Давление, его виды и единицы измерения
Давление Р- отношение абсолютной величины нормального, т.е. действующего перпендикулярно к поверхности тела, вектора силы Fк площади Sэтой поверхности:
P=F/S (5.11)
Если сила равномерно распределена по плошади, 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 приращения силы ∆F, приложенной на бесконечно малом участке поверхности, к его площади ∆S). 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 характеристикой, т.е. силой отнесенной к единице площади.
Давление - одна из важнейших ФВ, 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.
На практике давления газообразных и жидких сред могут измеряться относительно 2-х уровней (рис.5.10) (ГОСТ 8.271-77).:
1) абсолютного вакуума - идеализированного состояния среды в замкнутом пространстве, из которого удалены все молекулы и атомы вещества среды (абсолютное давление (ДА),
2)атмосферного (барометрическое давление) (ДБ) - зависит от конкретных условий измерения: температуры воздуха и высоты нал уровнем моря.
Барометрическое давление, которое больше или меньше атмосферного, но измеряется относительно атмосферного, называют соответственно избыточным (ДИ) или давлением разрежения (вакуумметрическим) (ДВ). Разность давлений где ни одно не является атмосферным называют дифференциальным давлением (ДД).
Условные обозначения: Р – давление, ДБ - давление барометрическое, ДА -давление абсолютное, ДИ - давление избыточное, ДВ - давление вакуумметрическое, ДД - давление дифференциальное.
Рис.5.10. Виды измеряемых давлений в точках 1, 2, 3 физического процесса
Системные и внесистемные единицы измерения давления
В системе СИ (1960г), 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=10 6Па).
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, секунда) сила измеряется в килограммах силы (1 кгс=9,8Н), единицы давления - кгс/м2 и кгс/см2. Единица 1кгс/см2 получила название технической (ати), или метрической (ат) атмосферы.
В физической системе единиц СГС (сантиметр, грамм, секунда) единица силы - дина (1 дин -10-3 Н), единица давления - бар (1 бар= 1 дин/см2). Существует одноименная внесистемная, метеорологическая единица бар или стандартная атмосфера (1бар=106 дин/см2; 1 мбар = 10-3 бар), что иногда, вне контекста, вызывает путаницу.
Кроме указанных единиц на практике используется такая внесистемная единица, как физическая, или нормальная атмосфера (атм), эквивалентная уравновешивающему столбу 760мм рт.ст.
В англоязычных странах широко распространена единица давления пси (psi=1bf/in2) - фунт силы / квадратный дюйм (1 фунт = 0,4536 кг). При измерении абсолютного и избыточного давления используются соответственно обозначения psia (absolute - абсолютный) и psig (gage - избыточный).
В табл.5.1 указаны коэф-ты перевода одних системных или внесистемных единиц давления в другие: например, одной тех. атмосфере соответствует давление 0,980665 бар (здесь бар является внесистемной единицей).
Таблица соответствия единиц давления
Таблица 5.1.
| Системы единиц | Единицы давления | Па(Pa) | Krc/cM2(at) | бар (bar) | атм (atm) | км рт.ст.(mm Hg) | MMKflcr.fnmHjO) | пси (psi) |
| СИ (SI) | 1ПА=1Н/м2 | 1,01972*10-5 | 10-5 | 0,98692*10-5 | 750,06*10-5 | 0,101972 | 1,45*10-4 | |
| мкгсс | 1 ат=1кгс/см2 | 0,980665*105 | 0,980665 | 0,96784 | 735,563 | 104 | 14,223 | |
| Внесистемные | 1бар=106дин/см2 | 105 | 1,01972 | 0,98692 | 750,06 | 1,01972x104 | 14,5 | |
| 1 атм=760 мм.рт.ст. | 1,01325x105 | 1,0332 | 1,01325 | 1,0332*104 | 14,696 | |||
| 1 им рт. ст. | 133,322 | 1,35951*10-3 | 1,33322*10-3 | 1,31579*10-3 | 13,5951 | 0,019337 | ||
| 1 мм вод. ст | 9,80665 | 10-4 | 9,80665*10-5 | 9,67841*10-5 | 7,3556*10-2 | 1,422*10-3 | ||
| 1 psi=1lbf/in2 | 6,894*103 | ≈0,07 | 6,894*10-2 | 0,068 | 51,715 | 703,08 |
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, 98х103 мбар = 0,98 бар =
= 104 мм вод.ст. = 10 м вод.ст = 735 мм рт.ст. = 0,98х105 Па = 98кПа=0,098МПа
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.
Материальным хранителем единиц давления являются первичные (национальные) и вторичные (рабочие) эталоны давления.