загрузка...
загрузка...
На головну

Загальні питання вимірювання тиску

Велика розмаїтість апаратури, в тому числі і датчикової, для вимірювання тиску пояснюється тим, що поняття «тиск» охоплює протяжну область значень - від надвисокого вакууму до надвисоких надлишкових тисків. Оцінювати величину тиску можна як в абсолютних, по відношенню до вакууму, так і у відносних, по відношенню до атмосферного тиску, одиницях; крім того, результат вимірювання може бути різницею двох довільних величин - двох різних тисків. Нарешті, вимірювання тиску може проводитися в різних середовищах, фізичні і хімічні характеристики яких дуже різноманітні.

Тиск - це фізична величина, що характеризує вплив зусилля на одиницю площі поверхні тіла або умовно виділену всередині тіла елементарну площадку.

Величина тиску р рідини або газу на стінку посудини, який вони повністю заповнюють, визначається силою dF, Що діє по нормалі до елемента поверхні ds стінки судини:

p = dF / ds.

На рідина діє також сила тяжіння. Тому, наприклад, в разі, коли стовп рідини знаходиться у відкритій вертикальній ємності, тиск в точці на відстані h від поверхні дорівнює сумі атмосферного тиску p0 і маси стовпа рідини, що діє на одиницю площі:

p = p0+ pgh,

де р - щільність рідини; g - прискорення сили тяжіння.

Якщо на рідину діє ще якесь прискорення, необхідно враховувати також вплив сили інерції на величину тиску.

Атмосферний тиск p0, Зване барометричним або гравітаційним, є наслідком земного тяжіння, який утримує частинки повітря біля поверхні Землі. На практиці вимірювання здійснюються найчастіше щодо вихідного атмосферного тиску. Різниця тисків всередині судини і атмосферного тиску зовні судини називається надлишковим тиском, причому надлишковий тиск може бути як позитивною, так і негативною величиною. Сума барометрического і надлишкового тиску називається абсолютним тиском.

Барометричний тиск в різних шарах атмосфери залежить від висоти їх розташування над рівнем моря і змінюється за експоненціальним законом:

pH = p0[Ехр (-?/?0) Н],

де p0 и pH - Відповідно тиску на рівні моря і на висоті Н від рівня моря; ?0 - Щільність повітря на рівні моря.

На рис. 5.1 показана зміна тиску в атмосфері Землі в залежності від висоти над рівнем моря.

Малюнок 5.1 Розподіл тиску в атмосфері залежно від висоти над рівнем моря

Вимірювання тиску в нерухомій рідині або газі в замкнутих посудинах, порожнинах і трубопроводах зводиться до вимірювання сили F, Що діє на поверхню S стінки, що обмежує середу - об'єкт вимірювання. У рухомому рідині або газі розрізняють три види тиску: статичний тиск нерухомою середовища Рs, Динамічний тиск рd, Обумовлене швидкістю v рухомої рідини або газу, і повний тиск р, що представляє суму цих двох тисків:

Р = Рs + Рd .

Динамічне тиск, що діє на поверхню, нормальну напрямку течії, збільшує статичний тиск на величину

Рd = ?V2 / 2,

де V - Швидкість руху рідини або газу; ? - щільність середовища.

Вимірювання статичного і динамічного тисків можна здійснювати за допомогою двох окремих датчиків тиску Д1 і Д2, З'єднаних з вихідними отворами трубки Піто (рис. 5.2). Вихідний сигнал першого датчика буде пропорційна величині статичного тиску, а другого датчика - повного тиску. Різниця цих сигналів дозволить визначити величину динамічного тиску.

Окремою галуззю є вимірювання акустичних тисків - знакозмінних тисків в газах і рідинах в звуковому і ультразвуковому діапазонах частот. Датчики акустичних тисків повинні реагувати тільки на змінну складову вимірюваного тиску, т. Е. На вихідний сигнал не повинно впливати атмосферний тиск.

Малюнок 5.2-Схема вимірювання повного тиску за допомогою трубки Піто

Одиницею вимірювання тиску і напруги в системі СІ є Паскаль - тиск, що викликається силою 1 Н, рівномірно розподіленим на поверхні 1 м і нормальної до неї. Однак на практиці продовжують використовуватися позасистемні одиниці вимірювання тиску, застосування яких обумовлено практичними потребами. У табл. 5.1 дано переклад найбільш поширених одиниць вимірювання тиску.

Таблиця 5.1

 Одиниці виміру тиску  па  бар  атм.  кг / см2  мм рт. ст.  мм вод. ст.
 па  10-5  0,9896 ? 10-5  1,02 ? 10-5  0,75 ? 10-2  0,102
 бар  105  0,9896  1,02  1,02 ? 104
 Атм.  1,013  1,033
 кг / см2  9,807 ? 104  0,9807  1,033  7,35 ? 103  104
 мм. рт. ст.  0,75 ? 10 -2  1,33 ? 10-3  1,315 ? 10-3  1,36 ? 10-3  13,6
 при 0 ° С            
 мм. вод. ст.  0,102  9,8 ? 10-3  9,68 ? 10-3  10-4  7,35
 при + 4 ° С            
 фунт / дюйм  0,1451 ? 10-3  6,89 ? 10-2  0,068  7,03 ? 10-2  51,75  7,03 ? 10-2

В акустичних вимірах рівень звукового тиску газового середовища (дБ) зазвичай оцінюється в відносних одиницях згідно з формулою

N = 20 lg (Р / Р0),

де Р - Ефективне значення акустичного тиску, Па; Р0 = 2 ? 10-5 Па - тиск, відповідне величині інтенсивності звукового порогу.

Переклад одиниць з однієї системи в іншу відповідно до наведеної вище формулою представлений в табл. 5. 2.

Таблиця 5.2

 дБ  мкбар  кг / см2  па
 2 ? 10-6  0,2
 4 ? 10-6  0,4
 8 ? 10-6  0,8
 1,6 ? 10-5  1,6
 2 ? 10-5  2,0
 6,4 ? 10-5  6,4
 2 ? 10-4
 632,4  6,3 ? 10-4  63,2
 2 ? 10-3
 6,3 ? 10-3  632,4
 2 ? 10-2
 6,3 ? 10-2
 2 ? 105  0,2  2 ? 104
 6,324 ? 105  0,632  6,324 ? 104
 2 ? 106  2,0  2 ? 105

Залежно від швидкості зміни тиску, т. Е. Характеру залежності Р(t), Все розмаїття завдань вимірювання тисків можна звести до трьох варіантів: вимір статичних і медленноменяющіхся тисків, вимір швидкозмінних тисків і вимір імпульсних тисків.

На практиці до групи статичних прийнято відносити тиску, значення яких залишається незмінним за час проведення вимірювань. Медленноменяющееся тиск - це процес, який містить постійну складову і гармонійні складові з частотами до 20 ... 30 Гц.

До швидких змін і імпульсним тискам відносять процеси з випадковими і гармонійними складовими в частотному діапазоні від десятків до сотень тисяч герц.

Швидкоплинні тиску (рис. 5.3, б) включають в себе періодично мінливі і перехідні процеси. Пульсація тиску рідини і газу і акустичні шуми часто являють собою випадковий коливальний процес (рис. 5.3б, г).

Імпульсні тиску мають вигляд одиночних або періодично повторюваних імпульсів і характеризуються значною амплітудою імпульсів і коротким часом наростання і спаду процесу. Найчастіше ці процеси не мають постійної складової (рис. 5.3, д-ж).

Найбільш жорсткі метрологічні вимоги пред'являються до датчиків і систем, що вимірює статичні і медленноменяющіеся процеси. Це пояснюється тим, що датчики повинні з допускаються похибками одночасно вимірювати перехідні процеси і встановилися тиску, супроводжувані пульсацією. Ці вимоги суперечливі і в багатьох випадках трудносовместімие в одному датчику, так як для вимірювання перехідних процесів з малою похибкою необхідна висока частота власних коливань і мала ступінь заспокоєння, а для малої похибки вимірювання сталого тиску, супроводжуваного високочастотної пульсацією, необхідна низька частота власних коливань і велика ступінь заспокоєння. Датчики, призначені для вимірювання швидкозмінних і пульсуючих тисків, повинні володіти малими динамічними похибками, т. Е. Високою частотою власних коливань і відсутністю механічних і електричних резонансів в робочому діапазоні частот вимірювання тиску і дестабілізуючих чинників. При цьому для забезпечення допустимих динамічних похибок системи в цілому все елементи системи (датчик-підсилювач-перетворювач-реєстратор) повинні бути узгоджені з частотних діапазонах вимірювань.

.

Малюнок 5.3-Характер зміни тиску в часі:
 а - медленноменяющееся тиск; б - медленноменяющееся тиск, що супроводжується пульсацією; в - Швидкозмінне тиск з постійної складової; г - Швидкозмінне тиск без постійної складової;
 д - імпульсна тиск; е, ж - ударне або вибуховий тиск

Вимірювання тиску «-- попередня | наступна --» Сенсори деформації
загрузка...
© om.net.ua