Абсолютное давление - фундаментальная физическая величина, играющая ключевую роль в описании свойств вещества. Но что такое абсолютное давление на самом деле? Как его измерить и зачем это нужно в реальной жизни? Давайте разберемся!
Физическая сущность абсолютного давления
Абсолютное давление определяется как давление, отсчитываемое от абсолютного нуля давления - абсолютного вакуума. Физически абсолютное давление Pabs численно равно отношению перпендикулярной составляющей силы F к площади поверхности S, на которую она действует:
Pabs = F/S
При этом абсолютный нуль давления соответствует полному вакууму, который на практике недостижим. Абсолютное давление не может принимать отрицательных значений.
В отличие от абсолютного и избыточного давления, которое отсчитывается от атмосферного давления, абсолютное давление является истинной характеристикой состояния вещества. Оно определяет такие важные параметры, как:
- Плотность газов
- Скорость химических реакций
- Агрегатное состояние вещества при данной температуре
Поэтому абсолютное давление широко используется в термодинамических расчетах. Например, уравнение Менделеева-Клапейрона связывает давление, температуру и объем газа:
Pabs*V = m*R*T
где V - объем; m - масса; T - температура (в Кельвинах); R - универсальная газовая постоянная.
Также на основании абсолютного давления рассчитывают давление насыщенных паров, определяющее температуру кипения жидкости. Это применяется, к примеру, при проектировании паровых котлов и турбин.
Методы измерения абсолютного давления
Для измерения абсолютного давления применяются различные методы. Наиболее распространены следующие:
-
Пьезорезистивный метод. Основан на зависимости электрического сопротивления тензорезисторов от деформации кремниевой мембраны под действием давления. Обеспечивает высокую точность, простоту использования и надежность.
-
Емкостной метод. Заключается в измерении изменения емкости конденсатора с подвижными обкладками при деформации мембраны. Менее точный, чем пьезорезистивный, но позволяет измерять сверхнизкие давления.
-
Самым простым и надежным методом остается жидкостной барометр, изобретенный Торричелли в 1643 году. Однако такой прибор громоздок и непригоден для автоматизированных систем.
Для практических целей чаще всего выбирают датчики на основе пьезорезистивного метода, как правило, секциированные по диапазонам измерения. Это позволяет достичь оптимального соотношения "цена-качество" при контроле абсолютного давления.
Приборы для измерения абсолютного давления
Для практических измерений абсолютного давления применяются разнообразные датчики и приборы. Рассмотрим некоторые из них.
Мембранные датчики давления
Наиболее распространены мембранные датчики с пьезорезистивными тензопреобразователями. В них давление воздействует на упругую кремниевую или металлическую мембрану, вызывая ее деформацию. Это изменяет сопротивление тензорезисторов, расположенных на мембране, что регистрируется электронной схемой датчика.
Манометрические вакуумметры
Применяются для измерения абсолютного давления разреженных газов и паров. В них сравнивается давление контролируемой среды с давлением насыщенных паров жидкости (часто ртути или масла) при определенной температуре.
Ионизационные вакуумметры
Основаны на измерении ионного тока, возникающего при ионизации остаточных газов в вакуумной камере. Позволяют измерять сверхвысокий вакуум до 10-12 мм рт.ст. Используются в аналитическом оборудовании и научных исследованиях.
Барометры
Классические ртутные барометры до сих пор остаются эталонным средством измерения абсолютного давления. Высота ртутного столба напрямую пересчитывается в абсолютное давление. Современные цифровые барометры используют MEMS датчики вместо ртути.
Практические аспекты измерения
При использовании приборов для измерения абсолютного давления важно учитывать условия эксплуатации и возможные погрешности. Рассмотрим некоторые практические моменты.
