Druckeinheiten im Alltag: PSI, Bar und der Fehler zwischen Manometer- und Absolutdruck, der wirklich zählt

Druckeinheiten sind einfach; der Bezugspunkt ist es nicht

Die meisten Druckumrechnungen sind einfache Multiplikationen — psi zu kPa, bar zu atm — und verursachen nicht mehr Schwierigkeiten als jedes andere Einheitenpaar. Der echte, sicherheitsrelevante Fehler bei der Druckmessung ist überhaupt kein falscher Umrechnungsfaktor. Es ist die Verwendung von zwei Zahlen, die Druck relativ zu verschiedenen Bezugspunkten messen, und deren Behandlung als vergleichbar.

Manometerdruck und Absolutdruck sind nicht dieselbe Größe

Manometerdruck wird relativ zum umgebenden Luftdruck gemessen — eine Manometeranzeige von 0 bedeutet „gleich wie die Luft ringsum", nicht „kein Druck". Absolutdruck wird relativ zu einem perfekten Vakuum gemessen. Die beiden unterscheiden sich um den jeweils herrschenden Luftdruck, grob 101,3 kPa (14,7 psi) auf Meereshöhe, und dieser Versatz ist genau die Größe des Fehlers, wenn die falsche Größe verwendet wird.

Praktisches Beispiel: der Reifen

Eine Manometeranzeige von „32 psi" gibt Manometerdruck an: 32 psi über dem, was der Luftdruck außerhalb des Reifens gerade tut. Der absolute Innendruck des Reifens beträgt daher etwa 32 + 14,7 ≈ 46,7 psi. Reifenhersteller, Reifenmessgeräte und der Druckaufkleber an der Autotür geben nach Konvention alle Manometerdruck an, daher verursacht dies normalerweise keinen echten Fehler von selbst — der Fehler tritt auf, wenn jemand eine Manometerfigur in eine Physik- oder Ingenieurberechnung übernimmt, zum Beispiel das ideale Gasgesetz, das Absolutdruck benötigt, und vergisst, die 14,7 psi wieder hinzuzufügen.

Praktisches Beispiel: das Barometer

Wetterberichte verwenden die umgekehrte Konvention. „1013 hPa" in einer Vorhersage ist eine Absolutdruckfigur, genauer gesagt ein auf Meereshöhe korrigierter Absolutdruck (siehe unten), nicht ein Druck relativ zu einer Referenz. Der Normaldruck von 101.325 Pa wurde 1954 auf der 10. Generalkonferenz für Maße und Gewichte als „1 Atmosphäre" festgelegt, und es ist dieselbe 101,325 kPa, die zu einer Manometeranzeige addiert werden muss, um einen Absolutdruck zu erhalten.

Die Einheitenlandschaft

mmHg und Torr sind sich ähnlich genug, unterscheiden sich um etwa 0,14 Millionsteile (mmHg = 133,322387415 Pa gegenüber Torr = 101.325/760 = 133,322368421… Pa, ein Unterschied von 1,899×10⁻⁵ Pa auf einer Basis von etwa 133,3 Pa), dass die meisten Verweise sie als austauschbar behandeln, aber sie sind nicht identisch definiert: mmHg leitet sich von einer bestimmten konventionellen Quecksilberdichte in Verbindung mit der Standardgravitation ab, während Torr als exakte 1/760-Fraktion der Standardatmosphäre definiert ist. In der Vakuumphysik, wo die Unterscheidung gelegentlich relevant ist, wird gezielt Torr verwendet, weil dessen Definition nicht von den physikalischen Eigenschaften von Quecksilber abhängt.

Das Höhenmesserproblem

Die Luftfahrt hängt vom Absolutdruck für die Höhe ab, und sie hängt davon ab, dass dieser Bezug aktuell ist. Ein Flugzeughöhenmesser ist mechanisch ein Barometer, das so kalibriert ist, dass er die Höhe statt des Drucks anzeigt — er muss mit dem aktuellen lokalen Meereshöhen-äquivalenten Druck versorgt werden, der Höhenmessereinstellung oder QNH, um seine rohe Druckablesung in eine korrekte Höhe über dem Meeresspiegel umzuwandeln. Fliegen Sie von einem Hochdruckgebiet in ein Niederdruckgebiet, ohne diese Einstellung zu aktualisieren, und der Höhenmesser liest weiterhin gegen die alte, höhere Referenz, sodass er eine Höhe anzeigt, die größer ist als die tatsächliche Flughöhe des Flugzeugs. Die Standard-Merkhilfe für Piloten lautet „von hoch zu niedrig, pass auf unten auf": der Fehler verläuft in der gefährlichen Richtung und zeigt mehr Bodenfreiheit an, als tatsächlich vorhanden ist. Als grobe Faustregel entspricht ein Fehler von 1 hPa in der Höhenmessereinstellung etwa 30 Fuß (9 m) Höhenfehler in der Nähe des Meeresspiegels; die genaue Figur variiert mit Höhe und Temperatur, weil der Luftdruck logarithmisch und nicht linear mit der Höhe abfällt, aber 30 Fuß pro hPa ist die Standard-Faustregel, mit der Piloten trainiert werden, um eine schnelle mentale Überprüfung durchzuführen.

Warum Wetterdruck überhaupt auf Meereshöhe korrigiert wird

Der Rohluftdruck oder „Stationsdruck" fällt mit der Höhe ab — in der US-Standardatmosphäre etwa 83.430 Pa in einer Meile (1.609 m) Höhe gegenüber 101.325 Pa auf Meereshöhe, ungefähr 18 % niedriger, ohne jede Wetteränderung. (Denvers tatsächlicher Stationsdruck von etwa 835–843 hPa stimmt mit dieser Figur überein.) Die Angabe des reinen Stationsdrucks würde jede hochgelegene Stadt aussehen lassen, als würde sie ständig in einem schweren Tiefdrucksystem sitzen, daher korrigieren meteorologische Berichte den Stationsdruck auf das, was er anzeigen würde, wenn sich die Station auf Meereshöhe befände, wobei die bekannte Höhe der Station verwendet wird. Diese auf Meereshöhe angepasste Figur, nicht die rohe Sensorablesung, ist das, was „1013 hPa" in einer Vorhersage tatsächlich darstellt: eine zweite, separate Korrektur vom Manometer-/Absolutdruck-Unterschied oben, und ein weiterer Grund, warum ein roher Drucksensor an einem bestimmten Ort und ein veröffentlichter Wetterwert für denselben Ort selten exakt übereinstimmen.

Negativer Manometerdruck hat sein eigenes Vokabular

Manometerdruck kann negativ werden, wenn der gemessene Druck unter dem umgebenden Luftdruck liegt, und Unternehmen, die damit umgehen, geben ihm routinemäßig einen separaten Namen, „Vakuum", anstatt ein Minuszeichen zu schreiben. Kältemitteltechniker, die eine Klimaleitung vor dem Aufladen evakuieren, beobachten eine Manometeranzeige in Zoll Quecksilbervakuum und arbeiten auf ungefähr 28–30 inHg-Vakuum hin (nahe bei, aber nicht ganz ein perfektes Vakuum), bevor sie die Leitung als trocken genug zum Aufladen einstufen. Diese Figur ist immer noch eine Manometermessung, nur von der Atmosphäre abwärts gezählt anstatt aufwärts, und sie wird zu Absolutdruck auf dieselbe Weise wie im positiven Fall umgerechnet: subtrahieren Sie sie vom lokalen Luftdruck, anstatt sie hinzuzufügen.

Eine Regel, die die meisten alltäglichen Verwechslungen klärt

Wenn eine Druckablesung von etwas kommt, das dazu bestimmt ist, innerhalb eines größeren Umgebungsdrucks zu sitzen — einen Reifen, eine Tauchflasche, eine Hydraulikleitung — nehmen Sie Manometerdruck an. Wenn sie von etwas kommt, das die Atmosphäre selbst beschreibt — einen Wetterbericht, eine Tauchtiefentabelle, einen Flugzeughöhenmesser — nehmen Sie Absolutdruck an, oder zumindest auf Meereshöhe korrigierter Absolutdruck. Die beiden Konventionen sind beide fest verankert und beide vernünftig innerhalb ihrer jeweiligen Domäne; der Fehler tritt nur auf, wenn eine Figur von einer Domäne in eine Berechnung übergeht, die für die andere konzipiert wurde.