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.
Ciśnienie definicja: Pojęcie ciśnienia p definiuje się jako iloraz siły F i pola powierzchni A. Siła ta działa prostopadle do płaszczyzny. Ciśnienie o wartości 1 Paskal (Pa) wynosi:
1 Pa=N/m²
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.
Rysunek 1. Graficzne przedstawienie definicji ciśnienia
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).
1 bar = 105 N/m² = 100 000 Pa
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.
1 mmHg = 133,322 Pa
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?
Ciśnienie wzór i jednostka:
p = F/S, gdzie:
p - ciśnienie [Pa]
F - siła [N]
S - powierzchnia [m²]
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:
Wzór ciśnienie:
p = ρgh +p₀, gdzie:
ρ - gęstość medium [kg/m³]
g - przyspieszenie ziemskie [m/s²]
h - wysokość słupa cieczy [m]
*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.
Punktem zerowym skali ciśnienia absolutnego lub bezwzględnego jest próżnia. Dlatego dane dotyczące ciśnienia absolutnego są zawsze mierzone w odniesieniu do niego. Przykładem jest ciśnienie atmosferyczne, które zawsze jest podawane jako ciśnienie absolutne....
Podczas pomiaru
ciśnienia względnego, wartością odniesienia jest wartość ciśnienia otoczenia. W zastosowaniach przemysłowych ciśnienie w urządzeniach jest często określane w formie względnej, tj. w odniesieniu do ciśnienia atmosferycznego. W takim przypadku rzeczywiste ciśnienie jest sumą ciśnienia względnego (występującego w procesie) i ciśnienia otoczenia (atmosferycznego). W przemyśle jednak nierzadko procesy zachodzą przy ciśnieniu wielokrotnie przewyższającym ciśnienie atmosferyczne. W takich przypadkach ciśnienie otoczenia nie jest brane pod uwagę.
Ciśnienie statyczne to ciśnienie w gazie lub cieczy w stanie spoczynku, np. w zamkniętym naczyniu. W tym przypadku do określenia ciśnienia wystarczy znajomość siły wywieranej przez ośrodek na daną powierzchnię. Jeżeli jednak medium jest w ruchu, np. w rurociągu, to mówi się o ciśnieniu dynamicznym. Z definicji ciśnienie dynamiczne można określić jako ciśnienie wywierane przez przepływającą ciecz lub gaz na powierzchnię ciała ustawionego pod kątem prostym do przepływającego medium. Ciśnienie to wynika z energii kinetycznej poruszających się cząsteczek.
Ciśnienie różnicowe jest wynikiem porównania dwóch wartości ciśnienia bezwzględnego i określane jest jako różnica ciśnień Δp. Jest ono często wykorzystywane w zastosowaniach inżynierskich do celów kontrolnych. Na przykład różnica ciśnień na dnie zbiornika z cieczą i nad cieczą dostarcza informacji o wysokości słupa cieczy. Manometr różnicowy, taki jak przetwornik ciśnienia różnicowego, dokonuje pomiarów ciśnienia w dwóch punktach pomiarowych.
Ciśnienie hydrostatyczne występuje w cieczy w stanie spoczynku. Zależy ono od wysokości słupa cieczy h, jej gęstości ρ i przyspieszenia ziemskiego g. Im wyższy słup wody, tym wyższe ciśnienie. Im głębiej np. nurek nurkuje w jeziorze, tym większe ciśnienie hydrostatyczne na niego działa.
