Una forza divisa per una superficie, letta su una scala
Un manometro è uno strumento che misura la pressione di un fluido, liquido o gas, contenuto in un recipiente o in un circuito chiuso. La grandezza misurata è una forza divisa per una superficie.
Quasi nessun manometro, però, misura davvero una forza. Ciò che fa è trasformare la pressione in uno spostamento e poi leggere quello spostamento: un elemento elastico si deforma in modo proporzionale alla pressione, un meccanismo ne amplifica la deformazione, una lancetta la riporta su una scala graduata. Nei manometri elettronici cambia soltanto l’ultimo tratto, perché la deformazione diventa un segnale elettrico invece di un movimento.
Da qui discende una cosa che si legge male sulle schede: un manometro ha una classe di precisione, non un errore fisso. La norma europea sugli strumenti a molla tubolare, la EN 837-1, definisce le classi come percentuale del valore di fondo scala. Un manometro in classe 1 può sbagliare fino all’1% del fondo scala lungo tutta la corsa, il che in termini relativi pesa molto di più nel primo quarto della scala che alla fine. Uno strumento letto vicino allo zero è uno strumento letto male.
Come funziona un manometro a molla tubolare
L’elemento elastico più diffuso è il tubo di Bourdon, che in italiano si chiama anche molla tubolare. È un tubo metallico a sezione ovale, chiuso a un capo e piegato ad arco. Quando il fluido in pressione entra dal capo aperto, la sezione ovale tende a diventare circolare; siccome il tubo è curvo, quel cambiamento di sezione lo costringe ad aprirsi, cioè ad aumentare il proprio raggio di curvatura. Il capo chiuso si sposta di poco, e una leva collegata a un settore dentato e a un pignone trasforma quel poco nella rotazione della lancetta.
L’invenzione ha una data precisa: il 18 giugno 1849 l’ingegnere francese Eugène Bourdon ottenne il brevetto per un sistema di manometro metallico senza mercurio, applicabile a barometri e manometri. Da allora il tubo di Bourdon ha sostituito le colonne di mercurio nella misura industriale, e resta l’elemento sensibile più comune.
Membrana, capsula e sensori elettronici
Il tubo di Bourdon non copre tutto il campo. Alle pressioni basse la sua deformazione diventa troppo piccola per essere letta, e si passa a elementi con più superficie esposta.
Il tipo a membrana usa un disco sottile e ondulato, serrato fra due flange, che si inarca verso il lato a pressione minore; la freccia al centro viene trasferita al meccanismo. Il tipo a capsula usa due membrane saldate lungo il bordo, che formano una camera schiacciata: la capsula si gonfia e si sgonfia come un piccolo soffietto, e la corsa disponibile è maggiore di quella di una membrana sola. Il soffietto vero e proprio, con più pieghe in serie, spinge lo stesso principio ancora oltre.
Negli strumenti elettronici l’elemento sensibile è di regola una membrana di silicio su cui sono ricavati estensimetri collegati a ponte: la deformazione cambia la resistenza dei rami e sbilancia una tensione, che viene amplificata e convertita in numero. Il guadagno non sta tanto nella precisione quanto in ciò che viene dopo la misura, perché un segnale elettrico si registra, si trasmette a distanza e fa scattare una soglia, cose che una lancetta non fa.
Pressione relativa, pressione assoluta e le unità
Uno strumento comune non legge la pressione del fluido: legge di quanto quella pressione supera l’atmosfera che preme sull’altra faccia dell’elemento elastico. È la pressione relativa, e allo zero della scala corrisponde un fluido alla pressione dell’aria circostante, non il vuoto. La pressione assoluta è invece riferita al vuoto, e per misurarla lo strumento deve portarsi dietro una camera di riferimento sigillata e svuotata. Le due si legano per somma: la assoluta è la relativa più la pressione atmosferica del luogo, che non è una costante e cambia con la quota e con il tempo meteorologico.
Nel Sistema Internazionale l’unità è il pascal, cioè un newton per metro quadrato. È un’unità minuscola rispetto agli usi pratici, e per questo ne circolano molte altre. Le equivalenze valgono così:
- 1 bar = 100.000 Pa, per definizione
- 1 atmosfera standard = 101.325 Pa, per definizione
- 1 mmHg = 133,322 Pa
- 1 cmH2O = 98,0665 Pa alle condizioni di riferimento convenzionali
- 1 psi = 6.894,757 Pa
I manometri in mmHg: sfigmomanometri, bracciali, tourniquet
In medicina l’unità sopravvissuta è il millimetro di mercurio, e non per abitudine tollerata: la direttiva europea sulle unità di misura, la 80/181/CEE, tiene il mmHg fra le unità ammesse nei settori specializzati, e il settore in cui è ammesso è la pressione del sangue e degli altri fluidi corporei.
Il nome ricorda l’origine, l’altezza di una colonna di mercurio, ma gli strumenti che oggi leggono quei valori non contengono mercurio: sono manometri aneroidi, cioè senza liquido, di norma a capsula. La ragione è il campo di misura, stretto e basso: uno sfigmomanometro lavora sotto i 300 mmHg, che in pascal fanno circa quaranta chilopascal, cioè meno di mezzo bar. A quelle pressioni un tubo di Bourdon si muoverebbe troppo poco, mentre una capsula ha superficie sufficiente a dare una corsa leggibile.
Lo stesso quadrante compare su altri strumenti che gonfiano una camera d’aria contro un arto o contro una sacca: i bracciali che spremono le sacche da infusione, portati a una pressione impostata, e i tourniquet pneumatici, dove la pressione applicata all’arto è il parametro che l’operatore imposta e sorveglia. In tutti questi casi il manometro non è un accessorio del dispositivo: è la parte che rende l’operazione ripetibile, perché senza numero resterebbe soltanto la sensazione della mano sulla pompetta. Per gli sfigmomanometri non automatici i requisiti e i metodi di prova stanno nella EN ISO 81060-1:2012.
Manometro, barometro e vacuometro
Tre nomi indicano tre strumenti che non si scambiano fra loro.
Il barometro misura la pressione dell’aria libera, ed è per forza una misura assoluta, perché non ha un secondo ambiente con cui confrontarsi. Il manometro misura la pressione di un fluido confinato, di regola in relativo, prendendo proprio l’atmosfera come zero. Il vacuometro, o vuotometro, è il nome corretto dello strumento che legge pressioni inferiori a quella atmosferica: la lancetta si muove dalla parte opposta e la scala porta valori negativi. Uno strumento graduato su entrambi i lati dello zero si chiama manovacuometro.
Resta fuori da questa terna il più antico dei quattro, il manometro a colonna di liquido: un tubo a U riempito di liquido di densità nota, con un ramo collegato al fluido e l’altro all’ambiente. Qui non c’è nessun elemento elastico e nessuna taratura di cui fidarsi. Il dislivello fra i due rami, moltiplicato per la densità del liquido e per l’accelerazione di gravità, dà direttamente la differenza di pressione. È ingombrante e lento, e resta il più diretto di tutti, perché ciò che legge è una lunghezza e non la deformazione di una molla.
