Измерение давления — это измерение силы, приложенной текучей средой ( жидкостью или газом ) к поверхности. Давление обычно измеряется в единицах силы на единицу площади поверхности . Для измерения давления и вакуума было разработано много методов . Приборы, используемые для измерения и отображения давления механическим способом, называются манометрами, вакуумметрами или составными манометрами (вакуумметрами и манометрами). Широко используемый манометр Бурдона — это механическое устройство, которое и измеряет, и показывает, и, вероятно, является самым известным типом манометра.
Вакуумметр используется для измерения давления ниже окружающего атмосферного давления , которое установлено в качестве нулевой точки, в отрицательных значениях (например, −1 бар или −760 мм рт. ст. равно полному вакууму). Большинство манометров измеряют давление относительно атмосферного давления как нулевой точки, поэтому эта форма показаний просто называется «манометрическим давлением». Однако все, что больше полного вакуума, технически является формой давления. Для очень низких давлений необходимо использовать манометр, который использует полный вакуум в качестве нулевой точки отсчета, давая показание давления как абсолютное давление.
Другие методы измерения давления включают датчики, которые могут передавать показания давления на удаленный индикатор или систему управления ( телеметрия ).
Повседневные измерения давления, например, давления в шинах транспортных средств, обычно производятся относительно давления окружающего воздуха. В других случаях измерения производятся относительно вакуума или какой-либо другой конкретной точки отсчета. При различении этих нулевых точек отсчета используются следующие термины:
Нулевая ссылка в использовании обычно подразумевается контекстом, и эти слова добавляются только тогда, когда требуется разъяснение. Давление в шинах и кровяное давление являются манометрическими давлениями по соглашению, в то время как атмосферное давление , давление глубокого вакуума и давление высотомера должны быть абсолютными.
Для большинства рабочих жидкостей , где жидкость существует в закрытой системе , преобладает измерение манометрического 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, а используемые измерительные приборы будут другими.
Дифференциальные давления обычно используются в промышленных технологических системах. Дифференциальные манометры имеют два входных порта, каждый из которых подключен к одному из объемов, давление которого должно контролироваться. По сути, такой манометр выполняет математическую операцию вычитания с помощью механических средств, устраняя необходимость для оператора или системы управления следить за двумя отдельными манометрами и определять разницу в показаниях.
Умеренные показания вакуумметрического 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 оно меняется в зависимости от высоты и погоды. Если абсолютное давление жидкости остается постоянным, манометрическое давление той же жидкости будет меняться при изменении атмосферного давления. Например, когда автомобиль едет в гору, (манометрическое) давление в шинах повышается, потому что атмосферное давление понижается. Абсолютное давление в шинах по сути не меняется.
Использование атмосферного давления в качестве эталона обычно обозначается буквой "g" для манометра после единицы измерения давления, например, 70 фунтов на кв. дюйм, что означает, что измеренное давление равно общему давлению за вычетом атмосферного давления . Существует два типа эталонного давления манометра: вентилируемый манометр (vg) и герметичный манометр (sg).
Например, вентилируемый датчик давления манометра позволяет давлению наружного воздуха подвергаться воздействию отрицательной стороны мембраны, чувствительной к давлению, через вентилируемый кабель или отверстие на боковой стороне устройства, так что оно всегда измеряет давление, относящееся к атмосферному барометрическому давлению . Таким образом, вентилируемый датчик опорного давления манометра должен всегда показывать нулевое давление, когда соединение технологического давления открыто для воздуха.
Герметичный эталон манометра очень похож, за исключением того, что атмосферное давление герметично запечатано на отрицательной стороне диафрагмы. Обычно это применяется в диапазонах высокого давления, таких как гидравлика , где изменения атмосферного давления будут иметь незначительное влияние на точность показаний, поэтому вентиляция не требуется. Это также позволяет некоторым производителям обеспечивать вторичную защиту от давления в качестве дополнительной меры предосторожности для безопасности оборудования под давлением, если будет превышено давление разрыва первичной чувствительной к давлению диафрагмы .
Есть еще один способ создания герметичного эталона манометра, и это герметизация высокого вакуума на обратной стороне чувствительной диафрагмы. Тогда выходной сигнал смещается, поэтому датчик давления показывает близкие к нулю показания при измерении атмосферного давления.
Герметичный датчик эталонного давления никогда не покажет точно ноль, поскольку атмосферное давление постоянно меняется, а эталонное давление в этом случае зафиксировано на уровне 1 бар.
Для создания датчика 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 похож на датчик избыточного давления, за исключением того, что он измеряет давление относительно некоторого фиксированного давления, а не относительно окружающего атмосферного давления (которое меняется в зависимости от местоположения и погоды).
На протяжении большей части человеческой истории давление газов, таких как воздух, игнорировалось, отрицалось или принималось как должное, но еще в VI веке до нашей эры греческий философ Анаксимен из Милета утверждал, что все вещи состоят из воздуха, который просто изменяется под действием различных уровней давления. Он мог наблюдать, как вода испаряется, превращаясь в газ, и чувствовал, что это применимо даже к твердому веществу. Более сжатый воздух делал более холодные, более тяжелые объекты, а расширенный воздух делал более легкие, более горячие объекты. Это было похоже на то, как газы на самом деле становятся менее плотными, когда теплеют, и более плотными, когда холодеют.
В XVII веке Эванджелиста Торричелли проводил эксперименты с ртутью, которые позволили ему измерить наличие воздуха. Он опускал стеклянную трубку, закрытую с одного конца, в чашу с ртутью и поднимал закрытый конец вверх, оставляя открытый конец погруженным. Вес ртути тянул ее вниз, оставляя частичный вакуум на дальнем конце. Это подтверждало его убеждение в том, что воздух/газ имеет массу, создавая давление на окружающие его предметы. Ранее более популярным выводом, даже для Галилея , было то, что воздух невесом, и именно вакуум обеспечивает силу, как в сифоне. Это открытие помогло Торричелли прийти к выводу:
Мы живем, погруженные на дно океана элемента воздуха, который, как известно из неоспоримых экспериментов, имеет вес.
Этот тест, известный как эксперимент Торричелли , по сути, был первым задокументированным манометром.
Блез Паскаль пошел дальше, поручив своему зятю провести эксперимент на разных высотах горы, и действительно обнаружил, что чем ниже в океане атмосферы, тем выше давление.
Единицей измерения 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 для единицы было добавлено в 1971 году; до этого давление в системе СИ выражалось в таких единицах, как Н·м −2 . При указании нулевой точки отсчета она указывается в скобках после единицы, например, 101 кПа (абс.). Фунт на квадратный дюйм (psi) по-прежнему широко используется в США и Канаде для измерения, например, давления в шинах. К единице psi часто добавляется буква, чтобы указать нулевую точку отсчета измерения; psia для абсолютного, psig для манометрического, psid для дифференциального, хотя эта практика не приветствуется NIST . [ 3]
Поскольку давление когда-то обычно измерялось по его способности вытеснять столб жидкости в манометре, давление часто выражается как глубина определенной жидкости ( например, дюймы водяного столба). Манометрическое измерение является предметом расчетов напора . Наиболее распространенными вариантами для жидкости манометра являются ртуть (Hg) и вода; вода нетоксична и легкодоступна, в то время как плотность ртути позволяет использовать более короткий столб (и, следовательно, меньший манометр) для измерения заданного давления. Аббревиатура «WC» или слова «водяной столб» часто печатаются на датчиках и измерениях, которые используют воду для манометра.
Плотность жидкости и локальная сила тяжести могут варьироваться от одного показания к другому в зависимости от локальных факторов, поэтому высота столба жидкости не определяет давление точно. Поэтому измерения в « миллиметрах ртутного столба » или « дюймах ртутного столба » можно преобразовать в единицы СИ, если учитывать локальные факторы плотности жидкости и силы тяжести . Колебания температуры изменяют значение плотности жидкости, в то время как местоположение может влиять на силу тяжести.
Хотя эти манометрические единицы больше не являются предпочтительными, они все еще встречаются во многих областях. Кровяное давление измеряется в миллиметрах ртутного столба (см. торр ) в большинстве стран мира, центральное венозное давление и давление в легких в сантиметрах водяного столба по-прежнему распространены, как в настройках для аппаратов CPAP. Давление в трубопроводах природного газа измеряется в дюймах водяного столба , выражается как "дюймы водяного столба"
Подводные водолазы используют манометрические единицы: давление окружающей среды измеряется в метрах морской воды (msw), что определяется как одна десятая бара. [4] [5] Единицей, используемой в США, является фут морской воды (fsw), основанный на стандартной силе тяжести и плотности морской воды 64 фунта/фут3 . Согласно Руководству по дайвингу ВМС США, один fsw равен 0,30643 msw,0,030 643 бар , или0,444 44 фунта на квадратный дюйм , [4] [5] хотя в другом месте говорится, что 33 фунта на квадратный дюйм14,7 фунтов на квадратный дюйм (одна атмосфера), что дает один fsw, равный примерно 0,445 фунтов на квадратный дюйм. [6] Msw и fsw являются общепринятыми единицами измерения воздействия давления на водолаза, используемыми в таблицах декомпрессии , а также единицей калибровки для пневмофатометров и манометров для барокамер . [7] Как msw, так 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 рт. ст. ). Торр и микрон обычно указывают абсолютное давление, тогда как дюйм рт. ст. обычно указывает избыточное давление.
Атмосферное давление обычно указывается в гектопаскалях (гПа), килопаскалях (кПа), миллибарах (мбар) или атмосферах ( атм ). В американской и канадской инженерии напряжение часто измеряется в кипах . Напряжение не является истинным давлением, поскольку оно не скалярно . В системе СГС единицей давления был барий (ба), равный 1 дин·см −2 . В системе МТС единицей давления был пьеза , равная 1 стену на квадратный метр.
Используются и многие другие гибридные единицы, такие как мм рт. ст./см 2 или грамм-сила/см 2 (иногда как кг/см 2 без надлежащего указания единиц силы). Использование названий килограмм, грамм, килограмм-сила или грамм-сила (или их символов) в качестве единицы силы запрещено в СИ; единицей силы в СИ является ньютон (Н).
Статическое давление однородно во всех направлениях, поэтому измерения давления не зависят от направления в неподвижной (статичной) жидкости. Однако поток оказывает дополнительное давление на поверхности, перпендикулярные направлению потока, при этом оказывая незначительное влияние на поверхности, параллельные направлению потока. Этот направленный компонент давления в движущейся (динамической) жидкости называется динамическим давлением . Прибор, обращенный к направлению потока, измеряет сумму статического и динамического давлений; это измерение называется полным давлением или давлением застоя . Поскольку динамическое давление соотносится со статическим давлением, оно не является ни манометрическим, ни абсолютным; это дифференциальное давление.
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, взяв перепад давления между приборами параллельно и перпендикулярно потоку. Например, трубки Пито-стата выполняют это измерение на самолетах для определения скорости воздуха. Наличие измерительного прибора неизбежно приводит к отклонению потока и созданию турбулентности, поэтому его форма имеет решающее значение для точности, а калибровочные кривые часто нелинейны.
Датчик давления — это устройство для измерения давления газов или жидкостей . Датчики давления могут также называться преобразователями давления , передатчиками давления , датчиками давления , индикаторами давления , пьезометрами и манометрами , среди прочих названий.
Давление — это выражение силы, необходимой для остановки расширения жидкости, и обычно выражается в единице 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, производительности, пригодности для применения и стоимости. По консервативной оценке, может быть более 50 технологий и не менее 300 компаний, производящих датчики давления по всему миру. Существует также категория датчиков давления, которые предназначены для измерения в динамическом режиме для фиксации очень высоких скоростей изменений давления. Примерами применения этого типа датчиков могут быть измерение давления сгорания в цилиндре двигателя или в газовой турбине. Эти датчики обычно изготавливаются из пьезоэлектрических материалов, таких как кварц.
Некоторые датчики давления являются реле давления , которые включаются или выключаются при определенном давлении. Например, водяной насос может управляться реле давления так, чтобы он запускался, когда вода выпускается из системы, снижая давление в резервуаре.
Диапазон давления, чувствительность, динамический отклик и стоимость различаются на несколько порядков в зависимости от конструкции прибора. Самый старый тип — жидкостный манометр (вертикальная трубка, заполненная ртутью), изобретенный Эванджелистой Торричелли в 1643 году. U-образная трубка была изобретена Христианом Гюйгенсом в 1661 году.
Существует две основные категории аналоговых датчиков давления: силовые коллекторы и другие типы.
.jpg/1280px-Ruska_Instrument_-_Cat._No._10_(image_a).jpg)
Датчик давления, резонансный кварцевый кристаллический тензодатчик с коллектором силы в виде трубки Бурдона , является критическим датчиком DART . [16] DART обнаруживает волны цунами со дна открытого океана. Он имеет разрешение давления приблизительно 1 мм водяного столба при измерении давления на глубине в несколько километров. [17]
Гидростатические манометры (например, ртутный манометр) сравнивают давление с гидростатической силой на единицу площади у основания столба жидкости. Измерения гидростатических манометров не зависят от типа измеряемого газа и могут быть спроектированы так, чтобы иметь очень линейную калибровку. Они имеют слабую динамическую реакцию.
Манометры поршневого типа уравновешивают давление жидкости пружиной (например, манометры для шин сравнительно низкой точности) или твердым грузом; в этом случае они известны как грузопоршневые манометры и могут использоваться для калибровки других манометров.
Жидкостные манометры состоят из столба жидкости в трубке, концы которой подвергаются разному давлению. Столб будет подниматься или опускаться до тех пор, пока его 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 представляет собой U-образную трубку, наполовину заполненную жидкостью, одна сторона которой соединена с интересующей областью, в то время как опорное давление (которое может быть атмосферным давлением или вакуумом) приложено к другой. Разница в уровнях 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 P a и опорным давлением P 0 в U-образном манометре можно найти, решив уравнение P a − P 0 = hgρ . Другими словами, давление на обоих концах жидкости (показано синим цветом на рисунке) должно быть уравновешено (поскольку жидкость статична), и поэтому P a = 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 . При выражении в виде напора давление указывается в единицах длины, и должна быть указана измерительная жидкость. Когда точность имеет решающее значение, температура измерительной жидкости также должна быть указана, поскольку плотность жидкости является функцией температуры . Так, например, напор может быть записан как «742,2 мм рт. ст. » или «4,2 в H 2 O при 59 °F» для измерений, проведенных с ртутью или водой в качестве манометрической жидкости соответственно. К такому измерению можно добавить слово «манометрический» или «вакуум», чтобы различать давление выше или ниже атмосферного. Как мм ртутного столба, так 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, может потребоваться внесение гидростатических поправок для высоты между движущейся поверхностью рабочей жидкости манометра и местом, где требуется измерение давления, за исключением случаев измерения перепада давления жидкости (например, через диафрагму или трубку Вентури), в этом случае плотность ρ следует скорректировать путем вычитания плотности измеряемой жидкости. [18]
Хотя можно использовать любую жидкость, ртуть предпочтительнее из-за ее высокой плотности (13,534 г/см3 ) и низкого давления паров . Ее выпуклый мениск выгоден, 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 в условиях сильного вакуума. [19] Для низких перепадов давления обычно используются легкое масло или вода (последнее дает начало таким единицам измерения, как дюймы водяного столба и миллиметры H2O ) . Манометры с жидкостным столбом имеют высоколинейную калибровку. Они имеют плохую динамическую реакцию, поскольку жидкость в столбе может медленно реагировать на изменение давления.
При измерении вакуума рабочая жидкость может испаряться и загрязнять вакуум, если ее давление паров слишком велико. При измерении давления жидкости контур, заполненный 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 дифференциального давления жидкости, такой как вода. Простые гидростатические манометры могут измерять давление в диапазоне от нескольких торр (несколько сотен Па) до нескольких атмосфер (приблизительно1 000 000 Па ).
Односекционный жидкостный манометр имеет больший резервуар вместо одной стороны U-образной трубки и имеет шкалу рядом с более узкой колонной. Колонна может быть наклонена для дальнейшего усиления движения жидкости. В зависимости от использования и структуры используются следующие типы манометров [20]
Манометр Маклеода изолирует образец газа и сжимает его в модифицированном ртутном манометре до тех пор, пока давление не составит несколько 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 парциальное давление неидеальных паров, которые конденсируются, таких как насосные масла, ртуть и даже вода, если сжата достаточно.
0,1 мПа — это наименьшее прямое измерение давления, которое возможно при нынешней технологии. Другие вакуумметры могут измерять более низкие давления, но только косвенно, путем измерения других зависящих от давления свойств. Эти косвенные измерения должны быть откалиброваны в единицах СИ прямым измерением, чаще всего манометром Маклеода. [22]
Анероидные манометры основаны на металлическом элементе, чувствительном к давлению, который упруго изгибается под действием разницы давления на элементе. «Анероид» означает «без жидкости», и этот термин изначально отличал эти манометры от гидростатических манометров, описанных выше. Однако анероиды могут использоваться для измерения давления жидкости, а также газа, и они не являются единственным типом манометра, который может работать без жидкости. По этой причине их часто называют механическими манометрами на современном языке. Анероиды 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 рассматриваемой области. Отклонение чувствительного к давлению элемента может быть считано тягой, соединенной с иглой, или вторичным преобразователем. Наиболее распространенные вторичные преобразователи в современных вакуумметрах измеряют изменение емкости из-за механического прогиба. Манометры, которые полагаются на изменение емкости, часто называют емкостными манометрами.
Манометр Бурдона использует принцип, согласно которому сплющенная трубка имеет тенденцию выпрямляться или восстанавливать свою круглую форму в поперечном сечении при повышении давления. ( Этот принцип иллюстрируется рогом для вечеринок .) Это изменение поперечного сечения может быть едва заметным, включая умеренные напряжения в пределах упругого диапазона легкообрабатываемых материалов. Деформация материала трубки увеличивается за счет формирования трубки в форме буквы С или даже спирали, так что вся трубка имеет тенденцию выпрямляться или упруго раскручиваться при повышении давления. Эжен Бурдон запатентовал свой манометр во Франции в 1849 году, и он получил широкое распространение из-за своей превосходной простоты, линейности и точности; теперь Бурдон является частью группы Baumer и до сих пор 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 удачный мембранный (см. ниже) манометр, 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 Schaeffer and Budenberg также начала производить манометры с трубкой Бурдона.
На практике сплющенная тонкостенная трубка с закрытым концом соединяется полым концом с неподвижной трубкой, содержащей измеряемое давление жидкости. По мере увеличения давления закрытый конец движется по дуге, и это движение преобразуется во вращение (сегмента) шестерни соединительным звеном, которое обычно регулируется. Шестерня малого диаметра находится на валу указателя, поэтому движение еще больше усиливается передаточным отношением . Расположение индикаторной карточки за указателем, начальное положение вала указателя, длина тяги и начальное 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 измеряется с помощью диафрагм или сильфонов и системы балансировки).
Трубки Бурдона измеряют манометрическое давление относительно окружающего атмосферного давления, в отличие от абсолютного давления ; вакуум воспринимается как обратное движение. Некоторые анероиды используют трубки Бурдона, закрытые с обоих концов (но большинство используют диафрагмы или капсулы, см. ниже). Когда измеряемое давление быстро пульсирует, например, когда манометр находится рядом с поршневым насосом , часто используется ограничение отверстия в соединительной трубке, чтобы избежать ненужного износа шестерен и обеспечить усредненное 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 с силовым балансом работают по тому же принципу, но используют отражение луча света от зеркала для определения углового смещения, а ток подается на электромагниты для уравновешивания силы трубки и приведения углового смещения к нулю; ток, подаваемый на катушки, используется в качестве измерения. Благодаря чрезвычайно стабильным и повторяемым механическим и термическим свойствам кварца и силовому балансу, который устраняет почти все физические движения, эти датчики могут иметь точность около 1 PPM полной шкалы. [25] Из-за чрезвычайно тонких структур из плавленого кварца, которые должны быть изготовлены вручную, эти датчики, как правило, ограничиваются научными и калибровочными целями.
На следующих иллюстрациях составного манометра (вакуумметр и манометрическое давление) корпус и окно были удалены, чтобы показать только циферблат, указатель и технологическое соединение. Этот конкретный манометр представляет собой комбинацию вакуумметра и манометра, используемую для автомобильной диагностики:
Механические детали включают неподвижные и движущиеся части.
Стационарные части:
Движущиеся части:
Второй тип аноидного манометра использует отклонение гибкой мембраны , которая разделяет области разного давления. Величина отклонения повторяется для известных давлений, поэтому давление можно определить с помощью калибровки. Деформация тонкой диафрагмы зависит от разницы давления между двумя ее поверхностями. Опорная поверхность может быть открыта для атмосферы для измерения манометрического давления, открыта для второго порта для измерения дифференциального давления или может быть герметизирована от вакуума или другого фиксированного опорного давления для измерения абсолютного давления. Деформацию можно измерить с помощью механических, оптических или емкостных методов. Используются керамические и металлические диафрагмы. Полезный диапазон составляет более 10−2 Торр ( примерно 1 Па ). [26] Для абсолютных измерений часто используются сварные капсулы давления с диафрагмами с обеих сторон. Формы мембран включают:
В манометрах, предназначенных для измерения малых давлений или разностей давлений, или требующих измерения абсолютного давления, зубчатая передача и стрелка могут приводиться в действие закрытой и герметичной сильфонной камерой, называемой анероидом . (Ранние барометры использовали столб жидкости, такой как вода или жидкая металлическая ртуть, взвешенная вакуумом . ) Такая конфигурация сильфона используется в анероидных барометрах (барометрах с указателем и карточкой-циферблатом), высотомерах , барографах, регистрирующих высоту , и приборах телеметрии высоты , используемых в радиозондах метеозондов . Эти устройства используют герметичную камеру в качестве опорного давления и приводятся в действие внешним давлением. Другие чувствительные авиационные приборы, такие как указатели скорости воздуха и указатели скорости набора высоты ( вариометры ), имеют соединения как с внутренней частью анероидной камеры, так и с внешней охватывающей камерой.
Эти датчики используют притяжение двух магнитов для преобразования дифференциального давления в движение стрелки циферблата. При увеличении дифференциального давления магнит, прикрепленный либо к поршню, либо к резиновой диафрагме, движется. Затем вращающийся магнит, прикрепленный к стрелке, движется в унисон. Для создания различных диапазонов давления можно увеличить или уменьшить жесткость пружины.
Датчик вращающегося ротора работает, измеряя, как вращающийся шарик замедляется вязкостью измеряемого газа. Шарик сделан из стали и магнитно левитирует внутри стальной трубки, закрытой с одного конца и подвергающейся воздействию измеряемого газа с другого. Шарик разгоняется до скорости (около 2500 или 3800 рад /с), а скорость замедления измеряется после выключения привода с помощью электромагнитных преобразователей. [27] Диапазон прибора составляет от 5 до 5 до 10 2 Па (10 3 Па с меньшей точностью). Он достаточно точен и стабилен, чтобы использоваться в качестве вторичного стандарта . В последние годы этот тип датчика стал намного более удобным для пользователя и простым в эксплуатации. В прошлом прибор был известен тем, что требовал определенных навыков и знаний для правильного использования. Для высокоточных измерений необходимо применять различные поправки, а шарик необходимо вращать при давлении значительно ниже предполагаемого давления измерения в течение пяти часов перед использованием. Он наиболее полезен в калибровочных и исследовательских лабораториях, где требуется высокая точность и имеются квалифицированные специалисты. [28] Мониторинг вакуума изоляции криогенных жидкостей также является подходящим применением для этой системы. С недорогим и долгосрочно стабильным, свариваемым датчиком, который может быть отделен от более дорогой электроники, он идеально подходит для всех статических вакуумов.
Это слишком упрощенная схема, но вы можете увидеть фундаментальную конструкцию внутренних портов в датчике. Здесь важно отметить «диафрагму», поскольку это сам датчик. Имеет ли она слегка выпуклую форму (сильно преувеличена на рисунке); это важно, поскольку влияет на точность используемого датчика.
Форма датчика важна, поскольку она откалибрована для работы в направлении потока воздуха, как показано КРАСНЫМИ стрелками. Это нормальная работа датчика давления, обеспечивающая положительное показание на дисплее цифрового измерителя давления. 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 гарантировать, что более положительное давление всегда применяется к положительному (+ve) порту, а более низкое давление применяется к отрицательному (-ve) порту, для обычного применения «манометрического давления». То же самое относится к измерению разницы между двумя вакуумами, больший вакуум всегда следует применять к отрицательному (-ve) порту. Измерение давления с помощью моста Уитстона выглядит примерно так....
Эффективная электрическая модель преобразователя вместе с базовой схемой формирования сигнала показана на схеме применения. Датчик давления представляет собой полностью активный мост Уитстона, который был скомпенсирован по температуре и смещен с помощью толстопленочных резисторов с лазерной подгонкой. Возбуждение моста подается через постоянный ток. Низкоуровневый выход моста находится на +O и -O, а усиленный диапазон устанавливается резистором программирования усиления (r). Электрическая конструкция управляется микропроцессором, что позволяет выполнять калибровку, дополнительные функции для пользователя, такие как выбор шкалы, удержание данных, функции нуля и фильтра, функция записи, которая сохраняет/отображает MAX/MIN.
Обычно, по мере увеличения плотности реального газа , что может указывать на увеличение давления , увеличивается его способность проводить тепло. В этом типе датчика проволочная нить нагревается при пропускании через нее тока. 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 в качестве нагреваемого элемента и RTD используется одна платиновая нить. Эти датчики имеют точность от 10−3 Торр до 10 Торр , но их калибровка чувствительна к химическому составу измеряемых газов.
Датчик Пирани состоит из металлической проволоки, открытой для измеряемого давления. Проволока нагревается током , протекающим через нее, и охлаждается окружающим ее газом. Если давление газа уменьшается, охлаждающий эффект уменьшается, следовательно, равновесная температура проволоки увеличивается. Сопротивление проволоки является функцией ее температуры : измеряя напряжение на проволоке и ток, протекающий через нее, можно определить сопротивление (и, следовательно, давление газа). Этот тип датчика был изобретен Марчелло Пирани .
В двухпроводных датчиках одна проволочная катушка используется в качестве нагревателя, а другая используется для измерения температуры за счет конвекции . Термопарные и термисторные датчики работают таким образом, используя термопару или термистор , соответственно, для измерения температуры нагретой проволоки.
Ионизационные датчики являются наиболее чувствительными датчиками для очень низких давлений (также называемых жестким или высоким вакуумом). Они измеряют давление косвенно, измеряя электрические ионы, образующиеся 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 датчику Маклеода , который гораздо более стабилен и независим от химии газа.
Термоионная эмиссия генерирует электроны, которые сталкиваются с атомами газа и генерируют положительные ионы . Ионы притягиваются к соответствующим образом смещенному электроду, 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 холодным катодом. В версии с горячим катодом электрически нагретая нить создает электронный луч. Электроны проходят через датчик и ионизируют молекулы газа вокруг себя. Образующиеся ионы собираются на отрицательном электроде. Ток зависит от количества ионов, которое зависит от давления в датчике. Датчики с горячим катодом имеют точность от 10−3 Торр до 10−10 Торр . Принцип, лежащий в основе версии с холодным катодом , тот же, за исключением того, что электроны производятся в разряде высокого напряжения. Датчики 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 недействительной при активации при атмосферном давлении или низком вакууме. Состав газов в условиях высокого вакуума обычно непредсказуем, поэтому для точного измерения необходимо использовать масс-спектрометр вместе с ионизационным датчиком. [29]
Ионизационный датчик с горячим катодом в основном состоит 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 в пикоамперах электрометром . Напряжение нити накала относительно земли обычно имеет потенциал 30 вольт, в то время как напряжение сетки составляет 180–210 вольт постоянного тока, если только нет дополнительной функции электронной бомбардировки , путем нагрева сетки, которая может иметь высокий потенциал приблизительно 565 вольт.
Наиболее распространенным ионным датчиком является датчик Байярда-Альперта с горячим катодом , с небольшим коллектором ионов внутри сетки. Стеклянная оболочка с отверстием для вакуума может окружать электроды, но обычно голый датчик вставляется в вакуумную камеру напрямую, штыри подаются через керамическую пластину в стенке камеры. Датчики с горячим катодом могут быть повреждены или потерять свою калибровку, если они подвергаются воздействию атмосферного давления или даже низкого вакуума в горячем состоянии. Измерения датчика ионизации с горячим катодом всегда логарифмические.
Электроны, испускаемые нитью накала, совершают несколько возвратно-поступательных движений вокруг сетки, прежде чем, наконец, попадают в сетку. Во время этих движений некоторые электроны сталкиваются с газообразной молекулой, образуя пару иона и электрона ( электронная ионизация ). Количество этих ионов пропорционально плотности газообразной молекулы, умноженной на электронный ток, испускаемый нитью накала, и эти ионы вливаются в коллектор, образуя ионный ток. Поскольку плотность газообразной молекулы пропорциональна давлению, давление оценивается путем измерения ионного тока.
Чувствительность к низкому давлению термокатодных датчиков ограничена фотоэлектрическим эффектом. Электроны, попадающие на сетку, производят рентгеновские лучи, которые производят фотоэлектрический шум в ионном коллекторе. Это ограничивает диапазон старых термокатодных датчиков до 10−8 Торр , а Байярда-Альперта — до примерно 10−10 Торр . Дополнительные провода при катодном потенциале на линии визирования между ионным коллектором и сеткой предотвращают этот эффект. В извлекающем типе ионы притягиваются не проводом, а открытым конусом. Поскольку ионы не могут решить, в какую часть конуса попадать, они проходят через отверстие и образуют ионный пучок. Этот ионный пучок может быть передан 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 по отношению к катоду . Ни один из них не имеет нити накала, и для работы каждого из них может потребоваться постоянный потенциал около 4 кВ . Инвертированные магнетроны могут измерять до 1 × 10−12 Торр .
Аналогично, датчики с холодным катодом могут неохотно запускаться при очень низких давлениях, поскольку почти полное отсутствие газа затрудняет установление тока электрода, в частности, в датчиках Пеннинга, которые используют аксиально-симметричное магнитное поле для создания длин путей для электронов порядка метров. В окружающем воздухе подходящие ионные пары повсеместно образуются космическим излучением; в датчике Пеннинга конструктивные особенности используются для облегчения настройки пути разряда. Например, электрод датчика Пеннинга обычно тонко сужен для облегчения полевой эмиссии электронов.
Циклы технического обслуживания датчиков с холодным катодом, как правило, измеряются годами в зависимости от типа газа и давления, в котором они эксплуатируются. Использование датчика с холодным катодом в газах с существенными органическими компонентами, такими как фракции насосного масла, может привести к образованию тонких углеродных пленок и осколков внутри датчика, которые в конечном итоге либо закоротят электроды датчика, либо препятствуют образованию разрядного пути.
Когда потоки жидкости не находятся в равновесии, локальные давления могут быть выше или ниже среднего давления в среде. Эти возмущения распространяются от своего источника как продольные изменения давления вдоль пути распространения. Это также называется звуком. Звуковое давление — это мгновенное отклонение локального давления от среднего давления, вызванное звуковой волной. Звуковое давление можно измерить с помощью микрофона в воздухе и гидрофона в воде. Эффективное звуковое давление — это среднеквадратичное значение мгновенного звукового давления за заданный интервал времени. Звуковые давления обычно невелики и часто выражаются в единицах микробар.
Американское общество инженеров-механиков (ASME) разработало два отдельных и различных стандарта по измерению давления: B40.100 и PTC 19.2. B40.100 содержит рекомендации по манометрам с циферблатом и цифровым указателям давления, мембранным разделителям, амортизаторам и клапанам-ограничителям давления. PTC 19.2 содержит инструкции и рекомендации по точному определению значений давления в поддержку кодов испытаний производительности ASME. Выбор метода, приборов, требуемых расчетов и применяемых поправок зависит от цели измерения, допустимой неопределенности и характеристик испытываемого оборудования.
Также предоставлены методы измерения давления и протоколы, используемые для передачи данных. Дано руководство по настройке приборов и определению неопределенности измерения. Предоставляется информация о типе прибора, конструкции, применимом диапазоне давления, точности, выходных данных и относительной стоимости. Также предоставлена информация о приборах для измерения давления, которые используются в полевых условиях, т. е. поршневые манометры, манометры и приборы низкого абсолютного давления (вакуумные).
Эти методы разработаны для помощи в оценке неопределенности измерения на основе современных технологий и инженерных знаний, принимая во внимание опубликованные спецификации приборов и методы измерения и применения. Это Дополнение содержит руководство по использованию методов для установления неопределенности измерения давления.
Датчики давления имеют множество применений:
Здесь интересующим измерением является давление , выраженное как сила на единицу площади. Это полезно в метеорологических приборах, самолетах, автомобилях и любой другой технике, в которой реализована функциональность давления.
Это полезно в самолетах, ракетах, спутниках, метеозондах и многих других приложениях. Все эти приложения используют соотношение между изменениями давления относительно высоты. Это соотношение регулируется следующим уравнением: [31] Это уравнение откалибровано для высотомера до 36 090 футов (11 000 м). За пределами этого диапазона будет введена ошибка, которая может быть рассчитана по-разному для каждого датчика давления. Эти вычисления ошибок будут учитывать ошибку, введенную изменением температуры по мере подъема.
Датчики барометрического давления могут иметь разрешение по высоте менее 1 метра, что значительно лучше, чем у систем GPS (разрешение по высоте около 20 метров). В навигационных приложениях высотомеры используются для различения уровней сложенных дорог для автомобильной навигации и уровней полов в зданиях для пешеходной навигации.
Это использование датчиков давления в сочетании с эффектом Вентури для измерения расхода. Дифференциальное давление измеряется между двумя сегментами трубки Вентури, имеющими разное отверстие. Разность давлений между двумя сегментами прямо пропорциональна скорости потока через трубку Вентури. Датчик низкого давления требуется почти всегда, поскольку разность давлений относительно мала.
Датчик давления также может использоваться для расчета уровня жидкости. Этот метод обычно применяется для измерения глубины погруженного тела (например, водолаза или подводной лодки) или уровня содержимого в резервуаре (например, в водонапорной башне). Для большинства практических целей уровень жидкости прямо пропорционален давлению. В случае пресной воды, где содержимое находится под атмосферным давлением, 1 фунт на квадратный дюйм = 27,7 дюймов вод. ст . / 1 Па = 9,81 мм вод. ст. Основное уравнение для такого измерения: где P = давление, ρ = плотность жидкости, g = стандартная сила тяжести, h = высота столба жидкости над датчиком давления
Датчик давления может использоваться для обнаружения падения давления из-за утечки в системе. Обычно это делается либо путем сравнения с известной утечкой с использованием дифференциального давления, либо путем использования датчика давления для измерения изменения давления с течением времени.
Пьезометр — это либо устройство, используемое для измерения давления жидкости в системе путем измерения высоты, на которую столб жидкости поднимается против силы тяжести, либо устройство, которое измеряет давление (точнее, пьезометрический напор ) грунтовых вод [32] в определенной точке. Пьезометр предназначен для измерения статического давления и, таким образом, отличается от трубки Пито тем, что не направлен в поток жидкости. Наблюдательные скважины дают некоторую информацию об уровне воды в пласте, но их показания необходимо считывать вручную. Электрические датчики давления нескольких типов могут считываться автоматически, что делает сбор данных более удобным.
Первые пьезометры в геотехнической инженерии представляли собой открытые скважины или стояки (иногда называемые пьезометрами Касагранде ) [33] , установленные в водоносный горизонт . Пьезометр Касагранде обычно имеет сплошную обсадную трубу до интересующей глубины и щелевую или экранированную обсадную трубу в зоне, где измеряется давление воды. Обсадная труба герметизируется в скважине глиной, бентонитом или бетоном, чтобы предотвратить загрязнение грунтовых вод поверхностными водами. В незамкнутом водоносном горизонте уровень воды в пьезометре не будет точно совпадать с уровнем грунтовых вод , особенно когда вертикальная составляющая скорости потока значительна. В замкнутом водоносном горизонте в артезианских условиях уровень воды в пьезометре указывает на давление в водоносном горизонте, но не обязательно на уровень грунтовых вод. [34] Скважины пьезометра могут быть намного меньше в диаметре, чем эксплуатационные скважины, и обычным является стояк диаметром 5 см.
Пьезометры в прочных корпусах можно закапывать или вдавливать в землю для измерения давления грунтовых вод в точке установки. Манометры (преобразователи) могут быть вибрационными, пневматическими или тензодатчиками в работе, преобразуя давление в электрический сигнал. Эти пьезометры подключаются к поверхности, где их можно считывать с помощью регистраторов данных или переносных считывающих устройств, что позволяет производить более быстрое или частое считывание, чем это возможно с открытыми пьезометрами с вертикальным стояком.
