绝压与表压 —— 选择正确的压力控制器

Posted by:

艾里卡特学院绝对压力还是表压力?如您打算搭建一个压力控制的系统,应该参照哪一个压力呢?大多数应用一般选择沿用既定的惯例。然而,某些应用中,需要控制的压力刚好等于大气压或仅比大气压高一点点,例如过程分析仪上的背压控制,或香烟滤嘴的流通性能测试,此类应用中,采用绝对压力还是表压力对过程系统的运行起着至关重要的作用。

绝对压力和表压力

压力是指作用于物体表面的力,是由物体表面的分子在运动时产生的动能而形成。由理想气体状态方程(PV=nRT)可知:压力与气体的温度、质量成正比,与气体体积成反比。假设将一刚性容器内抽成绝对真空,内部不含任何物质,即没有压力。往该容器中注入一定量气体,则运动的气体分子将产生作用于容器壁的压力,如图1。若将气体分子数翻倍,则作用于容器壁的压力亦翻倍,如图2。然而,若将容器体积增大一倍,气体分子具有了双倍的空间,那么压力则会减小一半,如图3。气体温度升高也会导致压力上升,因为温度的上升将使得气体分子的动能增大,从而增大气体分子间的相互间作用力,如图4。反之,降低温度会导致压力减小,这也就是为什么冬天的早晨汽车轮胎内的压力比较低。

 

 

 

 

 

上述例子中开头提到的绝对真空是相对于绝对压力而言。绝对压力的数值一定不会是负数。表压的数值是相对于当地大气压而言,而该大气压力的数值为一绝对压力。换句话说,表压力代表您的系统压力比当地大气压力高多少或低多少。如测量的是表压力,则实际压力值等于表压读数加上当地的大气压力(大气压值为一绝对压力)。

按照惯例,高于大气压的系统一般测量其表压力。比如汽车轮胎的压力就用表压力来描述,因为我们想知道轮胎内单位体积内的空气比轮胎外多多少。漏气轮胎的表压力为零,因为轮胎内的压力就等于大气压。真空沉积应用中通常采用绝对压力,因为须将系统压力控制在高于绝对真空的某一压力处。至此,还没有完结。

压力、温度与海拔

您是否在冬天的早晨出行时发现汽车轮胎压力比较低?并不是您的轮胎压力检测系统发生了故障。由理想气体状态方程(PV=nRT)可知,压力与气体的温度、质量成正比、与体积成反比。较低的气温使得汽车轮胎内空气分子的动能减少,从而轮胎内压力下降。去年冬天AFC冠军赛上的“漏风门”也是一样的道理,橄榄球内部的气压在寒冷的气温下会降低多达1.8psi的压力。

更糟糕的是,大气压力会随着海拔上升而减小,因为随着海拔上升,气体分子的数量会随之减少。处于真空的太空其实没有压力,而海平面处的平均压力为14.696 psia (绝对压力)。因此,位于海平面的城市的大气压力比位于山上的城市高。如果测量的是绝对压力,其读数会因为海拔的变化而有很大的不同。

举个例子,我们在艾里卡特总部所在地 —— 海拔2160英尺、平均大气压13.67 psia (绝对压力)的美国亚利桑那州图森市,将一个空水瓶的瓶盖拧紧,瓶子内部的压力等于环境压力:绝压13.67 psia、表压0 psig。随后我们将该水瓶携带至位于图森北部、海拔9159英尺的雷蒙山山顶上,那里的绝对大气压为10.44 psia,而此时密封瓶子内的绝对压力仍为13.67 psia,表压力则为3.23 psig (13.67-10.44=3.23)。

根据热力学第二定律,流体总是从压力高的地方运动到压力低的地方。倘若我们在雷蒙山山顶上将上述空瓶的瓶盖拧开,瓶子内、外的压力差会将部分瓶内空气排至瓶外,直至瓶内绝对压力到达与外界大气压相同的压力10.44 psia,此时瓶内表压力为0。我们再次将瓶盖拧紧,然后下山回到绝对大气压为13.67 psia的艾里卡特总部所在地,此时瓶内的绝对压力(10.44 psia)比外界大气压(13.67 psia)低,表压力为-3.23 psig(10.44-13.67=-3.23 psig)。我们再将瓶盖拧开,此时瓶外空气将因为压差的关系往瓶内运动,直至瓶内的绝对压力上升至13.67 psia。

大气压力与温度的关系

气温对大气压力的高或低也略有影响。一天中的大气压力是波动的,通常上午10点达到峰值、下午4点位于谷值,其差异在赤道地区最为显著,因为赤道附近的地球自转与一天内的温度波动最大。除了一天内大气压本身的波动外,气温的因素也会使其高于或低于平均值。同一地点的大气压力在一年之间会产生0.3psi的上下浮动。那些暴风雨频繁、热带低气压或时常有龙卷风光顾的地区,甚至会出现极短时间内大气压波动很大的现象。

还是以艾里卡特总部所在地美国亚利桑那州图森市为例,图森的平均大气压为13.7 psia,峰值13.8 psia、谷值13.6 psia。倘若要将目标系统控制在一个仅高于大气压0.3 psi的压力点上,应该选表压压力控制器还是绝压压力控制器呢?如左下图所示,表压将受到大气压变化的影响而变得不稳定,但这些波动并不可视,因为表压读数始终为0.3 psig。绝压控制则呈现稳定的控制,如右下图所示,尽管大气压是波动的,但绝对压力以真空作为参照,而非大气压。

被控压力值越高于大气压,上述大气压波动产生的影响越小。在图森,若压力设定值为100 psig,则压力将在113.6 ~ 113.8 psia区间内波动;若压力设定值为113.7 psia,那么仅+/- 0.1 psi的浮动对过程系统的影响是微乎其微的。

选择正确的压力参照标准

上面的例子说明了在测量与控制压力时选择正确压力参照标准的重要性。若要在过程系统内生成一不受外界大气压影响的、绝缘的压力环境,则须使用绝压压力控制器;若要维持一相对于大气压而言的某一压力数值,则选用表压压力控制器。当大气压力发生上升或下降波动时,表压压力控制器将通过增加或排除空气来维持目标压力差。如我们所见,那些被控压力与大气压力相差无几的应用,采用绝压压力控制器效果可能更好。

如果您有任何压力控制方面的困扰,请联系我们,我们的工程师将为您找到最经济可靠的方案。

阅读全文 →
0