Измерения давления

Давлением по определению называется сила, действующая на единицу поверхности тела:

В системе СИ единицей давления служит 1 Паскаль, равный силе в 1 Ньютон, действующей на площадь в 1 м² .

Измерения давления замечательны тем, что для них в технике и в практике сохранилось и используется большое количество внесистемных и жаргонных единиц. Например, принятой внесистемной единицей является один Торичелли (1 Top), больше известный у нас как миллиметр ртутного столба:

Также широко в технике используется единица давления - 1 физическая (нормальная)атмосфера, равная

Численная связь дана для плотности ртути 13,595 г/см³ и ускорения свободного падения g = 9,80655 м/с².

Часто употребляется внесистемная единица — бар, равная:

Приборы для измерения давления в общем случае называются манометрами. В том случае, если манометры предназначены для измерения атмосферного давления, их называют барометрами. Если необходимо измерить давление ниже атмосферного, такие манометры называют вакууметрами.

Манометры по принципу действия делятся на жидкостные, пружинные и электрические.

Вакуумметры делятся на жидкостные, деформационные, компрессионные, радиометрические, вязкостные, тепловые, ионизационные, магнито-разрядные и радиоизотопные.

Жидкостные манометры или вакуумметры - устройства, в которых давление среды уравновешивается давлением столба жидкости, налитой в манометр. Схематично манометр имеет вид U-образной трубки (см. рис. 5.5.1), в которую налита манометрическая жидкость - вода, масло или ртуть. Один из концов манометра присоединяется к измеряемому объему, второй конец манометра либо запаян, либо подсоединяется к объему с известным давлением. В этом случае манометр называется дифференциальным, т. к. измеряет разность давлений в различных объемах.

В жидкостном манометре давление определяется по разности уровней жидкости в трубках при известной плотности жидкости р, налитой в манометр:

где h - разность уровней жидкости; g - ускорение свободного падения. Если р выражена в кг/м³, g в м/c² и h в м, то давление выразится в Паскалях.

Рис.5.5.1. Схема жидкостного манометра (вакуумметра),

а) дифференциальный манометр, б) абсолютный манометр

Если в манометр налита ртуть, то давление в Торрах численно будет равно разности уровней ртути в трубках

Точность измерения давления жидкостными манометрами зависит от точности измерения уровня жидкости. В прецизионных манометрах отсчетные устройства дополняют нониусами или специальными зрительными трубами с измерительной шкалой. Такие приборы называются катетометрами.

Пружинные манометры или вакуумметры представляют собой подвижную часть, размеры которой зависят от давления (так называемую «улитку»). Подвижная часть каким-либо образом соединяется с индикатором положения «улитки» (см. рис. 5.5.2).

Рис 5.5.2. Схема пружинного манометра

Пружинные манометры являются самым распространенным измерительным устройством при определении давления. Эти манометры просты в исполнении, надежны, не содержат жидкостных наполнений и при тщательной калибровке могут давать достаточно точные результаты.

Электрические манометры - устройства, в которых информация о давлении воспринимается как изменение какого-либо электрического параметра, например сопротивления или разности потенциалов. Это может быть камера с проводящим, чаще всего с угольным порошком, сопротивление которого зависит от положения гибкой мембраны. Это может быть камера, наполненная кремнийорганической жидкостью. Тогда под действием разности давлений (рис. 5.5.3) появляется разность потенциалов, пропорциональная давлению.

Рис. 5.5.3. Схема датчика давления.

Тр — тензорезистор; полость заполнена кремнийорганической жидкостью.

В тепловых вакуумметрах используется эффект зависимости теплопроводности разреженного газа от давления. Манометр представляет собой спай термопары, нагреваемый слабым электрическим током по схеме, изображенной на рис. 5.5.4.

Рис 5.5.4. Схема термопарного датчика давления

Термопарные вакуумметры позволяют измерять вакуум в диапазоне 10^-1-10^-4Тор.

Промышленно изготавливаются многочисленные датчики на основе тензорезисторов - сопротивлений, изменяющихся в зависимости от разности давлений, различного рода пьезоэлектрики с прямым пьезоэффектом - появлением разности потенциалов между поверхностями кристаллов при наличии разности давления между ними.

Для измерения давления ниже атмосферного (измерения вакуума) кроме жидкостных и деформационных вакуумметров используется еще целый ряд устройств, принципиально отличающихся от рассмотренных выше. Такими вакуумметрами являются радиометрические приборы, вязкостные, ионизационные, магнитные, электроразрядные манометры.