úhlový převod.
  8. Osa ukazatele. Má ozubené kolo, které zapadá do úhlového převodu (7) a prochází ciferníkem kde je na ni připojen ukazatel. Vzhledem k malé vzdálenosti mezi pákou a čepem a rozdílu mezi efektivní poloměrem úhlového převodu a ozubeného kola na ose ukazatele, je každý pohyb Bourdonovy trubice velmi zesílen. I malý pohyb trubice má za následek značný pohyb ukazatele.
  9. Vlasová pružina zajišťující předpětí úhlového převodu. Eliminuje kmitání a určuje hysterezi.

Aplikace[editovat | editovat zdroj]

Lékařské tlakoměry (tonometry, sphygmomanometry)[editovat | editovat zdroj]

Podrobnější informace naleznete v článku Měření krevního tlaku.

Měření průtoku, měření rychlosti těles pohybujících se v tekutinách[editovat | editovat zdroj]

K měření průtoku tekutiny nebo rychlosti těles pohybujících se v tekutinách se užívá rozdílů v dynamickém tlaku při obtékání zúženého místa potrubí (sondy) nebo letícího tělesa. Typickým zařízením pro taková tlaková měření je Pitotova trubice, nebo její modifikace - Prandtlova sonda.

Podrobnější informace naleznete v článku Pitotova trubice.

Měření výšky[editovat | editovat zdroj]

Změny atmosférického tlaku s výškou se využívá při měření výšky pomocí barometru, v tomto případě zvaném výškoměr.

Technické normy pro měřidla tlaku[editovat | editovat zdroj]

Evropské normy (CEN)
  • EN 472 : Měřidla tlaku. Terminologie
  • EN 837-1 : Měřidla tlaku - Část 1: Tlakoměry s pružnou trubicí - Rozměry, metrologie, požadavky a zkoušení.
  • EN 837-2 : Měřidla tlaku - Část 2: Doporučení pro volbu a instalaci tlakoměrů
  • EN 837-3 : Měřidla tlaku - Část 3: Membránové a krabicové tlakoměry - Rozměry, metrologie, požadavky a zkoušení
Americké normy (ASME)
  • B40.100-2005: Tlakové snímače a připojení měřidel
  • PTC 19.2-2010 : Předpis prováděcího testu pro měření tlaku.

Reference[editovat | editovat zdroj]


Externí odkazy[editovat | editovat zdroj]