Pressure measurement

Pressure as a physical quantity

Pressure is one of the most frequently measured and controlled physical measurands in automation technology. It has a direct influence on the flow of production and industrial processes. This article explains the basics of pressure and its measurement.

Pressure p is defined as the quotient of the magnitude of the force F and the size of the area A. The force is distributed vertically over the entire surface area. The SI unit for pressure is the Pascal (Pa).

The force F always has a direction (here: vertical) and is therefore a vector. The pressure p, on the other hand, has no direction - it is a scalar. Within a closed system, e.g. a pressure reservoir, the pressure always acts perpendicularly on all surfaces equally. In practice, this means that the mounting position of the pressure transmitter or diaphragm can be chosen arbitrarily. For example, the pressure in the accumulator of a compressor can be measured by mounting the pressure transmitter on the top of the tank, with the diaphragm pointing downwards.

Fig. 1: Definition of pressure

If a surface of 1 m2 is loaded with 100 g of weight force (F = 0.1 kg × 10 m/s2 = 1 N), this results in a pressure of 1 Pa.* The unit commonly used in Europe for higher pressures is Bar (bar). As can be seen in the calculation, Pascal (Pa) has too small a division for most technical applications.


1 bar = 105 N/m² = 100 000 Pa

The unit bar (bar) is usually found on the measuring scale of pressure gauges or process variable recorders. It is interesting to note that mmHg (millimeters of mercury) is a unit frequently used in medicine. This is used to determine systolic blood pressure.

What is the formula for the pressure of a liquid or gas?

According to the definition, if a force of gravity F = 1N (1N is the product of the mass m = 100 g and the acceleration due to gravity g = 10m/s2) acts on a given area A = 1 m2 , the pressure is 1 Pa.


Pressure formula and unit:

p = F/S, where:

p - Pressure [Pa]

F - Power [N]

S - Surface [m2].

You can use the above formula to calculate the pressure if you know the mass of the object or medium to be tested. But what if you need to calculate the pressure at the bottom of a large container, such as a swimming pool? In this case, it is impossible to determine the total mass of the water. Using a formula, it is possible to determine the pressure at the bottom of the container based solely on the density and height of the column of the medium:



Pressure formula:

p = ρgh +p0, where:

ρ - Medium density [kg/m3]

g - Acceleration due to gravity [m/s2].

h - Liquid column height [m].

*Note: The exact value of the acceleration due to gravity g = 9.81 m/s2 was not used here. Instead, a rounded value of 10 m/s2 was used.


Arten des physikalikschen Drucks

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Absoluter Druk

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Der Nullpunkt der Absolut- oder Absolutdruckskala ist das Vakuum. Daher werden Absolutdruckdaten immer in Bezug auf diesen Punkt gemessen. Ein Beispiel ist der atmosphärische Druck, der immer als absoluter Druck angegeben wird.

Relativ Druck

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Bei der Messung des relativen Druck ist der Referenzwert der Umgebungsdruck. In industriellen Anwendungen wird der Druck in Geräten oft in relativer Form ausgedrückt, d.h. relativ zum Atmosphärendruck. In diesem Fall ist der tatsächliche Druck die Summe aus dem relativen Druck (wie er im Prozess auftritt) und dem Umgebungsdruck (Atmosphärendruck). In der Industrie ist es jedoch nicht unüblich, dass Prozesse bei Drücken ablaufen, die ein Vielfaches des Atmosphärendrucks betragen. In solchen Fällen wird der Umgebungsdruck nicht berücksichtigt.

Statischer und dynamischer Druck in Fluiden

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Der statische Druck ist der Druck in einem Gas oder einer Flüssigkeit im Ruhezustand, beispielsweise in einem geschlossenen Gefäß. In diesem Fall reicht es aus, die Kraft zu kennen, die das Medium auf eine bestimmte Oberfläche ausübt, um den Druck zu bestimmen. Befindet sich das Medium jedoch in Bewegung, z. B. in einer Rohrleitung, spricht man von dynamischem Druck. Per Definition kann der dynamische Druck als der Druck beschrieben werden, der von einer strömenden Flüssigkeit oder einem strömenden Gas auf die Oberfläche eines Körpers ausgeübt wird, der im rechten Winkel zum strömenden Medium steht. Dieser Druck resultiert aus der kinetischen Energie der bewegten Teilchen.

Differenzdruck

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Der Differenzdruck ist das Ergebnis des Vergleichs zweier absoluter Druckwerte und wird als Druckdifferenz Δp bezeichnet. Er wird in der Technik häufig zu Kontrollzwecken verwendet. Der Druckunterschied am Boden eines Flüssigkeitsbehälters und über der Flüssigkeit gibt beispielsweise Auskunft über die Höhe der Flüssigkeitssäule. Ein Differenzdruckmessgerät, wie z. B. ein Differenzdrucktransmitter, führt Druckmessungen an zwei Messpunkten durch.

Hydrostatischer Druck

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Hydrostatischer Druck tritt in einer ruhenden Flüssigkeit auf. Er ist abhängig von der Höhe der Flüssigkeitssäule h, ihrer Dichte ρ und der Erdbeschleunigung g. Je höher die Wassersäule, desto höher der Druck. Je tiefer zum Beispiel ein Taucher in einem See taucht, desto größer ist der hydrostatische Druck, der auf ihn wirkt.