MĂSURAREA PRESIUNII

Presiunea reprezintă un parametru de bază pentru majoritatea proceselor tehnologice în care se folosesc fluide. Deoarece fluidele utilizate în practică sunt reale şi nu respectă în totalitate legile fluidelor perfecte, metodele de măsurare a presiunii sunt adecvate fluidelor reale .Prin definiţie, presiunea este o mărime scalară egală cu raportul dintre forţa exercitată normal pe elementul de suprafaţă şi suprafaţa elementului:

Presiunea poate fi: absolută, dacă se măsoară în raport cu vidul absolut,

relativă sau efectivă, dacă se măsoară ca diferenţă fată de presiunea atmosferică,

diferenţială, dacă se măsoară faţă de o presiune considerată ca referinţă.Pentru caracterizarea presiunilor pentru fluidele ce se află în mişcare se consideră o suprafaţă plană ce separă fluidul în două mase de fluid aflate în mişcare; presiunea exercitată în planul de separaţie este presiunea statică. Dacă în planul de separare se realizează într-un punct oprirea curgerii fluidului, presiunea corespunzătoare în acel punct reprezintă presiunea totală. Diferenţa dintre presiunea totală şi presiunea statică se numeşte presiune dinamică.Unitatea de măsură pentru presiune este pascalul (l Pa = l N/m2), relativ mică pentru aplicaţiile tehnice, unde se preferă barul (1 bar = 105 Pa).În practică se mai folosesc şi alte unităţi de măsură pentru presiune ca:

atmosfera tehnică (l at = l kgf/cm2); atmosfera fizică (1 atm este presiunea hidrostatică echivalentă unei coloane de mercur cu

densitatea de 13,595 g/cm3, având înălţimea de 760 mm, la 0°C, corespunzătoare unei acceleraţii gravitaţionale de 980,666 cm/s2);

mm coloană de mercur{1 mmHg = l torr este presiunea hidrostatică a unei coloane de mercur, în condiţiile de mai sus cu înălţimea de l mm);

mm coloană de apă (l mm H2O este presiunea hidrostatică echivalentă unei coloane de apă cu înălţimea de l mm).

Trebuie remarcat faptul că presiunea de referinţă în tehnică, numită presiune normală -presiunea exercitată de o coloană de mercur cu înălţimea de 735,56 mm în condiţiile precizate mai sus - (echivalentul unei atmosfere tehnice), este diferită de presiunea atmosferică normală care corespunde presiunii hidrostatice echivalentă unei coloane de mercur cu înălţimea de 760 mm, la 0°C şi acceleraţie gravitaţională de 980,666 cm/s2.Domeniul de măsurare a presiunii în ştiinţă şi tehnică este deosebit de întins; din această cauză metodele de măsurare a presiunii sunt specifice numai pentru anumite intervale de măsurare.

Domeniul de măsurare a presiunii.

1

ELEMENTE SENSIBILE ELASTICE

Pentru măsurarea presiunii în domeniile vacuum şi suprapresiuni, ca elemente sensibile elastice se folosesc membrane, tuburi şi pistoane cu resort.Membranele sunt plăci elastice de grosime mică, de formă circulară, încastrate pe margine; sub acţiunea unei presiuni asupra uneia din suprafeţele membranei se produce o deformaţie care poate fi măsurată prin metode electrice.Membranele pot fi plane, gofrate (suprafaţa cu profil ondulat) sau sferice. Membranele plane pot fi metalice (cu rigiditate mare) sau nemetalice (cu rigiditate mică), ultimele fiind de obicei foarte flexibile. La membranele rigide se măsoară de regulă deformaţia, iar la membranele semirigide şi flexibile se măsoară săgeata maximă, eventual multiplicată prin procedee mecanice. Ca materiale se folosesc: oţelul inox, alpaca, bronzuri, alamă şi, respectiv, cauciuc, ţesături cauciucate, piele etc.Se disting trei zone pe caracteristica presiune funcţie de deformaţie:a) zona a - corespunzătoare membranelor groase la care săgeata (deformaţia) y este mai mică decât grosimea d a membranei;b)zona a şi b - caracteristică pentru membranele cu grosime medie la care y < 3d;b)zona a + b + c - corespunzătoare membranelor subţiri - pentru care caracteristica este pronunţat neliniară.

Dependenţa presiunii de deformatie.

Timpul de răspuns depinde de construcţia mecanică a traductorului şi poate atinge 10-3s; pentru reducerea efectului vibraţiilor asupra membranelor se folosesc membrane subţiri, eventual cu pretensionare.

Deformaţia maximă admisă pentru membranele plane nu trebuie să depăşească 10-3

(1000 μm/m) deoarece peste această valoare pot apare fenomene de fluaj. Din cauza faptului că prelucrările mecanice tradiţionale introduc tensiuni interne în materialul membranelor, în prezent prelucrarea acestora se face prin electroeroziune.Pentru mărirea săgeţii se pot folosi amplificatoare mecanice, ca de exemplu: pârghii sau sisteme cu roti dinţate. Creşterea săgeţii este posibilă la membranele gofrate (ondulate) care au realizate pe suprafaţa lor o serie de gofreuri concentrice, mijlocul membranei fiind rigidizat; formele gofreu-rilor pot fi sinusoidale, triunghiulare sau trapezoidale. Dacă din punct de vedere tehnic ele se realizează mult mai greu, au însă ca avantaj obţinerea unor săgeţi mult mai mari cu o bună liniaritate.Membranele gofrate sunt mai puţin folosite în mod direct; de obicei, se asamblează câte două, lipite pe circumferinţă formând capsule. Dacă presiunea de măsurat acţionează în interior, capsula se numeşte manometrică, respectiv, aneroidă - dacă în interior se produce vacuum; pentru măsurarea altor mărimi, capsulele pot fi umplute cu diferite substanţe (gaze, vapori, lichide). Folosirea mai multor capsule creşte sensibilitatea de un număr de ori egal cu numărul membranelor utilizate. Cel mai întrebuinţat material pentru construcţia membranelor gofrate îl reprezintă bronzul cu beriliu,

2

care are o bună stabilitate şi un histerezis redus.

Profiluri de membrane gofrate:a) sinusoidal; b) triunghiular; c) trapezoidal.

Săgeţi mari pot fi obţinute şi cu ajutorul tuburilor ondulate, a căror construcţie este prezentată în figura următoare.

Săgeata obţinută la tuburilor ondulate poate fi destul de importantă, deoarece, într-o primă aproximaţie, tuburilor ondulate se consideră ca provenind dintr-un sistem de plăci inelare legate pe conturul exterior. Materialele din care se construiesc aceste traductoare sunt bronzurile cu beriliu sau otelurile inoxidabile.O altă categorie de traductoare mecanice folosite la măsurarea presiunii o reprezintă tuburile Bourdon, care pot fi cu pereţi subţiri sau pereţi groşi, având forma unui arc de cerc cu deschiderea la centru de circa 240°; profilul tubului poate fi oval, eliptic sau în D. Sub acţiunea presiunii creşte raza de curbură, iar tubul se îndreaptă, producând o deplasare a capătului liber.

Tub Bourdon; a) construcţie; b) profile.

Sensibilitatea maximă se obţine la tuburile cu profil în D. Ele pot fi folosite atât pentru măsurarea presiunilor reduse (mm Hg) cât şi a presiunilor înalte, diferenţa constând în grosimea pereţilor.Trebuie menţionat faptul că traductoarele mecanice elastice sunt relativ sensibile la mărimile de influenţă ca: vibraţii şi şocuri, temperatură, umiditate, cuplul de fixare sau de strângere a traductorului; în timpul funcţionării lor pot apare derive de zero, cât şi variaţia sensibilităţii sau fenomene de histerezis. Pentru compensarea variaţiilor cu temperatura se fac compensări termice sau se folosesc circuite de răcire.

MĂSURAREA ELECTRICĂ A PRESIUNII FLUIDELOR

Măsurarea presiunilor se realizează pentru presiuni mici, medii şi mari, cu ajutorul manometrelor şi pentru presiuni foarte mici (vid) cu ajutorul vacuummetrelor.Pentru măsurarea presiunilor medii şi mari capsulele manometrice se realizează pe acelaşi principiu ca şi capsulele dinamometrice cu deosebirea că elementul sensibil la presiune constă

3

dintr-un tub închis la un capăt al cărui interior este în legătură cu lichidul sau gazul a cărui presiune se măsoară. Tubul este realizat din oţel inoxidabil şi la unele tipuri din bronz fosforos. Pe suprafaţa exterioară a tubului sunt fixaţi 4 senzori tensometrici, doi în direcţie axială şi doi în direcţie perpendiculară pe ea. Cei patru senzori sunt conectaţi într-o schemă de punte alimentată în alternativ. Carcasa capsulei manometrice este executată din alamă sau oţel, este închisă ermetic şi vidată, de aceea aceste capsule servesc la măsurarea presiunilor absolute pentru intervale de 7-7000 at.

Pentru măsurarea diferenţelor de presiune mici, se utilizează doi cilindri gofraţi în care pătrund fluidele de presiune p1, respectiv p2. În funcţie de diferenţa de presiune Δp = p1 – p2

lama elastică este încovoiată într-un sens ceea ce va conduce la alungirea, respectiv comprimarea a câte doi senzori tensometrici fiind conectaţi într-o punte rezultă că tensiunea de dezechilibru este proporţională cu Δp. În cazul în care se utilizează un singur cilindru gofrat, iar carcasa este vidată se măsoară presiuni mici absolute.

Manometru pentru diferenţe de presiuni mici: 1,3 cilindri gofraţi; 2-lamă elastică;

4,5-senzori tensometrici rezistivi; 6-suprafeţe de fixare.

Capsulele manometrice se realizează pentru măsurarea presiunilor în intervale de măsurare 1-7 at., iar cele pentru diferenţe de presiuni de 1-4 at., cu precizii de 0,2%.O altă soluţie o constituie utilizarea de senzori capacitivi de presiune la care o armătură este fixă, iar cealaltă este formată dintr-o membrană ce se deformează sub acţiunea presiunii obţinându-se o caracteristică de conversie C=f(p) liniară.

Senzor capacitiv cu membrană elasticăl- armătură fixă; 2- membrana în poziţia iniţială;

3- membrana deformată; 4- carcasa.

Pentru măsurarea presiunilor foarte mari nu se pot utiliza capsule manometrice cu elemente elastice şi se folosesc capsule manometrice cu senzori piezorezistivi măsurându-se presiuni deosebit de mari.Efectul piezorezistiv constă în modificarea rezistivităţii unui material dacă este supus unei presiuni exterioare crescătoare din toate direcţiile.Variaţia rezistivităţii cu presiunea se datorează deformării reţelei cristaline produsă de presiunea exterioară senzorului.

4

Senzor piezorezistiv

Pentru majoritatea metalelor şi pentru intervale restrânse de variaţie a presiunii rezistenţa electrică variază liniar cu presiunea

unde R0 este rezistenţa la presiunea de l atm., iar b este coeficientul de presiune.Cel mai utilizat material este manganina, deoarece influenţa temperaturii este cea mai mică. Rezistenţa iniţială este R0 =100Ω.Aceste traductoare sunt simple, robuste, au un timp de răspuns mic, histerezis neglijabil, dar prezintă unele dificultăţi la realizarea legăturilor electrice prin pereţii camerei de presiune.Senzorii piezorezistivi sunt utilizaţi cu precădere pentru măsurarea presiunilor mari şi foarte mari peste 1000 at ajungând până la 100000 at.

Pentru măsurarea presiunilor foarte mici (presiunea vidului) se realizează vacuummetre bazate pe măsurarea modificărilor produse de presiune asupra termoconductivităţii sau ionizării gazelor. Vacuummetrele termice se bazează pe modificarea termoconductivităţii gazelor la presiuni foarte scăzute.Pentru presiuni de ordinul atmosferei termoconductivitatea unui gaz nu depinde, aproape de loc de densitatea gazului, lungimea parcursului mediu al moleculelor de gaz este foarte mică (pentru azot, la o atmosferă, este de 9,6.10 -3 mm) şi transferul de căldură prin conductibilitate se realizează prin ciocnirile succesive ale moleculelor.Pentru presiuni reduse parcursul liber mediu al moleculelor de gaz creşte (pentru azot la 0,001 torr este 93 mm) şi ajunge la acelaşi ordin de mărime cu distanţa dintre firul termorezistiv si pereţii incintei vidate şi termoconductivitatea începe să depindă de presiune.Prin aceasta rezultă că temperatura de regim a firului rezistiv care este încălzit la curent constant este o funcţie liniară de presiune şi, deci variaţia acestei rezistenţe ΔR este o funcţie liniară de presiune.

Vacuummetru termic:l-termorezistenţă pentru măsurarea presiunii;

2-termorezistenţă pentru compensarea variaţiei temperaturii mediului ambiant.

Schema electrică cuprinde termorezistenţa (1) care este si conductor de încălzire (Pt sau Ni) amplasată în incinta unde se măsoară vidul si conectată într-o punte simplă. Puntea este alimentată printr-o rezistenţă Rv de valoare mare pentru a se realiza sursa de curent constant. Cu vacuummetrul termic se măsoară presiuni între l÷10-4 torr.

5

Vacuummetru cu ionizare şi câmp magnetic.

Vacuummetrele cu ionizare pot fi cu catod cald sau catod rece şi câmp magnetic. Vacuummetrul cu ionizare şi câmp magnetic cuprinde un anod tubular dispus între două plăci plane care reprezintă catodul, tot ansamblul fiind plasat în câmpul magnetic B generat de un magnet permanent.Electronii emişi de catod se deplasează pe traiectorii elicoidale, spaţiul parcurs creşte şi probabilitatea de ciocnire cu moleculele gazului creşte.In traiectoria lor către anod electronii ionizează un număr de molecule proporţional cu presiunea gazului şi curentul I este proporţional cu presiunea, de aceea microampermetrul este gradat direct în unităţi de presiune.Cu vacummmetrele cu ionizare se măsoară presiuni în intervalul 10-3 ÷10-12 torr.

6