Tryckmätning

Många instrument har uppfunnits för att mäta tryck, med olika fördelar och nackdelar. Tryckområde, känslighet, dynamiskt svar och kostnad varierar med flera storleksordningar från en instrumentkonstruktion till en annan. Den äldsta typen är vätskekolonnen (ett vertikalt rör fyllt med kvicksilver) manometer som uppfanns av Evangelista Torricelli 1643. U-röret uppfanns av Christiaan Huygens 1661.

HydrostaticEdit

Hydrostatiska mätare (såsom kvicksilverkolonnmanometern) jämför tryck med den hydrostatiska kraften per ytenhet vid basen av en vätskekolonn. Mätningar av hydrostatiska mätare är oberoende av typen av gas som mäts och kan utformas för att ha en mycket linjär kalibrering. De har dåligt dynamiskt svar.

PistonEdit

Kolvtypmätare motverkar vätskans tryck med en fjäder (till exempel däcktrycksmätare med relativt låg noggrannhet) eller en solid vikt , i vilket fall det är känt som en dödviktstestare och kan användas för kalibrering av andra mätare.

Vätskekolonn (manometer) Redigera

Vätskekolonnmätare består av en kolonn med vätska i ett rör vars ändar utsätts för olika tryck. Kolonnen kommer att stiga eller falla tills dess vikt (en kraft som appliceras på grund av tyngdkraften) är i jämvikt med tryckskillnaden mellan de två ändarna av röret (en kraft som appliceras på grund av vätsketrycket). En mycket enkel version är ett U-format rör halvfullt av vätska, vars ena sida är ansluten till det intressanta området medan referenstrycket (som kan vara atmosfärstrycket eller ett vakuum) appliceras på det andra. Skillnaden i vätskenivåer representerar det applicerade trycket. Trycket som utövas av en vätskekolonn med höjd h och densitet ρ ges av den hydrostatiska tryckekvationen, P = hgρ. Därför kan tryckskillnaden mellan det applicerade trycket Pa och referenstrycket P0 i en U-rörmanometer hittas genom att lösa Pa – P0 = hgρ. Med andra ord måste trycket i endera änden av vätskan (visas i blått i figuren) balanseras (eftersom vätskan är statisk), och så Pa = P0 + hgρ.

I de flesta vätskor- kolumnmätningar är resultatet av mätningen höjden h, uttryckt typiskt i mm, cm eller tum. H är också känt som tryckhuvudet. När det uttrycks som ett tryckhuvud specificeras trycket i längdenheter och mätvätskan måste specificeras. När noggrannhet är kritisk måste temperaturen på mätvätskan också anges, eftersom vätskedensiteten är en funktion av temperaturen. Så, till exempel, kan tryckhuvudet skrivas ”742,2 mmHg” eller ”4,2 inH2O vid 59 ° F” för mätningar med kvicksilver eller vatten som manometrisk vätska. Ordet ”mätare” eller ”vakuum” kan läggas till en sådan mätning för att skilja mellan ett tryck över eller under atmosfärstrycket. Både mm kvicksilver och tum vatten är vanliga tryckhuvuden, som kan omvandlas till SI-enheter med tryck med enhetsomvandling och ovanstående formler.

Om vätskan som mäts är signifikant tät kan hydrostatiska korrigeringar ha som ska göras för höjden mellan den rörliga ytan på manometerens arbetsfluid och den plats där tryckmätningen är önskvärd, förutom vid mätning av differenstryck för en vätska (till exempel över en öppningsplatta eller venturi), i vilket fall densiteten ρ bör korrigeras genom att subtrahera densiteten hos den vätska som mäts.

Även om vilken vätska som helst kan användas, föredras kvicksilver för sin höga densitet (13,534 g / cm3) och lågt ångtryck. Den konvexa menisken är fördelaktig eftersom detta innebär att det inte kommer att finnas några tryckfel från att fukta glaset, men under exceptionellt rena förhållanden kommer kvicksilver att hålla fast vid glas och barometern kan fastna (kvicksilver kan upprätthålla ett negativt absolut tryck) även under en starkt vakuum. För lågtrycksskillnader används vanligtvis lätt olja eller vatten (det senare ger upphov till måttenheter såsom tum vattenmätare och millimeter H2O). Tryckmätare för vätskekolonn har en mycket linjär kalibrering. De har dåligt dynamiskt svar eftersom vätskan i kolonnen kan reagera långsamt på en tryckförändring.

Vid mätning av vakuum kan arbetsvätskan avdunsta och förorena vakuumet om dess ångtryck är för högt. Vid mätning av vätsketryck kan en slinga fylld med gas eller en lätt vätska isolera vätskorna för att förhindra att de blandas, men detta kan vara onödigt, till exempel när kvicksilver används som manometervätska för att mäta differenstrycket hos en vätska såsom vatten. Enkel hydrostatisk mätare kan mäta tryck som sträcker sig från några torr (några 100 Pa) till några atmosfärer (cirka 1000000 Pa).

En vätskekolonnmanometer med en lemmar har en större behållare istället för ena sidan av U-röret och har en skala bredvid den smalare kolonnen. Kolonnen kan lutas för att ytterligare förstärka vätskerörelsen. Baserat på användning och struktur används följande typer av manometrar

1. Enkel manometer
2. Micromanometer
3. Differentialmanometer
4. Inverterad differentialmanometer

McLeod gaugeEdit

En McLeod-mätare isolerar ett gasprov och komprimerar det i en modifierad kvicksilvermanometer tills trycket är några millimeter kvicksilver. Tekniken är mycket långsam och olämplig för kontinuerlig övervakning, men har god noggrannhet. Till skillnad från andra manometermätare beror mätvärdet på McLeod på gasens sammansättning, eftersom tolkningen bygger på att provet komprimeras som en idealisk gas. På grund av kompressionsprocessen ignorerar McLeod-mätaren helt partiella tryck från icke-idealiska ångor som kondenserar, såsom pumpoljor, kvicksilver och till och med vatten om det är tillräckligt komprimerat.

Användbart intervall: från cirka 10−4 Torr (ungefär 10−2 Pa) till dammsugare så högt som 10−6 Torr (0,1 mPa), är

0,1 mPa det lägsta direkta tryckmätningen som är möjligt med nuvarande teknik. Andra vakuummätare kan mäta lägre tryck, men bara indirekt genom mätning av andra tryckberoende egenskaper. Dessa indirekta mätningar måste kalibreras till SI-enheter genom en direkt mätning, oftast en McLeod-mätare.

AneroidEdit

Aneroidmätare är baserade på ett metalliskt tryckavkännande element som böjs elastiskt under effekten av en tryckskillnad över elementet. ”Aneroid” betyder ”utan vätska”, och termen skilde ursprungligen dessa mätare från de hydrostatiska mätarna som beskrivits ovan. Aneroidmätare kan dock användas för att mäta såväl vätskans som gasens tryck, och de är inte den enda typen av mätare som kan fungera utan vätska. Av den anledningen kallas de ofta för moderna språk för mekaniska mätare. Aneroidmätare är inte beroende av vilken typ av gas som mäts, till skillnad från värme- och joniseringsmätare, och är mindre benägna att förorena systemet än hydrostatiska mätare. Tryckavkänningselementet kan vara ett Bourdon-rör, ett membran, en kapsel eller en uppsättning bälgar, som kommer att ändra form som svar på trycket i det aktuella området. Avböjningen av det tryckavkännande elementet kan läsas av en koppling ansluten till en nål, eller så kan den läsas av en sekundär givare. De vanligaste sekundära omvandlarna i moderna vakuummätare mäter en förändring i kapacitans på grund av den mekaniska avböjningen. Mätare som förlitar sig på en förändring av kapacitansen kallas ofta kapacitansmanometrar.

Bourdon gaugeEdit

Bourdon-tryckmätaren använder principen att ett tillplattat rör tenderar att räta ut eller återfå sin cirkulära form i tvärsnitt vid tryck. Denna tvärsnittsförändring kan knappast märkas och involverar måttliga spänningar inom det elastiska området för lätt bearbetbara material. Töjningen av rörets material förstoras genom att forma röret till en C-form eller till och med en spiral, så att hela röret tenderar att räta ut eller spole upp elastiskt när det trycksätts. Eugène Bourdon patenterade sin mätare i Frankrike 1849, och den antogs allmänt på grund av dess överlägsna känslighet, linjäritet och noggrannhet. Edward Ashcroft köpte Bourdons amerikanska patenträttigheter 1852 och blev en stor tillverkare av mätare. 1849 patenterade Bernard Schaeffer i Magdeburg, Tyskland en framgångsrik membran (se nedan) tryckmätare, som tillsammans med Bourdonmätaren revolutionerade trycket mätning i industrin. Men efter att Bourdons patent löpte ut 1875 tillverkade hans företag Schaeffer och Budenberg också Bourdon-rörmätare.

I praktiken en platt, tunn vägg, sluten ände röret är anslutet vid den ihåliga änden till ett fixerat rör som innehåller vätsketrycket som ska mätas. När trycket ökar rör sig den slutna änden i en båge, och denna rörelse omvandlas till rotation av ett (segment av a) kugghjul med en anslutningslänk som vanligtvis är justerbar. Ett kugghjul med liten diameter finns på pekaxeln, så rörelsen förstoras ytterligare av utväxlingen. Placeringen av indikatorkortet bakom pekaren, den initiala pekarens axelposition, länklängden och utgångsläget ger alla medel för att kalibrera pekaren för att indikera det önskade tryckområdet för variationer i uppförandet av själva Bourdon-röret.Differenstryck kan mätas med mätare som innehåller två olika Bourdon-rör, med anslutande länkar.

Bourdon-rör mäter måttryck, relativt omgivande atmosfärstryck, i motsats till absolut tryck; vakuum känns som en omvänd rörelse. Vissa aneroidbarometrar använder Bourdon-rör stängda i båda ändar (men de flesta använder membran eller kapslar, se nedan). När det uppmätta trycket snabbt pulserar, såsom när mätaren är nära en fram- och återgående pump, används ofta en öppningsbegränsning i anslutningsröret för att undvika onödigt slitage på kugghjulen och ge en genomsnittlig avläsning; när hela mätaren utsätts för mekanisk vibration kan hela fodralet inklusive pekaren och indikatorkortet fyllas med en olja eller glycerol. Att knacka på mätarens sida rekommenderas inte eftersom det tenderar att förfalska faktiska avläsningar som ursprungligen presenterades av mätaren. Bourdon-röret är skilt från mätarens yta och påverkar således inte den faktiska avläsningen av trycket. Typiska moderna mätare av hög kvalitet ger en noggrannhet på ± 2% av spännvidden, och en speciell högprecisionsmätare kan vara så exakt som 0,1% av full skala.

Kraftbalanserad smält kvarts bourdon-rörsensorer fungerar på samma princip men använder reflektionen av en ljusstråle från en spegel för att känna av vinkelförskjutningen och strömmen appliceras på elektromagneter för att balansera rörets kraft och föra tillbaka vinkelförskjutningen till noll, den ström som appliceras på spolar används som mätning. På grund av de extremt stabila och repeterbara mekaniska och termiska egenskaperna hos kvarts och kraftbalansen som eliminerar nästan all fysisk rörelse kan dessa sensorer vara exakta till cirka 1 PPM i full skala. På grund av de extremt fina smälta kvartsstrukturerna som måste göras för hand är dessa sensorer i allmänhet begränsade till vetenskapliga och kalibreringsändamål. avlägsnas och mekanismen tas bort från fodralet. Denna specifika mätare är en kombinationsvakuum- och tryckmätare som används för fordonsdiagnos:

• Den vänstra sidan av ansiktet, som används för att mäta samlingsrörets vakuum, är kalibrerad i centimeter kvicksilver på sin inre skala och tum kvicksilver på dess yttre skala.
• höger del av ansiktet används för att mäta bränslepumpens tryck eller turbo boost och kalibreras i fraktioner på 1 kgf / cm2 på sin inre skala och pounds per kvadrattum på sin yttre skala.

Mekaniska detaljer Redigera

Stationära delar:

• A: Mottagarblock. Detta förenar inloppsröret till den fasta änden av Bourdon-röret (1) och håller fast chassiplattan (B). De två hålen får skruvar som håller höljet fast.
• B: Chassiplatta. Ansiktskortet är fäst vid detta. Den innehåller lagerhål för axlarna.
• C: Sekundär chassiplatta. Den stöder axlarnas yttre ändar.
• D: Stolpar för att fästa och placera de två chassiplattorna.

Rörliga delar:

1. Stationär ände på Bourdon-röret. Detta kommunicerar med inloppsröret genom mottagarblocket.
2. Rörande ände på Bourdon-röret. Denna ände är förseglad.
3. Pivot och pivot pin
4. Länk som förenar pivotstiftet till spaken (5) med stift för att möjliggöra fogrotation
5. Spak, en förlängning av sektorväxeln (7)
6. Sektorväxelaxelstift
7. Sektorväxel
8. Indikatornålaxel. Detta har ett spårväxel som ingriper med sektorväxeln (7) och sträcker sig genom ansiktet för att driva indikatornålen. På grund av det korta avståndet mellan hävarmslänkskaftet och vridstiftet och skillnaden mellan den effektiva radien hos sektorväxeln och spindelväxeln förstärks Bourdon-rörets rörelse kraftigt. En liten rörelse av röret resulterar i en stor rörelse av indikatornålen.
9. Hårfjäder för att förbelasta kugghjulet för att eliminera kugghjulet och hysteres

Membranredigering

En andra typ av aneroidmätare använder avböjning av ett flexibelt membran som skiljer områden med olika tryck. Mängden avböjning är repeterbar för kända tryck så att trycket kan bestämmas med hjälp av kalibrering. Deformationen av ett tunt membran beror på skillnaden i tryck mellan dess två ytor. Referensytan kan vara öppen mot atmosfär för att mäta måttryck, öppna för en andra port för att mäta differenstryck eller kan tätas mot ett vakuum eller annat fast referenstryck för att mäta absolut tryck. Deformationen kan mätas med hjälp av mekaniska, optiska eller kapacitiva tekniker.Keramiska och metalliska membran används.

Användbart intervall: över 10−2 Torr (ungefär 1 Pa)

För absoluta mätningar används ofta svetsade tryckkapslar med membran på vardera sidan.

form:

• Platt
• Korrugerad
• Platta rör
• Kapsel

BellowsEdit

I mätare som är avsedda att känna av små tryck eller tryckskillnader, eller kräver att ett absolut tryck mäts, kan kugghjulet och nålen drivas av en sluten och förseglad bälgkammare, kallad en aneroid, vilket betyder ”utan flytande”. (Tidiga barometrar använde en vätskekolonn såsom vatten eller flytande metallkvicksilver upphängt av ett vakuum.) Denna bälgkonfiguration används i aneroidbarometrar (barometrar med en indikering av nål och uppringningskort), höjdmätare, höjdregistreringsbarografer och höjd. telemetriinstrument som används i väderballongradiosondes. Dessa anordningar använder den förseglade kammaren som referenstryck och drivs av det yttre trycket. Andra känsliga flyginstrument såsom lufthastighetsindikatorer och hastighet på stigningsindikatorer (variometrar) har anslutningar både till den inre delen av aneroidkammaren och till en extern inneslutande kammare.

MagnetkopplingRedigera

Dessa mätare använder dragningen av två magneter för att översätta differenstryck till rörelse för en rattpekare. När differenstrycket ökar rör sig en magnet fäst vid antingen en kolv eller gummimembran. En roterande magnet som är fäst vid en pekare rör sig sedan tillsammans. För att skapa olika tryckintervall kan fjäderhastigheten ökas eller minskas.

Spinning-rotor gaugeEdit

Spinning-rotor gauge fungerar genom att mäta mängden som en roterande boll saktas av av gasens viskositet. Kulan är gjord av stål och magnetiseras magnetiskt inuti ett stålrör som är stängt i ena änden och utsatt för gasen som ska mätas i den andra. Kulan bringas upp till hastighet (cirka 2500 rad / s) och den hastighet som mäts efter att enheten har stängts av av elektromagnetiska givare. Instrumentets räckvidd är 10−5 till 102 Pa (103 Pa med mindre noggrannhet). Det är noggrant och stabilt för att kunna användas som en sekundär standard. Instrumentet kräver viss skicklighet och kunskap för att kunna använda rätt. Olika korrigeringar måste tillämpas och kulan måste snurras vid ett tryck långt under det avsedda mättrycket i fem timmar innan den används. Det är mest användbart i kalibrerings- och forskningslaboratorier där hög noggrannhet krävs och kvalificerade tekniker är tillgängliga.