Měření tlaku

V minulosti bylo vynalezeno a vyvinuto několik způsobů měření tlaku a vakua.

Zařízení pro měření tlaku se mohou nazývat různě. Především jsou to manometry a vakuové měrky, jsou však vyráběny i jinak nazývané snímače tlaku (čidla tlaku, tlakové senzory).

Manometry mohou být založeny na různých technických principech, mohou měřit přetlak nebo absolutní tlak. Existují v široké škále tlakových rozsahů. Podle ukazatelů mohou být rozděleny na analogové nebo digitální.

Vakuová měrka se používá pro měření tlaku ve vakuu (tedy tlaku podstatně nižšího než normální atmosférický).

Hrubé rozdělení velikostí tlaku

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

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

Pascal a jeho násobky a díly

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

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

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

1 at = kp/cm² = g_n·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 g_n·kg/cm².

Fyzikální atmosféra, standardní atmosféra

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

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

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

Torr, milimetr rtuťového sloupce

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

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

Libra na čtvereční palec

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

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

Zařízení

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

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

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

U-manometr s kapalinovým sloupcem

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

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

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

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.

the left side of the face, used for measuring manifold vacuum, is calibrated in centimetres of mercury on its inner scale and inches of mercury on its outer scale.
the right portion of the face is used to measure fuel pump pressure and is calibrated in fractions of 1 kgf/cm² on its inner scale and pounds per square inch on its outer scale.

Mechanické detaily

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:

Pevný konec Bourdonovy trubice, který je propojen s přívodní trubkou přes vstupní blok.
Pohyblivý konec Bourdonovy trubice. Tento konec je zatěsněn.
Čep
Díl spojující čep s pákou (5) oba díly umožňují rotaci.
Páka, která je prodloužením úhlového převodu (7)
Čep úhlového převodu.
Úhlový převod.
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.
Vlasová pružina zajišťující předpětí úhlového převodu. Eliminuje kmitání a určuje hysterezi.

Aplikace

Lékařské tlakoměry (tonometry, sphygmomanometry)

Měření průtoku, měření rychlosti těles pohybujících se v tekutinách

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.

Měření výšky

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

Technické normy pro měřidla tlaku

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

Externí odkazy

Obrázky, zvuky či videa k tématu měření tlaku na Wikimedia Commons
Galerie měření tlaku na Wikimedia Commons
Home Made Manometer
Manometr
Digitální manometr