La pressione assoluta è misurata rispetto al vuoto perfetto, mentre la pressione relativa è misurata rispetto all'atmosfera locale. In pneumatica, la distinzione è particolarmente importante quando si calcolano la massa del gas, i rapporti di compressione, il grado di vuoto, la densità dell'aria, il flusso attraverso strozzature o gli effetti dell'altitudine. Per calcolare semplicemente la forza di un cilindro con il lato di scarico in atmosfera, la pressione relativa resta in genere il riferimento corretto.
Al livello del mare, la pressione atmosferica standard è circa 14,696 psi, 101,325 kPa o 1,01325 bar (NOAA NDBC). Di conseguenza, una linea principale dell'aria di stabilimento a 80 PSIG non si trova a 80 PSIA, bensì a circa 94,7 PSIA. Quei 14,7 psi aggiuntivi non compaiono su un normale manometro da officina, ma fanno comunque parte del calcolo del gas.
Punti chiave
- La pressione assoluta è uguale alla pressione relativa più la pressione atmosferica locale; pertanto, 80 PSIG al livello del mare corrispondono a 94,7 PSIA (NOAA NDBC).
- Usa la pressione relativa per il calcolo di base della forza del cilindro, ma la pressione assoluta per leggi dei gas, rapporti di compressione, vuoto, altitudine e portata massica.
- Indica sempre PSIA, PSIG, bara o barg. Un generico «psi» può causare errori di dimensionamento evitabili.
Indice
- Che cos'è la pressione assoluta e in cosa differisce dalla pressione relativa?
- Riferimenti di pressione utilizzati nei sistemi pneumatici
- Perché le leggi dei gas e i rapporti di compressione richiedono la pressione assoluta?
- In che modo l'altitudine modifica la pressione assoluta nei sistemi pneumatici?
- Verifiche di conversione della pressione assoluta
- Quali errori compromettono il calcolo della pressione assoluta?
- Domande frequenti
Che cos'è la pressione assoluta e in cosa differisce dalla pressione relativa?
La pressione assoluta è misurata a partire dalla pressione zero, mentre la pressione relativa è misurata rispetto alla pressione atmosferica locale. Nel glossario del manuale sull'aria compressa, il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti definisce la pressione assoluta come la pressione totale misurata a partire dallo zero (manuale DOE, 2022). In termini pratici, PSIA = PSIG + pressione atmosferica locale.
Il modo più semplice per evitare errori è porsi una domanda prima di eseguire il calcolo: «Questa formula confronta la pressione con l'atmosfera oppure confronta due stati del gas?». Se confronta stati del gas, occorre usare la pressione assoluta. Se si tratta della semplice forza di un attuatore alimentato dall'aria di stabilimento con scarico in atmosfera, la pressione relativa è generalmente corretta.
| Riferimento | Punto zero | Unità comunemente usate | Impiego pneumatico tipico |
|---|---|---|---|
| Pressione assoluta | Vuoto perfetto | PSIA, bara, kPa assoluti | Leggi dei gas, rapporti di compressione, vuoto, densità dell'aria |
| Pressione relativa | Atmosfera locale | PSIG, barg, kPa relativi | Taratura dei regolatori, spinta dei cilindri, pressione di linea |
| Pressione differenziale | Un altro punto del processo | PSID, bar dP, kPa dP | Perdita di carico su filtri e valvole, misura della portata |
| Lettura del vuotometro | Al di sotto dell'atmosfera locale | inHg di vuoto, PSIG negativi | Ventose, evacuazione, ricerca delle perdite |
Come si traduce tutto questo su una macchina? Un regolatore impostato a 6 bar relativi in uno stabilimento vicino al livello del mare corrisponde a circa 7,013 bar assoluti, perché l'atmosfera locale aggiunge approssimativamente 1,013 bar. Un trasduttore configurato per la pressione assoluta visualizzerà il valore completo. Un normale manometro pneumatico mostrerà invece la pressione utile al di sopra di quella dell'ambiente circostante.
Riferimenti di pressione utilizzati nei sistemi pneumatici
La maggior parte dei manometri pneumatici indica la pressione al di sopra dell'atmosfera locale, non la pressione totale del gas. La NOAA spiega che la pressione atmosferica deriva dal peso dell'aria sovrastante un determinato luogo e che, al livello del mare, il valore standard è prossimo a 14,7 psi (NOAA NDBC). Proprio per questo riferimento locale, PSIG e PSIA non devono mai essere mescolati senza conversione.
Un manometro montato su un regolatore è intenzionalmente riferito all'ambiente, perché è questa la differenza di pressione che l'attuatore «sente» quando l'altro lato scarica nello stesso ambiente. Per questo motivo, l'equazione di base della forza di un cilindro a doppio effetto è normalmente:
Forza = pressione relativa x area effettiva del pistonePer la corsa di estensione sul lato alesaggio, usa l'area dell'alesaggio. Per la corsa di rientro sul lato stelo di un cilindro tradizionale, sottrai prima l'area dello stelo. In un cilindro senza stelo, l'area utile dipende dalla fascia di tenuta e dalla configurazione del pistone: usa quindi l'area effettiva indicata a catalogo, senza dedurla unicamente dalle dimensioni del corpo.
Quando entra in gioco la pressione assoluta? Quando è l'aria stessa l'oggetto del calcolo. Devi determinare quanta massa d'aria è contenuta in un serbatoio? Usa la pressione assoluta. Devi stimare la temperatura di mandata del compressore a partire da un rapporto di pressione? Usa la pressione assoluta. Devi confrontare le prestazioni di una ventosa tra uno stabilimento al livello del mare e uno in montagna? Anche in questo caso usa la pressione assoluta.
Nella nostra esperienza, la maggior parte degli errori sul campo nasce da un valore privo di indicazione. Un disegno riporta «pressione: 6 bar», un fornitore lo interpreta come barg, mentre un modello di simulazione lo considera bara: il risultato è un errore silenzioso di 1 bar nel riferimento. Durante una prova il componente potrebbe comunque muoversi, ma il modello energetico, la stima del tempo di riempimento o il calcolo del vuoto non saranno attendibili.
Perché le leggi dei gas e i rapporti di compressione richiedono la pressione assoluta?
Le equazioni dei gas utilizzano la pressione assoluta perché descrivono lo stato fisico del gas, non lo scostamento indicato da uno strumento. NASA Glenn presenta la relazione dei gas ideali come il prodotto di pressione e volume uguale al prodotto di costante del gas e temperatura, con la pressione legata alla densità del gas e alla temperatura assoluta (NASA Glenn). In pneumatica, ciò significa che il valore PSIG deve essere convertito prima di applicare PV = nRT.
La stessa regola vale per il rapporto di compressione:
Rapporto di compressione = pressione assoluta di mandata / pressione assoluta di aspirazioneAl livello del mare, un compressore che aspira dall'atmosfera e manda aria a 80 PSIG presenta:
Pressione assoluta di mandata = 80 + 14.7 = 94.7 PSIA
Pressione assoluta di aspirazione = 14.7 PSIA
Rapporto di compressione = 94.7 / 14.7 = 6.44:1Se si divide 80 per 0 oppure 80 per 14,7, il rapporto è errato ancora prima di iniziare l'analisi. Non si tratta di un dettaglio marginale del foglio di calcolo: il rapporto di compressione influisce sul calore, sul numero di stadi, sul rendimento volumetrico, sul ripristino della pressione nel serbatoio e sull'applicabilità della curva dichiarata dal costruttore all'impianto reale.
Il Dipartimento dell'Energia osserva che molti stabilimenti industriali considerano l'aria compressa un'utenza essenziale, con sistemi che vanno da piccoli compressori da 5 hp a impianti superiori a 50.000 hp (manuale DOE, 2022). Su questa scala, un errore nel riferimento di pressione può sprecare energia molto prima di provocare un'anomalia visibile nel movimento.
Lo stesso principio riguarda il flusso attraverso strozzature, valvole e orifizi. Quando si dimensiona una valvola per un sistema di comando pneumatico, il rapporto di pressione deve essere calcolato con pressioni assolute. Se il lato a monte è a 6 barg, la pressione assoluta a monte è circa 7,013 bara, non 6 bar.
In che modo l'altitudine modifica la pressione assoluta nei sistemi pneumatici?
La pressione atmosferica diminuisce all'aumentare della quota. Il modello di atmosfera standard della NASA mostra una riduzione da 14,7 psi al livello del mare a circa 12,2 psi in prossimità di 5.000 ft e a circa 10,1 psi vicino a 10.000 ft (NASA Glenn). A parità di regolazione relativa di 80 PSIG, la pressione assoluta totale è quindi inferiore in quota.
Ecco la distinzione pratica. Se un cilindro si estende contro la stessa atmosfera locale presente sul lato di scarico, la sua spinta di base continua a dipendere dalla pressione relativa. Un regolatore a 80 PSIG fornisce comunque una differenza di pressione di 80 psi sull'area attiva del pistone, purché lo scarico sia libero e la contropressione ridotta.
Gli effetti della pressione assoluta emergono invece in altri casi:
- Alla stessa pressione PSIG e allo stesso volume, un serbatoio in quota contiene una massa d'aria minore.
- In quota, il compressore dispone di pressione e densità inferiori in aspirazione.
- Una ventosa dispone di una pressione atmosferica minore per premere il pezzo contro la coppa.
- I modelli di flusso e le verifiche del rapporto di pressione cambiano, perché entrambi i lati devono essere espressi in pressione assoluta.
- Le prove di portata di perdita e di decadimento della pressione diventano più sensibili alle variazioni barometriche locali.
Questa precisazione è importante. Affermare che «l'altitudine riduce la forza del cilindro del 3% ogni 1.000 ft» è troppo generico. È più corretto dire che l'altitudine riduce la pressione atmosferica locale, modificando i calcoli in pressione assoluta relativi a massa d'aria, aspirazione del compressore, forza di presa a vuoto e rapporti di pressione. La spinta di un attuatore regolato in pressione relativa e con scarico in atmosfera si calcola invece, di norma, dalla differenza di pressione relativa.
Per un impianto in montagna, registra la pressione atmosferica locale nella documentazione di progetto. Una macchina costruita al livello del mare e installata a circa 5.000 ft può ancora superare le verifiche della forza degli attuatori, ma è opportuno riesaminare l'aspirazione del compressore, le ventose, la stima dei tempi di riempimento e le soglie di decadimento della pressione.
Verifiche di conversione della pressione assoluta
La conversione della pressione avviene in due fasi: prima si converte il riferimento, poi l'unità. L'atmosfera standard equivale a 101,325 kPa, 1,01325 bar o 14,696 psi (NOAA NDBC). Nei progetti pneumatici internazionali, ciò significa che 5 barg corrispondono a 6,013 bara prima della conversione in psi o kPa.
Applica prima queste formule:
PSIA = PSIG + pressione atmosferica locale
PSIG = PSIA - pressione atmosferica locale
Pressione assoluta (bara) = pressione relativa (barg) + pressione atmosferica locale in bar
Pressione relativa (barg) = pressione assoluta (bara) - pressione atmosferica locale in bar
pressione assoluta di vuoto = atmosfera locale - depressione indicata dal vuotometroQuindi converti le unità:
| Conversione | Fattore |
|---|---|
| da psi a kPa | 6.89476 |
| da kPa a psi | 0.145038 |
| da psi a bar | 0.0689476 |
| da bar a psi | 14.5038 |
| da inHg a psi | 0.491154 |
| da psi a inHg | 2.03602 |
Esempi di calcolo:
| Valore iniziale | Atmosfera locale | Risultato corretto | Note |
|---|---|---|---|
| 80 PSIG | 14.7 PSIA | 94.7 PSIA | Aria di stabilimento al livello del mare |
| 80 PSIG | 12.2 PSIA | 92.2 PSIA | Atmosfera standard a circa 5.000 ft |
| 5 barg | 1.013 bar | 6.013 bara | Specifica europea comune |
| Vuoto di 25 inHg | 14.696 PSIA | 2.42 PSIA | 14.696 - (25 x 0.491154) |
| 600 kPa relativi | 101.325 kPa | 701.325 kPa assoluti | Ipotesi di atmosfera standard |
Durante le verifiche di progetto applico una regola semplice: se un calcolo comprende volume, temperatura, densità, massa, rapporto di compressione o vuoto, ogni valore di pressione sulla stessa riga deve riportare il suffisso «a» o «g». Senza suffisso, il calcolo non viene approvato. Può sembrare eccessivamente scrupoloso, finché un valore non identificato modifica la scelta del compressore.
Quali errori compromettono il calcolo della pressione assoluta?
L'errore più comune consiste nell'usare la pressione relativa in formule che richiedono quella assoluta. Il NIST indica intervalli di taratura per pressioni assolute e differenziali da 0,1 Pa a 360 kPa nella manometria di bassa pressione (NIST). Questa distinzione esiste perché il riferimento di pressione è parte integrante della misura, non un semplice dettaglio di notazione.
Primo errore: usare i PSIG nelle leggi dei gas. Se si inserisce 80 in PV = nRT quando la condizione reale è 80 PSIG al livello del mare, si ignorano 14,7 psi di pressione atmosferica. Il valore corretto da utilizzare è 94,7 PSIA. L'errore relativo non è trascurabile alle normali pressioni dell'aria di stabilimento.
Secondo errore: usare la pressione relativa per il rapporto di compressione. L'aspirazione del compressore non è a zero solo perché l'ingresso è aperto all'atmosfera. Al livello del mare, la pressione assoluta in aspirazione è circa 14,7 PSIA. Una mandata a 80 PSIG equivale a circa 94,7 PSIA, per un rapporto di 6,44:1.
Terzo errore: trattare i pollici di mercurio di vuoto come pressione assoluta. Una lettura di 25 inHg di vuoto indica 25 pollici di mercurio al di sotto dell'atmosfera locale. Non significa 25 PSIA e non rappresenta una pressione assoluta negativa. Al livello del mare, 25 inHg di vuoto corrispondono a circa 2,42 PSIA.
Quarto errore: confondere barg e bara nei documenti dei fornitori. Succede spesso quando, nella stessa cartella di progetto, confluiscono una scheda tecnica europea, un gruppo compressore nordamericano e un disegno macchina asiatico. Specifica per esteso il riferimento sia nella richiesta d'offerta sia nella prova di accettazione.
Quinto errore: usare direttamente Celsius o Fahrenheit nei calcoli delle leggi dei gas. Alla pressione assoluta deve corrispondere una temperatura assoluta: Kelvin per il sistema metrico, Rankine per il sistema imperiale. L'equazione dei gas ideali della NASA collega pressione, densità, costante del gas e temperatura; pertanto, sia la pressione sia la temperatura devono avere un riferimento assoluto (NASA Glenn).
Nel dimensionamento degli attuatori, mantieni netta la distinzione. Il calcolo della forza di un cilindro pneumatico usa normalmente la pressione relativa, perché il lato opposto scarica nell'atmosfera locale. Un compressore, una ventosa, l'accumulo in un serbatoio, un modello di portata massica o una prova di tenuta possono invece richiedere la pressione assoluta. È lo stesso sistema, ma il quesito tecnico è diverso.
Se il progetto comprende cilindri pneumatici senza stelo, slitte pneumatiche senza stelo, valvole, gruppi FRL o lunghe linee di tubazioni, indica il tipo di pressione in ogni foglio di calcolo. In questo modo il calcolo del movimento, la stima del consumo d'aria e il modello di dimensionamento del compressore non divergeranno senza che nessuno se ne accorga.
Domande frequenti
Che cos'è la pressione assoluta in pneumatica?
La pressione assoluta è la pressione totale misurata rispetto al vuoto perfetto. Al livello del mare, una linea a 80 PSIG si trova a circa 94,7 PSIA perché l'atmosfera standard aggiunge circa 14,7 psi (NOAA NDBC). Usa PSIA o bara quando il calcolo riguarda massa o densità del gas, rapporto di compressione, vuoto o temperatura.
La forza di un cilindro pneumatico si calcola con la pressione assoluta o relativa?
La forza di base di un cilindro pneumatico si calcola generalmente con la pressione relativa: la forza è uguale ai PSIG moltiplicati per l'area effettiva del pistone. Ciò è valido perché il lato di scarico comunica normalmente con la stessa atmosfera locale. Usa la pressione assoluta quando il calcolo riguarda massa d'aria, accumulo nel serbatoio, forza di presa a vuoto, rapporto di compressione, rapporto di flusso o correzione della temperatura.
Come si convertono i PSIG in PSIA?
Aggiungi la pressione atmosferica locale alla pressione relativa. Al livello del mare, 80 PSIG più 14,7 psi equivalgono a 94,7 PSIA. A una quota standard di circa 5.000 ft, l'atmosfera locale è più vicina a 12,2 PSIA (NASA Glenn), quindi 80 PSIG corrispondono a circa 92,2 PSIA.
Perché il rapporto di compressione usa la pressione assoluta?
Il rapporto di compressione confronta lo stato del gas in mandata con quello in aspirazione, perciò entrambi i valori devono essere assoluti. Con una mandata a 80 PSIG e aspirazione atmosferica al livello del mare, il rapporto è 94,7 diviso 14,7, cioè 6,44:1. Usare la pressione relativa nasconde la reale pressione d'ingresso e porta a una valutazione errata del lavoro del compressore.
In che modo l'altitudine influisce sulle ventose?
Le ventose sfruttano la pressione atmosferica per spingere il pezzo contro la coppa. Vicino al livello del mare, l'atmosfera standard è circa 14,7 PSIA; vicino a 5.000 ft è circa 12,2 PSIA (NASA Glenn). A parità di vuoto relativo, in quota si può quindi ottenere una differenza di pressione assoluta inferiore.
Fonti
- NOAA NDBC: che cos'è la pressione atmosferica?
- NASA Glenn: modello dell'atmosfera terrestre
- NASA Glenn: equazione di stato dei gas ideali
- Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti: Migliorare le prestazioni dei sistemi ad aria compressa, manuale per l'industria, terza edizione
- NIST: tarature di pressione e vuoto
- YouTube: pressione assoluta e pressione relativa - meccanica dei fluidi - problemi di fisica