Pressure measurement

Pressure measurement is the measurement of an applied force per unit area by a fluid (liquid or gas) on a surface. Pressure is typically expressed in units of pascals in the International System of Units (SI). Many techniques have been developed for the measurement of pressure and vacuum. Instruments used to measure and display pressure mechanically are called pressure gauges,vacuum gauges or compound gauges (vacuum & pressure). The widely used Bourdon gauge is a mechanical device, which both measures and indicates and is probably the best known type of gauge.

A vacuum gauge is used to measure pressures lower than the ambient atmospheric pressure, which is set as the zero point, in negative values (for instance, −1 bar or −760 mmHg equals total vacuum). Most gauges measure pressure relative to atmospheric pressure as the zero point, so this form of reading is simply referred to as "gauge pressure". However, anything greater than total vacuum is technically a form of pressure. For very low pressures, a gauge that uses total vacuum as the zero point reference must be used, giving pressure reading as an absolute pressure.

Other methods of pressure measurement involve sensors that can transmit the pressure reading to a remote indicator or control system (telemetry).

Everyday pressure measurements, such as for vehicle tire pressure, are usually made relative to ambient air pressure. In other cases measurements are made relative to a vacuum or to some other specific reference. When distinguishing between these zero references, the following terms are used:

• Absolute pressure is zero-referenced against a perfect vacuum, using an absolute scale, so it is equal to gauge pressure plus atmospheric pressure. Absolute pressure sensors are used in applications where a constant reference is required, like for example, high-performance industrial applications such as monitoring vacuum pumps, liquid pressure measurement, industrial packaging, industrial process control and aviation inspection.^[1]
• يُقاس ضغط المقياس بالنسبة إلى ضغط الهواء المحيط، لذا فهو يساوي الضغط المطلق مطروحًا منه الضغط الجوي. يُعد مقياس ضغط الإطارات مثالًا على قياس ضغط المقياس؛ فعندما يُشير إلى الصفر، يكون الضغط الذي يقيسه مساويًا للضغط الجوي المحيط. تُصنع معظم أجهزة الاستشعار التي تقيس حتى 50 بار بهذه الطريقة، لأنه بخلاف ذلك، فإن تقلبات الضغط الجوي (الطقس) ستنعكس كخطأ في نتيجة القياس.
• الضغط التفاضلي هو الفرق في الضغط بين نقطتين. تُستخدم مستشعرات الضغط التفاضلي لقياس العديد من الخصائص، مثل انخفاض الضغط عبرمرشحات الزيتأومرشحات الهواء، ومستويات السوائل (بمقارنة الضغط أعلى السائل وأسفله)، أو معدلات التدفق (بقياس التغير في الضغط عبر عائق). من الناحية الفنية، فإن معظم مستشعرات الضغط هي في الواقع مستشعرات ضغط تفاضلي؛ فعلى سبيل المثال، مستشعر ضغط المقياس هو مجرد مستشعر ضغط تفاضلي يكون أحد جانبيه مفتوحًا للهواء المحيط.خلية الضغط التفاضليهي جهاز يقيس الضغط التفاضلي بين مدخلين. ^{[ 2 ]}

يُستدل عادةً على استخدام الصفر من السياق، ولا تُضاف هذه الكلمات إلا عند الحاجة إلى التوضيح. يُعتبر ضغط الإطارات وضغط الدم ضغوطًا نسبية وفقًا للعرف، بينما يجب أن تكون الضغوط الجوية وضغوط الفراغ العميق وضغوط مقياس الارتفاع مطلقة.

في معظم أنظمة السوائل العاملة المغلقة ، يُعتمد قياس الضغط النسبي. وتشير أجهزة قياس الضغط المتصلة بالنظام إلى الضغوط نسبةً إلى الضغط الجوي السائد. أما عند قياس ضغوط الفراغ الشديدة، فيُستخدم الضغط المطلق عادةً، وتختلف أجهزة القياس المستخدمة.

تُستخدم فروق الضغط بشكل شائع في أنظمة العمليات الصناعية. تحتوي مقاييس فرق الضغط على منفذي إدخال، كل منهما متصل بأحد الحجمين المراد مراقبة ضغطهما. في الواقع، يقوم هذا المقياس بعملية الطرح الحسابية ميكانيكيًا، مما يُغني عن الحاجة إلى مُشغل أو نظام تحكم لمراقبة مقياسين منفصلين وتحديد الفرق في القراءات.

قد تكون قراءات ضغط الفراغ المتوسط ​​غامضة بدون السياق المناسب، إذ قد تمثل ضغطًا مطلقًا أو ضغطًا نسبيًا بدون إشارة سالبة. وبالتالي، فإن فراغًا مقداره 26  بوصة زئبقية نسبيًا يعادل ضغطًا مطلقًا مقداره 4  بوصات زئبقية، ويُحسب كالتالي: 30  بوصة زئبقية (الضغط الجوي النموذجي) - 26  بوصة زئبقية (الضغط النسبي).

Atmospheric pressure is typically about 100 kPa at sea level, but is variable with altitude and weather. If the absolute pressure of a fluid stays constant, the gauge pressure of the same fluid will vary as atmospheric pressure changes. For example, when a car drives up a mountain, the (gauge) tire pressure goes up because atmospheric pressure goes down. The absolute pressure in the tire is essentially unchanged.

Using atmospheric pressure as reference is usually signified by a "g" for gauge after the pressure unit, e.g. 70 psig, which means that the pressure measured is the total pressure minus atmospheric pressure. There are two types of gauge reference pressure: vented gauge (vg) and sealed gauge (sg).

A vented-gauge pressure transmitter, for example, allows the outside air pressure to be exposed to the negative side of the pressure-sensing diaphragm, through a vented cable or a hole on the side of the device, so that it always measures the pressure referred to ambient barometric pressure. Thus a vented-gauge reference pressure sensor should always read zero pressure when the process pressure connection is held open to the air.

A sealed gauge reference is very similar, except that atmospheric pressure is sealed on the negative side of the diaphragm. This is usually adopted on high pressure ranges, such as hydraulics, where atmospheric pressure changes will have a negligible effect on the accuracy of the reading, so venting is not necessary. This also allows some manufacturers to provide secondary pressure containment as an extra precaution for pressure equipment safety if the burst pressure of the primary pressure sensing diaphragm is exceeded.

There is another way of creating a sealed gauge reference, and this is to seal a high vacuum on the reverse side of the sensing diaphragm. Then the output signal is offset, so the pressure sensor reads close to zero when measuring atmospheric pressure.

A sealed gauge reference pressure transducer will never read exactly zero because atmospheric pressure is always changing and the reference in this case is fixed at 1 bar.

To produce an absolute pressure sensor, the manufacturer seals a high vacuum behind the sensing diaphragm. If the process-pressure connection of an absolute-pressure transmitter is open to the air, it will read the actual barometric pressure.

A sealed pressure sensor is similar to a gauge pressure sensor except that it measures pressure relative to some fixed pressure rather than the ambient atmospheric pressure (which varies according to the location and the weather).

على مرّ التاريخ البشري، تم تجاهل ضغط الغازات كالهواء أو إنكاره أو اعتباره أمرًا مفروغًا منه، ولكن في وقت مبكر من القرن السادس قبل الميلاد، ادّعى الفيلسوف اليوناني أناكسيمينس الملطي أن كل شيء مصنوع من الهواء الذي يتغير ببساطة بتغير مستويات الضغط. لاحظ أناكسيمينس تبخر الماء وتحوله إلى غاز، ورأى أن هذا ينطبق حتى على المواد الصلبة. فالهواء الأكثر تكثفًا يُنتج أجسامًا أبرد وأثقل، والهواء المتمدد يُنتج أجسامًا أخف وأسخن. وهذا يُشبه كيف تصبح الغازات أقل كثافة عند ارتفاع درجة حرارتها، وأكثر كثافة عند انخفاضها.

في القرن السابع عشر، أجرى إيفانجليستا توريتشيلي تجارب باستخدام الزئبق مكّنته من قياس وجود الهواء. كان يغمس أنبوبًا زجاجيًا مغلقًا من أحد طرفيه في وعاء من الزئبق، ثم يرفع الطرف المغلق منه مع إبقاء الطرف المفتوح مغمورًا. كان وزن الزئبق يسحبه إلى أسفل، تاركًا فراغًا جزئيًا عند الطرف الآخر. وقد أكّد هذا اعتقاده بأن للهواء/الغاز كتلة، تُولّد ضغطًا على الأشياء المحيطة به. سابقًا، كان الاستنتاج الأكثر شيوعًا، حتى بالنسبة لجاليليو ، هو أن الهواء عديم الوزن وأن الفراغ هو الذي يُولّد القوة، كما في السيفون. ساعد هذا الاكتشاف توريتشيلي على الوصول إلى هذا الاستنتاج:

نحن نعيش مغمورين في قاع محيط من عنصر الهواء، والذي من المعروف من خلال تجارب لا جدال فيها أن له وزناً.

كان هذا الاختبار، المعروف باسم تجربة توريتشيلي ، في الأساس أول مقياس ضغط موثق.

ذهب بليز باسكال إلى أبعد من ذلك، حيث جعل صهره يجرب التجربة على ارتفاعات مختلفة على جبل، ووجد بالفعل أنه كلما انخفضنا في محيط الغلاف الجوي، زاد الضغط.

وحدة الضغط في النظام الدولي للوحدات هي الباسكال (Pa)، وتساوي نيوتن واحد لكل متر مربع (N·m⁻² ^أو kg·m⁻¹ ^· s⁻² ⁾ . أُضيف هذا الاسم الخاص للوحدة عام ١٩٧١؛ قبل ذلك، كان يُعبَّر عن الضغط في النظام الدولي للوحدات بوحدات مثل N·m⁻² ^. عند الحاجة، يُذكر الصفر المرجعي بين قوسين بعد الوحدة، على سبيل المثال ١٠١ كيلو باسكال (مطلق). لا تزال وحدة الرطل لكل بوصة مربعة (psi) شائعة الاستخدام في الولايات المتحدة وكندا، لقياس ضغط الإطارات، على سبيل المثال. غالبًا ما يُضاف حرف إلى وحدة psi للإشارة إلى الصفر المرجعي للقياس؛ psia للضغط المطلق، وpsig للضغط النسبي، وpsid للضغط التفاضلي، على الرغم من أن المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) لا يُشجع على هذه الممارسة . ^{[ ٣ ]}

نظرًا لأن الضغط كان يُقاس سابقًا بقدرته على إزاحة عمود من السائل في المانومتر، يُعبّر عن الضغط غالبًا بعمق سائل معين ( مثلًا، بوصات من الماء). ويُعدّ قياس الضغط بالمانومتر موضوع حسابات ارتفاع الضغط . أكثر السوائل شيوعًا في المانومتر هي الزئبق (Hg) والماء؛ فالماء غير سام ومتوفر بكثرة، بينما تسمح كثافة الزئبق بعمود أقصر (وبالتالي مانومتر أصغر) لقياس ضغط معين. غالبًا ما يُطبع الاختصار "WC" أو عبارة "عمود الماء" على أجهزة القياس التي تستخدم الماء في المانومتر.

تختلف كثافة السائل والجاذبية المحلية من قراءة لأخرى تبعًا لعوامل محلية، لذا فإن ارتفاع عمود السائل لا يُحدد الضغط بدقة. لذلك، يمكن تحويل القياسات بوحدات " ملليمترات الزئبق " أو " بوصات الزئبق " إلى وحدات النظام الدولي للوحدات (SI) مع مراعاة العوامل المحلية لكثافة السائل والجاذبية . تُغير تقلبات درجة الحرارة قيمة كثافة السائل، بينما يؤثر الموقع على الجاذبية.

Although no longer preferred, these manometric units are still encountered in many fields. Blood pressure is measured in millimetres of mercury (see torr) in most of the world, central venous pressure and lung pressures in centimeters of water are still common, as in settings for CPAP machines. Natural gas pipeline pressures are measured in inches of water, expressed as "inches W.C."

Underwater divers use manometric units: the ambient pressure is measured in units of metres sea water (msw) which is defined as equal to one tenth of a bar.^[4][5] The unit used in the US is the foot sea water (fsw), based on standard gravity and a sea-water density of 64 lb/ft³. According to the US Navy Diving Manual, one fsw equals 0.30643 msw, 0.030643 bar, or 0.44444 psi,^[4][5] though elsewhere it states that 33 fsw is 14.7 psi (one atmosphere), which gives one fsw equal to about 0.445 psi.^[6] The msw and fsw are the conventional units for measurement of diver pressure exposure used in decompression tables and the unit of calibration for pneumofathometers and hyperbaric chamberpressure gauges.^[7] Both msw and fsw are measured relative to normal atmospheric pressure.

In vacuum systems, the units torr (millimeter of mercury), micron (micrometer of mercury),^[8] and inch of mercury (inHg) are most commonly used. Torr and micron usually indicates an absolute pressure, while inHg usually indicates a gauge pressure.

Atmospheric pressures are usually stated using hectopascal (hPa), kilopascal (kPa), millibar (mbar) or atmospheres (atm). In American and Canadian engineering, stress is often measured in kip. Stress is not a true pressure since it is not scalar. In the cgs system the unit of pressure was the barye (ba), equal to 1 dyn·cm⁻². In the mts system, the unit of pressure was the pieze, equal to 1 sthene per square metre.

تُستخدم العديد من الوحدات الهجينة الأخرى مثل مليمتر زئبق/سم² ^أو غرام قوة/سم² ⁽ وأحيانًا كجم/سم² ^دون تحديد وحدات القوة بدقة). يُحظر استخدام أسماء الكيلوغرام، أو الغرام، أو كيلوغرام قوة، أو غرام قوة (أو رموزها) كوحدة للقوة في النظام الدولي للوحدات (SI)؛ فوحدة القوة في النظام الدولي للوحدات هي النيوتن (N).

يكون الضغط الساكن منتظمًا في جميع الاتجاهات، لذا فإن قياسات الضغط في السوائل الساكنة لا تتأثر بالاتجاه. أما في السوائل المتحركة، فيُطبّق التدفق ضغطًا إضافيًا على الأسطح العمودية على اتجاه التدفق، بينما يكون تأثيره ضئيلًا على الأسطح الموازية له. يُطلق على هذا المكون الاتجاهي للضغط في السوائل المتحركة اسم الضغط الديناميكي . يقيس الجهاز المواجه لاتجاه التدفق مجموع الضغطين الساكن والديناميكي؛ ويُسمى هذا القياس بالضغط الكلي أو ضغط الركود . ولأن الضغط الديناميكي يُقاس نسبةً إلى الضغط الساكن، فهو ليس ضغطًا قياسيًا ولا مطلقًا، بل هو ضغط تفاضلي.

بينما يُعدّ ضغط المقياس الساكن ذا أهمية قصوى لتحديد الأحمال الصافية على جدران الأنابيب، يُستخدم الضغط الديناميكي لقياس معدلات التدفق وسرعة الهواء. يُمكن قياس الضغط الديناميكي بأخذ فرق الضغط بين أجهزة قياس موازية وعمودية على اتجاه التدفق. على سبيل المثال، تُستخدم أنابيب بيتوت-ستاتيك في الطائرات لقياس سرعة الهواء. يؤدي وجود جهاز القياس حتمًا إلى تغيير اتجاه التدفق وإحداث اضطراب، لذا يُعدّ شكله بالغ الأهمية للدقة، وغالبًا ما تكون منحنيات المعايرة غير خطية.

مستشعر الضغط هو جهاز لقياس ضغط الغازات أو السوائل . ويمكن تسمية مستشعرات الضغط أيضاً بمحولات الضغط ، وأجهزة إرسال الضغط ، ومؤشرات الضغط ، وأجهزة قياس الضغط ، وأجهزة قياس الضغط ، وغيرها من الأسماء.

الضغط هو تعبير عن القوة اللازمة لمنع سائل من التمدد، ويُقاس عادةً بوحدة القوة لكل وحدة مساحة. يعمل مستشعر الضغط عادةً كمحول طاقة ؛ إذ يُولّد إشارةً تتناسب مع الضغط المُسلط.

Pressure sensors can vary drastically in technology, design, performance, application suitability and cost. A conservative estimate would be that there may be over 50 technologies and at least 300 companies making pressure sensors worldwide. There is also a category of pressure sensors that are designed to measure in a dynamic mode for capturing very high speed changes in pressure. Example applications for this type of sensor would be in the measuring of combustion pressure in an engine cylinder or in a gas turbine. These sensors are commonly manufactured out of piezoelectric materials such as quartz.

Some pressure sensors are pressure switches, which turn on or off at a particular pressure. For example, a water pump can be controlled by a pressure switch so that it starts when water is released from the system, reducing the pressure in a reservoir.

Pressure range, sensitivity, dynamic response and cost all vary by several orders of magnitude from one instrument design to the next. The oldest type is the liquid column manometer (a vertical tube filled with mercury) invented by Evangelista Torricelli in 1643. The U-Tube was invented by Christiaan Huygens in 1661.^[9]

There are two basic categories of analog pressure sensors: force collector and other types.

Force collector types

These types of electronic pressure sensors generally use a force collector (such a diaphragm, piston, Bourdon tube, or bellows) to measure strain (or deflection) due to applied force over an area (pressure).

• Piezoresistive strain gauge: Uses the piezoresistive effect of bonded or formed strain gauges to detect strain due to an applied pressure, electrical resistance increasing as pressure deforms the material. Common technology types are silicon (monocrystalline), polysilicon thin film, bonded metal foil, thick film, silicon-on-sapphire and sputtered thin film. Generally, the strain gauges are connected to form a Wheatstone bridge circuit to maximize the output of the sensor and to reduce sensitivity to errors. This is the most commonly employed sensing technology for general purpose pressure measurement.
• Capacitive: Uses a diaphragm and pressure cavity to create a variable capacitor to detect strain due to applied pressure, capacitance decreasing as pressure deforms the diaphragm. Common technologies use metal, ceramic, and silicon diaphragms. Capacitive pressure sensors are being integrated into CMOS technology^[10] and it is being explored if thin 2D materials can be used as diaphragm material.^[11]
• الكهرومغناطيسية : تقيس إزاحة الحجاب الحاجز عن طريق التغيرات في الحث (الممانعة)، أو المحول التفاضلي الخطي المتغير (LVDT) ، أو تأثير هول ، أو عن طريقمبدأ التيار الدوامي .
• الكهروإجهادية : تستخدم هذه التقنية التأثير الكهروإجهادي في بعض المواد، مثل الكوارتز، لقياس الإجهاد الواقع على آلية الاستشعار نتيجة الضغط. وتُستخدم هذه التقنية عادةً لقياس الضغوط الديناميكية العالية. ولأن مبدأها الأساسي ديناميكي، فلا يمكن قياس الضغوط الساكنة باستخدام مستشعرات الكهروإجهادية.
• مقياس الإجهاد : تستخدم مستشعرات الضغط القائمة على مقياس الإجهاد عنصرًا حساسًا للضغط، حيث تُلصق مقاييس إجهاد معدنية أو تُطبق مقاييس رقيقة بتقنية الترسيب بالرش. يمكن أن يكون عنصر القياس هذا غشاءً، أو في حالة مقاييس الرقائق المعدنية، يمكن استخدام أجسام قياس أسطوانية الشكل. من أهم مزايا هذا التصميم الأسطواني المتكامل تحسين الصلابة والقدرة على قياس ضغوط عالية تصل إلى 15000 بار. يتم التوصيل الكهربائي عادةً عبر جسر ويتستون، مما يسمح بتضخيم الإشارة بشكل جيد والحصول على نتائج قياس دقيقة وثابتة. ^{[ 12 ]}
• التقنيات البصرية : تشمل هذه التقنيات استخدام التغير الفيزيائي للألياف البصرية للكشف عن الإجهاد الناتج عن الضغط المُطبق. ومن الأمثلة الشائعة على هذا النوع استخدام محززات براغ الليفية . تُستخدم هذه التقنية في التطبيقات الصعبة حيث قد يكون القياس عن بُعد، أو في درجات حرارة عالية، أو قد تستفيد من تقنيات محصنة بطبيعتها ضد التداخل الكهرومغناطيسي. وهناك تقنية أخرى مماثلة تستخدم غشاءً مرنًا مُكوّنًا من طبقات، يمكنه تغيير الأطوال الموجية المنعكسة وفقًا للضغط (الإجهاد) المُطبق. ^{[ 13 ]}
• قياس الجهد : يستخدم حركة ماسحة على طول آلية مقاومة للكشف عن الإجهاد الناتج عن الضغط المطبق.

• Force balancing: Force-balanced fused quartz Bourdon tubes use a spiral Bourdon tube to exert force on a pivoting armature containing a mirror, the reflection of a beam of light from the mirror senses the angular displacement and current is applied to electromagnets on the armature to balance the force from the tube and bring the angular displacement to zero, the current that is applied to the coils is used as the measurement. Due to the extremely stable and repeatable mechanical and thermal properties of fused quartz and the force balancing which eliminates most non-linear effects these sensors can be accurate to around 1PPM of full scale.^[14] Due to the extremely fine fused quartz structures which are made by hand and require expert skill to construct these sensors are generally limited to scientific and calibration purposes. Non force-balancing sensors have lower accuracy and reading the angular displacement cannot be done with the same precision as a force-balancing measurement, although easier to construct due to the larger size these are no longer used.

Other types

These types of electronic pressure sensors use other properties (such as density) to infer pressure of a gas, or liquid.

• Resonant: Uses the changes in resonant frequency in a sensing mechanism to measure stress, or changes in gas density, caused by applied pressure. This technology may be used in conjunction with a force collector, such as those in the category above. Alternatively, resonant technology may be employed by exposing the resonating element itself to the media, whereby the resonant frequency is dependent upon the density of the media. Sensors have been made out of vibrating wire, vibrating cylinders, quartz, and silicon MEMS. Generally, this technology is considered to provide very stable readings over time. The squeeze-film pressure sensor is a type of MEMS resonant pressure sensor that operates by a thin membrane that compresses a thin film of gas at high frequency. Since the compressibility and stiffness of the gas film are pressure dependent, the resonance frequency of the squeeze-film pressure sensor is used as a measure of the gas pressure.^[15][16]
• Thermal: Uses the changes in thermal conductivity of a gas due to density changes to measure pressure. A common example of this type is the Pirani gauge.
• Ionization: Measures the flow of charged gas particles (ions) which varies due to density changes to measure pressure. Common examples are the Hot and Cold Cathode gauges.

يُعدّ مستشعر الضغط، وهو عبارة عن مقياس إجهاد بلوري كوارتزي رنان مزود بمجمع قوة أنبوب بوردون ، المستشعر الأساسي في نظام DART . ^{[ 17 ]} يكشف نظام DART عن موجات التسونامي من قاع المحيط المفتوح. ويتميز بدقة قياس ضغط تبلغ حوالي 1 مم من الماء عند قياس الضغط على عمق عدة كيلومترات. ^{[ 18 ]}

الضغط الهيدروستاتيكي

تقارن مقاييس الضغط الهيدروستاتيكي (مثل مانومتر عمود الزئبق) الضغط بالقوة الهيدروستاتيكية لكل وحدة مساحة عند قاعدة عمود من السائل. وتكون قياسات هذه المقاييس مستقلة عن نوع الغاز المقاس، ويمكن تصميمها لتكون ذات معايرة خطية دقيقة للغاية. إلا أنها تتميز باستجابة ديناميكية ضعيفة.

مكبس

تقوم مقاييس الضغط من نوع المكبس بموازنة ضغط السائل بواسطة زنبرك (على سبيل المثال مقاييس ضغط الإطارات ذات الدقة المنخفضة نسبيًا) أو وزن صلب، وفي هذه الحالة يُعرف باسم جهاز اختبار الوزن الميت ويمكن استخدامه لمعايرة المقاييس الأخرى.

عمود السائل (المانومتر)

تتكون مقاييس عمود السائل من عمود من السائل داخل أنبوب، حيث تتعرض نهايتاه لضغوط مختلفة. يرتفع العمود أو ينخفض ​​حتى يتوازن وزنه (القوة الناتجة عن الجاذبية) مع فرق الضغط بين طرفي الأنبوب (القوة الناتجة عن ضغط السائل). أبسط أنواع هذه المقاييس هو أنبوب على شكل حرف U مملوء بنصفه سائل، حيث يتصل أحد طرفيه بالمنطقة المراد قياسها، بينما يُطبق ضغط مرجعي (قد يكون الضغط الجوي أو الفراغ) على الطرف الآخر. يمثل الفرق في مستويات السائل الضغط المُطبق. يُعطى الضغط الذي يُمارسه عمود من السائل بارتفاع h وكثافة ρ بمعادلة الضغط الهيدروستاتيكي: P = hgρ . بالتالي، يمكن إيجاد فرق الضغط بين الضغط المُطبق Pa والضغط المرجعي P₀ في مانومتر أنبوبي على شكل حرف _U بحل _{المعادلة} Pa _- P₀ = _hgρ . بمعنى آخر، يجب أن يكون الضغط على طرفي السائل (الموضح باللون الأزرق في الشكل) متوازنًا (لأن السائل ساكن)، وبالتالي _فإن Pa = P ₀ + hgρ .

In most liquid-column measurements, the result of the measurement is the height h, expressed typically in mm, cm, or inches. The h is also known as the pressure head. When expressed as a pressure head, pressure is specified in units of length and the measurement fluid must be specified. When accuracy is critical, the temperature of the measurement fluid must likewise be specified, because liquid density is a function of temperature. So, for example, pressure head might be written "742.2 mm_Hg" or "4.2 in_H2O at 59 °F" for measurements taken with mercury or water as the manometric fluid respectively. The word "gauge" or "vacuum" may be added to such a measurement to distinguish between a pressure above or below the atmospheric pressure. Both mm of mercury and inches of water are common pressure heads, which can be converted to S.I. units of pressure using unit conversion and the above formulas.

If the fluid being measured is significantly dense, hydrostatic corrections may have to be made for the height between the moving surface of the manometer working fluid and the location where the pressure measurement is desired, except when measuring differential pressure of a fluid (for example, across an orifice plate or venturi), in which case the density ρ should be corrected by subtracting the density of the fluid being measured.^[19]

Although any fluid can be used, mercury is preferred for its high density (13.534 g/cm³) and low vapour pressure. Its convex meniscus is advantageous since this means there will be no pressure errors from wetting the glass, though under exceptionally clean circumstances, the mercury will stick to glass and the barometer may become stuck (the mercury can sustain a negative absolute pressure) even under a strong vacuum.^[20] For low pressure differences, light oil or water are commonly used (the latter giving rise to units of measurement such as inches water gauge and millimetres H₂O). Liquid-column pressure gauges have a highly linear calibration. They have poor dynamic response because the fluid in the column may react slowly to a pressure change.

One of the disadvantages of the mercury manometer or barometer is that its reading is temperature dependent, a fact made clear by the use of mercury in glass thermometers.

عند قياس الفراغ، قد يتبخر السائل المستخدم ويلوث الفراغ إذا كان ضغط بخاره مرتفعًا جدًا. عند قياس ضغط السوائل، يمكن استخدام حلقة مملوءة بغاز أو سائل خفيف لعزل السوائل ومنع اختلاطها، ولكن قد يكون ذلك غير ضروري، على سبيل المثال، عند استخدام الزئبق كسائل في المانومتر لقياس فرق الضغط لسائل مثل الماء. يمكن لأجهزة قياس الضغط الهيدروستاتيكي البسيطة قياس ضغوط تتراوح من بضعة تور (بضع مئات من  الباسكال) إلى بضعة ضغط جوي (حوالي 10 ...1,000,000 باسكال )  .​

يحتوي مقياس الضغط ذو العمود السائل أحادي الطرف على خزان أكبر بدلاً من أحد جانبي الأنبوب على شكل حرف U، ويحتوي على مقياس بجانب العمود الأضيق. ويمكن إمالة العمود لزيادة حركة السائل. وبناءً على الاستخدام والبنية، تُستخدم الأنواع التالية من مقاييس الضغط ^{[ 21 ].}

1. مقياس ضغط بسيط
2. مقياس الضغط الدقيق
3. مقياس الضغط التفاضلي
4. مانومتر تفاضلي معكوس

مقياس ماكلويد

يعزل مقياس ماكلويد عينة من الغاز ويضغطها في مانومتر زئبقي مُعدَّل حتى يصل الضغط إلى بضعة ملليمترات من الزئبق . هذه التقنية بطيئة للغاية وغير مناسبة للمراقبة المستمرة، ولكنها تتميز بدقة جيدة. على عكس مقاييس المانومتر الأخرى، تعتمد قراءة مقياس ماكلويد على تركيب الغاز، إذ يعتمد تفسيرها على افتراض انضغاط العينة كغاز مثالي . وبسبب عملية الضغط، يتجاهل مقياس ماكلويد تمامًا الضغوط الجزئية للأبخرة غير المثالية التي تتكثف، مثل زيوت المضخات والزئبق، وحتى الماء إذا تم ضغطه بدرجة كافية.

النطاق المفيد : من حوالي 10 ⁻⁴  تور ^{[ 22 ]} (تقريبًا 10 ⁻²  باسكال) إلى فراغات تصل إلى 10 ⁻⁶  تور (0.1  ملي باسكال)،

يُعدّ 0.1  ملي باسكال أدنى قياس مباشر للضغط ممكن باستخدام التقنيات الحالية. تستطيع مقاييس الفراغ الأخرى قياس ضغوط أقل، ولكن بشكل غير مباشر فقط عن طريق قياس خصائص أخرى تعتمد على الضغط. يجب معايرة هذه القياسات غير المباشرة إلى وحدات النظام الدولي للوحدات (SI) من خلال قياس مباشر، وغالبًا ما يكون ذلك باستخدام مقياس ماكلويد. ^{[ 23 ]}

اللاسائل

تعتمد مقاييس الضغط اللاسائلية على عنصر معدني لاستشعار الضغط، ينثني بمرونة تحت تأثير فرق الضغط عبره. تعني كلمة "لاسائلي" "بدون سائل"، وقد ميّز هذا المصطلح في الأصل هذه المقاييس عن مقاييس الضغط الهيدروستاتيكي المذكورة سابقًا. مع ذلك، يمكن استخدام مقاييس الضغط اللاسائلية لقياس ضغط السوائل والغازات على حد سواء، وهي ليست النوع الوحيد من المقاييس الذي يعمل بدون سائل. لهذا السبب، تُسمى غالبًا بالمقاييس الميكانيكية في اللغة الحديثة. لا تعتمد مقاييس الضغط اللاسائلية على نوع الغاز المراد قياسه، على عكس مقاييس الضغط الحراري ومقاييس التأين، كما أنها أقل عرضة لتلويث النظام من مقاييس الضغط الهيدروستاتيكي. قد يكون عنصر استشعار الضغط أنبوب بوردون ، أو غشاءً، أو كبسولة، أو مجموعة من المنافيخ، والتي يتغير شكلها استجابةً لضغط المنطقة المراد قياسها. يمكن قراءة انحراف عنصر استشعار الضغط بواسطة وصلة متصلة بإبرة، أو بواسطة محول طاقة ثانوي. تعتمد معظم المحولات الثانوية الشائعة في مقاييس الفراغ الحديثة على قياس التغير في السعة الناتج عن الانحراف الميكانيكي. وتُعرف المقاييس التي تعتمد على التغير في السعة باسم مقاييس الضغط السعوية.

مترو بوردون

يعتمد مقياس ضغط بوردون على مبدأ أن الأنبوب المسطح ^{[ 24 ]} يميل إلى الاستقامة أو استعادة شكله الدائري في المقطع العرضي عند تعرضه للضغط. (يُستخدم بوق الحفلات كمثال توضيحي لهذا المبدأ). قد يكون هذا التغيير في المقطع العرضي غير ملحوظ تقريبًا، إذ ينطوي على إجهادات معتدلة ضمن النطاق المرن للمواد سهلة التشكيل. ويتضاعف إجهاد مادة الأنبوب بتشكيله على شكل حرف C أو حتى حلزوني، بحيث يميل الأنبوب بأكمله إلى الاستقامة أو التمدد بمرونة عند تعرضه للضغط. حصل يوجين بوردون على براءة اختراع مقياسه في فرنسا عام 1849، وانتشر استخدامه على نطاق واسع نظرًا لبساطته الفائقة، وخطيته، ودقته؛ وتُعد بوردون الآن جزءًا من مجموعة باومر، ولا تزال تُصنّع مقاييس أنابيب بوردون في فرنسا. اشترى إدوارد آش كروفت حقوق براءة اختراع بوردون الأمريكية عام 1852، وأصبح مُصنّعًا رئيسيًا للمقاييس. وفي عام 1849 أيضاً، حصل برنارد شيفر في ماغديبورغ بألمانيا على براءة اختراع لمقياس ضغط غشائي ناجح (انظر أدناه)، والذي أحدث، إلى جانب مقياس بوردون، ثورة في قياس الضغط في الصناعة. ^{[ 25 ]} ولكن في عام 1875، وبعد انتهاء صلاحية براءات اختراع بوردون، قامت شركته شيفر وبودنبرغ أيضاً بتصنيع مقاييس أنابيب بوردون.

In practice, a flattened thin-wall, closed-end tube is connected at the hollow end to a fixed pipe containing the fluid pressure to be measured. As the pressure increases, the closed end moves in an arc, and this motion is converted into the rotation of a (segment of a) gear by a connecting link that is usually adjustable. A small-diameter pinion gear is on the pointer shaft, so the motion is magnified further by the gear ratio. The positioning of the indicator card behind the pointer, the initial pointer shaft position, the linkage length and initial position, all provide means to calibrate the pointer to indicate the desired range of pressure for variations in the behavior of the Bourdon tube itself. Differential pressure can be measured by gauges containing two different Bourdon tubes, with connecting linkages (but is more usually measured via diaphragms or bellows and a balance system).

Bourdon tubes measures gauge pressure, relative to ambient atmospheric pressure, as opposed to absolute pressure; vacuum is sensed as a reverse motion. Some aneroid barometers use Bourdon tubes closed at both ends (but most use diaphragms or capsules, see below). When the measured pressure is rapidly pulsing, such as when the gauge is near a reciprocating pump, an orifice restriction in the connecting pipe is frequently used to avoid unnecessary wear on the gears and provide an average reading; when the whole gauge is subject to mechanical vibration, the case (including the pointer and dial) can be filled with an oil or glycerin. Typical high-quality modern gauges provide an accuracy of ±1% of span (Nominal diameter 100mm, Class 1 EN837-1), and a special high-accuracy gauge can be as accurate as 0.1% of full scale.^[26]

Force-balanced fused quartz Bourdon tube sensors work on the same principle but uses the reflection of a beam of light from a mirror to sense the angular displacement and current is applied to electromagnets to balance the force of the tube and bring the angular displacement back to zero, the current that is applied to the coils is used as the measurement. Due to the extremely stable and repeatable mechanical and thermal properties of quartz and the force balancing which eliminates nearly all physical movement these sensors can be accurate to around 1 PPM of full scale.^[27] Due to the extremely fine fused quartz structures which must be made by hand these sensors are generally limited to scientific and calibration purposes.

في الرسوم التوضيحية التالية لمقياس مركب (للفراغ والضغط)، تمت إزالة الغطاء والنافذة لإظهار القرص والمؤشر ووصلة العملية فقط. هذا المقياس تحديدًا هو مقياس فراغ وضغط مُدمج يُستخدم لتشخيص أعطال السيارات.

• الجانب الأيسر من الوجه، المستخدم لقياس الفراغ، مُعاير بوحدات بوصة زئبقية على مقياسه الخارجي وبوحدات سنتيمتر زئبقية على مقياسه الداخلي
• يستخدم الجزء الأيمن من الواجهة لقياس ضغط مضخة الوقود أو ضغط التوربو ويتم قياسه بالرطل لكل بوصة مربعة على مقياسه الخارجي وبالكيلوجرام لكل سنتيمتر ^مربع على مقياسه الداخلي.

تشمل التفاصيل الميكانيكية الأجزاء الثابتة والمتحركة.

الأجزاء الثابتة:

1. كتلة الاستقبال. تربط هذه الكتلة أنبوب المدخل بالطرف الثابت لأنبوب بوردون (1) وتثبت لوحة الهيكل (B). يستقبل الفتحتان براغي لتثبيت الهيكل.
2. لوحة الهيكل. القرص مثبت عليها. تحتوي على فتحات محامل للمحاور.
3. لوحة الهيكل الثانوية. تدعم الأطراف الخارجية للمحاور.
4. أعمدة لربط لوحتي الهيكل وتحديد المسافة بينهما.

الأجزاء المتحركة:

1. الطرف الثابت لأنبوب بوردون. يتصل هذا الطرف بأنبوب المدخل عبر كتلة الاستقبال.
2. الطرف المتحرك لأنبوب بوردون. هذا الطرف مغلق.
3. محور ودبوس المحور
4. وصلة تربط مسمار المحور بالرافعة (5) بدبابيس للسماح بدوران المفصل
5. الرافعة، وهي امتداد لترس القطاع (7)
6. دبوس محور تروس القطاع
7. تروس القطاع
8. محور إبرة المؤشر. يحتوي هذا المحور على ترس مُسنّن يتعشّق مع ترس القطاع (7) ويمتد عبر السطح لتحريك إبرة المؤشر. نظرًا لقصر المسافة بين وصلة ذراع الرافعة ومحور الدوران، والفرق بين نصف القطر الفعال لترس القطاع ونصف قطر الترس المُسنّن، فإن أي حركة لأنبوب بوردون تتضخم بشكل كبير. فحركة صغيرة للأنبوب تُؤدي إلى حركة كبيرة لإبرة المؤشر.
9. زنبرك شعري لتحميل مجموعة التروس مسبقًا للقضاء على ارتجاج التروس والتخلف المغناطيسي

الحجاب الحاجز (الغشاء)

يستخدم نوع ثانٍ من مقاييس الضغط اللاسائلية انحراف غشاء مرن يفصل بين مناطق الضغط المختلفة. وتكون قيمة الانحراف قابلة للتكرار عند ضغوط معروفة، مما يسمح بتحديد الضغط باستخدام المعايرة. ويعتمد تشوه الغشاء الرقيق على فرق الضغط بين وجهيه. يمكن أن يكون الوجه المرجعي مفتوحًا للهواء الجوي لقياس ضغط المقياس، أو مفتوحًا لمنفذ ثانٍ لقياس فرق الضغط، أو يمكن إحكام إغلاقه ضد فراغ أو ضغط مرجعي ثابت آخر لقياس الضغط المطلق. ويمكن قياس التشوه باستخدام تقنيات ميكانيكية أو بصرية أو سعوية. وتُستخدم أغشية خزفية ومعدنية. ويتراوح نطاق الاستخدام الفعال فوق 10⁻² ^تور ( حوالي 1 باسكال ). ^{[ 28 ]} وللقياسات المطلقة، تُستخدم غالبًا كبسولات ضغط ملحومة مزودة بأغشية على كلا الجانبين. وتشمل أشكال الأغشية ما يلي:

• مستوي
• المموج
• أنبوب مسطح
• كبسولة

منفاخ

في أجهزة القياس المصممة لاستشعار الضغوط الصغيرة أو فروق الضغط، أو التي تتطلب قياس ضغط مطلق، قد يتم تشغيل مجموعة التروس والإبرة بواسطة حجرة منفاخ مغلقة ومحكمة الإغلاق، تُسمى البارومتر اللاسائلي . (استخدمت البارومترات القديمة عمودًا من سائل، مثل الماء أو الزئبق المعدني السائل، معلقًا في فراغ ). يُستخدم هذا التصميم في البارومترات اللاسائلية (البارومترات المزودة بإبرة مؤشرة وقرص دوار)، ومقاييس الارتفاع ، وأجهزة تسجيل الارتفاع ، وأجهزة قياس الارتفاع عن بُعد المستخدمة في مناطيد الأرصاد الجوية . تستخدم هذه الأجهزة الحجرة المغلقة كضغط مرجعي، ويتم تشغيلها بواسطة الضغط الخارجي. أما أجهزة الطائرات الحساسة الأخرى، مثل مؤشرات سرعة الهواء ومؤشرات معدل الصعود (مقياس الارتفاع المتغير )، فلها وصلات بالجزء الداخلي من الحجرة اللاسائلية وبحجرة خارجية محيطة بها.

الاقتران المغناطيسي

تستخدم هذه المقاييس قوة جذب مغناطيسين لتحويل فرق الضغط إلى حركة مؤشر قرصي. مع ازدياد فرق الضغط، يتحرك مغناطيس متصل إما بمكبس أو غشاء مطاطي. ثم يتحرك مغناطيس دوار متصل بالمؤشر في الوقت نفسه. ولإنشاء نطاقات ضغط مختلفة، يمكن زيادة أو تقليل معدل صلابة الزنبرك.

Metal strain gauge

The strain gauge is generally glued (foil strain gauge) or deposited (thin-film strain gauge) onto a membrane. Membrane deflection due to pressure causes a resistance change in the strain gauge which can be electronically measured.

Piezoresistive strain gauge

Uses the piezoresistive effect of bonded or formed strain gauges to detect strain due to applied pressure.

Piezoresistive silicon pressure sensor

The sensor is generally a temperature compensated, piezoresistive silicon pressure sensor chosen for its excellent performance and long-term stability. Integral temperature compensation is provided over a range of 0–50 °C using laser-trimmed resistors. An additional laser-trimmed resistor is included to normalize pressure sensitivity variations by programming the gain of an external differential amplifier. This provides good sensitivity and long-term stability. The two ports of the sensor, apply pressure to the same single transducer, please see pressure flow diagram below.

This is an over-simplified diagram, but you can see the fundamental design of the internal ports in the sensor. The important item here to note is the "diaphragm" as this is the sensor itself. Is it slightly convex in shape (highly exaggerated in the drawing); this is important as it affects the accuracy of the sensor in use.

The shape of the sensor is important because it is calibrated to work in the direction of air flow as shown by the RED arrows. This is normal operation for the pressure sensor, providing a positive reading on the display of the digital pressure meter. Applying pressure in the reverse direction can induce errors in the results as the movement of the air pressure is trying to force the diaphragm to move in the opposite direction. The errors induced by this are small, but can be significant, and therefore it is always preferable to ensure that the more positive pressure is always applied to the positive (+ve) port and the lower pressure is applied to the negative (-ve) port, for normal 'gauge pressure' application. The same applies to measuring the difference between two vacuums, the larger vacuum should always be applied to the negative (-ve) port. The measurement of pressure via the Wheatstone Bridge looks something like this....

The effective electrical model of the transducer, together with a basic signal conditioning circuit, is shown in the application schematic. The pressure sensor is a fully active Wheatstone bridge which has been temperature compensated and offset adjusted by means of thick film, laser trimmed resistors. The excitation to the bridge is applied via a constant current. The low-level bridge output is at +O and -O, and the amplified span is set by the gain programming resistor (r). The electrical design is microprocessor controlled, which allows for calibration, the additional functions for the user, such as Scale Selection, Data Hold, Zero and Filter functions, the Record function that stores/displays MAX/MIN.

Capacitive

Uses a diaphragm and pressure cavity to create a variable capacitor to detect strain due to applied pressure.

Magnetic

Measures the displacement of a diaphragm by means of changes in inductance (reluctance), LVDT, Hall effect, or by eddy current principle.

Piezoelectric

Uses the piezoelectric effect in certain materials such as quartz to measure the strain upon the sensing mechanism due to pressure.

Optical

Uses the physical change of an optical fiber to detect strain due to applied pressure.

Potentiometric

Uses the motion of a wiper along a resistive mechanism to detect the strain caused by applied pressure.

Resonant

Uses the changes in resonant frequency in a sensing mechanism to measure stress, or changes in gas density, caused by applied pressure.

الموصلية الحرارية

بشكل عام، مع ازدياد كثافة الغاز الحقيقي -وهو ما قد يشير إلى ازدياد الضغط- تزداد قدرته على توصيل الحرارة. في هذا النوع من المقاييس، يُسخّن سلكٌ متوهج بتمرير تيار كهربائي فيه. ثم يُستخدم مزدوج حراري أو مقياس حرارة مقاوم (RTD) لقياس درجة حرارة السلك. تعتمد هذه الدرجة على معدل فقدان السلك للحرارة إلى الغاز المحيط، وبالتالي على الموصلية الحرارية . من الأنواع الشائعة مقياس بيراني ، الذي يستخدم سلكًا واحدًا من البلاتين كعنصر تسخين ومقياس حرارة مقاوم في آنٍ واحد. تتميز هذه المقاييس بدقة قياس تتراوح من 10⁻³ ^{تور إلى}  10 تور ، لكن معايرتها تتأثر بالتركيب الكيميائي للغازات المقاسة.

بيراني (سلك واحد)

يتكون مقياس بيراني من سلك معدني مفتوح للضغط المراد قياسه. يُسخّن السلك بتيار كهربائي يمرّ فيه، ويُبرّد بالغاز المحيط به. إذا انخفض ضغط الغاز، يقلّ تأثير التبريد، وبالتالي ترتفع درجة حرارة السلك عند التوازن. مقاومة السلك دالة لدرجة حرارته : بقياس فرق الجهد عبر السلك والتيار المارّ فيه، يمكن تحديد المقاومة (وبالتالي ضغط الغاز). اخترع هذا النوع من المقاييس مارسيلو بيراني .

سلكان

في أجهزة القياس ثنائية الأسلاك، يُستخدم أحد ملفي السلك كعنصر تسخين، بينما يُستخدم الآخر لقياس درجة الحرارة الناتجة عن الحمل الحراري . وتعمل أجهزة قياس الحرارة المزدوجة وأجهزة قياس الحرارة المقاومة بهذه الطريقة، حيث تستخدم المزدوجة الحرارية أو المقاومة الحرارية ، على التوالي، لقياس درجة حرارة السلك المُسخّن.

مقياس التأين

تُعدّ مقاييس التأين من أكثر المقاييس حساسيةً لقياس الضغوط المنخفضة جدًا (المعروفة أيضًا بالفراغ الشديد أو العالي). وهي تستشعر الضغط بشكل غير مباشر عن طريق قياس الأيونات الكهربائية الناتجة عند قذف الغاز بالإلكترونات. ويقلّ عدد الأيونات الناتجة مع انخفاض كثافة الغاز. إلا أن معايرة مقياس التأين غير مستقرة وتعتمد على طبيعة الغازات المقاسة، والتي لا تكون معروفة دائمًا. ويمكن معايرتها باستخدام مقياس ماكلويد، وهو أكثر استقرارًا ولا يتأثر بالتركيب الكيميائي للغاز.

يُنتج الانبعاث الحراري إلكترونات تصطدم بذرات الغاز مُولِّدةً أيونات موجبة . تنجذب هذه الأيونات إلى قطب كهربائي مُنحاز بشكل مناسب يُعرف باسم المُجمِّع. يتناسب التيار المار في المُجمِّع طرديًا مع معدل التأين، وهو دالة لضغط النظام. لذا، فإن قياس تيار المُجمِّع يُعطي ضغط الغاز. توجد عدة أنواع فرعية من مقاييس التأين.

النطاق المفيد : ¹⁰⁻¹⁰ - 10−3 ^تور (تقريبًا ¹⁰⁻⁸ - 10−1 ^باسكال )

تأتي معظم مقاييس التأين بنوعين: الكاثود الساخن والكاثود البارد. في النوع ذي الكاثود الساخن ، يُنتج سلك مُسخّن كهربائيًا حزمة إلكترونية. تنتقل الإلكترونات عبر المقياس وتُؤيّن جزيئات الغاز المحيطة بها. تُجمع الأيونات الناتجة عند قطب سالب. يعتمد التيار على عدد الأيونات، الذي يعتمد بدوره على الضغط داخل المقياس. تتراوح دقة مقاييس الكاثود الساخن من 10⁻³ ^{تور إلى}  10⁻¹⁰ ^تور . أما النوع ذو الكاثود البارد، ^فيعتمد  على المبدأ نفسه، باستثناء أن الإلكترونات تُنتج بتفريغ جهد عالٍ. تتراوح دقة مقاييس الكاثود البارد من 10⁻² ^تور إلى 10⁻⁹ ^{تور . يُعدّ معايرة مقياس التأين حساسة للغاية لهندسة التصميم، والتركيب الكيميائي للغازات المقاسة، والتآكل، والترسبات السطحية. وقد تُصبح معايرته غير صالحة عند تشغيله تحت الضغط الجوي أو في} فراغ منخفض. عادةً ما يكون تركيب الغازات في الفراغات العالية غير قابل للتنبؤ، لذلك يجب استخدام مطياف الكتلة بالتزامن مع مقياس التأين للحصول على قياس دقيق. ^{[ 31 ]}  

الكاثود الساخن

يتكون مقياس التأين ذو المهبط الساخن بشكل أساسي من ثلاثة أقطاب كهربائية تعمل معًا كصمام ثلاثي ، حيث يمثل المهبط الفتيل. هذه الأقطاب الثلاثة هي: جامع أو صفيحة، وفتيل ، وشبكة . يُقاس تيار الجامع بالبيكو أمبير بواسطة مقياس كهربائي . عادةً ما يكون جهد الفتيل بالنسبة للأرض 30 فولت، بينما يتراوح جهد الشبكة بين 180 و210 فولت تيار مستمر، إلا في حال وجود خاصية اختيارية لقصف الإلكترونات عن طريق تسخين الشبكة، والتي قد يصل جهدها إلى حوالي 565 فولت.

The most common ion gauge is the hot-cathode Bayard–Alpert gauge, with a small ion collector inside the grid. A glass envelope with an opening to the vacuum can surround the electrodes, but usually the nude gauge is inserted in the vacuum chamber directly, the pins being fed through a ceramic plate in the wall of the chamber. Hot-cathode gauges can be damaged or lose their calibration if they are exposed to atmospheric pressure or even low vacuum while hot. The measurements of a hot-cathode ionization gauge are always logarithmic.

Electrons emitted from the filament move several times in back-and-forth movements around the grid before finally entering the grid. During these movements, some electrons collide with a gaseous molecule to form a pair of an ion and an electron (electron ionization). The number of these ions is proportional to the gaseous molecule density multiplied by the electron current emitted from the filament, and these ions pour into the collector to form an ion current. Since the gaseous molecule density is proportional to the pressure, the pressure is estimated by measuring the ion current.

The low-pressure sensitivity of hot-cathode gauges is limited by the photoelectric effect. Electrons hitting the grid produce x-rays that produce photoelectric noise in the ion collector. This limits the range of older hot-cathode gauges to 10⁻⁸ Torr and the Bayard–Alpert to about 10⁻¹⁰ Torr. Additional wires at cathode potential in the line of sight between the ion collector and the grid prevent this effect. In the extraction type the ions are not attracted by a wire, but by an open cone. As the ions cannot decide which part of the cone to hit, they pass through the hole and form an ion beam. This ion beam can be passed on to a:

• Faraday cup
• Microchannel plate detector with Faraday cup
• Quadrupole mass analyzer with Faraday cup
• Quadrupole mass analyzer with microchannel plate detector and Faraday cup
• Ion lens and acceleration voltage and directed at a target to form a sputter gun. In this case a valve lets gas into the grid-cage.

Cold cathode

يوجد نوعان فرعيان من مقاييس التأين ذات المهبط البارد : مقياس بينينغ (الذي اخترعه فرانس ميشيل بينينغ )، والمغنطرون المعكوس ، المعروف أيضًا باسم مقياس ريد هيد . ويكمن الاختلاف الرئيسي بينهما في موضع المصعد بالنسبة للمهبط . لا يحتوي أي منهما على فتيل، وقد يتطلب كل منهما جهدًا مستمرًا يبلغ حوالي 4 كيلو فولت للتشغيل. ويمكن للمغنطرون المعكوس قياس ضغوط منخفضة تصل إلى ¹ × 10⁻¹² تور .

وبالمثل، قد تُعاني مقاييس الكاثود البارد من صعوبة في بدء التشغيل عند الضغوط المنخفضة جدًا، نظرًا لأن شبه انعدام الغاز يُصعّب توليد تيار كهربائي في القطب - لا سيما في مقاييس بنينغ، التي تستخدم مجالًا مغناطيسيًا متناظرًا محوريًا لإنشاء مسارات للإلكترونات تصل أطوالها إلى أمتار. في الهواء المحيط، تتشكل أزواج أيونية مناسبة بشكل واسع بفعل الإشعاع الكوني؛ وفي مقياس بنينغ، تُستخدم خصائص تصميمية لتسهيل إنشاء مسار التفريغ. على سبيل المثال، عادةً ما يكون قطب مقياس بنينغ مدببًا بدقة لتسهيل انبعاث الإلكترونات من المجال.

تُقاس دورات صيانة مقاييس الكاثود البارد، بشكل عام، بالسنوات، وذلك حسب نوع الغاز والضغط الذي تعمل فيه. إن استخدام مقياس الكاثود البارد في الغازات التي تحتوي على مكونات عضوية كبيرة، مثل أجزاء زيت المضخات، يمكن أن يؤدي إلى نمو طبقات رقيقة من الكربون وشظايا داخل المقياس، مما قد يتسبب في النهاية في حدوث قصر في أقطاب المقياس أو إعاقة توليد مسار التفريغ.

مقارنة أجهزة قياس الضغط ^{[ 32 ]}

الظواهر الفيزيائية	أداة	المعادلة الحاكمة	العوامل المحددة	نطاق الضغط العملي	دقة مثالية	زمن الاستجابة
ميكانيكياً	مانومتر عمود سائل	${\displaystyle \Delta P=\rho gh}$		من الضغط الجوي إلى 1 ملي بار
ميكانيكياً	مقياس قرصي كبسول		احتكاك	من 1000 إلى 1 ملي بار	±5% من النطاق الكامل	بطيء
ميكانيكياً	مقياس الإجهاد			من 1000 إلى 1 ملي بار		سريع
ميكانيكياً	مقياس السعة		تقلبات درجة الحرارة	من الضغط الجوي إلى 10⁻⁶ ملي بار	±1% من القراءة	أبطأ عند تركيب الفلتر
ميكانيكياً	ماكلويد	قانون بويل		10 إلى 10 −6 ملي بار [ 33 ]	±10% من القراءة بين 10⁻⁴ و 5 × 10⁻² ملي بار
ينقل	دوار دوار ( مقاومة )			من 10⁻¹ إلى 10⁻⁷ ملي بار	±2.5% من القراءة بين 10⁻⁷ و 10⁻² ملي بار من 2.5 إلى 13.5% بين 10⁻² و 1 ملي بار
ينقل	بيراني ( جسر ويتستون )		الموصلية الحرارية	1000 إلى 10 −3 ملي بار (درجة حرارة ثابتة) 10 إلى 10 −3 ملي بار (جهد ثابت)	±6% من القراءة بين 10⁻² و 10 ملي بار	سريع
ينقل	المزدوجة الحرارية ( تأثير سيبك )		الموصلية الحرارية	من 5 إلى 10⁻³ ملي بار	±10% من القراءة بين 10⁻² و 1 ملي بار
التأين	الكاثود البارد (بينينغ)		ناتج التأين	من 10⁻² إلى 10⁻⁷ ملي بار	من +100 إلى -50% من القراءة
التأين	الكاثود الساخن (التأين الناتج عن الانبعاث الحراري الأيوني)		قياس التيار المنخفض؛ انبعاث الأشعة السينية الطفيلية	من 10⁻³ إلى 10⁻¹⁰ ملي بار	±10% بين 10⁻⁷ و 10⁻⁴ ملي بار ±20% عند 10⁻³ و10⁻⁹ ملي بار ، ±100% عند 10⁻¹⁰ ملي بار

عندما لا تكون تدفقات السوائل في حالة توازن، قد تكون الضغوط المحلية أعلى أو أقل من متوسط ​​الضغط في الوسط. تنتشر هذه الاضطرابات من مصدرها على شكل تغيرات طولية في الضغط على طول مسار الانتشار. ويُطلق على هذا أيضًا اسم الصوت. ضغط الصوت هو الانحراف اللحظي للضغط المحلي عن متوسط ​​الضغط الناتج عن موجة صوتية. يمكن قياس ضغط الصوت باستخدام ميكروفون في الهواء وميكروفون مائي في الماء. ضغط الصوت الفعال هو الجذر التربيعي المتوسط ​​لضغط الصوت اللحظي خلال فترة زمنية محددة. عادةً ما تكون ضغوط الصوت صغيرة، وغالبًا ما تُقاس بوحدة الميكروبار.

• استجابة التردد لمستشعرات الضغط
• صدى

وضعت الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين (ASME) معيارين منفصلين ومتميزين لقياس الضغط، هما B40.100 وPTC 19.2. يوفر المعيار B40.100 إرشادات حول مقاييس الضغط ذات المؤشر القرصي ومقاييس الضغط الرقمية، وأختام الحجاب الحاجز، ومخمدات الضغط، وصمامات تحديد الضغط. أما المعيار PTC 19.2 فيوفر تعليمات وإرشادات لتحديد قيم الضغط بدقة لدعم معايير اختبار الأداء الصادرة عن الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين. ويعتمد اختيار الطريقة والأجهزة والحسابات المطلوبة والتصحيحات الواجب تطبيقها على الغرض من القياس، ونسبة عدم اليقين المسموح بها، وخصائص المعدات قيد الاختبار.

تُقدَّم في هذا الدليل طرق قياس الضغط والبروتوكولات المستخدمة لنقل البيانات. كما يُقدَّم إرشادات حول إعداد أجهزة القياس وتحديد هامش الخطأ في القياس. ويتضمن معلومات حول نوع الجهاز وتصميمه ونطاق الضغط المناسب له ودقته ومخرجاته وتكلفته النسبية. بالإضافة إلى ذلك، يُقدَّم معلومات حول أجهزة قياس الضغط المستخدمة في البيئات الميدانية، مثل مقاييس الضغط المكبسية، ومقاييس الضغط، وأجهزة قياس الضغط المطلق المنخفض (الفراغ).

صُممت هذه الأساليب للمساعدة في تقييم عدم اليقين في القياسات استنادًا إلى التكنولوجيا الحالية والمعرفة الهندسية، مع مراعاة مواصفات الأجهزة المنشورة وتقنيات القياس والتطبيق. يوفر هذا الملحق إرشادات حول استخدام هذه الأساليب لتحديد عدم اليقين في قياس الضغط.

توجد العديد من التطبيقات لأجهزة استشعار الضغط:

• استشعار الضغط

هنا يكمن جوهر القياس في الضغط ، الذي يُعبّر عنه بالقوة لكل وحدة مساحة. وهذا مفيد في أجهزة قياس الطقس، والطائرات، والسيارات، وأي آلات أخرى مزودة بوظيفة قياس الضغط.

• استشعار الارتفاع

يُعدّ هذا مفيدًا في الطائرات والصواريخ والأقمار الصناعية وبالونات الأرصاد الجوية والعديد من التطبيقات الأخرى. وتعتمد جميع هذه التطبيقات على العلاقة بين تغيرات الضغط بالنسبة للارتفاع. وتخضع هذه العلاقة للمعادلة التالية: ^{[ 34 ]}$${\displaystyle h=(1-(P/P_{\mathrm {ref} })^{0.190284})\times 145366.45\mathrm {ft} }$$ تمت معايرة هذه المعادلة لمقياس الارتفاع ، حتى ارتفاع 11,000  متر (36,090  قدمًا). خارج هذا النطاق، سيحدث خطأ يمكن حسابه بشكل مختلف لكل مستشعر ضغط. ستأخذ حسابات الخطأ هذه في الاعتبار الخطأ الناتج عن تغير درجة الحرارة مع الارتفاع.

تتميز أجهزة استشعار الضغط الجوي بدقة قياس ارتفاع تصل إلى أقل من  متر واحد، وهي دقة أفضل بكثير من أنظمة تحديد المواقع العالمية (التي  تبلغ دقة قياس ارتفاعها حوالي 20 مترًا). في تطبيقات الملاحة، تُستخدم أجهزة قياس الارتفاع للتمييز بين مستويات الطرق المتراصة لتسهيل حركة السيارات، ومستويات الطوابق في المباني لتسهيل حركة المشاة.

• استشعار التدفق

يُستخدم في هذه التقنية مستشعرات الضغط بالتزامن مع تأثير فنتوري لقياس التدفق. يُقاس فرق الضغط بين جزأين من أنبوب فنتوري بفتحتين مختلفتين. يتناسب فرق الضغط بين الجزأين طرديًا مع معدل التدفق عبر أنبوب فنتوري. غالبًا ما يكون استخدام مستشعر ضغط منخفض ضروريًا نظرًا لصغر فرق الضغط نسبيًا.

• استشعار المستوى / العمق

يمكن أيضًا استخدام مستشعر الضغط لحساب مستوى السائل. تُستخدم هذه التقنية عادةً لقياس عمق جسم مغمور (مثل غواص أو غواصة)، أو مستوى محتويات خزان (مثل خزان مياه). في معظم التطبيقات العملية، يتناسب مستوى السائل طرديًا مع الضغط. في حالة المياه العذبة حيث تكون المحتويات تحت الضغط الجوي، فإن 1 رطل لكل بوصة مربعة = 27.7 بوصة ماء _/ 1 باسكال = 9.81 ملم _ماء . المعادلة الأساسية لهذا القياس هي $${\displaystyle P=\rho gh}$$ حيث P = الضغط، ρ = كثافة السائل، g = الجاذبية القياسية، h = ارتفاع عمود السائل فوق مستشعر الضغط

• اختبار التسرب

يمكن استخدام مستشعر الضغط لرصد انخفاض الضغط الناتج عن تسرب في النظام. ويتم ذلك عادةً إما عن طريق المقارنة مع تسرب معروف باستخدام فرق الضغط، أو عن طريق استخدام مستشعر الضغط لقياس تغير الضغط مع مرور الوقت.

• قياس المياه الجوفية

البيزومتر هو جهاز يُستخدم لقياس ضغط السائل في نظام ما عن طريق قياس ارتفاع عمود السائل عكس الجاذبية، أو جهاز يقيس ضغط المياه الجوفية (أو بالأحرى، رأس البيزومتر ) عند نقطة محددة ^{[ 35 ]} . صُمم البيزومتر لقياس الضغوط الساكنة، ولذلك يختلف عن أنبوب بيتوت في أنه لا يُوجه نحو تدفق السائل. توفر آبار المراقبة بعض المعلومات عن مستوى الماء في التكوين الجيولوجي، ولكن يجب قراءتها يدويًا. أما محولات الضغط الكهربائية من أنواع عديدة، فيمكن قراءتها تلقائيًا، مما يجعل جمع البيانات أكثر سهولة.

The first piezometers in geotechnical engineering were open wells or standpipes (sometimes called Casagrande piezometers)^[36] installed into an aquifer. A Casagrande piezometer will typically have a solid casing down to the depth of interest, and a slotted or screened casing within the zone where water pressure is being measured. The casing is sealed into the drillhole with clay, bentonite or concrete to prevent surface water from contaminating the groundwater supply. In an unconfined aquifer, the water level in the piezometer would not be exactly coincident with the water table, especially when the vertical component of flow velocity is significant. In a confined aquifer under artesian conditions, the water level in the piezometer indicates the pressure in the aquifer, but not necessarily the water table.^[37] Piezometer wells can be much smaller in diameter than production wells, and a 5 cm diameter standpipe is common.

Piezometers in durable casings can be buried or pushed into the ground to measure the groundwater pressure at the point of installation. The pressure gauges (transducer) can be vibrating-wire, pneumatic, or strain-gauge in operation, converting pressure into an electrical signal. These piezometers are cabled to the surface where they can be read by data loggers or portable readout units, allowing faster or more frequent reading than is possible with open standpipe piezometers.

• Home Made Manometer
• Manometer