Trykmåling

Mange instrumenter er opfundet til måling af tryk med forskellige fordele og ulemper. Trykområde, følsomhed, dynamisk respons og pris varierer alt efter flere størrelsesordrer fra det ene instrumentdesign til det næste. Den ældste type er væskesøjlen (et lodret rør fyldt med kviksølv) manometer opfundet af Evangelista Torricelli i 1643. U-røret blev opfundet af Christiaan Huygens i 1661.

HydrostaticEdit

Hydrostatiske målere (såsom kviksølvkolonnemanometer) sammenligner tryk med den hydrostatiske kraft pr. Arealeenhed ved bunden af en væskesøjle. Målinger af hydrostatisk måler er uafhængige af typen af gas, der måles, og kan designes til at have en meget lineær kalibrering. De har dårlig dynamisk respons.

PistonEdit

Stempelmålere modvirker trykket i en væske med en fjeder (for eksempel dæktrykmålere med relativt lav nøjagtighed) eller en solid vægt , i hvilket tilfælde det er kendt som en dødvægtstester og kan bruges til kalibrering af andre målere.

Væskesøjle (manometer) Rediger

Væskesøjlemålere består af en søjle af væske i et rør, hvis ender udsættes for forskellige tryk. Søjlen stiger eller falder, indtil dens vægt (en kraft, der påføres på grund af tyngdekraften) er i ligevægt med trykforskellen mellem de to ender af røret (en kraft, der påføres på grund af væsketryk). En meget simpel version er et U-formet rør, der er halvfuldt med væske, hvoraf den ene side er forbundet med det interessante område, mens referencetrykket (som kan være det atmosfæriske tryk eller et vakuum) påføres den anden. Forskellen i væskeniveauer repræsenterer det påførte tryk. Det tryk, der udøves af en væskesøjle med højde h og densitet ρ, er givet ved den hydrostatiske trykligning, P = hgρ. Derfor kan trykforskellen mellem det påførte tryk Pa og referencetrykket P0 i et U-rør manometer findes ved at løse Pa – P0 = hgρ. Med andre ord skal trykket i begge ender af væsken (vist med blåt i figuren) være afbalanceret (da væsken er statisk), og så Pa = P0 + hgρ.

I de fleste væsker- søjlemålinger, måleresultatet er højden h, udtrykt typisk i mm, cm eller tommer. H er også kendt som trykhovedet. Når det udtrykkes som et trykhoved, angives trykket i længdeenheder, og målefluidet skal specificeres. Når nøjagtigheden er kritisk, skal målefluidens temperatur ligeledes specificeres, fordi væsketæthed er en funktion af temperaturen. Så for eksempel kan trykhovedet skrives “742,2 mmHg” eller “4,2 inH2O ved 59 ° F” til målinger taget med henholdsvis kviksølv eller vand som den manometriske væske. Ordet “måler” eller “vakuum” kan føjes til en sådan måling for at skelne mellem et tryk over eller under det atmosfæriske tryk. Både mm kviksølv og tommer vand er almindelige trykhoveder, som kan omdannes til SI-enheder ved hjælp af enhedskonvertering og ovenstående formler.

Hvis væsken, der måles, er signifikant tæt, kan hydrostatiske korrektioner have skal laves til højden mellem den bevægelige overflade af manometerets arbejdsfluid og det sted, hvor trykmåling ønskes, undtagen når der måles et differenstryk på en væske (for eksempel over en åbningsplade eller venturi), i hvilket tilfælde densiteten ρ skal korrigeres ved at trække densiteten af den væske, der måles.

Selvom enhver væske kan anvendes, foretrækkes kviksølv på grund af dens høje densitet (13.534 g / cm3) og lave damptryk. Dens konvekse menisk er fordelagtig, da dette betyder, at der ikke er nogen trykfejl fra befugtning af glasset, men under usædvanligt rene omstændigheder vil kviksølv holde sig til glasset, og barometeret kan sidde fast (kviksølv kan opretholde et negativt absolut tryk) selv under en stærkt vakuum. Ved lave trykforskelle anvendes let olie eller vand almindeligt (sidstnævnte giver anledning til måleenheder såsom inches vandmåler og millimeter H2O). Væskekolonnens trykmålere har en meget lineær kalibrering. De har dårlig dynamisk respons, fordi væsken i søjlen kan reagere langsomt på en trykændring.

Ved måling af vakuum kan arbejdsvæsken fordampe og forurene vakuumet, hvis dets damptryk er for højt. Ved måling af væsketryk kan en sløjfe fyldt med gas eller en let væske isolere væskerne for at forhindre dem i at blande sig, men dette kan for eksempel være unødvendigt, når kviksølv bruges som manometervæske til at måle differenstryk på en væske såsom vand. Enkle hydrostatiske målere kan måle tryk fra et par torrs (nogle få 100 Pa) til et par atmosfærer (ca. 1000000 Pa).

Et væske-søjle-manometer med en lemmer har et større reservoir i stedet for den ene side af U-røret og har en skala ved siden af den smallere søjle. Søjlen kan være tilbøjelig til yderligere at forstærke væskebevægelsen. Baseret på brug og struktur anvendes følgende typer manometre

1. Simpelt manometer
2. Mikromanometer
3. Differentialmanometer
4. Omvendt differentialmanometer

McLeod gaugeEdit

En McLeod-måler isolerer en prøve af gas og komprimerer den i et modificeret kviksølvmanometer, indtil trykket er et par millimeter kviksølv. Teknikken er meget langsom og uegnet til kontinuerlig overvågning, men er i stand til god nøjagtighed. I modsætning til andre manometermålere er måling af McLeod-måleren afhængig af gassammensætningen, da fortolkningen bygger på, at prøven komprimeres som en ideel gas. På grund af komprimeringsprocessen ignorerer McLeod-måleren fuldstændigt delvis tryk fra ikke-ideelle dampe, der kondenserer, såsom pumpeolier, kviksølv og endda vand, hvis de er komprimeret nok.

Nyttigt interval: fra omkring 10−4 Torr (ca. 10−2 Pa) til støvsugere så høje som 10−6 Torr (0,1 mPa), er

0,1 mPa den laveste direkte måling af tryk, der er mulig med den nuværende teknologi. Andre vakuummålere kan måle lavere tryk, men kun indirekte ved måling af andre trykafhængige egenskaber. Disse indirekte målinger skal kalibreres til SI-enheder ved en direkte måling, oftest en McLeod-måler.

AneroidEdit

Aneroidmålere er baseret på et metaltryksfølende element, der bøjes elastisk under virkningen af en trykforskel på tværs af elementet. “Aneroid” betyder “uden væske”, og udtrykket adskilte oprindeligt disse målere fra de hydrostatiske målere beskrevet ovenfor. Aneroidmålere kan dog bruges til at måle trykket på en væske såvel som en gas, og de er ikke den eneste type måler, der kan fungere uden væske. Af denne grund kaldes de ofte for mekaniske målere på det moderne sprog. Aneroidmålere er ikke afhængige af typen af gas, der måles, i modsætning til termiske og ioniseringsmålere og er mindre tilbøjelige til at forurene systemet end hydrostatiske målere. Tryksensorelementet kan være et Bourdon-rør, en membran, en kapsel eller et sæt bælge, som vil ændre form som reaktion på trykket i den pågældende region. Afbøjningen af det trykfølende element kan læses ved en kobling forbundet til en nål, eller den kan læses af en sekundær transducer. De mest almindelige sekundære transducere i moderne vakuummålere måler en ændring i kapacitans på grund af den mekaniske afbøjning. Målere, der er afhængige af en ændring i kapacitans, betegnes ofte kapacitansmanometre.

Bourdon gaugeEdit

Bourdon-manometeret bruger princippet om, at et fladt rør har en tendens til at rette eller genvinde sin cirkulære form i tværsnit, når det er under tryk. Denne ændring i tværsnit kan næppe mærkes og involverer moderate belastninger inden for det elastiske område af let bearbejdelige materialer. Stammen af materialet i røret forstørres ved at danne røret til en C-form eller endda en spiral, således at hele røret har en tendens til at rette sig ud eller rulle elastisk ud, når det er under tryk. Eugène Bourdon patenterede sin måler i Frankrig i 1849, og den blev bredt vedtaget på grund af dens overlegne følsomhed, linearitet og nøjagtighed; Edward Ashcroft købte Bourdons amerikanske patentrettigheder i 1852 og blev en stor producent af målere. Også i 1849 patenterede Bernard Schaeffer i Magdeburg, Tyskland en vellykket membran (se nedenfor) manometer, som sammen med Bourdon-måleren revolutionerede trykket måling i industrien. Men i 1875, efter at Bourdons patenter udløb, fremstillede hans firma Schaeffer og Budenberg også Bourdon-rørmålere.

I praksis en flad tyndvægget lukket ende røret er forbundet ved den hule ende til et fast rør indeholdende det fluidtryk, der skal måles. Når trykket stiger, bevæger den lukkede ende sig i en bue, og denne bevægelse omdannes til rotation af et (segment af a) gear ved hjælp af et forbindelsesled, der normalt er justerbart. Et tandhjul med lille diameter er på markørakslen, så bevægelsen forstørres yderligere af gearforholdet. Positioneringen af indikatorkortet bag markøren, den indledende markørakselposition, forbindelseslængden og startpositionen giver alle midler til at kalibrere markøren for at indikere det ønskede trykområde for variationer i opførslen af selve Bourdon-røret.Differentialtryk kan måles ved hjælp af målere, der indeholder to forskellige Bourdon-rør med forbindelsesled.

Bourdon-rør måler målerens tryk i forhold til det omgivende atmosfæriske tryk i modsætning til det absolutte tryk; vakuum opfattes som en omvendt bevægelse. Nogle aneroidbarometre bruger Bourdon-rør lukket i begge ender (men de fleste bruger membraner eller kapsler, se nedenfor). Når det målte tryk hurtigt pulserende, såsom når måleren er nær en frem- og tilbagegående pumpe, anvendes en åbningsbegrænsning i forbindelsesrøret ofte for at undgå unødvendigt slid på gearene og tilvejebringe en gennemsnitlig aflæsning; når hele måleren er udsat for mekanisk vibration, kan hele kassen inklusive markøren og indikatorkortet fyldes med en olie eller glycerin. Det anbefales ikke at banke på målerens overflade, da det vil have en tendens til at falske faktiske aflæsninger, der oprindeligt blev præsenteret af måleren. Bourdon-røret er adskilt fra måleren og har således ingen indflydelse på den faktiske aflæsning af tryk. Typiske moderne målere af høj kvalitet giver en nøjagtighed på ± 2% af spændvidde, og en speciel højpræcisionsmåler kan være så nøjagtig som 0,1% af fuld skala.

Kraftbalanceret sammensmeltet kvarts bourdon-rørfølere fungerer på samme princip, men bruger refleksionen af en lysstråle fra et spejl til at registrere vinkelforskydningen og strømmen påføres elektromagneter for at afbalancere rørets kraft og bringe vinkelforskydningen tilbage til nul, den strøm, der påføres på spoler bruges som måling. På grund af de ekstremt stabile og repeterbare mekaniske og termiske egenskaber ved kvarts og kraftbalancering, som eliminerer næsten al fysisk bevægelse, kan disse sensorer være nøjagtige til omkring 1 PPM i fuld skala. På grund af de ekstremt fine sammensmeltede kvartsstrukturer, der skal fremstilles manuelt, er disse sensorer generelt begrænset til videnskabelige og kalibreringsformål.

I de følgende illustrationer er den gennemsigtige dækflade på det afbildede kombinationstryk og vakuummåler blevet fjernet og mekanismen fjernet fra sagen. Denne særlige måler er et kombinationsvakuum og manometer, der anvendes til bildiagnose:

• Den venstre side af ansigtet, der bruges til måling af manifoldvakuum, er kalibreret i centimeter kviksølv på sin indre skala og tommer kviksølv på sin ydre skala.
• højre del af ansigtet bruges til at måle brændstofpumpetryk eller turbo boost og er kalibreret i fraktioner på 1 kgf / cm2 på sin indre skala og pund pr. kvadrat tomme på sin ydre skala.

Mekaniske detaljer Rediger

Stationære dele:

• A: Modtagerblok. Dette forbinder indløbsrøret til den faste ende af Bourdon-røret (1) og fastgør chassispladen (B). De to huller modtager skruer, der fastgør kufferten.
• B: Chassisplade. Ansigtskortet er knyttet til dette. Den indeholder lejehuller til akslerne.
• C: Sekundær chassisplade. Det understøtter de ydre ender af akslerne.
• D: Stolper, der skal samles og placeres i de to chassisplader.

Bevægelige dele:

1. Stationær ende af Bourdon-røret. Dette kommunikerer med indløbsrøret gennem modtagerblokken.
2. Bevægelig ende af Bourdon-røret. Denne ende er forseglet.
3. Pivot og pivot pin
4. Link forbinder pivot pin til håndtaget (5) med stifter for at muliggøre samling rotation
5. Håndtag, en forlængelse af sektor gear (7)
6. Sektor gear akselstift
7. Sektor gear
8. Indikator nåleaksel. Dette har et tandhjul, der går i indgreb med sektorudstyret (7) og strækker sig gennem ansigtet for at drive indikatornålen. På grund af den korte afstand mellem løftearmforbindelsesbøsningen og drejetappen og forskellen mellem sektorens effektive radius og spindelhjulets kraft, forstærkes enhver bevægelse af Bourdon-røret i høj grad. En lille bevægelse af røret resulterer i en stor bevægelse af indikatornålen.
9. Hårfjeder for at forudlæse tandhjulet for at eliminere gearvipper og hysterese

Membranredigering

En anden type aneroidmåler bruger afbøjning af en fleksibel membran, der adskiller regioner med forskelligt tryk. Mængden af afbøjning kan gentages for kendte tryk, så trykket kan bestemmes ved hjælp af kalibrering. Deformationen af en tynd membran afhænger af forskellen i tryk mellem dens to flader. Referencefladen kan være åben over for atmosfæren for at måle målertryk, åben for en anden port for at måle differenstryk eller kan forsegles mod et vakuum eller andet fast referencetryk for at måle absolut tryk. Deformationen kan måles ved hjælp af mekaniske, optiske eller kapacitive teknikker.Der anvendes keramiske og metalliske membraner.

Nyttigt interval: over 10−2 Torr (ca. 1 Pa)

Til absolutte målinger anvendes ofte svejste trykkapsler med membraner på begge sider.

form:

• Flad
• Bølgepap
• Fladrør
• Kapsel

BellowsEdit

I målere beregnet til at registrere små tryk eller trykforskelle eller kræve, at der måles et absolut tryk, kan gearstangen og nålen drives af et lukket og forseglet bælgekammer, kaldet en aneroid, hvilket betyder “uden væske”. (Tidlige barometre brugte en væskesøjle såsom vand eller det flydende metalkviksølv suspenderet af et vakuum.) Denne bælgekonfiguration bruges i aneroide barometre (barometre med en indikator for nål og opkaldskort), højdemålere, højdeoptagelsesbarografer og højden telemetriinstrumenter anvendt i vejrballonradiosondes. Disse enheder bruger det forseglede kammer som referencetryk og drives af det ydre tryk. Andre følsomme luftfartøjsinstrumenter såsom lufthastighedsindikatorer og stigningshastighedsindikatorer (variometre) har forbindelser både til den indre del af aneroidkammeret og til et eksternt lukkekammer.

Magnetisk koblingRediger

Disse målere bruger tiltrækningen af to magneter til at oversætte differenstryk til bevægelse af en dial pointer. Når differenstrykket øges, bevæger en magnet, der er fastgjort til enten et stempel eller en gummimembran. En roterende magnet, der er fastgjort til en markør, bevæger sig derefter sammen. For at skabe forskellige trykområder kan fjederhastigheden øges eller formindskes.

Spinning-rotor gaugeEdit

Spinning-rotor gauge fungerer ved at måle den mængde, som en roterende kugle sænkes af viskositeten af den målte gas. Kuglen er lavet af stål og magnetisk svævet inde i et stålrør lukket i den ene ende og udsat for den gas, der skal måles i den anden. Kuglen bringes op til hastighed (ca. 2500 rad / s), og hastigheden måles efter frakobling af drevet ved hjælp af elektromagnetiske transducere. Instrumentets rækkevidde er 10-5 til 102 Pa (103 Pa med mindre nøjagtighed). Det er nøjagtigt og stabilt nok til at blive brugt som en sekundær standard. Instrumentet kræver en vis dygtighed og viden for at bruge det korrekt. Forskellige korrektioner skal anvendes, og kuglen skal centrifugeres ved et tryk langt under det tilsigtede måletryk i fem timer inden brug. Det er mest nyttigt i kalibrerings- og forskningslaboratorier, hvor der kræves høj nøjagtighed, og kvalificerede teknikere er tilgængelige.