6.4. Методы измерения давления

Измерение давления необходимо практически в любой области науки и техники как при изучении происходящих в природе физиче­ских процессов, так и для нормального функционирования техниче­ских устройств и технологических процессов, создаваемых челове­ком. Давление характеризует напряженное состояние физических тел (твердое тело, жидкость, газ) в условиях всестороннего сжатия и определяется частным от деления силы, нормальной к поверхности, на площадь этой поверхности:

(6.3)

где Р – давление; F – нормальная сила, действующая на по­верхность; S – площадь поверхности.

Понятие давления как физической величины во всех его проявлениях одинаково. Однако многие технологические процессы и работа технических средств определяются не самим давлением, а его изменением относительно другого (начального) значения давления. Такой вид давления называется относительным. Например, именно разность относительного давления в трубопроводе определяет движение газа, нефти, жидкости. Абсолютное давление – давление, значение которого при измерении отсчитывается от давления, равного нулю. Пример: абсолютное давление воздушной оболочки Земли на ее поверхность называется атмосферным давлением.

Следует выделить понятия «разность давлений» и «избыточное давление»: разность давлений – разность двух произвольных давлений, значение одного из которых принято за начало отсчета; избыточное давление – разность давлений, одно из которых, принятое за начало отсчета, является абсолютным давлением окружающей среды; парциальное давление – абсолютное давление одного из компонентов газовой смеси. Под этим понимается абсолютное давление одного компонента газа, которое определяется при условии, что газ займет весь объем; вакуум – состояние среды, абсолютное давление которой существенно меньше атмосферного.

С учетом специфики каждого из видов давления применяются специальные средства измерения – манометры и измерительные преобразователи давления. Манометр – измерительный прибор или измерительная установка для измерения давления или давлений с непосредственным отсчетом их значений. Дифференциальный манометр – прибор для измерения разности двух давлений, каждое из которых отличается от атмосферного давления. Международным комитетом по метрологии в качестве единицы давления принят паскаль (Па). По определению единица давления «паскаль» является отношением единицы силы к единице площади.

Размер единицы давления «паскаль» очень мал, для образного представления – это давление, вызываемое столбом воды высотой 0,1 мм.

6.4.1. Методы и средства измерения давления

Давлением называют силу, действующую на единицу площади поверхности, поэтому давление может быть определено непосредственно измерением силы, действующей на данную поверхность. На этом методе основаны грузопоршневые манометры, в которых сила, действующая на поршень с известной площадью, уравновешивается гирями.

Модификацией такого манометра являются жидкостные мано­метры, в которых измеряемое давление определяется по высоте и удельному весу столба жидкости. Исторически жидкостные манометры появилась раньше. Леонардо да Винчи (1452 – 1519 гг.) использовал пьезометрическую трубку для измерения давления воды в исследовании ее движения, однако изобретателем жидкостного манометра считают Торричелли и Вивиани (1643 г.). Давление в такой трубке вычислялось по формуле:

(6.4)

где Н – высота столба жидкости, м; g – ускорение свободного падения, _; – плотность жидкости,

Метрологическим достоинством указанных методов является способ воспроизведения физической величины с использованием трех основных единиц СИ – длины, массы и времени. Отсюда следует, что методы определения давления по указанным величинам являются фундаментальными и применяются для воспроизведения единицы давления эталонами грузопоршневого и жидкостного типов. Жидкостные и грузопоршневые манометры не требуют калибровки по эталонным измерителям, так как их показания могут быть определены путем измерения линейного размера и массы, и более того, они сами могут служить для аттестации образцовых средств измерения.

Средства измерения (измерительные преобразователи) давления по принципу действия чувствительного элемента можно разделить на группы:

1. средства измерения, принцип действия которых основан на прямых абсолютных методах: поршневые манометры, манометры с нецилиндрическим неуплотненным поршнем, колокольные, кольцевые и жидкостные;

2. средства измерения, использующие относительные методы: деформационные манометры и измерительные преобразователи, манометры других типов, принцип действия которых основан на изменении физических свойств чувствительного элемента под действием давления;

3. средства измерения, принцип действия которых основан на методах косвенных измерений: установки и приборы для определения давления по результатам измерения параметров физических свойств измеряемой среды