2. Физические основы функционирования пневмосистем

Во всех элементах, приборах и системах пневмоавтоматики рабочей средой является предварительно сжа­тый в компрессоре воздух (в некоторых особых случаях применяют другие газы), который окружает нас в по­вседневной жизни. Воздух представляет собой газовую смесь, в основном состоящую из двух газов: азота N2 (78,08%) и кислорода О2 (20,95%). В небольших количествах в нем присутствуют инертные газы — аргон Аг, неон Ne, гелий Не, криптон Кг и ксенон Хе — и водород Н2 (0,94%), а также диоксид углерода (углекислый газ) СО2 (0,03%). Помимо этих газов воздух содержит некоторое непостоянное по величине количество водяного пара (влаги).

Работа пневматических элементов основывается на использовании энергии сжатого воздуха, а также физи­ческих эффектов, возникающих при его движении. Законы, описывающие эти процессы, подробно изучаются в курсе механики жидкости и газа. Далее в этом разделе мы уделим внимание только основным газовым зако­нам.

2.1 Основные параметры газа

Давление. Если некоторое внешнее усилие воздействует на какой-либо замкнутый объем воздуха через подвижной элемент, например поршень, то в воздухе создается внутреннее давление, равномерно действую­щее на все поверхности, ограничивающие этот объем (рис. 2.1). Данное положение следует из закона Паскаля: давление, оказываемое на внешнюю поверхность жидкости (газа), передается всем точкам этой жидкости (газа) и по всем направлениям одинаково.

Рис. 2.1. Иллюстрация действия закона Паскаля

Значение внутреннего давления не зависит от формы объема, занимаемого воздухом, и определяется как результат деления модуля внешней силы на площадь поперечного сечения поршня:

Давление=Усилие/Площадь поперечного сечения

Обычно в технической литературе используются следующие обозначения (латинскими буквами): давле­ние —р, сила — F, площадь — S. Таким образом, давление находят из соотношения

P=F/S

Поскольку в международной системе единиц СИ (см. приложение 1.1) единицей площади является м2, а единицей силы — Н (ньютон), то единицей измерения давления будет Н/м2. Эта единица носит название пас-каль и обозначается Па:

1 Па = 1 Н/м2.

Давление может измеряться в различных существующих единицах (см. приложение I.2). Однако на практи­ке следует применять единицу измерения паскаль [Па], а также производные от нее, такие как килопаскаль [кПа], мегапаскаль [МПа] и т. п.; в виде исключения используют бар [бар]:

1 бар = 105 Па = 102 кПа = 0,1 МПа.

Давление атмосферного воздуха на находящиеся в нем предметы и на земную поверхность называют ат­мосферным давлением и обозначают ратм. В каждой точке атмосферы атмосферное давление определяется весом вышележащего столба воздуха; с высотой его значение уменьшается. Атмосферное давление может меняться в зависимости от погодных условий и географического положения местности; на уровне моря его значение колеблется от 0,098 до 0,104 МПа (0,98 до 1,04 бар). Среднее значение рзты составляет 0,101325 МПа (1,01325 бар).

В пневматических системах используют, как правило сжатый воздух, абсолютное значение давления ра6с которого в несколько раз превышает атмосферное давление. Для удобства отсчета уровня давления в технике пользуются понятием избыточного давления.

Избыточным давлением р изб называют превышение значением абсолютного давления воздуха значения атмосферного давления. Недостаток абсолютного давления относительно атмосферного называют вакуумет-рическим давлением или просто вакуумом р вак (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Системы отсчета величины давления

Приборы для измерения избыточного давления называют манометрами. За нулевую точку шкалы маномет­ров принимают атмосферное давление.

Для измерения вакуума используют вакуумметры, шкала которых проградуирована от 0 до -1 бар; вакуум­ная техника позволяет получить разрежение р а6с ~ 10~10 Па (10"5 бар). Приборы, позволяющие измерять и вакуум, и избыточное давление, называют мановакуумметрами. Существуют также манометры для измерения абсолютного давления, но их применяют только в специальных случаях. В теоретических расчетах всегда используют значение абсолютного давления.

Температура. Для измерения температуры существуют различные шкалы (см. приложение I.2), но в насто­ящее время применяют только две из них — термодинамическую и Международную практическую, градуиро­ванные соответственно в Кельвинах (К) и в градусах Цельсия (°С).

В Международной практической шкале 0 и 100°С являются соответственно температурами замерзания и кипения воды (так называемые реперные точки) при давлении 1,013 • 105 Па (1,013 бар).

Во все термо- и газодинамические зависимости входит термодинамическая температура Г, которую отсчи­тывают от абсолютного нуля температуры, представляющего собой такое ее теоретическое значение, при ко­тором газы не обладают упругостью, а объем их становится равным нулю.

Термодинамическая, или абсолютная, температура Г [К] и температура по Международной практической шкале t [°C] связаны соотношением Т= t + 273,15.

Плотность. Еще одним важнейшим параметром, характеризующим состояние газа, является плотность р [кг/м3] — отношение массы вещества т [кг] к объему F[m3], который эта масса занимает:

P=m/V

Удельный объем. Удельный объем v [м3/кг] — это величина, обратная плотности: v =1/ρ.