7. Измерение давления

7.1. Основные понятия

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 технологиче-

ских целях, например для контроля и прогнозирования безопасных и эф-

фективных гидравлических режимов напорных трубопроводов, исполь-

уемых на предприятии.

Давлением Р называют отношение абсолютной величины нормального, то есть действующего перпендикулярно к поверхности тела, вектора

силы F к площади S этой поверхности. При равномерном распределении

сил давление равно частному от деления нормальной составляющей силы

давления на площадь, на которую эта сила действует.

7.2. Виды измеряемых давлений

На практике давления газообразных и жидких сред могут измеряться

относительно двух различных уровней (рис. 28):

- уровня абсолютного вакуума, или абсолютного нуля давления -

идеализированного состояния среды в замкнутом пространстве, из которо-

го удалены все молекулы и атомы вещества среды;

- уровня атмосферного, или барометрического давления (ГОСТ 8.271-77).

Рис. 28. Виды измеряемых давлений

Давление, измеряемое относительно вакуума, называют давлением

абсолютным (Р_А). Барометрическое давление (Р_Б) - это абсолютное дав-

ление земной атмосферы. Оно зависит от конкретных условий измерения:

температуры воздуха и высоты над уровнем моря. Давление, которое

больше или меньше атмосферного, но измеряется относительно атмо-

сферного, называют соответственно избыточным (Р_И) или давлением раз-

режения, вакуумметрическим (Р_В). Очевидно, что Р_А=Р_Б+Р_И или

Р_А=Р_Б – Р_В. 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 дифферен-

циальным давлением (Р_Д).

7.3. Системные и внесистемные единицы измерения давления

Единицы измерения давления (СТ СЭВ 1052-89) определяются одним из двух способов:

1) через высоту столба жидкости, уравновешивающего 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;

2) через единицы силы и площади.

В Международной системе единиц (СИ), принятой в 1960 году, еди-

ницей силы является Н (ньютон), а единицей площади - м². Отсюда опре-

деляется 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, килограмм-сила, се-

кунда) сила измеряется в килограммах силы (1 кгс≈9,8 Н). Единицы давле-

ния в МГКСС - кгс/м² и кгс/см²; единица кгс/см² получила название техни

ческой, или метрической атмосферы (ат). В случае измерения в единицах

технической атмосферы избыточного давления используется обозначение

«ати».

В физической системе единиц СГС (сантиметр, грамм, секунда) еди-

ницей 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.

В англоязычных странах широко распространена единица давления

пси (psi=lbf/in²) - фунт силы на квадратный дюйм (1 фунт= 0,4536 кг).

Соотношения между различными единицами измерения давления приведены ниже.

1 Ньютон на квадратный метр (Н/м²,N/м²) = 1Па (Па*10³=1кПа, Па*10⁶=1МПа).

1 килограмм-сила на квадратный сантиметр (кгс/см², kgf/cm², ат, atm) = 98066,5 Па.

1миллиметр водяного столба (мм вод, ст., mm H₂O, mm WS) = 9,80665 Па.

1 миллиметр ртутного столба (мм рт. ст., mm Hg, torr) = 133,322 Па.

1 физическая атмосфера (физ. атм.) = 760 мм рт. ст. =101325 Па.

1 бар = 100000 Па.

1 psi (фунт (0,4536 кгс) на квадратный дюйм (6,452 см²)) = 6894,76 Па.

Материальным хранителем единиц давления являются первичные (национальные) и вторичные (рабочие) эталоны давления.

Для поддиапазона 1-100 кПа избыточных, абсолютных и разностных дав-

лений в качестве первичного эталона используется, как правило, ртутный

двухтрубный (U-образный) манометр с лазерным считыванием высоты ме-

ниска (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 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%).