Измерение давления и единицы давления в машиностроении

1. Введение в измерение давления

Измерение давленияДавление играет жизненно важную роль в современной промышленности, научных исследованиях и повседневном применении. В промышленном производстве давление, как и температура, расход или уровень, является важной переменной процесса, которую необходимо контролировать и регулировать. Точность его измерения напрямую влияет на энергоэффективность, безопасность производства и общие экономические показатели.

Измерение давления пара
 

Например, паротурбинные генераторные системы требуют пара высокой температуры и высокого давления. Во время работы многочисленные приборы контроля давления обеспечивают стабильность и эффективность системы. В химической промышленности точный контроль давления определяет результаты реакции. Например, при синтезе аммиака поддержание правильного давления обеспечивает протекание химической реакции с оптимальным выходом. Низкое давление приводит к низкой эффективности превращения, а избыточное давление увеличивает риски для безопасности.

В научных исследованиях и современных технологиях давление влияет на структурные или фазовые превращения материалов. Некоторые металлы можно очистить только в условиях сверхнизкого давления для достижения высокой чистоты. Производство искусственных алмазов, с другой стороны, требует сверхвысокого давления, достигающего диапазона гигапаскалей (ГПа). Даже в таких новых технологиях, как тонкопленочные покрытия, контроль вакуума и давления имеет решающее значение.

Под высоким давлением физические свойства жидкостей, металлов и других материалов — такие как сжимаемость, вязкость, электропроводность и кристаллическая структура — проявляют поведение, отличающееся от поведения в стандартных атмосферных условиях. Поэтому достижения в технологии измерения давления имеют решающее значение для понимания и управления этими изменениями.

В оборонной и аэрокосмической промышленности контроль давления имеет столь же важное значение. Области применения включают испытания в аэродинамических трубах, картирование поверхностного давления самолетов, управление топливными и смазочными системами, гидравлические и пневматические системы, управление реактивной тягой и измерение высоты. Во всех этих случаях точные приборы для измерения давления незаменимы.

2. Разработка и требования к технологии измерения давления

Требование Датчики давления

В связи с быстрым развитием промышленного производства и научных исследований спрос на приборы для измерения давления значительно возрос. Современным отраслям промышленности требуются приборы, способные с исключительной точностью измерять как сверхвысокое, так и микродавление .

• В настоящее время измеримый диапазон сверхвысокого давления в глобальном масштабе достигает десятков миллионов паскалей.
• В Китае были успешно измерены давления, достигающие 2,5×10⁵ МПа .
• В области вакуума и микродавления наименьшее измеримое абсолютное давление в мире составляет 10⁻¹² Па , в то время как Китай достиг показателя в 10⁻¹⁰ Па .

Измерение давления охватывает широкий спектр применений: газы и жидкости, статическое и динамическое давление, чистые и вязкие среды, а также токсичные или смазанные жидкости. Инженеры также должны обеспечивать точную передачу значений давления от эталонных образцов к рабочим приборам, одновременно разрабатывая новые методы и оборудование для удовлетворения новых требований.

3. Основные понятия давления

3.1 Определение давления

В физике давление — это сила, действующая на единицу площади поверхности. Математически это соотношение выражается следующим образом:

Где:

• p = давление
• F = приложенная сила
• А = площадь поверхности

Когда приложенная сила распределена неравномерно, давление можно определить следующим образом:

В инженерной практике давление часто выражается несколькими различными способами в зависимости от условий и методов измерения.

4. Распространенные типы давления

4.1 Атмосферное давление

Атмосферное давление ( p₀ ) — это сила, создаваемая весом воздуха над поверхностью Земли. Оно изменяется в зависимости от высоты, широты, температуры и погодных условий.

4.2 Абсолютное давление

Абсолютное давление ( pₐ ) представляет собой общее давление, оказываемое жидкостью, газом или паром в определенной точке, включая атмосферное давление.

4.3 Манометрическое давление

Манометрическое давление ( p ) — это давление, измеренное относительно атмосферного давления, т.е.:

4.4 Вакуум (отрицательное давление)

Отрицательное давление

Когда абсолютное давление ниже атмосферного, разница называется вакуумным давлением ( pₕ ) и выражается следующим образом:

4,5 градуса вакуума

Степень вакуума показывает, насколько ниже абсолютное давление по сравнению с атмосферным. В большинстве промышленных применений приборы предназначены для непосредственного измерения либо избыточного давления, либо вакуумного давления.

Взаимосвязь между различными типами давления концептуально проиллюстрирована на рисунке 1-1.

Рисунок 1-1 : Взаимосвязь между абсолютным давлением, атмосферным давлением, избыточным давлением и вакуумным давлением.

5. Единицы измерения давления и пересчет.

Из определения давления ясно, что давление — это производная величина, выраженная как сила на единицу площади .
Согласно международным стандартам (СИ), основной единицей измерения давления является паскаль (Па) , определяемый следующим образом:

Несмотря на повсеместное распространение Pascal, в различных отраслях по-прежнему используются некоторые традиционные и отраслевые модули. К наиболее распространенным из них относятся:

5.1 Инженерная атмосфера

Определяется как давление, создаваемое силой в 1 килограмм, действующей на 1 см² , и обозначается как кгс/см².

5.2 Стандартная атмосфера

Представляет собой давление, создаваемое столбиком ртути толщиной 760 мм рт. ст. при 0°C и стандартной плотности (9,80665 м/с²). Обычно обозначается аббревиатурой атм .

5,3 миллиметра ртутного столба (мм рт. ст.)

Давление, создаваемое столбиком ртути толщиной 1 мм в стандартных условиях.

5,4 миллиметра водяного столба (мм вод. ст.)

Давление, создаваемое столбом воды толщиной 1 мм при температуре 4°C.

5.5 Другие распространенные единицы измерения

Дополнительные единицы измерения давления включают бар , метр водяного столба (м вод. ст.) и фунт на квадратный дюйм (psi или lbf/in²) .

Для удобства пересчета в таблице 1-1 приведены коэффициенты пересчета между различными единицами измерения давления.

6. Резюме

Измерение давленияОн составляет основу промышленной автоматизации, научных экспериментов и современной инженерии. Понимание различных типов давления , единиц измерения и принципов преобразования обеспечивает точность, безопасность и эффективность во всех технических дисциплинах. Поскольку новые технологии требуют более высокой точности и более широкого диапазона измерений, достижения в области приборов для измерения давления будут и дальше стимулировать прогресс как в промышленности, так и в научных исследованиях.

Таблица 1-1. Коэффициенты пересчета единиц давления.