Абсолютное и относительное давление: физические понятия, особенности измерения и использования
Давление является одной из ключевых характеристик состояния вещества. Но в зависимости от способа измерения различают абсолютное и относительное давление. Давайте разберемся в этих понятиях!
Основные физические определения
Абсолютное давление (pабс) отсчитывается от абсолютного нуля, то есть полного вакуума:
pабс = 0 (при полном вакууме)
Относительное давление (pотн) измеряется относительно некоторого опорного уровня. Чаще всего в качестве опорного используется атмосферное давление pатм на уровне моря при стандартных условиях (температура 15°C, влажность 60%, давление 760 мм рт.ст.):
pотн = p - pатм
При этом если p > pатм, то говорят о положительном избыточном давлении, а если p < pатм — об отрицательном (разряжении).
Дифференциальное давление (Δp) — это разность между двумя давлениями в разных точках:
Δp = p1 - p2
Дифференциальное давление часто используется, например, при измерении перепада давления в трубопроводах. При этом каждое давление p1 и p2 может быть как абсолютным, так и относительным.
Единицы измерения давления
В системе СИ основной единицей давления является Паскаль (Па), названный в честь Блеза Паскаля. 1 Па равен давлению в 1 Н на площадь 1 м2:
1 Па = 1 Н/м2
Другие распространенные единицы давления и их соотношение с Паскалем:
- 1 бар = 105 Па
- 1 атмосфера ≈ 1,01×105 Па
- 1 мм рт. ст. ≈ 133 Па
| Единица | Паскаль (Па) |
| Бар | 105 Па |
| Атмосфера | ≈1,01×105 Па |
| мм рт. ст. | ≈133 Па |
Как видно, единицы давления могут значительно отличаться по величине. Поэтому при работе с давлением всегда нужно обращать внимание на то, в каких именно единицах оно выражается.
Источники давления
Основным источником относительного давления на поверхности Земли является атмосферное давление. Оно создается массой воздуха и действует на все тела. Величина атмосферного давления зависит от высоты над уровнем моря, погодных условий и ряда других факторов.
Кроме того, источниками давления могут служить:
- давление жидкости в гидравлических системах;
- давление газа в резервуарах;
- упругая деформация твердых тел и др.
В зависимости от соотношения давления с атмосферным говорят о положительном или отрицательном избыточном давлении. Первое превышает атмосферное, второе - меньше него.
При отрицательном избыточном давлении в системе образуется разряжение, что широко используется, к примеру, в вакуумных насосах и приборах.
Принцип измерения давления
Для измерения давления используют специальные приборы - датчики или трансмиттеры. Их работа основана на различных физических принципах.
Например, в манометрах применяют механическое воздействие давления на упругий элемент: трубку Бурдона, мембрану, сильфон и др. Деформация элемента передается на стрелочный индикатор.
В электронных преобразователях давления для измерения используются тензорезистивный, емкостной, индуктивный, пьезорезистивный и другие эффекты.
Выбор конкретного метода зависит от диапазона и точности измерений, условий эксплуатации, совместимости со средой и ряда других факторов.
Например, для точных измерений в лаборатории хорошо подходят мембранные преобразователи на основе кремниевых тензорезисторов. А в агрессивных средах эффективны прочные манометры с трубкой Бурдона из нержавеющей стали.
Конструкции датчиков давления
Рассмотрим более подробно устройство датчиков для измерения абсолютного и относительного давления.
В датчиках абсолютного давления чувствительным элементом служит мембрана, отделенная внутри корпуса от измеряемой среды вакуумированной полостью. Давление вызывает деформацию мембраны, которая передается на тензорезисторы или емкостной сенсор.
В датчиках относительного давления мембрана контактирует с измеряемой средой с одной стороны и с атмосферным воздухом - с другой. Перепад давления вызывает ее искривление, регистрируемое электронной схемой.
Точность измерений давления
Метрологические характеристики датчиков давления определяются, прежде всего, точностью и воспроизводимостью показаний.
Лучшей точностью (до 0,01% диапазона) обладают высокостабильные кремниевые тензопреобразователи с частой периодической поверкой. Но они дороги и чувствительны к перегрузкам.
Более дешевые пьезорезистивные и емкостные датчики (точность 0,1-0,5%) хороши для массовых измерений в промышленности без специальной калибровки.
Стойкость датчиков давления
Важная характеристика датчиков - устойчивость к внешним воздействиям: температуре, вибрации, агрессивной среде.
Наилучшей стойкостью обладают металлические тензометрические преобразователи давления с мембраной из нержавеющей стали. Они выдерживают температуру до 450°C в течение тысяч часов.
Керамические и кремниевые датчики хрупкие, чувствительны к ударам, вибрации, интенсивным электромагнитным полям. Их обычно размещают в защитном корпусе.
Выбор типа датчиков давления
Правильный выбор датчиков давления определяется условиями эксплуатации, требованиями к метрологическим характеристикам, совместимостью со средой и другими факторами.
Для точных лабораторных измерений лучше всего подходят датчики с кремниевыми тензорезисторами. В промышленных условиях чаще применяют недорогие металлические сенсоры пониженной точности, но высокой надежности.
При контакте с агрессивной средой используют датчики давления с мембраной из химически стойких материалов - нержавеющей стали, тантала, золота.
Области применения датчиков давления
Датчики давления широко используются в различных областях:
- Контроль давления в трубопроводах
- Измерение расхода жидкостей и газов
- Автоматизация технологических процессов
- Медтехника
- Бытовая техника
- Авиация и космонавтика
Контроль давления в трубопроводах
В трубопроводных системах датчики давления контролируют давление теплоносителя, предохраняя оборудование от гидравлических ударов при пуске или остановке насосов.
Измерение расхода жидкостей и газов
По перепаду давления на сужающем устройстве трубопровода с помощью датчиков дифференциального давления определяют объемный расход рабочей среды.
Автоматизация техпроцессов
В системах автоматического регулирования датчики давления являются первичными преобразователями, контролирующими ход техпроцесса в реакторах, колоннах, автоклавах.
Медтехника
Тонометры на основе датчиков давления измеряют артериальное давление и пульс пациентов, диагностируя сердечно-сосудистые заболевания.
Бытовая техника
В стиральных и посудомоечных машинах датчики контролируют давление воды на различных этапах программы для экономии ресурсов.
Перспективы развития датчиков давления
Создание новых технологий и материалов открывает перспективы совершенствования метрологических и эксплуатационных характеристик датчиков давления.
Ожидается расширение их применения в медицине, авиации, взрывоопасных средах, экстремальных условиях.
Появление датчиков давления нового поколения позволит повысить точность контроля техпроцессов, снизить аварийность оборудования, уменьшить потребление энергоресурсов в промышленности.