Давление, его виды и единицы измерения

 
 
 
 
 
 
 
 

      ТЕМА!!!! 

Титулка 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Содержание

Введение

1. Давление, его виды и единицы измерения
1. Виды измеряемых давлений

2. Классификация средств измерения давления

3. Установка и использование измерительных преобразователей давления

4. Рекомендации по выбору оборудования для измерения давления

5. Устройство и принцип работы преобразователей давления  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Измерение давления необходимо для управления технологическими процессами и обеспечения  безопасности производства. Кроме того, этот параметр используется при косвенных  измерениях других технологических  параметров: уровня, расхода, температуры, плотности и т. д. В системе  СИ за единицу давления принят паскаль (Па).

В большинстве  случаев первичные преобразователи  давления имеют неэлектрический  выходной сигнал в виде силы или  перемещения и объединены в один блок с измерительным прибором. Если результаты измерений необходимо передавать на расстояние, то применяют промежуточное  преобразование этого неэлектрического сигнала в унифицированный электрический  или пневматический. При этом первичный  и промежуточный преобразователи  объединяют в один измерительный  преобразователь.

Для измерения  давления используют манометры, вакуумметры, мановакуумметры, напоромеры, тягомеры, тягонапоромеры, датчики давления, дифманометры.

В большинстве  приборов измеряемое давление преобразуется  в деформацию упругих элементов, поэтому они называются деформационными.

Мир датчиков чрезвычайно разнообразен: большое  число измеряемых физических величин  или параметров исследуемого объекта; разнообразие физических зависимостей, используемых для измерительных  преобразователей; разнообразие современных  объектов измерения, предопределяющих специфику требований к датчикам и измерениям в целом (ракетно-космическая  техника, авиация, судостроение, энергетика, атомная техника и т.д. ракетно-космическая  техника. объектов измерения, предопределяющих специфику требований к датчикамров  исследуемого объекта; разнообр). 
 
 
 
 
 
 
 

1. Давление, его виды и единицы  измерения

  Давление  является одним из важнейших физических параметров, и его измерение необходимо как в расчетных целях, например для определения расхода, количества и тепловой энергии среды, так  и в технологических целях, например для контроля и прогнозирования  безопасных и эффективных гидравлических режимов напорных трубопроводов, используемых на предприятии. Рассмотрим основные понятия, связанные с давлением и его  измерением. 

  Давлением Р называют отношение Р=F/S абсолютной величины нормального, то есть действующего перпендикулярно к поверхности  тела, вектора силы F к площади S этой поверхности. Если сила равномерно распределена по площади, то указанное отношение  задает точное значение давления в  каждой ее точке, в противном же случае - только его среднее значение (точное значение меняется от точки к точке  и определяется пределом отношения  силы ΔF, приложенной на бесконечно малом участке поверхности, к  его площади ΔS). В отличие от силы, величина которой может зависеть от размеров поверхности ее приложения, давление позволяет при рассмотрении взаимодействия физических тел исключить  фактор площади, поскольку оно является удельной, то есть отнесенной к единице  площади, силой. 

   1.1Виды  измеряемых давлений 

   Жидкие  и газообразные среды характеризуются  свойствами упругости - обратимого изменения  объема, то есть уменьшения объема среды  при сжатии ее под давлением и  восстановления исходного объема при  снятии этого давления, и текучести - обратимого изменения формы. В этих средах различают давление внешнее (поверхностное) - на границе (поверхности) сред - и внутреннее - внутри, в объеме или массе среды. 

  Внешнее давление Р на поверхность S жидкой или газообразной среды, равное отношению  нормальной составляющей суммы сил F, приложенной извне, к площади  поверхности S, передается внутрь среды (рис. 1.1) без изменений и равномерно во все стороны. То есть порождаемое  внутреннее давление направлено перпендикулярно  к любой внутренней площадке среды .S, независимо от ее формы и положения  в среде, а величина давления в  среде пропорциональна величине выделенной площадки (закон Паскаля). Очевидно, что Р=F/S= ΔF/ΔS для любой точки среды. Внутреннее давление покоящихся жидких и газообразных сред зависит не только от внешнего давления, но и от веса самой среды. Эта зависимость наиболее существенна для жидкостей, обладающих большей плотностью, чем газы. Положение точки измерения относительно горизонтальных плоскостей - поверхностей равного давления - определяет весовую составляющую внутреннего давления - гидростатическое давление. Закон Паскаля справедлив не только для покоящихся, но и для движущихся сред, если их можно считать идеальными (отсутствует трение между слоями среды - вязкость). В вязких же движущихся средах величина внутреннего давления зависит от направления, и поэтому под внутренним давлением среды понимают его усредненное значение по трем взаимно перпендикулярным направлениям в точке измерения. Полное внутреннее давление в движущейся среде, например, горизонтального напорного трубопровода определяется суммой внешнего, гидростатического и гидродинамического давления - скоростного напорного давления, а также потерями давления на трение по всей длине трубы и вихревыми потерями при изменениях величины и направления потока в гидравлических сопротивлениях - коленах, задвижках, диафрагмах. В напорных трубопроводах с энергоносителями измеряется, как правило, статическое давление, которое является разностью полного и динамического давлений; при этом скоростные характеристики потока учитываются в расходомерах и счетчиках при измерениях расхода и количества среды. 

  

  Условные  обозначения: F - внешняя сила, S - свободная  поверхность (площадь) среды, ΔF - сила давления на внутреннюю площадку .S.  

  Рисунок 1.1 - Силы давления в  жидкой и газообразной средах 
 
 

   На  практике давления газообразных и жидких сред могут измеряться относительно двух различных уровней (рис. 1.2):

   1) уровня абсолютного вакуума, или  абсолютного нуля давления - идеализированного  состояния среды в замкнутом  пространстве, из которого удалены  все молекулы и атомы вещества  среды,

   2) уровня атмосферного, или барометрического, давления (ГОСТ 8.271_77). Давление, измеряемое  относительно вакуума, называют  давлением абсолютным (ДА). Барометрическое  давление (ДБ) - это абсолютное давление  земной атмосферы. Оно зависит  от конкретных условий измерения:  температуры воздуха и высоты  над уровнем моря. Давление, которое  больше или меньше атмосферного, но измеряется относительно атмосферного, называют соответственно избыточным (ДИ) или давлением разрежения, вакуумметрическим  (ДВ). Очевидно, что ДА=ДБ+ДИ или  ДА=ДБ-ДВ. При измерении разности  давлений сред в двух различных  процессах или двух точках  одного процесса, причем таких,  что ни одно из давлений  не является атмосферным, такую  разность называют дифференциальным  давлением (ДД). 

   

   Условные  обозначения: Р - давление, ДБ - давление барометрическое, ДА - давление абсолютное, ДИ - давление избыточное, ДВ - давление вакуумметрическое, ДД - давление дифференциальное.  

   Рисунок 1.2 - Виды измеряемых давлений в точках 1, 2, 3 физического процесса 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Системные и внесистемные единицы  измерения давления

  Единицы измерения давления (СТ СЭВ 1052_89) определяются одним из двух способов: 1) через высоту столба жидкости, уравновешивающей измеряемое давление в конкретном физическом процессе: в единицах водяного столба при 4°С (мм вод. ст. или м вод. ст.) или ртутного столба при 0°С (мм рт. ст., или Торр) и  нормальном ускорении свободного падения (в англоязычных странах используются соответствующие единицы in H2O, ft H2O- дюйм вод. ст., фут вод. ст. и in Hg - дюйм рт. ст.; 1 дюйм=25,4 мм, 1 фут=30,48 см); 2) через единицы  силы и площади. 

    В Международной системе единиц (СИ), принятой в 1960 году, единицей  силы является Н (ньютон), а  единицей площади - м2. Отсюда определяется  единица давления паскаль Па=1 Н/м2 и ее производные, например, килопаскаль (1 кПа=103 Па), мегапаскаль  (1 МПа=103 кПа=106 Па). Наряду с системой  СИ в области измерения давления  продолжают использоваться единицы  и других, более ранних систем, а также внесистемные единицы. 

    В технической системе единиц  МКГСС (метр, килограммсила, секунда)  сила измеряется в килограммах  силы (1 кгс.9,8 Н). Единицы давления  в МГКСС - кгс/м2 и кгс/см2; единица  кгс/см2 получила название технической,  или метрической атмосферы (ат). В случае измерения в единицах  технической атмосферы избыточного  давления используется обозначение  «ати». 

    В физической системе единиц  СГС (сантиметр, грамм, секунда)  единицей силы является дина (1 дин=10-5 Н). В рамках СГС введена  единица давления бар (1 бар=1 дин/см2). Существует одноименная внесистемная, метеорологическая единица бар,  или стандартная атмосфера (1 бар=106 дин/см2; 1 мбар = 10-3 бар = 103 дин/см2), что  иногда, вне контекста, вызывает  путаницу. Кроме указанных единиц  на практике используется такая  внесистемная единица, как физическая, или нормальная атмосфера (атм), которая эквивалентна уравновешивающему  столбу 760 мм рт. ст. 

    Изредка находит применение единица  давления из системы единиц  МТС (метр, тонна, секунда) пьеза  (1 пз = 1 сн/м2, где 1 сн = 108 дин - сила  в 1 стен, сообщающая телу массой  в 1 тонну ускорение 1 м/с2). В  англоязычных странах широко  распространена единица давления  пси (psi=lbf/in2) - фунт силы на квадратный  дюйм (1 фунт= 0,4536 кг). При измерении  абсолютного и избыточного давления  используются соответственно обозначения  psia (absolute - абсолютный) и psig (gage - избыточный). 

    В таблице 1.1 указаны коэффициенты  перевода одних системных или  внесистемных единиц давления  в другие: например, одной технической  атмосфере соответствует давление 0,980665 в барах (здесь бар является  внесистемной единицей). В действительности  не всегда требуется столь  высокая точность перевода единиц, которая отражена в таблице 1.1. Для приблизительных оценок и расчетов давления с относительной погрешностью не более 0,5% полезно использовать следующие соотношения: 

   1 ат = 1 кгс/см2 = 104 кгс/м2 = 0,97 атм = 0, 98×103 мбар = 0,98 бар = 104 мм вод.ст. = 10 м  вод.ст = 735 мм рт.ст. = =0,98×105 Па = 98 кПа= 0,098 МПа 

    С ошибкой в 2% можно пренебречь  разницей между технической атмосферой, стандартной атмосферой (баром) и  десятой частью мегапаскаля (1 ат = 1 бар = 0,1 МПа), а с ошибкой  в 3% - разницей между технической  и физической атмосферами (1 ат = 1 атм). На практике из-за использования  разнородного гидравлического и  измерительного оборудования разных  изготовителей и стран, причем  нередко давнего года выпуска,  потребность перевода одних единиц  давления в другие возникает  постоянно. Приведенные таблица  и соотношения позволят быстро  справиться с такими задачами.

    Диапазон давлений, измеряемых в  технике, достигает 17 порядков: от 10-8 Па в электровакуумном оборудовании  до 103 МПа при обработке металлов  давлением. Материальным хранителем  единиц давления являются первичные  (национальные) и вторичные (рабочие)  эталоны давления. Для поддиапазона 1-100 кПа избыточных, абсолютных и  разностных давлений в качестве  первичного эталона используется, как правило, ртутный двухтрубный  (U-образный) манометр с лазерным  считыванием высоты мениска (погрешность  считывания не более 10-3 мм, а  абсолютная суммарная погрешность  прибора, учитывающая в том  числе и влияние температуры,  не превышает 0,0005% от верхней  границы диапазона). Для поддиапазона 100 кПа-100 МПа применяются газовые  грузопоршневые манометры (точность 0,0035-0,004% от показаний). Газовые и  жидкостные грузопоршневые манометры  используются и как рабочие  эталоны для передачи единиц  давления промышленным образцовым  приборам (их точность 0,01-0,1%). 

  Таблица 1.1 - Таблица соответствия единиц давления

  

 
 
 
 
 
 

2.   Классификация средств  измерения давления

Для прямого  измерения давления жидкой или газообразной среды с отображением его значения непосредственно на шкале, табло  или индикаторе первичного измерительного прибора применяются манометры (ГОСТ 8.271-77). Если отображение значения давления на самом первичном приборе не производится, но он позволяет получать и дистанционно передавать соответствующий  измеряемому параметру сигнал, то такой прибор называют измерительным  преобразователем давления (ИПД), или  датчиком давления. Возможно объединение  этих двух свойств в одном приборе (манометр-датчик).