Измерение давления

Пример широко используемого манометра Бурдона

Проверка давления в шинах с помощью пружинно-поршневого манометра

Измерение давления - это анализ силы , приложенной жидкостью ( жидкостью или газом ) к поверхности. Давление обычно измеряется в единицах силы на единицу площади поверхности . Многие методы были разработаны для измерения давления и вакуума . Инструменты , используемые для измерения давления и отображения в едином целом, называются метры давления или датчики давления или вакуум датчики . манометрыявляется хорошим примером, поскольку он использует площадь поверхности и вес столба жидкости как для измерения, так и для индикации давления. Точно так же широко используемый манометр Бурдона - это механическое устройство, которое одновременно измеряет и показывает, и, вероятно, является самым известным типом манометра.

Вакуумметр - это манометр, используемый для измерения давления ниже окружающего атмосферного давления, которое устанавливается в качестве нулевой точки, в отрицательных значениях (например: -15  фунтов на кв. Дюйм или -760  мм рт . Большинство манометров измеряют давление относительно атмосферного давления в качестве нулевой точки, поэтому такая форма считывания называется просто «манометрическое давление». Однако все, что превышает общий вакуум, технически является формой давления. Для очень точных показаний, особенно при очень низких давлениях, можно использовать манометр, который использует полный вакуум в качестве нулевой точки, давая показания давления в абсолютной шкале .

Другие методы измерения давления включают датчики, которые могут передавать показания давления на удаленный индикатор или систему управления ( телеметрия ).

Абсолютное, избыточное и дифференциальное давление - нулевая ссылка [ править ]

Ежедневные измерения давления, например давления в шинах автомобиля, обычно производятся относительно давления окружающего воздуха. В других случаях измерения производятся относительно вакуума или какого-либо другого конкретного эталона. При различении этих нулевых ссылок используются следующие термины:

• Абсолютное давление отсчитывается от нуля относительно идеального вакуума с использованием абсолютной шкалы , поэтому оно равно избыточному давлению плюс атмосферное давление.
• Избыточное давление отсчитывается от давления окружающего воздуха, поэтому оно равно абсолютному давлению минус атмосферное давление. Отрицательные признаки обычно не указываются. ^{[ необходима цитата ]} Чтобы отличить отрицательное давление, к значению может быть добавлено слово «вакуум», или манометр может быть помечен как «вакуумметр». Далее они делятся на две подкатегории: высокий и низкий вакуум (а иногда и сверхвысокий вакуум ). Применимые диапазоны давления многих методов, используемых для измерения вакуума, перекрываются. Следовательно, комбинируя несколько различных типов манометров, можно непрерывно измерять давление в системе от 10  мбар до ^10-11  мбар.
• Дифференциальное давление - это разница давлений между двумя точками.

Используемая нулевая ссылка обычно подразумевается контекстом, и эти слова добавляются только при необходимости пояснения. Давление в шинах и артериальное давление принято считать манометрическими давлениями, тогда как атмосферное давление , давление глубокого вакуума и давление высотомера должны быть абсолютными.

Для большинства рабочих жидкостей, где жидкость присутствует в замкнутой системе , преобладает измерение манометрического давления. Приборы для измерения давления, подключенные к системе, будут показывать значения давления относительно текущего атмосферного давления. Ситуация меняется, когда измеряются экстремальные вакуумные давления, и вместо них обычно используются абсолютные давления.

Дифференциальные давления обычно используются в промышленных технологических системах. Манометры дифференциального давления имеют два входных отверстия, каждое из которых подключено к одному из объемов, давление в котором необходимо контролировать. Фактически, такой датчик выполняет математическую операцию вычитания с помощью механических средств, избавляя оператора или систему управления от необходимости наблюдать за двумя отдельными датчиками и определять разницу в показаниях.

Показания среднего вакуумного давления могут быть неоднозначными без надлежащего контекста, поскольку они могут представлять собой абсолютное давление или манометрическое давление без отрицательного знака. Таким образом, вакуум 26 дюймов ртутного столба эквивалентен абсолютному давлению 4 дюйма ртутного столба, рассчитанному как 30 дюймов ртутного столба (типичное атмосферное давление) - 26 дюймов ртутного столба (манометрическое давление).

Атмосферное давление обычно составляет около 100  кПа на уровне моря, но меняется в зависимости от высоты и погоды. Если абсолютное давление жидкости остается постоянным, манометрическое давление той же жидкости будет изменяться при изменении атмосферного давления. Например, когда автомобиль едет в гору, (манометрическое) давление в шинах повышается, потому что атмосферное давление падает. Абсолютное давление в шине практически не изменилось.

Использование атмосферного давления в качестве эталона обычно обозначается буквой «g» для манометра после единицы давления, например 70 фунтов на квадратный дюйм, что означает, что измеренное давление является общим давлением минус атмосферное давление . Существует два типа эталонного давления манометра: манометр с вентилируемым отверстием (vg) и манометр с уплотнением (sg).

Преобразователь давления с вентилируемым манометром , например, позволяет подвергать внешнее давление воздуха отрицательной стороне чувствительной к давлению мембраны через вентилируемый кабель или отверстие на боковой стороне устройства, так что он всегда измеряет давление. относится к атмосферному атмосферному давлению . Таким образом, эталонный датчик 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 ограничено отрицательной стороной диафрагмы. Обычно это применяется в диапазонах высокого давления, например в гидравлике , где изменения атмосферного давления будут иметь 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, если давление разрыва первичной мембраны измерения давления превышено.

Есть еще один способ создания герметичного эталона манометра, и он заключается в герметизации высокого вакуума на обратной стороне чувствительной диафрагмы. Затем выходной сигнал смещается, поэтому датчик давления показывает близкие к нулю показания при измерении атмосферного давления.

Запечатанный датчик эталонного давления никогда не покажет точно ноль, потому что атмосферное давление всегда меняется, а эталонное давление в этом случае фиксируется на 1 бар.

Чтобы изготовить датчик абсолютного давления , производитель закрывает высокий вакуум за чувствительной диафрагмой. Если соединение технологического давления преобразователя абсолютного давления открыто для воздуха, оно будет считывать фактическое барометрическое давление .

Единицы [ править ]

СИ единица давления является паскалем (Па), равно одной ньютонов на квадратный метр (Н · м ^-2 или кг · м ^-1 · с ^-2 ). Это специальное название для подразделения было добавлено в 1971 году; до этого давление в СИ выражалось в таких единицах, как Н · м ^-2 . Когда указано, нулевая ссылка указывается в скобках после единицы, например 101 кПа (абс.). Фунт на квадратный дюйм(psi) до сих пор широко используется в США и Канаде, например, для измерения давления в шинах. Буква часто добавляется к единице psi, чтобы указать нулевой эталон измерения; psia для абсолютного, psig для манометрического, psid для дифференциального, хотя такая практика не одобряется NIST . ^[1]

Поскольку когда-то давление обычно измерялось по его способности вытеснять столб жидкости в манометре, давление часто выражается как глубина конкретной жидкости ( например, в дюймах водяного столба). Манометрическое измерение является предметом расчета напора . Чаще всего в качестве жидкости для манометра выбирают ртуть (Hg) и воду; вода нетоксична и легко доступна, в то время как плотность ртути позволяет более короткому столбу (и, следовательно, меньшему манометру) измерять заданное давление. Аббревиатура «WC» или слова «водяной столб» часто печатаются на приборах и измерениях, в которых в качестве манометра используется вода.

Плотность жидкости и местная сила тяжести могут изменяться от одного показания к другому в зависимости от местных факторов, поэтому высота столба жидкости не определяет точное давление. Таким образом, измерения в « миллиметрах ртутного столба » или « дюймах ртутного столба » могут быть преобразованы в единицы СИ, если уделяется внимание местным факторам плотности и силы тяжести жидкости . Колебания температуры изменяют значение плотности жидкости, а местоположение может влиять на силу тяжести.

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 водяного столба все еще распространены, как и в настройках для аппаратов CPAP. Давление в трубопроводе природного газа измеряется в дюймах водяного столба , выраженных в «дюймах вод.ст.».

Подводные дайверы используют манометрические единицы: давление окружающей среды измеряется в метрах морской воды (msw), что равно одной десятой бара. ^{[2] [3]} Единицей измерения, используемой в США, является футовая морская вода ( fsw ), основанная на стандартной гравитации и плотности морской воды 64 фунта / фут ³ . Согласно Руководству по дайвингу ВМС США, одна fsw равна 0,30643 msw,0,030 643  бар , или0,444 44  фунта на кв. Дюйм , ^{[2] [3],} хотя в другом месте говорится, что 33 фунта на квадратный дюйм - это14,7 фунтов на квадратный дюйм (одна атмосфера), что дает одно полное давление, равное примерно 0,445 фунтов на квадратный дюйм. ^[4] MSW и fsw - это стандартные единицы измерения давления дайвера, используемые в декомпрессионных таблицах и единицах калибровки для пневмофатометров и манометров в барокамере . ^[5] И msw, и fsw измеряются относительно нормального атмосферного давления.

В вакуумных системах чаще всего используются единицы измерения: торр (миллиметр ртутного столба), микрон (микрометр ртутного столба), ^[6] и дюйм ртутного столба (дюймы ртутного столба ). Торр и микрон обычно указывают на абсолютное давление, в то время как дюйм ртутного столба обычно указывает на манометрическое давление.

Атмосферное давление обычно указывается в гектопаскалях (гПа), килопаскаль (кПа), миллибар (мбар) или атмосфер ( атм ). В американской и канадской инженерии напряжение часто измеряется в кипах . Обратите внимание, что напряжение не является истинным давлением, поскольку оно не скалярно . В СГС системе единица давления была микробар (ба), равной 1 дин · см ^-2 . В МТС системе, единица измерения давления была пьеза , равная 1 стен на квадратный метр.

Используются многие другие гибридные единицы, такие как мм рт. Ст. / См ² или грамм-сила / см ² (иногда как [[кг / см ² ]] без правильного определения единиц силы). Использование названий килограмм, грамм, килограмм-сила или грамм-сила (или их символы) в качестве единиц силы запрещено в системе СИ; единицей силы в СИ является ньютон (Н).

Статическое и динамическое давление [ править ]

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, в то же время оказывая небольшое влияние на поверхности, параллельные направлению потока. Эта направленная составляющая давления в движущейся (динамической) жидкости называется динамическим давлением . Прибор, обращенный к направлению потока, измеряет сумму статического и динамического давления; это измерение называется общим давлением или давлением торможения . Поскольку динамическое давление соотносится со статическим давлением, 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 трубы, динамическое давление используется для измерения расхода и скорости воздуха. Динамическое давление можно измерить, взяв разность давлений между приборами параллельно и перпендикулярно потоку. Пито-статические трубки , например, выполняют это измерение в самолетах для определения воздушной скорости. 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.

Приложения [ править ]

• Высотомер
• Барометр
• Глубиномер
• Датчик MAP
• Трубка Пито
• Сфигмоманометр

Инструменты [ править ]

Было изобретено множество инструментов для измерения давления с разными преимуществами и недостатками. Диапазон давления, чувствительность, динамический отклик и стоимость варьируются на несколько порядков от одного прибора к другому. Самый старый тип - манометр с жидкостным столбом (вертикальная трубка, заполненная ртутью), изобретенный Евангелистой Торричелли в 1643 году. U-образная трубка была изобретена Христианом Гюйгенсом в 1661 году.

Гидростатический [ править ]

Гидростатические датчики (например, манометр с ртутным столбом) сравнивают давление с гидростатической силой на единицу площади у основания столба жидкости. Измерения гидростатическим манометром не зависят от типа измеряемого газа и могут иметь очень линейную калибровку. У них плохая динамическая реакция.

Поршень [ править ]

Поршневые манометры уравновешивают давление жидкости с помощью пружины (например, манометры для измерения давления в шинах со сравнительно низкой точностью) или твердого груза, и в этом случае они известны как грузопоршневые манометры и могут использоваться для калибровки других манометров.

Жидкий столб (манометр) [ править ]

Разница в высоте жидкости в жидкостном манометре пропорциональна разнице давлений:${\ displaystyle h = {\ frac {P_ {a} -P_ {o}} {g \ rho}}}$

Манометры с жидкостным столбом представляют собой столб 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 окажется в равновесии с перепадом давления между двумя концами трубы (сила, приложенная из-за давления жидкости). Очень простой вариант представляет собой U-образную трубку, наполовину заполненную жидкостью, одна сторона которой соединяется с интересующей областью, а эталонное давление (которое может быть атмосферным давлением или вакуумом) применяется 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 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 на рисунке) должно быть сбалансировано (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. Ч также известна как напор . При выражении в виде напора давление указывается в единицах длины, и должна быть указана измерительная жидкость. Когда точность критична, температура измерительной жидкости также должна быть указана, поскольку плотность жидкости является функцией температуры . Так, например, напор может быть записан «742,2 мм _{рт. Ст.} » Или «4,2 дюйма _{H 2 O».}при 59 ° F "для измерений, проводимых с использованием ртути или воды в качестве манометрической жидкости соответственно. Слово" манометр "или" вакуум "может быть добавлено к такому измерению, чтобы различать давление выше или ниже атмосферного давления. Оба миллиметра ртутного столба и дюймы водяного столба являются общими значениями напора, которые можно преобразовать в единицы давления в системе СИ, используя преобразование единиц и приведенные выше формулы.

Если измеряемая жидкость является значительно плотной, может потребоваться гидростатическая поправка на высоту между движущейся поверхностью рабочей жидкости манометра и местом, где требуется измерение давления, за исключением измерения перепада давления жидкости (например, через диафрагму или трубку Вентури), и в этом случае плотность ρ следует скорректировать путем вычитания плотности измеряемой жидкости. ^[7]

Хотя можно использовать любую жидкость, ртуть предпочтительнее из-за ее высокой плотности (13,534 г / см ³ ) и низкого давления пара . Его выпуклый мениск является преимуществом, поскольку это означает, что не будет ошибок давления из-за смачивания стекла, хотя в исключительно чистых условиях ртуть будет прилипать к стеклу, и барометр может застрять (ртуть может выдерживать отрицательное абсолютное давление ) даже при отрицательном давлении. сильный вакуум. ^[8] Для малых перепадов давления, легкое масло или вода обычно используется (последний подъем , придающие единицам измерения , такие как датчик дюйма воды и миллиметров Н 2 О). Манометры жидкостного столба имеют очень линейную калибровку. У них плохой динамический отклик, потому что жидкость в колонне может медленно реагировать на изменение давления.

При измерении вакуума рабочая жидкость может испаряться и загрязнять вакуум, если давление пара слишком высокое. 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 жидкости манометра для измерения перепада давления жидкости, такой как воды. Простые гидростатические манометры могут измерять давление в диапазоне от нескольких торр (несколько 100 Па) до нескольких атмосфер (примерно1 000 000  Па ).

Одноколонный жидкостный манометр имеет резервуар большего размера вместо одной стороны U-образной трубки и шкалу рядом с более узкой колонкой. Колонка может быть наклонена для дальнейшего усиления движения жидкости. В зависимости от назначения и конструкции используются следующие типы манометров ^[9]

1. Манометр простой
2. Микроманометр
3. Дифференциальный манометр
4. Обратный дифференциальный манометр

Датчик Маклеода [ править ]

Маклеода датчик изолирует образец газа и сжимает его в модифицированном ртутном манометре , пока давление не составляет несколько миллиметров ртутного столба . Этот метод очень медленный и не подходит для непрерывного мониторинга, но способен обеспечивать 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 от неидеальных паров, которые конденсируются, таких как масла для насосов, ртуть и даже вода, если они достаточно сжаты.

Полезный диапазон : от примерно 10 ^-4  Торр ^[10] (примерно 10 ^-2  Па) до вакуума до 10 ^-6  Торр (0,1 МПа),

0,1 МПа - это наименьшее прямое измерение давления, которое возможно при использовании современных технологий. Другие вакуумметры могут измерять более низкие давления, но только косвенно, путем измерения других свойств, зависящих от давления. Эти косвенные измерения должны быть откалиброваны в единицах СИ путем прямого измерения, чаще всего с помощью прибора МакЛеода. ^[11]

Анероид [ править ]

В основе анероидных манометров лежит металлический элемент, чувствительный к давлению, который упруго изгибается под действием перепада давления на элементе. «Анероид» означает «без жидкости», и этот термин изначально отличал эти датчики от гидростатических датчиков, описанных выше. Однако анероидные манометры могут использоваться для измерения давления как жидкости, так и газа, и это не единственный тип манометров, который может работать без жидкости. По этой причине на современном языке их часто называют механическими датчиками. Датчики-анероиды не зависят от типа измеряемого газа, в отличие от тепловых и ионизационных датчиков, и с меньшей вероятностью загрязняют систему, чем гидростатические датчики. Чувствительным элементом давления может быть трубка Бурдона., диафрагма, капсула или набор сильфонов, которые изменяют форму в ответ на давление в рассматриваемой области. Отклонение чувствительного к давлению элемента может быть считано рычажным механизмом, соединенным с иглой, или оно может быть считано вторичным датчиком. Наиболее распространенные вторичные преобразователи в современных вакуумметрах измеряют изменение емкости из-за механического отклонения. Манометры, которые зависят от изменения емкости, часто называют емкостными манометрами.

Датчик Бурдона [ править ]

Манометр Бурдона использует принцип, согласно которому сплющенная трубка имеет тенденцию выпрямляться или восстанавливать свою круглую форму в поперечном сечении под давлением. Это изменение поперечного сечения может быть малозаметным из-за умеренных напряжений в диапазоне упругости легко обрабатываемых материалов. Деформации материала трубки увеличивается за счет формирования трубки в форме C или даже спирали, так что вся труба имеет тенденцию выправить или Размотать упруго , как он находится под давлением. Эжен Бурдонзапатентовал свой датчик во Франции в 1849 году, и он получил широкое распространение благодаря своей превосходной чувствительности, линейности и точности; Эдвард Эшкрофт приобрел американские патентные права Бурдона в 1852 году и стал крупным производителем измерительных приборов. Также в 1849 году Бернард Шеффер из Магдебурга, Германия, запатентовал успешный мембранный (см. Ниже) манометр, который вместе с манометром Бурдона произвел революцию в измерении давления в промышленности. ^[12] Но в 1875 году, после истечения срока действия патентов Бурдона, его компания Schaeffer and Budenberg также производила манометры с трубкой Бурдона.

На практике плоская тонкостенная трубка с закрытым концом соединяется полым концом с неподвижной трубой, в которой измеряется давление жидкости. По мере увеличения давления закрытый конец движется по дуге, и это движение преобразуется во вращение шестерни (сегмента а) с помощью соединительного звена, которое обычно регулируется. Ведущая шестерня малого диаметра находится на валу указателя, поэтому движение усиливается передаточным числом.. Расположение индикаторной карты за указателем, начальное положение вала указателя, длина рычага и исходное положение - все это обеспечивает средства для калибровки указателя, чтобы указать желаемый диапазон давления для изменений поведения самой трубки Бурдона. Перепад давления можно измерить манометрами, содержащими две разные трубки Бурдона с соединительными рычагами.

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 используются диафрагмы или капсулы, см. Ниже). Когда измеряемое давление быстро пульсирует, например, когда манометр находится рядом с поршневым насосом , часто используется сужение отверстия в соединительной трубе, чтобы избежать ненужного износа шестерен и обеспечить среднее значение; когда весь манометр подвергается механической вибрации, весь корпус, включая стрелку и индикаторную карту, можно заполнить маслом или глицерином.. Не рекомендуется постукивать по лицевой стороне манометра, так как это может исказить фактические показания, первоначально представленные манометром. Трубка Бурдона отделена от лицевой стороны манометра и, таким образом, не влияет на фактическое считывание давления. Типичные высококачественные современные манометры обеспечивают точность ± 2% от диапазона, а специальный высокоточный манометр может иметь точность до 0,1% от полной шкалы. ^[13]

Сенсоры с силовой балансировкой из плавленого кварца с трубкой Бурдона работают по тому же принципу, но используют отражение луча света от зеркала для измерения углового смещения, а ток подается на электромагниты, чтобы уравновесить силу трубки и вернуть угловое смещение к ноль, ток, который подается на катушки, используется в качестве измерения. Благодаря чрезвычайно стабильным и воспроизводимым механическим и термическим свойствам кварца и балансировке сил, которая исключает практически любое физическое движение, эти датчики могут иметь точность примерно до 1  PPM полной шкалы. ^[14] Из-за чрезвычайно тонких структур из плавленого кварца, которые необходимо изготавливать вручную, эти датчики обычно используются только для научных исследований и калибровки.

На следующих иллюстрациях прозрачная крышка изображенного комбинированного манометра и вакуумметра была снята, а механизм извлечен из корпуса. Этот конкретный манометр представляет собой комбинацию вакуумметра и манометра, используемого для автомобильной диагностики:

• Левая сторона лицевой панели, используемая для измерения вакуума в коллекторе , откалибрована в сантиметрах ртутного столба по внутренней шкале и в дюймах ртутного столба по внешней шкале.
• Правая часть лицевой панели используется для измерения давления топливного насоса или турбонаддува и калибруется в долях 1 кгс / см 2 по внутренней шкале и фунтам на квадратный дюйм по внешней шкале.

Механические детали [ править ]

Стационарные части:

• A: Блок приемника. Это соединяет впускную трубу с неподвижным концом трубки Бурдона (1) и фиксирует пластину шасси (B). В два отверстия крепятся винты, которыми крепится корпус.
• B: Пластина шасси. К нему прилагается лицевая карта. В нем есть отверстия для подшипников осей.
• C: Вторичная пластина шасси. Он поддерживает внешние концы осей.
• D: Столбы для соединения и разделения двух пластин шасси.

Движущиеся части:

1. Неподвижный конец трубки Бурдона. Он сообщается с впускной трубой через приемный блок.
2. Подвижный конец трубки Бурдона. Этот конец запечатан.
3. Поворотный и поворотный штифт
4. Соедините шарнирный штифт с рычагом (5) пальцами, чтобы обеспечить вращение шарнира.
5. Рычаг, продолжение секторной шестерни (7)
6. Штифт оси шестерни сектора
7. Сектор передач
8. Индикаторная стрелка оси. Он имеет прямозубую шестерню, которая входит в зацепление с секторной шестерней (7) и проходит через поверхность, приводя в движение стрелку индикатора. Из-за небольшого расстояния между выступом звена рычага и шарнирного пальца и разницы между эффективным радиусом секторной шестерни и прямозубой шестерни любое движение трубки Бурдона значительно усиливается. Небольшое движение трубки приводит к большому перемещению стрелки индикатора.
9. Волосная пружина для предварительной нагрузки зубчатой ​​передачи, чтобы исключить люфт и гистерезис зубчатой ​​передачи

Диафрагма [ править ]

Второй тип анероидного манометра использует отклонение гибкой мембраны, которая разделяет области с разным давлением. Величина отклонения является повторяемой для известных давлений, поэтому давление можно определить с помощью калибровки. Деформация тонкой диафрагмы зависит от разницы давлений между двумя ее поверхностями. Контрольная поверхность может быть открыта для атмосферы для измерения манометрического давления, открыта для второго порта для измерения перепада давления или может быть герметизирована от вакуума или другого фиксированного контрольного давления для измерения абсолютного давления. Деформацию можно измерить с помощью механических, оптических или емкостных методов. Используются керамические и металлические диафрагмы.

Полезный диапазон : выше 10 ^-2 торр ^[15] (примерно 1 Па )

Для абсолютных измерений часто используются сварные капсулы давления с диафрагмами с обеих сторон.

форма:

• Плоский
• Гофрированный
• Сплющенная трубка
• Капсула

Сильфоны [ править ]

В манометрах, предназначенных для измерения небольших давлений или разностей давлений или требующих измерения абсолютного давления, зубчатая передача и игла могут приводиться в действие закрытой и герметичной камерой сильфона, называемой анероидом , что означает «без жидкости». (Ранние барометры использовали столб жидкости, такой как вода или жидкометаллическая ртуть, взвешенная в вакууме .) Эта конфигурация сильфона используется в барометрах-анероидах (барометрах с индикаторной стрелкой и дисковой картой), высотомерах , барографах с регистрацией высоты и высоте инструменты телеметрии, используемые в радиозондах метеозондов . Эти устройства используют герметичную камеру в качестве эталонного давления и управляются внешним давлением. Другие чувствительные авиационные приборы, такие как указатели воздушной скорости и указатели скорости набора высоты ( вариометры ), имеют соединения как с внутренней частью камеры анероида, так и с внешней закрывающей камерой.

Магнитная муфта [ править ]

Эти манометры используют притяжение двух магнитов для преобразования перепада давления в движение стрелочного указателя. По мере увеличения перепада давления магнит, прикрепленный к поршню или резиновой диафрагме, перемещается. Затем вращающийся магнит, прикрепленный к указателю, движется в унисон. Для создания различных диапазонов давления жесткость пружины может быть увеличена или уменьшена.

Калибр прядильного ротора [ править ]

Манометр с вращающимся ротором работает, измеряя величину замедления вращающегося шара из-за вязкости измеряемого газа. Шарик изготовлен из стали и под действием магнитного поля находится внутри стальной трубы, закрытой с одного конца и подвергающейся воздействию измеряемого газа с другого. Шарик разгоняется до скорости (2500 или 3800   рад / с), а скорость замедления измеряется после выключения привода с помощью электромагнитных датчиков. ^[16] 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 стандарта.. За последние годы этот тип манометра стал намного удобнее и проще в эксплуатации. В прошлом инструмент был известен тем, что для его правильного использования требовались определенные навыки и знания. Для обеспечения высокой точности измерений необходимо внести различные поправки, и перед использованием мяч необходимо вращать при давлении значительно ниже заданного давления измерения в течение пяти часов. Он наиболее полезен в калибровочных и исследовательских лабораториях, где требуется высокая точность и есть квалифицированные специалисты. ^[17] Мониторинг вакуума изоляции криогенных жидкостей также идеально подходит для этой системы. Благодаря недорогому и долговременному стабильному свариваемому датчику, который можно отделить от более дорогостоящей электроники / считывать, он идеально подходит для всех статических вакуумов.

Электронные приборы для измерения давления[ редактировать ]

Тензодатчик металлический

Тензодатчик обычно приклеивается (тензодатчик из фольги) или наносится (тонкопленочный тензодатчик) на мембрану. Отклонение мембраны из-за давления вызывает изменение сопротивления тензодатчика, которое можно измерить электронным способом.

Пьезорезистивный датчик деформации

Использует пьезорезистивный эффект связанных или формованных тензодатчиков для определения деформации, вызванной приложенным давлением.

Пьезорезистивный силиконовый датчик давления

Датчик, как правило, представляет собой пьезорезистивный кремниевый датчик давления с температурной компенсацией, выбранный из-за его превосходных характеристик и долговременной стабильности. Встроенная температурная компенсация обеспечивается в диапазоне 0–50 ° C с помощью резисторов с лазерной подстройкой . Дополнительный резистор с лазерной подстройкой включен для нормализации изменений чувствительности к давлению путем программирования коэффициента усиления внешнего дифференциального усилителя. Это обеспечивает хорошую чувствительность и долгосрочную стабильность. Два порта датчика подают давление на один и тот же датчик, см. Диаграмму потока давления ниже.

Это упрощенная схема, но вы можете увидеть принципиальную конструкцию внутренних портов датчика. Здесь важно отметить «диафрагму», поскольку это сам датчик. Обратите внимание, что если он имеет слегка выпуклую форму (сильно преувеличен на чертеже), это важно, поскольку это влияет на точность используемого датчика. Форма датчика важна, потому что он откалиброван для работы в направлении воздушного потока, как показано КРАСНЫМИ стрелками. Это нормальная работа датчика давления, обеспечивающая положительное значение на дисплее цифрового измерителя давления. Приложение давления в обратном направлении может вызвать ошибки в результатах, поскольку движение давления воздуха пытается заставить диафрагму двигаться в противоположном направлении. Ошибки, вызванные этим, невелики, но,может быть значительным, и поэтому всегда желательно обеспечить, чтобы более положительное давление всегда прикладывалось к положительному (+ ve) порту, а более низкое давление прикладывалось к отрицательному (-ve) отверстию для нормального применения «манометрического давления». То же самое относится и к измерению разницы между двумя вакуумами, больший вакуум всегда следует прикладывать к отрицательному (-ve) отверстию. Измерение давления через мост Уитстона выглядит примерно так ...Измерение давления через мост Уитстона выглядит примерно так ...Измерение давления через мост Уитстона выглядит примерно так ...

Эффективная электрическая модель преобразователя вместе с базовой схемой преобразования сигнала показана на схеме приложения. Датчик давления представляет собой полностью активный мост Уитстона с температурной компенсацией и регулировкой смещения с помощью толстопленочных резисторов с лазерной подстройкой. Возбуждение моста подается постоянным током. Выход моста низкого уровня 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 обнуления и фильтрации, функция записи, которая сохраняет / отображает МАКС / МИН.

Емкостный

Использует диафрагму и полость давления для создания переменного конденсатора для определения деформации из-за приложенного давления.

Магнитный

Измеряет смещение диафрагмы с помощью изменения индуктивности (сопротивления), LVDT , эффекта Холла или по принципу вихревых токов .

Пьезоэлектрический

Использует пьезоэлектрический эффект в некоторых материалах, таких как кварц, для измерения деформации чувствительного механизма из-за давления.

Оптический

Использует физические изменения оптического волокна для определения деформации из-за приложенного давления.

Потенциометрический

Использует движение стеклоочистителя по резистивному механизму для определения деформации, вызванной приложенным давлением.

Резонансный

Использует изменения резонансной частоты в чувствительном механизме для измерения напряжения или изменений плотности газа, вызванных приложенным давлением.

Теплопроводность [ править ]

Как правило, когда плотность реального газа увеличивается, что может указывать на увеличение давления, его способность проводить тепло увеличивается. В этом типе калибра проволочная нить нагревается за счет пропускания через нее тока. Термопары или термометр сопротивления (RTD) , затем может быть использован для измерения температуры нити накала. 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 нагревательного элемента и RTD используется одна платиновая нить накала. Эти датчики имеют точность от 10 ^-3  Торр до 10 Торр., но их калибровка чувствительна к химическому составу измеряемых газов.

Пирани (один провод) [ править ]

Пирани датчик состоит из металлической проволоки , открытой для измеряемого давления. Проволока нагревается протекающим по ней током и охлаждается окружающим ее газом. Если давление газа уменьшится, охлаждающий эффект уменьшится, следовательно, равновесная температура проволоки повысится. Сопротивление проволоки является функцией его температуры : путем измерения напряжения через провод и ток , протекающий через него, сопротивление (и поэтому давление газа) может быть определенно. Этот тип датчика был изобретен Марчелло Пирани .

Двухпроводной [ править ]

В двухпроводных датчиках одна катушка с проволокой используется как нагреватель, а другая - для измерения температуры из-за конвекции . Термопара датчики и термистора датчики работают таким образом , с помощью термопары или термистора , соответственно, для измерения температуры нагретого провода.

Датчик ионизации [ править ]

Ионизационные датчики являются наиболее чувствительными датчиками очень низкого давления (также называемого жестким или высоким вакуумом). Они определяют давление косвенно, измеряя электрические ионы, образующиеся при бомбардировке газа электронами. Меньшее количество ионов будет производиться газами с более низкой плотностью. Калибровка ионного датчика нестабильна и зависит от природы измеряемых газов, что не всегда известно. Их можно откалибровать по манометру Маклеода, который намного более стабилен и не зависит от химического состава газа.

При термоэлектронной эмиссии генерируются электроны, которые сталкиваются с атомами газа и генерируют положительные ионы . Ионы притягиваются к подходящему смещенному электроду, известному как коллектор. Ток в коллекторе пропорционален скорости ионизации, которая является функцией давления в системе. Следовательно, измерение тока коллектора дает давление газа. Есть несколько подтипов ионизационных датчиков.

Полезный диапазон : 10 ⁻¹⁰ - 10 ⁻³ торр (примерно 10 ⁻⁸ - 10 ⁻¹ Па)

Большинство ионных датчиков бывают двух типов: с горячим катодом и с холодным катодом. В версии с горячим катодом электрически нагреваемая нить накала создает электронный луч. Электроны проходят через датчик и ионизируют молекулы газа вокруг себя. Образовавшиеся ионы собираются на отрицательном электроде. Сила тока зависит от количества ионов, которое зависит от давления в манометре. Манометры с горячим катодом имеют точность от 10 ^-3  до 10 ^-10  торр. Принцип, лежащий в основе версии с холодным катодом, тот же, за исключением того, что электроны образуются при разряде высокого напряжения. Точность манометров с холодным катодом составляет 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 аннулирована активацией при атмосферном давлении или низком вакууме. Состав газов при высоком вакууме обычно непредсказуем, поэтому для точных измерений необходимо использовать масс-спектрометр вместе с ионизационным датчиком. ^[18]

Горячий катод [ править ]

Датчик ионизации горячего катода в основном состоят из трех электродов , действующих вместе , как триод , в котором катод представляет собой нить. Три электрода представляют собой коллектор или пластину, нить накала и сетку . Ток коллектора измеряется в picoamperes с помощью электрометра . Напряжение нити накала относительно земли обычно составляет 30 вольт, а напряжение сети составляет 180–210 вольт постоянного тока, если нет дополнительной функции электронной бомбардировки , путем нагрева сети, которая может иметь высокий потенциал примерно 565 вольт.

Наиболее распространенным ионным датчиком является датчик Баярда – Альперта с горячим катодом и небольшим коллектором ионов внутри сетки. Стеклянная оболочка с отверстием для вакуума может окружать электроды, но обычно датчик обнаженного тела вставляется непосредственно в вакуумную камеру, а штыри 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 в горячем состоянии. Измерения ионизационного датчика с горячим катодом всегда логарифмические.

Электроны, испускаемые нитью накала, несколько раз совершают возвратно-поступательные движения вокруг сетки, прежде чем, наконец, попасть в нее. Во время этих движений некоторые электроны сталкиваются с газовой молекулой, образуя пару из иона и электрона ( электронная ионизация ). Число этих ионов пропорционально плотности газообразных молекул, умноженной на электронный ток, испускаемый нитью накала, и эти ионы вливаются в коллектор, образуя ионный ток. Поскольку плотность газообразных молекул пропорциональна давлению, давление оценивается путем измерения ионного тока.

Чувствительность датчиков с горячим катодом к низкому давлению ограничена фотоэффектом. Электроны, попадая на сетку, производят рентгеновские лучи, которые создают фотоэлектрический шум в коллекторе ионов. Это ограничивает диапазон более старых датчиков с горячим катодом до 10 ^-8  Торр, а Баярда – Альперта - примерно до 10 ^-10  Торр. Дополнительные провода под катодным потенциалом на линии 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 пучок можно передать на:

• Кубок Фарадея
• Микроканальный пластинчатый детектор с чашкой Фарадея
• Квадрупольный масс-анализатор с чашкой Фарадея
• Квадрупольный масс-анализатор с микроканальным пластинчатым детектором и чашкой Фарадея
• Ионная линза и ускоряющее напряжение направляются на цель, образуя распылительную пушку . В этом случае клапан пропускает газ в сетку-клетку.

Холодный катод [ править ]

Есть два подтипа ионизационных датчиков с холодным катодом : датчик Пеннинга (изобретенный Франсом Мишелем Пеннингом ) и инвертированный магнетрон , также называемый датчиком Рыжего . Основное различие между ними - это положение анода по отношению к катоду . Ни у одного из них нет нити накала, и для каждого из них может потребоваться постоянный потенциал около 4 кВ для работы. Инвертированные магнетроны могут измерять до 1 × 10 ^-12   Торр .

Точно так же 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 пути. длины электронов порядка метров. В окружающем воздухе подходящие ионные пары повсеместно образуются космическим излучением; в датчике Пеннинга конструктивные особенности используются для упрощения настройки пути разгрузки. Например, электрод датчика Пеннинга обычно имеет тонкий конус, чтобы облегчить автоэмиссию электронов.

Циклы технического обслуживания манометров с холодным катодом, как правило, измеряются годами, в зависимости от типа газа и давления, в котором они работают. Использование манометра с холодным катодом в газах с большим содержанием органических компонентов, таких как фракции масла в насосе, может привести к рост тонких углеродных пленок и осколков внутри датчика, которые в конечном итоге либо закорачивают электроды датчика, либо препятствуют образованию пути разряда.

Сравнение средств измерения давления ^[19]

Физические явления	Инструмент	Управляющее уравнение	Ограничивающие факторы	Практический диапазон давления	Идеальная точность	Время отклика
Механический	Манометр жидкостного столба	${\ Displaystyle \ Delta P = \ rho gh}$		атм. до 1 мбар
Механический	Капсульный индикатор часового типа		Трение	От 1000 до 1 мбар	± 5% полной шкалы	Медленный
Механический	Тензодатчик			От 1000 до 1 мбар		Быстрый
Механический	Емкостной манометр		Колебания температуры	атм до 10-6 мбар	± 1% от показания	Медленнее при установленном фильтре
Механический	Маклеод	Закон Бойля		От 10 до 10-3 мбар	± 10% показаний в диапазоне от 10 -4 до 5⋅10 -2 мбар
Транспорт	Вращающийся ротор ( тормозной )			От 10 −1 до 10 −7 мбар	± 2,5% от показания между 10-7 и 10-2 мбар От 2,5 до 13,5% от 10 -2 до 1 мбар
Транспорт	Пирани ( мост Уитстона )		Теплопроводность	От 1000 до 10-3 мбар (постоянная температура) От 10 до 10 −3 мбар (постоянное напряжение)	± 6% от показания от 10 -2 до 10 мбар	Быстрый
Транспорт	Термопара ( эффект Зеебека )		Теплопроводность	От 5 до 10-3 мбар	± 10% от показания от 10 -2 до 1 мбар
Ионизация	Холодный катод (Пеннинга)		Выход ионизации	От 10 −2 до 10 −7 мбар	От +100 до -50% чтения
Ионизация	Горячий катод (ионизация, вызванная термоэлектронной эмиссией)		Измерение низкого тока; паразитное рентгеновское излучение	От 10 −3 до 10 −10 мбар	± 10% от 10-7 до 10-4 мбар ± 20% при 10 −3 и 10 −9 мбар ± 100% при 10 −10 мбар

Динамические переходные процессы [ править ]

Когда потоки жидкости не находятся в равновесии, местные давления могут быть выше или ниже среднего давления в среде. Эти возмущения распространяются от своего источника в виде изменений продольного давления по 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 - это среднеквадратическое значение мгновенного звукового давления за заданный интервал времени. Звуковое давление обычно невелико и часто выражается в микробар.

• частотная характеристика датчиков давления
• резонанс

Калибровка и стандарты [ править ]

Американское общество инженеров-механиков (ASME) разработало два отдельных и разных стандарта по измерению давления: B40.100 и PTC 19.2. B40.100 содержит рекомендации по манометрам с циферблатом и цифровым индикатором давления, мембранным разделителям, демпферам и клапанам-ограничителям давления. PTC 19.2 предоставляет инструкции и рекомендации по точному определению значений давления в соответствии с кодами испытаний производительности ASME. Выбор метода, инструментов, необходимых расчетов и поправок, которые будут применяться, зависит от цели измерения, допустимой неопределенности и характеристик испытываемого оборудования.

Также предоставляются методы измерения давления и протоколы, используемые для передачи данных. Дается руководство по настройке оборудования и определению неопределенности измерения. Предоставляется информация о типе прибора, конструкции, применимом диапазоне давления, точности, мощности и относительной стоимости. Также предоставляется информация об устройствах для измерения давления, которые используются в полевых условиях, например, поршневые манометры, манометры и приборы для измерения низкого абсолютного давления (вакуума).

Эти методы предназначены для помощи в оценке неопределенности измерений на основе современных технологий и инженерных знаний, с учетом опубликованных технических характеристик приборов и методов измерения и применения. Это Дополнение содержит руководство по использованию методов определения неопределенности измерения давления.

Европейский (CEN) стандарт [ править ]

• EN 472: Манометр - Словарь.
• EN 837-1: Манометры. Манометры с трубкой Бурдона. Размеры, метрология, требования и испытания.
• EN 837-2: Манометры. Рекомендации по выбору и установке манометров.
• EN 837-3: Манометры. Манометры мембранные и капсульные. Размеры, метрология, требования и испытания.

Стандарты США ASME [ править ]

• B40.100-2013: Манометры и приспособления для манометров.
• PTC 19.2-2010: Код проверки производительности для измерения давления.

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

Источники [ править ]

• ВМС США (1 декабря 2016 г.). Руководство по дайвингу ВМС США, редакция 7 SS521-AG-PRO-010 0910-LP-115-1921 (PDF) . Вашингтон, округ Колумбия: Командование военно-морских систем США. Архивировано 28 декабря 2016 г. (PDF) .

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме манометра .

В Wikisource есть текст статьи " Манометр" Британской энциклопедии 1911 года .

• Самодельный манометр
• Манометр