Kuinka mitata alipaine: menetelmät, yksiköt ja asteikot

Lyhyt katsaus alipaineen mittaamisen historiaan

Merkittävä tapahtuma alipaineteknologian historiassa oli italialaisen fyysikon Andrea Torricellin vuonna 1643 suorittama koe. Torricelli täytti noin 1 metrin pituisen lasiputken elohopealla. Hän sulki sitten putken toisen pään ja käänsi sen ylösalaisin, asettaen avoimen pään elohopea-altaaseen.

Kun tulppa poistettiin, elohopea asettui lopulta noin 760 mm (30 tuumaa) altaan pinnan yläpuolelle – riippumatta altaan elohopean määrästä tai putken kulmasta.

Tämä laite mittaa ilmanpainetta ja sitä voidaan käyttää barometrina (jonka keksijänä Torricelliä pidetään). Kokeessa osoitettiin myös, että ylösalaisin käännetyn putken yläpuolelle jäänyt tila oli tyhjiö.

Muutama sata vuotta myöhemmin samaa teknologiaa käytettiin alipainenostimen keksimisessä TAWI:n alipainenostimet.

Alipainenostimia käytetään mahdollistamaan raskaan tavaran tehokas ja turvallinen käsittely.

Yleiset alipaineen yksiköt ja asteikot

Elohopean millimetrejä tai tuumia käytetään edelleen paineen mittaamiseen tyhjiöjärjestelmissä. Elohopean millimetrit tai mmHg (Hg on elohopea alkuaineiden jaksollisessa järjestelmässä) ovat myös Torr-yksikön (Torricellin mukaan) perusta tyhjiön mittaamisessa. 1 Torr on yhtä kuin 1 mmHg ja 760 Torr/mmHg vastaa ilmanpainetta (1 atm). Toisin kuin 17^th Toisin kuin 1600-luvulla, voimme nyt luoda alipaineen, jotka voidaan mitata hyvin pieninä Torrin murto-osina

Lisäyksiköitä käytetään eri puolilla maailmaa alipaineen mittaamiseen. Yleisimmät ovat:

• atm – Standardoitu ilmanpaine, 760 mmHg
• PSI – Kilogrammaa neliösenttimetriä kohden, absoluuttinen (PSIA) tai mittaripaine (PSIG)
• inHg –Elohopeatuumat
• mmHg –Elohopean millimetrit
• Torr – Melkein, mutta ei täysin yhtä suuri kuin elohopean millimetrit
• micron (mTorr) – a millitorr is 1000^th of a Torr
• kPa – kilopascals, newton-force per square meter
• mbar – millibars, bar (kPa x 100) x 1000

Pohjois-Amerikassa on yleistä käyttää elohopeatuumia (inHg) alipaineen alueella, Torria korkeampien alipaineiden alueella ja mikroneja (tuhannesosa Torria) paineille, jotka saavutetaan esityhjiöpumpuilla.

Pohjois-Amerikan ulkopuolella yleisempiä yksiköitä ovat negatiivinen millibaari ja/tai kPa (usein molempia käytetään mittareissa). Pascal (kuten kilopascal/kPa) on metrinen standardiyksikkö paineelle ja on yleensä yksikkö, jota käytetään tieteellisissä ja teknisissä julkaisuissa.

Niin sanotulla karkean alipaineen alueella, ilmanpaineesta 25 Torriin asti, on myös yleistä (ja käytännöllisempää) määritellä alipaine prosenttiosuutena täydestä alipaineesta. Esimerkiksi, alipainejärjestelmät  Voi toimia noin 60 %:ssa täydestä alipaineesta.

Onko täydellinen alipaine mahdollinen?

Ei. Täydellinen alipaine, jota voidaan kutsua myös täydelliseksi tyhjiöksi tai absoluuttiseksi tyhjiöksi, olisi tilavuus, joka ei sisällä lainkaan ainetta. Ulkoavaruus tulee lähelle, sillä siellä on vain muutamia vetyatomeja kuutiometriä kohden, mutta se ei koskaan saavuta nollaa, ja sama pätee jopa teknisesti edistyneimpiin tyhjiöjärjestelmiin Maassa.

Vaikka pieni tilavuus saattaa hetkellisesti olla ilman hiukkasia, siellä olisi silti kvantti-ilmiöitä, kuten fotoneja. Täydellinen alipaine on kuitenkin väistämätön teoreettinen vertailukohta, jota käytämme esimerkiksi määrittäessämme ja vertaillessamme alipaineen prosenttiosuuksia. Täydellinen alipaine (100 %) kaikissa yksiköissä mitattuna, mukaan lukien PSI, mmHg, Torr, mbar tai inHg, on 0.

Mitä pidetään korkeana alipaineena?

Mikä tahansa negatiivinen paine, joka on merkittävästi alle standardi-ilmanpaineen (760 Torr/mmHg, 29,9 inHg tai 14,7 PSI), katsotaan alipaineeksi. Alipaineen laatu jaetaan sen jälkeen alueisiin, jotka ovat jossain määrin mielivaltaisia, mutta pääasiassa perustuvat laitteisiin, joita tarvitaan sen saavuttamiseen tai mittaamiseen.

Alipainealue, joka voidaan mitata elohopean (Hg) yksiköissä, kutsutaan karkean alipaineen alueeksi. Tämä on alue, jossa alipainenostolaitteet ja lukuisat muut teolliset sovellukset toimivat.

Nämä ovat alipainealueet mitattuna Torr-yksiköissä (tai Torrin murto-osina).

• Ilmanpaine: 760 Torr
• Karkea alipaine: 760 to 25 Torr
• Keskialipaine: 25 to 1×10^-3 Torr
• Korkea alipaine: 1×10^-3 to 1×10^-9 Torr
• Ultrakorkea alipaine: 1×10^-9 to 1×10^-12 torr
• Erittäin korkea alipaine: vähemmän kuin 1×10^-12 Torr

Korkeanalipaineen määrittää se, että se sijoittuu yleensä alueelle 1×10^-3 – 1×10^-9 Torr, mikä vastaa tuhannesosaa (0,001) Torrista (tai 1 mikroni) aina miljardisosaan (0,000000001) Torrista. Toinen rajaava tekijä on, että se vaatii yleensä monivaihepumppausta ja se mitataan ionisaatiomittarilla.

Alipaineen mittausmittarit

Alipainekäsittelytekniikassa ja muissa sovelluksissa, jotka toimivat karkean alipaineen alueella, alipainetaso mitataan tyypillisesti suoraan lukevilla mittareilla. Suoraan lukevat mittarit voivat tarjota tarkan mittauksen ilmanpaineesta noin 1 Torriin ja joissain tapauksissa alemmaksi. Tällaisia teknologioita ovat muun muassa U-putkemanometrit, kapasitanssimanometrit ja Bourdon-putket.

U-putkemanometrit: Yksi yksinkertaisimmista laitteista paineen ja tyhjiön mittaamiseen on U-putkemanometri. Se on U:n muotoinen, ja kun tyhjiö kohdistetaan toiseen putken haaraan, neste nousee siinä haarassa ja laskee toisessa.

Kapasitanssimanometrit: Kapasitanssimanometri on huomattavasti monimutkaisempi ja tarkempi manometrin muoto. Se käyttää jännitettyä kalvoa, jonka toinen puoli on altistettu mitattavalle tilavuudelle. Toisella puolella on elektrodikokoonpano, jossa on vertailuelektrodi ja paineen tunnistuselektrodi. Kun kalvo taipuu paineen suhteessa, se aiheuttaa kapasitanssin muutoksen, joka havaitaan ja lopulta muunnetaan tarkaksi mittaukseksi.

Bourdon-putkityhjiömittarit: Ylivoimaisesti yleisin painemittari on Bourdon-putkimittari. Tämä suhteellisen yksinkertainen mutta tarkka mekaaninen laite on ollut käytössä 1800-luvulta lähtien ja on yhä laajasti käytössä. Se on erittäin hyödyllinen monenlaisissa sovelluksissa, mukaan lukien teollisten alipainejärjestelmien asennus ja vianmäärity.

Bourdon-putki itsessään on kaarelle taivutettu putki, joka on yhdistetty alipainejärjestelmään. Se taipuu enemmän tai vähemmän ilmanpaineeseen suhteutettuna, mikä saa kiinnitetyn osoittimen liikkumaan hammasrattaiden ja jousien avulla.

Alipainenostojärjestelmän mittaaminen

Alipainenostojärjestelmä toimii karkean alipaineen alueella, mikä tekee alipainetason mittaamisesta suhteellisen helppoa tavanomaisilla mittareilla. Mittauksen tarkoituksesta riippuen – kuten asennus, säätö tai vuotojen havaitseminen – lähtökohtana on kiinnittää manometri järjestelmän asianmukaiseen osaan. TAWI-alipainejärjestelmissä tiedämme tarkalleen alipainepumppujemme kapasiteetin, ja alipainetason mittaamista tarvitaan vain tietyissä olosuhteissa.

Alipainejärjestelmän vianmääritys

Ongelmia heikon nostokapasiteetin kanssa aiheuttavat yleensä järjestelmän vuodot, jotka voidaan paikantaa mittaamalla tyhjiötaso eri osissa järjestelmää. Alkuperäinen mittausmenetelmä on sijoittaa imujalkojen alueelle testilevyyn kiinnitetty manometri. Tämä simuloi kuormaa ja sen pitäisi kyetä saavuttamaan tyhjiöpumpun kapasiteetti.

Alipainenostojärjestelmä ei ole koskaan 100 % tiivis, mutta jos tyhjiötaso ei saavuta 55–60 % (teoreettisesta absoluuttisesta tyhjiöstä), tämä viittaa vuotoon. Tällöin on mahdollista mitata useista kohdista imujalkojen ja pumpun välillä vuodon sijainnin tunnistamiseksi.

Keveiden kuormien säätäminen

Kun imujalkojen kohdalla saavutetaan pumpun kapasiteetti, on myös mahdollista, että vuoto johtuu itse kuormasta, mikä aiheuttaa alipaineen häviämisen. Ratkaisuna on lisätä pumpun kapasiteettia – ei siinä, mihin alipainetasoon pumppu voi päästä, vaan siinä, kuinka suuren virtauksen pumppu pystyy poistamaan.

Keveät kuormat vaativat suurempikapasiteettisia pumppuja ilman poistamiseen verrattuna tasaisiin, ei-huokoisiin kuormiin. Tämän vuoksi on mahdollista käyttää pientä alipainepumppua, jonka virtaus on 4 m³/h (141 ft³/h), ketjunostimesta roikkuen nostamaan teräslevyjä, jotka painavat jopa 1,5 tonnia (3 300 lbs).

Toisessa ääripäässä saatat tarvita 3 kW:n pumpun, joka tuottaa 230 m³/h (8 133 ft³/h) virtauksen, kun nostat 25 kg:n (55 lbs.) jauhopussia tai kevyttä vanerilevyä.

Toisin sanoen, oikeanlaisen alipainejärjestelmän valintaan tiettyä sovellusta varten vaikuttaa monia tekijöitä. Järjestelmän turvallisuuden varmistamiseksi vaadittu nostokapasiteetti kerrotaan myös kahdella.

Lue lisää

Lue lisää Johdatus alipaineteknologiaan. 

Tämä artikkeli opastaa sinut turvalliseen nostamiseen alipaineteknologian avulla.

Täältä voit oppia lisää aiheesta työskentelystä tehokkaasti alipainenostojärjestelmien kanssa.

Ota yhteyttä keskustellaksesi TAWI-edustajan kanssa.