Měření tlaku

Hlavní jednotkou tlaku je v soustavě SI pascal, značka Pa. Odpovídá síle jednoho newtonu působící na plochu jednoho metru čtverečního. Pro mnoho oborů technické praxe ja pascal nevhodný kvůli své malé velikosti a poměrně těžké měřitelnosti. Používají se proto jeho násobky a díly:

Dekadické násobky

• V technické praxi v oborech pracujících s tlaky řádově blízkými tlaku atmosférickému nebo vyššími (tlaková zařízení, hydrostatické tlaky ve větších hloubkách) se používají zejména násobky kilopascal (kPa, tj 10³ Pa) a megapascal (MPa, tj. 10⁶ Pa).
• V oboru hlubinné geologie a geofyziky se používá také gigapascal (GPa, tj. 10⁹ Pa).
• Hektopascal (hPa, tj. 100 Pa) se ve větší míře používá pouze v meteorologii, kde nahradil tradiční, stejně velký milibar.

Dekadické díly

• Ve vakuové technice se používají menší jednotky jako milipascal (mPa, tj. 10⁻³ Pa) a mikropascal (μPa, tj. 10⁻⁶ Pa).

Pascal (včetně jeho dekadických násobků a dílů je jedinou jednotkou plně podporovanou současnými českými i evropskými technickými normami. V jiných částech světa se lze setkat s mnoha dalšími jednotkami tlaku. I v Česku se v technické praxi tradičně používají mnohé další zastaralé jednotky nebo jednotky vycházející ze zahraničních měrových soustav. Některé z nich uvádí následující přehled:

1 bar = 100 000 Pa. Bar je užíván pro svou názornost zejména v průmyslu neboť přibližně odpovídá starší jednotce tlaku jedné atmosféry. V meteorologii byla běžně používaná jednotka milibar (tisícina baru).

(Technická) atmosféra (značka at) je zastaralou jednotkou tlaku, nepatřící do soustavy jednotek SI.

1 at = kp/cm² = g_n·kg/cm² = 98066 Pa.

Jiné názvy pro (technickou) atmosféru jsou "kg/cm²" či "kp/cm²". První název je z dnešního pohledu nejen zastaralý, ale i nesprávný, protože nerespektuje fyzikální rozměr, ve skutečnosti se myslí g_n·kg/cm².

Fyzikální atmosféra neboli standardní atmosféra (značka atm) je zastaralá jednotka, která se rovná normálnímu barometrickému tlaku při hladině moře. Platí proto

1 atm = 101 325 Pa.

1 mmH₂O = 9,8066 Pa. Tato jednotka je odvozena z praktické realizace měření velmi malých tlaků pomocí tzv. U trubic naplněných vodou. Používala se a doposud někdy používá zejména v oblasti vzduchotechniky nebo řízení spalovacích procesů. Vyskytuje se i zápis mm v.s. Můžeme se setkat také se stejně definovanou jednotkou, ale 1000× větší - mH₂O.

1 inH₂O = 1 inAq = 249,1 Pa. Obdoba předešlé jednotky, dodnes hojně používaná v angloamerických teritoriích.

1 torr = 1 mmHg = 133,32 Pa. Zastaralá, nepovolená jednotka tlaku. Odvozena z fyzické realizace dnes již nepoužívaných rtuťových tlakoměrů. Nejčastěji se používala zejména v meteorologii, kde ji nahradila alespoň řádově podobná jednotka hPa (hektopascal). Jako torr se dodnes používá především v lékařství.

1 inHg = 3386,4 Pa. Obdoba předchozí jednotky, používaná v angloamerických teritoriích.

1 psi = 6894,8 Pa ("pound per square inch"). Nejčastěji používaná jednotka pro měření tlaku v angloamerických teritoriích.

Pro vyjádření okolností se v praxi užívají následující varianty této jednotky:

• psia ("pound per square inch absolute") udává tlak absolutní, tj. oproti vakuu;
• psig ("pound per square inch gage") udává přetlak vzhledem k tlaku atmosférickému.

1 psf = 47,881 Pa ("pound per square foot"). Jednotka používaná zřídka pro měření malých tlaků v angloamerických teritoriích.

Hydrostatická měřidla ( jako například sloupcový rtuťový manometr) porovnávají tlak s hydrostatickou silu na jednotku plochy. Hydrostatická měřidla jsou nezávislá na druhu měřeného plynu a může být navržen tak, aby měl velmi lineární kalibraci. Tyto snímače mají špatnou dynamickou odezvu.

Pístová měřidla s protiváhou kapaliny a pružinou (například měřidla tlaku pneumatik s nízkou přesností).

Jak už sám název napovídá, jedná se o průhlednou trubici (většinou skleněnou) zahnutou do tvaru písmene U. Manometr měří rozdíl tlaků ve dvou bodech, kdy jeden bod je připojen na referenční tlak (předem definovaný) a druhý bod je připojen na měřený tlak. Výhodou je poměrně vysoká přesnost (u mikromanometrů s laserovým odečtem) nevýhodou je malá rychlost měření, tedy dynamického tlaku. V ustáleném stavu je rozdíl mezi referenčním (nebo známým) tlakem p1 a měřeným (neznámým) tlakem p2 dán vztahem ${\displaystyle \Delta p=p2-p1}$ nebo ${\displaystyle \Delta p=h\rho g\,\!}$ kde ρ je hustota manometrické kapaliny při teplotě měření, g je místní gravitační zrychlení a h je výškový rozdíl hladin v obou ramenech manometru.

Pro tlaky nižší než tlak atmosférický se často používá zkrácený rtuťový U-manometr. Rozdíl hladin v ramenech tohoto manometru nám přímo udává tlak vakua v připojeném systému jednotkách torr (mm Hg sloupce). Pro velmi přesná měření jsou k dispozici mikromanometry s laserovým odečtem hladiny rtuti a ty jsou schopny měřit změny tlaků 0,05 Pa.

McLeodův kompresní manometr pracuje tak že nad rtuťovým uzávěrem je uzavřeno definované množství plynu, který je stlačován (expandován) hydrostatickým tlakem rtuťového sloupce a tlakem v měřeném prostoru. Princip tohoto manometru je založen Boylově zákonu a slouží jako tlakový (vakuový) standard pro rozsahy od 10⁻⁴ Pa do 10³ Pa s kalibrační nejistotou 0,5% pro tlaky vyšší než 10⁻¹ Pa a kolem 3% při tlacích nižších než 10⁻² Pa.

Aneroid je přístroj k měření atmosférického tlaku (tlaku vzduchu), na rozdíl od barografu ukazuje současný stav tlaku. Práce s aneroidem byla oproti práci se rtuťovým tlakoměrem podstatně jednodušší, protože přístroj je menší, uzavřený (nehrozí únik rtuti) a odolnější (nehrozí rozbití skleněných částí).

Manometr s Bourdonovou trubicí

Jedná se o mechanický převodník tlaku, který převádí tlakovou energii na výchylku měřícího zařízení. Výhodou těchto manometrů je poměrně široký rozsah měřených tlaků, od 0 do cca 2000 MPa. Je určen především pro měření tlaku vzduchu (při měření tlaku vodních par je nutné jej připojit přes tzv. kondenzační smyčku)

Boudonův manometr využívá principu sploštělé trubičky zahnuté do kruhového tvaru, která se při připojení tlaku snaží narovnat a naopak při odpojení tlaku se vrací do kruhového tvaru. Ačkoli tato změna je prakticky neznatelná, postačuje k převodu tlakové síly na výchylku ukazatele manometru. Napětí této Boudonovy trubice se někdy zvětšuje sploštěním do tvaru písmene C nebo stočením trubice do tvaru šroubovice.

V praxi je sploštělá tenkostěnná trubice připojena na zdroj tlaku měřeného média. Druhý, uzavřený, konec se při rostoucím tlaku pohybuje do oblouku a tím se pomocí malé převodovky rozpohybuje ukazatel do rotačního pohybu. Tento mezičlen, převodovka je většinou nastavitelná. Prostor ke kalibraci poskytuje umístění počátku (nulového tlaku) a umístění číselníku.

Na následujícím obrázku je zobrazen manometr s kombinovaným ciferníkem pro měření přetlaku a podtlaku.

Přední část s ukazatelem a ciferníkem

Mechanická část s Bourdonovou trubicí

• the left side of the face, used for measuring manifold vacuum, is calibrated in centimetres of mercury on its inner scale and inches of mercury on its outer scale.
• the right portion of the face is used to measure fuel pump pressure and is calibrated in fractions of 1 kgf/cm² on its inner scale and pounds per square inch on its outer scale.

Detail mechanických dílů

Pevné součásti:

• A: Vstupní blok. Spojuje přívodní trubku k pevnému konci Bourdonovy trubice (1) a zajišťuje desku šasi (B). Dva otvory jsou určeny pro přišroubování pouzdra.
• B: Deska šasi. Slouží k připojení ciferníku, součástí jsou také díry pro osky ostatních součástí.
• C: Druhá deska šasi. Zajišťuje druhé konce osek.
• D: Distance spojující a vymezující vzdálenost mezi oběma deskami šasi.

Pohyblivé části:

1. Pevný konec Bourdonovy trubice, který je propojen s přívodní trubkou přes vstupní blok.
2. Pohyblivý konec Bourdonovy trubice. Tento konec je zatěsněn.
3. Čep
4. Díl spojující čep s pákou (5) oba díly umožňují rotaci.
5. Páka, která je prodloužením úhlového převodu (7)
6. Čep úhlového převodu.
7. Úhlový převod.
8. Osa ukazatele. Má ozubené kolo, které zapadá do úhlového převodu (7) a prochází ciferníkem kde je na ni připojen ukazatel. Vzhledem k malé vzdálenosti mezi pákou a čepem a rozdílu mezi efektivní poloměrem úhlového převodu a ozubeného kola na ose ukazatele, je každý pohyb Bourdonovy trubice velmi zesílen. I malý pohyb trubice má za následek značný pohyb ukazatele.
9. Vlasová pružina zajišťující předpětí úhlového převodu. Eliminuje kmitání a určuje hysterezi.

K měření průtoku tekutiny nebo rychlosti těles pohybujících se v tekutinách se užívá rozdílů v dynamickém tlaku při obtékání zúženého místa potrubí (sondy) nebo letícího tělesa. Typickým zařízením pro taková tlaková měření je Pitotova trubice, nebo její modifikace - Prandtlova sonda.

Změny atmosférického tlaku s výškou se využívá při měření výšky pomocí barometru, v tomto případě zvaném výškoměr.