Druckmessung

Viele Instrumente wurden erfunden, um den Druck zu messen, mit unterschiedlichen Vor- und Nachteilen. Druckbereich, Empfindlichkeit, Dynamik und Kosten variieren von Instrument zu Design um mehrere Größenordnungen. Der älteste Typ ist das von Evangelista Torricelli 1643 erfundene Manometer für Flüssigkeitssäulen (ein mit Quecksilber gefülltes vertikales Rohr). Das U-Rohr wurde 1661 von Christiaan Huygens erfunden.

HydrostaticEdit

Hydrostatische Messgeräte (wie das Quecksilbersäulenmanometer) vergleichen den Druck mit der hydrostatischen Kraft pro Flächeneinheit am Boden einer Flüssigkeitssäule. Messungen des hydrostatischen Messgeräts sind unabhängig von der Art des gemessenen Gases und können für eine sehr lineare Kalibrierung ausgelegt werden. Sie haben ein schlechtes dynamisches Verhalten.

PistonEdit

Kolbenmessgeräte gleichen den Druck einer Flüssigkeit mit einer Feder (z. B. Reifendruckmessgeräten mit vergleichsweise geringer Genauigkeit) oder einem festen Gewicht aus In diesem Fall ist es als Totgewichtstester bekannt und kann zur Kalibrierung anderer Messgeräte verwendet werden.

Flüssigkeitssäule (Manometer) Bearbeiten

Flüssigkeitssäulenmessgeräte bestehen aus einer Säule von Flüssigkeit in einem Rohr, dessen Enden unterschiedlichen Drücken ausgesetzt sind. Die Säule steigt oder fällt, bis ihr Gewicht (eine durch die Schwerkraft ausgeübte Kraft) im Gleichgewicht mit der Druckdifferenz zwischen den beiden Enden des Rohrs ist (eine durch den Flüssigkeitsdruck ausgeübte Kraft). Eine sehr einfache Version ist ein U-förmiges Rohr, das zur Hälfte mit Flüssigkeit gefüllt ist und dessen eine Seite mit dem interessierenden Bereich verbunden ist, während der Referenzdruck (der der atmosphärische Druck oder ein Vakuum sein kann) an die andere angelegt wird. Die Differenz der Flüssigkeitsstände repräsentiert den angewendeten Druck. Der von einer Flüssigkeitssäule mit der Höhe h und der Dichte ρ ausgeübte Druck ist durch die hydrostatische Druckgleichung P = hgρ gegeben. Daher kann die Druckdifferenz zwischen dem angelegten Druck Pa und dem Referenzdruck P0 in einem U-Rohr-Manometer durch Lösen von Pa – P0 = hgρ ermittelt werden. Mit anderen Worten, der Druck an beiden Enden der Flüssigkeit (in der Abbildung blau dargestellt) muss ausgeglichen sein (da die Flüssigkeit statisch ist), und daher ist Pa = P0 + hgρ.

In den meisten Flüssigkeits- Säulenmessungen, das Ergebnis der Messung ist die Höhe h, ausgedrückt typischerweise in mm, cm oder Zoll. Das h ist auch als Druckkopf bekannt. Als Druckhöhe ausgedrückt, wird der Druck in Längeneinheiten angegeben und die Messflüssigkeit muss angegeben werden. Wenn die Genauigkeit kritisch ist, muss ebenfalls die Temperatur des Messfluids angegeben werden, da die Flüssigkeitsdichte eine Funktion der Temperatur ist. So könnte beispielsweise die Druckhöhe für Messungen mit Quecksilber oder Wasser als manometrischer Flüssigkeit mit „742,2 mmHg“ oder „4,2 inH2O bei 59 ° F“ angegeben werden. Das Wort „Manometer“ oder „Vakuum“ kann zu einer solchen Messung hinzugefügt werden, um zwischen einem Druck über oder unter dem atmosphärischen Druck zu unterscheiden. Sowohl mm Quecksilber als auch Zoll Wasser sind übliche Druckköpfe, die unter Verwendung der Einheitenumrechnung und der obigen Formeln in SI-Druckeinheiten umgerechnet werden können.

Wenn die zu messende Flüssigkeit signifikant dicht ist, können hydrostatische Korrekturen auftreten für die Höhe zwischen der beweglichen Oberfläche des Manometer-Arbeitsmediums und dem Ort, an dem die Druckmessung gewünscht wird, außer bei der Messung des Differenzdrucks eines Fluids (z. B. über eine Messblende oder ein Venturi), in diesem Fall die Dichte ρ sollte durch Subtrahieren der Dichte der gemessenen Flüssigkeit korrigiert werden.

Obwohl jede Flüssigkeit verwendet werden kann, wird Quecksilber wegen seiner hohen Dichte (13,534 g / cm3) und seines niedrigen Dampfdrucks bevorzugt. Sein konvexer Meniskus ist vorteilhaft, da dies bedeutet, dass beim Benetzen des Glases keine Druckfehler auftreten. Unter außergewöhnlich sauberen Umständen bleibt das Quecksilber jedoch am Glas haften und das Barometer kann stecken bleiben (das Quecksilber kann einen negativen absoluten Druck aushalten), selbst unter a starkes Vakuum. Für geringe Druckunterschiede wird üblicherweise leichtes Öl oder Wasser verwendet (letzteres führt zu Maßeinheiten wie Zoll Wasserstand und Millimeter H2O). Flüssigkeitssäulen-Manometer haben eine hochlineare Kalibrierung. Sie haben ein schlechtes dynamisches Verhalten, da die Flüssigkeit in der Säule langsam auf eine Druckänderung reagieren kann.

Bei der Messung des Vakuums kann die Arbeitsflüssigkeit verdampfen und das Vakuum verunreinigen, wenn der Dampfdruck zu hoch ist. Bei der Messung des Flüssigkeitsdrucks kann eine mit Gas oder einer leichten Flüssigkeit gefüllte Schleife die Flüssigkeiten isolieren, um ein Vermischen zu verhindern. Dies kann jedoch beispielsweise unnötig sein, wenn Quecksilber als Manometerflüssigkeit zur Messung des Differenzdrucks einer Flüssigkeit verwendet wird, wie z Wasser. Einfache hydrostatische Messgeräte können Drücke messen, die von einigen Torr (einige 100 Pa) bis zu einigen Atmosphären (ungefähr 1000000 Pa) reichen.

Ein Flüssigkeitssäulenmanometer mit einem Glied hat ein größeres Reservoir anstelle einer Seite des U-Rohrs und eine Skala neben der schmaleren Säule. Die Säule kann geneigt sein, um die Flüssigkeitsbewegung weiter zu verstärken. Basierend auf der Verwendung und Struktur werden folgende Arten von Manometern verwendet:

1. Einfaches Manometer
2. Mikromanometer
3. Differenzialmanometer
4. Invertiert Differentialmanometer

McLeod-MessgerätEdit

Ein McLeod-Messgerät isoliert eine Gasprobe und komprimiert sie in einem modifizierten Quecksilbermanometer, bis der Druck einige Millimeter Quecksilber beträgt. Die Technik ist sehr langsam und für eine kontinuierliche Überwachung ungeeignet, kann jedoch eine gute Genauigkeit aufweisen. Im Gegensatz zu anderen Manometer-Messgeräten hängt der McLeod-Messwert von der Zusammensetzung des Gases ab, da die Interpretation von der Komprimierung der Probe als idealem Gas abhängt. Aufgrund des Kompressionsprozesses ignoriert das McLeod-Messgerät Partialdrücke von nicht idealen kondensierenden Dämpfen wie Pumpenölen, Quecksilber und sogar Wasser vollständig, wenn es ausreichend komprimiert wird.

Nützlicher Bereich: von etwa 10 bis 4 Torr (ungefähr) 10 – 2 Pa) bis zu einem Vakuum von bis zu 10 – 6 Torr (0,1 mPa) ist 0,1 mPa die niedrigste direkte Druckmessung, die mit der gegenwärtigen Technologie möglich ist. Andere Vakuummeter können niedrigere Drücke messen, jedoch nur indirekt durch Messung anderer druckabhängiger Eigenschaften. Diese indirekten Messungen müssen durch eine direkte Messung, meistens ein McLeod-Messgerät, auf SI-Einheiten kalibriert werden.

AneroidEdit

Aneroid-Messgeräte basieren auf einem metallischen Drucksensorelement, das sich elastisch darunter biegt die Wirkung einer Druckdifferenz über das Element. „Aneroid“ bedeutet „ohne Flüssigkeit“, und der Begriff unterschied diese Messgeräte ursprünglich von den oben beschriebenen hydrostatischen Messgeräten. Aneroidmessgeräte können jedoch verwendet werden, um den Druck einer Flüssigkeit sowie eines Gases zu messen, und sie sind nicht die einzigen Messgeräte, die ohne Flüssigkeit arbeiten können. Aus diesem Grund werden sie in der modernen Sprache oft als mechanische Messgeräte bezeichnet. Aneroidmessgeräte sind im Gegensatz zu Thermo- und Ionisationsmessgeräten nicht von der Art des zu messenden Gases abhängig und verunreinigen das System weniger wahrscheinlich als hydrostatische Messgeräte. Das Druckerfassungselement kann ein Bourdon-Rohr, eine Membran, eine Kapsel oder ein Satz von Bälgen sein, die ihre Form als Reaktion auf den Druck des betreffenden Bereichs ändern. Die Auslenkung des Druckerfassungselements kann durch eine mit einer Nadel verbundene Verbindung oder durch einen Sekundärwandler abgelesen werden. Die gebräuchlichsten Sekundärwandler in modernen Vakuummessgeräten messen eine Kapazitätsänderung aufgrund der mechanischen Auslenkung. Messgeräte, die auf einer Kapazitätsänderung beruhen, werden häufig als Kapazitätsmanometer bezeichnet.

Bourdon-MessgerätEdit

Das Bourdon-Manometer verwendet das Prinzip, dass ein abgeflachtes Rohr unter Druck dazu neigt, seine kreisförmige Form im Querschnitt zu begradigen oder wiederzugewinnen. Diese Querschnittsänderung ist möglicherweise kaum wahrnehmbar und beinhaltet mäßige Spannungen im elastischen Bereich leicht bearbeitbarer Materialien. Die Dehnung des Rohrmaterials wird vergrößert, indem das Rohr in eine C-Form oder sogar eine Helix gebracht wird, so dass das gesamte Rohr dazu neigt, sich unter Druck zu strecken oder elastisch abzuwickeln, wenn es unter Druck gesetzt wird. Eugène Bourdon patentierte sein Messgerät 1849 in Frankreich und es wurde aufgrund seiner überlegenen Empfindlichkeit, Linearität und Genauigkeit weit verbreitet. Edward Ashcroft erwarb 1852 die amerikanischen Patentrechte von Bourdon und wurde ein bedeutender Hersteller von Manometern. Ebenfalls 1849 patentierte Bernard Schaeffer in Magdeburg ein erfolgreiches Membrandruckmanometer (siehe unten), das zusammen mit dem Bourdon-Manometer den Druck revolutionierte Messung in der Industrie. Aber 1875, nachdem Bourdons Patente abgelaufen waren, stellten seine Unternehmen Schaeffer und Budenberg auch Bourdon-Rohrmessgeräte her.

In der Praxis ein abgeflachtes dünnwandiges, geschlossenes Ende Das Rohr ist am hohlen Ende mit einem festen Rohr verbunden, das den zu messenden Flüssigkeitsdruck enthält. Mit zunehmendem Druck bewegt sich das geschlossene Ende in einem Bogen, und diese Bewegung wird durch ein normalerweise einstellbares Verbindungsglied in die Drehung eines (Segmentes eines) Zahnrads umgewandelt. Auf der Zeigerwelle befindet sich ein Ritzel mit kleinem Durchmesser, sodass die Bewegung durch das Übersetzungsverhältnis weiter vergrößert wird. Die Positionierung der Anzeigekarte hinter dem Zeiger, die anfängliche Position der Zeigerwelle, die Verbindungslänge und die anfängliche Position bieten alle Mittel zum Kalibrieren des Zeigers, um den gewünschten Druckbereich für Variationen im Verhalten des Bourdon-Rohrs selbst anzuzeigen.Der Differenzdruck kann mit Manometern gemessen werden, die zwei verschiedene Bourdon-Rohre mit Verbindungsgliedern enthalten.

Bourdon-Rohre messen den Manometerdruck relativ zum atmosphärischen Umgebungsdruck im Gegensatz zum absoluten Druck. Vakuum wird als Rückwärtsbewegung erfasst. Einige Aneroidbarometer verwenden Bourdon-Röhren, die an beiden Enden geschlossen sind (die meisten verwenden jedoch Membranen oder Kapseln, siehe unten). Wenn der gemessene Druck schnell pulsiert, z. B. wenn sich das Manometer in der Nähe einer Hubkolbenpumpe befindet, wird häufig eine Öffnungsbegrenzung in der Verbindungsleitung verwendet, um unnötigen Verschleiß der Zahnräder zu vermeiden und einen Durchschnittswert bereitzustellen. Wenn das gesamte Messgerät mechanischen Vibrationen ausgesetzt ist, kann das gesamte Gehäuse einschließlich Zeiger und Anzeigekarte mit einem Öl oder Glycerin gefüllt werden. Es wird nicht empfohlen, auf die Vorderseite des Messgeräts zu tippen, da dies dazu neigt, die tatsächlichen Messwerte zu verfälschen, die ursprünglich vom Messgerät angezeigt wurden. Das Bourdon-Rohr ist von der Stirnseite des Manometers getrennt und hat somit keinen Einfluss auf die tatsächliche Druckanzeige. Typische hochwertige moderne Messgeräte bieten eine Genauigkeit von ± 2% der Spannweite, und ein spezielles hochpräzises Messgerät kann bis zu 0,1% des Messbereichs genau sein.

Kraftausgeglichene Quarz-Bourdon-Rohrsensoren funktionieren nach dem gleichen Prinzip, jedoch unter Verwendung der Reflexion eines Lichtstrahls von einem Spiegel, um die Winkelverschiebung zu erfassen, und Strom wird an Elektromagnete angelegt, um die Kraft der Röhre auszugleichen und die Winkelverschiebung auf Null zurückzubringen, den Strom, der an den angelegt wird Spulen werden als Maß verwendet. Aufgrund der extrem stabilen und wiederholbaren mechanischen und thermischen Eigenschaften von Quarz und des Kraftausgleichs, der nahezu alle physischen Bewegungen eliminiert, können diese Sensoren auf etwa 1 ppm Vollausschlag genau sein. Aufgrund der extrem feinen Quarzglasstrukturen, die von Hand hergestellt werden müssen, sind diese Sensoren im Allgemeinen auf wissenschaftliche und Kalibrierungszwecke beschränkt.

In den folgenden Abbildungen wurde die transparente Deckfläche der abgebildeten Kombination aus Druck- und Vakuummeter verwendet entfernt und der Mechanismus aus dem Gehäuse entfernt. Dieses spezielle Manometer ist eine Kombination aus Vakuum und Manometer, die für die Fahrzeugdiagnose verwendet wird:

• Die linke Seite des Gesichts, die zur Messung des Saugrohrvakuums verwendet wird, ist in Zentimetern Quecksilber auf der inneren Skala und Zoll Quecksilber auf der äußeren Skala kalibriert.
• Die Der rechte Teil der Fläche wird zur Messung des Kraftstoffpumpendrucks oder des Turbo-Boosts verwendet und in Bruchteilen von 1 kgf / cm2 auf der inneren Skala und Pfund pro Quadratzoll auf der äußeren Skala kalibriert.

Mechanische DetailsEdit

Stationäre Teile:

• A: Empfängerblock. Dies verbindet das Einlassrohr mit dem festen Ende des Bourdon-Rohrs (1) und sichert die Chassisplatte (B). Die beiden Löcher erhalten Schrauben, mit denen das Gehäuse befestigt ist.
• B: Gehäuseplatte. Die Bildkarte ist daran angehängt. Es enthält Lagerlöcher für die Achsen.
• C: Sekundäre Fahrgestellplatte. Es stützt die äußeren Enden der Achsen.
• D: Pfosten zum Verbinden und Platzieren der beiden Fahrgestellplatten.

Bewegliche Teile:

tationäres Ende der Bourdon-Röhre. Dies kommuniziert mit dem Einlassrohr über den Empfängerblock.
1. Bewegliches Ende des Bourdon-Rohrs. Dieses Ende ist abgedichtet.
2. Drehzapfen und Drehzapfen
3. Verbinden Sie den Drehzapfen mit dem Hebel (5) mit Stiften, um eine Gelenkdrehung zu ermöglichen.
4. Hebel, eine Verlängerung von das Sektorzahnrad (7)
5. Stift des Sektorzahnrads
6. Sektorzahnrad
7. Indikatornadelachse. Dieses hat ein Stirnrad, das in das Sektorzahnrad (7) eingreift und sich durch die Fläche erstreckt, um die Indikatornadel anzutreiben. Aufgrund des kurzen Abstands zwischen der Hebelarm-Verbindungsnabe und dem Drehzapfen und der Differenz zwischen dem effektiven Radius des Sektorzahnrads und dem des Stirnrads wird jede Bewegung des Bourdon-Rohrs stark verstärkt. Eine kleine Bewegung des Rohrs führt zu einer großen Bewegung der Indikatornadel.
8. Haarfeder zum Vorspannen des Getriebezugs, um Zahnradspiel und Hysterese zu beseitigen.

DiaphragmEdit

Ein zweiter Typ eines Aneroidmessgeräts verwendet die Durchbiegung einer flexiblen Membran, die Bereiche mit unterschiedlichem Druck trennt. Das Ausmaß der Durchbiegung ist für bekannte Drücke wiederholbar, so dass der Druck unter Verwendung einer Kalibrierung bestimmt werden kann. Die Verformung einer dünnen Membran hängt von der Druckdifferenz zwischen ihren beiden Flächen ab. Die Referenzfläche kann zur Messung des Manometerdrucks zur Atmosphäre offen sein, zur Messung des Differenzdrucks zu einem zweiten Anschluss offen oder gegen ein Vakuum oder einen anderen festen Referenzdruck zur Messung des Absolutdrucks abgedichtet sein. Die Verformung kann unter Verwendung mechanischer, optischer oder kapazitiver Techniken gemessen werden.Es werden keramische und metallische Membranen verwendet.

Nützlicher Bereich: über 10-2 Torr (ungefähr 1 Pa)

Für absolute Messungen werden häufig geschweißte Druckkapseln mit Membranen auf beiden Seiten verwendet.

Form:

• Flach
• Wellpappe
• Abgeflachtes Rohr
• Kapsel

BellowsEdit

Bei Manometern, die kleine Drücke oder Druckunterschiede erfassen sollen oder die Messung eines absoluten Drucks erfordern, können Getriebe und Nadel von einer geschlossenen und abgedichteten Balgkammer angetrieben werden, die als Aneroid bezeichnet wird, was „ohne“ bedeutet Flüssigkeit“. (Frühe Barometer verwendeten eine Flüssigkeitssäule wie Wasser oder das durch ein Vakuum suspendierte flüssige Metallquecksilber.) Diese Balgkonfiguration wird in Aneroidbarometern (Barometer mit Anzeigennadel und Zifferblattkarte), Höhenmessern, Höhenaufzeichnungsbarographen und der Höhe verwendet Telemetrieinstrumente für Wetterballon-Radiosonden. Diese Geräte verwenden die abgedichtete Kammer als Referenzdruck und werden vom Außendruck angetrieben. Andere empfindliche Flugzeuginstrumente wie Luftgeschwindigkeitsanzeigen und Steiggeschwindigkeitsanzeigen (Variometer) haben Verbindungen sowohl zum inneren Teil der Aneroidkammer als auch zu einer äußeren umschließenden Kammer.

MagnetkupplungEdit

Diese Messgeräte nutzen die Anziehungskraft von zwei Magneten, um den Differenzdruck in die Bewegung eines Zeigers umzuwandeln. Mit zunehmendem Differenzdruck bewegt sich ein Magnet, der entweder an einem Kolben oder einer Gummimembran angebracht ist. Ein Rotationsmagnet, der an einem Zeiger befestigt ist, bewegt sich dann gemeinsam. Um unterschiedliche Druckbereiche zu erzeugen, kann die Federrate erhöht oder verringert werden.

SpinnrotormessgerätEdit

Das Spinnrotormessgerät misst den Betrag, um den eine rotierende Kugel durch die verlangsamt wird Viskosität des gemessenen Gases. Die Kugel besteht aus Stahl und wird in einem Stahlrohr, das an einem Ende geschlossen ist und dem zu messenden Gas am anderen Ende ausgesetzt ist, magnetisch schweben gelassen. Die Kugel wird durch elektromagnetische Wandler auf Geschwindigkeit gebracht (ca. 2500 rad / s) und die Geschwindigkeit nach dem Ausschalten des Antriebs gemessen. Der Bereich des Instruments liegt zwischen 10–5 und 102 Pa (103 Pa mit geringerer Genauigkeit). Es ist genau und stabil genug, um als Sekundärstandard verwendet zu werden. Das Instrument erfordert einige Fähigkeiten und Kenntnisse, um es richtig zu verwenden. Es müssen verschiedene Korrekturen vorgenommen werden, und der Ball muss vor der Verwendung fünf Stunden lang mit einem Druck weit unter dem vorgesehenen Messdruck gedreht werden. Es ist am nützlichsten in Kalibrierungs- und Forschungslabors, in denen eine hohe Genauigkeit erforderlich ist und qualifizierte Techniker verfügbar sind.