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 DF do pola powierzchni DA, gdy wartość DA dąży do zera w taki sposób, że punkt K leży na elemencie DA, 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
gdzie:
pc – ciśnienie całkowite powietrza, Pa,
p – ciśnienie statyczne powietrza, Pa
pd – ciśnienie dynamiczne powietrza, Pa, równe
- 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).
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
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,
q cieczowe,
- dwuramienne, np. typu U-rurka,
- jednoramienne ze zbiornikiem, np. z rurką pochyłą (typu MPR-4),
- kompensacyjne, np. typu MK-1,
- projekcyjne typu Betz,
q sprężyste,
q 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
produkowane modele barometrów rtęciowych, tj. barometry lewarowe i Fortina.
wroepo