Măsurarea presiunii

Multe instrumente au fost inventate pentru a măsura presiunea, cu diferite avantaje și dezavantaje. Intervalul de presiune, sensibilitatea, răspunsul dinamic și costul variază în funcție de mai multe ordine de mărime de la un instrument la altul. Cel mai vechi tip este manometrul coloanei de lichid (un tub vertical umplut cu mercur) inventat de Evangelista Torricelli în 1643. U-Tube a fost inventat de Christiaan Huygens în 1661.

HydrostaticEdit

Indicatoarele hidrostatice (cum ar fi manometrul coloanei cu mercur) compară presiunea cu forța hidrostatică pe unitate de suprafață la baza unei coloane de fluid. Măsurătorile hidrostatice sunt independente de tipul de gaz măsurat și pot fi proiectate pentru a avea o calibrare foarte liniară. Au un răspuns dinamic slab.

PistonEdit

Manometrele de tip piston contrabalansează presiunea unui fluid cu un arc (de exemplu manometrele pneurilor cu o precizie relativ scăzută) sau o greutate solidă , caz în care este cunoscut sub numele de tester de greutate și poate fi utilizat pentru calibrarea altor ecartamente.

Coloana lichidului (manometru) Editați

Calibrele coloanei lichide constau dintr-o coloană de lichid într-un tub ale cărui capete sunt expuse la presiuni diferite. Coloana va crește sau scădea până când greutatea sa (o forță aplicată datorită gravitației) este în echilibru cu diferențiala de presiune dintre cele două capete ale tubului (o forță aplicată datorită presiunii fluidului). O versiune foarte simplă este un tub în formă de U pe jumătate plin de lichid, a cărui parte este conectată la regiunea de interes în timp ce presiunea de referință (care ar putea fi presiunea atmosferică sau un vid) este aplicată celeilalte. Diferența dintre nivelurile lichidului reprezintă presiunea aplicată. Presiunea exercitată de o coloană de fluid de înălțime h și densitate ρ este dată de ecuația presiunii hidrostatice, P = hgρ. Prin urmare, diferența de presiune între presiunea aplicată Pa și presiunea de referință P0 într-un manometru cu tub U poate fi găsită prin rezolvarea Pa – P0 = hgρ. Cu alte cuvinte, presiunea pe ambele capete ale lichidului (arătată în albastru în figură) trebuie să fie echilibrată (deoarece lichidul este static) și deci Pa = P0 + hgρ.

În majoritatea lichidului măsurători pe coloană, rezultatul măsurării este înălțimea h, exprimată de obicei în mm, cm sau inci. H este, de asemenea, cunoscut sub numele de cap de presiune. Când este exprimată ca un cap de presiune, presiunea este specificată în unități de lungime și trebuie specificat fluidul de măsurare. Când precizia este critică, temperatura fluidului de măsurare trebuie specificată, de asemenea, deoarece densitatea lichidului este o funcție a temperaturii. De exemplu, capul de presiune ar putea fi scris „742,2 mmHg” sau „4,2 inH2O la 59 ° F” pentru măsurătorile luate cu mercur sau apă ca fluid manometric respectiv. Cuvântul „manometru” sau „vid” poate fi adăugat la o astfel de măsurare pentru a distinge între o presiune peste sau sub presiunea atmosferică. Atât mm de mercur, cât și centimetri de apă sunt capete de presiune obișnuite, care pot fi convertite în unități de presiune SI folosind conversia unității și formulele de mai sus.

Dacă fluidul măsurat este semnificativ dens, corecțiile hidrostatice pot avea care trebuie realizat pentru înălțimea dintre suprafața mobilă a fluidului de lucru al manometrului și locul în care se dorește măsurarea presiunii, cu excepția cazului în care se măsoară presiunea diferențială a unui fluid (de exemplu, pe o placă de orificiu sau venturi), caz în care densitatea ρ ar trebui corectat prin scăderea densității fluidului măsurat.

Deși poate fi utilizat orice fluid, mercurul este preferat pentru densitatea sa ridicată (13.534 g / cm3) și presiunea scăzută a vaporilor. Meniscul său convex este avantajos, deoarece acest lucru înseamnă că nu vor exista erori de presiune la umezirea sticlei, deși în condiții excepțional de curate, mercurul se va lipi de sticlă și barometrul se poate bloca (mercurul poate susține o presiune absolută negativă) chiar și sub o vid puternic. Pentru diferențele de presiune scăzute, uleiul ușor sau apa sunt utilizate în mod obișnuit (acestea din urmă dând naștere la unități de măsură, cum ar fi indicatorul de apă în inci și milimetri H2O). Manometrele cu coloană de lichid au o calibrare foarte liniară. Au un răspuns dinamic slab, deoarece fluidul din coloană poate reacționa încet la o schimbare de presiune.

La măsurarea vidului, lichidul de lucru se poate evapora și contamina vidul dacă presiunea sa de vapori este prea mare. Când se măsoară presiunea lichidului, o buclă umplută cu gaz sau un fluid ușor poate izola lichidele pentru a preveni amestecarea acestora, dar acest lucru poate fi inutil, de exemplu, atunci când mercurul este utilizat ca fluid manometru pentru a măsura presiunea diferențială a unui fluid, cum ar fi apă. Indicatoarele hidrostatice simple pot măsura presiuni variind de la câțiva torr (câțiva 100 Pa) la câteva atmosfere (aproximativ 1000000 Pa).

Un manometru cu coloană lichidă cu un singur membru are un rezervor mai mare în loc de o parte a tubului U și are o scală lângă coloana mai îngustă. Coloana poate fi înclinată pentru a amplifica în continuare mișcarea lichidului. Pe baza utilizării și structurii, sunt utilizate următoarele tipuri de manometre

1. Manometru simplu
2. Micromanometru
3. Manometru diferențial
4. Inversat manometru diferențial

McLeod gaugeEdit

Un manometru McLeod izolează un eșantion de gaz și îl comprimă într-un manometru de mercur modificat până când presiunea este de câțiva milimetri de mercur. Tehnica este foarte lentă și nepotrivită pentru monitorizarea continuă, dar este capabilă de o precizie bună. Spre deosebire de alte manometre, citirea manometrului McLeod depinde de compoziția gazului, deoarece interpretarea se bazează pe comprimarea probei ca gaz ideal. Datorită procesului de compresie, manometrul McLeod ignoră complet presiunile parțiale ale vaporilor ne-ideali care se condensează, cum ar fi uleiurile pompei, mercurul și chiar apa dacă este suficient de comprimat.

Interval util: de la aproximativ 10-4 Torr (aproximativ 10−2 Pa) la aspiratoare de până la 10−6 Torr (0,1 mPa),

0,1 mPa este cea mai mică măsurare directă a presiunii posibilă cu tehnologia actuală. Alte manometre de vid pot măsura presiuni mai mici, dar numai indirect prin măsurarea altor proprietăți dependente de presiune. Aceste măsurători indirecte trebuie calibrate pe unități SI printr-o măsurare directă, cel mai frecvent un ecartament McLeod.

AneroidEdit

Indicatoarele aneroide se bazează pe un element metalic de detectare a presiunii care se flexează elastic sub efectul unei diferențe de presiune între element. „Aneroid” înseamnă „fără fluid”, iar termenul distinge inițial aceste ecartamente de ecartamentele hidrostatice descrise mai sus. Cu toate acestea, manometrele aneroide pot fi utilizate pentru a măsura presiunea unui lichid, precum și a unui gaz, și nu sunt singurul tip de manometru care poate funcționa fără fluid. Din acest motiv, ele sunt adesea numite ecartamente mecanice în limbajul modern. Indicatoarele aneroide nu depind de tipul de gaz măsurat, spre deosebire de aparatele termice și de ionizare, și sunt mai puțin susceptibile de a contamina sistemul decât aparatele hidrostatice. Elementul de detectare a presiunii poate fi un tub Bourdon, o diafragmă, o capsulă sau un set de burduf, care își vor schimba forma ca răspuns la presiunea regiunii în cauză. Devierea elementului de detectare a presiunii poate fi citită printr-o legătură conectată la un ac sau poate fi citită de un traductor secundar. Cele mai comune traductoare secundare din manometrele de vid moderne măsoară o schimbare a capacității datorită deviației mecanice. Indicatoarele care se bazează pe o schimbare a capacității sunt adesea denumite manometre de capacitate.

Bourdon gaugeEdit

Manometrul Bourdon folosește principiul conform căruia un tub turtit tinde să se îndrepte sau să-și recapete forma circulară în secțiune transversală atunci când este presurizat. Această modificare a secțiunii transversale poate fi greu de observat, implicând tensiuni moderate în gama elastică a materialelor ușor de lucrat. Tensiunea materialului tubului este mărită prin formarea tubului într-o formă de C sau chiar în spirală, astfel încât întregul tub tinde să se îndrepte sau să se înfășoare elastic pe măsură ce este presurizat. Eugène Bourdon și-a brevetat gabaritul în Franța în 1849 și a fost adoptat pe scară largă datorită sensibilității, liniarității și preciziei sale superioare; Edward Ashcroft a cumpărat drepturile de brevet americane ale lui Bourdon în 1852 și a devenit un important producător de aparate. Tot în 1849, Bernard Schaeffer din Magdeburg, Germania a brevetat un manometru cu diafragmă (a se vedea mai jos), care, împreună cu manometrul Bourdon, a revoluționat presiunea. măsurătoare în industrie. Dar în 1875, după expirarea brevetelor lui Bourdon, compania sa Schaeffer și Budenberg au fabricat, de asemenea, manometre pentru tuburi Bourdon.

În practică, un perete subțire aplatizat, cu capăt închis tubul este conectat la capătul gol la o țeavă fixă care conține presiunea fluidului de măsurat. Pe măsură ce presiunea crește, capătul închis se mișcă într-un arc, iar această mișcare este transformată în rotația unui angrenaj (segment de a) printr-o legătură de legătură care este de obicei reglabilă. Un pinion cu diametru mic se află pe arborele indicatorului, astfel încât mișcarea este mărită în continuare de raportul de transmisie. Poziționarea cardului indicator în spatele indicatorului, poziția inițială a arborelui indicatorului, lungimea legăturii și poziția inițială, toate oferă mijloace pentru calibrarea indicatorului pentru a indica intervalul de presiune dorit pentru variații în comportamentul tubului Bourdon în sine.Presiunea diferențială poate fi măsurată prin manometre care conțin două tuburi Bourdon diferite, cu legături de legătură.

Tuburile Bourdon măsoară presiunea manometrului, relativ la presiunea atmosferică ambientală, spre deosebire de presiunea absolută; vidul este simțit ca o mișcare inversă. Unele barometre aneroide utilizează tuburi Bourdon închise la ambele capete (dar majoritatea folosesc diafragme sau capsule, vezi mai jos). Când presiunea măsurată pulsează rapid, cum ar fi atunci când manometrul se află lângă o pompă alternativă, o restricție a orificiului în conducta de conectare este frecvent utilizată pentru a evita uzura inutilă a angrenajelor și pentru a oferi o citire medie; atunci când întregul ecartament este supus vibrațiilor mecanice, întreaga carcasă, inclusiv indicatorul și cardul indicator, poate fi umplută cu un ulei sau glicerină. Atingerea pe fața indicatorului nu este recomandată, deoarece va tinde să falsifice citirile efective prezentate inițial de indicator. Tubul Bourdon este separat de fața manometrului și, prin urmare, nu are niciun efect asupra citirii reale a presiunii. Calibre moderne tipice de înaltă calitate oferă o precizie de ± 2% din întindere, iar un ecartament special de înaltă precizie poate fi la fel de precis ca 0,1% din întreaga gamă.

Senzorii cu tub de bourdon cuarț condensat cu forță echilibrată funcționează pe același principiu, dar folosește reflexia unui fascicul de lumină de la o oglindă pentru a detecta deplasarea unghiulară și curentul este aplicat la electro magneți pentru a echilibra forța tubului și a aduce deplasarea unghiulară la zero, curentul care este aplicat la bobine este folosit ca măsurare. Datorită proprietăților mecanice și termice extrem de stabile și repetabile ale cuarțului și a echilibrării forței care elimină aproape toată mișcarea fizică, acești senzori pot fi exacți la aproximativ 1 PPM la scară completă. Datorită structurilor de cuarț topite extrem de fine care trebuie realizate manual, acești senzori sunt, în general, limitați la scopuri științifice și de calibrare.

În următoarele ilustrații, fața de acoperire transparentă a combinației de imagine și a manometrului de vid a fost îndepărtat și mecanismul scos din carcasă. Acest manometru special este un manometru combinat de vid și presiune utilizat pentru diagnosticul auto:

• Partea stângă a feței, utilizată pentru măsurarea vidului colector, este calibrată în centimetri de mercur pe scara sa interioară și în centimetri de mercur pe scara sa exterioară.
• porțiunea dreaptă a feței este utilizată pentru a măsura presiunea pompei de combustibil sau turbo boost și este calibrată în fracțiuni de 1 kgf / cm2 pe scara sa interioară și lire sterline pe inch pătrat pe scara sa exterioară.

Detalii mecaniceEdit

Părți staționare:

• A: bloc receptor. Aceasta unește conducta de admisie cu capătul fix al tubului Bourdon (1) și asigură placa șasiului (B). Cele două găuri primesc șuruburi care fixează carcasa.
• B: placa șasiului. Cartea de față este atașată la aceasta. Conține găuri de rulment pentru axe.
• C: placa secundară a șasiului. Suportă capetele exterioare ale axelor.
• D: Stâlpi pentru unire și spațiere a celor două plăci de șasiu.

Părți în mișcare:

1. Capăt staționar al tubului Bourdon. Aceasta comunică cu conducta de admisie prin blocul receptorului.
2. Capătul în mișcare al tubului Bourdon. Acest capăt este sigilat.
3. Pivot și știft pivot
4. Legați îmbinarea știft pivot la pârghie (5) cu știfturi pentru a permite rotația articulației
5. Pârghie, o extensie a angrenajul sectorial (7)
6. Știftul axului de angrenaj sectorial
7. Angrenajul sectorial
8. Axul indicator al acului. Acesta are o roată dințată care angrenează angrenajul sectorial (7) și se extinde prin față pentru a acționa acul indicator. Datorită distanței scurte dintre știftul legăturii brațului pârghiei și știftului pivot și diferenței dintre raza efectivă a angrenajului sectorial și cea a angrenajului cu piston, orice mișcare a tubului Bourdon este foarte amplificată. O mișcare mică a tubului are ca rezultat o mișcare mare a acului indicator.
9. Arcul de păr pentru a preîncărca trenul angrenaj pentru a elimina genele și histerezisul

Diafragmă Editare

Un al doilea tip de manometru aneroid folosește devierea unei membrane flexibile care separă regiunile de presiune diferită. Cantitatea de deformare este repetabilă pentru presiunile cunoscute, astfel încât presiunea poate fi determinată prin calibrare. Deformarea unei diafragme subțiri este dependentă de diferența de presiune dintre cele două fețe ale acesteia. Fața de referință poate fi deschisă la atmosferă pentru a măsura presiunea manometrului, deschisă la un al doilea orificiu pentru a măsura presiunea diferențială sau poate fi etanșată împotriva unui vid sau a unei alte presiuni de referință fixe pentru a măsura presiunea absolută. Deformarea poate fi măsurată folosind tehnici mecanice, optice sau capacitive.Se utilizează diafragme ceramice și metalice.

Gama utilă: peste 10−2 Torr (aproximativ 1 Pa)

Pentru măsurători absolute, se folosesc adesea capsule de presiune sudate cu diafragme pe ambele părți.

formă:

• Plat
• ondulat
• Tub aplatizat
• Capsulă

BellowsEdit

În manometre destinate să simtă presiuni mici sau diferențe de presiune sau necesită măsurarea unei presiuni absolute, trenul de viteze și acul pot fi acționate de o cameră de burduf închisă și sigilată, numită aneroid, care înseamnă „fără lichid”. (Barometrele timpurii foloseau o coloană de lichid, cum ar fi apa sau mercurul metalic lichid suspendat printr-un vid.) Această configurație a burdufului este utilizată în barometrele aneroide (barometre cu ac indicativ și cartelă de apelare), altimetre, barografe de înregistrare a altitudinii și altitudine instrumente de telemetrie utilizate în radiosondele cu baloane meteo. Aceste dispozitive folosesc camera etanșată ca presiune de referință și sunt acționate de presiunea externă. Alte instrumente sensibile pentru aeronave, cum ar fi indicatorii de viteză a aerului și indicatorii de viteză de urcare (variometre), au conexiuni atât cu partea internă a camerei aneroide, cât și cu o cameră exterioară de închidere.

Cuplaj magneticEdit

Aceste indicatoare folosesc atracția a doi magneți pentru a traduce presiunea diferențială în mișcarea unui indicator de cadran. Pe măsură ce crește presiunea diferențială, se mișcă un magnet atașat fie la un piston, fie la o membrană de cauciuc. Un magnet rotativ care este atașat la un pointer se deplasează apoi la unison. Pentru a crea diferite intervale de presiune, viteza arcului poate fi mărită sau micșorată.

Rotor-rotor gaugeEdit

Rotor-rotor manometru funcționează prin măsurarea cantității o bilă rotativă este încetinită de vâscozitatea gazului măsurat. Mingea este realizată din oțel și este levitată magnetic într-un tub de oțel închis la un capăt și expus gazului care urmează să fie măsurat la celălalt. Mingea este adusă la viteză (aproximativ 2500 rad / s), iar viteza măsurată după oprirea unității, prin traductoare electromagnetice. Gama instrumentului este de 10-5 până la 102 Pa (103 Pa cu o precizie mai mică). Este suficient de precis și stabil pentru a putea fi utilizat ca standard secundar. Instrumentul necesită o anumită abilitate și cunoștințe pentru a fi utilizat corect. Trebuie aplicate diverse corecții și mingea trebuie rotită la o presiune cu mult sub presiunea de măsurare dorită timp de cinci ore înainte de utilizare. Este cel mai util în laboratoare de calibrare și cercetare unde este necesară o precizie ridicată și sunt disponibili tehnicieni calificați.