Свойства давления и приборы для его измерения
Единицы измерения, методы и средства определения давления. Понятие применение физического и технического вакуума. Давление электромагнитного излучения (световое), его физический смысл, корпускулярное и волновое описание. Законы Бернулли и Паскаля.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 01.02.2014 |
| Размер файла | 219,7 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Содержание
Введение
1. Давление
2. Методы измерения
3. Законы давления
4. Приборы для измерения давления
Заключение
Введение
Казахстан - независимая, современная страна, опорой которой является промышленность. В связи с богатыми природными ресурсам и научно техническим прогрессом, Казахстан особое внимание уделяет этой сфере.
В Казахстане производят свои товары такие гиганты, как Chevrolet, LG, Samsung, Bosch, 3M, Panasonic. Региональная штаб-квартира компании Microsoft (Microsoft -- Central Asia) расположена в комплексе «Alatau IT city» под Алматы.
Для комплексного изучения ряда свойств необходима соответствующая аппаратура. Этой проблемой занимается такая отрасль науки как приборостроение.
Приборостроение -- отрасль науки и техники, являющаяся отраслью машиностроения, разрабатывающая и производящая средства измерения, обработки и представления информации, автоматические и автоматизированные системы управления.
Основным направлением развития приборостроения является измерительная техника, состоящая из методов и приборов измерения механических, электрических, магнитных, тепловых, оптических и других физических величин. Измерительные приборы совместно с автоматическими управляющими и с исполнительными устройствами образуют техническую базу автоматизированных систем управления технологическими процессами .
Научные достижения в изучении различных состояний твёрдого тела, динамики движения жидкостей и газов, плазменной формы материи, физико-химических свойств веществ, энергетических преобразований, нестационарных полей, колебаний и излучений позволяют не только находить новые принципы действия приборов, но и повышать точность, надёжность и экономичность важнейших изделий приборостроения, систематически обновлять их номенклатуру.
1. Давление
Давление -- физическая величина, численно равная силе F, действующей на единицу площади поверхности S перпендикулярно этой поверхности. В данной точке давление определяется как отношение нормальной составляющей силы , действующей на малый элемент поверхности, к его площади:
Среднее давление по всей поверхности есть отношение силы к площади поверхности:
Давление характеризует состояние сплошной среды и является диагональной компонентой тензора напряжений. В простейшем случае изотропной равновесной неподвижной среды давление не зависит от ориентации. Давление можно считать также мерой запасённой в сплошной среде потенциальной энергии на единицу объёма и измерять в единицах энергии, отнесённых к единице объёма.
Давление является интенсивной физической величиной. Давление в системе СИ измеряется в паскалях (ньютонах на квадратный метр, или, что эквивалентно, джоулях на кубический метр); применяются также следующие единицы:
· Бар
· Торр
· Техническая атмосфера (ата -- абсолютное, ати -- избыточное)
· Физическая атмосфера
· Миллиметр ртутного столба
· Метр водяного столба
· Дюйм ртутного столба
· Фунт-сила на квадратный дюйм
2. Методы измерения
Измерение давления газов и жидкостей выполняется с помощью манометров, дифманометров, вакуумметров, датчиков давления, атмосферного давления -- барометрами, артериального давления -- тонометрами.
В соответствии с рекомендациями ИЮПАК давление в классической механике рекомендуется обозначать как p, менее рекомендуемо обозначение P. Осмотическое давление часто обозначается буквой р.
Атмосферное давление -- давление атмосферы на все находящиеся в ней предметы и Земную поверхность. Атмосферное давление создаётся гравитационным притяжением воздуха к Земле. Атмосферное давление измеряется барометром. Нормальным атмосферным давлением называют давление на уровне моря при температуре 15 °C. Оно равно 760 мм рт.ст. (Международная стандартная атмосфера -- МСА, 101 325 Па).
История
Наличие атмосферного давления привело людей в замешательство в 1638 году, когда не удалась затея герцога Тосканского украсить сады Флоренции фонтанами -- вода не поднималась выше 10,3 метров. Поиски причин этого и опыты с более тяжелым веществом -- ртутью, предпринятые Эванджелистой Торричелли привели к тому, что в 1643 он доказал, что воздух имеет весСовместно с В. Вивиани, Торричелли провёл первый опыт по измерению атмосферного давления, изобретя трубку Торричелли (первый ртутный барометр) -- стеклянную трубку, в которой нет воздуха. В такой трубке ртуть поднимается на высоту около 760 мм.
Изменчивость и влияние на погоду
На земной поверхности атмосферное давление изменяется от места к месту и во времени. Особенно важны определяющие погоду непериодические изменения атмосферного давления, связанные с возникновением, развитием и разрушением медленно движущихся областей высокого давления (антициклонов) и относительно быстро перемещающихся огромных вихрей (циклонов), в которых господствует пониженное давление. Отмечены колебания атмосферного давления на уровне моря в пределах 641 -- 816 мм рт. ст. (внутри смерча давление падает и может достигать значения 560 мм ртутного столба).
Атмосферное давление уменьшается по мере увеличения высоты, поскольку оно создаётся лишь вышележащим слоем атмосферы. Зависимость давления от высоты описывается т. н. барометрической формулой.
На картах давление показывается с помощью изобар -- изолиний, соединяющих точки с одинаковым приземным атмосферным давлением, обязательно приведенным к уровню моря.
Атмосферное давление -- очень изменчивый метеоэлемент. Из его определения следует, что оно зависит от высоты соответствующего столба воздуха, его плотности, от ускорения силы тяжести, которая меняется от широты места и высоты над уровнем моря.В химии стандартным атмосферным давлением с 1982 года по рекомендации IUPAC считается давление ровно 100 кПа. атмосферное давление является одной из наиболее существенных характеристик состояния атмосферы. В покоящейся атмосфере давление в любой точке равно весу вышележащего столба воздуха с единичным сечением.
В системе СГС 760 мм рт. ст. эквивалентно 1013,25 мб. Основной единицей давления в системе СИ, служит паскаль [Па]; 1 Па= 1 Н/м2. В системе СИ давление 1013,25 мб эквивалентно 101325 Па или 101.3 кПа или 0,1 МПа
Барическая ступень
Высота, на которую надо подняться или опуститься, чтобы давление изменилось на 1 гПа (гектопаскаль), называется барической (барометрической) ступенью. Барической ступенью удобно пользоваться при решении задач, не требующих высокой точности, например для оценки давления по известной разности высот. Из основного закона статики барическая ступень (h) равна: h=-?z/?p=1/gс [м/гПа]. При температуре воздуха 0 °C и давлении 1000 гПа, барическая ступень равна 8 м/гПа. Следовательно, чтобы давление уменьшилось на 1 гПа нужно подняться на 8 метров.
С ростом температуры и увеличением высоты над уровнем моря она возрастает (в частности, на 0,4 % на каждый градус нагревания), то есть она прямо пропорциональна температуре и обратно пропорциональна давлению. Величина, обратная барической ступени, -- вертикальный барический градиент, то есть изменение давления при поднятии или опускании на 100 метров. При температуре 0 °C и давлении 1000 гПа он равен 12,5 гПа.
Приведение к уровню моря
Приведение давления к уровню моря производится на всех метеостанциях, посылающих синоптические телеграммы. Чтобы давление было сравнимо на станциях, расположенных на разных высотах, на синоптические карты наносится давление, приведённое к единой эталонной отметке -- уровню моря. При приведении давления к уровню моря используют сокращенную формулу Лапласа: z2-z1=18400(1+лt)lg(p1/p2). То есть, зная давление и температуру на уровне z2 можно найти давление (p1) на уровне моря (z1=0).
Вычисление давления на высоте h по давлению на уровне моря Po и температуре воздуха T:
P = Poe-Mgh/RT
где Po -- давление Па на уровне моря [Па]; M -- молярная масса сухого воздуха 0,029 [кг/моль]; g -- ускорение свободного падения 9,81 [м/сІ]; R- универсальная газовая постоянная 8,31 [Дж/моль К]; T -- абсолютная температура воздуха [К], T = t + 273, где t -- температура в °C; h -- высота [м].
На небольших высотах каждые 12 м подъёма уменьшают атмосферное давление на 1 мм рт.ст. На больших высотах эта закономерность нарушается.
Методы измерения давления во многом предопределяют как принципы действия, так и конструктивные особенности средств измерений. В этой связи в первую очередь следует остановиться на наиболее общих методологических вопросах техники измерения давления.
Давление, исходя из самых общих позиций, может быть определено как путем его непосредственного измерения, так и посредством измерения другой физической величины, функционально связанной с измеряемым давлением
В первом случае измеряемое давление воздействует непосредствен но на чувствительный элемент прибора, который передает информацию о значении давления последующим звеньям измерительной цепи, преобразующим ее в требуемую форму. Этот метод определения давления является методом прямых измерений и получил наибольшее распространение в технике измерения давления.
На нем основаны принципы действия большинства манометров и измерительных преобразователей давления.
Во втором случае непосредственно измеряются другие физические величины или параметры, характеризующие физические свойства измеряемой среды, значения которых закономерно связаны с давлением (температура кипения жидкости, скорость распространения ультразвука, теплопроводность газа и т. д.). Этот метод является методом косвенных измерений давления и применяется, как правило, в тех случаях, когда прямой метод по тем или иным причинам неприменим, например, при измерении сверхнизкого давления (вакуумная техника) или при измерении высоких и сверхвысоких давлений.
Методологически не менее важен и вопрос о способе, которым средство измерений воспроизводит единицу давления, что непосредственно сказывается на его функциональных возможностях.
Вамкуум (от лат. vacuum -- пустота) -- пространство, свободное от вещества. В технике и прикладной физике под вакуумом понимают среду, содержащую газ при давлениях, значительно ниже атмосферного. Вакуум характеризуется соотношением между длиной свободного пробега молекул газа л и характерным размером среды d. Под d может приниматься расстояние между стенками вакуумной камеры, диаметр вакуумного трубопровода и т. д. В зависимости от величины соотношения л/d различают низкий (), средний () и высокий () вакуум.
Следует различать понятия физического вакуума и технического вакуума.
На практике сильно разреженный газ называют техническим вакуумом. В макроскопических объёмах идеальный вакуум недостижим на практике, поскольку при конечной температуре все материалы обладают ненулевой плотностью насыщенных паров. Кроме того, многие материалы (в том числе толстые металлические, стеклянные и иные стенки сосудов) пропускают газы. В микроскопических объёмах, однако, достижение идеального вакуума в принципе возможно.
Мерой степени разрежения вакуума служит длина свободного пробега молекул газа , связанной с их взаимными столкновениями в газе, и характерного линейного размера сосуда, в котором находится газ.
Строго говоря, техническим вакуумом называют газ в сосуде или трубопроводе с давлением ниже, чем в окружающей атмосфере. Согласно другому определению, когда молекулы или атомы газа перестают сталкиваться друг с другом, и газодинамические свойства сменяются вязкостными (при давлении около 1 торр) говорят о достижении низкого вакуума () (1016 молекул на 1 смі). Обычно между атмосферным воздухом и высоковакуумным насосом стоит так называемый форвакуумный насос, создавая предварительное разрежение, поэтому низкий вакуум часто называют форвакуум. При дальнейшем понижении давления в камере увеличивается средняя длина свободного пробега л молекул газа. При молекулы газа гораздо чаще сталкиваются со стенками, чем друг с другом. В этом случае говорят о высоком вакууме (10?5 торр) (1011 молекул на 1 смі). Сверхвысокий вакуум соответствует давлению 10?9 торр и ниже. В сверхвысоком вакууме, например, обычно проводятся эксперименты с использованием сканирующего туннельного микроскопа. Для сравнения, давление в космосе на несколько порядков ниже, в дальнем же космосе и вовсе может достигать 10?16 торр и ниже (1 молекула на 1 смі).
Высокий вакуум в микроскопических порах некоторых кристаллов достигается уже при атмосферном давлении, поскольку диаметр поры гораздо меньше длины свободного пробега молекулы.
Аппараты, используемые для достижения и поддержания вакуума, называются вакуумными насосами. Для поглощения газов и создания необходимой степени вакуума используются геттеры. Более широкий термин вакуумная техника включает также приборы для измерения и контроля вакуума, манипулирования предметами и проведения технологических операций в вакуумной камере и т. д. Высоковакуумные насосы являются сложными техническими приборами. Основные типы высоковакуумных насосов -- это диффузионные насосы, основанные на увлечении молекул остаточных газов потоком рабочего газа, геттерные, ионизационные насосы, основанные на внедрении молекул газа в геттеры (например титан) и криосорбционные насосы (в основном для создания форвакуума).
Стоит отметить, что даже в идеальном вакууме при конечной температуре всегда имеется некоторое тепловое излучение (газ фотонов). Таким образом, тело, помещённое в идеальный вакуум, рано или поздно придёт в тепловое равновесие со стенками вакуумной камеры за счёт обмена тепловыми фотонами.
Вакуум является хорошим термоизолятором; перенос тепловой энергии в нём происходит лишь за счёт теплового излучения, конвекция и теплопроводность исключены. Это свойство используется для теплоизоляции в термосах (сосудах Дьюара), состоящих из ёмкости с двойными стенками, пространство между которыми вакуумированно.
Вакуум широко применяется в электровакуумных приборах -- радиолампах (например, магнетронах микроволновых печей), электронно-лучевых трубках и т. п.
Физический вакуум
Под физическим вакуумом в квантовой физике понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. При этом такое состояние вовсе не обязательно соответствует пустоте: поле в низшем состоянии может быть, например, полем квазичастиц в твёрдом теле или даже в ядре атома, где плотность чрезвычайно высока. Физическим вакуумом называют также полностью лишённое вещества пространство, заполненное полем в таком состоянии. Такое состояние не является абсолютной пустотой. Квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. В некоторых конкретных теориях поля вакуум может обладать нетривиальными топологическими свойствами. В теории могут существовать несколько различных вакуумов, различающихся плотностью энергии или другими физическими параметрами (в зависимости от применяемых гипотез и теорий). Вырождение вакуума при спонтанном нарушении симметрии приводит к существованию непрерывного спектра вакуумных состояний, отличающихся друг от друга числом голдстоуновских бозонов. Локальные минимумы энергии при разных значениях какого-либо поля, отличающиеся по энергии от глобального минимума, носят название ложных вакуумов; такие состояния метастабильны и стремятся распасться с выделением энергии, перейдя в истинный вакуум или в один из нижележащих ложных вакуумов.
Некоторые из этих предсказаний теории поля уже были успешно подтверждены экспериментом. Так, эффект Казимира и лэмбовский сдвиг атомных уровней объясняется нулевыми колебаниями электромагнитного поля в физическом вакууме. На некоторых других представлениях о вакууме базируются современные физические теории. Например, существование нескольких вакуумных состояний (упомянутых выше ложных вакуумов) является одной из главных основ инфляционной теории Большого взрыва.
Давление электромагнитного излучения
Давление электромагнитного излучения, давление света -- давление, которое оказывает световое (и вообще электромагнитное) излучение, падающее на поверхность тела.
История
Рис. 1
Схематическое изображение опыта Лебедева
Впервые гипотеза о существовании светового давления была высказана И. Кеплером в XVII веке для объяснения поведения хвостов комет при пролете их вблизи Солнца. В 1873 г. Максвелл дал теорию давления света в рамках своей классической электродинамики. Экспериментально световое давление впервые исследовал П.Н. Лебедев в 1899 г. В его опытах в вакуумированном сосуде на тонкой серебряной нити подвешивались крутильные весы, к коромыслам которых были прикреплены тонкие диски из слюды и различных металлов. Главной сложностью было выделить световое давление на фоне радиометрических и конвективных сил (сил, обусловленных разностью температуры окружающего газа с освещённой и неосвещённой стороны). Кроме того поскольку в то время не были разработаны вакуумные насосы, отличные от простых механических, Лебедев не имел возможности проводить свои опыты в условиях даже среднего, по современной классификации, вакуума.
Путем попеременного облучения разных сторон крылышек Лебедев нивелировал радиометрические силы и получил удовлетворительное (±20 %) совпадение с теорией Максвелла. Позднее, в 1907--1910 гг. Лебедев провёл более точные опыты по изучению давления света в газах и также получил приемлемое согласие с теорией
Физический смысл
Давление электромагнитного излучения является следствием того, что оно, как и любой материальный объект, обладающий энергией E и движущийся со скоростью v, также обладает импульсом p = Ev/cІ. А поскольку для электромагнитного излучения v = c, то p = E/c.
В электродинамике давление электромагнитного излучения описывается тензором энергии-импульса электромагнитного поля.
Корпускулярное описание
Если рассматривать свет как поток фотонов, то, согласно принципам классической механики, частицы при ударе о тело должны передавать ему импульс, другими словами -- оказывать давление.
Волновое описание
С точки зрения волновой теории света электромагнитная волна представляет собой изменяющиеся и взаимосвязанные во времени и пространстве колебания электрического и магнитного полей. При падении волны на отражающую поверхность, электрическое поле возбуждает токи в приповерхностном слое, на которые действует магнитная составляющая волны. Таким образом, световое давление есть результат сложения многих сил Лоренца, действующих на частицы тела.
Применение
Возможными областями применения являются солнечный парус и разделение газов, а в более отдалённом будущем -- фотонный двигатель.
В настоящее время широко обсуждается возможность ускорения световым давлением, создаваемым сверхсильными лазерными импульсами, тонких (толщиной в 5-10 нм) металлических плёнок с целью получения высокоэнергичных протонов.
Диффузионное давление -- давление, оказываемое диффундирующим веществом на воображаемую мембрану, помещенную в какую либо точку системы, где происходит диффузия. Чем ближе эта точка к источнику диффундирующего вещества -- тем больше давление.
3. Законы давления
Закон Бернулли
Закон Бернулли является следствием закона сохранения энергии для стационарного потока идеальной (то есть без внутреннего трения) несжимаемой жидкости:
Здесь
-- плотность жидкости,
-- скорость потока,
-- высота, на которой находится рассматриваемый элемент жидкости,
-- давление в точке пространства, где расположен центр массы рассматриваемого элемента жидкости,
-- ускорение свободного падения.
В научной литературе закон Бернулли, как правило, называется уравнением Бернулли не следует путать с дифференциальным уравнением Бернулли), теоремой Бернулли или интегралом Бернулли.
Константа в правой части часто называется полным давлением и зависит, в общем случае, от линии тока.
Размерность всех слагаемых -- единица энергии, приходящаяся на единицу объёма жидкости. Первое и второе слагаемое в интеграле Бернулли имеют смысл кинетической и потенциальной энергии, приходящейся на единицу объёма жидкости. Следует обратить внимание на то, что третье слагаемое по своему происхождению является работой сил давления (см. приводимый в приложении вывод уравнения Бернулли) и не представляет собой запаса какого-либо специального вида энергии («энергии давления»).
Соотношение, близкое к приведенному выше, было получено в 1738 г. Даниилом Бернулли, с именем которого обычно связывают интеграл Бернулли. В современном виде интеграл был получен Иоганном Бернулли около 1740 года.
Для горизонтальной трубы и уравнение Бернулли принимает вид:
.
Эта форма уравнения Бернулли может быть получена путём интегрирования уравнения Эйлера для стационарного одномерного потока жидкости, при постоянной плотности :
.
Согласно закону Бернулли, полное давление в установившемся потоке жидкости остается постоянным вдоль этого потока.
Полное давление состоит из весового , статического и динамического давлений.
Рис. 2
Из закона Бернулли следует, что при уменьшении сечения потока, из-за возрастания скорости, то есть динамического давления, статическое давление падает. Это является основной причиной эффекта Магнуса. Закон Бернулли справедлив и для ламинарных потоков газа. Явление понижения давления при увеличении скорости потока лежит в основе работы различного рода расходомеров (например труба Вентури), водо- и пароструйных насосов. А последовательное применение закона Бернулли привело к появлению технической гидромеханической дисциплины -- гидравлики.
Закон Бернулли справедлив в чистом виде только для жидкостей, вязкость которых равна нулю. Для описания течений реальных жидкостей в технической гидромеханике (гидравлике) используют интеграл Бернулли с добавлением слагаемых, учитывающих потери на местных и распределенных сопротивлениях.
Закон Паскаля формулируется так:
Возмущение давления, производимое на покоящуюся несжимаемую жидкость, передается в любую точку жидкости одинаково по всем направлениям.
Закон сформулирован французским учёным Блезом Паскалем.
Следует обратить внимание на то, что в законе Паскаля речь идет не о давлениях в разных точках, а о возмущениях давления, поэтому закон справедлив и для жидкости в поле силы тяжести. В случае движущейся несжимаемой жидкости можно условно говорить о справедливости закона Паскаля, ибо добавление произвольной постоянной величины к давлению не меняет вида уравнения движения жидкости (уравнения Эйлера или, если учитывается действие вязкости, уравнения Навье - Стокса), однако в этом случае термин закон Паскаля как правило не применяется. Для сжимаемых жидкостей (газов) закон Паскаля, вообще говоря, несправедлив.
На основе закона Паскаля работают различные гидравлические устройства: тормозные системы, гидравлические прессы и др.
Давление звукового излучения, давление звука -- среднее по времени избыточное давление на препятствие, помещённое в звуковое поле. Это давление определяется импульсом, передаваемым волной в единицу времени на единицу площади препятствия.
При нормальном падении на плоскую поверхность, полностью отражающую звук давление называется Рэлеевским, и определяется формулой:
где -- плотность невозмущённой среды, v -- амплитуда колебательной скорости частиц в пучности стоячей волны, -- средняя по времени и пространству плотность кинетической энергии звуковой волны, -- показатель адиабаты, равный в случае газов отношению ( и -- теплоёмкости при постоянном давлении и объёме). Давление Рэлея наблюдается, например, в жёсткой трубе, где волну можно считать плоской.
Давление звукового излучения, создаваемое звуковым пучком или лучом, то есть ограниченной по фронту плоской волной, распространяющейся в безграничной невозмущённой среде, при нормальном падении на полностью отражающую плоскую поверхность называется давлением Ланжевена и определяется формулой
Когда средние по времени плотности потенциальной и кинетической энергий равны друг другу, давления Рэлея и Ланжевена пропорциональны плотности полной анергии звуковой волны или интенсивности звука. Давление Ланжевена на частично отражающее твёрдое препятствие равно
где R -- коэффициент отражения по давлению, E -- среднее по времени значение плотности полной энергии в падающей волне.
При нормальном падении звукового пучка на поверхность раздела двух сред г>та поверхность испытывает давление звукового излучения, выражаемое формулой
где и -- средние по времени значения плотности кинетической энергии падающей волны в первой среде и прошедшей волны во второй среде. Если R=0, то P определяется только плотностью кинетической энергии в обеих средах и не зависит от направления распространения волны относительно границы.
Давление звукового излучения -- эффект второго порядка малости; оно мало по сравнению с амплитудой переменного звукового давления Например, в воде при интенсивности звука ~ 10 Вт/смІ звуковое давление р=5·105 Па, а давление звукового излучения р=10І Па. В воздухе при интенсивности звука 1 Вт/смІ, то есть при уровне интенсивности 160 дБ, p?3·103 Па, а P=10 Па.
Давление звукового излучения, действующее на границе раздела двух жидких или жидкой и газообразной сред, приводит к вспучиванию поверхности раздела, которое при достаточной интенсивности звука переходит в фонтанирование. Это явление используется при ультразвуковом распылении жидкостей. Давление звукового излучения играет важную роль в процессе акустической коагуляции аэрозолей. Давлением звукового излучения пользуются при определении абсолютного значения интенсивности звука с помощью акустического радиометра. В условиях невесомости может применяться для стабилизации предметов в пространстве и перекачки жидкостей.
Относительный метод измерений, в отличие от абсолютного, основан на предварительном исследовании зависимости от давления физических свойств и параметров чувствительных элементов средств измерения давления при методах прямых, измерений или других физических величин и свойств измеряемой среды -- при методах косвенных измерений. На пример, деформационные манометры перед их применением для измерения давления должны быть сначала отградуированы по образцовым средствам измерений соответствующей точности.
4. Приборы для измерения давления
Помимо классификации по основным методам измерений давлений и видам давления, средства измерений давления классифицируют по:
принципу действия
функциональному назначению,
диапазону и точности измерений.
Измерение давления необходимо для управления технологическими процессами и обеспечения безопасности производства. Кроме того, этот параметр используется при косвенных измерениях других технологических параметров: уровня, расхода, температуры, плотности и т. д. В системе СИ за единицу давления принят паскаль (Па).
В большинстве случаев первичные преобразователи давления имеют неэлектрический выходной сигнал в виде силы или перемещения и объединены в один блок с измерительным прибором. Если результаты измерений необходимо передавать на расстояние, то применяют промежуточное преобразование этого неэлектрического сигнала в унифицированный электрический или пневматический. При этом первичный и промежуточный преобразователи объединяют в один измерительный преобразователь.
Для измерения давления используют манометры, вакуумметры, мановакуумметры, напоромеры, тягомеры, тягонапоромеры, датчики давления, дифманометры.
В большинстве приборов измеряемое давление преобразуется в деформацию упругих элементов, поэтому они называются деформационными.
Деформационные приборы широко применяют для измерения давления при ведении технологических процессов благодаря простоте устройства, удобству и безопасности в работе. Все деформационные приборы имеют в схеме какой-либо упругий элемент, который деформируется под действием измеряемого давления: трубчатую пружину, мембрану или сильфон.
Наибольшее применение получили приборы с трубчатой пружиной. Их выпускают в виде показывающих манометров и вакуумметров c максимальным пределом измерений. В таких приборах с изменением измеряемого давления р трубчатая пружина / изменяет свою кривизну. Ее свободный конец через тягу поворачивает зубчатый сектор и находящуюся с ним в зацеплении шестерню. Вместе с шестерней поворачивается закрепленная на ней стрелка, перемещающаяся вдоль шкалы. Для дистанционной передачи показаний выпускают манометры с промежуточными преобразователями с токовым и пневматическим выходом (МП-Э, МП-П), а также с дифференциально-трансформаторными преобразователями (МЭД).
Промышленность выпускает также мембранные дифманометры с промежуточными преобразователями, имеющими унифицированные токовые или пневматические сигналы.
Для преобразования деформации мембраны в унифицированный токовый сигнал применяют также тензорезисторные промежуточные преобразователи, в которых сопротивление резистора изменяется при его растяжении или сжатии. В таких приборах тензорезистор укреплен на жесткой измерительной мембране. Деформация мембраны, пропорциональная приложенному давлению, приводит к деформации тензорезистора и изменению его сопротивления. Это сопротивление преобразуется измерительной схемой, включающей неуравновешенный мост, в выходной сигнал постоянного тока. Так как деформация жесткой мембраны мала, то применяют полупроводниковые кремниевые тензорезисторы, обладающие высокой чувствительностью.
В дифманометрах чувствительным элементом служит блок из двух неупругих мембран, соединенных между собой штоком. Смещение этого штока под действием перепада давлений приводит к изгибу рычага и деформации измерительной мембраны. Мембраны выполнены из коррозионно-стойкого материала, что позволяет использовать дифманометр для измерений в сильноагрессивных средах.
Промышленные тензорезисторные преобразователи предназначены для преобразования давления, разрежения и разности давлений в пропорциональное значение выходного сигнала -- постоянного тока.
Особенности эксплуатации приборов для измерения давления
При эксплуатации приборов, измеряющих давление, часто требуется защита их от агрессивного и теплового воздействия среды.
Если среда химически активна по отношению к материалу прибора, то его защиту производят с помощью разделительных сосудов или мембранных разделителей.
Разделительный сосуд заполняется жидкостью, инертной по отношению к материалу прибора, соединительных трубок и самого сосуда. Кроме того, разделительная жидкость не должна химически взаимодействовать с измеряемой средой или смешиваться с ней. В качестве разделительных жидкостей применяют водные растворы глицерина, этиленгликоль, технические масла и др.
В мембранном разделителе измеряемая среда отделяется от прибора мембраной с малой жесткостью из нержавеющей стали или фторопласта. Для передачи давления от мембраны к прибору полость между ними заполняют жидкостью.
Для предохранения прибора от действия высокой температуры среды применяют сифонные трубки.
Деформационные приборы требуют периодической поверки. В эксплуатационных условиях у них проверяют нулевую и рабочую точки шкалы. Для этого применяют трехходовые краны. При поверке нулевой точки прибор соединяют с атмосферой. Стрелка прибора должна вернуться к нулевой отметке. Поверку прибора в рабочей точке шкалы осуществляют по контрольному манометру, укрепляемому на боковом фланце. При пользовании краном необходимо строго соблюдать плавность включения и выключения прибора.
С помощью трехходового крана можно проводить также продувку соединительной линии.
Давление до 1 ГПа обычно измеряют манометрами, свыше 1 ГПа-датчиками из сплавов металлов (напр., манганина), электрическое сопротивление которых зависит от давления.
Методы создания высоких давлений. Статическое давления до нескольких сотен МПа в жидкостях и газах создают насосами или компрессорами. С их помощью реакционная смесь нагнетается в аппарат высокого давления, в котором компоненты смеси взаимодействуют при заданных давлении и т-ре. В качестве аппаратов высокого давления широко используют автоклавы (рис. 5)-цилиндрич. сосуды емкостью от десятков см3 до неск. м3, снабженные герметич. затвором. Автоклавы изготавливают, как правило, из высококачественных сталей; внутренняя поверхность аппарата нередко футеруется химически стойкими материалами (фторопласты, эмаль). Автоклавы могут снабжаться мешалками, оси которых выводятся через сальник. Внутри автоклава может размещаться мешалка с ротором электромотора; при этом электромагнитное поле статора, расположенного снаружи, взаимодействие с ротором через стенки автоклава, выполненные из немагнитного материала. Давление в автоклаве либо создается компрессором, либо возникает в результате разогрева выделяющимся при р-ции теплом или внешнего обогрева. Диапазон давлений и т-р, создаваемых в автоклавах, ограничен обычно 100 МПа и 600 К.
Для физ.-хим. исследований при высоких давлениях применяют установки с прозрачными наковальнями из алмазов, обеспечивающие давления до 200 ГПа и т-ры до 3000 К. Такие установки компактны (располагаются на столике микроскопа). Нагрев образца осуществляют лазерным лучом. Для измерения давления внутрь аппарата помещают кристалл рубина и следят за его спектром люминесценции, линия к-рого смещается с увеличением давления линейно до 30 ГПа. Помимо визуального наблюдения, эти аппараты позволяют проводить исследования методами УФ, ИК, рентгеновской и гамма-резонансной спектроскопии. Для достижения давлений в 100-200 ГПа при т-рах до 2500 К используют установки, в к-рых совмещаются конструкционные приемы аппаратов типа цилиндр-поршень и типа наковален (рис. 6г). Давление в образце создается при вдавливании конич. пуансонов с помощью пресса. Достоинство аппаратов-сравнительно большой объем рабочего пространства, недостаток-сложность в изготовлении.
Для экспериментов в условиях высоких давлений и деформаций сдвига используют аппаратуру типа наковален. Между наковальнями располагают слой твердой реакционной смеси, в к-ром создается давление при сжатии наковален с помощью пресса. Заданная деформация сдвига производится поворотом одной из наковален на определенный угол. Время поворота наковален (а след., и хим. превращения) обычно исчисляется с или долями с.
Манометр (греч. manos -- редкий, неплотный, разрежённый) -- прибор, измеряющий давление жидкости или газа. Принцип работы
Принцип действия манометра основан на уравновешивании измеряемого давления силой упругой деформации трубчатой пружины или более чувствительной двухпластинчатой мембраны, один конец которой запаян в держатель, а другой через тягу связан с трибко-секторным механизмом, преобразующим линейное перемещение упругого чувствительного элемента в круговое движение показывающей стрелки.
Дифференциальный манометр, дифманометр -- прибор для измерения перепада давлений. Применяется для измерения уровня жидкостей в резервуарах под давлением или расхода жидкости, газа и пара с помощью диафрагм методом измерения перепада давления на сужающем устройстве. Называется также датчиком разности давлений.
По устройству различаются:
· жидкостные дифманометры (трубные, поплавковые, кольцевые и колокольные), в которых измерение осуществляется по высоте столба жидкости
· механические дифманометры (мембраные и сильфонные), в которых измерение осуществляется по упругой деформации чувствительного элемента.
Вакууммемтр -- вакуумный манометр, прибор для измерения давления разреженных газов.
По принципу действия вакуумметры можно подразделить на следующие типы:
· классические -- являются обычными манометрами (жидкостными либо анероидами) для измерения малых давлений. В жидкостных вакуумметрах в измерительном колене применяется масло с известной плотностью и с по возможности малым давлением пара с тем, чтобы не нарушать вакуум. Обычно жидкостные манометры изолируют от остальной вакуумной системы при помощи азотных ловушек -- специальных устройств наполняемых жидким азотом и служащих для вымораживания паров рабочего вещества манометра. Область измеряемых давлений от 10 до 100000 Па.
· ёмкостные -- основаны на изменении ёмкости конденсатора при изменении расстояния между обкладками. Одна из обкладок конденсатора выполняется в виде гибкой мембраны. При изменении давления мембрана изгибается и меняет ёмкость конденсатора, которую можно измерить. После градуировки возможно использовать прибор для измерения давлений. Область измеряемых давлений от 1 до 1000 Па.
· терморезисторные - работают в мостовой схеме, стремящейся поддерживать постоянное сопротивление (а значит температуру) терморезистора, открытого измеряемому давлению. Чем выше давление газа, тем большую мощность нужно подводить к терморезистору для поддержания неизменной температуры. Соответственно, между давлением и напряжением на датчике (током через него) имеется однозначная зависимость. Если терморезистором является платиновая нить, то такой датчик называется манометром Пирани. Примером могут служить отечественные датчики ПМТ-6-3. Терморезисторные манометры применяются для измерения давлений от 10-3 до 760 и более Torr
· термопарные -- принцип действия основан на охлаждении за счёт теплопроводности. Термопара находится в контакте с нагреваемым проводом. Чем лучше вакуум, тем меньше теплопроводность газа, и следовательно выше температура проводника (теплопроводность разрежённого газа прямо пропорциональна его давлению). Проградуировав подключенный к термопаре милливольтметр при известных давлениях можно использовать измеряемое значение температуры для определения давления. К термопарным относятся, например, отечественные датчики ПМТ-2 и ПМТ-4М. Область измеряемых давлений от 10?3 до 10 Torr
· ионизационные -- принцип действия основан на ионизации газа. По сути, представляют собой вакуумный диод, на анод которого подано положительное, а на дополнительный электрод, называемый коллектором, большое отрицательное напряжение. При понижении давления газа уменьшается число атомов, способных подвергнуться ионизации, и соответственно ионизационный ток (ток коллектора), текущий между электродами при данном напряжении. Область измеряемых давлений от 10?12 до 10?1 Torr. Подразделяются на вакуумметры с холодным катодом (Пеннинга и магнетронные) и с накаливаемым катодом. К последним относится датчик ЛМ-2 с постоянной 105мкА/мм.рт.ст.
· альфатрон - разновидность ионизационного вакуумметра. Отличается от последнего тем, что для ионизации используются не электроны, а альфа-частицы, испускаемые источником (порядка 0,1-1мКюри) на радии или плутонии. Альфатроны проще, надежнее, и точнее вакуумметров с катодом, но из-за низкой чувствительности, требующей очень сложной схемы измерения сверхмалых токов, не могут их заменить. Обычно используются в том же диапазоне давлений, что и термопарные (терморезисторные) вакуумметры.
Заключение
Научные достижения в изучении различных состояний твёрдого тела, динамики движения жидкостей и газов, плазменной формы материи, физико-химических свойств веществ, энергетических преобразований, нестационарных полей, колебаний и излучений позволяют не только находить новые принципы действия приборов, но и повышать точность, надёжность и экономичность важнейших изделий приборостроения, систематически обновлять их номенклатуру.
Изучение свойств давления, а также устройства, работающие на этих основах одна из задач приборостроения. Поскольку давление - это одно из основных критерий при эксплуатации приборов.
давление вакуум электромагнитный бернулли
Список использованной литературы
1) Ютт В.Е. Электрическое и электронное оборудование - М.Транспорт 1983г.
2) Како Н., Яманэ Я. Датчики и микро-ЭВМ. Л: Энергоатомиз дат, 1986г.
3) У. Титце, К. Шенк. Полупроводниковая схемотехника. М: Мир, 1982г.
4) Справочная книга радиолюбителя-конструктора. М: Радио и связь, 1990г.
5) Виглеб Г., Датчики: устройство и применение, 1989г.
6) Приборостроение и средства автоматики, т. 5, М., 1965;
7) Реферативные сборники ЦНИИТЭИ приборостроения, М., 1968;
8) Направления развития технологии приборостроения, под ред. А.Н. Гаврилова, М., 1968: Обзорная информация ЦНИИТЭИ приборостроения, М., 1971--74;
9) Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации. Каталог, М., 1974.
10) Научная библиотека диссертаций и авторефератов disserCat
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Применение, устройство и принцип действия приборов для измерения давления: барометр-анероид, жидкостный и металлический манометр. Понятие атмосферного давления. Загадки об атмосферных явлениях. Причины различия в показателях давления с ростом высоты.
презентация [524,5 K], добавлен 08.06.2010Физические свойства жидкости. Гидростатическое давление как скалярная величина, характеризующая напряжённое состояние жидкости, порядок ее определения. Основное уравнение гидростатики. Измерение вакуума. Приборы для измерения давления, снятие показаний.
реферат [132,1 K], добавлен 16.04.2011Атмосфера, единицы измерения давления воздуха. Барическая ступень и градиент. Барометрическая формула Лапласа. Приборы для измерения атмосферного давления, его изменчивость и влияние на погоду, приведение к уровню моря с помощью таблиц. Плотность воздуха.
контрольная работа [45,3 K], добавлен 04.11.2014Виды давления, классификация приборов для его измерения и особенности их назначения. Принцип действия мановакуумметров, характеристика их разновидностей. Многопредельные измерители и преобразователи давления. Датчики-реле давления, виды манометров.
презентация [1,8 M], добавлен 19.12.2012Гидростатическое давление и его свойства. Дифференциальное уравнение равновесия жидкости. Распределение гидростатического давления. Приборы для измерения давления. Сила гидростатического давления на плоские стенки и на криволинейную поверхность.
курс лекций [449,2 K], добавлен 20.12.2011Магнитоэлектрические измерительные механизмы. Метод косвенного измерения активного сопротивления до 1 Ом и оценка систематической, случайной, составляющей и общей погрешности измерения. Средства измерения неэлектрической физической величины (давления).
курсовая работа [407,8 K], добавлен 29.01.2013Средства измерения температуры. Характеристики термоэлектрических преобразователей. Принцип работы пирометров спектрального отношения. Приборы измерения избыточного и абсолютного давления. Виды жидкостных, деформационных и электрических манометров.
учебное пособие [1,3 M], добавлен 18.05.2014Физические свойства жидкости и уравнение гидростатики. Пьезометрическая высота и вакуум. Приборы для измерения давления. Давление жидкости на плоскую наклонную стенку и цилиндрическую поверхность. Уравнение Бернулли и гидравлические сопротивления.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 30.11.2014Понятие и общая характеристика фотоупругого эффекта и его применение для получения картины распределения напряжения. Основные методы измерения физических величин: параметров светового излучения, давления и ускорения с помощью фотоупругого эффекта.
курсовая работа [2,3 M], добавлен 13.12.2010Основные понятия и виды давления, его физические параметры и единицы измерения для жидкой и газообразной среды. Назначение манометров и измерительных преобразователей, особенности их эксплуатации. Характеристика основных методов преобразования давления.
курсовая работа [457,5 K], добавлен 14.07.2012Понятия и устройства измерения абсолютного и избыточного давления, вакуума. Определение силы и центра давления жидкости на цилиндрические поверхности. Границы ламинарного, переходного и турбулентного режимов движения. Уравнение неразрывности для потока.
контрольная работа [472,2 K], добавлен 08.07.2011Состав атмосферы Земли и особенности влияния на нее вращения планеты. Последствия исчезновения воздушной массы. Изобретение ртутного и электронного барометров. Применение их при измерении давления воздуха. Единица измерения атмосферного давления.
презентация [562,5 K], добавлен 17.03.2015Состояние системы мер и измерительной техники в различные исторические периоды. Измерение температуры, давления и расхода жидкости с применением различных методов и средств. Приборы для измерения состава, относительной влажности и свойств вещества.
курсовая работа [589,2 K], добавлен 11.01.2011Вакуум как разность между атмосферным или барометрическим и абсолютным давлением. Расчет линейной потери напора по формуле Дарси-Вейсбаха. Свойства гидростатического давления. Особенности применения уравнения Бернулли. Давление жидкости на плоскую стенку.
реферат [466,0 K], добавлен 07.01.2012Давление – физическая величина, результат действия силы, направленной перпендикулярно к поверхности, на которую она действует; изменение и зависимость. Сила как мера взаимодействия тел; направление, точка приложения; единицы измерения силы и давления.
презентация [1,8 M], добавлен 10.02.2012Основа уравнения, описывающего давление веществ в состоянии насыщения. Уравнения для описания зависимости упругости пара от температуры. Оценка точности новой температурной зависимости давления пара. Методы измерения давления при разных температурах.
контрольная работа [918,2 K], добавлен 16.09.2015Описание экспериментальной установки, принцип измерения давления воздуха и определение его оптимального значения. Составление журнала наблюдения и анализ полученных данных. Вычисление барометрического давления аналитическим и графическим методом.
лабораторная работа [59,4 K], добавлен 06.05.2014Понятие о физической величине как одно из общих в физике и метрологии. Единицы измерения физических величин. Нижний и верхний пределы измерений. Возможности и методы измерения физических величин. Реактивный, тензорезистивный и терморезистивный методы.
контрольная работа [301,1 K], добавлен 18.11.2013Единицы измерения электрического тока. Закон Ома и электрическое сопротивление. Применение Закона Ома при расчетах электрических цепей. Применение анализа цепи к модели мембраны. Свойства конденсатора в электрической цепи. Понятие электрической емкости.
реферат [1,3 M], добавлен 06.11.2009Основные типы, устройство, принцип действия датчиков, применяемых для измерения давления. Их достоинства и недостатки. Разработка пьезоэлектрического преобразователя. Элементы его структурной схемы. Расчет функций преобразования, чувствительности прибора.
курсовая работа [782,1 K], добавлен 16.12.2012
