Измерение давления и единицы давления в машиностроении

1. Введение в измерение давления

Измерение давления играет важнейшую роль в современной промышленности, научных исследованиях и повседневных задачах. В промышленном производстве давление, как и температура, расход или уровень, является важнейшей технологической переменной, которую необходимо контролировать и регулировать. Точность измерения напрямую влияет на энергоэффективность, безопасность производства и общие экономические показатели.

Измерение давления пара

Например, для систем паротурбинных генераторов требуется пар высокой температуры и давления. Во время работы системы стабильность и эффективность работы обеспечиваются многочисленными приборами, измеряющими давление. В химической промышленности точный контроль давления определяет исход реакции. Например, в синтезе аммиака поддержание правильного давления обеспечивает протекание химической реакции с оптимальным выходом. Низкое давление приводит к низкой эффективности конверсии, а избыточное повышает риски безопасности.

В научных исследованиях и современных технологиях давление влияет на структурные и фазовые превращения материалов. Некоторые металлы можно очистить только при сверхнизком давлении для достижения высокой чистоты. Производство искусственных алмазов, с другой стороны, требует сверхвысоких давлений, достигающих гигапаскалей (ГПа). Даже в таких новых технологиях, как тонкоплёночные покрытия, вакуум и контроль давления имеют решающее значение.

Под высоким давлением физические свойства жидкостей, металлов и других материалов, такие как сжимаемость, вязкость, электропроводность и кристаллическая структура, демонстрируют поведение, отличное от свойств в стандартных атмосферных условиях. Поэтому развитие технологий измерения давления имеет решающее значение для понимания и управления этими изменениями.

В оборонной и аэрокосмической промышленности контроль давления не менее важен. Он применяется в таких областях, как испытания в аэродинамической трубе, картографирование давления на поверхности летательных аппаратов, управление топливными и смазочными системами, гидравлическими и пневматическими системами, управление реактивной тягой и измерение высоты. Во всех этих случаях точные приборы для измерения давления незаменимы.

2. Развитие и требования к технологии измерения давления

demand of pressure transmitters
Требования к датчикам давления

Благодаря стремительному развитию промышленного производства и научных исследований, потребность в измерении давления резко возросла. Современной промышленности требуются приборы, способные измерять как сверхвысокие, так и микродавления с исключительной точностью.

Диапазон измеряемых сверхвысоких давлений во всем мире в настоящее время достигает десятков миллионов паскалей.
В Китае были успешно измерены давления до 2,5×10 5 МПа .
В области вакуума и микродавления самое низкое измеряемое абсолютное давление в мире составляет 10 ⁻ ¹² Па , тогда как в Китае достигнуто 10 ⁻ ¹ ⁰ Па .

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

3. Основные понятия давления

3.1 Определение давления

В физике давление определяется силой, действующей на единицу площади поверхности. Математически это соотношение выражается следующим образом:

Где:

р = давление
F = приложенная сила
A = площадь поверхности

Когда приложенная сила распределена неравномерно, давление можно определить как:

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

4. Распространенные виды давления

4.1 Атмосферное давление

Атмосферное давление ( p₀ ) — это сила, создаваемая весом воздуха над поверхностью Земли. Оно меняется 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, то есть:

4.4 Вакуум (отрицательное давление)

Отрицательное давление

Когда абсолютное давление ниже атмосферного, разница называется вакуумметрическим давлением ( pₕ ) и выражается как:

4,5 степени вакуума

Степень вакуума показывает, насколько абсолютное давление ниже атмосферного. В большинстве промышленных применений приборы предназначены для прямого измерения либо избыточного давления, либо вакуумметрического давления.

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

Рисунок 1-1 : Соотношения между абсолютным давлением, атмосферным давлением, избыточным давлением и вакуумметрическим давлением.

Рисунок 1

5. Единицы измерения давления и их преобразование

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

Несмотря на повсеместное принятие Паскаля, в различных секторах по-прежнему используются несколько традиционных и отраслевых единиц. Наиболее распространённые из них:

5.1 Инженерная атмосфера

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

5.2 Стандартная атмосфера

Давление, создаваемое 760 мм ртутного столба при температуре 0 °C и стандартной силе тяжести (9,80665 м/с²). Обычно обозначается как атм .

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

Давление, оказываемое 1 мм ртутного столба при стандартных условиях.

5,4 миллиметра водяного столба (ммH ₂ O)

Давление, создаваемое 1 мм водяного столба при 4°С.

5.5 Другие общепринятые единицы

Дополнительные единицы измерения давления включают бар , метр водяного столба (мH ₂ O) и фунт на квадратный дюйм (psi или lbf/in²) .

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

6. Резюме

Измерение давления лежит в основе 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 широких диапазонов измерений, развитие приборов для измерения давления будет и дальше стимулировать прогресс как в промышленности, так и в научных исследованиях.

Таблица 1-1 Коэффициенты перевода единиц давления

Unit Name	Symbol	Pa	bar	mmH₂O	mmHg	atm	kgf/cm²	lbf/in² (psi)	torr
Pascal	Pa	1	1.0×10⁻⁵	1.01972×10⁻⁴	7.50062×10⁻³	9.86923×10⁻⁶	1.01972×10⁻⁵	1.4504×10⁻⁴	7.50062×10⁻³
bar	bar	1.0×10⁵	1	1.01972×10³	7.50062×10²	9.86923×10⁻¹	1.01972×10	14.504	750.062
mmH₂O	mmH₂O	9.80665	9.80665×10⁻⁴	1	7.355×10⁻²	9.678×10⁻⁵	1.0197×10⁻³	1.4223×10⁻²	7.355×10⁻²
mmHg	mmHg	1.33322×10²	1.33322×10⁻³	13.5951	1	1.316×10⁻³	1.3595×10⁻²	1.959×10⁻¹	1
Standard atmosphere	atm	1.01325×10⁵	1.01325	1.0332×10³	7.6×10²	1	1.0332×10	14.696	760
Technical atmosphere	kgf/cm²	9.80665×10⁴	9.80665	9.678×10²	7.355×10¹	9.677×10⁻²	1	14.223	735.6
Pound-force per square inch	lbf/in²	6.89476×10³	6.89476×10⁻¹	7.0306×10¹	5.1713	6.8046×10⁻²	7.0306×10⁻²	1	51.715
torr	torr	133.322	1.33322×10⁻³	13.5951	1	1.316×10⁻³	1.3595×10⁻²	1.93386×10⁻²	1