11.5.2016

Tlakomery

Princípy

Prístroje na meranie tlaku sa nazývajú tlakomery. Bežné tlakomery v zásade využívajú dva princípy určovania neznámeho tlaku:

–    vychádzajú zo základného definičného vzťahu ,

–    snímajú deformáciu citlivého prvku tlakomera a z nej určujú pôsobiaci tlak.

Do prvej skupiny patria kvapalinové, zvonové a piestové tlakomery. Do druhej skupiny sa zaraďujú tlakomery s rôznymi deformačnými členmi. Zmena geometrie citlivého člena sa môže prenášať na stupnicu tlakomera mechanicky, alebo sa môže snímať elektricky.

 

Tlakomery

  1. Jednoduchá trubica tvaru U (U-trubica)

  2. Schäfferov manometer

  3. Manometer s Bourdonovou trubicou

1.   Jednoduchá trubica tvaru U (U-trubica)

U-trubica dostala pomenovanie podľa svojho charakteristického tvaru (obr. 1a). Najčastejšie sa vyrába zo skla, niekedy aj z kovu. Náplň tvorí tlakomerná kvapalina (ortuť alebo voda) s hustotou r. Priestor nad hladinami tlakomernej kvapaliny vypĺňa najčastejšie vzduch.

Obr. 1

Diferenčné manometre

a) jednoduchá U-trubica, b) U-trubica s posuvným dnom

 

 

Pred meraním pôsobí na hladiny tlakomernej kvapaliny iba barometrický tlak. Preto sú obidve hladiny v rovnakej výške (čiarkovaná čiara). Keď sa do každého ramena trubice privedie iný tlak, hladiny sa vychýlia. Predpokladajme, že tlak p1 je väčší ako tlak p2. Vychýlenie hladín tlakomernej kvapaliny oproti rovnovážnemu stavu bude úmerné tlakovému rozdielu Dp

Dp = p1p2 = (r1r2) g h = (r1r2) g (h1 + h2)                                           

kde     

h   je celková zmena výšky hladín voči rovnovážnemu stavu,

h1  je pokles hladiny vzhľadom k rovnovážnemu stavu v trubici s vyšším tlakom,

h2  je vzostup hladiny vzhľadom k rovnovážnemu stavu v trubici s nižším tlakom,

r1 je hustota tlakomernej kvapaliny,

r2 je hustota média, ktorého tlak sa meria,

g   je tiažové zrýchlenie.

Keďže hustota média, ktorého tlak sa meria, je často omnoho menšia ako hustota tlakomernej kvapaliny, vzťah sa dá napísať v tvare

Dp = p1p2 = r  g h = r g (h1 + h2)                                                             

kde     

r   je hustota tlakomernej kvapaliny.

Dĺžka jednoduchej U-trubice býva najviac 2 m, čím je vlastne obmedzený rozsah merania (pre ortuť asi do 150 kPa). Na experimentálne účely sa však používajú aj U-trubice s dĺžkou niekoľko desiatok metrov.

Aby sa dali zanedbať kapilárne vplyvy tlakomernej kvapaliny, zhotovuje sa s rovnakým prierezom po celej dĺžke. Zmeny výšky hladiny voči rovnovážnemu stavu h1 a h2 sa odčítavajú na dvoch miestach trubice. Stupnica sa nanáša priamo na vonkajší povrch trubice. Pri odčítavaní treba obmedziť vplyv paralaxy.

Presnosť merania pomocou U-trubice sa zvýši, keď sa spoja obidve ramená pomocou nádobky s posuvným dnom (obr. 1b). Posuvné dno býva vyhotovené z kovu alebo z kože. V takomto prípade sa obidve hladiny pohybujú v kapilárach s rovnakým prierezom a aj zhodným smerom. Preto sa nemusia korigovať kapilárne vlastnosti tlakomernej kvapaliny. Okrem toho posuvné dno manometra umožňuje nastavenie hladiny v jednej kapiláre na začiatok stupnice. Potom stačí odčítať hodnotu zmeny výšky hladiny len na jednej stupnici.

Na zvýšenie rozsahu merania sa využíva sériové usporiadanie niekoľkých U-trubíc (obr. 2). Priestor medzi ramenami je vyplnený kvapalinou, ktorá sa nesmie zmiešavať s tlakomernou kvapalinou. Pri takomto usporiadaní sa tlaková diferencia Dp vypočíta podľa vzťahu

            

                                         

Obr. 2

 Sériové radenie U-trubíc

 

2.   Schäfferov manometer

Typickým predstaviteľom deformačného manometra je tzv. Schäfferov manometer (obr. 3). Používa sa ako prevádzkový manometer na meranie pretlakov. Na jednu stranu membrány pôsobí tlak privedeného média, na druhú stranu barometrický tlak. Ako deformačný člen sa využíva zvlnená tenká membrána. Bežne mávajú membrány priemer 60 až 250 mm. Priehyb membrány, ktorý môže byť maximálne 2 mm, sa prenáša tiahlom na ozubený hrebeň. Pri pootočení ozubeného hrebeňa sa natočí aj ozubené koliesko s upevneným ukazovateľom. Pohyb kolieska sa tlmí špirálovou pružinou. Pružina zároveň vymedzuje vôľu v ozubenom prevode. Pri meraní vyšších tlakov (do 50 MPa) sú membrány chránené pred jednostranným preťažením, a to tak, že komora je vyplnená tlmiacou kvapalinou (destilovaná voda, olej a pod.). (pozri animáciu)

Obr. 3

Schäfferov membránový manometer

 

Výhodou membránového manometra je malá zotrvačnosť deformačného člena. Preto sa dá použiť na meranie rýchlo sa meniacich tlakov. Niekedy sa membránový manometer využíva ako tlakový spínač.

 

3. Manometer s Bourdonovou trubicou

Medzi najčastejšie používané mechanické deformačné manometre patrí manometer s Bourdonovou trubicou.

Bourdonova trubica je pružná bronzová alebo oceľová trubica, na jednom konci uzavretá. Meraný tlak sa privádza do vnútra trubice. Jeho pôsobením sa trubica deformuje a uzavretý koniec sa posúva. Tento posuv sa sníma elektricky, alebo sa mechanicky prenáša na ukazovateľ.

Konštrukčné riešenie manometra s Bourdonovou trubicou znázorňuje obr. 4. Pohyb konca Bourdonovej trubice sa prenáša pákovým prevodom na ukazovateľ. Citlivosť a rozsah deformačného manometra s Bourdonovou trubicou sa mení profilom trubice, hrúbkou steny trubice, jej stredovým uhlom a materiálom, z ktorého je vyrobená.

Pomocou deformačných manometrov s Bourdonovou trubicou sa merajú tlaky v širokom rozsahu. Dajú sa merať malé podtlaky, napríklad v rozsahu -120 kPa až 0 Pa, ale aj veľké pretlaky, až do 400 MPa. Všetky tieto prístroje môžu merať s dovolenou chybou 1 % meracieho rozsahu. Okolitá teplota sa môže pohybovať v rozmedzí -20 °C až +100 °C. Naopak, laboratórne manometre merajú s dovolenou chybou až 0,25 % meracieho rozsahu. Ich cena sa oproti prevádzkovým prístrojom niekoľkokrát znásobuje. (pozri animáciu)

Obr. 4

Konštrukčná schéma deformačného manometra s Bourdonovou trubicou v tvare písmena C

„Snažme se žít tak, aby naší smrti litoval i majitel pohřební služby.“ Mark Twain