7. Pomiar ciśnienia i różnicy ciśnień

Ciśnienie i różnica ciśnień należą do podstawowych wielkości, które wyznacza się przy pomiarach wentylacyjnych. Znajomość wartości ciśnienia może być użyteczna przy stosowaniu niektórych metod określenia prędkości, strumienia objętości i masy, dyssypacji energii, spadków potencjału powietrza (straty naporu), parametrów pracy wentylatora, współczynników oporów aerodynamicznych i w wielu innych zagadnieniach przewietrzania kopalń. Mierzone ciśnienia zwykle mało różnią się od ciśnienia barometrycznego, a różnice ciśnień najczęściej są rzędu procentu ciśnienia barometrycznego.

Ciśnieniem p w punkcie K na powierzchni A pomyślanej wewnątrz płynącego gazu idealnego (nielepkiego) lub znajdującego się w stanie spoczynku nazywa się granicę stosunku siły ΔF do pola powierzchni ΔA, gdy wartość ΔA dąży do zera w taki sposób, że punkt K leży na elemencie ΔA, a więc

(7.1)

Jeżeli rozkład sił na płaskiej powierzchni o polu A jest równomierny, to ciśnienie określa zależność

(7.2)

w której F oznacza wypadkową sił działających na powierzchnię A.

Ciśnienie można odnosić do równego zeru ciśnienia próżni absolutnej lub do ciśnienia barometrycznego. Wartość ciśnienia odniesiona do próżni absolutnej nazywa się ciśnieniem bezwzględnym (lub absolutnym). Na przykład ciśnienie barometryczne, które jest odniesione do próżni absolutnej, jest ciśnieniem bezwzględnym. Wartość ciśnienia odniesiona do ciśnienia barometrycznego nazywa się pod- lub nadciśnieniem (rys. 7.1).

Rys.7.1. Ciśnienie bezwzględne, podciśnienie i nadciśnienie

W układzie SI jednostką ciśnienia jest 1 N/m², zwany też 1 paskalem (Pa). W wielu przyrządach mierzona różnica ciśnień jest równoważona ciśnieniem hydrostatycznym cieczy manometrycznej. Z tego względu wprowadzono pośrednie jednostki ciśnienia: milimetr słupa rtęci i milimetr słupa wody. Przykładowo 1 atmosfera fizyczna - 1 Atm - jest to ciśnienie, które wywiera słupek rtęci o gęstości 13595,5 kg/m³ i wysokości 760 mm w punkcie o przyspieszeniu siły ciężkości g = 9,80665 m/s². Jednostki pośrednie wymagają zatem określenia gęstości cieczy manometrycznej i uwzględnienia wartości przyspieszenia ziemskiego. Sposób przeliczania jednostek ciśnień, wynikających z pomiarów manometrycznych, na układ SI pokazano w rozdziale 3.

Przy pomiarach ciśnienia w przepływającym płynie wyróżnia się ciśnienie statyczne i całkowite. Służby wentylacyjne wykonują najczęściej pomiar ciśnienia w wyrobiskach, lutniociągach lub w innych przewodach. Jeżeli przepływ jest jednorodny w całym obszarze pomiaru, to pobór sygnału ciśnienia statycznego dokonuje się otworami o średnicy od 2 do 5 mm (rys. 7.2a) wykonanymi w ściance i połączonymi z manometrem przewodami.

Rys.7.2a. Pobór sygnału ciśnienia statycznego na ściance przewodu	Rys.7.2b. Tarczka Saire'a do pomiaru ciśnienia statycznego

Natomiast jeżeli pole ciśnienia statycznego nie jest jednorodne i ma różne wartości w poszczególnych punktach obszaru pomiarowego, to do pomiaru można wykorzystać tarczę Saire'a z otworem wykonanym w środku (rys. 7.2b). Tarcza ta umieszczona w wybranym punkcie przepływu wraz z przewodem odprowadzającym sygnał ciśnienia do manometru tworzy sondę. Powierzchnię tarczy umieszcza się równolegle do linii prądu powietrza.

Pomiaru ciśnienia całkowitego dokonuje się natomiast za pomocą rurek spiętrzeniowych, np. rurki Pitota (rys. 7.3).

Rys. 7.3. Sonda ciśnienia całkowitego (rurka Pitota)

Dla powietrza będącego w ruchu między ciśnieniem statycznym i całkowitym zachodzi zależność

(7.1)

gdzie:

p_c - ciśnienie całkowite powietrza, Pa,

p - ciśnienie statyczne powietrza, Pa

p_d - ciśnienie dynamiczne powietrza, Pa, równe

(7.2)

- gęstość powietrza, kg/m³,

w - prędkość powietrza, m/s.

Jeśli powietrze jest nieruchome (w = 0) to ciśnienie całkowite i statyczne są sobie równe

i dokonamy, bez względu na rodzaj użytego czujnika, pomiaru wyłącznie ciśnienia statycznego.

Rurką spiętrzeniową, która pozwala na pomiar zarówno ciśnień całkowitych, jak i statycznych jest rurka Prandtla (rys. 7.4)

Do pomiaru ciśnień przepływającego rurociągiem powietrza można wykorzystać rurki Prandtla (rys. 7.5) lub układ złożony z tarczki Sera i rurki Pitota (rys. 7.6).

Rys. 7.5. Pomiar ciśnień za pomocą rurki Prandtla	Rys.7.6. Pomiar ciśnień tarczką Sera i rurką Pitota

Więcej informacji na temat rurek spiętrzających i pomiarów z ich pomocą przepływów powietrza można znaleźć w poniższych normach.

PN-81/M-42367 - Pomiary przepływu płynu. Pomiary prędkości przepływu za pomocą rurek spiętrzających

PN-81/M-42364 - Pomiary przepływu płynu. Rurki spiętrzające

PN-81/M-42366 - Pomiary przepływu płynu. Pomiary strumienia objętości metodami całkowania bryły prędkości

7.1. Przyrządy do pomiaru ciśnienia

W kopalnianych pomiarach wentylacyjnych, zależnie od rodzaju mierzonego ciśnienia i zasady działania, stosuje się:

a) przyrządy do pomiaru ciśnienia bezwzględnego:

• barometry rtęciowe,

• barometry aneroidalne,

- baroluxy,

- mikrobarometry, np. Ascania Gb-5,

• barometry z przetwornikami elektrycznymi, np. „kwarcowe”,

b) przyrządy do pomiaru nadciśnienia lub podciśnienia:

• manometry i mikromanometry,

• cieczowe,

• dwuramienne, np. typu U-rurka,

• jednoramienne ze zbiornikiem, np. z rurką pochyłą (typu MPR-4),

• kompensacyjne, np. typu MK-1,

• projekcyjne typu Betz,

• sprężyste,

• manometry z przetwornikami elektrycznymi,

• deprymometry.

Kopalniane przyrządy do pomiaru ciśnień bezwzględnych mają zakresy od 80 do 100 kPa (tj. od 600 do 900 mm Hg), a błąd maksymalny od 5 do 50 Pa. Do pomiaru różnic ciśnienia wykorzystuje się manometry o zakresie do kilkunastu tysięcy paskali przy klasie dokładności l.

7.2. Przyrządy do pomiaru ciśnień bezwzględnych

7.2.1. Barometry rtęciowe

Barometr - przyrząd do pomiaru ciśnienia absolutnego (bezwzględnego). Pierwszy barometr rtęciowy, został wynaleziony w 1643 roku przez E. Torricellego w związku z jego badaniami nad ciśnieniem atmosferycznym (ściśle: Torricelli opracował projekt urządzenia a wykonał je jego współpracownik V. Viviani). Była to rurka szklana długości około 1 metra, zamknięta na jednym końcu i połączona ze zbiorniczkiem rtęci tak, że całość (rurka, zbiorniczek, powietrze) stanowiły naczynia połączone; rurka wypełniona była rtęcią. Przy pionowym ustawieniu barometru słupek rtęci w rurce opadał (nad nim wytwarzała się próżnia) do pewnego poziomu. Wysokość słupa rtęci w rurce nad poziomem rtęci w zbiorniczku odpowiadała równowadze ciśnienia słupa rtęci i ciśnienia otaczającego powietrza. Wysokość ta jest więc miarą ciśnienia atmosferycznego.

Barometr rtęciowy został ulepszony w 1665 roku przez R. Hooke'a, który wprowadził podziałkę umożliwiającą bezpośrednie odczytywanie wysokości słupka rtęci w rurce nad poziomem cieczy w naczyniu.

Zasadniczo w tej postaci barometr rtęciowy przetrwał do dziś i znajduje powszechne zastosowanie w meteorologii. Jest to przyrząd stosunkowo dokładny, jednakże niewygodny w użyciu (przede wszystkim ze względu na to, że stanowi naczynie z cieczą). Zasadę działania barometru rtęciowego przedstawiono na rys. 7.7, natomiast na rys. 7.8 pokazano najczęściej

Rys. 7.7. Zasada działania barometru rtęciowego

produkowane modele barometrów rtęciowych, tj. barometry lewarowe i Fortina.

Rys. 7.8. Barometr rtęciowy; od lewej, Fortina i lewarowy, modele użytkowe, zabytkowe

7.2.2. Barometry aneroidalne

Wygodniejszy i dlatego znacznie bardziej rozpowszechniony w wentylacji jest inny typ barometru - barometr metalowy, zwany też barometrem aneroidalnym, wynaleziony w 1844 roku przez L. Vidiego.

Barometr aneroidalny służy do pomiaru ciśnienia absolutnego (bezwzględnego) powietrza. Barometr jest zaopatrzony w sprężyste pudło z wypompowanym powietrzem. Ciśnienie zewnętrzne powoduje wyginanie wieka pudła, czemu przeciwstawia się jego sprężystość. Ruchy wieka przenoszą się na ruch wskazówki, która na skali pokazuje wielkość ciśnienia (rys. 7.9)

Rys. 7.9. Zasada działania barometru aneroidalnego

Na rys. 7.10 pokazano przykładowe typy produkowanych anemometrów aneroidalnych. Zakresy pomiarowe tego typu barometrów wynoszą od 0,5 do 1,1 bara, przy dokładności ± 50 Pa.

Rys. 7.10. Barometry aneroidalne

Dokładność barometrów aneroidalnych pokazanych powyżej jest jednak niewystarczająca do pomiarów wentylacyjnych. W wentylacji kopalń do pomiaru ciśnień bezwzględnych używa się barometrów precyzyjnych. Przykładem takiego barometru jest barometr aneroidalny firmy Paulin (rys. 7.11)

American Paulin Barometer APMB-1 Precision Micro-Barometer

Rys. 7.11. Barometr precyzyjny firmy Paulin typAPMB-1

W polskich kopalniach do pomiaru ciśnień bezwzględnych powietrza wykorzystuje się do tej pory głównie mikrobarometry precyzyjne Barolux firmy Fuess (Niemcy). Zasadę działania takiego barometru pokazuje rys. 7.12. Dokładność wskazań przyrządu wynosi ± 20 Pa i została uzyskana przez zastosowanie projekcyjnego układu optycznego rejestracji odkształceń membrany aneroidu. Czujnikiem ciśnienia jest blok szeregowo połączonych puszek aneroidalnych 1, które przy zmianach ciśnienia ulegają odkształceniu. Odkształcenie to przez dźwignię 2 przenoszone jest na oś 3 i powoduje jej obrót wraz z umieszczoną na niej przezroczystą skalą 4. Ruch skali względem promienia światła przechodzącego ze źródła 5 do okularu powoduje, że w okularze widzimy wycinek fragmentu skali z padającym na niego promieniem świetlnym. Miarą ciśnienia jest odczytana na skali wartość w punkcie padania promienia świetlnego. Pomiar baroluksem jest bardzo prosty i sprowadza się do ustawienia przyrządu w pozycji pionowej i naciśnięciu przycisku włączającego oświetlenie skali. Masa przyrządu wynosi około 4,5 kg.

Innym przyrządem do pomiaru ciśnienie bezwzględnego jest mikrobarometr Ascania Gb-5. Czujnikiem przyrządu jest zwinięta spiralnie rurka o przekroju prostokątnym z próżnią w środku. Zasadę działania tego przyrządu pokazuje rys. 7.13.

Rurka w górnej części przymocowana jest do pokrętła 2, a z dołu połączona jest z pierścieniem-tuleją 3, obracającą się wzdłuż rozpiętej struny 4. Na tulei 3 umieszczone jest lusterko 5 oraz tarcza miedziana 6 układu hamującego, złożonego z magnesu 7, mającego za zadanie niwelować drgania lusterka. W wyniku zmian ciśnienia następuje skręcanie lub rozkręcanie rurki spiralnej i w efekcie obrót lusterka wzdłuż struny. Układ odczytowy, rejestrujący zmiany położenia lusterka, składa się z pryzmatu oświetlającego 8, płytki szklanej ze skalą 9, lusterka 10, obiektywu 11, okularu 12 oraz pokrętła do nastawiania zakresu 13.

Rys.7.12. Zasada działania mikrobarometru Barolux firmy Fuess

Pomiar ciśnienia tym przyrządem polega na jego wypoziomowaniu, ustawieniu pokrętła 13 tak, aby promień świetlny był widoczny w okularze na skali indeksu 2 (rys. 7.13b). Wartość zmierzonego ciśnienia wyznacza się z empirycznego wzoru zawartego w instrukcji przyrządu, odczytując w tym celu w okularze wartości zakresu 1 i indeksu 2 (rys. 7.13b) oraz na termometrze umieszczonym w korpusie przyrządu wartość temperatury.

Rys.7.13. Mikrobarometr Ascania GB-5

Mikrobarometr Gb-5 mierzy ciśnienie bezwzględne powietrza w zakresie od 80 do 120 kPa z dokładnością od 2 do 30 Pa.

Czasami w wentylacji kopalń zachodzi potrzeba ciągłej rejestracji zmian ciśnienia powietrza. Stosuje się w tym celu różnego typu barografy. Zależnie od czasu rejestracji wykorzystuje się np. barografy dobowe lub tygodniowe. Zasadę działania i przykładowe rozwiązania barografów aneroidalnych pokazano na rys. 7.14.

Measuring Pressure - Aneroid Barometer
7.14a. Zasada działania barografu aneroidalnego	7.14b. Części składowe barografu aneroidalnego
7.14c. Rozwiązania barografów aneroidalnych

7.2.3. Barometry z przetwornikami elektrycznymi

Aktualnie w polskich kopalniach coraz częściej stosowane są barometry precyzyjne z przetwornikami elektrycznymi. Przykładem może być przenośny cyfrowy miernik ciśnienia bezwzględnego typu μBAR (rys. 7.15). Przyrząd ten jest przeznaczony do pomiarów ciśnienia powietrza, głównie w wyrobiskach kopalni głębinowej.

Rys. 7.15. Miernik ciśnienia bezwzględnego typu _μBAR

Rozdzielczość pomiaru wynosi 1Pa, co pozwala na analizę wyników pomiarów w celu wyznaczania potencjałów aerodynamicznych oraz wykonywania zdjęć depresyjnych sieci wentylacyjnej kopalni.

Jest urządzeniem iskrobezpiecznym, przystosowanym do pracy w pomieszczeniach „a”, „b” i „c” niebezpieczeństwa wybuchu metanu.

Przyrząd realizuje pomiar i rejestrację ciśnienia z bardzo dużą dokładnością. Może być stosowany zarówno do bieżących pomiarów, wykonywanych przez służby wentylacyjne kopalni, jak i do badawczych eksperymentów pomiarowych.

Mikroprocesorowy rejestrator spełnia funkcję dataloggera, co pozwala na rejestrację zmierzonych wartości ciśnienia w pamięci wewnętrznej, i łatwe przenoszenie danych do komputerów typu PC w celu dalszego przetwarzania. Ponadto jest możliwe odczytanie wartości aktualnego ciśnienia, dopisanie do danych pomiarowych daty i czasu pomiaru (dzięki wbudowanemu zegarowi czasu rzeczywistego), oraz wprowadzenie identyfikatora miejsca pomiaru. Zakres pomiarowy tego miernika wynosi 800-1300 hPa, a dokładność ± 10 Pa.

7.3. Przyrządy do pomiaru różnicy ciśnień

Pomiaru różnicy ciśnień powietrza dokonujemy manometrami lub deprymometrami

7.3.1. Manometry

Manometry z uwagi na zasadę działania dzielimy na cieczowe, sprężyste i z przetwornikami elektrycznymi

7.3.1.1. Manometry cieczowe

Manometry cieczowe wypełnione są najczęściej wodą, alkoholem lub rtęcią.

Ciecze te powinny charakteryzować się m.in. stałością składu chemicznego, małą lepkością, małymi współczynnikami rozszerzalności objętościowej i napięcia powierzchniowego. W zależności od napięcia powierzchniowego cieczy manometrycznej menisk może mieć kształt wklęsły (np. dla wody lub alkoholu) i wówczas poziom cieczy w rurce kapilarnej jest wyższy niż w naczyniu (rys. 7.16a), lub kształt wypukły (np. dla rtęci) i wtedy słupek cieczy w rurce jest niższy niż w naczyniu (rys. 7.16a).

Rys 7.16. Menisk a - wklęsły, b - wypukły

Zmiana wysokości poziomu cieczy w kapilarze w stosunku do poziomu w naczyniu zależy wprost proporcjonalnie od napięcia powierzchniowego cieczy manometrycz­nej i odwrotnie proporcjonalnie od średnicy rurki.

Opisane zjawisko włoskowatości utrudnia prowadzenie pomiarów manometrycz­nych, ponieważ może być źródłem błędów systematycznych. Chcąc zminimalizować w pomiarach manometrycznych wpływ tego zjawiska należy stosować w manometrach ciecze o małej lepkości i rurki o stosunkowo dużych średnicach.

W eksploatacji manometrów należy przestrzegać zaleceń producentów dotyczących stosowa­nych w nich cieczy manometrycznych.

Wśród manometrów cieczowych w wentylacji kopalń stosuje się manometry dwuramienne (U-rurki) oraz manometry jednoramienne (ze zbiornikiem).

Manometr typu U-rurka

Zbudowany jest z dwóch pionowych, połączonych ze sobą przeźroczystych rurek wypełnionych cieczą manometryczną (rys. 7.17 i 7.18a-c). Wybrane modele tego typu manometrów pokazano na rys. 7.18d-f .

Rys. 7.17. Zasada działania manometru typu U-rurka

Wartość mierzonej różnicy ciśnień (na rys. 7.17 - nadciśnienia w stosunku do atmosfery) można wyznaczyć z zależności

(7.3)

gdzie:
- gęstość cieczy manometrycznej, kg/m³,

h - różnica poziomów cieczy manometrycznej, m.

Rys. 7.18a. Manometr typu U- rurka	Rys. 7.18b. Zasada działania manometru typu U- rurka
Rys. 7.18c. Manometr typu U- rurka	Rys. 7.18d. Manometr typu U-rurka
Rys. 7.18e. Manometry	Rys. 7.18f. Manometry typu U-rurka

Przykład

Manometrem typu U-rurka zmierzono różnicę ciśnień na tamie równą h = 96 mm. Ile wynosi zmierzona różnica ciśnień jeśli cieczą manometryczną był denaturat o gęstości ρ = 820 kg/m³.

Δp = 9,80665 × 820 × 0,096 = 772 Pa.

Dokładność pomiaru różnicy ciśnień manometrem typu U-rurka jest rzędu ± 1 mm słupa cieczy manometrycznej. Różnicy wysokości słupów cieczy dokonuje się jednocześnie w dwóch ramionach U-rurki, co może prowadzić do błędów w odczycie na skali przyrządu, szczególnie przy pomiarach np. spiętrzeń wentylatorów, gdy mierzona różnica ciśnień, na skutek zakłóceń występujących w sieci wentylacyjnej, pulsuje, a rejestrowane poziomy cieczy szybko zmieniają się w czasie pomiaru.

Dokładniejszy odczyt mierzonej różnicy wysokości słupów cieczy można uzyskać stosując do pomiarów manometry typu U-rurka z ruchomą skalą, pozwalającą przed rozpoczęciem pomiarów wyzerować manometr (ustawić w stanie spoczynku zero skali na wysokości słupów cieczy). Pomiar mierzonej różnicy wysokości słupów cieczy sprowadza się w tym przypadku do odczytu wskazań manometru na jednym z ramion i pomnożeniu go przez dwa, co w sposób oczywisty wynika z rys. 7.18c.

Na rys. 7.18d pokazano rozwiązanie manometru, w którym, w celu wyzerowania manometru, zamiast skali przemieszcza się wzdłuż niej U-rurkę.

Manometr jednoramienny ze zbiornikiem

Zasadę działania manometru ze zbiornikiem pokazano na rys. 7.19.

Rys. 7.19. Manometr ze zbiornikiem

Wykorzystując oznaczenia z rysunku można napisać dla stanu równowagi hydrostatycznej

(7.4)

Z zasady zachowania masy wynika, że dla
= const objętości słupów cieczy o polach przekroju A₁ i A₂ spełniają zależność

(7.5)

Kojarząc zależności (7.4) i (7.5) otrzymujemy

(7.6)

Stosunek A₂/A₁ wynosi zwykle od 1/100 do 1/400, wobec tego różnicę ciśnień można określić z zależności

(7.7)

przy czym popełnia się przy tym błąd mniejszy od 1%.

Manometr ze zbiornikiem firmy KIMO z serii DFP pokazano na rys 7.20. Pozwala on na precyzyjny pomiar różnicy ciśnień z dokładnością ± 1 Pa. Tak dużą precyzję pomiaru uzyskano przez zastosowanie optycznego odczytu wysokości słupa cieczy. W normalnych wykonaniach manometry ze zbiornikiem pozwalają na pomiar różnicy ciśnień z o rząd mniejszą dokładnością.

Rys. 7.20. Precyzyjny manometr ze zbiornikiem z serii DFP firmy KIMO

Manometr z rurką pochyłą

Manometry tego typu są często wykorzystywane w trakcie pomiarów wentylacyjnych z uwagi na stosunkowo dużą dokładność i powtarzalność wyników w trudnych warunkach górniczych.

Zasadę działania takiego manometru przedstawiono na rys. 7. 21.

Rys. 7.21. Zasada działania manometru z rurką pochyłą

Zasada działania manometru z rurką pochyłą jest prawie identyczna jak manometrów ze zbiornikiem, z tym że dla zwiększenia dokładności pochyla się rurkę. W tym przypadku mierzona różnica słupa cieczy jest równa

(7.8)

gdzie
(7.9)

Bilansując masy słupków cieczy manometrycznej o stałej gęstości otrzymujemy

(7.10)

gdzie:

A₁ - pole poziomego przekroju zbiornika z cieczą,

A₂ - pole przekroju wewnętrznego rurki.

Wyznaczamy
z zależności (7.10) i
z zależności (7.9) i wstawiamy do zależności (7.8). W wyniku stosownych przekształceń i pomnożeniu obustronnie przez iloczyn
otrzymujemy

(7.11)

Wielkość
nazywa się przełożeniem manometru.

Projektując manometry z rurką pochyłą zakłada się, że A₂/A₁
0, wobec tego wzór (7.11) przyjmie prostszą postać

(7.12)

Dokładność tego typu manometrów jest przeważnie około 0,1 mm słupa cieczy manometrycznej, dla nachylenia rurki między 5 a 30°.

Na rys.7.22a-d pokazano sposób pomiaru ciśnień takimi manometrami, natomiast na rys. 7.22d przedstawiono manometr z rurką pochyłą firmy Lambrecht o zmiennym nachyleniu rurki. W praktyce wentylacyjnej stosuje się również manometry o stałym nachyleniu rurki. Przykładowe rozwiązania tego typu manometrów pokazano na rys. 7.22e-f.

Rys. 7.22a. Manometr z rurką pochyłą - zasada pomiaru	Rys. 7.22b. Manometr z rurką pochyłą - pomiar ciśnienia statycznego
Rys. 7.22c. Manometr z rurką pochyłą - pomiar ciśnienia całkowitego	Rys. 7.22d. Mikromanometr z rurką pochyłą firmy Lambrecht
Rys. 7.22e. Mikromanometr z rurką pochyłą o stałym nachyleniu	Rys. 7.22f. Mikromanometr z rurką pochyłą o stałym nachyleniu - Airflow

Mikromanometr kompensacyjny Ascania

Mikromanometr kompensacyjny może być stosowany do pomiaru pod- i nadciśnienia w zakresie od 0 do 1500 Pa. Schemat takiego przyrządu pokazano na rys. 7.23.

Rys.7.23. Mikromanometr kompensacyjny MK-1 a) schemat przyrządu, b) przekrój przez zbiornik, c) obraz w zwierciadle dla stanu równowagi

Zasadniczymi częściami składowymi przyrządu są dwa naczynia 1 i 2 (rys. 7.23) połączone między sobą elastycznym wężem 3 i wypełnione wodą destylowaną. Naczynie 1 (o większym polu przekroju), osadzone na śrubie mikrometrycznej 6, może swobodnie zmieniać położenie w pionie, natomiast naczynie 2 można przemieszczać do góry lub w dół za pomocą pierścienia 5, ale tylko w niewielkim zakresie. Wewnątrz naczynia 2 osadzone jest trójkątne ostrze 7. Gdy lustro cieczy w naczyniu 2 dotknie ostrza, to w zwierciadle 8 uzyska się obraz pokazany na rys 7.23c.

Położenie naczynia 1 można zmieniać śrubą mikrometryczną 6 przez obrót głowicy 9, wyposażonej w podziałkę 10 stanowiącą śrubę mikrometryczną podziałki pionowej 11. Wysokość położenia naczynia 1 określa się na podstawie położenia wskaźnika 12 na skali pionowej 11, której działka elementarna wynosi l mm.

Po wypoziomowaniu mikromanometru oraz ustawieniu wskaźników 12 i 14 na zero, ostrza obserwowane w zwierciadle 8 powinny stykać się jak na rys. 7.26c. Jeśli ostrze jest w innym położeniu, to należy podnieść lub obniżyć zbiornik 2 za pomocą śruby 5. Po wykonaniu tej czynności przyrząd jest gotowy do przeprowadzenia pomiaru.

Po podłączeniu króćców 13 do ciśnienia wyższego oraz 3 do niższego należy śrubą 9 podnosić ruchome naczynie 1 aż do zaobserwowania w lusterku obrazu ostrzy stykających się w sposób identyczny jak przed pomiarem. Wysokość, na jaką należy podnieść naczynie l, aby skompensować różnicę ciśnień, odczytuje się na podziałce 11 oraz noniuszu 10 z dokładnością do 0,01 mm.

Mikromanometr kompensacyjny wymaga dokładnego wypoziomowania. Wadą przyrządu jest martwy ruch śruby oraz kłopotliwy odczyt. Czułość mikromanometru wynosi 50 działek skali na l mm H₂O = 9,81 Pa i jest jednakowa dla całego zakresu pomiarowego. Oznacza to, że maksymalny błąd bezwzględny wynosi ±0,2 Pa.

Mikromanometry typu Ascania o nazwie MK-1, MK-2 produkuje ZAM Kęty.

Mikromanometr omawianego typu nie nadaje się do pomiaru szybko-zmiennych różnic ciśnienia. Dlatego też używany jest głównie w pomiarach laboratoryjnych, natomiast przy pomiarach różnic ciśnień w sieciach wentylacyjnych czynnych kopalń, z uwagi na duże pulsacje mierzonego ciśnienia powietrza, nie jest zalecany.

Mikromanometr projekcyjny Betza

W laboratoriach aerodynamicznych stosowany jest manometr projekcyjny opracowany przez Betza (rys. 7.24 i 7.25).

W cylindrycznej rurze umieszczona jest przezroczysta skala l (rys. 7.24a) z działkami co l mm. Skala jest połączona ze szklaną kulą 2, która pływa w cieczy manometrycznej. W zależności od różnicy ciśnień w obszarze nad kulą oraz w zbiorniku z cieczą ustala się położenie skali obserwowane w okularze.

Podziałka na matówce 3 okularu jest wygrawerowana co l Pa (0,1 mm H₂O), dzięki czemu różnicę ciśnień można odczytać z dokładnością do 0,5 Pa (0,05 mm H₂O). Zastosowanie układu optycznego ułatwia i przyspiesza wykonanie odczytu.

Manometry tego typu mają zwykle zakres od 0 do ± 4-10³ Pa.

Jednym z producentów przyrządu jest E. Schiltknecht, Zurych, Szwajcaria.

Rys. 7.24a. Mikromanometr typu Betz a) schemat, b) widok ogólny	Rys. 7.24b. Mikromanometr typu Betz firmy ACIN

Rys. 7.25. Mikromanometr typu Betz z lewej - części składowe mikromanometru, z prawej - widok mikromanometru

Manometry sprężyste

Manometrów cieczowych nie można stosować do pomiaru ciśnień szybko zmieniających się. W manometrach z elementami sprężystymi bezwładność przyrządu jest niewielka, głównie dzięki małej masie czujnika, a także dzięki możliwości zabudowania przyrządu w pobliżu punktu, w którym należy wykonać pomiar. Odpowiedni dobór wielkości komory ciśnieniomierza pozwala na skrócenie czasu wyrównywania się ciśnienia w komorze i mierzonym punkcie. Wysoka częstotliwość drgań własnych elementów sprężystych umożliwia pomiar ciśnień szybkozmiennych.

Sygnałem wyjściowym w manometrach sprężystych jest wielkość odkształcenia lub wielkość siły kompensującej powstałą deformację elementu sprężystego. Metoda kompensacyjna pomiaru eliminuje błąd wynikający z histerezy, lecz uzyskanie wyższej dokładności wymaga wydłużenia czasu pomiaru.

W pomiarach, które wykonują kopalniane służby wentylacyjne, znajdują zastosowanie przyrządy, w których wielkość odkształcenia jest wyznaczana za pomocą układów mechanicznych, optycznych lub elektrycznych.

Elementami sprężystymi są (rys. 7.31): rurka Bourdona, rurka spiralna, membrana płaska, membrana karbowana, blok puszek aneroidowych lub mieszek sprężysty.

Pod wpływem panującego wewnątrz ciśnienia zgięta rurka Bourdona (rys. 7.3 la) dąży do rozprostowania się. Przemieszczenie swobodnego końca układu kinematycznego oddziałuje na wskazówkę manometru. Podobnie działa rurka spiralna (rys. 7.31 b).

Membrany (rys. 7.31 c) mogą służyć do pomiaru ciśnień szybkozmiennych. Małe gabaryty przyrządu na ogół pozwalają na zainstalowanie membrany bezpośrednio w miejscu, gdzie wykonuje się pomiar ciśnienia. Czułość membran jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu częstotliwości drgań własnych oraz do grubości membrany. Częstotliwość drgań własnych membrany powinna być kilkakrotnie wyższa od częstotliwości pulsacji ciśnienia. Stosunkowo niewielkie deformacje płaskiej membrany zwiększa się i przenosi mechanicznie lub optycznie, a czasami także metodami elektrycznymi.

Najczulszym elementem jest mieszek sprężysty (rys. 7.3 le,/), który jest wykonany w formie cienkościennego naczynia cylindrycznego z pierścieniowymi karbami. Duża liczba karbów sprawia, że pod wpływem zmiany ciśnienia wewnątrz sylfonu lub w jego otoczeniu ruchome denko mieszka przemieszcza się w dużym zakresie od 5 do 10% długości. Zakres pomiarowy dobiera się w obszarze liniowej zależności odkształcenia od ciśnienia. Zależność taka istnieje w szerokim zakresie przy ściskaniu mieszka. Przy większych długościach sylfonu obserwuje się niestabilność charakterystyki i histerezę. Częściowym zabezpieczeniem przed tymi wadami może być cylindryczna sprężyna wprowadzona do wnętrza sylfonu.

7.3.1.3. Manometry z przetwornikami elektrycznymi

7.3.2. Deprymometry

Do pomiaru różnicy ciśnień powietrza w wyrobiskach górniczych skonstruowano deprymometr (rys. 7.29).

W termosie napełnionym drobno pokruszonym lodem znajduje się zbiornik 1, który może być połączony z atmosferą po otwarciu zaworu 2. Jeden koniec wygiętej rurki 3 jest połączony z atmosferą, drugi ze zbiornikiem l. Zbiornik i rurka wypełnione są zabarwioną naftą, która jest cieczą manometryczną. Wzdłuż zewnętrznej części rurki ułożona jest skala. Po otwarciu zaworu 2 poziom nafty ustala się na jednakowej wysokośei w zbiorniku i rurce.

Po zamknięciu zaworu 2 i przeniesieniu deprymometru z punktu o ciśnieniu p do punktu o ciśnieniu p + , równanie równowagi cieczy manometrycznej (wyrażone ciśnieniem) dla płaszczyzny poziomu cieczy w zbiorniku 1 przyjmuje postać

(7.22)

gdzie

- zmiana ciśnienia w zbiorniku 1,

- zmiana wysokości cieczy manometrycznej w rurce 3,

- zmiana wysokości cieczy manometrycznej w zbiorniku 1,

- gęstość cieczy manometrycznej.

Po redukcji otrzymuje się

(7.23)

Z bilansu masy cieczy wynika

gdzie

- pole przekroju zbiornika 1,

- pole przekroju rurki 3,

- zmiana objętości cieczy manometrycznej w zbiorniku 1 po przeniesieniu deprymometru z punktu o ciśnieniu p do miejsca o ciśnieniu p + .

Termos z lodem ma zapewnić utrzymanie zbiornika 1 w stałej temperaturze. W związku z tym zmianę ciśnienia gazu nad cieczą manometryczną w zbiorniku 1 można obliczyć z prawa Boyle'a i Mariotta

Zmiana ciśnienia gazu w zbiorniku 1 wynosi zatem

Po uwzględnieniu poprzednich zależności w wyrażeniu (7.23) otrzymuje się

(7.24)

Czułość deprymometru wynosi około 0,15 mm/Pa. Mimo pewnych niedogodności związanych z przygotowaniem lodu, deprymometry są przyrządami charakteryzującymi się prostotą budowy i stosunkowo wysoką dokładnością, równą od 3 do 5 Pa.

Ciąg dalszy nastąpi ............

---