壓力還是表壓力？如您打算搭建一個壓力控制的系統(tǒng)，應該參照哪一個壓力呢？大多數(shù)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(tǒng)的運行起著至關(guān)重要的作用。
圖1
壓力由分子作用于物體表面的動能形成
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(chǎn)生的動能而形成。由理想氣體狀態(tài)方程(PV=nRT)可知：壓力與氣體的溫度、質(zhì)量成正比，與氣體體積成反比。假設將一剛性容器內(nèi)抽成真空，內(nèi)部不含任何物質(zhì)，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(chǎn)生作用于容器壁的壓力，如圖1。若將氣體分子數(shù)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(nèi)的壓力比較低。
圖2
增加剛性容器中氣體的質(zhì)量，則壓力增大
圖3
增大剛性容器的體積，則壓力減小
圖4
升高剛性容器內(nèi)氣體的溫度，則壓力增大
上述例子中開頭提到的真空是相對于壓力而言。壓力的數(shù)值一定不會是負數(shù)。表壓的數(shù)值是相對于當?shù)卮髿鈮憾裕摯髿鈮毫Φ臄?shù)值為一壓力。換句話說，表壓力代表您的系統(tǒng)壓力比當?shù)卮髿鈮毫Ω叨嗌倩虻投嗌佟Ｈ鐪y量的是表壓力，則實際壓力值等于表壓讀數(shù)加上當?shù)氐拇髿鈮毫Γù髿鈮褐禐橐粔毫Γ?/p>
按照慣例，高于大氣壓的系統(tǒng)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(nèi)單位體積內(nèi)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(nèi)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(tǒng)壓力控制在高于真空的某一壓力處。至此，還沒有完結(jié)。
您是否在冬天的早晨出行時發(fā)現(xiàn)汽車輪胎壓力比較低？并不是您的輪胎壓力檢測系統(tǒng)發(fā)生了故障。由理想氣體狀態(tài)方程(PV=nRT)可知，壓力與氣體的溫度、質(zhì)量成正比、與體積成反比。較低的氣溫使得汽車輪胎內(nèi)空氣分子的動能減少，從而輪胎內(nèi)壓力下降。去年冬天AFC*賽上的“漏風門"也是一樣的道理，橄欖球內(nèi)部的氣壓在寒冷的氣溫下會降低多達1.8psi的壓力。
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(shù)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(shù)會因為海拔的變化而有很大的不同。
舉個例子，我們在艾里卡特總部所在地 —— 海拔2160英尺、平均大氣壓13.67 psia (壓力)的美國亞利桑那州圖森市，將一個空水瓶的瓶蓋擰緊，瓶子內(nèi)部的壓力等于環(huán)境壓力：絕壓13.67 psia、表壓0 psig。隨后我們將該水瓶攜帶至位于圖森北部、海拔9159英尺的雷蒙山山頂上，那里的大氣壓為10.44 psia，而此時密封瓶子內(nèi)的壓力仍為13.67 psia，表壓力則為3.23 psig (13.67-10.44=3.23)。
過程系統(tǒng)的表壓讀數(shù)因大氣壓的降低而變大
根據(jù)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(nèi)、外的壓力差會將部分瓶內(nèi)空氣排至瓶外，直至瓶內(nèi)壓力到達與外界大氣壓相同的壓力10.44 psia，此時瓶內(nèi)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的艾里卡特總部所在地，此時瓶內(nèi)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(guān)系往瓶內(nèi)運動，直至瓶內(nèi)的壓力上升至13.67 psia。
過程系統(tǒng)的表壓讀數(shù)因大氣壓的增大而變小
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(qū)為顯著，因為赤道附近的地球自轉(zhuǎn)與一天內(nèi)的溫度波動大。除了一天內(nèi)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(chǎn)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(qū)，甚至會出現(xiàn)極短時間內(nèi)大氣壓波動很大的現(xiàn)象。
還是以艾里卡特總部所在地美國亞利桑那州圖森市為例，圖森的平均大氣壓為13.7 psia，峰值13.8 psia、谷值13.6 psia。倘若要將目標系統(tǒng)控制在一個僅高于大氣壓0.3 psi的壓力點上，應該選表壓壓力控制器還是絕壓壓力控制器呢？如左下圖所示，表壓將受到大氣壓變化的影響而變得不穩(wěn)定，但這些波動并不可視，因為表壓讀數(shù)始終為0.3 psig。絕壓控制則呈現(xiàn)穩(wěn)定的控制，如右下圖所示，盡管大氣壓是波動的，但壓力以真空作為參照，而非大氣壓。
絕壓控制可消除大氣壓波動的影響，穩(wěn)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(chǎn)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(qū)間內(nèi)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(tǒng)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(tǒng)內(nèi)生成一不受外界大氣壓影響的、絕緣的壓力環(huán)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(shù)值，則選用表壓壓力控制器。當大氣壓力發(fā)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。
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