Что такое давление?
Давление (P) определяется как количество силы (F), приложенной к площади (A), или P = F/A. Но откуда берется сила? Представьте себе множество крошечных частиц, движущихся в жидкости или газе, отскакивающих друг от друга и от контейнера, в котором они находятся. Сила возникает из их массы (m), умноженной на ускорение (a) этих частиц, когда они ударяются о стенку контейнера (F = ma).
Обычно мы говорим о давлении газа или жидкости в контейнере, но давление также существует в замкнутой системе нашей атмосферы и океанов — наибольшее давление наблюдается на дне океана и уменьшается до нуля по мере выхода из атмосферы Земли. Как сказал Эванджелиста Торричелли: «Мы живем, погруженные на дне океана элемента воздух.»
Содержание этой страницы должно ответить на ваши вопросы о давлении, различных его типах и других связанных терминах.
Типы давления: видеообъяснение
В бизнесе калибровки давления мы часто получаем вопрос: «В чем разница между манометрическим давлением и абсолютным давлением?» Ответ прост и сводится к тому, к чему относится давление. По сути, все давление измеряется как разница между опорным давлением и измеренным давлением. Для манометрического давления опорное значение — это атмосферное давление; для абсолютного давления опорное значение — это абсолютный ноль давления или отсутствие давления.
Следующее видео предлагает графическое представление различий между манометрическим и абсолютным давлением, а также барометрическим, двунаправленным и вакуумным давлением.
Абсолютное давление
Абсолютное давление ноль-ссылается на идеальный вакуум. Оно используется для измерения давления относительно абсолютного нуля. Атмосферное барометрическое давление на Земле измеряется как абсолютное давление. Это разница между нулевым давлением внешнего пространства и давлением, создаваемым атмосферными газами, которые покрывают Землю и удерживаются там силой тяжести.
Когда в пространстве ничего нет, нет ничего, что могло бы создавать давление. Это базовый уровень, используемый для сравнения в измерении абсолютного давления. Это означает, что самое низкое значение, которое может достигнуть прибор абсолютного давления, — это ноль; абсолютное давление не может быть отрицательным. Тем не менее, достичь нуля абсолютного давления практически невозможно. Это и другие сложности, связанные с обнулением абсолютных датчиков, объясняются в документе:
«Все, что вы хотели знать о настройке нуля на абсолютном датчике давления, но боялись спросить.»
Манометрическое давление
Манометрическое давление ссылается на атмосферное давление. Оно используется, когда важно знать, насколько давление отличается от атмосферного. Например, сосуд, содержащий сжатый газ, подвергается силе на внутренних стенках сосуда. Внешние стенки сосуда также испытывают силу от атмосферного давления.
Разница между этими давлениями должна оставаться ниже предельного давления сосуда, иначе сосуд может взорваться. Эта разница называется манометрическим давлением. Когда порт давления датчика манометра и опорный порт открыты к атмосферному давлению, показание должно быть нулевым.
Измерение и калибровка низкого манометрического давления могут быть сложными. Как лидер в области приборов для низкого давления на протяжении многих лет, Mensor разработал специальные методы для характеристики и калибровки манометрических приборов с полными диапазонами ниже 5 psi. Белый документ «Измерения низкого давления» описывает эти методы и ограничения.
Дифференциальное давление
По соглашению, то, что мы называем дифференциальным давлением, похоже на манометрическое давление тем, что также имеет две стороны — низкую и высокую. Однако низкая сторона (иногда называемая линейным давлением) не всегда является атмосферным давлением. Низкая сторона может быть атмосферной или любым другим давлением, ограниченным рейтингом давления датчика. Высокая сторона может быть выше низкой стороны, что приводит к положительному дифференциалу, или ниже низкой стороны, что приводит к отрицательному дифференциалу. Это усложняется тем, что может быть смещение при различных линейных давлениях. Этот тип датчика иногда используется для измерения потока через ограничение в трубе; дифференциальное давление через ограничение пропорционально потоку.
Другим хорошим примером этого типа датчика является датчик Qc в тестовом наборе воздухозаборников CPA8001 от Mensor, который измеряет скорость воздушного потока самолета. Mensor разработал способ увеличить точность этого типа датчика, чтобы компенсировать различные линейные давления.
Вакуумное давление
Вакуумное давление может означать разные вещи для разных людей. Мы определяем вакуумное давление как податмосферное давление, которое измеряется относительно атмосферного давления. Оно выражается как положительное число. Утверждение «29 дюймов ртутного вакуума» означает, что описываемое давление составляет 29 дюймов ртути (Hg) ниже атмосферного давления. Это эквивалентно -29 дюймам ртутного манометрического давления. Термин «вакуум» в этом контексте является распространенным способом описания этих податмосферных давлений, особенно в отраслях HVAC и автомобилестроении.
Другие могут назвать вакуумное давление любым давлением — либо абсолютным, либо манометрическим — которое меньше атмосферного давления.
Двунаправленное давление
Как и манометрическое давление, двунаправленное давление ноль-ссылается на атмосферное давление. Однако двунаправленное давление простирается как выше, так и ниже атмосферного давления. Указание давления ниже атмосферного обозначается отрицательным (-) знаком, а давление выше — положительным (+) знаком, или знак опускается. Двунаправленный диапазон может быть симметричным (величина отрицательной части равна положительной) или несимметричным (отрицательные и положительные части не равны по величине). Симметричные диапазоны, такие как -15 до +15, иногда записываются как +/-15, а несимметричные диапазоны показывают отрицательную и положительную часть, такие как -15…100. Хорошим примером применения здесь является мониторинг помещений в больницах или на атомных электростанциях, где желательно иметь помещение либо с более низким, либо с более высоким давлением, чем снаружи.
Двунаправленный трансдюсер на самом деле является просто манометрическим трансдюсером, который был откалиброван и имеет диапазон, включающий отрицательный компонент ниже атмосферного давления. Как и в случае с манометрическим давлением, калибровка диапазонов давления ниже 5 psig требует особого внимания.
Единицы давления
Давление измеряется в любой единице силы, деленной на любую единицу площади. Единицей давления в системе СИ является Паскаль (Па), что эквивалентно одному Ньютону на квадратный метр (N/m2). Это также может быть выражено как килограммы-сила на квадратный сантиметр (кг/см2). Однако Паскаль часто не является самой удобной единицей для представления давления. Типичными метрическими и имперскими единицами давления, широко используемыми, являются бар и фунты на квадратный дюйм (psi), соответственно.
- 1 бар = 10,000 Па = 14.503 psi
- 1 psi = 6,894.76 Па = 0.0689 бар
Давление также может быть выражено как значение относительно атмосферного давления на уровне моря, представленное единицей «атм», или в значении относительно нулевого давления/вакуума, представленном единицей «Торр». Одно Торр давления точно равно 1/760 стандартного атмосферного давления.
- 1 атм = 101325 Па = 1.01325 бар = 14.6959 psi
- 1 Торр = 133.32 Па = 1.3332 мбар = 0.01933 psi
В повседневных приложениях давление обычно выражается как глубина определенной жидкости из-за ее способности смещать столбик жидкости в манометре при определенных условиях. Условия, которые наиболее сильно изменяют это давление, — это температура и ее влияние на плотность жидкости. Наиболее распространенными единицами являются дюймы воды, сантиметры воды, миллиметры ртутного столба и дюймы ртутного столба (Hg).
- 1 мм рт. ст. = 1 Торр = 133.32 Па = 0.01933 psi
- 1 дюйм H2O (@60 °F) = 248.84 Па = 0.036 psi
Среда давления
Среда давления — это жидкость, на которую оказывается давление в приложении. Жидкость может быть либо пневматической, либо гидравлической. Пневматическая среда представляет собой сжимаемую жидкость из-за газа под давлением, в то время как гидравлическая среда — это относительно несжимаемая жидкость из-за жидкости или масла под давлением.
Пневматическая среда используется в приложениях с низким и средним давлением и обычно состоит из сухого воздуха, азота или других некоррозионных газов. Применения, требующие безопасной, свободной от загрязнений и переносимой работы, используют пневматическую среду давления.
Гидравлическая среда используется для приложений с высоким давлением из-за их способности генерировать большую силу с меньшим изменением площади. Вода, наряду с различными маслами в зависимости от приложения, может использоваться в качестве гидравлической жидкости давления. Загрязнение и очистка всегда представляют собой риск при использовании гидравлической среды. Тем не менее, приложения, требующие стабильного высокого давления с уменьшенным температурным воздействием на давление системы, используют гидравлическую среду. Типичными жидкостями, используемыми в оборудовании для калибровки высокого давления, являются вода и себакатное масло.
Высота и скорость воздушного потока
Абсолютные датчики давления с диапазоном, соответствующим атмосферному давлению (статическому давлению) на любой высоте, используются в тестовом наборе воздухозаборников CPA8001 и индикаторе воздухозаборников CPA2501 от Mensor. Выход этих датчиков давления преобразуется в высоту с использованием формулы, основанной на стандартной атмосфере США 1962 года. «Стандартная атмосфера» предполагает известные взаимосвязи между давлением, температурой и атмосферной плотностью. Давление имеет нелинейную, обратно пропорциональную связь с высотой. По мере повышения высоты давление снижается.
Дифференциальные датчики давления с диапазоном, соответствующим ожидаемой скорости воздушного потока, также используются в CPA8001 и CPA2501. Выход этих датчиков преобразуется в скорость воздушного потока (движение самолета через окружающую воздушную массу). Низкая сторона датчика соединена со статическим давлением (атмосферное давление на высоте), а высокая сторона соединена с ударным давлением воздушной массы.
Следующее уравнение определяет взаимосвязь между статическим давлением, ударным давлением и полным давлением:
Qc = Pt — Ps
Где:
- Qc = Ударное давление
- Pt = Полное давление
- Ps = Статическое давление
Диаграмма ниже показывает конфигурацию трубки Пито и давление, создаваемое на дифференциальном датчике. Полное давление включает эффект существующего атмосферного давления (статическое давление) и ударного давления. Дифференциальный датчик в трубке Пито измеряет разницу между Pt и Ps, давая ударное давление Qc, используя приведенное выше уравнение.
Высокое и низкое давление
Термины высокое давление и низкое давление могут быть неопределенными и вводящими в заблуждение. Хотя продукт может считаться высоким давлением в одной отрасли, он может на самом деле считаться стандартным или низким давлением в другой. Так как они обычно классифицируются?
Высокое давление
В большинстве случаев, если прибор помечен как высокое давление, его диапазон, скорее всего, составляет более 6,000 до 10,000 psi. Хотя не редкость, когда продукты имеют такой высокий диапазон, это значительное количество давления, которое не все приборы могут выдержать. Пневматические системы при таких высоких давлениях хранят большое количество энергии в сжатом газе. Если произойдет утечка или поломка, разрядка может вызвать насильственный выброс энергии.
Контроллеры и калибраторы высокого давления попадают в широкий диапазон давлений, от пневматических приборов, которые часто ограничены 10,000 до 20,000 psi, до гидравлических приборов, которые могут превышать сотни тысяч psi. Предел для пневматических приборов давления, даже тех, которые помечены как высокое давление, как правило, ниже, чем для гидравлических приборов, которые более стабильны, даже при высоком давлении. Поскольку они используют молекулы жидкости или масла, гидравлические приборы, как правило, протекают или распыляются на мгновение при возникновении неисправности, в отличие от более энергичного сбоя, который может вызвать пневматический прибор.
Низкое давление
Когда прибор манометрического давления помечен как низкое давление, его диапазон часто составляет 10 psig или меньше. Это низкое манометрическое давление часто измеряется в дюймах воды (in. H2O) или миллибарах (mbar), чтобы получить максимальное разрешение в показаниях. Низкое абсолютное давление обычно считается податмосферным давлением ниже примерно 14.7 psia. Тем не менее, psi менее распространен, когда речь идет о давлениях, значительно ниже атмосферного. Очень низкое абсолютное давление сложно использовать, потому что молекулы на этих крайностях переходят в неламинарный поток.
Этот белый документ объясняет эту концепцию и другие вызовы в калибровке низкого давления. Для низкого манометрического давления небольшие изменения в опорном давлении и даже температуре оказывают значительное влияние на наблюдаемое давление.
При работе с низким манометрическим давлением разница в температуре или изменение давления в опорном порте перед грозой или даже открытие двери в здании могут быть достаточными для влияния на результаты низкого манометрического показания.
При контроле этих давлений возникает дополнительная проблема в поиске клапанов, обладающих достаточно малым разрешением для управления потоком, и стандартах калибровки с достаточно низкими минимальными значениями для калибровки этих устройств. Эти факторы приводят к ограничениям, с которыми мы сталкиваемся в измерении, контроле и калибровке приборов низкого давления. Достижения, такие как амортизаторы, которые задерживают влияние изменений окружающей среды на датчики манометрического давления, и специально разработанные клапаны с разрешением даже меньшим, чем то, что может отображаться инструментом, являются некоторыми из достижений, делающих показания низкого давления более стабильными и достижимыми.
Инфографика по давлению
Хотите узнать больше о давлении?
Сотрудник по продажам или системный инженер компании Mensor может обсудить любое приложение. Мы специализируемся на калибровке давления и испытательном оборудовании в лабораторных, производственных или испытательных ячейках инструментов.
Вам может понадобиться больше информации о:
- Калибраторах давления
- Манометрах и индикаторах давления
- Датчиках давления
- Полных комплексных системах давления
Есть вопросы?
Просто заполните форму, и мы свяжемся с вами.