Измерение давления

Пример широко используемого манометра Бурдона

Измерение давления — это измерение силы, приложенной жидкостью жидкостью ( или газом ) к поверхности. Давление обычно измеряется в единицах силы на единицу площади поверхности . Для измерения давления и вакуума было разработано множество методов . Приборы, используемые для механического измерения и отображения давления, называются манометрами, вакуумметрами или комбинированными манометрами (вакуум и давление). Широко используемый манометр Бурдона представляет собой механическое устройство, которое одновременно измеряет и показывает показания и, вероятно, является самым известным типом манометра.

Вакуумметр используется для измерения давления ниже окружающего атмосферного давления , которое устанавливается в качестве нулевой точки, в отрицательных значениях (например, -1 бар или -760 мм рт. ст. соответствует общему вакууму). Большинство манометров измеряют давление относительно атмосферного давления как нулевую точку, поэтому эту форму измерения называют просто «манометрическим давлением». Однако все, что превышает полный вакуум, технически является формой давления. При очень низких давлениях необходимо использовать манометр, который использует полный вакуум в качестве нулевой точки, давая показания давления как абсолютное давление.

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

Абсолютное, манометрическое и дифференциальное давление — нулевой эталон

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

Абсолютное давление приравнивается к нулю относительно идеального вакуума по абсолютной шкале , поэтому оно равно манометрическому давлению плюс атмосферное давление. Датчики абсолютного давления используются в приложениях, где требуется постоянное опорное значение, например, в высокопроизводительных промышленных приложениях, таких как мониторинг вакуумных насосов , измерение давления жидкости, промышленная упаковка, контроль промышленных процессов и авиационная инспекция. ^[1]
Манометрическое давление привязано к нулю по отношению к давлению окружающего воздуха, поэтому оно равно абсолютному давлению минус атмосферное давление. Манометр в шинах является примером измерения манометрического давления; когда он показывает ноль, тогда измеряемое давление такое же, как давление окружающей среды. Большинство датчиков для измерения до 50 бар изготавливаются таким образом, так как в противном случае колебание атмосферного давления (погода) отражается как ошибка в результате измерения.
Дифференциальное давление – это разница давлений между двумя точками. Датчики перепада давления используются для измерения многих свойств, таких как падение давления на масляных или воздушных фильтрах , уровни жидкости (путем сравнения давления над и под жидкостью) или скорости потока (путем измерения изменения давления на дросселе). С технической точки зрения, большинство датчиков давления на самом деле являются датчиками перепада давления; например, датчик избыточного давления — это просто датчик перепада давления, у которого одна сторона открыта в окружающую атмосферу. Ячейка DP — это устройство, которое измеряет перепад давления между двумя входами. ^[2]

Используемая нулевая ссылка обычно подразумевается контекстом, и эти слова добавляются только тогда, когда необходимы пояснения. Давление в шинах и артериальное давление по условию являются манометрическими давлениями, тогда как атмосферное давление , давление глубокого вакуума и давление высотомера должны быть абсолютными.

Для большинства рабочих жидкостей , где жидкость существует в закрытой системе , преобладает измерение избыточного давления. Приборы для измерения давления, подключенные к системе, будут показывать давление относительно текущего атмосферного давления. Ситуация меняется, когда измеряются экстремальные вакуумные давления, тогда вместо них обычно используются абсолютные давления, и используемые измерительные инструменты будут другими.

Перепад давления обычно используется в промышленных технологических системах. Манометры дифференциального давления имеют два входных порта, каждый из которых соединен с одним из объемов, давление которого необходимо контролировать. По сути, такой датчик выполняет математическую операцию вычитания с помощью механических средств, устраняя необходимость для оператора или системы управления наблюдать за двумя отдельными датчиками и определять разницу в показаниях.

Показания умеренного вакуумного давления могут быть неоднозначными без надлежащего контекста, поскольку они могут представлять абсолютное давление или манометрическое давление без отрицательного знака. Таким образом, вакуум в 26 дюймов рт. ст. эквивалентен абсолютному давлению в 4 дюйма рт. ст., рассчитанному как 30 дюймов рт. ст. (типичное атмосферное давление) − 26 дюймов рт. ст. (манометрическое давление).

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

Использование атмосферного давления в качестве эталона обычно обозначается буквой «g» для манометра после единицы измерения давления, например, 70 фунтов на квадратный дюйм, что означает, что измеренное давление представляет собой общее давление минус атмосферное давление . Существует два типа эталонного манометра: вентилируемый манометр (vg) и герметичный манометр (sg).

Например, датчик манометрического давления с вентиляцией позволяет давлению наружного воздуха воздействовать на отрицательную сторону диафрагмы, чувствительной к давлению, через вентилируемый кабель или отверстие на боковой стороне устройства, так что он всегда измеряет давление. относится к атмосферному давлению окружающей среды . Таким образом, датчик эталонного давления с вентиляцией всегда должен показывать нулевое давление, когда соединение технологического давления остается открытым для воздуха.

Эталонный герметичный манометр очень похож, за исключением того, что атмосферное давление герметизировано на отрицательной стороне диафрагмы. Обычно это применяется в диапазонах высоких давлений, например в гидравлике , где изменения атмосферного давления оказывают незначительное влияние на точность показаний, поэтому вентиляция не требуется. Это также позволяет некоторым производителям обеспечивать вторичную герметизацию давления в качестве дополнительной меры предосторожности для безопасности оборудования, работающего под давлением, в случае давления разрыва первичной диафрагмы превышения , чувствительной к давлению.

Существует еще один способ создания герметичного эталонного манометра — создание высокого вакуума на обратной стороне чувствительной диафрагмы. Затем выходной сигнал смещается, поэтому показания датчика давления при измерении атмосферного давления близки к нулю.

Герметичный датчик эталонного давления никогда не будет показывать точно ноль, поскольку атмосферное давление постоянно меняется, и эталонное значение в этом случае фиксируется на уровне 1 бар.

Чтобы создать датчик абсолютного давления , производитель герметизирует высокий вакуум за чувствительной диафрагмой. Если соединение технологического давления датчика абсолютного давления открыто для воздуха, он будет считывать фактическое барометрическое давление .

Герметичный датчик давления аналогичен датчику избыточного давления, за исключением того, что он измеряет давление относительно некоторого фиксированного давления, а не атмосферного давления окружающей среды (которое варьируется в зависимости от местоположения и погоды).

История

На протяжении большей части человеческой истории давление таких газов, как воздух, игнорировалось, отрицалось или считалось само собой разумеющимся, но уже в VI веке до нашей эры греческий философ Анаксимен Милетский утверждал , что все вещи состоят из воздуха, который просто изменяется путем изменения уровни давления. Он мог наблюдать, как вода испаряется, превращаясь в газ, и чувствовал, что это применимо даже к твердой материи. Более конденсированный воздух делал объекты более холодными и тяжелыми, а расширенный воздух делал объекты более легкими и горячими. Это было похоже на то, как газы действительно становятся менее плотными, когда они теплее, и более плотными, когда холоднее.

В 17 веке Евангелиста Торричелли проводил эксперименты с ртутью, которые позволили ему измерить присутствие воздуха. Он погружал стеклянную трубку, закрытую с одного конца, в чашу с ртутью и вынимал из нее закрытый конец, оставляя открытый конец погруженным. Вес ртути потянет его вниз, оставив на дальнем конце частичный вакуум. Это подтвердило его веру в то, что воздух/газ имеет массу, создавая давление на окружающие его объекты. Раньше более популярным выводом, даже у Галилея , было то, что воздух невесом и именно вакуум создает силу, как в сифоне. Это открытие помогло Торричелли прийти к выводу:

Мы живем на дне океана элемента воздуха, который, как известно из бесспорных экспериментов, имеет вес.

Этот тест, известный как эксперимент Торричелли , был, по сути, первым документально подтвержденным манометром.

Блез Паскаль пошел еще дальше, поручив своему зятю провести эксперимент на разных высотах на горе и действительно обнаружив, что чем глубже в океане атмосферы, тем выше давление.

Единицы

Единицы измерения давления
v т и	Паскаль	Бар	Техническая атмосфера	Стандартная атмосфера	Торр	Фунт на квадратный дюйм
v т и	(Хорошо)	(бар)	(в)	(атм)	(Торр)	(фунт-сила/дюйм ²)
1 Ну	—	1 Па = 10 ⁻⁵ бар	1 Па = 1,0197 × 10 ⁻⁵ в	1 Па = 9,8692 × 10 ⁻⁶ банкомат	1 Па = 7,5006 × 10 ⁻³ Торр	1 Па = 0,000 145 037 737 730 фунт-сила/дюйм ²
1 бар	10 ⁵	—	= 1.0197	= 0.986 92	= 750.06	= 14.503 773 773 022
1 в	98 066 .5	0.980 665	—	0.967 841 105 3541	735.559 2401	14.223 343 307 1203
1 атм	≡ 101 325	≡ 1.013 25	1.0332	—	760	14.695 948 775 5142
1 Торр	133.322 368 421	0.001 333 224	0.001 359 51	⁠ 1 / 760 ⁠ ≈ 0.001 315 789	—	0.019 336 775
1 фунт/дюйм ²	6 894 .757 293 168	0.068 947 573	0.070 306 958	0.068 045 964	51.714 932 572	—

Показания манометра ( в фунтах на квадратный дюйм красная шкала) и кПа (черная шкала).

Единицей системе СИ давления в является паскаль (Па), равный одному ньютону на квадратный метр (Н·м). ⁻² или кг·м ⁻¹·с ⁻²). Это специальное название единицы было добавлено в 1971 году; до этого давление в системе СИ выражалось в таких единицах, как Н·м. ⁻². Если указано, нулевая опорная точка указывается в скобках после единицы измерения, например 101 кПа (абс.). Фунт на квадратный дюйм (psi) до сих пор широко используется в США и Канаде, например, для измерения давления в шинах. К единице измерения фунта на квадратный дюйм часто добавляется буква, обозначающая нулевую точку измерения; не одобряет эту практику psia для абсолютного значения, psig для манометрического, psid для дифференциального, хотя NIST . ^[3]

Поскольку давление когда-то обычно измерялось по его способности вытеснять столб жидкости в манометре, давление часто выражается как глубина конкретной жидкости ( например, дюймы воды). Манометрические измерения являются предметом расчета напора . Наиболее распространенными жидкостями манометра являются ртуть (Hg) и вода; вода нетоксична и легко доступна, а плотность ртути позволяет использовать более короткую колонку (и, следовательно, меньший манометр) для измерения заданного давления. Аббревиатура «WC» или слова «водяной столб» часто печатаются на манометрах и приборах, в которых в качестве манометра используется вода.

Плотность жидкости и местная сила тяжести могут варьироваться от одного показания к другому в зависимости от местных факторов, поэтому высота столба жидкости не определяет давление точно. Таким образом, измерения в миллиметрах ртутного столба или дюймах ртутного столба можно преобразовать в единицы СИ, если уделять внимание местным факторам плотности жидкости и силы тяжести . Колебания температуры меняют значение плотности жидкости, а местоположение может влиять на гравитацию.

Хотя эти манометрические единицы больше не являются предпочтительными, они все еще встречаются во многих областях. Артериальное давление измеряется в миллиметрах ртутного столба (см. Торр ) в большинстве стран мира, центральное венозное давление и давление в легких в сантиметрах водного столба все еще распространены, как и в установках для аппаратов CPAP. Давление в трубопроводе природного газа измеряется в дюймах водного столба и выражается в дюймах водяного столба.

Водолазы-подводники используют манометрические единицы: давление окружающей среды измеряется в метрах морской воды (мсв), которое определяется как равное одной десятой бара. ^[4]^[5] В США используется единица измерения — фут морской воды (fsw), основанная на стандартной гравитации и плотности морской воды 64 фунта/фут. ³. Согласно Руководству по дайвингу ВМС США, один fsw равен 0,30643 msw, 0,030 643 бар или 0,444 44 psi . ^[4]^[5] хотя в другом месте говорится, что 33 fsw составляет 14,7 фунтов на квадратный дюйм (одна атмосфера), что дает одно fsw, равное примерно 0,445 фунтов на квадратный дюйм. ^[6] Msw и fsw — условные единицы измерения воздействия давления на дайвера , используемые в таблицах декомпрессии и единицы калибровки пневмофатометров и в гипербарической камере манометров . ^[7] И msw, и fsw измеряются относительно нормального атмосферного давления.

В вакуумных системах используются единицы торр (миллиметр ртутного столба), микрон (микрометр ртутного столба), ^[8] и дюймы ртутного столба ( inHg ) используются чаще всего. Торр и микрон обычно обозначают абсолютное давление, а дюймы ртутного столба обычно обозначают манометрическое давление.

Атмосферное давление обычно указывается в гектопаскалях (гПа), килопаскалях (кПа), миллибарах (мбар) или атмосферах ( атм ). В американской и канадской технике напряжение часто измеряется в кипах . Стресс не является истинным давлением, поскольку он не является скалярным . В системе СГС единицей давления был бар (ба), равный 1 дин·см. ⁻². В системе МТС единицей давления был пьеза , равная 1 стену на квадратный метр.

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

Статическое и динамическое давление

Статическое давление одинаково во всех направлениях, поэтому измерения давления не зависят от направления в неподвижной (статической) жидкости. Однако поток оказывает дополнительное давление на поверхности, перпендикулярные направлению потока, при этом оказывая незначительное воздействие на поверхности, параллельные направлению потока. Эту направленную составляющую давления в движущейся (динамической) жидкости называют динамическим давлением . Прибор, обращенный по направлению потока, измеряет сумму статического и динамического давления; это измерение называется полным давлением или давлением торможения . Поскольку динамическое давление относится к статическому давлению, оно не является ни манометрическим, ни абсолютным; это перепад давления.

В то время как статическое манометрическое давление имеет первостепенное значение для определения чистых нагрузок на стенки труб, динамическое давление используется для измерения расхода и скорости воздуха. Динамическое давление можно измерить, измеряя перепад давления между приборами, параллельными и перпендикулярными потоку. статические трубки Пито Например, выполняют это измерение на самолетах для определения скорости полета. Наличие измерительного прибора неизбежно приводит к отклонению потока и созданию турбулентности, поэтому его форма имеет решающее значение для точности, а калибровочные кривые часто бывают нелинейными.

Инструменты

Датчик давления — это устройство для измерения давления газов или жидкостей . Датчики давления альтернативно могут называться датчиками давления , датчиками давления , датчиками давления , индикаторами давления , пьезометрами и манометрами , а также другими названиями.

Давление — это выражение силы, необходимой для предотвращения расширения жидкости, и обычно выражается в единицах силы на единицу площади. Датчик давления обычно действует как преобразователь ; он генерирует сигнал в зависимости от приложенного давления.

Датчики давления могут существенно различаться по технологии, конструкции, характеристикам, пригодности для применения и стоимости. По самым скромным оценкам, во всем мире существует более 50 технологий и не менее 300 компаний, производящих датчики давления. Существует также категория датчиков давления, которые предназначены для измерения в динамическом режиме для регистрации очень быстрых изменений давления. Примером применения датчика этого типа может быть измерение давления сгорания в цилиндре двигателя или газовой турбине. Эти датчики обычно изготавливаются из пьезоэлектрических материалов, таких как кварц.

Некоторые датчики давления представляют собой реле давления , которые включаются или выключаются при определенном давлении. Например, водяным насосом можно управлять с помощью реле давления, чтобы он запускался при выходе воды из системы, снижая давление в резервуаре.

Диапазон давления, чувствительность, динамический отклик и стоимость варьируются на несколько порядков в зависимости от конструкции прибора. Самым старым типом является манометр жидкостного столба (вертикальная трубка, наполненная ртутью), изобретенный Евангелистой Торричелли в 1643 году. U-образная трубка была изобретена Христианом Гюйгенсом в 1661 году.

Существует две основные категории аналоговых датчиков давления: коллекторы силы и другие типы.

Типы коллекторов силы: В электронных датчиках давления этих типов обычно используется коллектор силы (например, диафрагма, поршень, трубка Бурдона или сильфон) для измерения деформации (или отклонения) из-за приложенной к определенной площади силы (давления).

Пьезорезистивный тензорезистор : использует пьезорезистивный эффект склеенных или формованных тензорезисторов для обнаружения деформации из-за приложенного давления, электрическое сопротивление увеличивается по мере того, как давление деформирует материал. Распространенными типами технологий являются кремний (монокристаллический), тонкая пленка из поликремния, металлическая фольга со связкой, толстая пленка, кремний на сапфире и тонкая пленка, напыленная. Обычно тензорезисторы подключаются по мостовой схеме Уитстона , чтобы максимизировать выходной сигнал датчика и снизить чувствительность к ошибкам. Это наиболее часто используемая технология измерения давления общего назначения.
Емкостный : использует диафрагму и полость давления для создания переменного конденсатора для обнаружения деформации из-за приложенного давления, емкость уменьшается по мере того, как давление деформирует диафрагму. В обычных технологиях используются металлические, керамические и кремниевые диафрагмы. Емкостные датчики давления интегрируются в CMOS технологию ^[9] и изучается тонких 2D-материалов в качестве материала диафрагмы. возможность использования ^[10]
Электромагнитный : измеряет смещение диафрагмы посредством изменения индуктивности (сопротивления), линейного регулируемого дифференциального трансформатора (LVDT) , эффекта Холла или принципа вихревых токов .
Пьезоэлектрический : использует пьезоэлектрический эффект в некоторых материалах, таких как кварц, для измерения деформации чувствительного механизма из-за давления. Эта технология обычно используется для измерения высокодинамических давлений. Поскольку основной принцип является динамическим, статическое давление невозможно измерить с помощью пьезоэлектрических датчиков.
Тензодатчик : в датчиках давления на основе тензодатчиков также используется чувствительный к давлению элемент, к которому приклеиваются металлические тензорезисторы или наносятся тонкопленочные датчики путем напыления. Этот измерительный элемент может представлять собой либо диафрагму, либо для манометров из металлической фольги также могут использоваться измерительные корпуса в виде банок. Большими преимуществами этой монолитной конструкции баночного типа являются повышенная жесткость и способность измерять самые высокие давления до 15 000 бар. Электрическое соединение обычно осуществляется через мост Уитстона, что обеспечивает хорошее усиление сигнала и получение точных и постоянных результатов измерений. ^[11]
Оптический : методы включают использование физического изменения оптического волокна для обнаружения деформации из-за приложенного давления. Типичным примером этого типа являются волоконные решетки Брэгга . Эта технология используется в сложных приложениях, где измерения могут быть очень удаленными, при высокой температуре или могут быть полезны технологии, изначально невосприимчивые к электромагнитным помехам. Другой аналогичный метод использует эластичную пленку, состоящую из слоев, которые могут изменять длину волны отражения в зависимости от приложенного давления (деформации). ^[12]
Потенциометрический : использует движение дворника по резистивному механизму для обнаружения деформации, вызванной приложенным давлением.

Балансировка сил : в трубках Бурдона из плавленого кварца, сбалансированных по силам, используется спиральная трубка Бурдона для приложения силы к вращающемуся якорю, содержащему зеркало; отражение луча света от зеркала определяет угловое смещение, и ток подается на электромагниты на якоре, чтобы уравновесить силу, действующую на трубку, и довести угловое смещение до нуля, в качестве измерения используется ток, подаваемый на катушки. Благодаря чрезвычайно стабильным и повторяемым механическим и термическим свойствам плавленого кварца, а также балансировке сил, которая устраняет большинство нелинейных эффектов, эти датчики могут иметь точность около 1 ppm полной шкалы. ^[13] Из-за чрезвычайно тонких структур из плавленого кварца, которые изготавливаются вручную и требуют профессиональных навыков для изготовления, эти датчики обычно ограничиваются научными и калибровочными целями. Датчики, не балансирующие силу, имеют меньшую точность, и считывание углового смещения не может быть выполнено с той же точностью, что и измерение балансировки сил, хотя их проще сконструировать из-за большего размера, они больше не используются.

Другие типы: Эти типы электронных датчиков давления используют другие свойства (например, плотность) для определения давления газа или жидкости.

Резонансный : использует изменения резонансной частоты в сенсорном механизме для измерения напряжения или изменений плотности газа, вызванных приложенным давлением. Эту технологию можно использовать в сочетании с коллектором силы, например, из категории выше. Альтернативно, можно использовать резонансную технологию, подвергая сам резонирующий элемент воздействию среды, при этом резонансная частота зависит от плотности среды. Датчики изготавливаются из вибрирующей проволоки, вибрирующих цилиндров, кварца и кремниевых МЭМС . Обычно считается, что эта технология обеспечивает очень стабильные показания с течением времени. Пленочный датчик давления представляет собой тип резонансного датчика давления MEMS, который работает с помощью тонкой мембраны, которая сжимает тонкую пленку газа на высокой частоте. Поскольку сжимаемость и жесткость газовой пленки зависят от давления, в качестве меры давления газа используется резонансная частота датчика давления сжимающей пленки. ^[14]^[15]
Термический : для измерения давления используются изменения теплопроводности газа из-за изменений плотности. Типичным примером этого типа является калибр Пирани .
Ионизация : измеряет поток заряженных частиц газа (ионов), который меняется в зависимости от изменения плотности, для измерения давления. Распространенными примерами являются датчики с горячим и холодным катодом.

Датчик давления, резонансный кварцевый тензодатчик с силовым коллектором с трубкой Бурдона , является важнейшим датчиком DART . ^[16] DART обнаруживает волны цунами со дна открытого океана. Он имеет разрешение по давлению примерно 1 мм водного столба при измерении давления на глубине в несколько километров. ^[17]

Гидростатический

Гидростатические датчики (например, ртутный столбчатый манометр) сравнивают давление с гидростатической силой на единицу площади у основания столба жидкости. Измерения гидростатического манометра не зависят от типа измеряемого газа и могут быть спроектированы так, чтобы иметь очень линейную калибровку. У них плохой динамический отклик.

Поршень

Манометры поршневого типа уравновешивают давление жидкости пружиной (например, манометры в шинах сравнительно низкой точности) или твердым грузом, в этом случае он известен как грузопоршневой манометр и может использоваться для калибровки других манометров.

Столб жидкости (манометр)

Разница в высоте жидкости в манометре водяного столба пропорциональна разности давлений: $h={\frac {P_{a}-P_{o}}{g\rho }}$

Манометры с жидкостным столбом состоят из столба жидкости в трубке, концы которой подвергаются разному давлению. Колонна будет подниматься или опускаться до тех пор, пока ее вес (сила, приложенная из-за силы тяжести) не придет в равновесие с перепадом давления между двумя концами трубки (сила, приложенная из-за давления жидкости). Очень простой вариант — это U-образная трубка, наполовину заполненная жидкостью, одна сторона которой соединена с интересующей областью, а к другой приложено опорное давление (которое может быть атмосферным давлением или вакуумом). Разница уровней жидкости представляет собой приложенное давление. Давление, оказываемое столбом жидкости высотой h и плотностью ρ, определяется уравнением гидростатического давления P = hgρ . Следовательно, разность давлений между приложенным давлением и _Pa эталонным давлением P ₀ в манометре с U-образной трубкой может быть найдена путем решения P _a - P ₀ = hgρ . Другими словами, давление на обоих концах жидкости (показано синим цветом на рисунке) должно быть сбалансировано (поскольку жидкость статична), и поэтому п _{а знак} равно п ₀ + hgρ .

В большинстве измерений столба жидкости результатом измерения является высота h , обычно выражаемая в мм, см или дюймах. h . известен как напор также Когда давление выражается в виде напора, давление указывается в единицах длины, и должна быть указана измеряемая жидкость. Когда точность имеет решающее значение, необходимо также указать температуру измеряемой жидкости, поскольку плотность жидкости является функцией температуры . Так, например, высота давления может быть записана как «742,2 мм _{рт. ст.} » или «4,2 дюйма _{H ₂ O} при 59 °F» для измерений, выполненных с использованием ртути или воды в качестве манометрической жидкости соответственно. К такому измерению можно добавить слово «манометр» или «вакуум», чтобы различать давление выше или ниже атмосферного давления. И миллиметры ртутного столба, и дюймы водяного столба являются обычными напорами, которые можно преобразовать в единицы давления СИ с помощью преобразования единиц и приведенных выше формул.

Если измеряемая жидкость имеет значительную плотность, возможно, придется внести гидростатическую поправку на высоту между движущейся поверхностью рабочей жидкости манометра и местом, где желательно измерение давления, за исключением случаев измерения перепада давления жидкости (например, через диафрагму или трубку Вентури), и в этом случае плотность ρ следует корректировать путем вычитания плотности измеряемой жидкости. ^[18]

Хотя можно использовать любую жидкость, ртуть предпочтительнее из-за ее высокой плотности (13,534 г/см3). ³) и низкое давление пара . Его выпуклый мениск является преимуществом, поскольку это означает, что не будет ошибок давления из- за смачивания стекла, хотя в исключительно чистых условиях ртуть прилипнет к стеклу, и барометр может застрять (ртуть может выдерживать отрицательное абсолютное давление ) даже под сильный вакуум. ^[19] Для небольших перепадов давления обычно используют легкое масло или воду (последнее приводит к таким единицам измерения, как дюймы водяного столба и миллиметры H ₂ O ). Манометры жидкостного столба имеют высоколинейную калибровку. У них плохой динамический отклик, поскольку жидкость в колонне может медленно реагировать на изменение давления.

При измерении вакуума рабочая жидкость может испаряться и загрязнять вакуум, если давление ее пара слишком велико. При измерении давления жидкости петля, заполненная газом или легкой жидкостью, может изолировать жидкости, чтобы предотвратить их смешивание, но это может быть ненужным, например, когда ртуть используется в качестве манометрической жидкости для измерения перепада давления жидкости, такой как вода. Простые гидростатические манометры могут измерять давление в диапазоне от нескольких торр (несколько 100 Па) до нескольких атмосфер (приблизительно 1 000 000 Па ).

Однорычажный манометр с жидкостной колонкой имеет резервуар большего размера вместо одной стороны U-образной трубки и шкалу рядом с более узкой колонкой. Колонна может быть наклонена для дальнейшего усиления движения жидкости. В зависимости от назначения и конструкции применяются следующие типы манометров. ^[20]

Простой манометр
Микроманометр
Дифференциальный манометр
Инвертированный дифференциальный манометр

Датчик МакЛеода

Манометр МакЛеода изолирует образец газа и сжимает его в модифицированном ртутном манометре до тех пор, пока давление не достигнет нескольких миллиметров ртутного столба . Этот метод очень медленный и не подходит для постоянного мониторинга, но обеспечивает хорошую точность. В отличие от других манометров, показания манометра Маклеода зависят от состава газа, поскольку интерпретация основана на сжатии образца как идеального газа . Из-за процесса сжатия манометр Маклеода полностью игнорирует парциальные давления неидеальных паров, которые конденсируются, таких как насосные масла, ртуть и даже вода, если они достаточно сжаты.

Полезный диапазон : примерно от 10 ⁻⁴ Торр ^[21] (около 10 ⁻² Па) до вакуума до 10 ⁻⁶ Торр (0,1 мПа),

0,1 мПа — это наименьшее прямое измерение давления, возможное с помощью современных технологий. Другие вакуумметры могут измерять более низкие давления, но только косвенно, измеряя другие свойства, зависящие от давления. Эти косвенные измерения должны быть откалиброваны в единицах СИ с помощью прямого измерения, чаще всего с помощью датчика Маклеода. ^[22]

Анероид

В основе манометров- анероидов лежит металлический чувствительный к давлению элемент, который упруго изгибается под действием перепада давления на элементе. «Анероид» означает «без жидкости», и этот термин первоначально отличал эти манометры от гидростатических манометров, описанных выше. Однако манометры-анероиды можно использовать для измерения давления как жидкости, так и газа, и они не являются единственным типом манометров, которые могут работать без жидкости. их часто называют механическими По этой причине в современном языке манометрами. Анероидные манометры не зависят от типа измеряемого газа, в отличие от тепловых и ионизационных манометров, и с меньшей вероятностью загрязняют систему, чем гидростатические манометры. Чувствительным элементом давления может быть трубка Бурдона , диафрагма, капсула или набор сильфонов, которые будут менять форму в ответ на давление в рассматриваемой области. Отклонение чувствительного к давлению элемента может считываться с помощью рычажного механизма, соединенного с иглой, или с помощью вторичного преобразователя. Наиболее распространенные вторичные преобразователи в современных вакуумметрах измеряют изменение емкости из-за механического отклонения. Манометры, которые основаны на изменении емкости, часто называют емкостными манометрами.

Трубка Бурдона

Манометр Бурдона использует принцип, согласно которому сплющенная трубка имеет тенденцию выпрямляться или восстанавливать свою круглую форму в поперечном сечении под давлением. ( Этот принцип иллюстрируется рогом для вечеринок .) Это изменение поперечного сечения может быть едва заметным и связано с умеренными напряжениями в пределах диапазона упругости легко обрабатываемых материалов. Деформация . материала трубки увеличивается за счет придания трубке С-образной формы или даже спирали, так что вся трубка имеет тенденцию распрямляться или упруго разматываться под давлением Эжен Бурдон запатентовал свой датчик во Франции в 1849 году, и он получил широкое распространение благодаря своей исключительной простоте, линейности и точности; Bourdon теперь является частью группы Baumer и по-прежнему производит манометры с трубкой Бурдона во Франции. Эдвард Эшкрофт приобрел американские патентные права Бурдона в 1852 году и стал крупным производителем манометров. Также в 1849 году Бернард Шеффер в Магдебурге, Германия, запатентовал успешный мембранный манометр (см. ниже), который вместе с манометром Бурдона произвел революцию в измерении давления в промышленности. ^[23] Но в 1875 году, после истечения срока действия патентов Бурдона, его компания «Шеффер и Буденберг» также производила манометры с трубкой Бурдона.

На практике сплюснутая тонкостенная трубка с закрытым концом соединяется полым концом с неподвижной трубкой, в которой находится измеряемая жидкость. При увеличении давления закрытый конец движется по дуге, и это движение преобразуется во вращение (сегмента) шестерни соединительным звеном, обычно регулируемым. На валу указателя находится ведущая шестерня малого диаметра, поэтому движение еще больше усиливается за счет передаточного числа . Расположение индикаторной карты за указателем, исходное положение стержня указателя, длина рычага и исходное положение - все это обеспечивает средства калибровки указателя для указания желаемого диапазона давления для изменений в поведении самой трубки Бурдона. Дифференциальное давление можно измерить с помощью манометров, содержащих две разные трубки Бурдона с соединительными звеньями (но чаще всего оно измеряется с помощью диафрагм или сильфонов и балансировочной системы).

Трубки Бурдона измеряют манометрическое давление относительно атмосферного давления окружающей среды, а не абсолютного давления ; вакуум воспринимается как обратное движение. В некоторых барометрах-анероидах используются трубки Бурдона, закрытые с обоих концов (но в большинстве из них используются диафрагмы или капсулы, см. Ниже). Когда измеряемое давление быстро пульсирует, например, когда манометр находится рядом с поршневым насосом , часто используется ограничитель отверстия в соединительной трубе, чтобы избежать ненужного износа шестерен и обеспечить среднее показание; Когда весь манометр подвергается механической вибрации, корпус (включая указатель и циферблат) можно заполнить маслом или глицерином . Типичные высококачественные современные манометры обеспечивают точность ±1% от диапазона (номинальный диаметр 100 мм, класс 1 EN837-1), а специальный высокоточный манометр может иметь точность до 0,1% от полной шкалы. ^[24]

Датчики с трубкой Бурдона из плавленого кварца, сбалансированные по силе, работают по тому же принципу, но используют отражение луча света от зеркала для определения углового смещения, а ток подается на электромагниты, чтобы уравновесить силу трубки и вернуть угловое смещение обратно в исходное положение. ноль, в качестве измерения используется ток, подаваемый на катушки. Благодаря чрезвычайно стабильным и повторяемым механическим и термическим свойствам кварца, а также силовой балансировке, которая исключает практически все физические движения, эти датчики могут иметь точность около 1 ppm полной шкалы. ^[25] Из-за чрезвычайно мелкой структуры плавленого кварца, которую приходится изготавливать вручную, эти датчики обычно ограничиваются научными и калибровочными целями.

На следующих иллюстрациях комбинированного манометра (вакуум и манометрическое давление) корпус и окошко удалены, чтобы показать только циферблат, указатель и технологическое соединение. Этот конкретный манометр представляет собой комбинацию вакуумного и манометрического манометра, используемого для автомобильной диагностики:

Индикатор спереди с указателем и циферблатом

Левая сторона лица, используемая для измерения вакуума, откалибрована в дюймах ртутного столба по внешней шкале и в сантиметрах ртутного столба по внутренней шкале.
Правая часть лица используется для измерения топливного насоса давления или турбонаддува и измеряется в фунтах на квадратный дюйм по внешней шкале и в кг/ см. ² в своем внутреннем масштабе.

Механические детали включают в себя неподвижные и движущиеся части.

Стационарные части:

Ресиверный блок. Он соединяет впускную трубу с фиксированным концом трубки Бурдона (1) и фиксирует пластину шасси (В). В два отверстия вставлены винты, которые крепят корпус.
Табличка шасси. К нему прикреплён циферблат. В нем имеются подшипниковые отверстия для осей.
Табличка вторичного шасси. Он поддерживает внешние концы осей.
Стойки для соединения и разделения двух пластин шасси.

Движущиеся части:

Неподвижный конец трубки Бурдона. Он сообщается с впускным патрубком через ресиверный блок.
Подвижный конец трубки Бурдона. Этот конец запечатан.
Шарнир и шарнирный штифт
Соедините шарнирный штифт с рычагом (5) с помощью штифтов, обеспечивающих вращение шарнира.
Рычаг, продолжение секторной шестерни (7)
Палец оси секторной шестерни
Сектор передач
Ось индикаторной иглы. 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 бобышкой тяги рычага и шарнирным пальцем, а также из-за разницы между эффективным радиусом секторной шестерни и прямозубой шестерни любое движение трубки Бурдона значительно усиливается. Небольшое движение трубки приводит к сильному движению индикаторной стрелки.
Волосистая пружина для предварительной нагрузки зубчатой передачи для устранения люфта и гистерезиса шестерни.

Диафрагма (мембрана)

Второй тип анероидного манометра использует отклонение гибкой мембраны , разделяющей области с разным давлением. Величина отклонения повторяется для известных давлений, поэтому давление можно определить с помощью калибровки. Деформация тонкой диафрагмы зависит от разницы давлений между двумя ее гранями. Эталонная поверхность может быть открыта в атмосферу для измерения манометрического давления, открыта для второго порта для измерения перепада давления или может быть герметизирована от вакуума или другого фиксированного эталонного давления для измерения абсолютного давления. Деформацию можно измерить механическими, оптическими или емкостными методами. Используются керамические и металлические диафрагмы.Полезный диапазон выше 10. ⁻² Торр (примерно 1 Па ). ^[26]Для абсолютных измерений часто используются сварные капсулы давления с диафрагмами с обеих сторон.Формы мембран включают в себя:

Плоский
Гофрированный
Сплющенная трубка
Капсула

Сильфоны

В манометрах, предназначенных для измерения небольших давлений или перепадов давления или требующих измерения абсолютного давления, зубчатая передача и игла могут приводиться в движение закрытой и герметичной сильфонной камерой, называемой анероидом . (Ранние барометры использовали столб жидкости, такой как вода или жидкий металл ртути , подвешенный в вакууме .) Эта конфигурация сильфона используется в барометрах-анероидах (барометрах с показывающей стрелкой и карточкой циферблата), высотомерах записывающих высоту , барографах, , и высоте. телеметрические приборы, используемые в метеозондов радиозондах . Эти устройства используют герметичную камеру в качестве эталонного давления и приводятся в действие внешним давлением. Другие чувствительные авиационные приборы, такие как указатели воздушной скорости и указатели скороподъемности ( вариометры ), имеют соединения как с внутренней частью анероидной камеры, так и с внешней ограждающей камерой.

Магнитная муфта

Эти манометры используют притяжение двух магнитов для преобразования перепада давления в движение указателя шкалы. По мере увеличения перепада давления магнит, прикрепленный к поршню или резиновой диафрагме, перемещается. Вращающийся магнит, прикрепленный к указателю, движется синхронно. Для создания различных диапазонов давления жесткость пружины можно увеличить или уменьшить.

Датчик вращающегося ротора

Манометр с вращающимся ротором работает, измеряя, как вращающийся шар замедляется из-за вязкости измеряемого газа. Шар изготовлен из стали и левитирует с помощью магнита внутри стальной трубки, закрытой с одного конца и подвергающейся воздействию газа, подлежащего измерению, с другого. Шар доводится до скорости (около 2500 или 3800 рад /с), а скорость торможения измеряется после выключения привода электромагнитными датчиками. ^[27] Дальность действия инструмента 5. ⁻⁵ до 10 ² Ну (10 ³ Па с меньшей точностью). Он достаточно точен и стабилен, чтобы его можно было использовать в качестве вторичного эталона . За последние годы этот тип датчиков стал намного более удобным и простым в эксплуатации. В прошлом этот инструмент был известен тем, что для его правильного использования требовались определенные навыки и знания. Для измерений с высокой точностью необходимо внести различные поправки и перед использованием шарик необходимо вращать при давлении значительно ниже предполагаемого давления измерения в течение пяти часов. Это наиболее полезно в калибровочных и исследовательских лабораториях, где требуется высокая точность и имеются квалифицированные специалисты. ^[28] Мониторинг вакуума изоляции криогенных жидкостей также хорошо подходит для этой системы. Благодаря недорогому и долговременно стабильному свариваемому датчику, который можно отделить от более дорогой электроники, он идеально подходит для всех статических пылесосов.

Электронные приборы давления

Металлический тензодатчик: Тензорезистор обычно приклеивается ( пленочный тензодатчик) или наносится (тонкопленочный тензодатчик) на мембрану. Отклонение мембраны под действием давления вызывает изменение сопротивления тензодатчика, которое можно измерить электронным способом.
Пьезорезистивный тензодатчик: Использует пьезорезистивный эффект приклеенных или формованных тензорезисторов для обнаружения деформации, вызванной приложенным давлением.
Пьезорезистивный кремниевый датчик давления: Датчик, как правило, представляет собой пьезорезистивный кремниевый датчик давления с температурной компенсацией, выбранный из-за его превосходных характеристик и долгосрочной стабильности. Интегральная 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 усиления внешнего дифференциального усилителя. Это обеспечивает хорошую чувствительность и долговременную стабильность. Два порта датчика подают давление на один и тот же датчик, см. диаграмму потока давления ниже.

Это слишком упрощенная схема, но вы можете увидеть принципиальную конструкцию внутренних портов датчика. Здесь важно отметить «диафрагму», поскольку это сам датчик. Имеет ли он слегка выпуклую форму (сильно утрированную на рисунке); это важно, поскольку влияет на точность используемого датчика.

Форма датчика важна, поскольку он откалиброван для работы в направлении потока воздуха, как показано КРАСНЫМИ стрелками. Это нормальная работа датчика давления, при которой на дисплее цифрового измерителя давления отображаются положительные показания. Приложение давления в обратном направлении может привести к ошибкам в результатах, поскольку движение давления воздуха пытается заставить диафрагму двигаться в противоположном направлении. Ошибки, вызванные этим, невелики, но могут быть значительными, и поэтому всегда предпочтительнее обеспечить, чтобы более положительное давление всегда прилагалось к положительному (+ve) порту, а более низкое давление - к отрицательному (-ve). порт для нормального применения при избыточном давлении. То же самое относится и к измерению разницы между двумя вакуумами: больший вакуум всегда следует подавать к отрицательному (-ve) порту.Измерение давления через мост Уитстона выглядит примерно так....

Эффективная электрическая модель преобразователя вместе с базовой схемой формирования сигнала показана на схеме приложения. Датчик давления представляет собой полностью активный мост Уитстона с температурной компенсацией и корректировкой смещения с помощью толстопленочных резисторов с лазерной подстройкой. Возбуждение моста подается постоянным током. Выход моста низкого уровня находится на +O и -O, а диапазон усиления устанавливается резистором программирования коэффициента усиления (r). Электрическая конструкция управляется микропроцессором, что позволяет выполнять калибровку, дополнительные функции для пользователя, такие как выбор шкалы, удержание данных, функции нуля и фильтра, а также функцию записи, которая сохраняет/отображает MAX/MIN.

Емкостный: Использует диафрагму и полость давления для создания переменного конденсатора для обнаружения деформации, вызванной приложенным давлением.
Магнитный: Измеряет смещение диафрагмы посредством изменения индуктивности ( сопротивления), LVDT , эффекта Холла или принципа вихревых токов .
Пьезоэлектрический: Использует пьезоэлектрический эффект в некоторых материалах, таких как кварц, для измерения деформации чувствительного механизма под действием давления.
Оптический: Использует физическое изменение оптического волокна для обнаружения деформации из-за приложенного давления.
потенциометрический: Использует движение дворника по резистивному механизму для обнаружения деформации, вызванной приложенным давлением.
Резонансный: Использует изменения резонансной частоты в сенсорном механизме для измерения напряжения или изменений плотности газа, вызванных приложенным давлением.

Теплопроводность

Обычно по мере увеличения плотности реального газа , что может указывать на увеличение давления , его способность проводить тепло увеличивается. В этом типе датчика проволочная нить нагревается, пропуская через нее ток. термопару (RTD) . или термометр сопротивления Затем для измерения температуры нити можно использовать Эта температура зависит от скорости, с которой нить отдает тепло окружающему газу, и, следовательно, от теплопроводности . Распространенным вариантом является датчик Пирани , в котором используется одна платиновая нить как в качестве нагревательного элемента, так и в качестве термометра сопротивления. Эти датчики имеют точность от 10 ⁻³ Торр до 10 Торр , но их калибровка чувствительна к химическому составу измеряемых газов.

Пирани (один провод)

Манометр Пирани состоит из металлической проволоки, открытой для измеряемого давления. Проволока нагревается протекающим по ней током и охлаждается окружающим ее газом. Если давление газа уменьшить, охлаждающий эффект уменьшится, следовательно, равновесная температура проволоки увеличится. Сопротивление текущий провода является функцией его температуры : измеряя напряжение на проводе и ток, через него, можно определить сопротивление (и, следовательно, давление газа). Этот тип калибра был изобретен Марчелло Пирани .

Двухпроводной

В двухпроводных манометрах одна проволочная катушка используется в качестве нагревателя, а другая — для измерения температуры за счет конвекции . Манометры с термопарами и термисторы работают таким образом, используя термопару или термистор соответственно для измерения температуры нагретой проволоки.

Ионизационный датчик

Ионизационные манометры являются наиболее чувствительными манометрами для очень низких давлений (также называемых жестким или высоким вакуумом). Они чувствуют давление косвенно, измеряя количество электрических ионов, образующихся при бомбардировке газа электронами. Меньше ионов будет производиться газами с более низкой плотностью. Калибровка ионного датчика нестабильна и зависит от природы измеряемых газов, которая не всегда известна. Их можно калибровать по манометру Маклеода , который гораздо более стабилен и не зависит от химического состава газа.

Термоэлектронная эмиссия генерирует электроны, которые сталкиваются с атомами газа и генерируют положительные ионы . Ионы притягиваются к электроду с соответствующим смещением, известному как коллектор. Ток в коллекторе пропорционален скорости ионизации, которая является функцией давления в системе. Следовательно, измерение тока коллектора дает давление газа. Существует несколько подтипов ионизационных датчиков.

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

Большинство ионных датчиков бывают двух типов: с горячим катодом и с холодным катодом. В версии с горячим катодом электрически нагретая нить создает электронный луч. Электроны проходят через датчик и ионизируют молекулы газа вокруг себя. Образовавшиеся ионы собираются на отрицательном электроде. Ток зависит от количества ионов, которое зависит от давления в манометре. Датчики с горячим катодом имеют точность от 10 ⁻³ Торру 10 лет. ⁻¹⁰ Торр. Принцип версии с холодным катодом тот же, за исключением того, что электроны производятся при разряде высокого напряжения. Манометры с холодным катодом имеют точность от 10 ⁻² Торру 10 лет. ⁻⁹ Торр. Калибровка ионизационного датчика очень чувствительна к геометрии конструкции, химическому составу измеряемых газов, коррозии и поверхностным отложениям. Их калибровка может быть признана недействительной при активации при атмосферном давлении или низком вакууме. Состав газов в условиях высокого вакуума обычно непредсказуем, поэтому масс-спектрометр в сочетании с ионизационным датчиком. для точных измерений необходимо использовать ^[29]

Горячий катод

Ионизационный датчик с горячим катодом состоит в основном из трех электродов, действующих вместе как триод , где катодом является нить накала. Три электрода представляют собой коллектор или пластину, нить накала и сетку . коллектора измеряется в пикоамперах электрометром . Ток Напряжение накала накала относительно земли обычно имеет потенциал 30 В, а напряжение сетки - 180–210 В постоянного тока, если нет дополнительной функции бомбардировки электронами , путем нагрева сетки, которая может иметь высокий потенциал примерно 565 В.

Наиболее распространенным датчиком ионов является датчик Баярда-Альперта с горячим катодом , с небольшим коллектором ионов внутри сетки. Стеклянная оболочка с отверстием для вакуума может окружать электроды, но обычно обнаженный манометр вставляется непосредственно в вакуумную камеру, а штифты проходят через керамическую пластину в стенке камеры. Манометры с горячим катодом могут быть повреждены или потерять калибровку, если они подвергаются воздействию атмосферного давления или даже низкого вакуума, пока они горячие. Измерения ионизационного датчика с горячим катодом всегда логарифмические.

Электроны, испускаемые нитью, несколько раз совершают возвратно-поступательные движения вокруг сетки, прежде чем, наконец, войти в сетку. Во время этих движений некоторые электроны сталкиваются с газообразной молекулой, образуя пару иона и электрона ( электронная ионизация ). Число этих ионов пропорционально плотности молекул газа, умноженной на ток электронов, испускаемых нитью накала, и эти ионы вливаются в коллектор, образуя ионный ток. Поскольку плотность молекул газа пропорциональна давлению, давление оценивают путем измерения ионного тока.

Чувствительность датчиков с горячим катодом при низком давлении ограничена фотоэлектрическим эффектом. Электроны, попадающие на сетку, производят рентгеновские лучи, которые создают фотоэлектрический шум в коллекторе ионов. Это ограничивает диапазон старых датчиков с горячим катодом до 10. ⁻⁸ Торр и Баярд-Альперт примерно до 10. ⁻¹⁰ Торр. Дополнительные провода при катодном потенциале в зоне прямой видимости между коллектором ионов и сеткой предотвращают этот эффект. В экстракционном типе ионы притягиваются не проволокой, а открытым конусом. Поскольку ионы не могут решить, в какую часть конуса попасть, они проходят через отверстие и образуют ионный луч. 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 мишень, образуя распылительный пистолет . В этом случае клапан пропускает газ в решетчатую клетку.

Холодный катод

Существует два подтипа ионизационных датчиков с холодным катодом : датчик Пеннинга (изобретенный Франсом Мишелем Пеннингом ) и инвертированный магнетрон , также называемый датчиком Редхеда . Основное различие между ними заключается в положении анода относительно катода . Ни один из них не имеет нити накала, и для работы каждого из них может потребоваться потенциал постоянного тока около 4 кВ . Инвертированные магнетроны могут измерять размеры до 1 × 10. ⁻¹² Торр .

Аналогичным образом, манометры с холодным катодом могут неохотно запускаться при очень низких давлениях, поскольку почти отсутствие газа затрудняет установление электродного тока - в частности, в манометрах Пеннинга, которые используют аксиально-симметричное магнитное поле для создания пути длины электронов порядка метров. В окружающем воздухе подходящие ионные пары повсеместно образуются под действием космического излучения; в манометрах Пеннинга конструктивные особенности используются для облегчения настройки пути выпуска. Например, электрод манометра Пеннинга обычно имеет тонкую коническую форму, чтобы облегчить автоэмиссию электронов.

Циклы технического обслуживания манометров с холодным катодом обычно измеряются годами в зависимости от типа газа и давления, в котором они эксплуатируются. Использование манометров с холодным катодом в газах со значительным содержанием органических компонентов, таких как фракции насосного масла, может привести к рост тонких углеродных пленок и осколков внутри датчика, которые в конечном итоге либо вызывают короткое замыкание электродов датчика, либо препятствуют образованию пути разряда.

Сравнение приборов измерения давления ^[30]
Физические явления	Инструмент	Основное уравнение	Ограничивающие факторы	Практический диапазон давления	Идеальная точность	Время ответа
Механический	Манометр жидкостного столба	$\Delta P=\rho gh$		атм. до 1 мбар
Механический	Капсульный циферблатный индикатор		Трение	от 1000 до 1 мбар	±5% от полной шкалы	Медленный
Механический	Тензодатчик			от 1000 до 1 мбар		Быстрый
Механический	Емкостный манометр		Колебания температуры	банкомат до 10 ⁻⁶ мбар	±1% от показания	Медленнее при установленном фильтре
Механический	МакЛеод	Закон Бойля		от 10 до 10 ⁻³ мбар	±10% от показания между 10 ⁻⁴ и 5⋅10 ⁻² мбар
Транспорт	Вращающийся ротор ( перетаскивание )			10 ⁻¹ до 10 ⁻⁷ мбар	±2,5% от показания между 10 ⁻⁷ и 10 ⁻² мбар от 2,5 до 13,5% между 10 ⁻² и 1 мбар
Транспорт	Пирани ( мост Уитстона )		Теплопроводность	1000 к 10 ⁻³ мбар (постоянная температура) от 10 до 10 ⁻³ мбар (постоянное напряжение)	±6% от показания между 10 ⁻² и 10 мбар	Быстрый
Транспорт	Термопара ( эффект Зеебека )		Теплопроводность	от 5 до 10 ⁻³ мбар	±10% от показания между 10 ⁻² и 1 мбар
Ионизация	Холодный катод (Пеннинг)		Выход ионизации	10 ⁻² до 10 ⁻⁷ мбар	От +100 до -50% чтения
Ионизация	Горячий катод (ионизация, вызванная термоэлектронной эмиссией)		Измерение слабого тока; паразитарное рентгеновское излучение	10 ⁻³ до 10 ⁻¹⁰ мбар	±10% между 10 ⁻⁷ и 10 ⁻⁴ мбар ±20% при 10 ⁻³ и 10 ⁻⁹ мбар±100% при 10 ⁻¹⁰ мбар

Динамические переходные процессы

Когда потоки жидкости не находятся в равновесии, локальное давление может быть выше или ниже среднего давления в среде. Эти возмущения распространяются от своего источника в виде продольных изменений давления на пути распространения. Это еще называют звуком. Звуковое давление — это мгновенное отклонение местного давления от среднего давления, вызванное звуковой волной. Звуковое давление можно измерить с помощью микрофона в воздухе и гидрофона в воде. Эффективное звуковое давление представляет собой среднеквадратическое значение мгновенного звукового давления за заданный интервал времени. Звуковое давление обычно невелико и часто выражается в микробарах.

частотная характеристика датчиков давления
резонанс

Калибровка и стандарты

Американское общество инженеров-механиков (ASME) разработало два отдельных стандарта измерения давления: B40.100 и PTC 19.2. B40.100 содержит рекомендации по манометрам с циферблатным индикатором давления и цифровым манометрам, разделительным диафрагмам, демпферам и клапанам ограничения давления. PTC 19.2 содержит инструкции и рекомендации по точному определению значений давления в соответствии с кодами испытаний производительности ASME. Выбор метода, приборов, необходимых расчетов и поправок зависит от цели измерения, допустимой неопределенности и характеристик испытуемого оборудования.

Также представлены методы измерения давления и протоколы, используемые для передачи данных. Даны рекомендации по настройке приборов и определению неопределенности измерения. Предоставляется информация о типе прибора, конструкции, применимом диапазоне давления, точности, производительности и относительной стоимости. Также представлена информация об устройствах измерения давления, которые используются в полевых условиях, т. е. о поршневых манометрах, манометрах и приборах низкого абсолютного давления (вакуума).

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

Европейский стандарт (CEN)

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. Мембранные и капсульные манометры. Размеры, метрология, требования и испытания.

США ASME Стандарты

В40.100-2013 - Манометры и приспособления для манометров.
PTC 19.2-2010: Правила испытаний производительности для измерения давления.

Приложения

Существует множество применений датчиков давления:

Измерение давления

Здесь нас интересует давление , выраженное как сила на единицу площади. Это полезно в метеорологических приборах, самолетах, автомобилях и любой другой технике, в которой реализована функция измерения давления.

Определение высоты

Это полезно в самолетах, ракетах, спутниках, метеозондах и во многих других приложениях. Во всех этих приложениях используется взаимосвязь между изменениями давления по отношению к высоте. Эта зависимость определяется следующим уравнением: ^[31] $h=(1-(P/P_{\mathrm {ref} })^{0.190284})\times 145366.45\mathrm {ft}$ Это уравнение откалибровано для высотомера до высоты 36 090 футов (11 000 м). За пределами этого диапазона будет возникать ошибка, которая может рассчитываться по-разному для каждого датчика давления. Эти расчеты ошибок будут учитывать ошибку, вызванную 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 наложенных дорог для автомобильной навигации и уровней этажей в зданиях для пешеходной навигации.

Измерение расхода

Это использование датчиков давления в сочетании с эффектом Вентури для измерения расхода. Перепад давления измеряется между двумя сегментами трубки Вентури, имеющими разное отверстие. Разница давлений между двумя сегментами прямо пропорциональна скорости потока через трубку Вентури. Датчик низкого давления требуется почти всегда, поскольку разница давлений относительно невелика.

Определение уровня/глубины

Датчик давления также может использоваться для расчета уровня жидкости. Этот метод обычно используется для измерения глубины погруженного тела (например, водолаза или подводной лодки) или уровня содержимого в резервуаре (например, в водонапорной башне). В большинстве практических целей уровень жидкости прямо пропорционален давлению. В случае пресной воды, содержимое которой находится под атмосферным давлением, 1 psi = 27,7 дюймов H ₂ O / 1Pa = 9,81 мм H ₂ O. Основное уравнение для такого измерения: $P=\rho gh$ где P = давление, ρ = плотность жидкости, g = стандартная плотность, h = высота столба жидкости над датчиком давления.

Тестирование на утечки

Датчик давления может использоваться для определения падения давления из-за утечки в системе. Обычно это делается либо путем сравнения с известной утечкой с использованием перепада давления, либо путем использования датчика давления для измерения изменения давления с течением времени.

Измерение подземных вод

Пьезометр в — это либо устройство, используемое для измерения давления жидкости системе путем измерения высоты, на которую поднимается столб жидкости против силы тяжести, либо устройство, измеряющее давление (точнее, пьезометрический напор ) грунтовых вод. ^[32] в конкретный момент. 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 ее необходимо считывать вручную. давления Электрические датчики нескольких типов могут считываться автоматически, что делает сбор данных более удобным.

Первыми пьезометрами в геотехнической инженерии были открытые колодцы или стояки (иногда называемые пьезометрами Касагранде ). ^[33] установлен в водоносный горизонт . Пьезометр Casagrande обычно имеет прочный корпус до интересующей глубины и корпус с прорезями или экраном в зоне, где измеряется давление воды. Обсадную колонну герметизируют в скважине глиной, бентонитом или бетоном, чтобы предотвратить загрязнение грунтовых вод поверхностными водами. В неограниченном водоносном горизонте уровень воды в пьезометре не будет точно совпадать с уровнем грунтовых вод , особенно когда вертикальная составляющая скорости потока значительна. В напорном 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 добывающие скважины, и обычно используются стояки диаметром 5 см.

Пьезометры в прочных корпусах можно закапывать или закапывать в землю для измерения давления грунтовых вод в месте установки. Манометры (преобразователи) в работе могут быть вибропроводными, пневматическими или тензодатчиками, преобразующими давление в электрический сигнал. Эти пьезометры подключаются кабелем к поверхности, где их можно считывать с помощью регистраторов данных или портативных считывающих устройств, что обеспечивает более быстрое и частое считывание, чем это возможно с помощью пьезометров с открытым стояком.

См. также

Приложения

Ссылки

^ Такос, Николаос (16 сентября 2020 г.). «Измерение давления 101 – абсолютное, манометрическое, дифференциальное и герметичное давление» . ЕС системы . Проверено 16 сентября 2020 г.
^ Бекетт, Б. Уэйн (2003). Управление процессами: моделирование, проектирование и симуляция . Прентис Холл . п. 735. ИСБН 978-0-13-353640-9 .
^ НИСТ
^ Jump up to: ^а ^б Руководство по водолазному делу ВМС США , 2016 г. , таблица 2-10. Эквиваленты давления..
^ Jump up to: ^а ^б Персонал (2016). «2 – Физика дайвинга». Руководство для супервайзеров по дайвингу (IMCA D 022, август 2016 г., ред. 1). Лондон, Великобритания: Международная ассоциация морских подрядчиков. п. 3.
^ Страница 2-12.
^ Руководство по дайвингу ВМС США , 2016 г. , раздел 18-2.8.3.
^ «Понимание единиц измерения вакуума» . 9 февраля 2013 г.
^ Нагата, Томио; Терабе, Хироаки; Кувахара, Сиро; Сакурай, Сидзуки; Табата, Осаму; Сугияма, Сусуму; Эсаси, Масаеши (1 августа 1992 г.). «Емкостный датчик давления с цифровой компенсацией, использующий технологию КМОП для измерения низкого давления» . Датчики и исполнительные механизмы A: Физические . 34 (2): 173–177. дои : 10.1016/0924-4247(92)80189-А . ISSN 0924-4247 .
^ Лемм, Макс С.; Вагнер, Стефан; Ли, Канхо; Фан, Сюге; Вербист, Джерард Дж.; Виттманн, Себастьян; Лукас, Себастьян; Доллеман, Робин Дж.; Никлаус, Фрэнк; ван дер Зант, Херре С.Дж.; Дюсберг, Георг С.; Стенекен, Питер Г. (20 июля 2020 г.). «Наноэлектромеханические датчики на основе взвешенных 2D материалов» . Исследовать . 2020 : 1–25. Бибкод : 2020Resea202048602L . дои : 10.34133/2020/8748602 . ПМЦ 7388062 . ПМИД 32766550 .
^ «Что такое датчик давления?» . ХБМ . Проверено 9 мая 2018 г.
^ Эластичная голограмма', стр. 113-117, Учеб. МПК 2010, ISBN 978-0-9566139-1-2 здесь: http://www.dspace.cam.ac.uk/handle/1810/225960.
^ «Характеристика кварцевых преобразователей высокого давления типа Бурдона» . Метрология . Ноябрь 2005 г. doi : 10.1088/0026-1394/42/6/S20 .
^ Эндрюс, МК; Тернер, GC; Харрис, PD; Харрис, IM (1 мая 1993 г.). «Резонансный датчик давления на основе сжатой пленки газа» . Датчики и исполнительные механизмы A: Физические . 36 (3): 219–226. дои : 10.1016/0924-4247(93)80196-Н . ISSN 0924-4247 .
^ Доллеман, Робин Дж.; Давидовик, Деян; Картамил-Буэно, Сантьяго Дж.; ван дер Зант, Херре С.Дж.; Стенекен, Питер Г. (13 января 2016 г.). «Датчики давления на графеновой пленке» . Нано-буквы . 16 (1): 568–571. arXiv : 1510.06919 . Бибкод : 2016NanoL..16..568D . дои : 10.1021/acs.nanolett.5b04251 . ISSN 1530-6984 . ПМИД 26695136 . S2CID 23331693 .
^ Милберн, Хью. «Описание и раскрытие информации NOAA DART II» (PDF) . noaa.gov . НОАА, Правительство США . Проверено 4 апреля 2020 г.
^ Эбл, MC; Гонсалес, Ф.И. «Измерения глубоководного придонного давления в северо-восточной части Тихого океана» (PDF) . noaa.gov . НОАА, Правительство США . Проверено 4 апреля 2020 г.
^ Методы измерения расхода жидкости в трубах. Часть 1. Диафрагмы, сопла и трубки Вентури . Британский институт стандартов . 1964. с. 36.
^ Руководство по барометрии (WBAN) (PDF) . Типография правительства США. 1963. стр. А295–А299.
^ [Было: "fluidengineering.co.nr/Manometer.htm". В 1/2010 это привело меня к плохой ссылке. Типы жидкости Манометры]
^ «Техника высокого вакуума» . Тель-Авивский университет . 04 мая 2006 г. Архивировано из оригинала 4 мая 2006 г.
^ Беквит, Томас Г.; Марангони, Рой Д. и Линхард В., Джон Х. (1993). «Измерение низких давлений». Механические измерения (Пятое изд.). Ридинг, Массачусетс: Аддисон-Уэсли . стр. 591–595. ISBN 0-201-56947-7 .
^ Индикатор двигателя, Канадский музей изготовления
^ Бойс, Уолт (2008). Справочник по приборам (Четвертое изд.). Баттерворт-Хайнеманн . п. 1312.
^ «Характеристика кварцевых преобразователей высокого давления типа Бурдона» . Исследовательские ворота . Проверено 5 мая 2019 г.
^ Брошюра о продукции Schoonover, Inc.
^ А. Чемберс, Базовая вакуумная технология , стр. 100–102, CRC Press, 1998. ISBN 0585254915 .
^ Джон Ф. О'Хэнлон, Руководство пользователя по вакуумной технологии , стр. 92–94, John Wiley & Sons, 2005. ISBN 0471467154 .
^ Роберт М. Безансон, изд. (1990). «Вакуумная техника». Энциклопедия физики (3-е изд.). Ван Ностранд Рейнхольд, Нью-Йорк. стр. 1278–1284. ISBN 0-442-00522-9 .
^ Найджел С. Харрис (1989). Современная вакуумная практика . МакГроу-Хилл. ISBN 978-0-07-707099-1 .
^ http://www.wrh.noaa.gov/slc/projects/wxcalc/formulas/pressureAltitude.pdf. Архивировано 3 июля 2017 г. в Wayback Machine. Национальном управлении океанических и атмосферных исследований
^ Данниклифф, Джон (1993) [1988]. Геотехнические приборы для мониторинга производительности месторождений . Уайли-Интерсайенс. п. 117. ИСБН 0-471-00546-0 .
^ Касагранде, А (1949). Механика грунтов при проектировании и строительстве аэропорта Логан . Дж. Бостон Сок. Гражданская инженерия, Том 36, № 2. стр. 192–221.
↑ Руководство по исследованию подземных территорий , 1988, Американская ассоциация государственных служащих шоссейных дорог и транспорта, стр. 182.

Источники

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

Внешние ссылки

[1] Такос, Николаос (16 сентября 2020 г.). «Измерение давления 101 – абсолютное, манометрическое, дифференциальное и герметичное давление» . ЕС системы . Проверено 16 сентября 2020 г.

[2] Бекетт, Б. Уэйн (2003). Управление процессами: моделирование, проектирование и симуляция . Прентис Холл . п. 735. ИСБН 978-0-13-353640-9 .

[3] НИСТ

[FOOTNOTE''US_Navy_Diving_Manual''2016Table_2‑10._Pressure_Equivalents.-4] Jump up to: ^а ^б Руководство по водолазному делу ВМС США , 2016 г. , таблица 2-10. Эквиваленты давления..

[IMCA_D022-5] Jump up to: ^а ^б Персонал (2016). «2 – Физика дайвинга». Руководство для супервайзеров по дайвингу (IMCA D 022, август 2016 г., ред. 1). Лондон, Великобритания: Международная ассоциация морских подрядчиков. п. 3.

[6] Страница 2-12.

[FOOTNOTE''US_Navy_Diving_Manual''2016Section_18‑2.8.3-7] Руководство по дайвингу ВМС США , 2016 г. , раздел 18-2.8.3.

[8] «Понимание единиц измерения вакуума» . 9 февраля 2013 г.

[9] Нагата, Томио; Терабе, Хироаки; Кувахара, Сиро; Сакурай, Сидзуки; Табата, Осаму; Сугияма, Сусуму; Эсаси, Масаеши (1 августа 1992 г.). «Емкостный датчик давления с цифровой компенсацией, использующий технологию КМОП для измерения низкого давления» . Датчики и исполнительные механизмы A: Физические . 34 (2): 173–177. дои : 10.1016/0924-4247(92)80189-А . ISSN 0924-4247 .

[10] Лемм, Макс С.; Вагнер, Стефан; Ли, Канхо; Фан, Сюге; Вербист, Джерард Дж.; Виттманн, Себастьян; Лукас, Себастьян; Доллеман, Робин Дж.; Никлаус, Фрэнк; ван дер Зант, Херре С.Дж.; Дюсберг, Георг С.; Стенекен, Питер Г. (20 июля 2020 г.). «Наноэлектромеханические датчики на основе взвешенных 2D материалов» . Исследовать . 2020 : 1–25. Бибкод : 2020Resea202048602L . дои : 10.34133/2020/8748602 . ПМЦ 7388062 . ПМИД 32766550 .

[11] «Что такое датчик давления?» . ХБМ . Проверено 9 мая 2018 г.

[12] Эластичная голограмма', стр. 113-117, Учеб. МПК 2010, ISBN 978-0-9566139-1-2 здесь: http://www.dspace.cam.ac.uk/handle/1810/225960.

[13] «Характеристика кварцевых преобразователей высокого давления типа Бурдона» . Метрология . Ноябрь 2005 г. doi : 10.1088/0026-1394/42/6/S20 .

[14] Эндрюс, МК; Тернер, GC; Харрис, PD; Харрис, IM (1 мая 1993 г.). «Резонансный датчик давления на основе сжатой пленки газа» . Датчики и исполнительные механизмы A: Физические . 36 (3): 219–226. дои : 10.1016/0924-4247(93)80196-Н . ISSN 0924-4247 .

[15] Доллеман, Робин Дж.; Давидовик, Деян; Картамил-Буэно, Сантьяго Дж.; ван дер Зант, Херре С.Дж.; Стенекен, Питер Г. (13 января 2016 г.). «Датчики давления на графеновой пленке» . Нано-буквы . 16 (1): 568–571. arXiv : 1510.06919 . Бибкод : 2016NanoL..16..568D . дои : 10.1021/acs.nanolett.5b04251 . ISSN 1530-6984 . ПМИД 26695136 . S2CID 23331693 .

[16] Милберн, Хью. «Описание и раскрытие информации NOAA DART II» (PDF) . noaa.gov . НОАА, Правительство США . Проверено 4 апреля 2020 г.

[17] Эбл, MC; Гонсалес, Ф.И. «Измерения глубоководного придонного давления в северо-восточной части Тихого океана» (PDF) . noaa.gov . НОАА, Правительство США . Проверено 4 апреля 2020 г.

[18] Методы измерения расхода жидкости в трубах. Часть 1. Диафрагмы, сопла и трубки Вентури . Британский институт стандартов . 1964. с. 36.

[19] Руководство по барометрии (WBAN) (PDF) . Типография правительства США. 1963. стр. А295–А299.

[manometer_types-20] [Было: "fluidengineering.co.nr/Manometer.htm". В 1/2010 это привело меня к плохой ссылке. Типы жидкости Манометры]

[21] «Техника высокого вакуума» . Тель-Авивский университет . 04 мая 2006 г. Архивировано из оригинала 4 мая 2006 г.

[22] Беквит, Томас Г.; Марангони, Рой Д. и Линхард В., Джон Х. (1993). «Измерение низких давлений». Механические измерения (Пятое изд.). Ридинг, Массачусетс: Аддисон-Уэсли . стр. 591–595. ISBN 0-201-56947-7 .

[23] Индикатор двигателя, Канадский музей изготовления

[24] Бойс, Уолт (2008). Справочник по приборам (Четвертое изд.). Баттерворт-Хайнеманн . п. 1312.

[25] «Характеристика кварцевых преобразователей высокого давления типа Бурдона» . Исследовательские ворота . Проверено 5 мая 2019 г.

[schoonoverinc-26] Брошюра о продукции Schoonover, Inc.

[27] А. Чемберс, Базовая вакуумная технология , стр. 100–102, CRC Press, 1998. ISBN 0585254915 .

[28] Джон Ф. О'Хэнлон, Руководство пользователя по вакуумной технологии , стр. 92–94, John Wiley & Sons, 2005. ISBN 0471467154 .

[29] Роберт М. Безансон, изд. (1990). «Вакуумная техника». Энциклопедия физики (3-е изд.). Ван Ностранд Рейнхольд, Нью-Йорк. стр. 1278–1284. ISBN 0-442-00522-9 .

[Harris1989-30] Найджел С. Харрис (1989). Современная вакуумная практика . МакГроу-Хилл. ISBN 978-0-07-707099-1 .

[31] ttp://www.wrh.noaa.gov/slc/projects/wxcalc/formulas/pressureAltitude.pdf. Архивировано 3 июля 2017 г. в Wayback Machine. Национальном управлении океанических и атмосферных исследований

[Ch_9_Measurement_of_Groundwater_Pressure-32] Данниклифф, Джон (1993) [1988]. Геотехнические приборы для мониторинга производительности месторождений . Уайли-Интерсайенс. п. 117. ИСБН 0-471-00546-0 .

[33] Касагранде, А (1949). Механика грунтов при проектировании и строительстве аэропорта Логан . Дж. Бостон Сок. Гражданская инженерия, Том 36, № 2. стр. 192–221.

[34] Руководство по исследованию подземных территорий , 1988, Американская ассоциация государственных служащих шоссейных дорог и транспорта, стр. 182.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]

[27]

[28]

[29]

[30]

[31]

[32]

[33]

[34]