การวัดความดันและหน่วยความดันในวิศวกรรม

1. บทนำเกี่ยวกับการวัดความดัน

การวัดความดันความดันมีบทบาทสำคัญในอุตสาหกรรมสมัยใหม่ การวิจัยทางวิทยาศาสตร์ และการใช้งานในชีวิตประจำวัน ในการผลิตทางอุตสาหกรรม ความดันก็เหมือนกับอุณหภูมิ การไหล หรือระดับ ซึ่งเป็นตัวแปรกระบวนการที่สำคัญที่ต้องได้รับการตรวจสอบและควบคุม ความแม่นยำในการวัดส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพการใช้พลังงาน ความปลอดภัยในการผลิต และผลการดำเนินงานทางเศรษฐกิจโดยรวม

การวัดความดันไอน้ำ
 

ตัวอย่างเช่น ระบบเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากังหันไอน้ำต้องการไอน้ำที่มีอุณหภูมิสูงและความดันสูง ในระหว่างการทำงาน เครื่องมือวัดความดันจำนวนมากจะช่วยให้มั่นใจได้ถึงเสถียรภาพและประสิทธิภาพของระบบ ในอุตสาหกรรมเคมี การควบคุมความดันที่แม่นยำเป็นตัวกำหนดผลลัพธ์ของปฏิกิริยา ตัวอย่างเช่น ในการสังเคราะห์แอมโมเนีย การรักษาความดันที่ถูกต้องจะช่วยให้ปฏิกิริยาเคมีดำเนินไปได้ด้วยผลผลิตที่ดีที่สุด ความดันต่ำส่งผลให้ประสิทธิภาพการแปลงต่ำ ในขณะที่ความดันสูงเกินไปจะเพิ่มความเสี่ยงด้านความปลอดภัย

ในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีสมัยใหม่ ความดันมีอิทธิพลต่อการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างหรือเฟสของวัสดุ โลหะบางชนิดสามารถกลั่นให้บริสุทธิ์ได้ภายใต้สภาวะความดันต่ำมากเท่านั้นจึงจะได้ความบริสุทธิ์สูง ในขณะที่การผลิตเพชรสังเคราะห์นั้นต้องการความดันสูงมากถึงระดับกิกะปาสคาล (GPa) แม้แต่ในเทคโนโลยีเกิดใหม่ เช่น การเคลือบฟิล์มบาง การควบคุมสุญญากาศและความดันก็มีความสำคัญอย่างยิ่ง

ภายใต้ความดันสูง คุณสมบัติทางกายภาพของของเหลว โลหะ และวัสดุอื่นๆ เช่น ความสามารถในการอัดตัว ความหนืด การนำไฟฟ้า และโครงสร้างผลึก จะแสดงพฤติกรรมที่แตกต่างจากสภาวะบรรยากาศปกติ ดังนั้น ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีการวัดความดันจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำความเข้าใจและจัดการกับการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้

ในอุตสาหกรรมการป้องกันประเทศและการบินและอวกาศ การตรวจสอบความดันมีความสำคัญอย่างยิ่งเช่นกัน การใช้งานรวมถึงการทดสอบในอุโมงค์ลม การทำแผนที่ความดันพื้นผิวเครื่องบิน การควบคุมระบบเชื้อเพลิงและการหล่อลื่น ระบบไฮดรอลิกและนิวแมติก การควบคุมแรงขับของเครื่องยนต์ไอพ่น และการวัดระดับความสูง ในทุกกรณีเหล่านี้ เครื่องมือวัดความดันที่แม่นยำเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่ง

2. การพัฒนาและข้อกำหนดของเทคโนโลยีการวัดความดัน

เรียกร้องจาก เครื่องส่งสัญญาณแรงดัน

ด้วยความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วของการผลิตภาคอุตสาหกรรมและการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ ความต้องการในการวัดความดันจึงขยายตัวอย่างมาก อุตสาหกรรมสมัยใหม่ต้องการเครื่องมือที่สามารถวัดได้ทั้ง ความดันสูงมาก และ ความดันต่ำ มากด้วยความแม่นยำสูง

• ปัจจุบันช่วงความดันสูงพิเศษที่สามารถวัดได้ทั่วโลกนั้นสูงถึงหลายสิบล้านปาสคาล
• ในประเทศจีน มีการวัดแรงดันสูงถึง 2.5×10⁵ MPa ได้สำเร็จ
• ในสาขาสุญญากาศและความดันระดับไมโคร ความดันสัมบูรณ์ที่วัดได้ต่ำที่สุดในโลกคือ 10⁻¹² Pa ในขณะที่จีนสามารถทำได้ถึง 10⁻¹⁰ Pa

การวัดความดันครอบคลุมการใช้งานที่หลากหลาย: ก๊าซและของเหลว ความดันสถิตและความดันพลวัต สารบริสุทธิ์และสารหนืด และแม้แต่ของเหลวที่เป็นพิษหรือมีสารหล่อลื่น วิศวกรต้องมั่นใจได้ว่าค่าความดันที่ส่งผ่านจากมาตรฐานอ้างอิงไปยังเครื่องมือใช้งานมีความถูกต้องแม่นยำ พร้อมทั้งพัฒนาวิธีการและอุปกรณ์ใหม่ๆ เพื่อตอบสนองความต้องการที่เกิดขึ้นใหม่

3. แนวคิดพื้นฐานเกี่ยวกับความดัน

3.1 นิยามของความดัน

ในทางฟิสิกส์ ความดัน หมายถึงแรงที่กระทำต่อหน่วยพื้นที่บนพื้นผิว ในทางคณิตศาสตร์ ความสัมพันธ์นี้สามารถแสดงได้ดังนี้:

ที่ไหน:

• p = ความดัน
• F = แรงที่กระทำ
• A = พื้นที่ผิว

เมื่อแรงที่กระทำกระจายตัวไม่สม่ำเสมอ ความดันสามารถนิยามได้ดังนี้:

ในทางวิศวกรรม ความดันมักถูกแสดงในหลายรูปแบบที่แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับสภาวะอ้างอิงและวิธีการวัด

4. ประเภทของแรงดันที่พบได้ทั่วไป

4.1 ความดันบรรยากาศ

ความดันบรรยากาศ ( p₀ ) คือแรงที่เกิดจากน้ำหนักของอากาศเหนือพื้นผิวโลก ความดันบรรยากาศจะแปรผันตามระดับความสูง ละติจูด อุณหภูมิ และสภาพอากาศ

4.2 ความดันสัมบูรณ์

ความดันสัมบูรณ์ ( pₐ ) หมายถึงความดันรวมที่ของเหลว ก๊าซ หรือไอระเหยกระทำ ณ จุดใดจุดหนึ่ง ซึ่งรวมถึงความดันบรรยากาศด้วย

4.3 แรงดันเกจ

ความดันเกจ ( p ) คือความดันที่วัดเทียบกับความดันบรรยากาศ กล่าวคือ:

4.4 สุญญากาศ (แรงดันลบ)

แรงดันลบ

เมื่อความดันสัมบูรณ์ต่ำกว่าความดันบรรยากาศ ความแตกต่างนั้นเรียก ว่าความดันสุญญากาศ ( pₕ ) ซึ่งแสดงได้ดังนี้:

4.5 องศาสุญญากาศ

ระดับสุญญากาศ บ่งบอกถึงความดันสัมบูรณ์ที่ต่ำกว่าความดันบรรยากาศมากน้อยเพียงใด ในการใช้งานทางอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ เครื่องมือวัดจะถูกออกแบบมาเพื่อวัดความดันเกจหรือความดันสุญญากาศโดยตรง

ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันประเภทต่างๆ แสดงให้เห็นในเชิงแนวคิดในภาพที่ 1-1

รูปที่ 1-1 : ความสัมพันธ์ระหว่างความดันสัมบูรณ์ ความดันบรรยากาศ ความดันเกจ และความดันสุญญากาศ

5. หน่วยความดันและการแปลงหน่วย

จากนิยามของความดัน จะเห็นได้ชัดว่าความดันเป็นปริมาณที่ได้มาจากการคำนวณ โดยแสดงในรูป ของแรงต่อหน่วยพื้นที่
ตามมาตรฐานสากล (SI) หน่วยพื้นฐานของความดันคือ ปาสคาล (Pa) ซึ่งนิยามไว้ดังนี้:

แม้ว่าหน่วยวัดปาสคาลจะได้รับการใช้งานอย่างแพร่หลาย แต่หน่วยวัดแบบดั้งเดิมและเฉพาะอุตสาหกรรมบางหน่วยก็ยังคงถูกใช้งานอยู่ทั่วภาคส่วนต่างๆ หน่วยวัดที่พบได้บ่อยที่สุด ได้แก่:

5.1 บรรยากาศทางวิศวกรรม

นิยามว่าคือแรงดันที่เกิดขึ้นจาก แรง 1 กิโลกรัมที่กระทำต่อพื้นที่ 1 ตารางเซนติเมตร โดยใช้สัญลักษณ์ kgf/cm²

5.2 บรรยากาศมาตรฐาน

แสดงถึงความดันที่เกิดจาก คอลัมน์ปรอท 760 มิลลิเมตรปรอท ที่อุณหภูมิ 0°C และความถ่วงจำเพาะมาตรฐาน (9.80665 เมตร/วินาที²) โดยทั่วไปมักใช้ตัวย่อว่า atm

5.3 มิลลิเมตรปรอท (mmHg)

แรงดันที่เกิดจาก คอลัมน์ปรอทขนาด 1 มิลลิเมตร ภายใต้สภาวะมาตรฐาน

5.4 มิลลิเมตรของน้ำ (mmH₂O)

ความดันที่เกิดขึ้นจาก คอลัมน์น้ำหนา 1 มิลลิเมตร ที่อุณหภูมิ 4 องศาเซลเซียส

5.5 หน่วยทั่วไปอื่นๆ

หน่วยวัดความดันเพิ่มเติม ได้แก่ บาร์ เมตรของคอลัมน์น้ำ (mH₂O) และ ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (psi หรือ lbf/in²)

เพื่อความสะดวกในการแปลงหน่วย ตารางที่ 1-1 แสดงค่าสัมประสิทธิ์การแปลงระหว่างหน่วยความดันต่างๆ

6. สรุป

การวัดความดันแรงดันเป็นหัวใจสำคัญของระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม การทดลองทางวิทยาศาสตร์ และวิศวกรรมสมัยใหม่ การทำความเข้าใจ ประเภท หน่วย และ หลักการแปลง ค่าแรงดันต่างๆ ช่วยให้มั่นใจได้ถึงความแม่นยำ ความปลอดภัย และประสิทธิภาพในทุกสาขาวิชาทางเทคนิค เนื่องจากเทคโนโลยีใหม่ๆ ต้องการความแม่นยำสูงขึ้นและช่วงการวัดที่กว้างขึ้น ความก้าวหน้าในเครื่องมือวัดแรงดันจะยังคงขับเคลื่อนความก้าวหน้าทั้งในอุตสาหกรรมและการวิจัยต่อไป

ตารางที่ 1-1 ปัจจัยการแปลงหน่วยความดัน