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絕壓與表壓 —— 選擇正確的壓力控制器

閱讀:984      發(fā)布時(shí)間:2017-12-21
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壓力還是表壓力?如您打算搭建一個(gè)壓力控制的系統(tǒng),應(yīng)該參照哪一個(gè)壓力呢?大多數(shù)應(yīng)用一般選擇沿用既定的慣例。然而,某些應(yīng)用中,需要控制的壓力剛好等于大氣壓或僅比大氣壓高一點(diǎn)點(diǎn),例如過(guò)程分析儀上的背壓控制,或香煙濾嘴的流通性能測(cè)試,此類應(yīng)用中,采用壓力還是表壓力對(duì)過(guò)程系統(tǒng)的運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。

壓力和表壓力

圖1 
壓力由分子作用于物體表面的動(dòng)能形成

壓力是指作用于物體表面的力,是由物體表面的分子在運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能而形成。由理想氣體狀態(tài)方程(PV=nRT)可知:壓力與氣體的溫度、質(zhì)量成正比,與氣體體積成反比。假設(shè)將一剛性容器內(nèi)抽成真空,內(nèi)部不含任何物質(zhì),即沒(méi)有壓力。往該容器中注入一定量氣體,則運(yùn)動(dòng)的氣體分子將產(chǎn)生作用于容器壁的壓力,如圖1。若將氣體分子數(shù)翻倍,則作用于容器壁的壓力亦翻倍,如圖2。然而,若將容器體積增大一倍,氣體分子具有了雙倍的空間,那么壓力則會(huì)減小一半,如圖3。氣體溫度升高也會(huì)導(dǎo)致壓力上升,因?yàn)闇囟鹊纳仙龑⑹沟脷怏w分子的動(dòng)能增大,從而增大氣體分子間的相互間作用力,如圖4。反之,降低溫度會(huì)導(dǎo)致壓力減小,這也就是為什么冬天的早晨汽車輪胎內(nèi)的壓力比較低。

圖2 
增加剛性容器中氣體的質(zhì)量,則壓力增大

圖3
增大剛性容器的體積,則壓力減小

圖4
升高剛性容器內(nèi)氣體的溫度,則壓力增大

 

 

 

 

 

上述例子中開(kāi)頭提到的真空是相對(duì)于壓力而言。壓力的數(shù)值一定不會(huì)是負(fù)數(shù)。表壓的數(shù)值是相對(duì)于當(dāng)?shù)卮髿鈮憾?,而該大氣壓力的?shù)值為一壓力。換句話說(shuō),表壓力代表您的系統(tǒng)壓力比當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Ω叨嗌倩虻投嗌?。如測(cè)量的是表壓力,則實(shí)際壓力值等于表壓讀數(shù)加上當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫Γù髿鈮褐禐橐粔毫Γ?/p>

按照慣例,高于大氣壓的系統(tǒng)一般測(cè)量其表壓力。比如汽車輪胎的壓力就用表壓力來(lái)描述,因?yàn)槲覀兿胫垒喬?nèi)單位體積內(nèi)的空氣比輪胎外多多少。漏氣輪胎的表壓力為零,因?yàn)檩喬?nèi)的壓力就等于大氣壓。真空沉積應(yīng)用中通常采用壓力,因?yàn)轫殞⑾到y(tǒng)壓力控制在高于真空的某一壓力處。至此,還沒(méi)有完結(jié)。

壓力、溫度與海拔

您是否在冬天的早晨出行時(shí)發(fā)現(xiàn)汽車輪胎壓力比較低?并不是您的輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)生了故障。由理想氣體狀態(tài)方程(PV=nRT)可知,壓力與氣體的溫度、質(zhì)量成正比、與體積成反比。較低的氣溫使得汽車輪胎內(nèi)空氣分子的動(dòng)能減少,從而輪胎內(nèi)壓力下降。去年冬天AFC*賽上的“漏風(fēng)門"也是一樣的道理,橄欖球內(nèi)部的氣壓在寒冷的氣溫下會(huì)降低多達(dá)1.8psi的壓力。

更糟糕的是,大氣壓力會(huì)隨著海拔上升而減小,因?yàn)殡S著海拔上升,氣體分子的數(shù)量會(huì)隨之減少。處于真空的太空其實(shí)沒(méi)有壓力,而海平面處的平均壓力為14.696 psia (壓力)。因此,位于海平面的城市的大氣壓力比位于山上的城市高。如果測(cè)量的是壓力,其讀數(shù)會(huì)因?yàn)楹0蔚淖兓泻艽蟮牟煌?/p>

舉個(gè)例子,我們?cè)诎锟ㄌ乜偛克诘?—— 海拔2160英尺、平均大氣壓13.67 psia (壓力)的美國(guó)亞利桑那州圖森市,將一個(gè)空水瓶的瓶蓋擰緊,瓶子內(nèi)部的壓力等于環(huán)境壓力:絕壓13.67 psia、表壓0 psig。隨后我們將該水瓶攜帶至位于圖森北部、海拔9159英尺的雷蒙山山頂上,那里的大氣壓為10.44 psia,而此時(shí)密封瓶子內(nèi)的壓力仍為13.67 psia,表壓力則為3.23 psig (13.67-10.44=3.23)。

過(guò)程系統(tǒng)的表壓讀數(shù)因大氣壓的降低而變大

根據(jù)熱力學(xué)第二定律,流體總是從壓力高的地方運(yùn)動(dòng)到壓力低的地方。倘若我們?cè)诶酌缮缴巾斏蠈⑸鲜隹掌康钠可w擰開(kāi),瓶子內(nèi)、外的壓力差會(huì)將部分瓶?jī)?nèi)空氣排至瓶外,直至瓶?jī)?nèi)壓力到達(dá)與外界大氣壓相同的壓力10.44 psia,此時(shí)瓶?jī)?nèi)表壓力為0。我們?cè)俅螌⑵可w擰緊,然后下山回到大氣壓為13.67 psia的艾里卡特總部所在地,此時(shí)瓶?jī)?nèi)的壓力(10.44 psia)比外界大氣壓(13.67 psia)低,表壓力為-3.23 psig(10.44-13.67=-3.23 psig)。我們?cè)賹⑵可w擰開(kāi),此時(shí)瓶外空氣將因?yàn)閴翰畹年P(guān)系往瓶?jī)?nèi)運(yùn)動(dòng),直至瓶?jī)?nèi)的壓力上升至13.67 psia。

過(guò)程系統(tǒng)的表壓讀數(shù)因大氣壓的增大而變小

大氣壓力與溫度的關(guān)系

氣溫對(duì)大氣壓力的高或低也略有影響。一天中的大氣壓力是波動(dòng)的,通常上午10點(diǎn)達(dá)到峰值、下午4點(diǎn)位于谷值,其差異在赤道地區(qū)zui為顯著,因?yàn)槌嗟栏浇牡厍蜃赞D(zhuǎn)與一天內(nèi)的溫度波動(dòng)zui大。除了一天內(nèi)大氣壓本身的波動(dòng)外,氣溫的因素也會(huì)使其高于或低于平均值。同一地點(diǎn)的大氣壓力在一年之間會(huì)產(chǎn)生0.3psi的上下浮動(dòng)。那些暴風(fēng)雨頻繁、熱帶低氣壓或時(shí)常有龍卷風(fēng)光顧的地區(qū),甚至?xí)霈F(xiàn)極短時(shí)間內(nèi)大氣壓波動(dòng)很大的現(xiàn)象。

還是以艾里卡特總部所在地美國(guó)亞利桑那州圖森市為例,圖森的平均大氣壓為13.7 psia,峰值13.8 psia、谷值13.6 psia。倘若要將目標(biāo)系統(tǒng)控制在一個(gè)僅高于大氣壓0.3 psi的壓力點(diǎn)上,應(yīng)該選表壓壓力控制器還是絕壓壓力控制器呢?如左下圖所示,表壓將受到大氣壓變化的影響而變得不穩(wěn)定,但這些波動(dòng)并不可視,因?yàn)楸韷鹤x數(shù)始終為0.3 psig。絕壓控制則呈現(xiàn)穩(wěn)定的控制,如右下圖所示,盡管大氣壓是波動(dòng)的,但壓力以真空作為參照,而非大氣壓。

絕壓控制可消除大氣壓波動(dòng)的影響,穩(wěn)定整個(gè)壓力控制過(guò)程

被控壓力值越高于大氣壓,上述大氣壓波動(dòng)產(chǎn)生的影響越小。在圖森,若壓力設(shè)定值為100 psig,則壓力將在113.6 ~ 113.8 psia區(qū)間內(nèi)波動(dòng);若壓力設(shè)定值為113.7 psia,那么僅+/- 0.1 psi的浮動(dòng)對(duì)過(guò)程系統(tǒng)的影響是微乎其微的。

選擇正確的壓力參照標(biāo)準(zhǔn)

上面的例子說(shuō)明了在測(cè)量與控制壓力時(shí)選擇正確壓力參照標(biāo)準(zhǔn)的重要性。若要在過(guò)程系統(tǒng)內(nèi)生成一不受外界大氣壓影響的、絕緣的壓力環(huán)境,則須使用絕壓壓力控制器;若要維持一相對(duì)于大氣壓而言的某一壓力數(shù)值,則選用表壓壓力控制器。當(dāng)大氣壓力發(fā)生上升或下降波動(dòng)時(shí),表壓壓力控制器將通過(guò)增加或排除空氣來(lái)維持目標(biāo)壓力差。如我們所見(jiàn),那些被控壓力與大氣壓力相差無(wú)幾的應(yīng)用,采用絕壓壓力控制器效果可能更好。

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