La pressione è una grandezza fisica, definita come il rapporto tra la forza agente normalmente su una superficie e la superficie stessa.

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1 Pressione La pressione è una grandezza fisica, definita come il rapporto tra la forza agente normalmente su una superficie e la superficie stessa. E originata dallo scambio di forze fra le molecole del fluido e la superficie solida che contiene il fluido stesso. L intensità e la frequenza delle collisioni delle molecole con la superficie dipendono dalla temperatura e dalla densità del fluido. 1

2 Unità di misura Nella tabella seguente sono riportate alcune delle unità di misura correntemente impiegate nella misura della pressione. 2

3 Classificazione degli strumenti di misura P > Patm: sono impiegati manometri a deformazione di elementi elastici; in essi l'indice è mosso dalle deformazioni provocate dalla pressione in misura su opportuni organi; per pressioni molto alte (> 0.7 GPa) si impiegano trasduttori con particolari architetture, come verrà mostrato nel seguito; P~Patm: sono impiegati prevalentemente manometri a colonna di liquido; P<Patm: gli strumenti di misura acquistano architetture del tutto particolari, non riconducibili ad un unico principio funzionale 3

4 Manometri a colonna di liquido Manometro ad U: Per piccole differenze si usa un tubo trasparente a forma di U, con un'estremità collegata al contenitore di cui si vuole misurare la pressione interna e l'altra aperta. Il tubo viene riempito di liquido, come olio, acqua o mercurio, e la differenza di livello tra le due superfici di liquido nei due bracci del tubo fornisce la differenza tra la pressione della colonna di liquido, pari a quella interna. 4

5 Manometri a deformazione di elementi elastici 1) Manometro di Bourdon: Si tratta di un tubo a sezione schiacciata, sagomato ad arco di cerchio di centro O: un'estremità del tubo è chiusa, l'altra è aperta. Se si applica a questa estremità una pressione (oltre a quella atmosferica), la sezione ellittica si deforma leggermente avvicinandosi sempre più alla forma circolare, e nello stesso tempo il tubo si allunga leggermente. Ne risulta un movimento dell'estremità chiusa proporzionale alla pressione, che viene misurata da un indice che scorre su una scala graduata. 5

6 Manometro a deformazione di elementi elastici I manometri a tubo di Bourdon vengono costruiti per tutti i campi di pressioni: dai bar alle centinaia e decine di bar (campi nei quali dominano), giù fino a pochi bar ed anche per depressioni. 6

7 Manometri a deformazione di elementi elastici La legge che regola lo spostamento AA' alla pressione effettiva nel tubo e all'angolo di sviluppo del tubo, è: x y z α p R a a AA' = K E b b s in cui E è il modulo di elasticità del materiale, R èil raggio dello sviluppo, s è lo spessore del tubo, a e b sono le dimensioni del tubo (vedi figura). I coefficienti K, x, y, z si determinano sperimentalmente. 7

8 Manometri a deformazione di elementi elastici 2) Manometro a membrana: L'elemento sensibile é costituito da una membrana metallica, M, stretta fra le due flange, che delimitano una camera inferiore, alla quale arriva tramite il raccordo R il fluido, la cui pressione deve essere misurata ed una camera superiore, aperta all'atmosfera. La membrana è così spinta verso l'alto dalla pressione effettiva p del fluido: il suo centro A si sposta in A'. Lo spostamento AA' è determinato dalla seguente espressione: AA K p d s AA K p d s ' = ' = x y in cui p è la pressione effettiva, s e d sono lo spessore ed il diametro della membrana, rispettivamente, e K, x e y sono dei coefficienti determinati sperimentalmente. 8

9 Manometri a deformazione di elementi elastici 9

10 Manometri Differenziali a cella Barton Due soffietti racchiudono un ambiente interno la parte esterna di ognuno dei due soffietti è affacciata nei due ambienti nei quali regnano le pressioni, p 1 e p 2, la cui differenza deve esser misurata. Le due pressioni tendono a schiacciare i soffietti con forze F 1 e F 2, ad esse proporzionali. Lo schiacciamento è impedito dalla barra B, mentre la forza F = F 1 -F 2, tende a spostare la barra verso la pressione minore. Questo movimento è ostacolato dalla molla M, che si comprima proporzionalmente a Δp la deformazione della molla coincide con un movimento assiale della barra, che si sposta di una quantità proporzionale a Δp. Questo spostamento viene riportato all'esterno con un tubo T di torsione 10

11 Trasduttori piezoelettrici di pressione Il cristallo piezoelettrico sotto l'azione della pressione si deforma, creando delle cariche di segno opposto sulle superfici opposte, queste cariche sono riunite su due piastre conduttrici (elettrodi), determinando una tensione elettrica Sotto l'azione di una pressione inferiore a quella atmosferica la molla si scarica ed il cristallo si allunga determinando una concentrazione di cariche positive su un elettrodo e negative sull'elettrodo opposto, la posizione delle cariche sarà invertita se la pressione è maggiore Il sensore piezoelettrico deve essere sempre accompagnato da un amplificatore di carica per potere portare all'esterno il debole segnale del sensore 11

12 Trasduttori piezoelettrici di pressione Particolari sensori piezoelettrici sono progettati per essere inseriti direttamente nella camera di combustione di un motore a combustione interna. Il cavo centrale porta la tensione all amplificatore di carica, mentre i due tubicini laterali sono dedicati all'ingresso e all'uscita dell'acqua di raffreddamento per potere mantenere il cristallo piezoelettrico entro l intervallo di temperatura ottimale. 12

13 Trasduttori piezoelettrici ad estensimetri In questo tipo di trasduttori le deformazioni prodotte dalla pressione, che agisce su una superficie, vengono tradotte in una tensione elettrica proporzionale attraverso un ponte di Wheatstone, le cui resistenze sono degli estensimetri La membrana m è soggetta a deformazione a causa della pressione che agisce sulla sua parte inferiore e ha quattro resistenze incollate, due poste nei punti di flesso (estensimetri 1 e 3), soggette al massimo sforzo di compressione e due poste nella zona di massima trazione (estensimetri 2 e 4). 13

14 Trasduttori piezoresistivi di pressione Questi trasduttori sfruttano il fenomeno della piezoresistività, tipica dei semiconduttori. Il semiconduttore, sottoposto a trazione, o a compressione, varia la sua resistività e, di conseguenza, la sua resistenza è data dalla seguente espressione: in cui ε è la deformazione, E èil modulo di elasticità e π è il coefficiente di piezoresistività Questo tipo di trasduttori può arrivare a pressioni di fondo scala dell ordine di 200 bar 14

15 Trasduttori per alte pressioni Per pressioni superiori a MPa si utilizzano sensori che si basano sul cambio di resistenza elettrica con la pressione. Solitamente si impiegano dei fili di Manganin o di cromo il filo è rinchiuso in una campana elastica piena di cherosene. Sotto l azione della pressione il cherosene racchiuso nella campana schiaccia il filo ed il conseguente cambio della resistenza è misurato con un ponte di Wheatstone Con sensori di questo tipo si possono misurare pressioni fino a 2 GPa con un errore dell ordine di %. 15

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