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絕壓與表壓選擇正確的壓力控制器

絕壓與表壓選擇正確的壓力控制器
壓力還是表壓力？如您打算搭建一個壓力控制的系統，應該參照哪一個壓力呢？大多數應用一般選擇沿用既定的慣例。然而，某些應用中，需要控制的壓力剛好等于大氣壓或僅比大氣壓高一點點，例如過程分析儀上的背壓控制，或香煙濾嘴的流通性能測試，此類應用中，采用壓力還是表壓力對過程系統的運行起著至關重要的作用。

壓力和表壓力
壓力是指作用于物體表面的力，是由物體表面的分子在運動時產生的動能而形成。由理想氣體狀態方程(PV=nRT)可知：壓力與氣體的溫度、質量成正比，與氣體體積成反比。假設將一剛性容器內抽成真空，內部不含任何物質，即沒有壓力。往該容器中注入一定量氣體，則運動的氣體分子將產生作用于容器壁的壓力，如圖1。若將氣體分子數翻倍，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，那么壓力則會減小一半，如圖3。氣體溫度升高也會導致壓力上升，因為溫度的上升將使得氣體分子的動能增大，從而增大氣體分子間的相互間作用力，如圖4。反之，降低溫度會導致壓力減小，這也就是為什么冬天的早晨汽車輪胎內的壓力比較低。 上述例子中開頭提到的真空是相對于壓力而言。壓力的數值一定不會是負數。表壓的數值是相對于當地大氣壓而言，而該大氣壓力的數值為一壓力。換句話說，表壓力代表您的系統壓力比當地大氣壓力高多少或低多少。如測量的是表壓力，則實際壓力值等于表壓讀數加上當地的大氣壓力（大氣壓值為一壓力）。
按照慣例，高于大氣壓的系統一般測量其表壓力。比如汽車輪胎的壓力就用表壓力來描述，因為我們想知道輪胎內單位體積內的空氣比輪胎外多多少。漏氣輪胎的表壓力為零，因為輪胎內的壓力就等于大氣壓。真空沉積應用中通常采用壓力，因為須將系統壓力控制在高于真空的某一壓力處。至此，還沒有完結。
壓力、溫度與海拔
您是否在冬天的早晨出行時發現汽車輪胎壓力比較低？并不是您的輪胎壓力檢測系統發生了故障。由理想氣體狀態方程(PV=nRT)可知，壓力與氣體的溫度、質量成正比、與體積成反比。較低的氣溫使得汽車輪胎內空氣分子的動能減少，從而輪胎內壓力下降。
更糟糕的是，大氣壓力會隨著海拔上升而減小，因為隨著海拔上升，氣體分子的數量會隨之減少。處于真空的太空其實沒有壓力，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。如果測量的是壓力，其讀數會因為海拔的變化而有很大的不同。
根據熱力學第二定律，流體總是從壓力高的地方運動到壓力低的地方。倘若我們在雷蒙山山頂上將上述空瓶的瓶蓋擰開，瓶子內、外的壓力差會將部分瓶內空氣排至瓶外，直至瓶內壓力到達與外界大氣壓相同的壓力10.44 psia，此時瓶內表壓力為0。我們再次將瓶蓋擰緊，然后下山回到大氣壓為13.67 psia的ALICAT總部所在地，此時瓶內的壓力(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)。我們再將瓶蓋擰開，此時瓶外空氣將因為壓差的關系往瓶內運動，直至瓶內的壓力上升至13.67 psia。

過程系統的表壓讀數因大氣壓的增大而變小
大氣壓力與溫度的關系 氣溫對大氣壓力的高或低也略有影響。一天中的大氣壓力是波動的，通常上午10點達到峰值、下午4點位于谷值，其差異在赤道地區為顯著，因為赤道附近的地球自轉與一天內的溫度波動大。除了一天內大氣壓本身的波動外，氣溫的因素也會使其高于或低于平均值。同一地點的大氣壓力在一年之間會產生0.3psi的上下浮動。那些暴風雨頻繁、熱帶低氣壓或時常有龍卷風光顧的地區，甚至會出現極短時間內大氣壓波動很大的現象 絕壓控制可消除大氣壓波動的影響，穩定整個壓力控制過程

被控壓力值越高于大氣壓，上述大氣壓波動產生的影響越小。在圖森，若壓力設定值為100 psig，則壓力將在113.6 ~ 113.8 psia區間內波動；若壓力設定值為113.7 psia，那么僅+/- 0.1 psi的浮動對過程系統的影響是微乎其微的。

上面的例子說明了在測量與控制壓力時選擇正確壓力參照標準的重要性。若要在過程系統內生成一不受外界大氣壓影響的、絕緣的壓力環境，則須使用絕壓壓力控制器；若要維持一相對于大氣壓而言的某一壓力數值，則選用表壓壓力控制器。當大氣壓力發生上升或下降波動時，表壓壓力控制器將通過增加或排除空氣來維持目標壓力差。如我們所見，那些被控壓力與大氣壓力相差無幾的應用，采用絕壓壓力控制器效果可能更好。