Измерение давления — это измерение силы , приложенной жидкостью ( жидкостью или газом ) к поверхности. Давление обычно измеряется в единицах силы на единицу площади поверхности . Для измерения давления и вакуума было разработано множество методов . Приборы, используемые для механического измерения и отображения давления, называются манометрами, вакуумметрами или комбинированными манометрами (вакуум и давление). Широко используемый манометр Бурдона представляет собой механическое устройство, которое одновременно измеряет и показывает показания и, вероятно, является самым известным типом манометра.
Вакуумметр используется для измерения давления ниже окружающего атмосферного давления , которое устанавливается в качестве нулевой точки, в отрицательных значениях (например, -1 бар или -760 мм рт. ст. соответствует общему вакууму). Большинство манометров измеряют давление относительно атмосферного давления как нулевую точку, поэтому эту форму измерения называют просто «манометрическим давлением». Однако все, что превышает полный вакуум, технически является формой давления. При очень низких давлениях необходимо использовать манометр, который использует полный вакуум в качестве нулевой точки, давая показания давления как абсолютное давление.
Другие методы измерения давления включают датчики, которые могут передавать показания давления на удаленный индикатор или систему управления ( телеметрию ).
Повседневные измерения давления, например, давления в шинах транспортных средств, обычно проводятся относительно давления окружающего воздуха. В других случаях измерения проводятся относительно вакуума или какого-либо другого конкретного эталона. При различении этих нулевых ссылок используются следующие термины:
Используемая нулевая ссылка обычно подразумевается контекстом, и эти слова добавляются только тогда, когда необходимы пояснения. Давление в шинах и артериальное давление по условию являются манометрическими давлениями, тогда как атмосферное давление , давление глубокого вакуума и давление высотомера должны быть абсолютными.
Для большинства рабочих жидкостей , где жидкость существует в закрытой системе , преобладает измерение избыточного давления. Приборы для измерения давления, подключенные к системе, будут показывать давление относительно текущего атмосферного давления. Ситуация меняется, когда измеряются экстремальные вакуумные давления, тогда вместо них обычно используются абсолютные давления, и используемые измерительные инструменты будут другими.
Перепад давления обычно используется в промышленных технологических системах. Манометры дифференциального давления имеют два входных порта, каждый из которых соединен с одним из объемов, давление которого необходимо контролировать. По сути, такой датчик выполняет математическую операцию вычитания с помощью механических средств, устраняя необходимость для оператора или системы управления наблюдать за двумя отдельными датчиками и определять разницу в показаниях.
Показания умеренного вакуумного давления могут быть неоднозначными без надлежащего контекста, поскольку они могут представлять абсолютное давление или манометрическое давление без отрицательного знака. Таким образом, вакуум в 26 дюймов рт. ст. эквивалентен абсолютному давлению в 4 дюйма рт. ст., рассчитанному как 30 дюймов рт. ст. (типичное атмосферное давление) − 26 дюймов рт. ст. (манометрическое давление).
Атмосферное давление обычно составляет около 100 кПа на уровне моря, но зависит от высоты и погоды. Если абсолютное давление жидкости остается постоянным, манометрическое давление той же жидкости будет меняться при изменении атмосферного давления. Например, когда автомобиль поднимается в гору, (манометрическое) давление в шинах повышается, потому что атмосферное давление падает. Абсолютное давление в шине практически не меняется.
Использование атмосферного давления в качестве эталона обычно обозначается буквой «g» для манометра после единицы измерения давления, например, 70 фунтов на квадратный дюйм, что означает, что измеренное давление представляет собой общее давление минус атмосферное давление . Существует два типа эталонного манометра: вентилируемый манометр (vg) и герметичный манометр (sg).
Например, датчик манометрического давления с вентиляцией позволяет давлению наружного воздуха воздействовать на отрицательную сторону диафрагмы, чувствительной к давлению, через вентилируемый кабель или отверстие на боковой стороне устройства, так что он всегда измеряет давление. относится к атмосферному давлению окружающей среды . Таким образом, датчик эталонного давления с вентилируемым манометром всегда должен показывать нулевое давление, когда соединение технологического давления остается открытым для воздуха.
Эталонный герметичный манометр очень похож, за исключением того, что атмосферное давление герметизировано на отрицательной стороне диафрагмы. Обычно это применяется в диапазонах высоких давлений, например в гидравлике , где изменения атмосферного давления оказывают незначительное влияние на точность показаний, поэтому вентиляция не требуется. Это также позволяет некоторым производителям обеспечивать вторичную герметизацию давления в качестве дополнительной меры предосторожности для безопасности оборудования, работающего под давлением, в случае превышения давления разрыва первичной диафрагмы , чувствительной к давлению.
Существует еще один способ создания герметичного эталонного манометра — создание высокого вакуума на обратной стороне чувствительной диафрагмы. Затем выходной сигнал смещается, поэтому показания датчика давления при измерении атмосферного давления близки к нулю.
Герметичный датчик эталонного давления никогда не будет показывать точно ноль, поскольку атмосферное давление постоянно меняется, и эталонное значение в этом случае фиксируется на уровне 1 бар.
Чтобы создать датчик абсолютного давления , производитель герметизирует высокий вакуум за чувствительной диафрагмой. Если соединение технологического давления датчика абсолютного давления открыто для воздуха, он будет считывать фактическое барометрическое давление .
Герметичный датчик давления аналогичен датчику избыточного давления, за исключением того, что он измеряет давление относительно некоторого фиксированного давления, а не атмосферного давления окружающей среды (которое варьируется в зависимости от местоположения и погоды).
На протяжении большей части человеческой истории давление таких газов, как воздух, игнорировалось, отрицалось или считалось само собой разумеющимся, но уже в VI веке до нашей эры греческий философ Анаксимен Милетский утверждал , что все вещи состоят из воздуха, который просто изменяется при изменении уровни давления. Он мог наблюдать, как вода испаряется, превращаясь в газ, и чувствовал, что это применимо даже к твердой материи. Более конденсированный воздух делал объекты более холодными и тяжелыми, а расширенный воздух делал объекты более легкими и горячими. Это было похоже на то, как газы действительно становятся менее плотными, когда они теплее, и более плотными, когда холоднее.
В 17 веке Евангелиста Торричелли проводил эксперименты с ртутью, которые позволили ему измерить присутствие воздуха. Он погружал стеклянную трубку, закрытую с одного конца, в чашу с ртутью и вынимал из нее закрытый конец, оставляя открытый конец погруженным. Вес ртути потянет его вниз, оставив на дальнем конце частичный вакуум. Это подтвердило его веру в то, что воздух/газ имеет массу, создавая давление на окружающие его объекты. Раньше более популярным выводом, даже у Галилея , было то, что воздух невесом и именно вакуум создает силу, как в сифоне. Это открытие помогло Торричелли прийти к выводу:
Мы живем на дне океана элемента воздуха, который, как известно из бесспорных экспериментов, имеет вес.
Этот тест, известный как эксперимент Торричелли , был, по сути, первым документально подтвержденным манометром.
Блез Паскаль пошел еще дальше, поручив своему зятю провести эксперимент на горе на разных высотах и действительно обнаружив, что чем глубже в океане атмосферы, тем выше давление.
Единицей давления в системе СИ является паскаль (Па), равный одному ньютону на квадратный метр (Н·м -2 или кг·м -1 ·с -2 ). Это специальное название единицы было добавлено в 1971 году; до этого давление в системе СИ выражалось в таких единицах, как Н·м -2 . Если указано, нулевое значение указывается в скобках после единицы измерения, например 101 кПа (абс.). Фунт на квадратный дюйм (psi) до сих пор широко используется в США и Канаде, например, для измерения давления в шинах. К единице измерения фунта на квадратный дюйм часто добавляется буква, обозначающая нулевую точку измерения; psia для абсолютного значения, psia для манометрического давления, psid для дифференциального, хотя NIST не одобряет эту практику . [3]
Поскольку давление когда-то обычно измерялось по его способности вытеснять столб жидкости в манометре, давление часто выражается как глубина конкретной жидкости ( например, дюймы воды). Манометрические измерения являются предметом расчета напора . Наиболее распространенными жидкостями манометра являются ртуть (Hg) и вода; вода нетоксична и легко доступна, а плотность ртути позволяет использовать более короткую колонку (и, следовательно, меньший манометр) для измерения заданного давления. Аббревиатура «WC» или слова «водяной столб» часто печатаются на манометрах и приборах, в которых в качестве манометра используется вода.
Плотность жидкости и местная гравитация могут варьироваться от одного показания к другому в зависимости от местных факторов, поэтому высота столба жидкости не определяет давление точно. Таким образом, измерения в миллиметрах ртутного столба или дюймах ртутного столба можно преобразовать в единицы СИ, если уделять внимание местным факторам плотности жидкости и силы тяжести . Колебания температуры меняют значение плотности жидкости, а местоположение может влиять на гравитацию.
Хотя эти манометрические единицы больше не являются предпочтительными, они все еще встречаются во многих областях. Артериальное давление измеряется в миллиметрах ртутного столба (см. Торр ) в большинстве стран мира, центральное венозное давление и давление в легких в сантиметрах водного столба все еще распространены, как и в установках для аппаратов CPAP. Давление в трубопроводе природного газа измеряется в дюймах водяного столба и выражается в дюймах водяного столба.
Водолазы-подводники используют манометрические единицы: давление окружающей среды измеряется в метрах морской воды (мсв), которое определяется как равное одной десятой бара. [4] [5] Единицей измерения, используемой в США, является фут морской воды (fsw), основанный на стандартной гравитации и плотности морской воды 64 фунта/фут 3 . Согласно Руководству по дайвингу ВМС США, один fsw равен 0,30643 msw,0,030 643 бар или0,444 44 фунтов на квадратный дюйм , [4] [5] , хотя в других местах указано, что 33 fsw14,7 фунтов на квадратный дюйм (одна атмосфера), что дает одно fsw, равное примерно 0,445 фунтов на квадратный дюйм. [6] Msw и fsw — общепринятые единицы измерения воздействия давления на дайвера, используемые в таблицах декомпрессии и единицы калибровки пневмофатометров и манометров в гипербарической камере . [7] Оба значения msw и fsw измеряются относительно нормального атмосферного давления.
В вакуумных системах чаще всего используются единицы торр (миллиметр ртутного столба), микрон (микрометр ртутного столба) [8] и дюйм ртутного столба (дюйм ртутного столба ). Торр и микрон обычно обозначают абсолютное давление, а дюймы ртутного столба обычно обозначают манометрическое давление.
Атмосферное давление обычно указывается в гектопаскалях (гПа), килопаскалях (кПа), миллибарах (мбар) или атмосферах ( атм ). В американской и канадской технике напряжение часто измеряется в кипах . Стресс не является истинным давлением, поскольку он не является скалярным . В системе СГС единицей давления был бар (ба), равный 1 дин·см -2 . В системе МТС единицей давления был пьеза , равная 1 стену на квадратный метр.
Используются многие другие гибридные единицы, такие как мм рт. ст./см 2 или грамм-сила/см 2 (иногда кг/см 2 без правильного определения единиц силы). Использование названий килограмм, грамм, килограмм-сила или грамм-сила (или их символов) в качестве единицы силы запрещено в СИ; единицей силы в системе СИ является ньютон (Н).
Статическое давление одинаково во всех направлениях, поэтому измерения давления не зависят от направления в неподвижной (статической) жидкости. Однако поток оказывает дополнительное давление на поверхности, перпендикулярные направлению потока, при этом оказывая незначительное воздействие на поверхности, параллельные направлению потока. Эту направленную составляющую давления в движущейся (динамической) жидкости называют динамическим давлением . Прибор, обращенный по направлению потока, измеряет сумму статического и динамического давления; это измерение называется полным давлением или давлением торможения . Поскольку динамическое давление относится к статическому давлению, оно не является ни манометрическим, ни абсолютным; это перепад давления.
В то время как статическое манометрическое давление имеет первостепенное значение для определения чистых нагрузок на стенки труб, динамическое давление используется для измерения расхода и скорости воздуха. Динамическое давление можно измерить, измеряя перепад давления между приборами, параллельными и перпендикулярными потоку. Например, статические трубки Пито выполняют это измерение на самолетах для определения скорости полета. Наличие измерительного прибора неизбежно приводит к отклонению потока и созданию турбулентности, поэтому его форма имеет решающее значение для точности, а калибровочные кривые часто бывают нелинейными.
Датчик давления — это устройство для измерения давления газов или жидкостей . Датчики давления альтернативно могут называться датчиками давления , датчиками давления , датчиками давления , индикаторами давления , пьезометрами и манометрами , а также другими названиями.
Давление — это выражение силы, необходимой для предотвращения расширения жидкости, и обычно выражается в единицах силы на единицу площади. Датчик давления обычно действует как преобразователь ; он генерирует сигнал в зависимости от приложенного давления.
Датчики давления могут существенно различаться по технологии, конструкции, характеристикам, пригодности для применения и стоимости. По самым скромным оценкам, во всем мире существует более 50 технологий и не менее 300 компаний, производящих датчики давления. Существует также категория датчиков давления, которые предназначены для измерения в динамическом режиме для регистрации очень быстрых изменений давления. Примером применения датчика этого типа может быть измерение давления сгорания в цилиндре двигателя или газовой турбине. Эти датчики обычно изготавливаются из пьезоэлектрических материалов, таких как кварц.
Некоторые датчики давления представляют собой реле давления , которые включаются или выключаются при определенном давлении. Например, водяным насосом можно управлять с помощью реле давления, чтобы он запускался при выходе воды из системы, снижая давление в резервуаре.
Диапазон давления, чувствительность, динамический отклик и стоимость варьируются на несколько порядков в зависимости от конструкции прибора. Самым старым типом является манометр жидкостного столба (вертикальная трубка, наполненная ртутью), изобретенный Евангелистой Торричелли в 1643 году. U-образная трубка была изобретена Христианом Гюйгенсом в 1661 году.
Существует две основные категории аналоговых датчиков давления: коллекторы силы и другие типы.
.jpg/1280px-Ruska_Instrument_-_Cat._No._10_(image_a).jpg)
Датчик давления, резонансный кварцевый тензодатчик с силовым коллектором с трубкой Бурдона , является важнейшим датчиком DART . [16] DART обнаруживает волны цунами со дна открытого океана. Он имеет разрешение по давлению примерно 1 мм водного столба при измерении давления на глубине в несколько километров. [17]
Гидростатические датчики (например, ртутный столбчатый манометр) сравнивают давление с гидростатической силой на единицу площади у основания столба жидкости. Измерения гидростатического манометра не зависят от типа измеряемого газа и могут быть спроектированы так, чтобы иметь очень линейную калибровку. У них плохой динамический отклик.
Манометры поршневого типа уравновешивают давление жидкости пружиной (например, манометры в шинах сравнительно низкой точности) или твердым грузом, в этом случае он известен как грузопоршневой манометр и может использоваться для калибровки других манометров.
Манометры столбика жидкости состоят из столба жидкости в трубке, концы которой подвергаются разному давлению. Колонна будет подниматься или опускаться до тех пор, пока ее вес (сила, приложенная из-за силы тяжести) не придет в равновесие с перепадом давления между двумя концами трубки (сила, приложенная из-за давления жидкости). Очень простой вариант — это U-образная трубка, наполовину заполненная жидкостью, одна сторона которой соединена с интересующей областью, а к другой приложено опорное давление (которое может быть атмосферным давлением или вакуумом). Разница уровней жидкости представляет собой приложенное давление. Давление, оказываемое столбом жидкости высотой h и плотностью ρ, определяется уравнением гидростатического давления P = hgρ . Следовательно, разность давлений между приложенным давлением Pa и эталонным давлением P 0 в манометре с U-образной трубкой может быть найдена путем решения P a - P 0 = hgρ . Другими словами , давление на обоих концах жидкости (показано синим цветом на рисунке) должно быть сбалансировано (поскольку жидкость статична), и поэтому Pa = P 0 + hgρ .
В большинстве измерений столба жидкости результатом измерения является высота h , обычно выражаемая в мм, см или дюймах. h также известен как напор . Когда давление выражается в виде напора, давление указывается в единицах длины, и должна быть указана измеряемая жидкость. Когда точность имеет решающее значение, необходимо также указать температуру измеряемой жидкости, поскольку плотность жидкости является функцией температуры . Так, например, высота давления может быть записана как «742,2 мм рт. ст. » или «4,2 дюйма H 2 O при 59 °F» для измерений, выполненных с использованием ртути или воды в качестве манометрической жидкости соответственно. К такому измерению можно добавить слово «манометр» или «вакуум», чтобы различать давление выше или ниже атмосферного давления. И миллиметры ртутного столба, и дюймы водяного столба являются обычными напорами, которые можно преобразовать в единицы давления СИ с помощью преобразования единиц и приведенных выше формул.
Если измеряемая жидкость имеет значительную плотность, возможно, придется внести гидростатическую поправку на высоту между движущейся поверхностью рабочей жидкости манометра и местом, где желательно измерение давления, за исключением случаев измерения перепада давления жидкости (например, через диафрагму или трубку Вентури), и в этом случае плотность ρ следует корректировать путем вычитания плотности измеряемой жидкости. [18]
Хотя можно использовать любую жидкость, ртуть предпочтительнее из-за ее высокой плотности (13,534 г/см 3 ) и низкого давления паров . Его выпуклый мениск является преимуществом, поскольку это означает, что не будет ошибок давления из-за смачивания стекла, хотя в исключительно чистых условиях ртуть прилипнет к стеклу, и барометр может застрять (ртуть может выдерживать отрицательное абсолютное давление ) даже под сильный вакуум. [19] Для небольших перепадов давления обычно используются легкое масло или вода (последнее приводит к таким единицам измерения, как дюймы водяного столба и миллиметры H 2 O ). Манометры жидкостного столба имеют высоколинейную калибровку. У них плохой динамический отклик, поскольку жидкость в колонне может медленно реагировать на изменение давления.
При измерении вакуума рабочая жидкость может испаряться и загрязнять вакуум, если давление ее пара слишком велико. При измерении давления жидкости петля, заполненная газом или легкой жидкостью, может изолировать жидкости, чтобы предотвратить их смешивание, но это может быть ненужным, например, когда ртуть используется в качестве манометрической жидкости для измерения перепада давления жидкости, такой как вода. Простые гидростатические манометры могут измерять давление в диапазоне от нескольких торр (несколько 100 Па) до нескольких атмосфер (приблизительно1 000 000 Па ).
Однорычажный манометр с жидкостной колонкой имеет резервуар большего размера вместо одной стороны U-образной трубки и шкалу рядом с более узкой колонкой. Колонна может быть наклонена для дальнейшего усиления движения жидкости. В зависимости от назначения и конструкции применяются следующие типы манометров [20]
Манометр МакЛеода изолирует образец газа и сжимает его в модифицированном ртутном манометре до тех пор, пока давление не достигнет нескольких миллиметров ртутного столба . Этот метод очень медленный и не подходит для постоянного мониторинга, но обеспечивает хорошую точность. В отличие от других манометров, показания манометра Маклеода зависят от состава газа, поскольку интерпретация основана на сжатии образца как идеального газа . Из-за процесса сжатия манометр Маклеода полностью игнорирует парциальные давления неидеальных паров, которые конденсируются, таких как насосные масла, ртуть и даже вода, если они достаточно сжаты.
0,1 мПа — это самое низкое прямое измерение давления, которое возможно при использовании современной технологии. Другие вакуумметры могут измерять более низкие давления, но только косвенно, измеряя другие свойства, зависящие от давления. Эти косвенные измерения должны быть откалиброваны в единицах СИ с помощью прямого измерения, чаще всего с помощью датчика МакЛеода. [22]
В основе манометров-анероидов лежит металлический чувствительный к давлению элемент, который упруго изгибается под действием перепада давления на элементе. «Анероид» означает «без жидкости», и этот термин первоначально отличал эти манометры от гидростатических манометров, описанных выше. Однако манометры-анероиды можно использовать для измерения давления как жидкости, так и газа, и они не являются единственным типом манометров, которые могут работать без жидкости. По этой причине в современном языке их часто называют механическими манометрами. Анероидные манометры не зависят от типа измеряемого газа, в отличие от тепловых и ионизационных манометров, и с меньшей вероятностью загрязняют систему, чем гидростатические манометры. Чувствительным элементом давления может быть трубка Бурдона , диафрагма, капсула или набор сильфонов, которые будут менять форму в ответ на давление в рассматриваемой области. Отклонение чувствительного к давлению элемента может считываться с помощью рычажного механизма, соединенного с иглой, или с помощью вторичного преобразователя. Наиболее распространенные вторичные преобразователи в современных вакуумметрах измеряют изменение емкости из-за механического отклонения. Манометры, которые основаны на изменении емкости, часто называют емкостными манометрами.
Манометр Бурдона использует принцип, согласно которому сплющенная трубка имеет тенденцию выпрямляться или восстанавливать свою круглую форму в поперечном сечении под давлением. ( Этот принцип иллюстрируется рогом для вечеринок .) Это изменение поперечного сечения может быть едва заметным и связано с умеренными напряжениями в пределах диапазона упругости легко обрабатываемых материалов. Деформация материала трубки увеличивается за счет придания трубке С-образной формы или даже спирали, так что вся трубка имеет тенденцию распрямляться или упруго разматываться под давлением . Эжен Бурдон запатентовал свой датчик во Франции в 1849 году, и он получил широкое распространение благодаря своей исключительной простоте, линейности и точности; Bourdon теперь является частью группы Baumer и по-прежнему производит манометры с трубкой Бурдона во Франции. Эдвард Эшкрофт приобрел американские патентные права Бурдона в 1852 году и стал крупным производителем манометров. Также в 1849 году Бернард Шеффер в Магдебурге, Германия, запатентовал успешный мембранный манометр (см. ниже), который вместе с манометром Бурдона произвел революцию в измерении давления в промышленности. [23] Но в 1875 году, после истечения срока действия патентов Бурдона, его компания Шеффер и Буденберг также производила манометры с трубкой Бурдона.
На практике сплюснутая тонкостенная трубка с закрытым концом соединяется полым концом с неподвижной трубкой, в которой находится измеряемая жидкость. При увеличении давления закрытый конец движется по дуге, и это движение преобразуется во вращение (сегмента а) шестерни соединительным звеном, обычно регулируемым. На валу указателя находится ведущая шестерня малого диаметра, поэтому движение еще больше усиливается за счет передаточного числа . Расположение индикаторной карты за указателем, начальное положение стержня указателя, длина рычажного механизма и исходное положение - все это обеспечивает средства калибровки указателя для указания желаемого диапазона давления для изменений в поведении самой трубки Бурдона. Дифференциальное давление можно измерить с помощью манометров, содержащих две разные трубки Бурдона с соединительными звеньями (но чаще всего оно измеряется с помощью диафрагм или сильфонов и балансировочной системы).
Трубки Бурдона измеряют манометрическое давление относительно атмосферного давления окружающей среды, а не абсолютного давления ; вакуум воспринимается как обратное движение. В некоторых барометрах-анероидах используются трубки Бурдона, закрытые с обоих концов (но в большинстве из них используются диафрагмы или капсулы, см. Ниже). Когда измеряемое давление быстро пульсирует, например, когда манометр находится рядом с поршневым насосом , часто используется ограничитель отверстия в соединительной трубе, чтобы избежать ненужного износа шестерен и обеспечить среднее показание; когда весь манометр подвергается механической вибрации, корпус (включая указатель и циферблат) можно заполнить маслом или глицерином . Типичные высококачественные современные манометры обеспечивают точность ±1% от диапазона (номинальный диаметр 100 мм, класс 1 EN837-1), а специальный высокоточный манометр может иметь точность до 0,1% от полной шкалы. [24]
Датчики с трубкой Бурдона из плавленого кварца, сбалансированные по силе, работают по тому же принципу, но используют отражение луча света от зеркала для определения углового смещения, а ток подается на электромагниты, чтобы уравновесить силу трубки и вернуть угловое смещение обратно в исходное положение. ноль, в качестве измерения используется ток, подаваемый на катушки. Благодаря чрезвычайно стабильным и повторяемым механическим и термическим свойствам кварца, а также силовой балансировке, которая исключает практически все физические движения, эти датчики могут иметь точность около 1 ppm полной шкалы. [25] Из-за чрезвычайно мелкой структуры плавленого кварца, которую приходится изготавливать вручную, эти датчики обычно ограничиваются научными и калибровочными целями.
На следующих иллюстрациях комбинированного манометра (вакуум и манометрическое давление) корпус и окошко удалены, чтобы показать только циферблат, указатель и технологическое соединение. Этот конкретный манометр представляет собой комбинацию вакуумного и манометрического манометра, используемого для автомобильной диагностики:
Механические детали включают в себя неподвижные и движущиеся части.
Стационарные части:
Движущиеся части:
Второй тип анероидного манометра использует отклонение гибкой мембраны , разделяющей области с разным давлением. Величина отклонения повторяется для известных давлений, поэтому давление можно определить с помощью калибровки. Деформация тонкой диафрагмы зависит от разницы давлений между двумя ее гранями. Эталонная поверхность может быть открыта в атмосферу для измерения манометрического давления, открыта для второго порта для измерения перепада давления или может быть герметизирована от вакуума или другого фиксированного эталонного давления для измерения абсолютного давления. Деформацию можно измерить механическими, оптическими или емкостными методами. Используются керамические и металлические диафрагмы. Полезный диапазон превышает 10 -2 Торр (примерно 1 Па ). [26] Для абсолютных измерений часто используются сварные капсулы давления с диафрагмами с обеих сторон. Формы мембран включают в себя:
В манометрах, предназначенных для измерения небольших давлений или перепадов давления или требующих измерения абсолютного давления, зубчатая передача и игла могут приводиться в движение закрытой и герметичной сильфонной камерой, называемой анероидом . (Ранние барометры использовали столб жидкости, такой как вода или жидкий металл ртути , подвешенный в вакууме .) Эта конфигурация сильфона используется в барометрах-анероидах (барометрах с показывающей стрелкой и карточкой циферблата), высотомерах , барографах , записывающих высоту , и высоте. телеметрические приборы, используемые в радиозондах метеозондов . Эти устройства используют герметичную камеру в качестве эталонного давления и приводятся в действие внешним давлением. Другие чувствительные авиационные приборы, такие как указатели воздушной скорости и указатели скороподъемности ( вариометры ), имеют соединения как с внутренней частью анероидной камеры, так и с внешней ограждающей камерой.
Эти манометры используют притяжение двух магнитов для преобразования перепада давления в движение указателя шкалы. По мере увеличения перепада давления магнит, прикрепленный к поршню или резиновой диафрагме, перемещается. Вращающийся магнит, прикрепленный к указателю, движется синхронно. Для создания различных диапазонов давления жесткость пружины можно увеличить или уменьшить.
Манометр с вращающимся ротором работает, измеряя, как вращающийся шар замедляется из-за вязкости измеряемого газа. Шар изготовлен из стали и левитирует с помощью магнита внутри стальной трубки, закрытой с одного конца и подвергающейся воздействию газа, подлежащего измерению, с другого. Шар доводится до скорости (около 2500 или 3800 рад /с), а скорость торможения измеряется после выключения привода электромагнитными датчиками. [27] Диапазон измерения прибора составляет от 5 −5 до 10 2 Па (10 3 Па с меньшей точностью). Он достаточно точен и стабилен, чтобы его можно было использовать в качестве вторичного эталона . За последние годы этот тип датчиков стал намного более удобным и простым в эксплуатации. В прошлом этот инструмент был известен тем, что для его правильного использования требовались определенные навыки и знания. Для измерений с высокой точностью необходимо внести различные поправки и перед использованием шарик необходимо вращать при давлении значительно ниже предполагаемого давления измерения в течение пяти часов. Это наиболее полезно в калибровочных и исследовательских лабораториях, где требуется высокая точность и имеются квалифицированные специалисты. [28] Мониторинг вакуума изоляции криогенных жидкостей также хорошо подходит для этой системы. Благодаря недорогому и долговременно стабильному свариваемому датчику, который можно отделить от более дорогой электроники, он идеально подходит для всех статических пылесосов.
Это слишком упрощенная схема, но вы можете увидеть принципиальную конструкцию внутренних портов датчика. Здесь важно отметить «диафрагму», поскольку это сам датчик. Имеет ли он слегка выпуклую форму (сильно утрированную на рисунке); это важно, поскольку влияет на точность используемого датчика.
Форма датчика важна, поскольку он откалиброван для работы в направлении потока воздуха, как показано КРАСНЫМИ стрелками. Это нормальная работа датчика давления, при которой на дисплее цифрового измерителя давления отображаются положительные показания. Приложение давления в обратном направлении может привести к ошибкам в результатах, поскольку движение давления воздуха пытается заставить диафрагму двигаться в противоположном направлении. Ошибки, вызванные этим, невелики, но могут быть значительными, и поэтому всегда предпочтительнее обеспечить, чтобы более положительное давление всегда применялось к положительному (+ve) порту, а более низкое давление - к отрицательному (-ve). порт для нормального применения при избыточном давлении. То же самое относится и к измерению разницы между двумя вакуумами: больший вакуум всегда следует подавать к отрицательному (-ve) порту. Измерение давления через мост Уитстона выглядит примерно так....
Эффективная электрическая модель преобразователя вместе с базовой схемой формирования сигнала показана на схеме приложения. Датчик давления представляет собой полностью активный мост Уитстона с температурной компенсацией и корректировкой смещения с помощью толстопленочных резисторов с лазерной подстройкой. Возбуждение моста подается постоянным током. Выход моста низкого уровня находится на +O и -O, а диапазон усиления устанавливается резистором программирования коэффициента усиления (r). Электрическая конструкция управляется микропроцессором, что позволяет выполнять калибровку, а также дополнительные функции для пользователя, такие как выбор шкалы, удержание данных, функции нуля и фильтра, а также функцию записи, которая сохраняет/отображает MAX/MIN.
Обычно по мере увеличения плотности реального газа , что может указывать на увеличение давления , его способность проводить тепло увеличивается. В этом типе датчика проволочная нить нагревается, пропуская через нее ток. Затем для измерения температуры нити можно использовать термопару или термометр сопротивления (RTD). Эта температура зависит от скорости, с которой нить отдает тепло окружающему газу, и, следовательно, от теплопроводности . Распространенным вариантом является датчик Пирани , в котором используется одна платиновая нить как в качестве нагревательного элемента, так и в качестве термометра сопротивления. Эти манометры имеют точность от 10 -3 Торр до 10 Торр , но их калибровка чувствительна к химическому составу измеряемых газов.
Манометр Пирани состоит из металлической проволоки, открытой для измеряемого давления. Проволока нагревается протекающим по ней током и охлаждается окружающим ее газом. Если давление газа уменьшить, охлаждающий эффект уменьшится, следовательно, равновесная температура проволоки увеличится. Сопротивление провода является функцией его температуры : измеряя напряжение на проводе и ток , текущий через него, можно определить сопротивление (и, следовательно, давление газа) . Этот тип калибра был изобретен Марчелло Пирани .
В двухпроводных манометрах одна проволочная катушка используется в качестве нагревателя, а другая — для измерения температуры за счет конвекции . Манометры с термопарами и термисторы работают таким образом, используя термопару или термистор соответственно для измерения температуры нагретой проволоки.
Ионизационные манометры являются наиболее чувствительными манометрами для очень низких давлений (также называемых жестким или высоким вакуумом). Они чувствуют давление косвенно, измеряя количество электрических ионов, образующихся при бомбардировке газа электронами. Меньше ионов будет производиться газами с более низкой плотностью. Калибровка ионного датчика нестабильна и зависит от природы измеряемых газов, которая не всегда известна. Их можно калибровать по манометру МакЛеода , который гораздо более стабилен и не зависит от химического состава газа.
Термоэлектронная эмиссия генерирует электроны, которые сталкиваются с атомами газа и генерируют положительные ионы . Ионы притягиваются к электроду с соответствующим смещением , известному как коллектор. Ток в коллекторе пропорционален скорости ионизации, которая является функцией давления в системе. Следовательно, измерение тока коллектора дает давление газа. Существует несколько подтипов ионизационных датчиков.
Большинство ионных датчиков бывают двух типов: с горячим катодом и с холодным катодом. В версии с горячим катодом электрически нагретая нить создает электронный луч. Электроны проходят через датчик и ионизируют молекулы газа вокруг себя. Образовавшиеся ионы собираются на отрицательном электроде. Ток зависит от количества ионов, которое зависит от давления в манометре. Точность датчиков с горячим катодом составляет от 10 -3 Торр до 10 -10 Торр. Принцип версии с холодным катодом тот же, за исключением того, что электроны производятся при разряде высокого напряжения. Манометры с холодным катодом имеют точность от 10 -2 Торр до 10 -9 Торр. Калибровка ионизационного датчика очень чувствительна к геометрии конструкции, химическому составу измеряемых газов, коррозии и поверхностным отложениям. Их калибровка может быть признана недействительной при активации при атмосферном давлении или низком вакууме. Состав газов в условиях высокого вакуума обычно непредсказуем, поэтому для точных измерений необходимо использовать масс-спектрометр в сочетании с ионизационным датчиком. [29]
Ионизационный датчик с горячим катодом состоит в основном из трех электродов, действующих вместе как триод , где катодом является нить накала. Три электрода представляют собой коллектор или пластину, нить накала и сетку . Ток коллектора измеряется электрометром в пикоамперах . Напряжение накала накала относительно земли обычно имеет потенциал 30 В, а напряжение сетки - 180–210 В постоянного тока, если нет дополнительной функции бомбардировки электронами , путем нагрева сетки, которая может иметь высокий потенциал примерно 565 В.
Наиболее распространенным датчиком ионов является датчик Баярда-Альперта с горячим катодом , с небольшим коллектором ионов внутри сетки. Стеклянная оболочка с отверстием для вакуума может окружать электроды, но обычно обнаженный манометр вставляется непосредственно в вакуумную камеру, а штифты проходят через керамическую пластину в стенке камеры. Манометры с горячим катодом могут быть повреждены или потерять калибровку, если они подвергаются воздействию атмосферного давления или даже низкого вакуума, пока они горячие. Измерения ионизационного датчика с горячим катодом всегда логарифмические.
Электроны, испускаемые нитью, несколько раз совершают возвратно-поступательные движения вокруг сетки, прежде чем, наконец, войти в сетку. Во время этих движений некоторые электроны сталкиваются с газообразной молекулой, образуя пару иона и электрона ( электронная ионизация ). Число этих ионов пропорционально плотности молекул газа, умноженной на ток электронов, испускаемых нитью накала, и эти ионы вливаются в коллектор, образуя ионный ток. Поскольку плотность молекул газа пропорциональна давлению, давление оценивают путем измерения ионного тока.
Чувствительность датчиков с горячим катодом при низком давлении ограничена фотоэлектрическим эффектом. Электроны, попадающие на сетку, производят рентгеновские лучи, которые создают фотоэлектрический шум в коллекторе ионов. Это ограничивает диапазон старых датчиков с горячим катодом до 10–8 Торр , а датчиков Баярда – Альперта примерно до 10–10 Торр . Дополнительные провода при катодном потенциале в зоне прямой видимости между коллектором ионов и сеткой предотвращают этот эффект. В экстракционном типе ионы притягиваются не проволокой, а открытым конусом. Поскольку ионы не могут решить, в какую часть конуса попасть, они проходят через отверстие и образуют ионный пучок. Этот ионный луч можно передать на:
Существует два подтипа ионизационных датчиков с холодным катодом : датчик Пеннинга (изобретенный Франсом Мишелем Пеннингом ) и инвертированный магнетрон , также называемый датчиком Редхеда . Основное различие между ними заключается в положении анода относительно катода . Ни один из них не имеет нити накала, и для работы каждого из них может потребоваться потенциал постоянного тока около 4 кВ . Инвертированные магнетроны могут измерять до 1 × 10 −12 Торр .
Аналогичным образом, манометры с холодным катодом могут неохотно запускаться при очень низких давлениях, поскольку почти отсутствие газа затрудняет установление электродного тока - в частности, в манометрах Пеннинга, которые используют аксиально-симметричное магнитное поле для создания пути. длины электронов порядка метров. В окружающем воздухе подходящие ионные пары повсеместно образуются под действием космического излучения; в манометре Пеннинга конструктивные особенности используются для облегчения настройки пути выпуска. Например, электрод манометра Пеннинга обычно имеет тонкую коническую форму, чтобы облегчить автоэмиссию электронов.
Циклы технического обслуживания манометров с холодным катодом обычно измеряются годами в зависимости от типа газа и давления, в котором они эксплуатируются. Использование манометров с холодным катодом в газах со значительным содержанием органических компонентов, таких как фракции насосного масла, может привести к рост тонких углеродных пленок и осколков внутри датчика, которые в конечном итоге либо вызывают короткое замыкание электродов датчика, либо препятствуют образованию пути разряда.
Когда потоки жидкости не находятся в равновесии, локальное давление может быть выше или ниже среднего давления в среде. Эти возмущения распространяются от своего источника в виде продольных изменений давления на пути распространения. Это еще называют звуком. Звуковое давление — это мгновенное отклонение местного давления от среднего давления, вызванное звуковой волной. Звуковое давление можно измерить с помощью микрофона в воздухе и гидрофона в воде. Эффективное звуковое давление представляет собой среднеквадратическое значение мгновенного звукового давления за заданный интервал времени. Звуковое давление обычно невелико и часто выражается в микробарах.
Американское общество инженеров-механиков (ASME) разработало два отдельных стандарта измерения давления: B40.100 и PTC 19.2. B40.100 содержит рекомендации по манометрам с циферблатным индикатором давления и цифровым манометрам, разделительным диафрагмам, демпферам и клапанам ограничения давления. PTC 19.2 содержит инструкции и рекомендации по точному определению значений давления в соответствии с кодами испытаний производительности ASME. Выбор метода, приборов, необходимых расчетов и поправок зависит от цели измерения, допустимой неопределенности и характеристик испытуемого оборудования.
Также представлены методы измерения давления и протоколы, используемые для передачи данных. Даны рекомендации по настройке приборов и определению неопределенности измерения. Предоставляется информация о типе прибора, конструкции, применимом диапазоне давления, точности, производительности и относительной стоимости. Также представлена информация об устройствах измерения давления, которые используются в полевых условиях, т. е. о поршневых манометрах, манометрах и приборах низкого абсолютного давления (вакуума).
These methods are designed to assist in the evaluation of measurement uncertainty based on current technology and engineering knowledge, taking into account published instrumentation specifications and measurement and application techniques. This Supplement provides guidance in the use of methods to establish the pressure-measurement uncertainty.
There are many applications for pressure sensors:
This is where the measurement of interest is pressure, expressed as a force per unit area. This is useful in weather instrumentation, aircraft, automobiles, and any other machinery that has pressure functionality implemented.
This is useful in aircraft, rockets, satellites, weather balloons, and many other applications. All these applications make use of the relationship between changes in pressure relative to the altitude. This relationship is governed by the following equation:[31]This equation is calibrated for an altimeter, up to 36,090 feet (11,000 m). Outside that range, an error will be introduced which can be calculated differently for each different pressure sensor. These error calculations will factor in the error introduced by the change in temperature as we go up.
Barometric pressure sensors can have an altitude resolution of less than 1 meter, which is significantly better than GPS systems (about 20 meters altitude resolution). In navigation applications altimeters are used to distinguish between stacked road levels for car navigation and floor levels in buildings for pedestrian navigation.
This is the use of pressure sensors in conjunction with the venturi effect to measure flow. Differential pressure is measured between two segments of a venturi tube that have a different aperture. The pressure difference between the two segments is directly proportional to the flow rate through the venturi tube. A low pressure sensor is almost always required as the pressure difference is relatively small.
A pressure sensor may also be used to calculate the level of a fluid. This technique is commonly employed to measure the depth of a submerged body (such as a diver or submarine), or level of contents in a tank (such as in a water tower). For most practical purposes, fluid level is directly proportional to pressure. In the case of fresh water where the contents are under atmospheric pressure, 1psi = 27.7 inH2O / 1Pa = 9.81 mmH2O. The basic equation for such a measurement iswhere P = pressure, ρ = density of the fluid, g = standard gravity, h = height of fluid column above pressure sensor
A pressure sensor may be used to sense the decay of pressure due to a system leak. This is commonly done by either comparison to a known leak using differential pressure, or by means of utilizing the pressure sensor to measure pressure change over time.
A piezometer is either a device used to measure liquid pressure in a system by measuring the height to which a column of the liquid rises against gravity, or a device which measures the pressure (more precisely, the piezometric head) of groundwater[32] at a specific point. A piezometer is designed to measure static pressures, and thus differs from a pitot tube by not being pointed into the fluid flow. Observation wells give some information on the water level in a formation, but must be read manually. Electrical pressure transducers of several types can be read automatically, making data acquisition more convenient.
The first piezometers in geotechnical engineering were open wells or standpipes (sometimes called Casagrande piezometers)[33] installed into an aquifer. A Casagrande piezometer will typically have a solid casing down to the depth of interest, and a slotted or screened casing within the zone where water pressure is being measured. The casing is sealed into the drillhole with clay, bentonite or concrete to prevent surface water from contaminating the groundwater supply. In an unconfined aquifer, the water level in the piezometer would not be exactly coincident with the water table, especially when the vertical component of flow velocity is significant. In a confined aquifer under artesian conditions, the water level in the piezometer indicates the pressure in the aquifer, but not necessarily the water table.[34] Piezometer wells can be much smaller in diameter than production wells, and a 5 cm diameter standpipe is common.
Piezometers in durable casings can be buried or pushed into the ground to measure the groundwater pressure at the point of installation. The pressure gauges (transducer) can be vibrating-wire, pneumatic, or strain-gauge in operation, converting pressure into an electrical signal. These piezometers are cabled to the surface where they can be read by data loggers or portable readout units, allowing faster or more frequent reading than is possible with open standpipe piezometers.
