Info
Mail
Home
[./whiterings_s1pag.html]
[./whiterings_s2pag.html]
[./whiterings_s3pag.html]
[./whiterings_s4pag.html]
[./whiterings_s5pag.html]
Español
English
Français
Nederlands
Italiano
Deutsch
Opleiding Instrumenten
Informatie aangaande Druk en Temperatuur meting
Deze pagine is onder constructie. Binnenkort kunt u intressante info en foto,s zien, welke verhelderend werken voor metingen aangaande Druk en Temperatuur.
Zie info Druk- meting en regeling .
Zie info Temperatuur - meting en regeling.
Van Fosforbrons tot Roestvaststaal. De geschiedenis van de Manometrie . Door Hans Peters Algemeen Druk In de natuurkunde bedoelt men met het begrip druk een kracht die per oppervlakte-eenheid uitgeoefend wordt. Druk wordt veroorzaakt door een gas of een vloeistof op de wanden van het vat waarin het zich bevindt, of op het oppervlak van een object dat zich in het medium bevindt. De relatie tussen druk, temperatuur, volume en aantal moleculen wordt beschreven door de algemene gaswet. Eenheden De eenheid van druk is die van kracht (Newton in SI) per oppervlakte-maat (vierkante meter m² of een afgeleide daarvan.) Gezamenlijk heet de nieuwe eenheid Pascal 1Pa = 1 N/m2. Een druk van 0 Pa (absoluut) is het welbekende vacuüm. Soms zijn oudere, niet-SI eenheden nog in gebruik, zoals de mm-Kwik, meter waterkolom en de atmosfeer. De atmosferische druk van 100.000 Pascal wordt ook wel Bar genoemd. In de Verenigde Staten van Amerika zijn de "pounds per square inch" (psi) nog zeer gangbaar. In de techniek wordt onderscheid gemaakt tussen overdruk- en absoluutmetingen. Om het verschil aan te geven wordt de letter "g" (gauge) of "a" (absolute) achter de eenheid geplaatst, zodat bijvoorbeeld 2 bara overeenkomt met 1 barg. Alzijdige druk Op een lichaam dat is ondergedompeld in een fluïde medium (gassen of vloeistoffen) wordt altijd een 'alzijdige' druk uitgeoefend omdat de atomen waaruit het medium bestaat, van alle kanten tegen het lichaam botsen. Daarmee oefenen zij per oppervlakte eenheid van het lichaam een zekere kracht uit en kracht per oppervlak is druk. In een gas is die druk afhankelijk van de dichtheid van het gas (hoe ijler hoe minder botsingen) en van de temperatuur (hoe hoger, hoe sneller de atomen bewegen bij de botsing). Historie drukmeting. De samenhang van de atmosferische drukverhoudingen werd voor het eerst door de Italiaanse natuurkundige Torricelli (1608 - 1647) onderkend. Men gebruikte aanvankelijk uitsluitend de vloeistofmanometer (Otto von Guericke 1602 - 1686) op basis van de U-buis (vergelijk fig. 1a). De betrouwbaarheid en eenvoud van dit werkingsprincipe en de fabricagemogelijk van dergelijke instrumenten met geringe middelen zijn de grondslagen voor de grote verspreiding ervan in het verleden. Pas met de invoering van de stoommachine en het spoor was er aanleiding toe, deze tot dan toe gebruikte vloeistofmanometers door gemakkelijke en meer functionele instrumenten te vervangen. Zo zijn de tegenwoordig gebruikelijke veermanometers (buisveer - membraan - doosveer) in het midden van de negentiende eeuw in een tijdsbestek van enige jaren uitgevonden. De buisveermanometer - de meest gebruikte van alle manometers - werd als eerste veerkrachtig meetinstrument in 1846 uitgevonden. Volgens notities van Greenhill werd het meetprincipe bij toeval ontdekt. De uitvinder was de Duitse ingenieur Schinz, die al in 1845 de eerste buisveren maakte. De Parijse werktuigkundige Bourdon verworf in 1848 een patent voor het meetelement, dat heden ten dage nog onder zijn naam (Bourdon-veer resp. Bourdon-manometer) bekend is. Het patent werd echter door de uitvinder van de aneroïdedoos Vidie in 1859 met succes aangevochten. In 1850 vond werktuigkundige Bernhard Schäffer, medeoprichter van de firma Schäffer & Budenberg, Magdeburg, het membraanveerelement uit. Definitie van de druk Met druk wordt de spanningsstaat van vloeibare en gasvormige lichamen aangeduid. Hij wordt door de inwerking van diverse externe factoren (bijvoorbeeld temperatuur-verandering, druk) beïnvloed. De druk wordt als de kracht gedefinieerd, die verticaal en gelijkmatig op een effen vlak inwerkt. Men onderscheidt de relatieve druk en de absolute druk. De relatieve druk is de overdruk tegenover de atmosferische druk. De absolute druk is de druk gemeten vanaf het absolute nulpunt. In de praktijk is het vaak voldoende, de overdruk te weten. Daarom geeft het merendeel van de meetinstrumenten de overdruk tegenover de atmosferische druk aan, die op het moment van de meting aan het meetpunt aanwezig is. Bij getoonde manometers gaat het uitsluitend om meters met overdruk. Gemeten wordt derhalve de druk aan het meetpunt in vergelijking met de op het moment heersende atmosferische druk. De werking van de druk en de verhouding van absolute en relatieve druk kunnen het beste aan de hand van een met vloeistof gevulde U-buis worden afgebeeld. De hiernaast staande afbeelding (fig. 1a) toont een vat, waarvan het gat met een met kwik gevulde U-vormig gebogen buis is verbonden. Het gat staat via een geopende afsluiter met de atmosfeer in contact. Het kwik staat in de benen even hoog. Ontstaat in het gesloten vat een druk die hoger is dan de atmosferische druk, dan verplaatst het kwik zich van het linker in het rechter been zolang, totdat binnen en buiten het vat gelijke drukken ontstaan die door de stijghoogte h (fig. 1b) van het kwik worden aangegeven. Wordt de druk in het vat met pa aangeduid, de druk van de atmosfeer met pb en de door de kwikkolom met de hoogte h gevormde druk met p, dan is pa = p + pb Bijgevolg is de absolute druk gelijk aan de som van twee drukken, de atmosferische en de door de kwikkolom gevormde druk. Het verschil p = pa - pb geeft de overdruk weer. De overdruk wordt vaak ook als manometrische druk, de atmosferische druk als barometrische druk aangeduid. Uit de vergelijking blijkt, dat de manometer steeds het verschil tussen de absolute en de atmosferische druk aangeeft (relatieve druk). Treedt in het vat een onderdruk op, dan wordt pa pb. Het kwik verplaatst zich van het rechter in het linker been tot aan het evenwicht. Wordt de door de kwikkolom gevormde druk met ph aangeduid, dan is pa + ph = pb of pa = pb - ph Is de druk in het vat geringer dan de atmosferische, dan is de absolute druk gelijk aan het verschil tussen de atmosferische en de druk in het vat. De druk in het vat is: de atmosferische druk minus de druk van de stijghoogte van het kwik (ph). Men spreekt over een vacuüm en ph is de vacuümmetrische druk. Uit de laatste vergelijking volgt ph = pb - pa De vacuümmeter geeft het verschil tussen de atmosferische druk en de absolute druk aan, dus hoeveel de druk in het gesloten vat geringer is dan de atmosferische druk. Barometer Een barometer is een meetinstrument waarmee de luchtdruk gemeten kan worden. Inhoud 1 Geschiedenis 1.1 De angst voor de leegte 1.2 De komst van Torricelli 2 Types 2.1 Kwikbarometer 2.2 Waterbarometer 2.3 Gasbarometer 2.4 Verdere types 2.5 Barograaf 3 Gebruik Geschiedenis De angst voor de leegte Ten tijde van Galileo, rond 1635, ontwierpen ingenieurs fonteinen (en dus ook pompen) voor de stad Florence. Ze kwamen tot de vaststelling dat de enorme pompen er niet in slaagden water hoger op te pompen dan zo'n 12 meter. Galileo werd ten raad gevraagd, maar hij stierf alvorens het probleem op te lossen. In zijn nota's werd de hypothese dat lucht een massa moet hebben gevonden, maar hij kon er geen conclusies uit trekken. De komst van Torricelli De opvolger van Galileo was Torricelli. Hij las de nota's van zijn voorganger, en wilde bewijzen dat het de luchtdruk was die het water omhoog bracht. Om niet met buizen van 12m hoog te werken, kreeg hij het idee om met kwik te werken, bijna 14 maal zwaarder dan water. De barometer werd in 1643 uitgevonden door Torricelli. Hij vulde een dunne buis van zo'n meter lengte in zijn geheel met kwik en zette de buis op zijn kop in een bakje met kwik. Het kwik zakte voor een deel uit de buis, maar een kolom van zo'n 76 cm bleef in de buis staan. De hoogte van deze kwik kolom varieerde een beetje met de weersomstandigheden. Als de kolom wat zakte kwam er meestal regen en storm. Bij stralend rustig weer stond de kolom hoog. Torricelli trok hieruit de gevolgtrekking dat de druk die het gewicht van het kwik in de kolom op het kwik in het bakje uitoefende gelijk moest zijn aan de druk die de lucht kolom van de atmosfeer er op uitoefende. De druk P uitgeoefend door de kolom is gelijk aan het gewicht W van de kolom gedeeld door de doorsnede A van de buis (gewicht is een kracht en druk = kracht per oppervlak): Nu is het gewicht W van de kolom evenredig met de dichtheid ? maal het volume V: P= De evenredigheidsconstante g hangt samen met de zwaartekracht en is overal op aarde vrijwel hetzelfde (aan de polen wat groter). Tenslotte is voor een cilindrische kolom de inhoud (volume) V gelijk aan de doorsnede A maal de lengte L: P = De druk is dus evenredig met de lengte en kan daaraan meteen afgelezen worden. Ook andere vloeistoffen zouden gebruikt kunnen worden, maar omdat de meeste vloeistoffen een veel kleinere dichtheid hebben, wordt de kolom veel langer. Bij het gebruik van water bijvoorbeeld is het nodig een buis van meer dan 10 meter lengte te nemen (Het water zou echter bij deze onderdruk bovenin de kolom ook gaan verdampen, waardoor de dampspanning de meting zou verstoren). Torricelli die de barometer uitvindt, een gravure uit een boek van Flammarion (1923) Torricelli realiseerde zich al snel dat in de ruimte boven de kwikkolom geen lucht kon zitten. Hij kon bijvoorbeeld van onderen een paar luchtbelletjes in de buis inbrengen en dan kwam de kolom ineens een stuk naar beneden. Het was duidelijk dat de ruimte boven de kolom een luchtledig was, een vacuüm en dat zonder zo'n vacuüm de barometer niet werkte. Voor Torricelli's tijd was het echter niet zonder risico dit soort ketterse dingen te zeggen. Aristoteles had namelijk verklaard dat dat iets onmogelijks was. Verder kwam Torricelli tot de vaststelling dat het kwikniveau licht varieert, nu weten we dat dit te wijten is aan een lagedruk (weer) en de temperatuur. De Franse fysicus René Descartes (1596-1650) verbeterde het systeem van Torricelli (toevoegen van een gradatie). Hij was ook de eerste die het idee opperde dat de atmosferische druk moet dalen met de hoogte. Types De naam kwik is een verbastering van het Oud Saksische woord quik, dat als levend of levendig kan worden vertaald. In het Latijn is de naam hydragentum, afkomstig van vloeibaar zilver(Latijns voor zilver is "Argentum"). Het symbool Hg dankt kwik dan ook aan de Latijnse naam. Kwikbarometer De buis van Torricelli, verder barometer genoemd, is een U-buis die toelaat het niveauverschil in de twee benen te bepalen. Deze barometer heeft de volgende nadelen: " De glazen buis is duur en breekbaar; " Kwik is een duur en kan een giftig worden (metaal ); " door de hoge oppervlaktespanning van het kwik is het oppervlak convex; in smalle buisjes is het kwikniveau ietwat boven zijn theoretische waarde, een correctie moet dus aangebracht worden (in functie van de diameter van de buis); " kwik heeft een relatief grote uitzettingsfactor (vandaar zijn gebruik als thermometer Men schrijft Christian Huygens een belangrijke verbetering toe van de buis van Torricelli, in 1672: de buis bevat kwik (zoals voorheen), maar het open been bevat een vloeistof (met een lagere dichtheid dan kwik). Het contactoppervlak kwik-vloeistof wordt groot genomen, zodat een kleine verandering in het kwik-niveau een grotere verandering in het vloeistofniveau met zich mee brengt. Men slaagde er zo in de uitwijking 10x groter te maken. Een bijkomend voordeel was dat de kwik zo afgesloten was van de lucht, anders oxideert kwik. Principe van de barometer van Huygens Principe van barometer met wijzerplaat Barometer van Hooke, rond 1660 Barometer van Gay-Lussac en Bunten De eerste barometer met een wijzerplaat werd in 1663 door de astronoom Robert Hooke vervaardigd. Een object drijft op de kwik, en volgt de niveauveranderingen. Het object is verbonden met de naald, die de druk op de wijzerplaat aangeeft. Waterbarometer Een Nederlander, Gijsbrecht de Donckere, zou de waterbarometer uitgevonden hebben, in 1619. De lucht die opgesloten zit in een deel van het apparaat zet uit of krimpt naargelang de druk dat het ondergaat, en dit zorgt voor een relatief groot niveauverschil in het dunne buisje: als de atmosferische druk stijgt, daalt het niveau in het buisje. Het gangbare Nederlandse woord voor dit soort 'barometers' (die vaak op op VOC-schepen aanwezig waren) was donderglas. (Vandaar ook het gedonder in de glazen). Ook Johann Wolfgang von Goethe bestudeerde rond 1792-93 deze barometer. Dergelijke types barometers reageren ook op temperatuursverschillen, ze worden dan ook niet meer gebruikt. Waterbarometers van Goethe Gasbarometer Dit type barometer werkt als een waterbarometer, alleen zijn de niveauverschillen groter. Verdere types In latere tijden zijn barometers verschenen die volgens een wat ander principe werken. Het is bijvoorbeeld mogelijk een metalen doosje vacuüm te pompen en dan te meten hoever het ingedeukt wordt door de druk van de atmosfeer. Barometer, begin 20ste eeuw Barometer, begin 20ste eeuw Barograaf Dit apparaat meet de luchtdruk, en houdt deze ook bij. Ze werd uitgevonden door Moreland in 1670, maar pas later was het meetonderdeel verfijnd genoeg. Om een voldoend grote uitwijking te krijgen, gebruikt men meerdere capsules (normaal gezien vijf). Barograaf Barograaf uit de USSR De capsules Gebruik Omdat luchtdrukveranderingen samenhangen met het passeren van weersystemen, die men depressies en gebieden van hoge luchtdruk noemt, was de ontdekking van de barometer het begin van de wetenschappelijke studie van het weer, de meteorologie. De ontwikkeling van andere barometers dan de kwikkolom is dan ook vooral te verklaren uit de wens om ze op zee te kunnen gebruiken om zo enige waarschuwing te krijgen voor dat er een storm aankwam. Verder is de mogelijkheid om gasdrukken te meten een erg belangrijke stap geweest in de ontwikkeling van de gaswet en de latere ontwikkeling van de thermodynamica
[Web Creator] [LMSOFT]