Drukmeting

Er zijn veel instrumenten uitgevonden om druk te meten, met verschillende voor- en nadelen. Drukbereik, gevoeligheid, dynamische respons en kosten variëren allemaal met verschillende ordes van grootte van het ene instrumentontwerp tot het andere. Het oudste type is de vloeistofkolom (een verticale buis gevuld met kwik) manometer uitgevonden door Evangelista Torricelli in 1643. De U-buis is uitgevonden door Christiaan Huygens in 1661.

Hydrostatisch bewerken

Hydrostatische meters (zoals de kwikkolommanometer) vergelijken de druk met de hydrostatische kracht per oppervlakte-eenheid aan de basis van een vloeistofkolom. Hydrostatische metingen zijn onafhankelijk van het type gas dat wordt gemeten en kunnen worden ontworpen om een zeer lineaire kalibratie te hebben. Ze hebben een slechte dynamische respons.

PistonEdit

Zuiger-type meters compenseren de druk van een vloeistof met een veer (bijvoorbeeld bandenspanningsmeters met relatief lage nauwkeurigheid) of een vast gewicht , in welk geval het bekend staat als een deadweight-tester en kan worden gebruikt voor kalibratie van andere meters.

Vloeistofkolom (manometer) Bewerken

Vloeistofkolommeters bestaan uit een kolom van vloeistof in een buis waarvan de uiteinden aan verschillende drukken worden blootgesteld. De kolom zal stijgen of dalen totdat zijn gewicht (een kracht die wordt uitgeoefend door de zwaartekracht) in evenwicht is met het drukverschil tussen de twee uiteinden van de buis (een kracht die wordt uitgeoefend door vloeistofdruk). Een zeer eenvoudige versie is een U-vormige buis die half gevuld is met vloeistof, waarvan de ene kant is verbonden met het interessegebied terwijl de referentiedruk (die de atmosferische druk of een vacuüm kan zijn) wordt toegepast op de andere. Het verschil in vloeistofniveaus vertegenwoordigt de toegepaste druk. De druk die wordt uitgeoefend door een vloeistofkolom van hoogte h en dichtheid ρ wordt gegeven door de hydrostatische drukvergelijking, P = hgρ. Daarom kan het drukverschil tussen de toegepaste druk Pa en de referentiedruk P0 in een U-buismanometer worden gevonden door Pa – P0 = hgρ op te lossen. Met andere woorden, de druk aan beide uiteinden van de vloeistof (weergegeven in blauw in de afbeelding) moet in evenwicht zijn (aangezien de vloeistof statisch is), en dus Pa = P0 + hgρ.

In de meeste vloeistoffen kolommetingen, het resultaat van de meting is de hoogte h, doorgaans uitgedrukt in mm, cm of inches. De h is ook bekend als de drukkop. Wanneer uitgedrukt als een drukhoogte, wordt de druk gespecificeerd in lengte-eenheden en moet de meetvloeistof worden gespecificeerd. Als nauwkeurigheid van cruciaal belang is, moet de temperatuur van de meetvloeistof eveneens worden gespecificeerd, omdat de vloeistofdichtheid een functie is van de temperatuur. Zo kan bijvoorbeeld de drukkop worden geschreven als “742,2 mmHg” of “4,2 inH2O bij 59 ° F” voor metingen die zijn uitgevoerd met respectievelijk kwik of water als de manometrische vloeistof. Het woord “manometer” of “vacuüm” kan aan een dergelijke meting worden toegevoegd om onderscheid te maken tussen een druk boven of onder de atmosferische druk. Zowel mm kwik als inches water zijn veel voorkomende drukkoppen, die kunnen worden omgezet in SI-eenheden van druk met behulp van eenheidsconversie en de bovenstaande formules.

Als de te meten vloeistof een aanzienlijke dichtheid heeft, kunnen hydrostatische correcties een probleem zijn. te maken voor de hoogte tussen het bewegende oppervlak van de werkvloeistof van de manometer en de locatie waar de drukmeting gewenst is, behalve bij het meten van de differentiële druk van een vloeistof (bijvoorbeeld over een doorlaatplaat of venturi), in welk geval de dichtheid ρ moet worden gecorrigeerd door de dichtheid van de gemeten vloeistof af te trekken.

Hoewel elke vloeistof kan worden gebruikt, heeft kwik de voorkeur vanwege de hoge dichtheid (13.534 g / cm3) en lage dampspanning. De convexe meniscus is voordelig omdat dit betekent dat er geen drukfouten optreden bij het bevochtigen van het glas, hoewel onder uitzonderlijk schone omstandigheden het kwik aan het glas blijft kleven en de barometer vast kan komen te zitten (het kwik kan een negatieve absolute druk aanhouden), zelfs onder een sterk vacuüm. Voor lage drukverschillen wordt gewoonlijk lichte olie of water gebruikt (de laatste geeft aanleiding tot meeteenheden zoals inches watermeter en millimeters H2O). Manometers met vloeistofkolom hebben een zeer lineaire kalibratie. Ze hebben een slechte dynamische respons omdat de vloeistof in de kolom langzaam kan reageren op een drukverandering.

Bij het meten van vacuüm kan de werkvloeistof verdampen en het vacuüm vervuilen als de dampdruk te hoog is. Bij het meten van vloeistofdruk kan een lus gevuld met gas of een lichte vloeistof de vloeistoffen isoleren om te voorkomen dat ze zich vermengen, maar dit kan bijvoorbeeld overbodig zijn wanneer kwik wordt gebruikt als de manometervloeistof om de differentiële druk van een vloeistof te meten, zoals water. Eenvoudige hydrostatische meters kunnen drukken meten variërend van een paar torrs (een paar 100 Pa) tot een paar atmosfeer (ongeveer 1000000 Pa).

Een vloeistofkolommanometer met één slang heeft een groter reservoir in plaats van één kant van de U-buis en heeft een schaalverdeling naast de smallere kolom. De kolom kan geneigd zijn om de vloeistofbeweging verder te versterken. Op basis van het gebruik en de structuur worden de volgende typen manometers gebruikt

1. Eenvoudige manometer
2. Micromanometer
3. Differentiële manometer
4. Omgekeerd differentiële manometer

McLeod-meter Bewerken

Een McLeod-meter isoleert een gasmonster en comprimeert dit in een gemodificeerde kwikmanometer totdat de druk enkele millimeters kwik bedraagt. De techniek is erg traag en ongeschikt voor continue monitoring, maar is in staat tot een goede nauwkeurigheid. In tegenstelling tot andere manometermeters, is de aflezing van de McLeod-meter afhankelijk van de samenstelling van het gas, aangezien de interpretatie berust op het samenpersen van het monster als een ideaal gas. Vanwege het compressieproces negeert de McLeod-meter volledig de partiële drukken van niet-ideale dampen die condenseren, zoals pompoliën, kwik en zelfs water indien voldoende gecomprimeerd.

Nuttig bereik: van ongeveer 10−4 Torr (ongeveer 10−2 Pa) tot vacuüm zo hoog als 10−6 Torr (0,1 mPa),

0,1 mPa is de laagste directe drukmeting die mogelijk is met de huidige technologie. Andere vacuümmeters kunnen lagere drukken meten, maar alleen indirect door meting van andere drukafhankelijke eigenschappen. Deze indirecte metingen moeten worden gekalibreerd op SI-eenheden door een directe meting, meestal een McLeod-meter.

AneroidEdit

Aneroïde meters zijn gebaseerd op een metalen drukgevoelig element dat elastisch buigt onder het effect van een drukverschil over het element. “Aneroïde” betekent “zonder vloeistof”, en de term onderscheidde oorspronkelijk deze meters van de hydrostatische meters die hierboven zijn beschreven. Aneroïde meters kunnen echter worden gebruikt om zowel de druk van een vloeistof als van een gas te meten, en ze zijn niet het enige type meter dat zonder vloeistof kan werken. Om deze reden worden ze in de moderne taal vaak mechanische meters genoemd. Aneroïde meters zijn niet afhankelijk van het type gas dat wordt gemeten, in tegenstelling tot thermische en ionisatiemeters, en zullen het systeem minder snel verontreinigen dan hydrostatische meters. Het drukmeetelement kan een Bourdon-buis zijn, een diafragma, een capsule of een set balgen, die van vorm zullen veranderen als reactie op de druk van het betreffende gebied. De afbuiging van het drukmeetelement kan worden gelezen door een koppeling die is verbonden met een naald, of kan worden gelezen door een secundaire transducer. De meest voorkomende secundaire transducers in moderne vacuümmeters meten een capaciteitsverandering als gevolg van de mechanische afbuiging. Meters die afhankelijk zijn van een capaciteitsverandering worden vaak capaciteitsmanometers genoemd.

Bourdon gaugeEdit

De Bourdon-manometer gebruikt het principe dat een afgeplatte buis de neiging heeft om recht te worden of zijn ronde vorm in doorsnede terug te krijgen wanneer deze onder druk wordt gezet. Deze verandering in doorsnede is wellicht nauwelijks merkbaar, met matige spanningen binnen het elastische bereik van gemakkelijk bewerkbare materialen. De spanning van het materiaal van de buis wordt vergroot door de buis in een C-vorm of zelfs een helix te vormen, zodat de gehele buis de neiging heeft om elastisch recht te trekken of af te rollen wanneer deze onder druk wordt gezet. Eugène Bourdon patenteerde zijn meter in Frankrijk in 1849, en het werd algemeen aanvaard vanwege zijn superieure gevoeligheid, lineariteit en nauwkeurigheid; Edward Ashcroft kocht de Amerikaanse patentrechten van Bourdon in 1852 en werd een belangrijke fabrikant van meters. Eveneens in 1849 patenteerde Bernard Schaeffer in Maagdenburg, Duitsland, een succesvolle manometer met membraan (zie hieronder), die samen met de manometer met meting in de industrie. Maar in 1875, nadat de patenten van Bourdon waren verlopen, vervaardigden zijn bedrijf Schaeffer en Budenberg ook Bourdon-buismeters.

In de praktijk een afgeplatte dunwandige, gesloten buis is aan het holle uiteinde verbonden met een vaste buis met daarin de te meten vloeistofdruk. Naarmate de druk toeneemt, beweegt het gesloten uiteinde in een boog, en deze beweging wordt omgezet in de rotatie van een (segment van een) tandwiel door een verbindingsschakel die meestal instelbaar is. Een rondsel met een kleine diameter bevindt zich op de wijzeras, dus de beweging wordt verder vergroot door de overbrengingsverhouding. De positionering van de indicatorkaart achter de wijzer, de initiële positie van de wijzeras, de lengte van de koppeling en de initiële positie, bieden allemaal middelen om de wijzer te kalibreren om het gewenste drukbereik aan te geven voor variaties in het gedrag van de Bourdon-buis zelf.De differentiaaldruk kan worden gemeten met meters die twee verschillende Bourdon-buizen bevatten, met verbindingsstangen.

Bourdon-buizen meten de overdruk ten opzichte van de atmosferische omgevingsdruk in tegenstelling tot de absolute druk; vacuüm wordt waargenomen als een omgekeerde beweging. Sommige aneroïde barometers gebruiken Bourdon-buizen die aan beide uiteinden zijn gesloten (maar de meeste gebruiken diafragmas of capsules, zie hieronder). Wanneer de gemeten druk snel pulserend is, zoals wanneer de meter zich in de buurt van een zuigerpomp bevindt, wordt vaak een openingbeperking in de verbindingsleiding gebruikt om onnodige slijtage van de tandwielen te voorkomen en een gemiddelde aflezing te verkrijgen; wanneer de hele meter onderhevig is aan mechanische trillingen, kan de hele behuizing inclusief de wijzer en de indicatorkaart gevuld worden met een olie of glycerine. Het wordt niet aanbevolen om op de voorkant van de meter te tikken, omdat dit de werkelijke aflezingen die aanvankelijk door de meter werden gepresenteerd, zal vervalsen. De Bourdon-buis staat los van de voorkant van de meter en heeft dus geen invloed op de feitelijke aflezing van de druk. Typische moderne meters van hoge kwaliteit bieden een nauwkeurigheid van ± 2% van het bereik, en een speciale zeer nauwkeurige meter kan zo nauwkeurig zijn als 0,1% van de volledige schaal.

Krachtgebalanceerde sensoren van kwarts-bourdonbuis werken volgens hetzelfde principe, maar gebruikt de reflectie van een lichtstraal van een spiegel om de hoekverplaatsing te detecteren en stroom wordt toegepast op elektromagneten om de kracht van de buis in evenwicht te brengen en de hoekverplaatsing terug te brengen naar nul, de stroom die wordt toegepast op de spoelen wordt gebruikt als de meting. Vanwege de extreem stabiele en herhaalbare mechanische en thermische eigenschappen van kwarts en de krachtbalans die bijna alle fysieke bewegingen elimineert, kunnen deze sensoren nauwkeurig zijn tot ongeveer 1 PPM op volledige schaal. Vanwege de extreem fijne gesmolten kwartsstructuren die met de hand moeten worden gemaakt, zijn deze sensoren over het algemeen beperkt tot wetenschappelijke en kalibratiedoeleinden.

In de volgende afbeeldingen is het transparante deksel van de afgebeelde combinatie druk- en vacuümmeter verwijderd en het mechanisme verwijderd uit de behuizing. Deze specifieke meter is een combinatie van vacuüm- en manometer die wordt gebruikt voor autodiagnose:

• De linkerkant van het gezicht, gebruikt voor het meten van het vacuüm in het verdeelstuk, is gekalibreerd in centimeters kwik op de binnenste schaal en inches kwik op de buitenste schaal.
• De rechterdeel van het gezicht wordt gebruikt om de brandstofpompdruk of turboboost te meten en wordt gekalibreerd in fracties van 1 kgf / cm2 op de binnenste schaal en pond per vierkante inch op de buitenste schaal.

Mechanische details Bewerken

Stationaire delen:

• A: Ontvangerblok. Dit verbindt de inlaatleiding met het vaste uiteinde van de Bourdon-buis (1) en zet de chassisplaat (B) vast. In de twee gaten zitten schroeven waarmee de behuizing vastzit.
• B: Chassisplaat. Hieraan is het gezichtskaartje bevestigd. Het bevat lagergaten voor de assen.
• C: Secundaire chassisplaat. Het ondersteunt de uiteinden van de assen.
• D: Palen om de twee chassisplaten samen te voegen en op afstand te houden.

Bewegende delen:

1. Stationair einde van de Bourdon-buis. Dit communiceert met de inlaatleiding via het ontvangerblok.
2. Bewegend uiteinde van de Bourdon-buis. Dit uiteinde is afgedicht.
3. Draaipen en draaipen
4. Koppel de verbindingspen met de hefboom (5) met pennen om scharnierrotatie mogelijk te maken
5. Hefboom, een verlengstuk van de sectorversnelling (7)
6. Pen van de sectorversnellingas
7. Sectorversnelling
8. As van de indicatornaald. Dit heeft een recht tandwiel dat aangrijpt op het sectortandwiel (7) en zich door het vlak uitstrekt om de indicatornaald aan te drijven. Door de korte afstand tussen de hefboomarmverbindingsnaaf en de scharnierpen en het verschil tussen de effectieve straal van de sectoroverbrenging en die van het rechte tandwiel, wordt elke beweging van de Bourdonbuis sterk versterkt. Een kleine beweging van de buis resulteert in een grote beweging van de indicatornaald.
9. Haarveer om de tandwieloverbrenging voor te spannen om speling en hysterese te voorkomen

Diafragma bewerken

Een tweede type aneroïde meter gebruikt afbuiging van een flexibel membraan dat gebieden met verschillende druk scheidt. De mate van doorbuiging is herhaalbaar voor bekende drukken, zodat de druk kan worden bepaald met behulp van kalibratie. De vervorming van een dun diafragma is afhankelijk van het drukverschil tussen de twee zijden. Het referentievlak kan open zijn naar de atmosfeer om de overdruk te meten, open naar een tweede poort om de differentiële druk te meten, of kan worden afgedicht tegen een vacuüm of een andere vaste referentiedruk om de absolute druk te meten. De vervorming kan worden gemeten met mechanische, optische of capacitieve technieken.Er worden keramische en metalen membranen gebruikt.

Nuttig bereik: boven 10−2 Torr (ongeveer 1 Pa)

Voor absolute metingen worden vaak gelaste drukcapsules met membranen aan weerszijden gebruikt.

vorm:

• plat
• gegolfd
• afgeplatte buis
• capsule

balg bewerken

In meters die bedoeld zijn om kleine drukken of drukverschillen waar te nemen, of vereisen dat een absolute druk wordt gemeten, kunnen de tandwieltrein en naald worden aangedreven door een gesloten en afgedichte balgkamer, een aneroïde genaamd, wat betekent vloeistof”. (Vroege barometers gebruikten een vloeistofkolom zoals water of het vloeibare metaal kwik opgehangen door een vacuüm.) Deze balgconfiguratie wordt gebruikt in aneroïde barometers (barometers met een indicatienaald en wijzerplaat), hoogtemeters, hoogteregistratiebarografen en de hoogte telemetrie-instrumenten die worden gebruikt in weerballonradiosondes. Deze apparaten gebruiken de afgedichte kamer als referentiedruk en worden aangedreven door de externe druk. Andere gevoelige vliegtuiginstrumenten zoals luchtsnelheidsmeters en stijgsnelheidsindicatoren (variometers) hebben zowel verbindingen met het interne deel van de aneroïde kamer als met een externe omhullende kamer.

Magnetische koppelingEdit

Deze meters gebruiken de aantrekkingskracht van twee magneten om het drukverschil om te zetten in de beweging van een wijzerplaat. Naarmate het drukverschil toeneemt, beweegt een magneet die is bevestigd aan een zuiger of een rubberen membraan. Een roterende magneet die aan een wijzer is bevestigd, beweegt dan tegelijk. Om verschillende drukbereiken te creëren, kan de veerconstante worden verhoogd of verlaagd.

Draaiende-rotormeter Bewerken

De draaiende-rotormeter werkt door te meten in hoeverre een draaiende bal wordt vertraagd door de viscositeit van het gas dat wordt gemeten. De bal is gemaakt van staal en zweeft magnetisch in een stalen buis die aan het ene uiteinde is gesloten en aan het andere wordt blootgesteld aan het te meten gas. De bal wordt op snelheid gebracht (ongeveer 2500 rad / s), en de snelheid wordt gemeten na het uitschakelen van de aandrijving door elektromagnetische transducers. Het bereik van het instrument is 10−5 tot 102 Pa (103 Pa met minder nauwkeurigheid). Het is nauwkeurig en stabiel genoeg om als secundaire standaard te worden gebruikt. Het instrument vereist enige vaardigheid en kennis om correct te gebruiken. Er moeten verschillende correcties worden aangebracht en de bal moet voor gebruik vijf uur lang worden rondgedraaid bij een druk die ruim onder de beoogde meetdruk ligt. Het is vooral nuttig in kalibratie- en onderzoekslaboratoria waar een hoge nauwkeurigheid vereist is en gekwalificeerde technici beschikbaar zijn.