Jednostki ciśnienia i ich przeliczanie oraz sposoby określania wartości ciśnień

Jednostki ciśnienia i ich przeliczanie

Najbardziej popularną jednostką ciśnienia jest atmosfera techniczna [at]:

1 at = 1 kG/cm²

Ciśnienie o wartości 1at oznacza, że na powierzchnię 1cm² naciska siła 1kG.
Jednostka siły o nazwie kilogram siły [kG] nie jest już dopuszczona do używania. Uporządkowano bowiem układ jednostek, a w obowiązującym od wielu lat układzie jednostek SI (choć może nie wszyscy rozumieją i „czują" te jednostki), nie ma w układzie jednostek SI jednostki kilogram siły [kG].

W układzie jednostek SI, jednostką siły jest 1 niuton [N]. Ciśnienie jest chyba najczęściej określane w jednostkach nazywanych paskalami [Pa]:

1Pa = 1N/m²

Ciśnienie o wartości 1 Pa oznacza, że na powierzchnię 1m² naciska siła 1N. W praktyce są stosowane następujące tzw. jednostki wielokrotne od jednostki paskala [Pa].

hektopaskal [hPa] - 1 hPa = 102 Pa = 100 Pa
kilopaskal [kpa] - 1 kPa = 103 Pa = 1000 Pa
megapaskal [MPa] - 1 MPa = 106 Pa = 1000000 Pa

Większość aktualnie oferowanych do sprzedaży manometrów jest wyskalowana w megapaskalach [MPa] lub w kilopaskalach [kPa].

Przeliczenia wartości ciśnień podawanych w różnych jednostkach

Dwiema najczęściej stosowanymi w praktyce jednostkami ciśnień są:
- atmosfera techniczna [at] - jest to jednostka używana jeszcze ze względów praktycznych, „z przyzwyczajenia”, mimo, że oficjalnie nie jest już jednostką obowiązującą,
- paskal (Pa) lub jej jednostki wielokrotne - są to jednostki obowiązujące.

Ścisła zależność pomiędzy wartościami ciśnienia podawanymi w atmosferach technicznych [at], a podawanym w paskalach [Pa], jest następująca:

1 at = 98066,5 Pa

Jednak dla praktyki warsztatowej całkowicie wystarczające jest przybliżenie:

1 at ≈ 100000 Pa

W praktyce warsztatowej można stosować następujące zależności pomiędzy ciśnieniem podanym
w atmosferach technicznych [at] a ciśnieniem podawanym w jednostkach wielokrotnych jednostki paskal [Pa]:

1at ≈ 1000 hPa = 100 kPa = 0,1 MPa

Można również stosować następujące zależności pomiędzy ciśnieniem podanym w jednostkach wielokrotnych jednostki paskal [Pa] a ciśnieniem podanym w atmosferach technicznych [at]:

- 1hPa ≈ 0,001at
- 1kPa ≈ 0,01 at
- 1 MPa ≈ 10 at
- 0,1 ≈ 1 at

W kraju jest wiele urządzeń pomiarowych wyskalowanych w innych jednostkach ciśnienia lub wartości ciśnień podawanych w tych jednostkach, np. w dokumentacjach serwisowych:
- bar [bar] (ma taką samą nazwę i oznaczenie jednostki),
- milimetr słupa rtęci [mmHg]
- centymetr słupa rtęci [cmHg]
- cal słupa rtęci [inHg]
- kilopond na centymetr kwadratowy [kp/cm²]

W praktyce warsztatowej, dla najczęściej spotykanych jednostek, można przyjąć następujące przeliczenia:
- 1 bar- 10000 Pa ≈1 at
- 1 mmHg ≈ 133,3 Pa = 0,1333 kPa
- 1 kPa ≈ 7,5 mmHg
- 1 at ≈ 750 mmHg
- 1 cmHg = 10 mmHg
- 1inHg ≈ 25,4 mmHg ≈ 3385,8 Pa ≈ 3,3858 kPa
- 1 kPa ≈ 0,295 inHg
- 1 kp/cm²⁼ 1 at

Przykłady przeliczeń jednostek ciśnienia

Jeśli mamy z pomocą ręcznej pompki podciśnieniowej uzyskać podciśnienie 300 milimetrów słupa rtęci [mmHg], ale skala manometru jest wyskalowana w atmosferach technicznych [at], to należy wykonać następujące przeliczenie:

ponieważ:

1 mmHg = 0,1333 kPa

więc:

300 mmHg = 300 x 0,1333 kPa = 39,99 kPa = 40 kPa

Trzeba jeszcze przeliczyć ciśnienie z kilopaskali [kPa] na atmosfery techniczne [at], wykorzystując zależność:

1 kPa ≈ 0,01 at

Po przeliczeniu otrzymujemy więc:

40 kPa ≈ 0,40 at

Jeśli skala manometru jest wyskalowana w calach słupa rtęci [inHg], a wskazówka pokazuje ciśnienie 13 inHg, to aby przeliczyć wynik na kilopaskale [kpa], jednostkę stosowaną w naszym kraju i bardziej znaną, należy wykonać następujące przeliczenie:

ponieważ:

1 inHg ≈ 3,3858 kPa

więc:

13 inHg ≈ 13 x 3,3858 kPa = 44,01 kPa ≈ 44 kpa

Jeśli jesteśmy stale zmuszeni do przeliczania jednostek, to warto przygotować tabele przeliczeniowe.

Sposoby określania wartości ciśnień

Są dwa sposoby określania wartości mierzonego ciśnienia:
- w skali absolutnej ciśnień - przez porównanie wartości mierzonego ciśnienia z ciśnieniem panującym w próżni;
- w skali względnej ciśnień - przez porównanie wartości mierzonego ciśnienia z ciśnieniem atmosferycznym, które panuje w otaczającym nas powietrzu (dlatego ciśnienie atmosferyczne jest nazywane również ciśnieniem otoczenia).

Skala absolutna ciśnień

W idealnej próżni ciśnienie nie występuje - wynosi zero, niezależnie od jednostek ciśnienia. Skalę, w której mierzoną wartość ciśnienia porównujemy do ciśnienia występującego w próżni, nazywamy skalą absolutną (rys. 1c, lewa oś wykresu), określenie „ciśnienie absolutne" oznacza, że mierzoną wartość ciśnienia porównujemy do ciśnienia występującego w próżni.
Wartość ciśnienia atmosferycznego paa, mierzona w skali absolutnej, nie jest wartością stałą zmienia się w niewielkim zakresie. Wiele czynników ma wpływ na wartość ciśnienia atmosferycznego, przykładowo wysokość nad poziomem morza - maleje przy wzroście wysokości i rośnie przy obniżaniu wysokości w stosunku do poziomu morza. Te zmiany
odczuwają niektórzy z nas. tzw. meteoropaci. W zależności od jego wartości, twierdzą, że czują się lepiej lub gorzej.
Aktualna wartość ciśnienia atmosferycznego, w [mmHg] lub [hPa], dla określonego miasta lub w odniesieniu do określonego miejsca np. płyty lotniska Okęcie w Warszawie, podaje komunikaty pogodowe (rys. 1a). W przybliżeniu wartość ciśnienia atmosferycznego p_aa, jest równa:

0,1 MPa lub 100 kPa lub 1000 hPa lub 1 at lub 750 mmHg

Te wartości ciśnienia atmosferycznego można przyjąć jako stałe, pod warunkiem, że nie przebywamy w miejscach położonych na znacznych wysokościach w stosunku do poziomu morza lub w ciągu dnia nie przemieszczamy się na duże odległości.

Układy sterowania współczesnych silników, zasilanych zarówno benzyną (ZI) jak i olejem napędowym (ZS), muszą jednak znać aktualną wartość ciśnienia atmosferycznego. Do jego pomiaru, układy sterowania silników wykorzystują czujniki ciśnienia absolutnego, dobrze, gdy pracownik serwisu diagnozujący silniki, jeśli potrzebuje, może zmierzyć aktualną wartość ciśnienia atmosferycznego, Może to uczynić tzw. barometrem. Kiedyś były barometry laboratoryjne, rtęciowe, a dziś są elektroniczne mierniki ciśnienia atmosferycznego (rys. 1b).

Skala względna ciśnień

Z określaniem wartości mierzonego ciśnienia, względem ciśnienia atmosferycznego (rys. 1c, prawa oś wykresu), spotykamy się, gdy korzystamy z np. mechanicznych urządzeń do pomiaru ciśnień, czyli manometrów. Wynika to między innymi z ich konstrukcji. Na skali względnej ciśnień, wartość ciśnienia atmosferycznego jest zawsze przyjmowana jako zero, niezależnie od wartości ciśnienia atmosferycznego paa , mierzonego w skali absolutnej.
Jeśli wartość mierzonego ciśnienia jest (rys. 1c):
- mniejsza od ciśnienia atmosferycznego - to nazywamy ją „podciśnieniem"; jeśli nie używamy określenia „podciśnienie", zmierzoną wartość ciśnienia należy poprzedzić znakiem minus (-);
- większa od ciśnienia atmosferycznego - to nazywamy ją „nadciśnieniem"; jeśli nie używamy określenia „nadciśnienie” to dodatnią wartość zmierzonego ciśnienia przyjmujemy jako nadciśnienie.

Manometry i ich rodzaje

Ogólnie manometrem nazywamy miernik do pomiaru ciśnienia. Rozróżniamy ich następujące rodzaje:
- manometr - domyślnie przyjmujemy, ze manometr mierzy nadciśnienie;
- wakuometr - miernik do pomiaru podciśnienia;
- manowakuometr - miernik do pomiaru i pod- i nadciśnienia.

Skala manometru a skala względna ciśnień

Centralnym punktem skali manometru, wakuometru lub manowakuometru jest „zero" - patrz skala manowakuometru na rys. 1d. Oznacza ono ciśnienie odniesienia skali względnej (rys. 1c, prawa oś wykresu). Jeśli wskazówka manometru, wakuometru lub manowakuometru wskazuje cyfrę zero, to oznacza, że aktualnie mierzone ciśnienie jest równe ciśnieniu atmosferycznemu. Jeśli wskazówka manowakuometru lub wakuometru znajduje się po lewej stronie zera (rys. 1d), to mierzone jest podciśnienie, czyli ciśnienie o wartości niższej od atmosferycznego. Wartość ciśnienia, wskazana przez wskazówkę na skali manowakuometru lub wakuometru, informuje, o ile mierzona wartość ciśnienia jest niższa od aktualnej wartości ciśnienia atmosferycznego. Jeśli wskazówka manometru lub manowakuometru znajduje się po prawej stronie zera (rys. 1d), to mierzone jest nadciśnienie, czyli ciśnienie o wartości wyższej od atmosferycznego. Wartość ciśnienia, wskazana przez wskazówkę na skali manometru lub manowakuometru, informuje, o ile mierzona wartość ciśnienia jest wyższa od aktualnej wartości ciśnienia atmosferycznego.

Przeliczanie wartości ciśnień pomiędzy skalami ciśnień

Dawniej, pomiar ciśnienia manometrem mechanicznym, a wiec w skali względnej ciśnień, był w serwisie samochodowym wystarczający. Wykorzystywanie w układach sterowania silników, czujników ciśnienia absolutnego, wymusiło posługiwanie się w serwisie samochodowym skalą absolutną ciśnień. Konieczna jest też umiejętność przeliczania wartości ciśnień ze skali absolutnej na skalę względne i odwrotnie.
Do przeliczania wartości ciśnień pomiędzy skalami, niezbędna jest znajomość aktualnej wartości ciśnienia atmosferycznego.

Przeliczanie wartości ciśnień ze skali względnej na absolutną

Aby przeliczyć zmierzona wakuometrem lub manowakuometrem wartość podciśnienia, na ciśnienie w skali absolutnej, należy wykorzystać wzór 1:

p_a = p_aa - p_p

gdzie:

p_a - wartość ciśnienia w skali absolutnej;
p_aa- wartość ciśnienia atmosferycznego w skali absolutnej:
p_p- wartość podciśnienia.

Przykład 1. Przyjmuję, że wartość ciśnienia atmosferycznego p_aa=0,1 MPa. Zmierzona wartość podciśnienia p_p1= 0,06 MPa (rys.2). Obliczamy wartość ciśnienia pa1 w skali absolutnej, z wzoru 1 (relacje pomiędzy ciśnieniami p_a1, p_a, i p_p1, w skalach ciśnień absolutnej i względnej, przedstawia rys.4):

p_a1 = p_aa – p_p1 = 0,1 – 0,06 = 0,04 MPa

Aby przeliczyć zmierzonym manometrem lub manowakuometrem wartość nadciśnienia, na ciśnienie w skali absolutnej należy wykorzystać wzór 2:

p_a = p_aa – p_n

gdzie:

p_a - wartość ciśnienia w skali absolutnej;
p_aa - wartość ciśnienia atmosferycznego w skali absolutnej;
p_n - wartość nadciśnienia.

Przykład 2. Przyjmuję, że wartość ciśnienia atmosferycznego p_aa = 0,1 MPa. Zmierzona wartość nadciśnienia p_n2 = 0,08 MPa (rys.3), Obliczamy wartość ciśnienia p_a2 w skali absolutnej, z wzoru 2 (relacje pomiędzy ciśnieniami p_a2, p_aa i p_n2 w skalach ciśnień absolutnej i względnej, przedstawia rys. 4):

p_a2 = p_aa + p_n2 = 0,1 + 0,08 = 0,18 MPa

Przeliczanie wartości ciśnień ze skali absolutnej na względną

Według zasady:
- jeśli wartość ciśnienia w skali absolutnej jest mniejsza od ciśnienia atmosferycznego, to po przeliczeniu na skalę względną ciśnień, będzie to podciśnienie;
- jeśli wartość ciśnienia w skali absolutnej jest większa od ciśnienia atmosferycznego, to po przeliczeniu na skalę względną ciśnień, będzie to nadciśnienie.
Znając wartość ciśnienia w skali absolutnej, po porównaniu go z wartością ciśnienia atmosferycznego, należy wybrać wzór do jego przeliczenia na pod- lub nadciśnienie.

Aby przeliczyć wartość ciśnienia w skali absolutnej, na wartość podciśnienia, należy wykorzystać wzór:

p_p = p_aa – p_a

gdzie:

p_p- wartość podciśnienia;
p_aa- wartość ciśnienia atmosferycznego w skali absolutnej
p_a - wartość ciśnienia w skali absolutnej,

Przykład 3. Przyjmuję, że wartość ciśnienia atmosferycznego p_aa = 0,1 MPa. Wartość ciśnienia w skali absolutnej p_a1 = 0,04 MPa. Obliczamy wartość podciśnienia p_a1 z wzoru 3 (relacje pomiędzy ciśnieniami: p_p1, p_aa, p_a1 w skalach ciśnień absolutnej i względnej, przedstawia rys.4):

p_p1 = p_aa – p_a1 = 0,01 – 0.04 = 0,06 MPa

Aby przeliczyć wartość ciśnienia w skali absolutnej, na wartość nadciśnienia, należy wykorzystać wzór 4:

p_n = p_a – p_aa

gdzie:

p_n - wartość nadciśnienia;
p_aa - wartość ciśnienia atmosferycznego w skali absolutnej;
p_a - wartość ciśnienia w skali absolutnej.

Przykład 4. Przyjmuję, że wartość ciśnienia atmosferycznego p_aa = 0,1 MPa. Wartość ciśnienia w skali absolutnej p_a2 = 0,18 MPa. Obliczamy wartość nadciśnienia p_n2 z wzoru 4 (relacje pomiędzy ciśnieniami p_n2, p_a2, p_aa, w skalach ciśnień absolutnej i względnej, przedstawia rys. 4).

p_n2 = p_a2 – p_aa = 0,18 – 0,10 = 0,08 MPa

Zdjęcia i tekst pochodzą z artykułów „Jednostki ciśnienia i ich przeliczanie oraz sposoby określania wartości ciśnień” w dodatku technicznym do Wiadomości IC Czujniki ciśnienia absolutnego nr 39/Lipiec 2011