Měření tlaku

Bylo vyvinuto mnoho nástrojů pro měření tlaku s různými výhodami a nevýhodami. Rozsah tlaku, citlivost, dynamická odezva a náklady se liší od několika řádů od jednoho návrhu přístroje k druhému. Nejstarším typem je manometr na kapalinovou kolonu (vertikální trubice naplněná rtutí), který vynalezl Evangelista Torricelli v roce 1643. U-trubici vynalezl Christiaan Huygens v roce 1661.

HydrostaticEdit

Hydrostatické ukazatele (například rtuťový sloupcový manometr) porovnávají tlak s hydrostatickou silou na jednotku plochy na základně kolony kapaliny. Měření hydrostatického měřidla jsou nezávislá na typu měřeného plynu a mohou být navržena tak, aby měla velmi lineární kalibraci. Mají špatnou dynamickou odezvu.

PistonEdit

Pístová měřidla vyvažují tlak kapaliny pomocí pružiny (například tlakoměry s poměrně nízkou přesností) nebo pevnou hmotností , v takovém případě je známý jako tester vlastní váhy a lze jej použít ke kalibraci jiných měřidel.

Liquid column (manometer) Edit

Liquid-column gaugers sestávají ze sloupce kapalina v trubici, jejíž konce jsou vystaveny různým tlakům. Kolona bude stoupat nebo klesat, dokud nebude její hmotnost (síla působená gravitací) v rovnováze s tlakovým rozdílem mezi dvěma konci trubky (síla působící v důsledku tlaku kapaliny). Velmi jednoduchá verze je trubka ve tvaru písmene U napůl plná kapaliny, jejíž jedna strana je připojena k oblasti zájmu, zatímco referenční tlak (kterým může být atmosférický tlak nebo vakuum) je aplikován na druhou. Rozdíl v hladinách kapaliny představuje aplikovaný tlak. Tlak vyvíjený sloupcem tekutiny o výšce h a hustotě ρ je dán rovnicí hydrostatického tlaku, P = hgρ. Proto tlakový rozdíl mezi aplikovaným tlakem Pa a referenčním tlakem P0 v manometru s trubkou ve tvaru U lze zjistit řešením Pa – P0 = hgρ. Jinými slovy, tlak na obou koncích kapaliny (zobrazený modře na obrázku) musí být vyrovnaný (protože kapalina je statická), takže Pa = P0 + hgρ.

Ve většině kapalin- sloupcových měření, výsledkem měření je výška h, obvykle vyjádřená v mm, cm nebo palcích. H je také známé jako tlaková hlava. Když se vyjádří jako tlaková výška, tlak se udává v jednotkách délky a musí se specifikovat měřicí kapalina. Pokud je přesnost kritická, musí být rovněž specifikována teplota měřené kapaliny, protože hustota kapaliny je funkcí teploty. Například může být tlaková hlava pro měření prováděná se rtutí nebo vodou jako manometrickou kapalinou napsána „742,2 mmHg“ nebo „4,2 inH2O při 59 ° F“. K tomuto měření lze přidat slovo „měřidlo“ nebo „vakuum“, aby se rozlišil tlak nad nebo pod atmosférickým tlakem. Oba mm rtuti a palce vody jsou běžné tlakové hlavy, které lze převést na jednotky tlaku SI pomocí převodu jednotek a výše uvedených vzorců.

Pokud je měřená kapalina výrazně hustá, mohou mít hydrostatické korekce je třeba provést pro výšku mezi pohyblivým povrchem pracovní kapaliny manometru a místem, kde je požadováno měření tlaku, s výjimkou měření rozdílového tlaku kapaliny (například přes clonu nebo Venturiho trubici), v takovém případě je hustota Hodnota ρ by měla být opravena odečtením hustoty měřené kapaliny.

Přestože lze použít jakoukoli kapalinu, dává se přednost rtuti pro její vysokou hustotu (13 534 g / cm3) a nízký tlak par. Jeho konvexní meniskus je výhodný, protože to znamená, že při smáčení skla nedojde k žádným tlakovým chybám, i když za výjimečně čistých podmínek se rtuť přilepí na sklo a barometr se může zaseknout (rtuť může vydržet negativní absolutní tlak) i pod silné vakuum. U nízkých tlakových rozdílů se běžně používá lehký olej nebo voda (z toho vznikají jednotky měření, jako je vodoznak palce a milimetry H2O). Manometry na kapalinové koloně mají vysoce lineární kalibraci. Mají špatnou dynamickou odezvu, protože kapalina ve sloupci může pomalu reagovat na změnu tlaku.

Při měření vakua se může pracovní kapalina odpařovat a kontaminovat vakuum, pokud je tlak páry příliš vysoký. Při měření tlaku kapaliny může smyčka naplněná plynem nebo lehkou tekutinou kapaliny izolovat, aby se zabránilo jejich smíchání, ale to může být zbytečné, například když se jako kapalina manometru používá rtuť k měření rozdílového tlaku kapaliny, jako je voda. Jednoduchá hydrostatická měřidla mohou měřit tlaky v rozmezí od několika torrů (několik 100 Pa) do několika atmosfér (přibližně 1000000 Pa).

Manometr s jednou končetinou na kapalném sloupci má větší zásobník místo jedné strany U-trubice a má stupnici vedle užšího sloupce. Kolona může být nakloněna pro další zesílení pohybu kapaliny. Na základě použití a struktury se používají následující typy manometrů

1. Jednoduchý manometr
2. Mikromanometr
3. Diferenční manometr
4. Invertovaný diferenciální manometr

McLeod gaugeEdit

Měřidlo McLeod izoluje vzorek plynu a stlačuje ho v upraveném rtuťovém manometru, dokud tlak nedosáhne několika milimetrů rtuti. Tato technika je velmi pomalá a nevhodná pro kontinuální monitorování, ale je schopna dobré přesnosti. Na rozdíl od jiných manometrů je odečet měřidla McLeod závislý na složení plynu, protože interpretace se spoléhá na stlačování vzorku jako ideálního plynu. Kvůli procesu komprese měřidlo McLeod zcela ignoruje parciální tlaky od neideálních výparů, které kondenzují, jako jsou oleje z čerpadel, rtuť a dokonce i voda, pokud jsou dostatečně stlačeny.

Užitečný rozsah: od přibližně 10–4 Torr (zhruba 10–2 Pa) na vakuum až 0,1–6 Torr (0,1 mPa),

0,1 mPa je nejnižší přímé měření tlaku, které je při současné technologii možné. Jiné vakuometry mohou měřit nižší tlaky, ale pouze nepřímo měřením jiných vlastností závislých na tlaku. Tato nepřímá měření musí být kalibrována na jednotky SI přímým měřením, nejčastěji měřidlem McLeod.

AneroidEdit

Aneroidní měřidla jsou založena na kovovém prvku snímajícím tlak, který se pružně ohýbá pod účinek tlakového rozdílu napříč prvkem. „Aneroid“ znamená „bez kapaliny“ a termín původně odlišoval tyto měřidla od výše popsaných hydrostatických měřidel. Aneroidní měřidla však lze použít k měření tlaku kapaliny i plynu a nejsou jediným typem měřidla, které může pracovat bez kapaliny. Z tohoto důvodu se v moderním jazyce často nazývají mechanické měřidla. Aneroidní měřidla nejsou závislá na typu měřeného plynu, na rozdíl od měřidel tepelných a ionizačních, a je méně pravděpodobné, že kontaminují systém než hydrostatická měřidla. Prvek pro snímání tlaku může být Bourdonova trubice, membrána, kapsle nebo sada měchů, které budou měnit tvar v reakci na tlak v dané oblasti. Vychýlení prvku pro snímání tlaku může být čteno vazbou spojenou s jehlou, nebo může být čteno sekundárním měničem. Nejběžnější sekundární měniče v moderních vakuových měřidlech měří změnu kapacity v důsledku mechanického vychýlení. Měřidla, která spoléhají na změnu kapacity, se často označují jako kapacitní manometry.

Bourdon gaugeEdit

Bourdonův tlakoměr využívá principu, že zploštělá trubka má při natlakování tendenci narovnávat nebo znovu získávat kruhový tvar v průřezu. Tato změna průřezu může být stěží patrná, což zahrnuje mírné namáhání v elastickém rozsahu snadno zpracovatelných materiálů. Napětí materiálu trubice je zvětšeno vytvořením trubice do tvaru C nebo dokonce do šroubovice, takže celá trubka má tendenci se narovnávat nebo odvíjet elasticky, jak je pod tlakem. Eugène Bourdon patentoval svůj rozchod ve Francii v roce 1849 a byl široce přijat kvůli jeho vynikající citlivosti, linearitě a přesnosti; Edward Ashcroft zakoupil Bourdonova americká patentová práva v roce 1852 a stal se významným výrobcem měřidel. Také v roce 1849 patentoval Bernard Schaeffer v Magdeburgu v Německu úspěšný membránový (viz níže) tlakoměr, který spolu s Bourdonovým měřidlem způsobil revoluci v tlaku v roce 1875, poté, co Bourdonovi vypršely patenty, vyrobila jeho společnost Schaeffer a Budenberg také Bourdonovy trubicové měřidla.

V praxi je to zploštělá tenká stěna s uzavřeným koncem trubice je připojena na dutém konci k pevné trubce obsahující tlak měřeného média. Jak se tlak zvyšuje, uzavřený konec se pohybuje v oblouku a tento pohyb se převádí na rotaci (segmentu) ozubeného kola spojovacím článkem, který je obvykle nastavitelný. Ozubené kolo malého průměru je na hřídeli ukazatele, takže pohyb je dále zvětšen převodovým poměrem. Umístění indikační karty za ukazatelem, počáteční poloha hřídele ukazatele, délka spojení a počáteční poloha, to vše poskytuje prostředky ke kalibraci ukazatele pro indikaci požadovaného rozsahu tlaku pro variace chování samotné Bourdonovy trubice.Diferenční tlak lze měřit měřidly obsahujícími dvě různé Bourdonovy trubice se spojovacími vazbami.

Bourdonovy trubice měří přetlak relativně k atmosférickému tlaku na rozdíl od absolutního tlaku; vakuum je snímáno jako zpětný pohyb. Některé aneroidní barometry používají Bourdonovy trubice uzavřené na obou koncích (ale většina používá membrány nebo kapsle, viz níže). Když měřený tlak rychle pulzuje, například když je měřidlo poblíž pístového čerpadla, často se používá omezení otvoru ve spojovací trubce, aby se zabránilo zbytečnému opotřebení ozubených kol a poskytlo průměrnou hodnotu; když je celé měřidlo vystaveno mechanickým vibracím, může být celé pouzdro včetně ukazatele a indikační karty naplněno olejem nebo glycerinem. Nedoporučuje se poklepávat na čelní stranu měřidla, protože to bude mít tendenci falšovat skutečné hodnoty původně uváděné měřidlem. Bourdonova trubice je oddělena od čela měřidla a nemá tedy žádný vliv na skutečné odečítání tlaku. Typická vysoce kvalitní moderní měřidla poskytují přesnost ± 2% rozsahu a speciální vysoce přesný měřič může být stejně přesný jako 0,1% plného rozsahu.

Silově vyvážené křemenné Bourdonovy trubicové snímače fungují na stejném principu, ale používá odraz paprsku světla od zrcadla ke snímání úhlového posunutí a proud je aplikován na elektromagnety k vyrovnání síly trubice a uvedení úhlového posunu zpět na nulu, proud, který je aplikován na jako měření se používají cívky. Vzhledem k extrémně stabilním a opakovatelným mechanickým a tepelným vlastnostem křemene a vyvažování sil, které eliminuje téměř veškerý fyzický pohyb, mohou být tyto senzory přesné na přibližně 1 PPM plného rozsahu. Kvůli extrémně jemným taveným křemenným strukturám, které musí být vyrobeny ručně, jsou tyto senzory obecně omezeny na vědecké a kalibrační účely.

Na následujících ilustracích byla průhledná krycí plocha vyobrazeného kombinovaného tlakoměru a vakuometru. odstraněn a mechanismus odstraněn z pouzdra. Tento konkrétní měřič je kombinovaný měřič vakua a tlaku používaný pro automobilovou diagnostiku:

• Levá strana obličeje, používaná k měření vakua potrubí, je kalibrována v centimetrech rtuti na vnitřní stupnici a palcích rtuti na vnější stupnici.
• pravá část obličeje se používá k měření tlaku palivového čerpadla nebo turbo boostu a je kalibrována ve zlomcích 1 kgf / cm2 na vnitřní stupnici a v librách na čtvereční palec na vnější stupnici.

Mechanical detailsEdit

Stacionární části:

• A: Blok přijímače. Tím se připojí sací potrubí k pevnému konci trubice Bourdon (1) a upevní se deska podvozku (B). Do dvou otvorů jsou připevněny šrouby, které upevňují skříň.
• B: Deska podvozku. K tomu je připojena karta obličeje. Obsahuje ložiskové otvory pro nápravy.
• C: Sekundární deska podvozku. Podporuje vnější konce náprav.
• D: Sloupky pro spojení a rozmístění dvou desek podvozku.

Pohyblivé části:

1. Stacionární konec Bourdonovy trubice. Toto komunikuje se vstupním potrubím přes blok přijímače.
2. Pohybující se konec Bourdonovy trubice. Tento konec je utěsněn.
3. Otočný čep a otočný čep
4. Spojení otočného čepu s pákou (5) pomocí čepů pro umožnění otáčení kloubu
5. Páka, prodloužení sektorové ozubené kolo (7)
6. Čep nápravy odvětvového ozubeného kola
7. Sektorové ozubené kolo
8. Osa ukazatele jehly. Toto má čelní ozubené kolo, které zabírá se sektorovým ozubeným kolem (7) a prochází čelem, aby pohánělo jehlu indikátoru. Kvůli krátké vzdálenosti mezi výčnělkem ramene páky a otočným čepem a rozdílu mezi účinným poloměrem sektorového kola a čelního kola je jakýkoli pohyb Bourdonovy trubky značně zesílen. Malý pohyb trubice má za následek velký pohyb jehly indikátoru.
9. Vlasová pružina k předpětí ozubeného soukolí, aby se eliminovala vůle a hystereze ozubeného kola

DiaphragmEdit

Druhý typ aneroidního měřidla využívá vychýlení pružné membrány, která odděluje oblasti s různým tlakem. Míra vychýlení je opakovatelná pro známé tlaky, takže tlak lze určit pomocí kalibrace. Deformace tenké membrány závisí na rozdílu tlaku mezi jejími dvěma plochami. Referenční plocha může být otevřená do atmosféry pro měření přetlaku, otevřená do druhého portu pro měření diferenčního tlaku nebo může být utěsněna proti vakuu nebo jinému pevnému referenčnímu tlaku pro měření absolutního tlaku. Deformaci lze měřit pomocí mechanických, optických nebo kapacitních technik.Používají se keramické a kovové membrány.

Užitečný rozsah: nad 10-2 Torr (zhruba 1 Pa)

Pro absolutní měření se často používají svařované tlakové kapsle s membránami na obou stranách.

tvar:

• plochý
• zvlněný
• zploštělý tubus
• kapsle

BellowsEdit

U měřidel určených k snímání malých tlaků nebo tlakových rozdílů nebo vyžadujících měření absolutního tlaku může být převodovka a jehla poháněna uzavřenou a utěsněnou měchovou komorou, která se nazývá aneroid, což znamená „bez tekutý“. (Časné barometry používaly sloupec kapaliny, jako je voda nebo rtuť z tekutého kovu, suspendovanou vakuem.) Tato měchová konfigurace se používá v aneroidních barometrech (barometrech s indikační jehlou a číselníkovou kartou), výškoměrech, barografech pro záznam nadmořské výšky a výšce telemetrické přístroje používané v rádiových sondách s meteorologickými balóny. Tato zařízení používají utěsněnou komoru jako referenční tlak a jsou poháněna vnějším tlakem. Jiné citlivé letecké přístroje, jako jsou ukazatele rychlosti vzduchu a ukazatele rychlosti stoupání (variometry), mají připojení jak k vnitřní části aneroidní komory, tak k vnější uzavírací komoře.

Magnetická spojkaEdit

Tyto měřidla využívají přitažlivost dvou magnetů k převodu diferenčního tlaku do pohybu ukazatele číselníku. Jak se zvyšuje diferenční tlak, pohybuje se magnet připojený k pístu nebo gumové membráně. Rotační magnet, který je připevněn k ukazateli, se poté pohybuje souběžně. Pro vytvoření různých tlakových rozsahů lze rychlost pružiny zvýšit nebo snížit.

Měřidlo rotujícího rotoruEdit

Měřidlo rotujícího rotoru pracuje měřením množství, které rotující koule zpomalí viskozita měřeného plynu. Kulička je vyrobena z oceli a magneticky se vznáší uvnitř ocelové trubky uzavřené na jednom konci a vystavené měřenému plynu na druhém konci. Míč je vyveden na rychlost (asi 2500 rad / s) a rychlost měřena po vypnutí pohonu elektromagnetickými měniči. Rozsah přístroje je 10–5 až 102 Pa (103 Pa s menší přesností). Je dostatečně přesný a stabilní, aby mohl být použit jako sekundární standard. Správné použití nástroje vyžaduje určité dovednosti a znalosti. Musí být provedeny různé korekce a míč musí být před použitím pět hodin rotován při tlaku hluboko pod zamýšleným měřeným tlakem. To je nejužitečnější v kalibračních a výzkumných laboratořích, kde je vyžadována vysoká přesnost a jsou k dispozici kvalifikovaní technici.