Omvandla tryckenheter

Vad är tryck?

Tryck beror inte bara på storleken på den kraft som verkar på en yta, utan även på den yta som kraften fördelas över. Om samma kraft verkar på en mindre yta ökar trycket; om den fördelas över en större yta minskar det. Därför kan en skarpt slipad kniv skära med liten kraft, medan samma kraft på en bred yta ger en mycket mindre ytpåverkan.

Inom vätskemekaniken betraktas tryck som den normala spänningskomponent en vätska i vila eller rörelse utövar på sin omgivning. I en vätska i vila fortplantar sig trycket i alla riktningar och är kopplat till Pascals princip i slutna kärl. Denna egenskap ligger till grund för hydrauliska pressar, bromssystem och talrika industriella manöverdon.

Begreppet tryck är inte begränsat till vätskor och gaser. Effekten av den genomsnittliga normalkraften på kontaktytor skapar också en tryckliknande fördelning. Men inom tekniken tänker man vid tryck främst på vätskesystem som ledningar, tankar, kompressorer, luftkanaler, vakuumkammare och den atmosfäriska omgivningen.

Tryckformeln: P = F / A

Trycks grunddefinition ges av sambandet P = F / A. Här representerar P trycket, F kraftkomponenten vinkelrätt mot ytan, och A den yta som kraften fördelas över. Den dimensionella analysen ger newton delat med kvadratmeter, vilket motsvarar enheten pascal.

Detta samband ger, under antagande av en jämn kraftfördelning, medeltrycket. Vid verkliga kontaktproblem eller komplexa fält inuti en vätska kan trycket variera över ytan. I sådana fall beaktas istället för ett enda medelvärde den lokala tryckfördelningen, differentialekvationer och randvillkor.

Ett vanligt fel i praktiken är att välja fel riktning på kraften och den effektiva ytan. Vid beräkning av kraften hos en kolv måste till exempel bara den effektiva tvärsnittsyta som utsätts för trycket användas. Att ignorera geometriska detaljer som packningen, bulten eller stödytan kan leda till konstruktionsfel.

För mer information om enheten Pascal, se informationssidan för Pascal.

Varför är pascal SI-enheten för tryck?

Pascal uppstår naturligt ur kombinationen av newton, SI:s kraftenhet, och kvadratmeter, SI:s areaenhet. Likheten 1 På = 1 N/m² är inte bara en definition, utan också ett dimensionellt uttryck som visar tryckets mekaniska ursprung. Därför behövs ingen oberoende grundenhet för tryck definieras.

SI-systemet strävar efter att på ett konsekvent sätt koppla härledda storheter till grundenheter. Att uttrycka tryck i pascal ger ett ramverk som är kompatibelt med energitäthet, spänning, elasticitetsmodul och ekvationer från vätskemekaniken. Att samma enhet kan användas inom olika områden minskar omvandlingsfel i beräkningar.

På vardaglig skala är pascal oftast en mycket liten enhet. Därför föredrar tekniken mer praktiska skalor som kilopascal, megapascal eller bar. Ändå är de alla i slutändan kopplade till pascal och således till SI-basen.

Tryckmätningens historia: Torricelli och barometern

Den systematiska mätningen av tryck inleddes 1643 med utvecklingen av kvicksilverbarometern av den italienske vetenskapsmannen Evangelista Torricelli. Torricelli observerade att när ett i ena änden slutet glasrör fyllt med kvicksilver, med den öppna änden nedsänkt i ett kvicksilverkärl, så stannade kvicksilvret i röret på en viss höjd och lämnade ett vakuum ovanför.

Torricelli föreslog att höjden på kvicksilverpelaren balanserades av den yttre luftens vikt. Denna idé lade den experimentella grunden för tanken att luft har en mätbar vikt och därmed ett tryck, och betraktas som utgångspunkten för studiet av tryck som en vetenskaplig storhet.

1648 mätte Florin Périer, på förslag av Blaise Pascal, en barometer på olika höjder på Puy de Dôme och visade att det atmosfäriska trycket minskar med höjden. Det senare arbetet utifrån dessa grunder ledde till internationell samordning av mätenheter med Meterkonventionen 1875, den exakta definitionen av standardatmosfären 1954 och införandet av pascal i SI 1971.

Absolut, relativt och differentiellt tryck

Absolut tryck mäts i förhållande till fullständigt vakuum. Denna referens är situationen där trycket teoretiskt är noll, och absolut tryck kan aldrig vara negativt. Gaslagar, termodynamiska beräkningar och vissa densitetsrelaterade samband fungerar med absolut tryck.

Relativt (eller över-)tryck mäts i förhållande till det atmosfäriska trycket. De flesta manometrar i fält tar den omgivande atmosfären som nollreferens; därför är värdet som avläses på skärmen oftast det relativa trycket. Sambandet mellan absolut och relativt tryck uttrycks som P_abs = P_rel + P_atm.

Differentiellt tryck är tryckskillnaden mellan två punkter. Vid tillämpningar som filterigensättning, flödesmätning via en mätplatta, rumstrycksreglering eller en värmeväxlares prestanda följs direkt tryckskillnaden mellan två ledningar eller två olika volymer. Denna storhet är varken definierad i förhållande till fullständigt vakuum eller enbart i förhållande till atmosfären; den är direkt skillnaden mellan två punkter.

Atmosfäriskt tryck

Atmosfäriskt tryck är det tryck som utövas på ytor av vikten hos jordatmosfärens luftpelare. Under standardförhållanden nära havsnivå anses det vara cirka 101 325 På, det vill säga 1 atm. Detta är dock inget konstant värde; det varierar med höjd, väderförhållanden och temperatur.

Barometrar används för att mäta det atmosfäriska trycket. Kvicksilverbarometrar var historiskt referensinstrument, medan elektroniska trycksensorer har blivit vanliga i moderna tillämpningar. Atmosfäriskt tryck är inte bara viktigt för meteorologin, utan även för vakuumteknik, förbränningssystem och omvandlingar mellan relativt och absolut tryck.

I system som arbetar med relativt tryck kan variationer i det atmosfäriska trycket påverka tolkningen av mätningen. Ett relativt tryck på 2 bar vid havsnivå och ett relativt tryck på 2 bar på hög höjd ger till exempel inte samma absoluta värde. Denna distinktion kan vara avgörande, särskilt vid kompressionsberäkningar, gasdensitet och kokpunkt.

Hydrostatiskt tryck och sambandet P = ρgh

I en vätska i vila ökar trycket med djupet. Under antagande av konstant densitet uttrycks det hydrostatiska relativa trycket ungefär med sambandet P = ρgh. Här representerar ρ densiteten, g tyngdaccelerationen och h höjden på vätskepelaren.

Detta samband är särskilt användbart för vattentankar, öppna bassänger, dammar, nivåmätning och vätskepelarmanometrar. Vid samma höjd och i samma vätska anses trycket vara lika; kärlets form ändrar inte resultatet. Det som räknas är vätskans densitet och det vertikala djupet i förhållande till den fria ytan.

Det absoluta hydrostatiska trycket omfattar inte bara ökningen ρgh, utan även begynnelsetrycket på den fria ytan. I ett öppet kärl är detta begynnelsevärde oftast det atmosfäriska trycket. Vid beräkning av absolut tryck måste därför inte bara ökningen från vätskepelaren adderas, utan även det yttre trycket på ytan.

Statiskt, dynamiskt och totalt tryck

Statiskt tryck är den tryckkomponent som representerar flödets lokala termodynamiska tillstånd, ur perspektivet hos en observatör som rör sig med vätskan. De flesta mätpunkter i ledningar, tankar och kanaler följer i grunden det statiska trycket. De flesta trycktransmittrar är konstruerade för att mäta denna storhet.

Dynamiskt tryck uttrycker den kinetiska effekten till följd av flödeshastigheten och den vanliga approximativa formeln är q = 1/2 ρv². Denna term spelar en viktig roll i Bernoullis approximation och används i hastighetsmätmetoder som pitotröret. Ju högre hastighet, desto högre dynamiskt tryck.

I det ideala flödesantagandet tolkas det totala trycket som summan av statiskt och dynamiskt tryck. I verkliga system måste denna distinktion användas med försiktighet på grund av friktion, turbulens, komprimerbarhet och lokala förluster. Ändå förblir distinktionen statisk-total-dynamisk ett grundläggande tekniskt språk inom ventilation, aerodynamik och processmätningar.

Tryckhöjd och en pumps uppfordringshöjd

Tryckhöjd uttrycker ett visst tryck i termer av den motsvarande höjden hos en vätskepelare. Grundsambandet skrivs h = P / (ρg). Så motsvarar samma tryck en annan höjd beroende på vätskans densitet.

I pumpsystem tolkas tryck oftast inte direkt i pascal eller bar, utan i meter vätskepelare. Detta beror på att pumpens funktion inte bara är att ge vätskan tryck, utan också att förse den med den energi som krävs för att övervinna en viss höjd, friktionsförluster och en hastighetskomponent. Därför är begreppet uppfordringshöjd mycket praktiskt ur fältteknikens perspektiv.

Tryckhöjd och geometrisk höjd är inte samma begrepp. Att bara lita på avläsningen från en manometer utan att beakta ledningsförluster, hastighetshöjd och lokala motstånd kan ge felaktiga resultat vid pumpval och systembalansering. Särskilt för vatten, olja och processvätskor kräver densitetsskillnader en noggrann omvandling.

Varför finns det olika tryckenheter?

Mångfalden av tryckenheter förklaras till stor del av historiska och sektoriella skäl. Medan SI-systemet tar pascal som referens, fortsätter industrin att använda bar, medicinen mmHg, meteorologin millibar, fordonsbranschen PSI, och vissa gamla tekniska dokument den tekniska atmosfären. Denna situation beror på att de olika områdena behåller sina egna bruksvanor.

Vissa enheter är mer intuitiva för användaren. Däcktrycket kan till exempel verka mer läsbart uttryckt i cirka 35 psi än i 240 kPa, och processtrycket i 3,5 bar istället för i 350 000 På. Valet av enhet beror inte bara på precision, utan även på förhållandekultur, instrumentens skala och bruksvanor i fält.

Eftersom olika enheter dock uttrycker samma fysikaliska storhet är en noggrann omvandling oumbärlig vid kombinerade beräkningar. Att förväxla approximativa omvandlingsfaktorer med exakt definierade faktorer, ignorera distinktionen relativ-absolut, och läsa symboler fel är viktiga felkällor.

Hur mäts tryck?

För att mäta tryck måste man först fastställa vilken trycktyp som krävs: absolut, relativt eller differentiellt. Därefter bedöms mätområdet, vätsketypen, temperaturen, den kemiska kompatibiliteten, vibrationer och den precisionsnivå som krävs. Samma sensor kanske inte passar för alla tillämpningar.

För lågtrycks- och differentialmätningar kan membran-differentialtransmittrar användas; för höga processtryck, töjningsgivare eller piezoresistiva element; och för vakuumtillämpningar, specifika absoluta sensorer. Vätskepelarmanometrar är mycket användbara för att lära ut grundprincipen; men i modern industri är elektronisk utrustning vanligare.

För en noggrann mätning måste hänsyn tas till impulsledningarnas placering, sensorns monteringsposition, nollställning och temperatureffekter. I gas- och vätskeledningar kan en densitetsskillnad eller kondensation skapa en extra hydrostatisk belastning på sensorn. Därför bestämmer installationsdetaljer resultatet lika mycket som valet av utrustning.

Trycksensorer och manometrar

Mekaniska manometrar, som Bourdonrörsindikatorer, omvandlar tryck till en avläsbar visarrörelse genom deformationen av ett elastiskt element. Robusta, enkla och utan behov av energi, har de använts länge inom industrin. Vid tillämpningar som kräver precision och dataloggning är elektroniska sensorer dock mer flexibla.

Elektroniska trycksensorer kan vara piezoresistiva, kapacitiva, töjningsgivarbaserade eller resonansbaserade. Dessa sensorer omvandlar tryckförändringen till en elektrisk signal, som skickas till PLC-, SCADA- eller datainsamlingssystem. Detta möjliggör inte bara direkt avläsning, utan även larm, reglering och trendanalys.

Differentialmanometrar ger tryckskillnaden mellan två punkter, absoluta sensorer trycket i förhållande till fullständigt vakuum, och manometriska instrument trycket i förhållande till atmosfären. Att bara lita på det numeriska värdet utan att kontrollera referenstypen i ett instruments datablad kan leda till allvarliga tolkningsfel.

Användningsområden för tryck inom teknik

Tryck är en grundläggande designvariabel inom talrika tekniska områden: ledningar, klimatanläggningar, hydraulik, pneumatik, kemiska processer, kraftverk, vattendistributionssystem, fordonsindustri och luftfart. Från väggtjockleken på en tank till val av ventiler, från en kompressors utloppsförhållanden till ett filters prestanda, baseras många beslut på tryckinformation.

Inom processteknik övervakas tryckgränser för säker drift av reaktorer, pannor, värmeväxlare och separatorer. Tryck-säkerhetsventiler, sprängskivor och reglerkretsar är därför kritisk utrustning. Tryck används också för indirekt mätning av andra processvariabler, som flöde och nivå.

Inom maskinteknik och byggnation kombineras tryck med kontaktytor och vätskekrafter i spänningsanalyser. Inom medicin och biomedicinsk utrustning framträder blodtryck, ventilationstryck och vakuumtillämpningar; inom miljö och meteorologi, atmosfäriska och differentiella tryckmätningar.

Temperatur, höjd och osäkerhet vid tryckmätning

Temperatur kan påverka både egenskaperna hos den mätta vätskan och sensorelementets beteende. Särskilt för gaser måste, eftersom temperatur ändrar densiteten, tryck-volym-temperatursambandet omvärderas. Därför innehåller sensorers datablad parametrar som nolldrift och spanndrift som är temperaturberoende.

Det atmosfäriska trycket tenderar att minska med höjden. Detta ändrar sambandet mellan relativt och absolut tryck, och kan också påverka referensbeteendet hos viss fältutrustning. Samma processförhållande kan ge olika absoluta tryckresultat på olika höjder.

Varje mätning innebär en osäkerhet. Kalibreringsstandarden, upplösningen, hysteresen, temperatureffekten, monteringsorienteringen, vibrationer och långsiktig drift bidrar alla till den totala osäkerheten. Vid kritiska tillämpningar måste designbeslutet omfatta inte bara det nominella tryckvärdet, utan även utrustningens klass och mätningens tillförlitlighet.

Sambandet och skillnaden mellan tryck och spänning

Tryck och spänning delar samma dimensionella struktur och kan båda uttryckas i pascal. Denna likhet beror på att båda representerar en krafteffekt per ytenhet. Detta betyder dock inte att de fysiskt är samma storhet.

Tryck uppfattas i allmänhet som en isotrop normalspänning som utövas av vätskor; det vill säga, i en vätska i vila är trycket vid samma punkt identiskt i alla riktningar. Spänning inom mekaniken för fasta ämnen kan däremot ha normal- och skjuvkomponenter, vara riktningsberoende och ha en tensorstruktur.

Att ignorera denna distinktion kan leda till felaktiga tolkningar, särskilt vid beräkningar av tankväggar, tätningsytor eller materialhållfasthet. En vätskas inre tryck skapar omkrets- och axialspänningar på tanken; men spänningsfältet i tankmaterialet är inte identiskt med vätskans eget tryck.

Vanliga fel vid tryckberäkningar

Det vanligaste felet är att förväxla relativt med absolut tryck. Särskilt vid gaslagar, densitetsberäkningar och vakuumtillämpningar krävs absolut tryck, men ibland används direkt det relativa värdet från en manometer. Detta orsakar ett systematiskt fel i resultatet.

Ett annat fel är att avrunda omvandlingsfaktorer eller använda en felaktig enhetsreferens. Vid omvandling mellan PSI, bar, atm, mmHg och kPa måste man avgöra vilken precisionsnivå som är tillräcklig för de approximerade värdena. Om utrustningens kalibrering kräver hög precision kan användning av otillräckligt antal decimaler orsaka problem.

Också att ignorera hydrostatiska effekter, förbise sensorns monteringshöjd och inte beakta temperatureffekten förekommer ofta. Särskilt vid vätskefyllda impulsledningar, slutna tankar och differentiella trycktillämpningar kan till synes små installationsdetaljer avsevärt förändra mätresultatet.