 |
Единицы измерения давления
|
|
|
|
Датчики давления
Общие понятия о давлении
Понятие давления первоначально основывалось на работе Евангелиста Торричелли, который некоторое время был учеником Галилея. Поставив в 1643 году эксперимент с блюдцами, заполненными ртутью, он сделал вывод, что атмосфера оказывает давление на Землю. Другой великий физик Блэйз Паскаль в 1647 году вместе со своим зятем Перье провели еще один опыт: они измеряли высоту ртутного столба у подножия и на вершине горы Puy de Dome. При этом они обнаружили, что давление, действующее на столбик ртути зависит от высоты подъема. Свой прибор, который они использовали в этом эксперименте, Паскаль назвал барометром. В 1660 году Роберт Бойль сформулировал закон: ”Для заданной массы воздуха при известной температуре произведение давления на объем является постоянной величиной”. В 1738 году Даниэль Бернулли разработал теорию динамического давления газов, из которой аналитическим способом можно вывести закон Бойля. По сути Бернулли опередил закон Шарля-Гей-Люссака, сформулировав следующее утверждение: ”При нагреве газа в постоянном объеме его давление увеличивается”.
В общем виде, все материалы можно разделить на твердые тела и жидкие среды. Под термином жидкая среда здесь понимается все, что способно течь. Это могут быть как жидкости, так и газы, поскольку между ними не существует серьезных различий. При изменении давления жидкости превращаются в газы и наоборот. К жидким средам невозможно приложить давление ни в каком другом направлении, кроме перпендикулярного к поверхности. При любом угле кроме 90 жидкость просто будет соскальзывать или стекать. Для жидкой среды в стационарных условиях давление можно выразить через отношение силы F, действующей перпендикулярно поверхности к площади этой поверхности А [2]:
|
|
|
P=dF\dA (5.1)
Давление имеет механическую природу, и поэтому для его описания можно использовать основные физические величины: массу, длину и время. Хорошо известен факт, что давление сильно меняется вдоль вертикальной оси, тогда как на одинаковой высоте оно постоянно во всех направлениях. При увеличении высоте давление падает, что можно выразить следующим соотношением:
dp=-wdh,
где w- удельный вес среды, dh- изменение высоты, а dp- соответствующее ему изменение давления
Давление жидкой среды в замкнутом объеме не зависит от формы сосуда, поэтому при разработке датчиков давления такие параметры как форма и размеры часто бывают несущественными. Еще на одну из сторон сосуда с жидкостью или газом действует внешнее давление, оно передается по всему объему без уменьшения его значения.
Кинетическая теория газов утверждает, что давление является мерой полной кинетической энергии молекул:
P=2KEpC2\9V=NRT (5.3)
где KE- кинетическая энергия, V-объем, C2- среднее значение квадрата скоростей молекул, p- плотность, N- число молекул в единице объема, R- универсальная газовая постоянная, T- абсолютная температура.
В уравнении (5.3) предполагается, что давление и плотность газов связаны линейной зависимостью, т.е. увеличение давления приводит к пропорциональному росту плотности. Например, при температуре 0 и давлении 1 атм плотность воздуха составляет 1,3кг\м3, в то время как при той же температуре, но давлении 50 атм- его плотность в 50 раз больше. В отличие от газов плотность жидкостей мало меняется в широком диапазоне давлений и температур. Например, для воды при температуре 0 и давлении 1 атм плотность составляет 1000 кг\м3, в то время как при той же температуре и давлении 50 атм – плотность равна 1002 кг\м3, а при температуре 100 С и давлении 1 атм- плотность равна 958 кг\м3.
|
|
|
Избыточное давление - это давление газа, превышающее давление окружающей среды. В противоположном случае – речь идет о вакууме. Давление называется относительным, когда его измеряют относительно давления окружающей среды, и абсолютным – когда оно измеряется по отношению к нулевому давлению. Давление среды может быть стационарным, когда жидкая среда находится в покое, или динамическим, когда оно относится к жидкостям в движении.
Единицы измерения давления
В системе СИ единицей измерения давления является паскаль: 1Па=1Н\м2. Это значит, давление, что давление 1 паскаль равно силе, равномерно распределенной по поверхности площадью 1 квадратный метр. Иногда в качестве технической единицы измерения давления применяется единица, называемая атмосфера, обозначаемая 1атм. Одна атмосфера это давление, которое оказывает столб воды высотой один метр на плорщадку один квадратный сантиметр при температуре +4 С и нормальном гравитационном ускорении. Между единицами давления существует следующая взаимосвязь:
1Па=1,45x 10-4 фунт – сила/ дюйм2 =9,869x10-6атм=7,5 x10-4cм ртутного столба.
Для грубых оценок можно заполнить еще одно соотношение: 0,1мм H2O создает давление, приблизительно равное 1Па. В промышленности применяется другая единица давления, называемая торр (это название дано в честь физика Торричелли), которая определяется как давление, создаваемое столбиком ртути высотой 1 мм при 0 С, нормальном атмосферном давлении и нормальной гравитации. Идеальное давление атмосферы Земли, равное 760 торр, называется технической атмосферой (1атм= 760 торр=101,325 Па).
В системе единиц США давление измеряется в фунтах-силы на квадратный дюйм. Эта единица там обозначается как psi. Для перевода psi в единицы системы СИ можно воспользоваться соотношением:
1 psi= 6,89x103 Па=0,0703 атм.
Принцип действия любого датчика давления заключается в преобразовании давления, испытываемого чувствительным элементом, в электрический сигнал. В конструкцию практически всех преобразователей давления входят сенсоры, обладающие известной площадью поверхности, чья деформация или перемещение, возникающие вследствие действия давления, и определяются в процессе измерений. Т.о, многие датчики давления реализуются на основе детекторов перемещения или силы, причиной возникновения которой является такое же перемещение.
|
|
|
Ртутные датчики давления
На рис. 5.1 показан простой датчик давления, использующий принцип сообщающихся сосудов. Чаще всего такие датчики применяются для измерения давления газов. U-образный провод с точкой заземления в центре помещается в U- образную трубку с ртутью. Часть этого провода оказывается закороченной ртутью, в результате чего сопротивление в обоих ветвях провода всегда будет пропорционально высоте столбиков ртути. Полученные резисторы включены в схему моста Уинстона, который находится в уравновешенном состоянии пока равно нулю дифференциальное давление в трубке.
 |
Давление, приложенное к одному из концов в трубке (например, левой), приводит к разбалансировке мостовой схемы и появлению на ее выходе ненулевого сигнала. Чем выше давление в левой части трубки, тем больше сопротивление соответствующего плеча и тем меньше сопротивление противоположного. Выходное напряжение пропорционально разности сопротивлений R в 2 плечах моста, незакороченных ртутью участков провода:
Vout=VR=Vbp
Такой датчик обычно калибруется напрямую в торрах. К сожалению, простота является практически единственным его достоинством, потому что он обладает целым рядом существенных недостатков: необходимостью прецизионного выравнивания, плохой помехозащищенностью от ударов и вибраций, большими габаритами и загрязнением газа ртутными парами. Отметим, что такой датчик может использоваться и в качестве детектора наклона, поскольку нулевой сигнал на его выходе при отсутствии внешнего давления на одно из плечей трубки свидетельствует о строго горизонтальном его расположении.
|
|
|
