Измерение давления жидкости и газа: методы и типы датчиков.

Введение

Анализ силы, действующей со стороны жидкости на поверхность

Измерение давления – это измерение силы, оказываемой жидкостью (жидкой или газообразной) на поверхность. Давление обычно измеряется в единицах силы на единицу площади. Разработано множество методов для измерения давления и вакуума. Приборы, используемые для механического измерения и отображения давления, называются манометрами, вакуумметрами или комбинированными манометрами (для измерения вакуума и давления). Широко используемый манометр Бурдона – это механическое устройство, которое одновременно измеряет и показывает показания и, вероятно, является наиболее известным типом манометра. Вакуумметр используется для измерения давления ниже атмосферного давления, которое принимается за нулевую точку и отображается в отрицательных значениях (например, −1 бар или −760 мм рт. ст. соответствует полному вакууму). Большинство манометров измеряют давление относительно атмосферного давления, принимаемого за нулевую точку, поэтому такая форма показаний называется "избыточным давлением". Однако, любое давление выше полного вакуума технически является формой давления. Для измерения очень низких давлений необходимо использовать манометр, в котором за нулевую точку отсчета принимается полный вакуум, что позволяет получать показания абсолютного давления. Другие методы измерения давления включают в себя датчики, способные передавать показания давления на удаленный индикатор или систему управления (телеметрия).

Абсолютное, калибровочное и дифференциальное давление нулевое значение

Ежедневные измерения давления, такие как измерение давления в шинах транспортных средств, обычно производятся относительно атмосферного давления. В других случаях измерения производятся относительно вакуума или какого-либо другого конкретного эталона. Для различения этих нулевых отсчетов используются следующие термины: Абсолютное давление отсчитывается от идеального вакуума, используя абсолютную шкалу, поэтому оно равно манометрическому давлению плюс атмосферному давлению. Датчики абсолютного давления используются в приложениях, где требуется постоянный эталон, например, в высокопроизводительных промышленных приложениях, таких как мониторинг вакуумных насосов, измерение давления жидкости, промышленная упаковка, управление промышленными процессами и авиационный контроль. Манометрическое давление отсчитывается от атмосферного давления, поэтому оно равно абсолютному давлению минус атмосферное давление. Манометр для измерения давления в шинах является примером измерения манометрического давления; когда он показывает ноль, измеряемое давление равно атмосферному. Большинство датчиков для измерения до 50 бар изготавливаются таким образом, поскольку в противном случае колебания атмосферного давления (погода) отражаются как погрешность в результате измерения. Дифференциальное давление – это разность давления между двумя точками. Датчики дифференциального давления используются для измерения различных параметров, таких как перепад давления в масляных или воздушных фильтрах, уровень жидкости (путем сравнения давления над и под жидкостью) или расход (путем измерения изменения давления на сужении). Строго говоря, большинство датчиков давления фактически являются датчиками дифференциального давления; например, манометрический датчик – это просто датчик дифференциального давления, у которого одна сторона открыта в атмосферу. DP-элемент – это устройство, которое измеряет разность давления между двумя входами. Нулевой эталон обычно подразумевается контекстом, и эти слова добавляются только при необходимости уточнения. Давление в шинах и кровяное давление по соглашению являются манометрическими, в то время как атмосферное давление, глубокий вакуум и высотомерное давление должны быть абсолютными. Для большинства рабочих жидкостей, находящихся в замкнутой системе, преобладает измерение манометрического давления. Приборы измерения давления, подключенные к системе, будут показывать давление относительно текущего атмосферного давления. Ситуация меняется при измерении экстремального вакуума, тогда обычно используются абсолютные давления, и используемые измерительные приборы будут другими. Дифференциальное давление широко используется в промышленных процессах. Дифференциальные датчики имеют два входных порта, каждый из которых подключен к одному из объемов, давление в котором необходимо контролировать. По сути, такой датчик выполняет математическую операцию вычитания механическим способом, избавляя оператора или систему управления от необходимости отслеживать два отдельных датчика и определять разницу в показаниях. Показания умеренного вакуума могут быть неоднозначными без надлежащего контекста, поскольку они могут представлять собой абсолютное или манометрическое давление без отрицательного знака. Таким образом, вакуум 26 дюймов ртутного столба (inHg) по манометру эквивалентен абсолютному давлению 4 inHg, рассчитанному как 30 inHg (типичное атмосферное давление) – 26 inHg (манометрическое давление). Атмосферное давление обычно составляет около 100 кПа на уровне моря, но изменяется в зависимости от высоты и погоды. Если абсолютное давление жидкости остается постоянным, манометрическое давление той же жидкости будет изменяться с изменением атмосферного давления. Например, когда автомобиль поднимается в гору, (манометрическое) давление в шинах увеличивается, потому что атмосферное давление уменьшается. Абсолютное давление в шине практически не меняется. Использование атмосферного давления в качестве эталона обычно обозначается буквой "g" (gauge) после единицы измерения давления, например, 70 psig, что означает, что измеренное давление равно полному давлению минус атмосферное давление. Существует два типа манометрических эталонов: с вентиляцией (vg) и герметичные (sg). Например, манометрический датчик с вентиляцией позволяет внешнему атмосферному давлению воздействовать на отрицательную сторону чувствительной к давлению мембраны через вентилируемый кабель или отверстие в корпусе устройства, чтобы он всегда измерял давление относительно окружающего барометрического давления. Таким образом, манометрический датчик с вентиляцией должен всегда показывать нулевое давление, когда соединение для измерения давления открыто в атмосферу. Герметичный манометрический эталон очень похож, за исключением того, что атмосферное давление герметично запечатано на отрицательной стороне мембраны. Обычно это используется в диапазонах высоких давлений, таких как гидравлика, где изменения атмосферного давления окажут пренебрежимо малое влияние на точность показаний, поэтому вентиляция не требуется. Это также позволяет некоторым производителям обеспечивать вторичную защиту от давления в качестве дополнительной меры предосторожности для безопасности оборудования, работающего под давлением, в случае превышения давления разрушения первичной чувствительной к давлению мембраны. Существует другой способ создания герметичного манометрического эталона, а именно – герметизация высокого вакуума на обратной стороне чувствительной к давлению мембраны. Затем выходной сигнал смещается, чтобы датчик давления показывал близкое к нулю значение при измерении атмосферного давления. Герметичный манометрический датчик никогда не покажет точно ноль, потому что атмосферное давление всегда меняется, а эталон в данном случае фиксирован на 1 бар. Для создания датчика абсолютного давления производитель герметизирует высокий вакуум за чувствительной к давлению мембраной. Если соединение для измерения давления датчика абсолютного давления открыто в атмосферу, он покажет фактическое барометрическое давление. Герметичный датчик давления аналогичен манометрическому датчику, за исключением того, что он измеряет давление относительно некоторого фиксированного давления, а не относительно окружающего атмосферного давления (которое меняется в зависимости от местоположения и погоды).

Everyday pressure measurements, such as for vehicle tire pressure, are usually made relative to ambient air pressure. In other cases measurements are made relative to a vacuum or to some other specific reference. When distinguishing between these zero references, the following terms are used:
Absolute pressure is zero referenced against a perfect vacuum, using an absolute scale, so it is equal to gauge pressure plus atmospheric pressure. Absolute pressure sensors are used in applications where a constant reference is required, like for example, high performance industrial applications such as monitoring vacuum pumps, liquid pressure measurement, industrial packaging, industrial process control and aviation inspection. Gauge pressure is zero referenced against ambient air pressure, so it is equal to absolute pressure minus atmospheric pressure. A tire pressure gauge is an example of gauge pressure measurement; when it indicates zero, then the pressure it is measuring is the same as the ambient pressure. Most sensors for measuring up to 50 bar are manufactured in this way, since otherwise the atmospheric pressure fluctuation (weather) is reflected as an error in the measurement result. Differential pressure is the difference in pressure between two points. Differential pressure sensors are used to measure many properties, such as pressure drops across oil filters or air filters, fluid levels (by comparing the pressure above and below the liquid) or flow rates (by measuring the change in pressure across a restriction). Technically speaking, most pressure sensors are really differential pressure sensors; for example a gauge pressure sensor is merely a differential pressure sensor in which one side is open to the ambient atmosphere. A DP cell is a device that measures the differential pressure between two inputs. The zero reference in use is usually implied by context, and these words are added only when clarification is needed. Tire pressure and blood pressure are gauge pressures by convention, while atmospheric pressures, deep vacuum pressures, and altimeter pressures must be absolute. For most working fluids where a fluid exists in a closed system, gauge pressure measurement prevails. Pressure instruments connected to the system will indicate pressures relative to the current atmospheric pressure. The situation changes when extreme vacuum pressures are measured, then absolute pressures are typically used instead and measuring instruments used will be different. Differential pressures are commonly used in industrial process systems. Differential pressure gauges have two inlet ports, each connected to one of the volumes whose pressure is to be monitored. In effect, such a gauge performs the mathematical operation of subtraction through mechanical means, obviating the need for an operator or control system to watch two separate gauges and determine the difference in readings. Moderate vacuum pressure readings can be ambiguous without the proper context, as they may represent absolute pressure or gauge pressure without a negative sign. Thus a vacuum of 26 inHg gauge is equivalent to an absolute pressure of 4 inHg, calculated as 30 inHg (typical atmospheric pressure) − 26 inHg (gauge pressure). Atmospheric pressure is typically about 100 kPa at sea level, but is variable with altitude and weather. If the absolute pressure of a fluid stays constant, the gauge pressure of the same fluid will vary as atmospheric pressure changes. For example, when a car drives up a mountain, the (gauge) tire pressure goes up because atmospheric pressure goes down. The absolute pressure in the tire is essentially unchanged. Using atmospheric pressure as reference is usually signified by a "g" for gauge after the pressure unit, e. g. 70 psig, which means that the pressure measured is the total pressure minus atmospheric pressure. There are two types of gauge reference pressure: vented gauge (vg) and sealed gauge (sg). A vented gauge pressure transmitter, for example, allows the outside air pressure to be exposed to the negative side of the pressure sensing diaphragm, through a vented cable or a hole on the side of the device, so that it always measures the pressure referred to ambient barometric pressure. Thus a vented gauge reference pressure sensor should always read zero pressure when the process pressure connection is held open to the air. A sealed gauge reference is very similar, except that atmospheric pressure is sealed on the negative side of the diaphragm. This is usually adopted on high pressure ranges, such as hydraulics, where atmospheric pressure changes will have a negligible effect on the accuracy of the reading, so venting is not necessary. This also allows some manufacturers to provide secondary pressure containment as an extra precaution for pressure equipment safety if the burst pressure of the primary pressure sensing diaphragm is exceeded. There is another way of creating a sealed gauge reference, and this is to seal a high vacuum on the reverse side of the sensing diaphragm. Then the output signal is offset, so the pressure sensor reads close to zero when measuring atmospheric pressure. A sealed gauge reference pressure transducer will never read exactly zero because atmospheric pressure is always changing and the reference in this case is fixed at 1 bar. To produce an absolute pressure sensor, the manufacturer seals a high vacuum behind the sensing diaphragm. If the process pressure connection of an absolute pressure transmitter is open to the air, it will read the actual barometric pressure. A sealed pressure sensor is similar to a gauge pressure sensor except that it measures pressure relative to some fixed pressure rather than the ambient atmospheric pressure (which varies according to the location and the weather).

История

На протяжении большей части истории человечества давление газов, таких как воздух, игнорировалось, отрицалось или считалось само собой разумеющимся, но уже в VI веке до н.э. греческий философ Анаксимен Милетский утверждал, что все вещи состоят из воздуха, который изменяется посредством различной степени сжатия. Он наблюдал испарение воды, превращение её в газ, и полагал, что это применимо даже к твёрдым телам. Более сжатый воздух делал объекты более холодными и тяжёлыми, а разрежённый – более лёгкими и горячими. Это было сопоставимо с тем, как газы действительно становятся менее плотными при нагревании и более плотными при охлаждении. В XVII веке Эвангелиста Торричелли провёл эксперименты с ртутью, позволившие ему измерить присутствие воздуха. Он погружал стеклянную трубку, закрытую с одного конца, в ёмкость с ртутью и поднимал закрытый конец, оставляя открытый конец погружённым. Вес ртути притягивал её вниз, создавая частичный вакуум на другом конце. Это подтвердило его убеждение, что воздух/газ обладает массой и оказывает давление на окружающие предметы. Ранее более распространённым мнением, даже у Галилея, было то, что воздух невесом, и именно вакуум создаёт силу, например, в сифоне. Это открытие позволило Торричелли сделать вывод:

Этот опыт, известный как эксперимент Торричелли, по сути, стал первым задокументированным манометром. Блез Паскаль пошёл ещё дальше, попросив своего зятя провести эксперимент на разных высотах в горах и обнаружив, что чем глубже в океане атмосферы, тем выше давление.

Единицы

Единицей давления в СИ является паскаль (Па), равный одному ньютону на квадратный метр (Н·м−2 или кг·м−1·с−2). Это специальное наименование для единицы было добавлено в 1971 году; до этого давление в СИ выражалось в таких единицах, как Н·м−2. Если указано, нулевая отметка отсчета указывается в скобках после единицы измерения, например, 101 кПа (abs). Фунт на квадратный дюйм (psi) все еще широко используется в США и Канаде для измерения, например, давления в шинах. К единице psi часто добавляется буква, указывающая нулевую отметку измерения: psia – для абсолютного давления, psig – для давления, отсчитываемого от атмосферного, psid – для дифференциального давления, хотя эта практика не рекомендуется NIST. Поскольку давление когда-то обычно измерялось по способности смещать столбец жидкости в манометре, давление часто выражается как глубина определенной жидкости (например, в дюймах водяного столба). Манометрические измерения являются предметом расчетов напора. Наиболее распространенными жидкостями для манометра являются ртуть (Hg) и вода; вода нетоксична и легкодоступна, а плотность ртути позволяет использовать более короткий столбец (и, следовательно, манометр меньшего размера) для измерения заданного давления. На манометрах и измерительных приборах, использующих воду в качестве манометрической жидкости, часто печатаются аббревиатуры "W. C." или слова "водяной столб". Плотность жидкости и местная сила тяжести могут варьироваться от одного измерения к другому в зависимости от местных условий, поэтому высота столба жидкости не определяет давление точно. Следовательно, измерения в "миллиметрах ртутного столба" или "дюймах ртутного столба" могут быть переведены в единицы СИ, если учитывать местные факторы плотности жидкости и силы тяжести. Температурные колебания 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. Кровяное 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, например, в настройках аппаратов CPAP. Давление в магистральных газопроводах природного газа измеряется в дюймах водяного столба, обозначаемых как "дюймы В. С.".

The SI unit for pressure is the pascal (Pa), equal to one newton per square metre (N·m−2 or kg·m−1·s−2). This special name for the unit was added in 1971; before that, pressure in SI was expressed in units such as N·m−2. When indicated, the zero reference is stated in parentheses following the unit, for example 101 kPa (abs). The pound per square inch (psi) is still in widespread use in the US and Canada, for measuring, for instance, tire pressure. A letter is often appended to the psi unit to indicate the measurement's zero reference; psia for absolute, psig for gauge, psid for differential, although this practice is discouraged by the NIST. Because pressure was once commonly measured by its ability to displace a column of liquid in a manometer, pressures are often expressed as a depth of a particular fluid (e. g., inches of water). Manometric measurement is the subject of pressure head calculations. The most common choices for a manometer's fluid are mercury (Hg) and water; water is nontoxic and readily available, while mercury's density allows for a shorter column (and so a smaller manometer) to measure a given pressure. The abbreviation "W. C." or the words "water column" are often printed on gauges and measurements that use water for the manometer. Fluid density and local gravity can vary from one reading to another depending on local factors, so the height of a fluid column does not define pressure precisely. So measurements in "millimetres of mercury" or "inches of mercury" can be converted to SI units as long as attention is paid to the local factors of fluid density and gravity. Temperature fluctuations change the value of fluid density, while location can affect gravity. Although no longer preferred, these manometric units are still encountered in many fields. Blood pressure is measured in millimetres of mercury (see torr) in most of the world, central venous pressure and lung pressures in centimeters of water are still common, as in settings for CPAP machines. Natural gas pipeline pressures are measured in inches of water, expressed as "inches W. C."

Подводные пловцы используют манометрические единицы: окружающее давление измеряется в метрах морской воды (м м.с.), что определяется как равное одной десятой бара. м м.с. и фут морской воды (fsw) – общепринятые единицы измерения давления, используемые в таблицах декомпрессии, а также единицы калибровки для пневмофатометров и манометров гипербарических камер. И м м.с., и fsw измеряются относительно нормального атмосферного давления. В вакуумных системах наиболее часто используются единицы торр (миллиметр ртутного столба), микрон (микрометр ртутного столба) и дюйм ртутного столба (inHg). Торр и микрон обычно указывают на абсолютное давление, а inHg – на давление, отсчитываемое от атмосферного. Атмосферное давление обычно указывается в гектопаскалях (гПа), килопаскалях (кПа), миллибарах (мбар) или атмосферах (атм). В американской и канадской инженерии напряжение часто измеряется в кипофунтах (kip). Напряжение не является истинным давлением, поскольку оно не скалярная величина. В системе cgs единицей давления была бари (ba), равная 1 дин·см−2. В системе мтс единицей давления была пьеза, равная 1 стен на квадратный метр. Используются многие другие гибридные единицы, такие как мм рт.ст./см2 или грамм силы/см2 (иногда в кг/см2 без надлежащего указания единиц силы). Использование наименований килограмм, грамм, килограмм-сила или грамм-сила (или их символов) в качестве единицы силы запрещено в СИ; единицей силы в СИ является ньютон (Н).

Статическое и динамическое давление

Статическое давление равномерно 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 время как воздействие на поверхности, параллельные направлению потока, незначительно. Эта направленная составляющая давления в движущейся (динамической) жидкости называется динамическим давлением. Прибор, ориентированный по направлению потока, измеряет сумму статического и динамического давлений; это измерение называется полным давлением или давлением торможения. Поскольку динамическое давление отсчитывается от статического давления, оно не является ни манометрическим, ни абсолютным; это дифференциальное давление. В то время как статическое манометрическое давление имеет первостепенное значение для определения суммарных нагрузок на стенки труб, динамическое давление используется для измерения расходов и скорости потока. Динамическое давление можно измерить, определив разность давлений между приборами, ориентированными параллельно и перпендикулярно потоку. Например, трубки Пито-статические выполняют такое измерение на самолетах для определения воздушной скорости. Присутствие измерительного прибора неизбежно отклоняет поток и создает турбулентность, поэтому его форма критически важна для точности, а калибровочные кривые часто нелинейны.

Инструменты

Датчик давления – это устройство для измерения давления газов или жидкостей. Датчики давления могут также называться преобразователями давления, передатчиками давления, датчиками давления, индикаторами давления, пьезометрами и манометрами, среди прочих названий. Давление – это выражение силы, необходимой для предотвращения расширения жидкости, и обычно указывается в единицах силы на единицу площади. Датчик давления обычно функционирует как преобразователь, генерируя сигнал в зависимости от приложенного давления. Датчики давления могут значительно различаться по технологии, конструкции, характеристикам, применимости и стоимости. Осторожная оценка показывает, что в мире существует более 50 технологий и не менее 300 компаний, производящих датчики давления. Существует также категория датчиков давления, предназначенных для измерения в динамическом режиме, для регистрации очень быстрых изменений давления. Примером применения такого типа датчика является измерение давления сгорания в цилиндре двигателя или в газовой турбине. Эти датчики обычно изготавливаются из пьезоэлектрических материалов, таких как кварц. Некоторые датчики давления являются переключателями давления, которые включаются или выключаются при достижении определенного давления. Например, водяной насос может управляться переключателем давления, который запускает его при отборе воды из системы, снижая давление в резервуаре. Диапазон давления, чувствительность, динамический отклик и стоимость могут варьироваться на несколько порядков в зависимости от конструкции прибора. Старейшим типом является жидкостный манометр (вертикальная трубка, заполненная ртутью), изобретенный Евангелистой Торричелли в 1643 году. U-образная трубка была изобретена Кристианом Гюйгенсом в 1661 году. Существует две основные категории аналоговых датчиков давления: датчики с силовым элементом и другие типы. Датчики с силовым элементом. Эти типы электронных датчиков давления обычно используют силовой элемент (например, мембрану, поршень, трубку Бурдона или сильфон) для измерения деформации (или отклонения) из-за приложенной силы на площадь (давление). Пьезорезистивный датчик деформации: использует пьезорезистивный эффект приклеенных или сформированных датчиков деформации для определения деформации, вызванной приложенным давлением, при этом электрическое сопротивление увеличивается по мере деформации материала под давлением. Распространенные типы технологий включают монокристаллический кремний, тонкую пленку из поликремния, приклеенную металлическую фольгу, толстую пленку, кремний на сапфире и распыленную тонкую пленку. Обычно датчики деформации соединяются для формирования мостовой схемы Уитстона для максимизации выходного сигнала датчика и снижения чувствительности к ошибкам. Это наиболее часто используемая технология для измерения давления общего назначения. Емкостный: использует мембрану и полость давления для создания переменного конденсатора для определения деформации, вызванной приложенным давлением, при этом емкость уменьшается по мере деформации мембраны под давлением. В распространенных технологиях используются металлические, керамические и кремниевые мембраны. Емкостные датчики давления интегрируются в технологию КМОП, и изучается возможность использования тонких 2D-материалов в качестве материала мембраны. Электромагнитный: измеряет смещение мембраны посредством изменения индуктивности (сопротивления), линейного дифференциального трансформатора (ЛДТ), эффекта Холла или принципа вихревых токов. Пьезоэлектрический: использует пьезоэлектрический эффект в определенных материалах, таких как кварц, для измерения деформации измерительного механизма под воздействием давления. Эта технология обычно используется для измерения высокодинамических давлений. Поскольку основной принцип является динамическим, статические давления не могут быть измерены с помощью пьезоэлектрических датчиков. Датчик деформации: Датчики давления на основе датчиков деформации также используют чувствительный к давлению элемент, на который приклеиваются металлические датчики деформации или наносятся тонкопленочные датчики путем распыления. Этот измерительный элемент может быть либо мембраной, либо для металлических фольговых датчиков могут также использоваться измерительные корпуса цилиндрической формы. Основными преимуществами этой монолитной конструкции являются повышенная жесткость и возможность измерения самых высоких давлений, достигающих 15 000 бар. Электрическое соединение обычно осуществляется через мостовую схему Уитстона, что обеспечивает хорошее усиление сигнала и точные и стабильные результаты измерений. Оптический: Методы включают использование физического изменения оптического волокна для определения деформации, вызванной приложенным давлением. Распространенным примером является использование решеток Брэгга в волокне. Эта технология используется в сложных приложениях, где измерения могут выполняться на большом расстоянии, при высоких температурах или могут извлекать выгоду из технологий, изначально невосприимчивых к электромагнитным помехам. Другая аналогичная техника использует эластичную пленку, состоящую из слоев, которые могут изменять отражаемые длины волн в зависимости от приложенного давления (деформации). Потенциометрический: использует движение ползунка по резистивному механизму для определения деформации, вызванной приложенным давлением. Силовой баланс: Датчики давления с кварцевыми трубками Бурдона с силовой балансировкой используют спиральную трубку Бурдона для создания силы на поворотном якоре, содержащем зеркало, отражение луча света от зеркала определяет угловое смещение, и ток подается на электромагниты на якоре для балансировки силы от трубки и возврата углового смещения к нулю, ток, подаваемый на катушки, используется в качестве измерения. Благодаря чрезвычайно стабильным и воспроизводимым механическим и термическим свойствам кварца и силовой балансировке, которая устраняет большинство нелинейных эффектов, эти датчики могут быть точными до 1 PPM от полной шкалы. Из-за чрезвычайно тонких кварцевых структур, которые изготавливаются вручную и требуют экспертных навыков для сборки, эти датчики обычно используются для научных и калибровочных целей. Датчики без силовой балансировки имеют меньшую точность, и угловое смещение не может быть определено с той же точностью, что и при измерении с силовой балансировкой, хотя их легче изготовить 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 измерительном механизме для измерения напряжения или изменений плотности газа, вызванных приложенным давлением. Эта технология может использоваться в сочетании с силовым элементом, как в вышеуказанной категории. Кроме того, резонансная технология может использоваться путем воздействия самого резонирующего элемента на среду, при этом резонансная частота зависит от плотности среды. Датчики были изготовлены из вибрирующих проволок, вибрирующих цилиндров, кварца и кремниевых MEMS. Обычно считается, что эта технология обеспечивает очень стабильные показания с течением времени. Датчик давления сжатой пленки является типом резонансного датчика давления MEMS, который работает за счет тонкой мембраны, сжимающей тонкую пленку газа с высокой частотой. Поскольку сжимаемость и жесткость газовой пленки зависят от давления, резонансная частота датчика давления сжатой пленки используется в качестве меры давления газа. Тепловой: использует изменения теплопроводности газа из-за изменений плотности для измерения давления. Распространенным примером является датчик Пирани. Ионизационный: измеряет поток заряженных газовых частиц (ионов), который изменяется из-за изменений плотности для измерения давления. Распространенные примеры - датчики с горячим и холодным катодом. Датчик давления, резонансный кварцевый датчик деформации с силовым элементом в виде трубки Бурдона, является критически важным датчиком DART. DART обнаруживает цунами из нижней части открытого океана. Он имеет разрешение по давлению около 1 мм водяного столба при измерении давления на глубине нескольких километров.

A pressure sensor is a device for pressure measurement of gases or liquids. Pressure sensors can alternatively be called pressure transducers, pressure transmitters, pressure senders, pressure indicators, piezometers and manometers, among other names. Pressure is an expression of the force required to stop a fluid from expanding, and is usually stated in terms of force per unit area. A pressure sensor usually acts as a transducer; it generates a signal as a function of the pressure imposed. Pressure sensors can vary drastically in technology, design, performance, application suitability and cost. A conservative estimate would be that there may be over 50 technologies and at least 300 companies making pressure sensors worldwide. There is also a category of pressure sensors that are designed to measure in a dynamic mode for capturing very high speed changes in pressure. Example applications for this type of sensor would be in the measuring of combustion pressure in an engine cylinder or in a gas turbine. These sensors are commonly manufactured out of piezoelectric materials such as quartz. Some pressure sensors are pressure switches, which turn on or off at a particular pressure. For example, a water pump can be controlled by a pressure switch so that it starts when water is released from the system, reducing the pressure in a reservoir. Pressure range, sensitivity, dynamic response and cost all vary by several orders of magnitude from one instrument design to the next. The oldest type is the liquid column (a vertical tube filled with mercury) manometer invented by Evangelista Torricelli in 1643. The U Tube was invented by Christiaan Huygens in 1661. There are two basic categories of analog pressure sensors: force collector and other types. Force collector types These types of electronic pressure sensors generally use a force collector (such a diaphragm, piston, Bourdon tube, or bellows) to measure strain (or deflection) due to applied force over an area (pressure). Piezoresistive strain gauge: Uses the piezoresistive effect of bonded or formed strain gauges to detect strain due to an applied pressure, electrical resistance increasing as pressure deforms the material. Common technology types are silicon (monocrystalline), polysilicon thin film, bonded metal foil, thick film, silicon on sapphire and sputtered thin film. Generally, the strain gauges are connected to form a Wheatstone bridge circuit to maximize the output of the sensor and to reduce sensitivity to errors. This is the most commonly employed sensing technology for general purpose pressure measurement. Capacitive: Uses a diaphragm and pressure cavity to create a variable capacitor to detect strain due to applied pressure, capacitance decreasing as pressure deforms the diaphragm. Common technologies use metal, ceramic, and silicon diaphragms. Capacitive pressure sensors are being integrated into CMOS technology and it is being explored if thin 2D materials can be used as diaphragm material. Electromagnetic: Measures the displacement of a diaphragm by means of changes in inductance (reluctance), linear variable differential transformer (LVDT), Hall effect, or by eddy current principle. Piezoelectric: Uses the piezoelectric effect in certain materials such as quartz to measure the strain upon the sensing mechanism due to pressure. This technology is commonly employed for the measurement of highly dynamic pressures. As the basic principle is dynamic, no static pressures can be measured with piezoelectric sensors. Strain Gauge: Strain gauge based pressure sensors also use a pressure sensitive element where metal strain gauges are glued on or thin film gauges are applied on by sputtering. This measuring element can either be a diaphragm or for metal foil gauges measuring bodies in can type can also be used. The big advantages of this monolithic can type design are an improved rigidity and the capability to measure highest pressures of up to 15,000 bar. The electrical connection is normally done via a Wheatstone bridge, which allows for a good amplification of the signal and precise and constant measuring results. Optical: Techniques include the use of the physical change of an optical fiber to detect strain due to applied pressure. A common example of this type utilizes Fiber Bragg Gratings. This technology is employed in challenging applications where the measurement may be highly remote, under high temperature, or may benefit from technologies inherently immune to electromagnetic interference. Another analogous technique utilizes an elastic film constructed in layers that can change reflected wavelengths according to the applied pressure (strain). Potentiometric: Uses the motion of a wiper along a resistive mechanism to detect the strain caused by applied pressure. Force balancing: Force balanced fused quartz Bourdon tubes use a spiral Bourdon tube to exert force on a pivoting armature containing a mirror, the reflection of a beam of light from the mirror senses the angular displacement and current is applied to electromagnets on the armature to balance the force from the tube and bring the angular displacement to zero, the current that is applied to the coils is used as the measurement. Due to the extremely stable and repeatable mechanical and thermal properties of fused quartz and the force balancing which eliminates most non linear effects these sensors can be accurate to around 1PPM of full scale. Due to the extremely fine fused quartz structures which are made by hand and require expert skill to construct these sensors are generally limited to scientific and calibration purposes. Non force balancing sensors have lower accuracy and reading the angular displacement cannot be done with the same precision as a force balancing measurement, although easier to construct due to the larger size these are no longer used. Other types These types of electronic pressure sensors use other properties (such as density) to infer pressure of a gas, or liquid. Resonant: Uses the changes in resonant frequency in a sensing mechanism to measure stress, or changes in gas density, caused by applied pressure. This technology may be used in conjunction with a force collector, such as those in the category above. Alternatively, resonant technology may be employed by exposing the resonating element itself to the media, whereby the resonant frequency is dependent upon the density of the media. Sensors have been made out of vibrating wire, vibrating cylinders, quartz, and silicon MEMS. Generally, this technology is considered to provide very stable readings over time. The squeeze film pressure sensor is a type of MEMS resonant pressure sensor that operates by a thin membrane that compresses a thin film of gas at high frequency. Since the compressibility and stiffness of the gas film are pressure dependent, the resonance frequency of the squeeze film pressure sensor is used as a measure of the gas pressure. Thermal: Uses the changes in thermal conductivity of a gas due to density changes to measure pressure. A common example of this type is the Pirani gauge. Ionization: Measures the flow of charged gas particles (ions) which varies due to density changes to measure pressure. Common examples are the Hot and Cold Cathode gauges. A pressure sensor, a resonant quartz crystal strain gauge with a Bourdon tube force collector, is the critical sensor of DART. DART detects tsunami waves from the bottom of the open ocean. It has a pressure resolution of approximately 1mm of water when measuring pressure at a depth of several kilometers.

Гидростатический

Гидростатические датчики (например, ртутный манометр) сравнивают давление с гидростатическим давлением на единицу площади у основания столба жидкости. Измерения, выполняемые гидростатическими датчиками, не зависят от типа измеряемого газа и могут быть спроектированы для обеспечения очень линейной калибровки. Они обладают низкой динамической характеристикой.

Стержень

Поршневые манометры уравновешивают давление жидкости с помощью пружины (например, манометры для измерения давления в шинах с сравнительно низкой точностью) или твердого веса, в этом случае они называются поверочными установками с эталонными гирями и могут использоваться для калибровки других манометров.

Масштаб МакЛеод

Измеритель МакЛеода изолирует образец газа и сжимает его в модифицированном ртутном манометре до тех пор, пока давление не достигнет нескольких миллиметров ртутного столба. Метод очень медленный и не подходит для непрерывного мониторинга, но обеспечивает высокую точность. В отличие от других манометров, показания измерителя МакЛеода зависят от состава газа, поскольку интерпретация основана на предположении о сжатии образца как идеального газа. Благодаря процессу сжатия, измеритель МакЛеода полностью исключает частичное давление неидеальных паров, которые конденсируются, таких как масла насосов, ртуть и даже вода при достаточном сжатии. em = 1.5 | text = Диапазон применения: от примерно 10−4 Торр (около 10−2 Па) до вакуума вплоть до 10−6 Торр (0,1 мПа).

0,1 мПа – это самое низкое прямое измерение давления, которое возможно с использованием современных технологий. Другие вакуумные датчики 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 использованием измерителя МакЛеода.

Анероид

Анероидные манометры основаны на металлическом чувствительном элементе, который упруго деформируется под воздействием разности давления на элементе. "Анероид" означает "без жидкости", и этот термин изначально использовался для отличия этих манометров от гидростатических манометров, описанных выше. Однако анероидные манометры могут использоваться для измерения давления как жидкости, так и газа, и они не единственный тип манометров, способных работать без жидкости. По этой причине в современной терминологии их часто называют механическими манометрами. Анероидные манометры не зависят от типа измеряемого газа, в отличие от тепловых и ионизационных манометров, и реже, чем гидростатические манометры, приводят к загрязнению системы. Чувствительным элементом может быть трубка Бурдона, мембрана, капсула или набор сильфонов, которые изменяют свою форму в зависимости от давления в измеряемой области. Отклонение чувствительного элемента может считываться с помощью механической передачи, соединенной со стрелкой, или с помощью вторичного преобразователя. Наиболее распространенные вторичные преобразователи в современных вакуумных манометрах измеряют изменение емкости, вызванное механическим отклонением. Манометры, основанные на изменении емкости, часто называют емкостными манометрами.

Белой

В приборах, предназначенных для измерения небольших давлений или разности давлений, или требующих измерения абсолютного давления, механизм передачи и стрелка могут приводиться в движение закрытой и герметичной баллочной камерой, называемой анероидом. (Ранние барометры использовали столб жидкости, например воды или жидкого металла ртути, удерживаемый вакуумом.) Эта баллочная конструкция используется в анероидных барометрах (барометрах с указательной стрелкой и шкалой), высотомерах, барографах для регистрации высоты и высотомерных приборах телеметрии, применяемых в метеорологических радиозондах. Эти устройства используют герметичную камеру в качестве опорного давления и приводятся в действие внешним давлением. Другие чувствительные авиационные приборы, такие как указатели воздушной скорости и указатели вертикальной скорости (вариометры), имеют соединения как с внутренней частью анероидной камеры, так и с внешней оболочкой.

Магнитная сцепка

Эти приборы используют притяжение двух магнитов для преобразования дифференциального давления в движение указателя циферблата. При увеличении дифференциального давления магнит, прикрепленный к поршню или резиновой мембране, перемещается. Вращающийся магнит, соединенный с указателем, движется синхронно с ним. Для создания различных диапазонов давления можно изменять жесткость пружины.

Пропускная способность вращающегося ротора

Принцип работы датчика вращающегося ротора основан на измерении замедления вращающегося шара под воздействием вязкости измеряемого газа. Шар изготавливается из стали и удерживается в состоянии магнитной левитации внутри стальной трубки, закрытой с одного конца и открытой для измеряемого газа с другого. Шар разгоняется до скорости (около 2500 или 3800 рад/с), а скорость его замедления измеряется после отключения привода электромагнитными преобразователями. Диапазон измерений прибора составляет от 5–5 до 102 Па (103 Па с меньшей точностью). Он достаточно точен и стабилен для использования в качестве вторичного стандарта. В последние годы этот тип датчика стал более удобным в использовании и простым в эксплуатации. Ранее прибор был известен тем, что требовал определенных навыков и знаний для правильной работы. Для получения высокоточных результатов необходимо вносить различные поправки, а перед использованием шар должен вращаться при давлении, значительно ниже предполагаемого давления измерения, в течение пяти часов. Он наиболее эффективен в калибровочных и исследовательских лабораториях, где требуется высокая точность и работают квалифицированные специалисты. Мониторинг изоляционного вакуума криогенных жидкостей также является подходящим применением для этой системы. Благодаря недорогому, долговечному и стабильному свариваемому датчику, который можно отделить от более дорогостоящей электроники, он идеально подходит для любых статических вакуумов.

Теплопроводность

Как правило, по мере увеличения плотности реального газа, что может свидетельствовать об увеличении давления, его теплопроводность возрастает. В этом типе вакуумметра нить накала нагревается пропусканием через неё электрического тока. Для измерения температуры нити можно использовать термопару или термометр сопротивления (RTD). Эта температура зависит от скорости теплоотдачи нити в окружающий газ, а следовательно, и от теплопроводности газа. Распространенным вариантом является вакуумметр Пирани, в котором одна платиновая нить используется одновременно в качестве нагревательного элемента и RTD. Эти вакуумметры точны в диапазоне от 10−3 Торр до 10 Торр, однако их калибровка чувствительна к химическому составу измеряемого газа.

Пирани (один провод)

Измеритель Пирани состоит из металлического провода, открытого для измеряемого давления. Провод нагревается протекающим через него током и охлаждается окружающим газом. Если давление газа уменьшается, эффект охлаждения снижается, следовательно, равновесная температура провода возрастает. Сопротивление провода является функцией его температуры: измеряя напряжение на проводе и ток, протекающий через него, можно определить сопротивление (и, таким образом, давление газа). Этот тип датчика был изобретен Марчелло Пирани.

Двухпроводная

В двухпроводных датчиках одна проволочная катушка используется в качестве нагревателя, а другая – для измерения температуры за счет конвекции. Термопары и термисторы работают по такому же принципу, используя термопару или термистор, соответственно, для измерения температуры нагреваемой проволоки.

Измер ионизации

Ионизационные датчики являются наиболее чувствительными датчиками для очень низкого давления (также называемого глубоким или высоким вакуумом). Они определяют давление косвенно, измеряя электрические ионы, образующиеся при бомбардировке газа электронами. Газы с меньшей плотностью производят меньше ионов. Калибровка ионизационного датчика нестабильна и зависит от природы измеряемых газов, которая не всегда известна. Их можно калибровать по датчику Маклеода, который гораздо стабильнее и не зависит от химического состава газа. Термоэлектронная эмиссия генерирует электроны, которые сталкиваются с атомами газа и генерируют положительные ионы. Ионы притягиваются к подходящему электроду, известному как коллектор. Ток в коллекторе пропорционален скорости ионизации, которая является функцией давления в системе. Следовательно, измерение тока коллектора позволяет определить давление газа. Существует несколько подтипов ионизационных датчиков. em = 1.5 | text = Диапазон измерений: 10−10 – 10−3 Торр (примерно 10−8 – 10−1 Па).

Большинство ионизационных датчиков выпускаются двух типов: с горячим катодом и с холодным катодом. В версии с горячим катодом электрически нагревленная нить создает электронный луч. Электроны проходят через датчик и ионизируют молекулы газа вокруг них. Образующиеся ионы собираются на отрицательном электроде. Ток зависит от количества ионов, которое зависит от давления в датчике. Датчики с горячим катодом точны в диапазоне от 10−3 Торр до 10−10 Торр. Принцип работы версии с холодным катодом тот же, за исключением того, что электроны генерируются в результате разряда высокого напряжения. Датчики с холодным катодом точны в диапазоне 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 нарушена при активации при атмосферном давлении или низком вакууме. Состав газов при высоком вакууме обычно непредсказуем, поэтому для точного измерения необходимо использовать масс-спектрометр в сочетании с ионизационным датчиком.

Калибровка и стандарты

Американское общество инженеров-механиков (ASME) разработало два отдельных и различных стандарта по измерению давления: B40.100 и PTC 19.2. Стандарт B40.100 содержит руководящие указания по манометрам с циферблатным индикатором и цифровым индикаторам давления, диафрагменным уплотнениям, демпферам и предохранительным клапанам давления. PTC 19.2 предоставляет инструкции и рекомендации для точного определения значений давления в поддержку кодексов испытаний производительности ASME. Выбор метода, приборов, необходимых расчетов и поправок зависит от цели измерения, допустимой погрешности и характеристик испытываемого оборудования. Также представлены методы измерения давления и протоколы передачи данных. Приведены рекомендации по настройке измерительных приборов и определению погрешности измерения. Предоставляется информация о типе прибора, конструкции, применимом диапазоне давления, точности, выходном сигнале и относительной стоимости. Также представлена информация об измерительных приборах давления, используемых в полевых условиях, таких как поршневые манометры, манометры и приборы для измерения низкого абсолютного давления (вакуума). Эти методы разработаны для помощи в оценке погрешности измерений на основе современных технологий и инженерных знаний, с учетом опубликованных спецификаций приборов, а также методов измерений и применения. Данное дополнение содержит рекомендации по использованию методов для определения погрешности измерения давления.

Европейский стандарт (CEN)

EN 472 : Манометры. Терминология. EN 837-1 : Манометры. Манометры с трубкой Бурдона. Размеры, метрология, требования и испытания. EN 837-2 : Манометры. Рекомендации по выбору и монтажу манометров. EN 837-3 : Манометры. Манометры с мембраной и капсульные манометры. Размеры, метрология, требования и испытания.

Стандарт ASME США

B40.100 2013: Манометры и присоединительные устройства к манометрам. PTC 19.2 2010: Свод правил по проведению испытаний на характеристики при измерении давления.