绝对与压力表:选择正确的压力控制

Alicat U mass flow and pressure application training

绝对压力还是表压?当你建立一个压力控制过程时,你应该使用哪一个参考?对于许多应用程序,这种选择可能只是继续使用已建立的约定。然而,一些压力控制应用在大气压或大气压以上,例如用于过程分析仪的反压控制或用于香烟过滤器的流动特性描述。对于这样的应用程序,选择使用绝对压力或测量压力可能是一个重要的决定,它将极大地影响您的流程的预期操作。

绝对对表压力

图2。给刚性容器增加质量会增加其内部的压力。

Pressure is caused by the kinetic energy of molecules pressing against a surface.

图1所示。压力是由分子压在表面上的动能引起的。

压力是推动表面的力的量度。这个力来自于分子对表面运动的动能。根据理想气体定律(PV=nRT),压力随温度和质量的增大而增大,随体积的增大而减小。让我们考虑一个有完美真空的刚性容器。因为没有物质,就没有压力。如果我们向容器中加入一些气体,移动的气体分子会对容器壁产生压力(图1)。
气体分子的数量加倍加倍他们的压力容器(图2)。然而,如果我们的两倍体积,气体分子有更大的空间,和压力减少一半(图3)。增加气体的温度也增加了压力,因为它增加了气体分子的动能和他们的交互与容器(图4)。相反,温度下降减少压力,这就解释了为什么胎压在冬天的早晨会很低。

图4。增加刚性容器的温度会增加其内部的压力

Increasing the volume of a rigid container reduces the pressure inside it.

图3。增加刚性容器的体积会降低其内部的压力。

我们在上面的例子中开始的这个完美真空是绝对压强的参考。绝对压力的测量不能为负值。仪表压力是参考当地的大气压力,它本身是在绝对尺度上测量的。换句话说,测量压力告诉你你的过程压力高于或低于当地大气压力多少。当使用压力表时,实际总压是压力表读数加上当前的局部大气压(参考绝对压力表)。
按照惯例,不能低于大气压的过程通常用表压来测量。例如,轮胎气压,使用一个测量基准,因为我们想知道它里面的空气比它周围的空气多多少。爆胎的压力为0,因为爆胎的内部压力相当于大气压。然而,真空沉积过程通常是参考绝对标度,因为它们需要保持过程在绝对真空之上的特定压力。然而,这并不是故事的结局。

压强,温度和高度

你是否曾经在一个寒冷的早晨走到你的车旁,发现轮胎气压很低?你汽车的胎压监测系统(TPMS)还没有失控。根据理想气体定律(PV=nRT),压力随温度和质量的增大而增大,随体积的增大而减小。低温降低了汽车轮胎内空气分子的动能,从而降低了轮胎的压力。同样的现象在去年冬天的“爆燃”AFC锦标赛足球比赛中曝光,当时的低温可能导致足球内部压力下降1.8 psi。
使问题进一步复杂化的是,大气压力随着海拔的升高而降低,因为有少量的气体分子可以压住其他一切东西。在真空的空间里,实际上没有压力,但在海平面上,平均压力是14.696 psia(绝对压力)。因此,在海平面上的城市比在山上的城市有更高的大气压力。当改变高度时,绝对压力的测量值与表压的测量值会有很大的不同。
例如,假设我们在Alicat的图森办公室拧紧一个空水瓶的盖子。在海拔2160英尺的地方,周围空气的平均压力是13.67 psia(绝对压力),所以瓶内的压力也是13.67 psi。在压力表上,瓶内压力为0 psig,等于环境空气压力。我们把水瓶开到图森北部9,159英尺高的莱蒙山山顶,那里的环境气压只有10.44 psia。密封瓶内的气压仍然是13.67 psia,在这个高度相当于3.23 psig(13.67-10.44)。

一个过程的仪表压力随着大气压力的降低而增加。

根据热力学第二定律,流体从高压区流动到低压区。如果我们在山顶打开密封的水瓶,内部更大的压力会导致一些空气流出瓶子,直到内部压力等于10.44 psig,也就是现在的0 psig。然后,我们又把瓶子封在山顶,然后下山。瓶内的压力(10.44 psia)现在低于周围的大气压力(13.67 psia),因此在一个测量尺度上,压力读数为-3.23 psig(10.44-13.67)。当我们打开瓶子时,周围的空气冲进低压瓶,直到它的压力增加到13.67 psia。

一个过程的仪表压力随着大气压力的增加而降低。

气压和天气系统

天气系统进一步增加或减少当地的大气压力的少量。气压全天波动,通常在上午10点左右达到峰值,在下午4点左右达到最低值。这种差异在赤道是最大的,那里地球的自转和每日温度波动都是最大的。除了每日的波动,天气系统带来的压力可能高于或低于平均水平。一年中,一个地方的大气压力可能变化高达0.3 psi。经常出现风暴、热带低气压或飓风的地区在更短的时间内变化更大。

再以亚利桑那州图森市为例,我们的平均大气压约为13.7 psia,典型的高气压为13.8 psia,低气压为13.6 psia。如果我们想要控制一个只比大气压高0.3 psi的过程,我们应该使用仪表压力控制器还是绝对压力控制器?仪表压力控制(下图左侧)会导致不稳定的控制,它会随着当地大气压力变化的波动而波动。但是,这些波动是不可见的,因为控制器总是读取0.3 psig的测量压力。绝对压力控制(在右下方)提供了稳定的控制,不管在大气中发生了什么,因为它是参照真空,而不是大气压力。

绝对压力控制稳定了大气压力变化的影响。

请注意,你的压力设定值高于大气压力越大,上述波动的影响就越小。在图森,一个设定为100.0 psig的过程将会出现从113.6 psia到113.8 psia的波动,而绝对压力控制将会提供一个稳定的113.7 psia的压力。在113.7 psia的范围内,+/- 0.1 psi的变化对过程和问题可能是无关紧要的,也不能保证绝对的压力控制。

选择正确的压力基准

上面的例子说明了选择正确的参考刻度来测量或控制压力的重要性。如果我们想在一个过程中分离出一个特定的压强,不管大气中发生了什么,我们应该使用一个绝对压强系统。然而,如果我们关心的是保持一定的压力相对于目前的大气压力,那么我们应该使用一个系统的规范压力。当环境空气压力上升或下降时,仪表压力控制器将添加或删除空气,以保持所需的压差。正如我们所看到的,需要控制低气压的应用最有可能从绝对压力控制中获益。

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