Ciśnienie jest jedną z najczęściej mierzonych i kontrolowanych wielkości fizycznych w technice automatyzacji. Ma ono bezpośredni wpływ na przebieg procesów produkcyjnych i przemysłowych. W niniejszym artykule przedstawimy podstawowe informacje na temat ciśnienia i jego pomiarów.
Siła F jest wielkością wektorową, co oznacza, że do jej określenia musi być znany kierunek. Ciśnienie p jest natomiast wielkością skalarną - nie posiada kierunku i możliwe jest jego określenie tylko za pomocą liczb rzeczywistych. W zamkniętym systemie, np. w zbiorniku buforowym ciśnienie zawsze działa równomiernie, prostopadle do wszystkich powierzchni. W praktyce oznacza to, że położenie montażowe czujnika ciśnienia i membrany może być wybrane losowo. Na przykład ciśnienie w akumulatorze sprężarki można zmierzyć, instalując przetwornik ciśnienia w górnej części zbiornika z membraną skierowaną w dół.
W Polsce od 1966 roku obowiązuje układ SI, tj. Międzynarodowy Układ Jednostek Miar. Zawiera on znormalizowany zbiór jednostek określających wielkości fizyczne, m.in. ciśnienie. Podstawową jednostką ciśnienia w układzie SI jest Pascal (Pa). Nie mniej jednak paskal jest rzadko używaną jednostką w zastosowaniach technicznych. Na przykład ciśnienie atmosferyczne na Ziemi wynosi w przybliżeniu 1018 hPa, co odpowiada 10 1800 Pa. Ciśnienie w procesach przemysłowych jest niejednokrotnie większe, a praca na tak dużych liczbach jest niezwykle uciążliwa i czasochłonna. Dlatego też powszechnie stosowaną jednostką określającą ciśnienie jest bar (bar).
Jednostka bar (bar) widnieje zazwyczaj na skali zakresu pomiarowego urządzeń do pomiaru ciśnienia czy rejestratorów zmiennych procesowych. Jako ciekawostkę, warto wspomnieć, że powszechnie stosowaną w medycynie jednostką jest mmHg (milimetr słupa rtęci). Za jej pomocą określane jest ciśnienie skurczowe krwi.
Pomiar ciśnienia fizyka
W tym rozdziale zostanie przedstawiony wzór, niezbędny do wyliczenia wartości ciśnienia. Zgodnie z definicją, w przypadku zadziałania na danej powierzchni A = 1 m² siły ciężkości F=1N (1N to wartość iloczynu masy m = 100g i przyspieszenia ziemskiego g = 10m/s2), ciśnienie wyniesie 1 Pa.*Zakłada się, że siła ta działa prostopadle do analizowanej powierzchni. Jaki jest wzór na ciśnienie cieczy lub gazu?
Powyższy wzór pozwala na obliczenie ciśnienia w przypadku gdy znamy masę badanego przedmiotu lub medium. A co w przypadku gdy trzeba obliczyć ciśnienie na dnie dużego zbiornika, np. basenu pływackiego ? W takim przypadku obliczenie całkowitej masy wody jest niemożliwe. Z pomocą przychodzi wzór na podstawie, którego można obliczyć ciśnienie u podstawy zbiornika tylko na podstawie gęstości i wysokości słupa medium:
*Komentarz: Nie została tu wykorzystana dokładna wartość przyspieszenia grawitacyjnego g = 9,81 m/s². Zamiast tego użyto zaokrąglonej wartości 10 m/s².
Punktem zerowym skali ciśnienia bezwzględnego, czyli absolutnego, jest próżnia. Dlatego też dane dotyczące ciśnienia bezwzględnego są zawsze mierzone w odniesieniu do niej. Przykładem może być ciśnienie atmosferyczne, które jest zawsze podawane w postaci ciśnienia bezwzględnego.
Przy pomiarze ciśnienia względnego wartością odniesienia jest wartość ciśnienia otoczenia. W zastosowaniach przemysłowych ciśnienie w instalacjach jest często przedstawiane w postaci względnej, tzn. względem ciśnienia atmosferycznego. W takim przypadku wartość rzeczywista ciśnienia to suma ciśnienia względnego (jakie występuje w danym procesie) oraz ciśnienia otoczenia (atmosferycznego). Nie mniej jednak, w przemyśle nierzadko zachodzą procesy w obecności ciśnień wielokrotnie większych od ciśnienia atmosferycznego. W takich przypadkach ciśnienie otoczenia nie jest brane pod uwagę.
Ciśnienie statyczne, to ciśnienie występujące w danym gazie lub cieczy będących w spoczynku, np. w zamkniętym zbiorniku. Wówczas do określenia ciśnienia wystarczy znajomość wartości siły, z jaką dane medium oddziałuje na określoną powierzchnię. Natomiast, gdy medium jest w ruchu, np. w rurociągu, mówimy o ciśnieniu dynamicznym. Zgodnie z definicją, ciśnienie dynamiczne można opisać jako nacisk, jaki wywiera przepływający płyn lub gaz na powierzchnię ciała znajdującego się pod kątem prostym do przepływającej strugi medium. Nacisk ten wynika z energii kinetycznej cząstek będących w ruchu. Współczesna technologia dostarcza rozwiązania dla każdych rodzajów aplikacji. Takie urządzenia jak np. przetwornik ciśnienia, może znacząco różnić się budową do pomiarów mediów agresywnych chemicznie od urządzenia po pomiaru w instalacji gazowej.
Ciśnienie różnicowe to wynik, jaki daje porównanie dwóch wartości ciśnienia bezwzględnego i określane jest jako różnica ciśnień Δp. Jest ona często wykorzystywana w zastosowaniach technicznych do celów kontrolnych. Na przykład, różnica ciśnienia na dnie zbiornika z cieczą oraz ponad jej taflą niesie informację o wysokości słupa cieczy. Urządzenia do pomiary różnicy, np. przetwornik różnicy ciśnień, przeprowadza pomiar ciśnienia w dwóch punktach pomiarowych.
Ciśnienie hydrostatyczne występuje w spoczywającej cieczy. Zależy ono od wysokości słupa cieczy h, jej gęstości ρ , przyspieszenia ziemskiego g. Im wyższy słup wody tym wyższe ciśnienie. Na przykład, im niżej płetwonurek nurkuje w jeziorze tym większe ciśnienie hydrostatyczne działa na niego.
