Pomiar ciśnienia

Wynaleziono wiele instrumentów do pomiaru ciśnienia, mających różne zalety i wady. Zakres ciśnienia, czułość, odpowiedź dynamiczna i koszt różnią się o kilka rzędów wielkości w zależności od konstrukcji przyrządu. Najstarszym typem jest manometr z kolumną cieczy (pionowa rura wypełniona rtęcią), wynaleziony przez Evangelistę Torricellego w 1643 r. U-Tube został wynaleziony przez Christiaana Huygensa w 1661 r.

HydrostaticEdit

Wskaźniki hydrostatyczne (takie jak manometr z kolumną rtęciową) porównują ciśnienie z siłą hydrostatyczną na jednostkę powierzchni u podstawy kolumny płynu. Pomiary hydrostatyczne są niezależne od rodzaju mierzonego gazu i mogą być zaprojektowane tak, aby mieć bardzo liniową kalibrację. Mają słabą reakcję dynamiczną.

PistonEdit

Manometry tłokowe równoważą ciśnienie płynu za pomocą sprężyny (na przykład mierniki ciśnienia w oponach o stosunkowo niskiej dokładności) lub stałej masy , w takim przypadku jest znany jako tester ciężaru własnego i może być używany do kalibracji innych mierników.

Kolumna cieczowa (manometr) Edytuj

Wskaźniki kolumny cieczy składają się z kolumny ciecz w rurce, której końce są narażone na różne ciśnienia. Kolumna będzie się podnosić lub opadać, aż jej ciężar (siła wywierana na skutek grawitacji) znajdzie się w równowadze z różnicą ciśnień między dwoma końcami rury (siła przyłożona na skutek ciśnienia płynu). Bardzo prostą wersją jest rurka w kształcie litery U do połowy wypełniona cieczą, której jedna strona jest połączona z obszarem zainteresowania, podczas gdy ciśnienie odniesienia (które może być ciśnieniem atmosferycznym lub próżnią) jest przykładane do drugiej. Różnica poziomów cieczy reprezentuje przyłożone ciśnienie. Ciśnienie wywierane przez kolumnę płynu o wysokości h i gęstości ρ jest określone równaniem ciśnienia hydrostatycznego P = hgρ. Dlatego różnicę ciśnień między przyłożonym ciśnieniem Pa i ciśnieniem odniesienia P0 w manometrze w kształcie litery U można obliczyć rozwiązując Pa – P0 = hgρ. Innymi słowy, ciśnienie na każdym końcu cieczy (pokazane na rysunku na niebiesko) musi być zrównoważone (ponieważ ciecz jest statyczna), a więc Pa = P0 + hgρ.

W większości cieczy- pomiary kolumnowe, wynikiem pomiaru jest wysokość h, wyrażona zwykle w mm, cm lub calach. H jest również znany jako wysokość ciśnienia. W przypadku wyrażenia jako wysokość ciśnienia ciśnienie podaje się w jednostkach długości, a ciecz pomiarową należy określić. Gdy dokładność ma kluczowe znaczenie, należy również określić temperaturę płynu pomiarowego, ponieważ gęstość cieczy jest funkcją temperatury. Na przykład wysokość ciśnienia można zapisać jako „742,2 mmHg” lub „4,2 inH2O przy 59 ° F” dla pomiarów wykonanych odpowiednio z rtęcią lub wodą jako płynem manometrycznym. Do takiego pomiaru można dodać słowo „manometr” lub „próżnia”, aby odróżnić ciśnienie powyżej lub poniżej ciśnienia atmosferycznego. Zarówno mm słupa rtęci, jak i cale słupa wody to typowe wysokości podnoszenia, które można przeliczyć na jednostki ciśnienia w układzie SI za pomocą konwersji jednostek i powyższych wzorów.

Jeśli mierzony płyn jest znacznie gęsty, korekty hydrostatyczne mogą mieć należy wykonać dla wysokości między ruchomą powierzchnią płynu roboczego manometru a miejscem, w którym wymagany jest pomiar ciśnienia, z wyjątkiem pomiaru różnicy ciśnień płynu (na przykład w poprzek kryzy lub zwężki Venturiego), w którym to przypadku gęstość ρ należy skorygować, odejmując gęstość mierzonego płynu.

Chociaż można użyć dowolnego płynu, preferowana jest rtęć ze względu na jej wysoką gęstość (13,534 g / cm3) i niską prężność par. Jego wypukły menisk jest korzystny, ponieważ oznacza to, że zwilżenie szkła nie spowoduje błędów ciśnienia, chociaż w wyjątkowo czystych warunkach rtęć przylgnie do szkła, a barometr może utknąć (rtęć może wytrzymać ujemne ciśnienie bezwzględne) nawet pod silna próżnia. W przypadku małych różnic ciśnień powszechnie stosuje się lekki olej lub wodę (ta ostatnia daje początek jednostkom miary, takim jak cale wodowskazu i milimetry H2O). Manometry z kolumną cieczową mają wysoce liniową kalibrację. Mają słabą dynamikę, ponieważ płyn w kolumnie może powoli reagować na zmianę ciśnienia.

Podczas pomiaru próżni ciecz robocza może odparować i zanieczyścić próżnię, jeśli jej ciśnienie pary jest zbyt wysokie. Podczas pomiaru ciśnienia cieczy pętla wypełniona gazem lub lekkim płynem może odizolować ciecze, aby zapobiec ich mieszaniu, ale może to być niepotrzebne, na przykład, gdy rtęć jest używana jako płyn manometryczny do pomiaru różnicy ciśnień cieczy, takiej jak woda. Proste manometry hydrostatyczne mogą mierzyć ciśnienie w zakresie od kilku torów (kilka 100 Pa) do kilku atmosfer (około 1000000 Pa).

Jednoramienny manometr z kolumną cieczową ma większy zbiornik zamiast jednej strony U-rurki i ma podziałkę obok węższej kolumny. Kolumna może być nachylona w celu dalszego wzmocnienia ruchu cieczy. W zależności od zastosowania i struktury stosuje się następujące typy manometrów

1. Prosty manometr
2. Mikromanometr
3. Manometr różnicowy
4. Odwrócony manometr różnicowy

McLeod gaugeEdit

Manometr McLeoda izoluje próbkę gazu i ściska ją w zmodyfikowanym manometrze rtęciowym, aż ciśnienie osiągnie kilka milimetrów słupa rtęci. Technika jest bardzo powolna i nie nadaje się do ciągłego monitorowania, ale zapewnia dobrą dokładność. W przeciwieństwie do innych manometrów, odczyt wskaźnika McLeoda zależy od składu gazu, ponieważ interpretacja opiera się na sprężaniu próbki jako gazu doskonałego. Ze względu na proces sprężania miernik McLeoda całkowicie ignoruje ciśnienia cząstkowe od nieidealnych oparów, które skraplają się, takich jak oleje z pompy, rtęć, a nawet woda, jeśli są wystarczająco skompresowane.

Przydatny zakres: od około 10-4 Torr (w przybliżeniu 10-2 Pa) do podciśnienia nawet do 10-6 Torr (0,1 mPa),

0,1 mPa to najniższy bezpośredni pomiar ciśnienia możliwy przy użyciu obecnej technologii. Inne manometry mogą mierzyć niższe ciśnienia, ale tylko pośrednio, poprzez pomiar innych właściwości zależnych od ciśnienia. Te pośrednie pomiary muszą być skalibrowane do jednostek SI przez bezpośredni pomiar, najczęściej miernik McLeoda.

AneroidEdit

Manometry aneroidowe są oparte na metalowym elemencie wykrywającym ciśnienie, który zgina się elastycznie pod efekt różnicy ciśnień na elemencie. „Aneroid” oznacza „bez płynu”, a termin pierwotnie odróżniał te wskaźniki od hydrostatycznych wskaźników opisanych powyżej. Jednak mierniki aneroidowe mogą być używane do pomiaru ciśnienia cieczy, a także gazu, i nie są jedynym typem miernika, który może działać bez płynu. Z tego powodu we współczesnym języku nazywane są często wskaźnikami mechanicznymi. Wskaźniki aneroidowe nie są zależne od rodzaju mierzonego gazu, w przeciwieństwie do mierników termicznych i jonizacyjnych, i rzadziej powodują zanieczyszczenie układu niż wskaźniki hydrostatyczne. Elementem czujnikowym może być rurka Bourdona, membrana, kapsuła lub zestaw mieszków, które zmieniają kształt w odpowiedzi na ciśnienie w danym obszarze. Odchylenie elementu wyczuwającego ciśnienie można odczytać za pomocą łącznika połączonego z igłą lub przez dodatkowy przetwornik. Najpopularniejsze przetworniki wtórne w nowoczesnych manometrach próżniowych mierzą zmianę pojemności w wyniku ugięcia mechanicznego. Wskaźniki, które opierają się na zmianie pojemności, są często nazywane manometrami pojemności.

Bourdon gaugeEdit

Manometr Bourdona wykorzystuje zasadę, zgodnie z którą spłaszczona rura ma tendencję do prostowania się lub odzyskiwania okrągłego przekroju pod wpływem ciśnienia. Ta zmiana przekroju poprzecznego może być ledwo zauważalna, przy umiarkowanych naprężeniach w zakresie elastyczności łatwo obrabialnych materiałów. Naprężenie materiału rury jest zwiększane przez uformowanie rury w kształt litery C lub nawet w spiralę, tak że cała rura ma tendencję do prostowania się lub elastycznego rozwijania, gdy jest pod ciśnieniem. Eugène Bourdon opatentował swój miernik we Francji w 1849 roku i został on powszechnie przyjęty ze względu na jego doskonałą czułość, liniowość i dokładność; Edward Ashcroft nabył amerykańskie prawa patentowe Bourdona w 1852 roku i stał się głównym producentem manometrów. Również w 1849 roku Bernard Schaeffer w Magdeburgu w Niemczech opatentował udany membranowy (patrz poniżej) manometr, który wraz z manometrem Bourdona zrewolucjonizował ciśnienie pomiarów w przemyśle. Ale w 1875 roku, po wygaśnięciu patentów Bourdona, jego firma Schaeffer and Budenberg również wyprodukowała mierniki rurkowe Bourdona.

W praktyce spłaszczony cienkościenny, zamknięty koniec rura jest połączona na wydrążonym końcu ze stałą rurą zawierającą mierzone ciśnienie płynu. Wraz ze wzrostem ciśnienia zamknięty koniec porusza się po łuku, a ruch ten jest przekształcany w obrót (segmentu a) koła zębatego za pomocą łącznika, który jest zwykle regulowany. Koło zębate o małej średnicy znajduje się na trzpieniu wskaźnika, więc ruch jest dodatkowo zwiększany przez przełożenie. Umiejscowienie karty wskaźnikowej za wskazówką, początkowe położenie wału wskaźnika, długość łącznika i położenie początkowe, wszystko to zapewnia środki do kalibracji wskaźnika w celu wskazania pożądanego zakresu ciśnienia dla zmian w zachowaniu samej rurki Bourdona.Różnicę ciśnień można mierzyć za pomocą manometrów zawierających dwie różne rurki Bourdona z łącznikami.

Rurki Bourdona służą do pomiaru ciśnienia względnego względem ciśnienia atmosferycznego otoczenia, a nie ciśnienia bezwzględnego; próżnia jest odczuwana jako ruch odwrotny. Niektóre barometry aneroidowe wykorzystują rurki Bourdona zamknięte na obu końcach (ale większość wykorzystuje diafragmy lub kapsułki, patrz poniżej). Kiedy mierzone ciśnienie szybko pulsuje, na przykład gdy manometr znajduje się w pobliżu pompy tłokowej, często stosuje się zwężenie otworu w rurze łączącej, aby uniknąć niepotrzebnego zużycia kół zębatych i zapewnić średni odczyt; gdy cały miernik jest narażony na drgania mechaniczne, całą obudowę łącznie ze wskazówką i kartą wskaźnikową można napełnić olejem lub gliceryną. Nie zaleca się stukania w czoło miernika, ponieważ może to zafałszować rzeczywiste odczyty początkowo prezentowane przez miernik. Rurka Bourdona jest oddzielona od czoła manometru i dlatego nie ma wpływu na rzeczywisty odczyt ciśnienia. Typowe, wysokiej jakości nowoczesne mierniki zapewniają dokładność ± 2% zakresu, a specjalny precyzyjny miernik może być dokładny do 0,1% pełnej skali.

Zbalansowane siłą czujniki z kwarcową rurką Bourdona działają na tej samej zasadzie, ale wykorzystuje odbicie wiązki światła od lustra, aby wykryć przemieszczenie kątowe, a prąd jest doprowadzany do elektromagnesów, aby zrównoważyć siłę rury i przywrócić przesunięcie kątowe z powrotem do zera, czyli prądu, który jest przykładany do cewki są używane jako pomiar. Ze względu na wyjątkowo stabilne i powtarzalne właściwości mechaniczne i termiczne kwarcu oraz równoważenie sił, które eliminuje prawie cały ruch fizyczny, czujniki te mogą mieć dokładność do około 1 PPM w pełnej skali. Ze względu na wyjątkowo cienkie stopione struktury kwarcowe, które muszą być wykonane ręcznie, czujniki te są zwykle ograniczone do celów naukowych i kalibracyjnych.

Na poniższych ilustracjach przezroczysta powierzchnia pokrywy przedstawionego na zdjęciu kombinowanego manometru i próżniomierza została wyjęty i mechanizm wyjęty z obudowy. Ten konkretny manometr jest połączeniem manometru podciśnienia i ciśnienia używanego do diagnostyki samochodowej:

• Lewa strona czoła, używana do pomiaru podciśnienia w kolektorze, jest wyskalowana w centymetrach słupa rtęci na skali wewnętrznej i calach na skali zewnętrznej.
• prawa część twarzy służy do pomiaru ciśnienia pompy paliwa lub turbodoładowania i jest kalibrowana w ułamkach 1 kgf / cm2 na wewnętrznej skali i funtach na cal kwadratowy na zewnętrznej skali.

Szczegóły mechaniczneEdytuj

Części stacjonarne:

• A: Blok odbiornika. To łączy rurę wlotową ze stałym końcem rurki Bourdona (1) i zabezpiecza płytę podwozia (B). W dwóch otworach znajdują się śruby mocujące obudowę.
• B: Płyta podwozia. Karta twarzy jest do tego dołączona. Zawiera otwory łożyskowe dla osi.
• C: Dodatkowa płyta podwozia. Wspiera zewnętrzne końce osi.
• D: Słupki do łączenia i rozstawiania dwóch płyt podwozia.

Części ruchome:

1. Stacjonarny koniec rurki Bourdona. To komunikuje się z rurą wlotową poprzez blok odbiornika.
2. Ruchomy koniec rurki Bourdona. Ten koniec jest uszczelniony.
3. Przegub i sworzeń obrotowy
4. Połącz sworzeń obrotowy z dźwignią (5) za pomocą sworzni umożliwiających obrót przegubu.
5. Dźwignia, przedłużenie przekładnia sektorowa (7)
6. Sworzeń osi przekładni sektorowej
7. Przekładnia sektorowa
8. Oś iglicy wskaźnika. Ma to koło zębate czołowe, które sprzęga się z kołem zębatym sektorowym (7) i przechodzi przez powierzchnię czołową, aby napędzać iglicę wskaźnika. Ze względu na niewielką odległość między piaście łącznika ramienia dźwigni a sworzniem obrotowym oraz różnicę między efektywnym promieniem koła zębatego sektorowego a zębatką czołową, każdy ruch rurki Bourdona jest znacznie wzmocniony. Niewielki ruch rurki powoduje duży ruch igły wskaźnika.
9. Włosowana sprężyna do wstępnego obciążenia przekładni w celu wyeliminowania luzu przekładni i histerezy

MembranaEdytuj

Drugi typ manometru aneroidowego wykorzystuje ugięcie elastycznej membrany, która oddziela obszary o różnym ciśnieniu. Wielkość ugięcia jest powtarzalna dla znanych ciśnień, więc ciśnienie można określić za pomocą kalibracji. Odkształcenie cienkiej membrany zależy od różnicy ciśnień między jej dwoma powierzchniami. Powierzchnia odniesienia może być otwarta na atmosferę w celu pomiaru ciśnienia manometrycznego, otwarta na drugi port do pomiaru ciśnienia różnicowego lub może być uszczelniona względem próżni lub innego stałego ciśnienia odniesienia w celu pomiaru ciśnienia bezwzględnego. Odkształcenie można zmierzyć technikami mechanicznymi, optycznymi lub pojemnościowymi.Stosowane są membrany ceramiczne i metalowe.

Przydatny zakres: powyżej 10-2 Torr (około 1 Pa)

Do pomiarów bezwzględnych często stosuje się spawane kapsuły ciśnieniowe z membranami po obu stronach.

kształt:

• Płaski
• Falisty
• Spłaszczona rurka
• Kapsuła

BellowsEdit

W manometrach przeznaczonych do wykrywania niewielkich ciśnień lub różnic ciśnień lub wymagających pomiaru ciśnienia bezwzględnego, przekładnia zębata i iglica mogą być napędzane przez zamkniętą i uszczelnioną komorę mieszkową, zwaną aneroidem, co oznacza „bez ciekły”. (Wczesne barometry wykorzystywały kolumnę cieczy, taką jak woda lub ciekły metal rtęci zawieszony w próżni). Ta konfiguracja miecha jest używana w barometrach aneroidowych (barometrach z igłą wskazującą i tarczą zegarową), wysokościomierzach, barografach rejestrujących wysokość i wysokości przyrządy telemetryczne stosowane w radiosondach meteorologicznych. Urządzenia te wykorzystują szczelną komorę jako ciśnienie odniesienia i są napędzane przez ciśnienie zewnętrzne. Inne czułe przyrządy lotnicze, takie jak wskaźniki prędkości powietrza i wskaźniki prędkości wznoszenia (wariometry), mają połączenia zarówno z wewnętrzną częścią komory aneroidowej, jak iz zewnętrzną komorą otaczającą.

Sprzęgło magnetyczneEdit

Te manometry wykorzystują przyciąganie dwóch magnesów do przekształcania różnicy ciśnień na ruch wskazówki zegarowej. Wraz ze wzrostem ciśnienia różnicowego porusza się magnes przymocowany do tłoka lub gumowej membrany. Obrotowy magnes przymocowany do wskaźnika porusza się wówczas zgodnie. Aby utworzyć różne zakresy ciśnień, można zwiększyć lub zmniejszyć sztywność sprężyny.

Wskaźnik wirującego wirnikaEdytuj

Wskaźnik wirującego wirnika działa poprzez pomiar stopnia spowolnienia obracającej się kuli przez lepkość mierzonego gazu. Kula jest wykonana ze stali i jest magnetycznie lewitowana wewnątrz stalowej rury zamkniętej z jednej strony i wystawiona na działanie mierzonego gazu z drugiej strony. Kulka jest rozpędzana do prędkości (ok. 2500 rad / s) i prędkości mierzonej po wyłączeniu napędu za pomocą przetworników elektromagnetycznych. Zakres przyrządu wynosi od 10-5 do 102 Pa (103 Pa z mniejszą dokładnością). Jest wystarczająco dokładny i stabilny, aby można go było stosować jako wzorzec drugorzędny. Prawidłowe użycie instrumentu wymaga pewnych umiejętności i wiedzy. Muszą być zastosowane różne poprawki, a kulka musi być wirowana pod ciśnieniem znacznie niższym od zamierzonego ciśnienia pomiarowego przez pięć godzin przed użyciem. Jest najbardziej przydatny w laboratoriach kalibracyjnych i badawczych, gdzie wymagana jest wysoka dokładność i dostępni są wykwalifikowani technicy.