Trykkmåling

Mange instrumenter er oppfunnet for å måle trykk, med forskjellige fordeler og ulemper. Trykkområde, følsomhet, dynamisk respons og pris varierer med flere størrelsesordener fra ett instrumentdesign til et annet. Den eldste typen er væskesøylen (et vertikalt rør fylt med kvikksølv) manometer oppfunnet av Evangelista Torricelli i 1643. U-røret ble oppfunnet av Christiaan Huygens i 1661.

HydrostaticEdit

Hydrostatiske målere (som kvikksølvkolonnemanometer) sammenligner trykk med den hydrostatiske kraften per arealeenhet ved bunnen av en væskesøyle. Målinger av hydrostatiske målere er uavhengige av typen gass som måles, og kan utformes for å ha en veldig lineær kalibrering. De har dårlig dynamisk respons.

PistonEdit

Stempelmålere motvirker trykket i en væske med en fjær (for eksempel dekktrykkmålere med relativt lav nøyaktighet) eller en solid vekt , i hvilket tilfelle den er kjent som en dødvektstester og kan brukes til kalibrering av andre målere.

Væskekolonne (manometer) Rediger

Væskekolonnmålere består av en kolonne med væske i et rør hvis ender utsettes for forskjellige trykk. Kolonnen vil stige eller falle til vekten (en kraft påført på grunn av tyngdekraften) er i likevekt med trykkdifferansen mellom de to endene av røret (en kraft som påføres på grunn av væsketrykk). En veldig enkel versjon er et U-formet rør som er halvfullt av væske, og den ene siden er koblet til regionen av interesse mens referansetrykket (som kan være atmosfæretrykket eller et vakuum) påføres den andre. Forskjellen i væskenivåer representerer det påførte trykket. Trykket som utøves av en væskesøyle med høyden h og tettheten ρ er gitt av den hydrostatiske trykkligningen, P = hgρ. Derfor kan trykkforskjellen mellom påført trykk Pa og referansetrykket P0 i et U-rør manometer bli funnet ved å løse Pa – P0 = hgρ. Med andre ord må trykket i hver ende av væsken (vist i blått på figuren) balanseres (siden væsken er statisk), og så Pa = P0 + hgρ.

I de fleste væsker- kolonnemål, er resultatet av målingen høyden h, uttrykt typisk i mm, cm eller tommer. H er også kjent som trykkhode. Når det uttrykkes som et trykkhode, spesifiseres trykket i lengdeenheter og målevæsken må spesifiseres. Når nøyaktighet er kritisk, må temperaturen til målevæsken også spesifiseres, fordi væsketetthet er en funksjon av temperaturen. Så, for eksempel, kan trykkhode skrives «742,2 mmHg» eller «4,2 inH2O ved 59 ° F» for målinger tatt med henholdsvis kvikksølv eller vann som manometrisk væske. Ordet «måler» eller «vakuum» kan legges til en slik måling for å skille mellom et trykk over eller under atmosfæretrykket. Både mm kvikksølv og tommer vann er vanlige trykkhoder, som kan konverteres til SI-enheter med trykk ved hjelp av enhetskonvertering og de ovennevnte formlene.

Hvis væsken som måles er betydelig tett, kan hydrostatiske korreksjoner ha skal gjøres for høyden mellom den bevegelige overflaten av manometerets arbeidsfluid og stedet der trykkmåling er ønsket, bortsett fra når man måler differensialtrykk for et fluid (for eksempel over en åpningsplate eller venturi), i hvilket tilfelle tettheten ρ bør korrigeres ved å trekke tettheten av væsken som måles.

Selv om en hvilken som helst væske kan brukes, er kvikksølv å foretrekke på grunn av dens høye tetthet (13,534 g / cm3) og lavt damptrykk. Den konvekse menisken er fordelaktig siden dette betyr at det ikke vil være noen trykkfeil fra å fukte glasset, men kvikksølv vil holde seg fast ved glass under eksepsjonelt rene omstendigheter og barometeret kan bli sittende fast (kvikksølv kan opprettholde et negativt absolutt trykk) selv under en sterkt vakuum. For lavtrykksforskjeller brukes lett olje eller vann (sistnevnte gir opphav til måleenheter som inches vannmåler og millimeter H2O). Væskesøylens trykkmålere har en svært lineær kalibrering. De har dårlig dynamisk respons fordi væsken i kolonnen kan reagere sakte på en trykkendring.

Ved måling av vakuum kan arbeidsvæsken fordampe og forurense vakuumet hvis damptrykket er for høyt. Ved måling av væsketrykk kan en sløyfe fylt med gass eller en lett væske isolere væskene for å hindre dem i å blande seg, men dette kan for eksempel være unødvendig når kvikksølv brukes som manometervæske for å måle differensialtrykket til en væske som vann. Enkle hydrostatiske målere kan måle trykk fra noen få torrs (noen få 100 Pa) til noen få atmosfærer (omtrent 1000000 Pa).

Et væske-kolonnemanometer med en lem har et større reservoar i stedet for den ene siden av U-røret og har en skala ved siden av den smalere kolonnen. Kolonnen kan være tilbøyelig til å ytterligere forsterke væskebevegelsen. Basert på bruk og struktur brukes følgende typer manometre

1. Enkelt manometer
2. Mikromanometer
3. Differensialmanometer
4. Invertert differensialmanometer

McLeod gaugeEdit

En McLeod-måler isolerer en prøve av gass og komprimerer den i et modifisert kvikksølvmanometer til trykket er noen millimeter kvikksølv. Teknikken er veldig treg og uegnet til kontinuerlig overvåking, men er i stand til god nøyaktighet. I motsetning til andre manometermålere, er avlesningen av McLeod-måleren avhengig av gassens sammensetning, siden tolkningen er avhengig av at prøven komprimeres som en ideell gass. På grunn av kompresjonsprosessen ignorerer McLeod-måleren fullstendig delvis trykk fra ikke-ideelle damper som kondenserer, for eksempel pumpeoljer, kvikksølv og til og med vann hvis de er komprimert nok.

Nyttig område: fra rundt 10−4 Torr (omtrent 10−2 Pa) til vakuum så høyt som 10−6 Torr (0,1 mPa),

0,1 mPa er den laveste direkte måling av trykk som er mulig med dagens teknologi. Andre vakuummålere kan måle lavere trykk, men bare indirekte ved måling av andre trykkavhengige egenskaper. Disse indirekte målingene må kalibreres til SI-enheter ved en direkte måling, vanligvis en McLeod-måler.

AneroidEdit

Aneroidmålere er basert på et metallisk trykkfølsomt element som bøyes elastisk under effekten av en trykkforskjell over elementet. «Aneroid» betyr «uten væske», og begrepet skilte opprinnelig disse målere fra hydrostatiske målere beskrevet ovenfor. Aneroidmålere kan imidlertid brukes til å måle trykket i en væske så vel som en gass, og de er ikke den eneste typen måler som kan fungere uten væske. Av denne grunn blir de ofte kalt mekaniske målere på moderne språk. Aneroidmålere er ikke avhengige av typen gass som måles, i motsetning til termiske og ioniseringsmålere, og er mindre sannsynlig å forurense systemet enn hydrostatiske målere. Trykkregistreringselementet kan være et Bourdon-rør, en membran, en kapsel eller et sett med belg, som vil endre form som svar på trykket i den aktuelle regionen. Avbøyningen av det trykkfølende elementet kan leses av en kobling som er koblet til en nål, eller den kan leses av en sekundær transduser. De vanligste sekundærtransduserne i moderne vakuummålere måler en endring i kapasitans på grunn av den mekaniske avbøyningen. Målere som er avhengige av en endring i kapasitans blir ofte referert til som kapasitansmanometre.

Bourdon gaugeEdit

Bourdon-trykkmåleren bruker prinsippet om at et flatt rør har en tendens til å rette eller gjenvinne sin sirkulære form i tverrsnitt ved trykk. Denne endringen i tverrsnitt kan nesten ikke merkes, og involverer moderate belastninger innenfor det elastiske området for lett bearbeidbare materialer. Stammen av materialet i røret forstørres ved å danne røret til en C-form eller til og med en spiral, slik at hele røret har en tendens til å rette seg ut eller spole elastisk når det er under trykk. Eugène Bourdon patenterte sin måler i Frankrike i 1849, og den ble allment vedtatt på grunn av dens overlegne følsomhet, linearitet og nøyaktighet; Edward Ashcroft kjøpte Bourdons amerikanske patentrettigheter i 1852 og ble en stor produsent av målere. Også i 1849 patenterte Bernard Schaeffer i Magdeburg, Tyskland en vellykket membran (se nedenfor) trykkmåler, som sammen med Bourdon-måleren revolusjonerte trykket måling i industrien. Men i 1875 etter at Bourdons patenter utløp, produserte hans firma Schaeffer og Budenberg også Bourdon-rørmålere.

I praksis en flat, tynnvegget, lukket ende røret er forbundet med den hule enden til et fast rør som inneholder fluidtrykket som skal måles. Når trykket øker, beveger den lukkede enden seg i en bue, og denne bevegelsen omdannes til rotasjonen av et (segment av et) gir ved hjelp av et koblingsled som vanligvis er justerbart. Et tannhjul med liten diameter er på pekeakselen, så bevegelsen forstørres ytterligere av girforholdet. Plasseringen av indikatorkortet bak pekeren, den opprinnelige pekerakselposisjonen, koblingslengden og utgangsposisjonen, gir alle midler til å kalibrere pekeren for å indikere ønsket trykkområde for variasjoner i oppførselen til selve Bourdon-røret.Differensialtrykk kan måles ved hjelp av målere som inneholder to forskjellige Bourdon-rør, med forbindelsesledd.

Bourdon-rør måler målertrykk, i forhold til omgivelsestrykk, i motsetning til absolutt trykk; vakuum oppfattes som en omvendt bevegelse. Noen aneroidbarometre bruker Bourdon-rør lukket i begge ender (men de fleste bruker membraner eller kapsler, se nedenfor). Når det målte trykket pulseres raskt, slik som når måleren er nær en stempelpumpe, brukes en åpningsbegrensning i forbindelsesrøret ofte for å unngå unødvendig slitasje på girene og gi en gjennomsnittlig avlesning; når hele måleren er utsatt for mekanisk vibrasjon, kan hele saken, inkludert pekeren og indikatorkortet, fylles med en olje eller glyserin. Det er ikke anbefalt å banke på måleren, da det vil ha en tendens til å forfalske de faktiske avlesningene som ble presentert av måleren. Bourdon-røret er atskilt fra måleren og har således ingen innvirkning på den faktiske avlesningen av trykk. Typiske moderne målere av høy kvalitet gir en nøyaktighet på ± 2% av spennvidden, og en spesiell høypresisjonsmåler kan være så nøyaktig som 0,1% av full skala.

Kraftbalansert smeltet kvarts bourdon-rør sensorer fungerer på samme prinsipp, men bruker refleksjon av en lysstråle fra et speil for å registrere vinkelforskyvningen og strømmen påføres elektromagneter for å balansere rørets kraft og bringe vinkelforskyvningen tilbake til null, strømmen som påføres spoler brukes som måling. På grunn av de ekstremt stabile og repeterbare mekaniske og termiske egenskapene til kvarts og kraftbalanseringen som eliminerer nesten all fysisk bevegelse, kan disse sensorene være nøyaktige til rundt 1 PPM i full skala. På grunn av de ekstremt fine smeltede kvartsstrukturene som må lages for hånd, er disse sensorene generelt begrenset til vitenskapelige og kalibreringsformål.

I de følgende illustrasjonene har det gjennomsiktige dekselet på det avbildede kombinasjonstrykket og vakuummåleren blitt fjernet og mekanismen fjernet fra saken. Denne spesifikke måleren er en kombinasjonsvakuum og trykkmåler som brukes til diagnostisering av biler:

• Venstre side av ansiktet, brukt til å måle manifoldvakuum, er kalibrert i centimeter kvikksølv på sin indre skala og inches kvikksølv på sin ytre skala.
• høyre del av ansiktet brukes til å måle drivstoffpumpetrykk eller turbo boost og er kalibrert i fraksjoner på 1 kgf / cm2 på sin indre skala og pounds per kvadrattomme på sin ytre skala.

Mekaniske detaljer Rediger

Stasjonære deler:

• A: Mottakerblokk. Dette forbinder innløpsrøret til den faste enden av Bourdon-røret (1) og fester chassisplaten (B). De to hullene får skruer som fester saken.
• B: Chassisplate. Ansiktskortet er festet til dette. Den inneholder lagerhull for akslene.
• C: Sekundær chassisplate. Den støtter de ytre endene av akslene.
• D: Stolper for å sammenføye og plassere de to chassisplatene.

Bevegelige deler:

1. Stationær ende av Bourdon-røret. Dette kommuniserer med innløpsrøret gjennom mottakerblokken.
2. Bevegelig ende av Bourdon-røret. Denne enden er forseglet.
3. Pivot og pivot pin
4. Link kobling av pivot pin til spaken (5) med pinnene for å tillate leddrotasjon
5. Spak, en forlengelse av sektorgiret (7)
6. Sektorgirakseltapp
7. Sektorgir
8. Indikatornålaksel. Dette har et tannhjul som griper inn i sektorutstyret (7) og strekker seg gjennom ansiktet for å drive indikatornålen. På grunn av den korte avstanden mellom spakarmleddet og dreietappen og forskjellen mellom den effektive radiusen til sektorutstyret og spindelen, forsterkes enhver bevegelse av Bourdon-røret. En liten bevegelse av røret resulterer i en stor bevegelse av indikatornålen.
9. Hårfjær for å forhåndsbelaste giret for å eliminere girvippe og hysterese

Membranredigering

En annen type aneroidmåler bruker avbøyning av en fleksibel membran som skiller regioner med forskjellig trykk. Mengden av avbøyning kan repeteres for kjente trykk, slik at trykket kan bestemmes ved hjelp av kalibrering. Deformasjonen av en tynn membran er avhengig av trykkforskjellen mellom de to sidene. Referanseflaten kan være åpen mot atmosfæren for å måle målerens trykk, åpne for en annen port for å måle differensialtrykk, eller kan forsegles mot et vakuum eller annet fast referansetrykk for å måle absolutt trykk. Deformasjonen kan måles ved hjelp av mekaniske, optiske eller kapasitive teknikker.Keramiske og metalliske membraner brukes.

Nyttig rekkevidde: over 10−2 Torr (omtrent 1 Pa)

For absolutte målinger brukes ofte sveisede trykkapsler med membraner på hver side.

form:

• Flat
• Bølgepapp
• Flatt rør
• Kapsel

BellowsEdit

I målere beregnet på å registrere små trykk eller trykkforskjeller, eller kreve at et absolutt trykk måles, kan girstangen og nålen drives av et lukket og forseglet belgkammer, kalt en aneroid, som betyr «uten væske». (Tidlige barometre brukte en væskesøyle som vann eller det flytende metall kvikksølv suspendert av et vakuum.) Denne belgkonfigurasjonen brukes i aneroidbarometre (barometre med indikasjonsnål og tallkort), høydemålere, høydeapparatbarografer og høyden telemetriinstrumenter som brukes i værballongradiosondes. Disse enhetene bruker det forseglede kammeret som referansetrykk og drives av det ytre trykket. Andre følsomme flyinstrumenter som lufthastighetsindikatorer og hastighet på stigningsindikatorer (variometre) har forbindelser både til den indre delen av aneroidkammeret og til et eksternt innelukkende kammer.

Magnetisk koblingRediger

Disse målere bruker tiltrekningen av to magneter for å oversette differensialtrykk til bevegelse av en målepeker. Når differensialtrykket øker, beveger en magnet som er festet til enten et stempel eller en gummimembran. En roterende magnet som er festet til en peker, beveger seg deretter i kor. For å skape forskjellige trykkområder kan fjærhastigheten økes eller reduseres.

Spinning-rotor gaugeEdit

Spinning-rotor gauge fungerer ved å måle mengden en roterende ball blir redusert av viskositeten til gassen som måles. Kulen er laget av stål og blir magnetisk svevet inne i et stålrør lukket i den ene enden og utsatt for gassen som skal måles i den andre. Kulen blir brakt opp til hastighet (ca. 2500 rad / s), og hastigheten målt etter å ha slått av stasjonen, av elektromagnetiske svingere. Instrumentets rekkevidde er 10−5 til 102 Pa (103 Pa med mindre nøyaktighet). Den er nøyaktig og stabil nok til å brukes som en sekundær standard. Instrumentet krever dyktighet og kunnskap for å bruke riktig. Forskjellige korreksjoner må påføres, og ballen må spinnes ved et trykk godt under det tiltenkte målingstrykket i fem timer før bruk. Det er mest nyttig i kalibrerings- og forskningslaboratorier der det kreves høy nøyaktighet og kvalifiserte teknikere er tilgjengelige.