Глава 1. основные понятия и положения

Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Основные термины и определения

Давление характеризует напряженное состояние жидкостей и газов в условиях всестороннего сжатия и определяется частным от деления нормальной к поверхности силы на площадь этой поверхности

где р — давление; N — нормальная сила, действующая на поверхность; F — площадь поверхности.

При этом принимается, что нормальная сила равномерно распределена по поверхности, а в жидкости или газе отсутствуют касательные напряжения. Так как действующая сила всегда перпендикулярна к поверхности вне зависимости от ее расположения, то давление является скалярной величиной.

В общем случае при неравномерном распределении действующих на жидкость или газ внешних сил вводится понятие давление в точке:

⁼    при    AF -> 0,    (1.2)

где AN — нормальная сила, действующая на сколь угодно малую площадь AF.

Понятие давления как физической величины во всех его проявлениях едино. Вместе с тем, во многих естественных природных явлениях и в различных технических устройствах и процессах определяющим является не само давление, а его значение относительно другого. Например, выброс лавы и газов при извержений вулкана происходят из-за того, что давление в его жерле больше, чем давление окружающего воздуха и сопротивление слагающих его твердых пород; под действием разности двух давлений по магистральным трубопроводам транспортируются нефть и газ из Сибири; действует знаменитый фонтан „Самсон” в Петергофе.

При сравнении значений двух давлений одно из них принимается за начало отсчета их разности. По этому признаку различают следующие виды давлений.

Абсолютное давление — давление, значение которого при измерении отсчитывается от давления, равного нулю. Абсолютное давление воздушной оболочки Земли на ее поверхность называется атмосферным давлением.

Давление, равное .нулю, характеризует состояние жидкости или газа, обусловленное различными физическими причинами, при котором в них отсутствуют напряжения сжатия.

Давление газа равно нулю, если его концентрация настолько мала, что молекулы газа практически не взаимодействуют друг с другом, или если равна нулю абсолютная температура газа. Это состояние достигается, например, во внутренней полости гигантского тороидального кольца мощного синхрофазотрона. В естественных условиях указанное состояние — сверхглубокий вакуум — наблюдается в отдаленных областях космического пространства.

Равенство нулю давления жидкости имеет место, если отсутствуют действующие на нее внешние силы. Это наблюдается, например, для жидкости, находящейся в состоянии невесомости на борту орбитальной космической станции. В данном случае силы земного тяготения уравновешены центростремительными силами, возникающими при равномерном движении станции по орбите. В нормальных земных условиях давление жвдкости может быть равно нулю только в ее верхнем поверхностном слое.

Во всех других случаях измеряемое давление сравнивается с давлением, значение которого не равно нулю. Данные виды давления, в отличие от абсолютного давления, являются относительными. Здесь следует выделить разность давлений и избыточное давление.

Разность давлений — разность двух произвольных давлений, значение одного из которых принято за начало отсчета. В зтом случае основное значение имеет разность давлений, а не абсолютные значения каждого из них.

Разность давлений

Ар=р₁-р₂,    (1.3)

где pi и р₂ — сравниваемые между собой абсолютные давления, причем Рг принято за начало отсчета. При р_х > рг разность давлений положительна, при pi <р₂ ~ отрицательна.

Следует подчеркнуть, что понятие „разность давлений равна нулю” по определению не адекватно равенству нулю давлений р_х и р₂ ¦

Избыточное давление — разность давлений, одно из которых, принятое за начало отсчета, является абсолютным давлением окружающей среды. В большинстве случаев абсолютное давление окружающей среды — это атмосферное давление в месте измерений.

Избыточное давление

Ри Рабе Ратм >    О

где Рабе ^— абсолютное давление; р_атм — атмосферное давление.

Так же, как и ранее, при р_абс > избыточное давление положительно, при р_абс - р_атм — отрицательно, а равенство нулю р_и не адекватно равенству нулю р_ад_с и р_атм. В этом заключается принципиальное различие между понятиями разность давлений, избыточное и абсолютное давление. Последнее по определению не может быть отрицательным.

Для газовых смесе применяется специальный термин — парциальное давление — абсолютное давление одного из компонентов газовой смеси. Под этим понимается абсолютное давление данного компонента при условии, что он займет весь объемов котором находится газовая смесь.

Сумма парциальных давлений всех компонентов газовой смеси равна абсолютному давлению смеси газов, т. е.

к

Рабе ^ Рт»    0-5)

i= 1

где р_абс ^— абсолютное давление смеси газов; р_ш — парциальные давления каждого из компонентов смеси.

Вакуум — состояние среды, абсолютное давление которой существенно меньше атмосферного давления. Понятие „вакуум” часто отождествляют с понятием „низкое абсолютное давление”. Это недопустимо, так как давление является физической величиной, характеризующей количественно состояние среды.

Виды давления графически изображены на рис. 1. Нижняя горизонтальная линия с индексом „О” соответствует абсолютному давлению Рабе ⁼ 0» горизонтальная линия с индексом „Б” — атмосферному давлению (Рабе ⁼ Ратм). Горизонтальные штриховые линии выше и ниже линии Б ограничивают зону изменений атмосферного давления в месте измерений. Например, для Москвы зона изменений атмосферного давления составляет (995±40) гПаили (745±30) мм рт.ст., т. е. отклонения атмосферного давления от среднего значения не превышают ±4 %. Заштрихованными столбиками обозначены подлежащие измерению давления в соответствии с их видом.

Измерения абсолютного давления широко распространены в области вакуумной техники (от 10“¹² до 10³ Па), в метеослужбе, геодезии и авиационной технике (от 10² до 4- 10^s Па). Более высокие давления (до

1—10 МПа) измеряют при научных исследованиях, в том числе в термодинамике. Более высокие абсолютные давления измеряют крайне редко, так как в этих случаях их можно измерить более простыми методами измерения избыточного давления.

Пределы измерений избыточного давления на несколько порядков выше. В области микроманометрии диапазон измерений составляет от 10Г¹ до 4* 10⁴ Па, в области средних давлений — от 4 -10⁴ Па до 250 МПа и в области высоких и сверхвысоких давлений — от 250 МПа до 10 ГПа. Наиболее широкое применение в науке и технике находит диапазон средних избыточных давлений, особенно давлений до 10—25 МПа.

Широкое применение в народном хозяйстве страны находят также измерения разности давлений, например, при определении расхода, уровня и плотности жидкостей и газов. Пределы измерений разности давлений составляет от 1 Па до 1 МПа, а в некоторых случаях до 10 МПа и выше.

С учетом специфики каждого из видов давления при измерениях применяются специальные средства измерений — манометры и измерительные преобразователи давления.

¦ Ар

&

Pi

Рг

в

Pi

ш-

щ

Ш

:А

о

Абсолютное

давление

Padc

Избыточное

Разность

давления

&P~Pi ~Рг

давление

Ри~Ра6с ~ Р amм

Рис. 1. Виды давлений

Манометр — измерительный прибор или измерительная установка для измерения давления или разности давлений с непосредственным отсчетом их значения.

Измерительный преобразователь давления (датчик) — первичный преобразователь, выходной сигнал которого функционально связан с измеряемым давлением или разностью давлений. Выходной сигнал датчика вторичными приборами преобразуется в показания значения давления или поступает в различные системы управления и регулирования.

В соответствии с видами измеряемого давления применяют следующие виды средств измерения давления: манометр абсолютного давления — манометр для измерения абсолютного давления; барометр — манометр для измерения атмосферного давления; манометр избыточного давления — манометр для измерения положительного избыточного давления, вакуумметр³⁴⁵ - манометр для измерения отрицательного избыточ-

ного давления: мановакуумметр — манометр для измерения как положительного, так и отрицательного избыточного давления; дифференциальный манометр (дифманометр) — манометр для измерения разности двух давлений, каждое из которых отличается от атмосферного давления; микроманометр — дифференциальный манометр для измерения малых разностей двух давлений, каждое из которых существенно больше их разности.

1.2. Единицы измерения давления

Когерентной единицей Международной системы единиц (СИ) является паскаль (Па). По определению (1.1) единица давления паскаль представляет собой отношение единицы силы Ньютона к единице площади квадратному метру: 1 Па= 1 Н/м² = 1 кг/ (м-с²).

Размер единицы давления Па очень мал, его значение соответствует давлению столба воды высотой 0,1 мм. Поэтому на практике применяются единицы давления, кратные 1 Па, которые образуются добавлением к наименованию паскаль приставок, узаконенных С И: килопаскаль (кПа), мегапаскаль (МПа) и гигапаскаль (ГПа). Численно указанные единицы давления 1кПа = 1 • 10³ Па; 1 МПа = 1 • 10⁶ Па; 1ГПа = 1 • 10⁹ Па.

В технически обоснованных случаях допускается также применение других кратных.единиц, которые образованы добавлением приставок, предусмотренных СИ: декапаскаль (даПа) и гектопаскаль (гПа). Соответственно: 1 даПа = 10 Па, 1 гПа = 1 • Ю² Па.

Наряду с единицами давления СИ во многих отраслях народного хозяйства нашей страны, а также в зарубежных странах в настоящее время применяются единицы давления, которые должны быть изъяты по мере перехода на СИ.

Наиболее близка к СИ единица давления бар (бар), размер которой очень удобен для практики (1 бар = 1*10⁵ Па). Широко применяются также дольные и кратные значения этой единицы — миллибар (мбар) и килобар (кбар) : 1 мбар = 1 • 10² Па, 1 кбар = 1 • 10⁸ Па.

В области измерения малых и средних давлений широкое распространение получили единицы давления килограмм-сила на квадратный сантиметр (кгс/см²) и килограмм-сила на квадратный метр (кгс/м²). Размеры указанных единиц давления: 1 кгс/см² = 0,980665 • 10^s Па;

1 кгс/м² = 9,80665 Па.

Числовые значения этих единиц рассчитывают следующим образом. В системе МКГСС в отличие от СИ основной единицей является не единица массы (кг), а единица силы (кгс), которая равна силе, испытываемой массой 1 кг при нормальном ускорении свободного падения g_H = = 9,80665 м/с². Отсюда, принимая во внимание, что сила равна произведению массы на ускорение, размеры единиц кгс/см² и кгс/м² принимают указанные выше значения.

В применяемых до настоящего времени жидкостных манометрах мерой измеряемого давления является высота столба жидкости. Поэтому

естественно применение единиц давления, определяемых высотой столоа жидкости, т. е. основанных на единицах длины. В странах с метрическими системами мер получили распространение единицы давления миллиметр и метр водяного столба (мм вод. ст. и м вод. ст.) и миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.), а в странах с дюймовыми системами — дюйм и фут водяного столба (in Н₂ О и ft Н₂ О), дюйм ртутного столба (in Hg).

Размеры этих единиц давления пересчитываются в единицы СИ на основании формулы

р-Н • р • g,    (1.6)

где Я — высота столба жидкости, м, р — плотность жидкости, кг/м³, g -ускорение свободного падения, м/с².

Размеры единиц регламентированы условиями:

плотность воды соответствует температуре t — 4° С и равна р_в = = 1-10³ кг/м³;

плотность ртути соответствует температуре t = 0°С и равна р_рт = = 13595,1 кг/м ;

ускорение свободного падения равно нормальному = 9,80665 м/с².

Расчет по формуле (1.6) дает следующие значения размеров единиц: 1 мм вод.ст. = 9,80665 Па; 1 мм рт.ст. = 133,322 Па; 1 in Н₂0 = = 249,089 Па; 1 in Hg = 3386,39 Па.

Применяемая в странах Западной Европы единица давления торр практически равна мм рт.ст.: 1 торр = 1 атм/760 = 133,322 Па.

В англоязычных странах широко распространена также единица давления фунт-сила на квадратный дюйм (psi), размер которой равен 1 psi = 1 lbf/in² = 6,89476* 10³ Па.

Соотношения наиболее распространенных в нашей стране единиц давления приведены в табл. 1.

Пользуясь данными таблицы, можно легко пересчитать результаты измерений. Например, если при измерении атмосферного давления показания барометра дают р_атм = 737,2 мм рт.ст., то при пересчете на Па получим р_тм = 98,285 кПа.

Диапазоны измерения давления (рис. 2), в которых применяется одна и та же единица давления, рекомендуется выбирать так, чтобы числовое значение давления находилось в диапазоне 0,1—1000. Размеры узаконенных СИ единиц давления (Па, кПа, МПа, ГПа) последовательно увеличиваются в 10³ раз. Поэтому диапазоны их применения взаимно перекрываются (см. рис. 2), что позволяет проводить измерения во всем диапазоне давлений.

На рис. 2 показаны также размеры применяемых в настоящее время единиц давления, которые подлежат изъятию rto мере внедрения единиц СИ (кгс/м², кгс/см², мм вод .ст., мм рт.ст., psi). Как видно из рисунка, размеры этих единиц не соответствуют размерам узаконенных единиц. Поэтому помимо последних в период перехода на СИ допускается применение кратных Па единиц с приставками, предусмотренными СИ, размеры которых близки размерам старых единиц. Так, взамен кгс/м² и

fWWWM-f: f--------l-Z;

Рис- 2. Д иапазоны давления, охватываемые единицей давления (Па) и ее десятичными кратными:

/ — единицы давления, установленные СИ; 2 — единицы давления с приставками, разрушенными СИ; 3 — единицы давления, основанные на единице бар, допускаемые к применению до принятия международного решения; 4 — единицы давления гПа и набор (1 гПа —

= 1 мбар)

мм вод.ст. целесообразно ввести даПа (1 кгс/м = 1 мм вод.ст. = 1 даПа), а взамен мм рт.ст. — гПа, так как их размеры примерно одного порядка.

Особое место среди применяемых в настоящее время единиц занимает единица давления бар, которая. имеет размер, кратный размеру Па (1 бар = 10^s Па), но при этом коэффициент кратности 10^s не предусмотрен СИ. К тому же указанная единица имеет собственное наименование и вместе с ее дольными и кратными единицами (мбар, кбар) образует формально не зависимый от Па ряд, что противоречит основным принципам построения СИ. Вместе с тем, единица бар имеет ряд очевидных достоинств. Применение единицы давления бар, сохраняя десятичную кратность к основной единице Па, во многом упрощает переградуировку приборов при изъятии старых единиц (кгс/см²); дольная единица мбар численно равна гПа; кратная единица кбар более удобна при измерениях высоких и сверхвысоких давлений, чем ГПа. Благодаря указанному единицы бар, мбар и кбар находят в настоящее время широкое применение и будут применяться вплоть до принятия соответствующего международного решения.

Контрольный вопрос № 1

Зависит ли размер единицы давления от вида измеряемого давления — абсолютное или избыточное давление, разность давлений? Да или нет?

Если Вы решите, что „да” - см. с. 15; если „нет” — см.

' с. 16 ...

1.3. Методы и средства измерения давления

Методы измерения давления во многом предопределяют как принципы действия, так и конструктивные особенности средств измерений. В этой связи в первую очередь следует остановиться на наиболее общих методологических вопросах техники измерения давления.

Давление, исходя из самых общих позиций, может быть определено как путем его непосредственного Измерения, так и посредством измерения другой физической величины, функционально связанной с измеряемым давлением.

В первом случае измеряемое давление воздействует непосредственно на чувствительный элемент прибора, который передает информацию

о значении давления последующим звеньям измерительной цепи, преобразующим ее в требуемую форму. Этот метод определения давления является методом прямых измерений и получил наибольшее распространение в технике измерения давления. На нем основаны принципы действия большинства манометров и измерительных преобразователей давления.

Во втором случае непосредственно измеряются другие физические величины или параметры, характеризующие физические свойства измеряемой среды, значения которых закономерно связаны с давлением (температура кипения жидкости, скорость распространения ультразвука, теплопроводность газа и т. д.). Этот метод является методом косвенных измерений давления и применяется, как правило, в тех случаях, когда прямой метод по тем или иным причинам неприменим, например, при измерении сверхнизкого давления (вакуумная техника) или при измерении высоких и сверхвысоких давлений.

Методологически не менее важен и вопрос о способе, которым средство измерений воспроизводит единицу давления, что непосредственно сказывается на его функциональных возможностях.

Давление является производной физической величиной, определяемой тремя основными физическими величинами — массой, длиной и временем. Конкретная реализация значения давления зависит от способа воспроизведения единицы давления. При измерении по формуле (1.1) давление определяется силой и площадью, а по формуле (1.6) — длиной, плотностью и ускорением. Методы определения давления, основанные на измерении указанных величин, являются абсолютными (фундаментальными) методами и применяются при воспроизведении единицы давления эталонами грузопоршневого и жидкостного типа, а также позволяют, при необходимости, производить аттестацию образцовых средств измерений.

Относительный метод измерений, в отличие от абсолютного, основан на предварительном исследовании зависимости от давления физических свойств и параметров чувствительных элементов средств измерения давления при методах прямых, измерений или других физических величин и свойств измеряемой среды — при методах косвенных измерений. Например, деформационные манометры перед их применением для измерения давления должны быть сначала отградуированы по образцовым средствам измерений соответствующей точности.

Помимо классификации по основным методам измерений и видам давления, средства измерений давления классифицируют по принципу действия, функциональному назначению, диапазону и точности измерений.

Наиболее существенный классификационный признак — принцип действия средства измерения давления, в соответствии с ним и построено дальнейшее изложение.

Современные средства измерений давления представляют собой измерительные системы, звенья которых имеют различное функциональное назначение. Обобщенные блок-схемы манометров и измерительных преобразователей давления приведены соответственно на рис. 3, а и б. Важнейшим звеном любого средства измерения давления является его чувствительный элемент (ЧЭ), который воспринимает измеряемое давление и преобразует его в первичный сигнал, поступающий в измерительную цепь прибора. С помощью промежуточных преобразователей сигнал от. ЧЭ преобразуется -в показания манометра или регистрируется им, а в измерительных преобразователях (ИПД) — в унифицированный выходной сигнал, поступающий в системы измерения, контроля, регулирования и управления. При этом промежуточные преобразователи и вторичные приборы во многих случаях унифицированы и могут применяться в сочетании с ЧЭ различных типов. Поэтому принципиальные особенности манометров и ИПД зависят, в первую очередь, от типа ЧЭ.

Рис. 3. Структурные блок-схемы: а — манометра; б — измерительного преобразователя давления; р — измеряемое давление; 1 — чувствительный элемент (первичный преобразователь); 2 - промежутЬчные преобразователи; 3 — показания; 4 — регистрация; 5 — выходной сигнал; -* к системам: I — измерения и контроль;

II — регистрации; III — регулирования; IV — управления

К контрольному вопросу № 1

Итак, Вы решили, что размер единицы давления зависит от вида измеряемого давления. Вы ошиблись. Повторите заново разд. 1.1 и 1.2.

Обратите внимание на то, что давление как физическая величина не-зависит от начала его отсчета. В то же время иногда к обозначению единицы давления добавляют буквенный индекс, указывающий на вид давления, который измеряется данным манометром. Например, для единицы давления psi (фунт на кв. дюйм): psi а — абсолютное давление; psi g — избыточное давление; psi d — разность давлений.

По принципу действия ЧЭ средства измерения¹ давления можно разделить на следующие основные группы.

1.    Средства измерения давления, основанные на прямых абсолютных методах: поршневые манометры и ИПД, в том числе и грузопоршневые манометры, манометры с нецилиндрическим неуплотненным поршнем, колокольные, кольцевые и жидкостные манометры.

В первых трех манометрах метод измерений реализуется уравнением (1-1), основанным на определении величины давления по отношению силы к площади; в жидкостных манометрах — уравнением (1.6), основанным на уравновешивании давления столбом жидкости.

2.    Средства измерения давления, основанные на прямых относительных методах: деформационные манометры и ИПД, в том числе и с силовой компенсацией; полупроводниковые манометры к ИПД; манометры

других типов, основанные на изменении физических свойств ЧЭ под действием давления.

3. Средства измерения давления, основанные на методах косвенных измерений: установки и приборы для определения давления по результатам измерения других физических величин: установки и приборы для определения давления по результатам измерения параметров физических свойств измеряемой среды (термопарные и ионизационные вакуумметры, ультразвуковые манометры, вязкостные вакуумметры и др.) .

К контрольному вопросу № 1

Ответив нет, Вы показали понимание физической сущности термина „давления”. Продолжайте изучение дальнейших глав учебника.

Следует отметить, что абсолютные методы измерений, заложенные в поршневых и жидкостных манометрах, во многих случаях на практике не реализуются. Например, жидкостные манометры, исключая первичные эталоны, градуируются и поверяются не абсолютным, а относительным методом, путем их сличения с образцовыми средствами измерений соответствующей точности..

Глава 2. жидкостные манометры  »

Библиотека »