14.2 Общие сведения по измерению давления

Основной единицей измерения давления являются паскаль (Па), а также

применяются ньютон на квадратный метр (Н/м²), техническая атмосфера (ат. или кг/см²), миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.) и физическая атмосфера (атм).

Соотношение между единицами измерения давления следующие:

1 Н/м² = 10,2·10^-6 кгс/см² (ат) = 0,102 кгс/м² = 7,5·10^-3 мм рт. ст. =

= 0,102 мм вод. ст.;

1 ат = 1 кгс/см² = 10⁴ кгс/м² = 9,80665·10⁴ Н/м² = 10 м вод. ст. =

= 10000 мм вод. ст. = 735,559 мм рт. ст. (при 0 ^оС)

Все измерения подразделяются на 4 вида: прямые, косвенные, совокупные и совместные.

При прямом измерении искомую величину находят непосредственно по результатам опыта у = х, т.е. цель и объект измерения совпадают. Здесь у - выходная величина СИ. Прямые измерения являются одним из основных видов измерений.

При косвенном измерении искомую величину находят на основе прямого измерения ряда параметров при известной функциональной связи между ними. Уравнение имеет вид

у = F₁·(х₁, х₂ …, х_n). (14.1)

Абсолютное измерение - это косвенное измерение, для осуществления которого используют прямое измерение массы, длины и времени.

При совокупном измерении происходит одновременное измерение одноимённых величин. В этом случае искомые величины определяются на основе решения системы уравнений, число которых должно быть равно или больше числа неизвестных величин.

Совместное измерение аналогично совокупному для неоднородных величин.

Основные уравнения связи при совокупном и совместном измерениях имеют вид:

F₁(y₁, … y_n , x₁⁽¹⁾, …, x_m⁽¹⁾) = 0;

F₂(y₁, … y_n , x₁⁽²⁾, …, x_m⁽²⁾) = 0; (14.2)

F_n(y₁, … y_n , x₁⁽ⁿ⁾, …, x_m⁽ⁿ⁾) = 0,

где y₁, … y_n - искомые величины;

x₁, x_m - параметры или величины, установленные на основе прямого или косвенного измерения;

F₁, F_n - известные функции связи.

При измерении давления используется прямой вид измерения.

Данное измерение относится к области измерения давления (атмосферного, избыточного, абсолютного).

Атмосферное давление - атмосферное давление окружающего нас воздуха р_атм (переменная величина);

Избыточное (манометрическое) - превышение давления внутри аппарата над атмосферным р_изб;

Абсолютное - действие давления внутри аппарата р_абс. Давление меньше барометрического (атмосферного) называется разрежением.

Понятие о физической величине - одно из наиболее общих в физике и метрологии. Согласно ГОСТ 16263 – 70 «Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Термины и определения», который в настоящее время отменён, и заменён РМГ 29 – 99, под физической величиной понимается свойство, общее в качественном отношении многом физическим объектам, но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта. В связи с этим можно выделить три группы физических величин, измерение которых осуществляется по принципиально различным правилам.

К первой группе отнесены величины, на множестве размеров которых определены лишь отношения типа «твёрже – мягче», «теплее – холоднее», «одинаково твёрдые - одинаково тёплые». В математике эти отношения получили названия отношений порядка и эквивалентности.

Вторая группа величин характеризуется тем, что отношения порядка и эквивалентности имеют место не только между их размерами, но и между различиями в парах размеров. На множестве размеров величин третьей группы определены, кроме вышеперечисленных, ещё и отношения, называемые операциями, подобные арифметическому сложению и вычитанию. Операция считается определённой, если её результат снова является размером той же физической величины, и существует способ её технической реализации.

Интересно отметить, что определения многих физических величин не являются неизменными, а постоянно уточняются. Уточнение определений происходит в направлении, позволяющем вскрыть всё большее число отношений на множестве их размеров и ввести их, таким образом, в число величин третьей или хотя бы второй группы, что позволяет значительно упростить аналитические выражения физических законов.

Так же величины можно разделить: основные и производные.

Если бы число уравнений равнялось числу связываемых ими величин, то все они могли бы быть определены не друг через друга, а в каких-то других терминах, понятных нам и без рассуждений. Но число уравнений в любом разделе науки всегда меньше числа входящих в них величин, поэтому принято выделять в отдельную группу некоторые виды величины, число К которых должно равняться разности между числом n величины и числом m независимых уравнений между ними. Эти величины и соответствующие им единицы называются основными величинами и основными единицами. Все остальные величины и единицы определяются однозначно через основные и называются производными.

Давление определяется через производные единицы механических величин - паскаль (Па), размерность которой равна: L^-1MT^-2, а также через единицы, временно допускаемые к применению - килограмм-сила на квадратный сантиметр (кгс/см² = 98065,5 Па), миллиметр водяного столба (мм вод. ст. = 9,80665 Па), миллиметр ртутного столба (мм рт. ст. = 133,322 Па), бар (бар = 10⁵ Па).

В данной работе, мы будем пользоваться единицами: килограмм-сила на квадратный сантиметр (кгс/см²), миллиметр ртутного столба (мм рт.ст.) и паскаля (Па).

Совокупность приёмов использования принципов и средств измерения представляет собой метод измерения. Существуют следующие методы измерения: непосредственной оценки, сравнения с мерой, дифференциальный, нулевой, замещения, совпадения.

При методе непосредственной оценки результат измерения определяется по отчётному устройству СИ. Этот метод наиболее широко распространён в измерительной технике, на нём основаны все стрелочные устройства, но он имеет наиболее низкую точность, так как в этих приборах применяются меры ограниченной точности.

При методе сравнения с мерой измеряемую величину время от времени или в каждом опыте сравнивают с мерой. Результат измерения оценивается по сравнивающему устройству.

При дифференциальном методе на вход средства измерения подаётся разностный сигнал между измеряемой величиной и мерой. Это точный метод. Он, как правило, используется в поверочных схемах и устройствах. Точность метода характеризует следующее. Если разность между измеряемой величиной и мерой составляет 0,1 % и используется СИ с погрешностью 1 %, то общая погрешность оказывается равной 0,001 %.

При нулевом методе разность между измеряемой величиной и мерой с помощью специального устройства доводят до нулевого значения по сравнивающему устройству.

При методе замещения измеряемая величина определяется путём замещения её известной мерой.

Метод совпадения применяется в тех случаях, когда измеряемая величина меньше цены деления заданной меры. При этом применяются две меры с разными ценами деления, которые отличаются на размер оцениваемого разряда отчётов.

В настоящее время существует ещё и классификация методов измерительных преобразований, основанная на концепции измерительных преобразований.

Метод прямого преобразования представляет собой метод непосредственной оценки, а метод уравновешивающего преобразования - нулевой метод при общепринятой классификации методов измерения.

Для выполнения лабораторной работы наиболее обосновательным методом является метод непосредственной оценки.

Как уже было сказано, для измерения давления, мы будем пользоваться манометром с пневматическим преобразователем (датчиком).