Co to jest ciśnienie hydrostatyczne?

Ciśnienie hydrostatyczne to ciśnienie wywierane przez słup cieczy, zależne od jego wysokości i gęstości. Najprościej mówiąc, jest to ciśnienie panujące na danej głębokości. Im większa jest głębokość, tym większe jest ciśnienie hydrostatyczne, ponieważ ciężar cieczy wzrasta pod wpływem siły skierowanej w dół (grawitacji).

Paradoks hydrostatyczny

Ciśnienie hydrostatyczne cieczy zależy tylko od głębokości. Na ten parametr nie mają wpływu ani wielkość zbiornika, ani jego kształt. To zjawisko nazywane jest "paradoksem hydrostatycznym".

Hydrostatyczny poziom cieczy w zbiorniku

Sondy hydrostatyczne działają w oparciu o prostą zasadę. Jeśli jesteśmy świadomi gęstości cieczy, w której przeprowadzany jest pomiar, wartość ciśnienia zależy od wysokości słupa cieczy nad miejscem pomiaru, czyli w tym kontekście nad czujnikiem sondy. Jak na pewno pamiętasz z lekcji fizyki, objętość płynu nad miejscem pomiaru nie wpływa na odczyt. Dlatego ciśnienie w otwartej rurze ustawionej pionowo będzie takie samo jak w otwartym zbiorniku napełnionym wodą do identycznego poziomu. Pomiar ciśnienia w sondzie hydrostatycznej dokonywany jest na poziomie membrany separującej zanurzonej sondy i jest porównywany z ciśnieniem atmosferycznym za pomocą kapilary umieszczonej w przewodzie.

Pomiar opiera się na równaniu:

p = h⋅ρ⋅g

Definicje:

• p – ciśnienie wewnątrz zbiornika,
• h – poziom cieczy,
• ρ – gęstość płynu,
• g – wartość grawitacji.

W otwartym zbiorniku poziom cieczy jest obliczany w ten sposób:

h = p/(ρ⋅g)

W zbiorniku zamkniętym wzór prezentuje się następująco:

h = (p2 – p1)/(ρ⋅g), gdzie:

• p1 – ciśnienie na wierzchu płynu,
• p2 – ciśnienie w miejscu pomiaru.

Należy zaznaczyć, że pomiary można przeprowadzać nie tylko w wodzie, ale także w bardziej wymagających środowiskach. Do pracy w trudnych warunkach sprawdzą się nasze sondy hydrostatyczne poziomu cieczy odporne na oddziaływania fizyczne oraz chemiczne.

Sondy hydrostatyczne – zastosowanie

Ta metoda pomiaru jest powszechnie stosowana w różnych gałęziach przemysłu m.in. spożywczym i wodno-ściekowym – w oczyszczalniach ścieków i przepompowniach ścieków. Zależnie od zastosowania, wyróżniamy takie sondy hydrostatyczne, jak:

Hydrostatyczna sonda poziomu do ścieków

np. hydrostatyczna sonda do pomiaru poziomu ścieków JUMO MAERA F27

Hydrostatyczna sonda poziomu wody

np. sonda hydrostatyczna 4 20 mA JUMO MAERA S25

Sonda głębokości do studni

np. hydrostatyczna sonda głębokości do wody pitnej JUMO MAERA S28

Czy sondy hydrostatyczne nadają się do pomiaru poziomu w rzece?

Tak, hydrostatyczne czujniki poziomu cieczy mogą być stosowane w rzekach, pod warunkiem, że są odpowiednio zamontowane. Sondę hydrostatyczną najlepiej umieścić w miejscu, gdzie nurt jest stosunkowo spokojny. Unika się miejsc o silnym prądzie wodnym, które mogą wpłynąć na dokładność pomiarów. Ponadto warto zadbać o montaż na odpowiedniej głębokości oraz regularną kalibrację. Przykładem odpowiedniej sondy do tego zastosowania jest MAERA S26, z zakresem pomiarowym do 25 m.

Jak działa hydrostatyczna sonda poziomu?

Do hydrostatycznego pomiaru poziomu wykorzystywana jest sonda hydrostatyczna. Montuje się ją lub opuszcza na określoną głębokość (poziom zerowy). Czujnik ciśnienia wody, ze względu na paradoks hydrostatyczny, nie mierzy całej objętości zbiornika, lecz tylko pionowy słup cieczy znajdujący się bezpośrednio nad nim. Jeżeli znany jest ciężar właściwy cieczy, wartość ciśnienia można obliczyć jako odległość od poziomu zerowego, na którym znajduje się przetwornik, do powierzchni cieczy.

Jakie wartości mogą mierzyć sondy hydrostatyczne?

Sondy hydrostatyczne umożliwiają pomiar nie tylko aktualnej wartości poziomu, lecz także monitorowanie zmian poziomu z dowolnie wybranego punktu odniesienia w obrębie medium.

Co więcej, dzięki temu, że hydrostatyczne przetworniki ciśnienia montowane są pod powierzchnią wody, są odporne na wszelkie jej zakłócenia jej powierzchni, tak jak np. zalanie.

Jak wybrać odpowiedni ciśnieniowy czujnik poziomu cieczy?

W zbiornikach otwartych, takich jak naczynia odpowietrzne, studnie czy naturalne lub sztuczne zbiorniki wodne, stosuj zatapialne przetworniki ciśnienia tzw. sondy poziomu. Do zamkniętych zbiorników najbardziej odpowiednie będą zatapialne czujniki ciśnienia z membraną czołową lub przetworniki, które można przykręcić do zbiornika z zewnątrz.

Po podjęciu tej decyzji, określ tych kilka najważniejszych cech:

1. Przyłącze ciśnieniowe (tylko jeśli jest to standardowy przetwornik do montażu bocznego) - dopasowane do gwintowanego otworu w zbiorniku.

2. Zakres pomiarowy - należy go dobrać odpowiednio do poziomu, jaki ma być mierzony w danym zastosowaniu. W przypadku zbiornika wolnostojącego, poziom określamy na podstawie jego wysokości. W zbiorniku podziemnym, należy zdecydować, na jakiej głębokości chcemy zanurzyć sondę poziomu i wybrać odpowiedni zakres pomiarowy. Należy pamiętać, że 10 metrów słupa wody odpowiada ciśnieniu około 1.000 mbar (1 bar) lub 14,5 psi.

3. Dokładność - standardowa dokładność <0,5% daje możliwy błąd max. 5 mm na metr poziomu, podczas gdy warianty o najwyższej dokładności <0,1% będą miały dokładność maks. 1 mm na metr poziomu.

4. Przyłącze elektryczne - w standardowym czujniku możesz wybrać złącze (takie jak M12 lub DIN A) lub wyjście kablowe, natomiast, jeśli wybrałeś zatapialny czujnik ciśnienia wody, dostępną opcją jest tylko kabel.

   W przypadku złącza kablowego należy wybrać odpowiednią długość, by umożliwić podłączenie przewodów od przetwornika do układu sterowania oraz, w przypadku czujnika zatapialnego, znalazł się na odpowiedniej głębokości.

5. Materiał wykonania - standardowo czujniki poziomu wykonane są ze stali nierdzewnej, tak jak JUMO MAERA S 28, jednakże do wymagających mediów polecamy odporny czujnik poziomu cieczy ps z tytanu np. sonda hydrostatyczna JUMO MAERA S 29.

6. Dodatkowe funkcje np. dopuszczenie do strefy ex, tak jak w sondzie JUMO dTRANS p33.

Hydrostatyczny pomiar poziomu – kompensacja temperatury

Jeśli temperatura cieczy wzrośnie, zwiększy ona swoją objętość, co spowoduje wzrost poziomu cieczy. Zjawisko to ma negatywny wpływ na dokładność wyników pomiaru. Jeżeli jednak potrzebny jest precyzyjny hydrostatyczny pomiar poziomu przy zmiennych temperaturach medium, wówczas, w celu zapobieżenia błędom związanym z wpływem temperatury, polecamy zamontować prosty i ekonomiczny dodatkowy czujnik, taki jak sonda temperatury Pt100.

Możesz też wybrać czujnik poziomu cieczy ze zintegrowanym czujnikiem do pomiaru temperatury, taką jak JUMO MAERA F27.

Kable do hydrostatycznych sond poziomu

Jakie są dostępne wykonania kabla do sondy hydrostatycznej?

Dostępne wykonania kabla dla sondy hydrostatycznej np. JUMO MAERA F27 to:

1. PUR cable: Szary kabel z poliuretanu (PUR), ekranowany, odporny na promieniowanie UV.
2. PE-LD cable: Czarny kabel z polietylenu niskiej gęstości (PE-LD), ekranowany, odporny na promieniowanie UV.
3. FEP cable: Czarny kabel z fluoroetylenopropylenem (FEP), ekranowany.

Jaka jest maksymalna długość kabla do sondy hydrostatycznej?

Każdy z wymienionych kabli do sond hydrostatycznych w JUMO jest dostępny w różnych standardowych długościach, od 5 metrów do 100 metrów, a także może być dopasowany do indywidualnych wymagań klienta np. w zakresie 0-2 m.

Jak wybrać odpowiednią sondę hydrostatyczną?

JUMO oferuje szeroką gamę hydrostatycznych czujników, dzięki którym możliwa jest ciągła kontrola poziomu cieczy. Skontaktuj się z nami - nasi specjaliści dobiorą urządzenie do Twojej aplikacji.

Sondy hydrostatyczne z atestem PZH

Atest PZH (Państwowy Zakład Higieny) to certyfikat potwierdzający, że sonda hydrostatyczna spełnia standardy bezpieczeństwa i jakości wody pitnej oraz zdrowia publicznego. Jest to istotne w kontekście urządzeń używanych w związku z wodą pitną lub innymi cieczami, które mogą wpłynąć na zdrowie ludzi. Na prośbę przesyłamy aktualny atest PZH do naszych sond hydrostatycznych.