Painemittaus

Paineen mittaamiseksi on keksitty monia instrumentteja, joilla on erilaisia etuja ja haittoja. Painealue, herkkyys, dynaaminen vaste ja kustannukset vaihtelevat useita suuruusluokkia instrumenttisuunnitelmasta toiseen. Vanhin tyyppi on nestepylväs (pystysuora putki, joka on täytetty elohopealla), manometri, jonka Evangelista Torricelli keksi vuonna 1643. U-putken keksi Christiaan Huygens vuonna 1661.

HydrostaticEdit

Hydrostaattisilla mittareilla (kuten elohopeapylvään manometri) verrataan painetta hydrostaattiseen voimaan pinta-alayksikköä kohden nestekolonnin pohjassa. Hydrostaattisen mittarin mittaukset ovat riippumattomia mitattavan kaasun tyypistä, ja ne voidaan suunnitella kalibroimaan hyvin lineaarisesti. Niiden dynaaminen vaste on heikko.

PistonEdit

Männätyyppiset mittarit tasapainottavat nesteen painetta jousella (esimerkiksi suhteellisen matalan tarkkuuden renkaan painemittarit) tai kiinteällä painolla. , jolloin se tunnetaan kuollut testaajana ja sitä voidaan käyttää muiden mittareiden kalibrointiin.

Nestekolonni (painemittari) Muokkaa

Nestekolonnimittarit koostuvat nestettä putkessa, jonka päät altistuvat erilaisille paineille. Pylväs nousee tai putoaa, kunnes sen paino (painovoiman vaikutuksesta kohdistuva voima) on tasapainossa putken kahden pään välisen paine-eron kanssa (nesteen paineen aiheuttama voima). Hyvin yksinkertainen versio on U-muotoinen putki, joka on puoliksi täynnä nestettä, jonka toinen puoli on kytketty kiinnostavaan alueeseen samalla kun vertailupaine (joka voi olla ilmakehän paine tai tyhjiö) kohdistetaan toiseen. Nestetasojen ero edustaa käytettyä painetta. Nestepylvään, jonka korkeus on h ja tiheys ρ, aiheuttama paine saadaan hydrostaattisen paineen yhtälöllä P = hgρ. Siksi U-putkimanometrissä käytetyn paineen Pa ja vertailupaineen P0 välinen paine-ero voidaan löytää ratkaisemalla Pa – P0 = hgρ. Toisin sanoen, nesteen kummassakin päässä olevan paineen (näkyy kuvassa sinisenä) on oltava tasapainossa (koska neste on staattinen), joten Pa = P0 + hgρ.

Useimmissa nesteissä pylväsmittauksissa, mittauksen tulos on korkeus h, joka ilmaistaan tyypillisesti mm: nä, cm: nä tai tuumina. H tunnetaan myös painepäänä. Painelukuna ilmaistuna paine määritetään pituuden yksikköinä ja mittausneste on määriteltävä. Kun tarkkuus on kriittinen, myös mittausnesteen lämpötila on määriteltävä, koska nestetiheys on lämpötilan funktio. Joten esimerkiksi painepää voidaan kirjoittaa ”742,2 mmHg” tai ”4,2 inH20 59 ° F: ssa” mittauksiin, jotka on tehty elohopealla tai vedellä manometrisenä nesteenä. Sana ”mittari” tai ”tyhjiö” voidaan lisätä tällaiseen mittaukseen ilmakehän paineen ylä- tai alapuolisen paineen erottamiseksi toisistaan. Sekä mm elohopeaa että tuumaa vettä ovat yhteisiä painepäät, jotka voidaan muuntaa SI-paineyksiköiksi yksikkömuunnoksella ja yllä olevilla kaavoilla.

Jos mitattava neste on merkittävän tiheä, hydrostaattisilla korjauksilla voi olla tehdään manometrin käyttöaineen liikkuvan pinnan ja paineen mittauspaikan väliselle korkeudelle, paitsi jos mitataan nesteen paine-eroa (esimerkiksi aukkolevyn tai Venturi-putken poikki), jolloin tiheys ρ tulisi korjata vähentämällä mitattavan nesteen tiheys.

Vaikka mitä tahansa nestettä voidaan käyttää, elohopea on edullinen sen suuren tiheyden (13,534 g / cm3) ja matalan höyrynpaineen vuoksi. Sen kupera meniski on edullinen, koska tämä tarkoittaa, ettei lasin kostuttamisessa ole painevirheitä, vaikka poikkeuksellisen puhtaissa olosuhteissa elohopea tarttuu lasiin ja barometri voi juuttua (elohopea voi ylläpitää negatiivista absoluuttista painetta) jopa vahva tyhjiö. Pienissä paine-eroissa käytetään yleisesti kevyttä öljyä tai vettä (jälkimmäinen tuottaa mittayksiköitä, kuten tuuman vesimittari ja millimetrit H2O). Nestekolonnipainemittareilla on erittäin lineaarinen kalibrointi. Niiden dynaaminen vaste on heikko, koska pylväässä oleva neste voi reagoida hitaasti paineen muutokseen.

Tyhjiötä mitattaessa työneste voi haihtua ja saastuttaa tyhjiön, jos sen höyrynpaine on liian korkea. Nestepainetta mitattaessa kaasulla tai kevyellä nesteellä täytetty silmukka voi eristää nesteet estääkseen niiden sekoittumisen, mutta tämä voi olla tarpeetonta esimerkiksi silloin, kun elohopeaa käytetään manometrinesteenä nesteen, kuten vettä. Yksinkertaiset hydrostaattiset mittarit voivat mitata paineita muutamasta torrista (muutama 100 Pa) muutamaan ilmakehään (noin 1000000 Pa).

Yhden raajan nestekolonnimittarissa on suurempi säiliö U-putken toisen puolen sijaan, ja kapeamman pylvään vieressä on asteikko. Pylväs voidaan kallistaa nesteen liikkeen vahvistamiseksi edelleen. Käytön ja rakenteen perusteella käytetään seuraavantyyppisiä manometrejä. differentiaalinen painemittari

McLeod-mittariEdit

McLeod-mittari eristää kaasunäytteen ja puristaa sen muunnettuun elohopeapainemittariin, kunnes paine on muutama millimetri elohopeaa. Tekniikka on hyvin hidasta ja ei sovellu jatkuvaan seurantaan, mutta pystyy hyvään tarkkuuteen. Toisin kuin muut painemittarit, McLeod-mittarin lukema riippuu kaasun koostumuksesta, koska tulkinta perustuu näytteen puristamiseen ihanteellisena kaasuna. Puristusprosessista johtuen McLeod-mittari jättää kokonaan huomiotta kondensoitumattomien ei-ihanteellisten höyryjen, kuten pumppuöljyjen, elohopean ja jopa veden, paineen, jos ne puristuvat tarpeeksi.

Hyödyllinen alue: noin 10-4 Torr 10−2 Pa) jopa 10−6 Torrin (0,1 mPa) alipaineisiin,

0,1 mPa on matalin suora paineen mittaus, joka on mahdollista nykyisellä tekniikalla. Muut tyhjiömittarit voivat mitata alempia paineita, mutta vain epäsuorasti mittaamalla muita paineesta riippuvia ominaisuuksia. Nämä epäsuorat mittaukset on kalibroitava SI-yksiköiksi suoralla mittauksella, yleisimmin McLeod-mittarilla.

AneroidEdit

Aneroidimittarit perustuvat metalliseen paineentunnistuselementtiin, joka taipuu elastisesti alle paine-eron vaikutus elementin yli. ”Aneroidi” tarkoittaa ”ilman nestettä”, ja termi erotti alun perin nämä mittarit edellä kuvatuista hydrostaattisista mittareista. Aneroidimittareita voidaan kuitenkin käyttää sekä nesteen että kaasun paineen mittaamiseen, eivätkä ne ole ainoa mittarityyppi, joka voi toimia ilman nestettä. Tästä syystä niitä kutsutaan usein mekaanisiksi mittareiksi modernilla kielellä. Aneroidimittarit eivät ole riippuvaisia mitattavan kaasun tyypistä, toisin kuin lämpö- ja ionisaatiomittarit, ja ne todennäköisesti saastuttavat järjestelmää kuin hydrostaattiset mittarit. Paineentunnistuselementti voi olla Bourdon-putki, kalvo, kapseli tai joukko palkeita, jotka muuttavat muotoa vastauksena kyseisen alueen paineeseen. Paineentunnistuselementin taipuma voidaan lukea neulaan liitetyllä linkillä tai se voidaan lukea toissijaisella anturilla. Nykyaikaisissa tyhjiömittareissa yleisimmät toissijaiset anturit mittaavat kapasitanssin muutosta mekaanisen taipuman seurauksena. Kapasitanssin muutokseen perustuvia mittareita kutsutaan usein kapasitanssimittareiksi.

Bourdon gaugeEdit

Bourdon-painemittari käyttää periaatetta, että litistetty putki pyrkii suoristamaan tai palauttamaan pyöreän muodonsa poikkileikkauksena paineistettuna. Tämä poikkileikkauksen muutos voi olla tuskin havaittavissa, ja siihen liittyy kohtuullisia jännityksiä helposti työstettävien materiaalien elastisella alueella. Putken materiaalin rasitusta suurennetaan muodostamalla putki C-muotoon tai jopa kierteeksi siten, että koko putki pyrkii suoristumaan tai purkautumaan elastisesti, kun se paineistetaan. Eugène Bourdon patentoi mittarinsa Ranskassa vuonna 1849, ja se hyväksyttiin laajalti sen erinomaisen herkkyyden, lineaarisuuden ja tarkkuuden vuoksi; Edward Ashcroft osti Bourdonin amerikkalaiset patenttioikeudet vuonna 1852 ja hänestä tuli merkittävä mittareiden valmistaja. Myös vuonna 1849 Bernard Schaeffer Magdeburgissa, Saksassa, patentoi onnistuneen kalvopainemittarin (katso alla), joka yhdessä Bourdon-mittarin kanssa mullisti paineen Mittaus teollisuudessa. Mutta vuonna 1875 Bourdonin patenttien voimassaolon päättymisen jälkeen hänen yrityksensä Schaeffer ja Budenberg valmistivat myös Bourdon-putkimittareita.

Käytännössä litistetty ohutseinäinen, suljettu pää putki on kytketty ontosta päästä kiinteään putkeen, joka sisältää mitattavan nestepaineen. Kun paine kasvaa, suljettu pää liikkuu kaarena, ja tämä liike muunnetaan (a-segmentin) pyörimiseksi tavallisesti säädettävällä kytkentälinkillä. Pienikokoinen hammaspyörävaihde on osoittimen akselilla, joten liikettä suurennetaan edelleen välityssuhteella. Indikaattorikortin sijoittaminen osoittimen taakse, osoitinakselin alkuasento, vivuston pituus ja alkuasento tarjoavat kaikki välineet osoittimen kalibroimiseksi osoittamaan haluttua painealuetta Bourdon-putken käyttäytymisen vaihteluille.Paine-ero voidaan mitata mittareilla, jotka sisältävät kaksi erilaista Bourdon-putkea, joissa on liitosliitännät. alipaine tunnetaan taaksepäin. Jotkut aneroidibarometrit käyttävät Bourdon-putkia, jotka on suljettu molemmista päistä (mutta useimmat käyttävät kalvoja tai kapseleita, katso alla). Kun mitattu paine sykkii nopeasti, esimerkiksi kun mittari on lähellä edestakaisin liikkuvaa pumppua, käytetään usein liitosputken aukkorajoitusta hammaspyörien tarpeettoman kulumisen välttämiseksi ja keskimääräisen lukeman aikaansaamiseksi; kun koko mittariin kohdistuu mekaanista tärinää, koko kotelo osoitin ja osoitinkortti mukaan lukien voidaan täyttää öljyllä tai glyseriinillä. Mittarin pinnan napauttamista ei suositella, koska se pyrkii väärentämään mittarin alun perin esittämiä todellisia lukemia. Bourdon-putki on erillinen mittarin pinnasta, eikä sillä siten ole vaikutusta paineen todelliseen lukemiseen. Tyypilliset korkealaatuiset modernit mittarit antavat tarkkuuden ± 2% alueesta, ja erityinen erittäin tarkka mittari voi olla jopa 0,1% koko asteikosta.

Voimatasapainoinen sulatettu kvartsibourdon-putkianturi toimii samalla periaatteella, mutta käyttää peilistä tulevan valonsäteen heijastusta kulmapoikkeaman tunnistamiseen ja sähkömagneetteihin kohdistuvaa virtaa tasapainottamaan putken voimaa ja saattamaan kulmapoikkeaman takaisin nollaan. keloja käytetään mittauksena. Kvartsin erittäin vakaiden ja toistettavien mekaanisten ja lämpöominaisuuksien sekä melkein kaiken fyysisen liikkeen eliminoivan voimatasapainon ansiosta nämä anturit voivat olla tarkkoja noin 1 PPM: n koko asteikolla. Erittäin hienojen sulatettujen kvartsirakenteiden vuoksi, jotka on tehtävä käsin, nämä anturit rajoittuvat yleensä tieteellisiin ja kalibrointitarkoituksiin.

Seuraavissa kuvissa kuvan kuvassa olevan paine- ja alipainemittarin läpinäkyvä kansipinta on irrotettu ja mekanismi poistettu kotelosta. Tämä mittari on yhdistelmä tyhjiö- ja painemittari, jota käytetään autojen diagnoosissa:

• Kasvojen vasen puoli, jota käytetään imusarjan tyhjiön mittaamiseen, on kalibroitu senttimetreinä elohopeaa sen sisäosassa ja elohopean tuumaa ulommassa mittakaavassa.
• kasvojen oikeaa osaa käytetään polttoainepumpun paineen tai turboahtimen mittaamiseen, ja se kalibroidaan osina 1 kgf / cm2 sisäasteikollaan ja puntaa neliötuumalla ulkoskaalalla.

Mekaaniset tiedotMuokkaa

Kiinteät osat:

• A: Vastaanottimen lohko. Tämä yhdistää tuloputken Bourdon-putken (1) kiinteään päähän ja kiinnittää alustalevyn (B). Kaksi reikää saa ruuvit, jotka kiinnittävät kotelon.
• B: Alustalevy. Kasvokortti on kiinnitetty tähän. Se sisältää laakereikiä akseleille.
• C: toissijainen alustalevy. Se tukee akselien ulkopäätä.
• D: Pylväät kahden alustalevyn liittämiseksi ja sijoittamiseksi.

Liikkuvat osat:

1. Bourdon-putken kiinteä pää. Tämä on yhteydessä imuputkeen vastaanottolohkon kautta.
2. Bourdon-putken liikkuva pää. Tämä pää on sinetöity.
3. Kääntö- ja nastatappi
4. Yhdistä nivelet nivelillä vipuun (5) nivelen pyörimisen mahdollistamiseksi.
5. Vipu, sektorivaihteisto (7)
6. Sector gear axle pin
7. Sector gear
8. Indikaattorin neula-akseli. Tässä on kannettava vaihde, joka kytkeytyy sektorivaihteeseen (7) ja ulottuu kasvojen läpi osoittimen neulan käyttämiseksi. Johtuen lyhyestä etäisyydestä vivun varren lenkkipalkin ja kääntötapin sekä sektorihammaspyörän ja kannatinpyörän efektiivisen säteen välisen eron takia, Bourdon-putken kaikki liikkeet vahvistuvat suuresti. Pieni putken liike johtaa suureen osoittimen neulan liikkeeseen.
9. Hiusjousi esijännittääkseen vaihdetta junan ripsien ja hystereesin poistamiseksi

DiaphragmEdit

Toisessa aneroidimittarissa käytetään taipuisan kalvon taipumista, joka erottaa eri paineen alueet. Taipuman määrä on toistettavissa tunnetuille paineille, joten paine voidaan määrittää käyttämällä kalibrointia. Ohuen kalvon muodonmuutos riippuu sen kahden pinnan välisestä paine-erosta. Vertailupinta voi olla avoin ilmakehälle mittaamaan painetta, avattava toiseen aukkoon paine-eron mittaamiseksi, tai se voidaan sulkea tyhjiötä tai muuta kiinteää vertailupainetta vastaan absoluuttisen paineen mittaamiseksi. Muodonmuutos voidaan mitata mekaanisilla, optisilla tai kapasitiivisilla tekniikoilla.Käytetään keraamisia ja metallisia kalvoja.

Hyödyllinen alue: yli 10−2 Torr (karkeasti 1 Pa)

Absoluuttisissa mittauksissa käytetään usein hitsattuja painekapseleita, joissa on kalvot molemmilla puolilla.

muoto:

• litteä
• aallotettu
• litistetty putki
• kapseli

BellowsEdit

Mittareissa, jotka on tarkoitettu pienien paineiden tai paine-erojen havaitsemiseen tai jotka edellyttävät absoluuttisen paineen mittaamista, vaihteistoa ja neulaa voidaan ajaa suljetussa ja suljetussa paljekammiossa, jota kutsutaan aneroidiksi, mikä tarkoittaa ”ilman neste ”. (Varhaisissa ilmanpainemittareissa käytettiin nestekolonnia, kuten vettä tai nestemäistä metallia, elohopeaa, suspendoituna tyhjiössä.) Tätä paljekokoonpanoa käytetään aneroidibarometreissä (barometreissä, joissa on neula ja valintakortti), korkeusmittareissa, korkeutta mittaavissa barografeissa ja korkeudessa telemetriamittarit, joita käytetään ilmapallo-radiosondeissa. Nämä laitteet käyttävät suljettua kammiota vertailupaineena ja niitä ohjaa ulkoinen paine. Muilla herkillä lentokoneiden instrumenteilla, kuten ilman nopeuden osoittimilla ja nousunopeuden osoittimilla (variometrit), on yhteydet sekä aneroidikammion sisäosaan että ulkoiseen sulkukammioon.

Magneettinen kytkentäMuokkaa

Nämä mittarit käyttävät kahden magneetin vetovoimaa muuntamaan paine-eron osoitinliikkeeksi. Kun paine-ero kasvaa, joko mäntään tai kumikalvoon kiinnitetty magneetti liikkuu. Osoittimeen kiinnitetty pyörivä magneetti liikkuu sitten yhtenäisesti. Erilaisten painealueiden luomiseksi jousenopeutta voidaan lisätä tai vähentää.

Roottoriroottorin mittariEdit

Kehräroottorin mittari toimii mittaamalla pyörivän pallon hidastaman määrän mitattavan kaasun viskositeetti. Pallo on valmistettu teräksestä ja se magneettisesti levitoi teräsputken sisällä, joka on suljettu toisesta päästä ja altistetaan mitattavalle kaasulle toisessa päässä. Pallo saatetaan nopeuteen (noin 2500 rad / s) ja nopeus mitataan taajuusmuuttajan sammuttamisen jälkeen sähkömagneettisilla antureilla. Laitteen toiminta-alue on 10−5 – 102 Pa (103 Pa pienemmällä tarkkuudella). Se on riittävän tarkka ja vakaa käytettäväksi toissijaisena standardina. Oikea käyttö vaatii jonkin verran taitoa ja tietoa. Erilaisia korjauksia on tehtävä ja palloa on kehrätettävä paineessa, joka on selvästi alle suunnitellun mittauspaineen, viisi tuntia ennen käyttöä. Se on hyödyllisin kalibrointi- ja tutkimuslaboratorioissa, joissa vaaditaan suurta tarkkuutta ja käytettävissä on päteviä teknikkoja.