2 Методи і прилади для вимірювання тиску

2.1 Загальні відомості про вимірювання тиску

В Україні фундаментальні роботи з метрологічного забезпечення вимірювань тиску почались зі створення в м. Харкові в 1933 році Українського інституту метрології та стандартизації, який в 1938 році був реорганізований у Харківський державний інститут мір та ваг (ХДІМВ), а в 1967 році перейменований в Харківський державний науково-дослідний інститут метрології (ХДНДІМ). Спеціалістами інституту розроблено та впроваджено ряд високоточних засобів вимірювання тиску, що дало можливість в роки незалежності України створити власні державні еталони одиниці абсолютного тиску в діапазоні 10^-3 – 10³ Па (ДЕТУ 04-01-96) та 2,7·10² – 1,3·10⁵ Па (ДЕТУ 04-02-97). Вихідними еталонами для України також є вторинний еталон одиниці тиску для різниці тисків в діапазоні від 100 до 4000 Па (ВЕТУ 04-95-02-98), який зберігається в Донецькому ДЦСМС, та вторинний еталон одиниці тиску в діапазоні від 0,04 до 60 МПа (ВЕТУ 04-23-01-98) – в УкрЦСМ.

Створені сьогодні на державному підприємстві "Донецький дослідний завод "Еталон"" ЗВТ вантажопоршневої дії для різних границь вимірювання очолюють локальні повірочні схеми, входять до складу державних еталонів, що дає можливість відтворювати з високим ступенем точності необхідний за величиною тиск та забезпечувати єдність його вимірювання в Україні.

Тиск є однією з розповсюджених фізичних величин, що характеризує якість та інтенсивність ведення технологічного процесу в нафтогазовій, хімічній, теплоенергетичній, машинобудівній та інших галузях промисловості [46].

Засоби вимірювання тиску належать до найбільш поширеної групи ЗВТ і складають приблизно половину від загального числа засобів вимірювання для підприємств хімічної та нафтогазовидобувної промисловості.

Засоби для вимірювання тиску надзвичайно різноманітні за принципом дії, конструктивним виконанням, призначенням і доповнюються новими модифікаціями, у зв’язку з бурхливим розвитком автоматизованих систем керування технологічними процесами з використанням у процесах вимірювання ЕОМ.

Використання тиску у техніці знаходить нові галузі застосування: у різних пневматичних пристроях; під час контролю змащування деталей, які працюють в умовах тертя; для вимірювання морських глибин; у космічних польотах; у фізичних дослідженнях, які проходять при надвисоких та надмірно низьких значеннях тиску; у двигунах внутрішнього згоряння, турбінах, компресорах; для визначення витрати, кількості і теплової енергії середовища; для контролю і прогнозування безпечних і ефективних гідравлічних режимів напірних трубопроводів і т.д.

2.2 Тиск як фізична величина

Поняття про тиск добре обґрунтоване у світі сучасних уявлень молекулярно-кінетичної теорії будови речовин або статистичної фізики.

Згідно до цих уявлень, будь-яке тіло складається з величезної кількості надзвичайно малих відокремлених часток – молекул, які знаходяться у безладному, хаотичному і безперервному русі. При цьому всі напрямки руху рівновірогідні, жодному з них не може бути надано перевагу перед іншими. Якщо речовина знаходиться у якому-небудь об’ємі, обмеженому стіною, то у процесі руху молекул відбуваються як їх взаємні удари, так і безперервні удари молекул об поверхню цієї стіни.

Таким чином, рідина або газ, які знаходяться у посудині, створюють тиск на стінки цієї посудини, до того ж, завдяки рівновірогіднісному напрямку руху молекул, тиск на усі стінки однаковий, що сформульовано у законі Паскаля* [1].

Отже, тиск як фізична величина є параметром стану досліджуваної речовини і виявляється під час взаємодії цієї речовини з контактуючою поверхнею.

Тиском Р називають відношення Р=F/S абсолютної величини нормального такого, що діє перпендикулярно до поверхні тіла, вектора сили F до площі S цієї поверхні.

Тиск, який створений вагою повітря (атмосфери), що оточує земну кулю, назвається атмосферним тиском (Р_атм.). Він діє на всі тіла, що знаходяться на земній поверхні Атмосферний тиск зрівноважений стовпчиком ртуті висотою 760 мм (на рівні моря), тому тиск 760 мм. рт. ст. називається фізичною атмосферою.

В технологічних процесах тиск або розрідження створюється штучно >або<P_атм (під тиском кисень в балоні; в димовій трубі розрідження для витяжки газів з пічки 80-150 мм. вод.ст. або 785-1470 н/м²).

Р_абс= (2.1)

Розрізняють абсолютний і надлишковий тиск.

Абсолютний тиск – певний тиск, під яким знаходиться пара або газ з врахуванням Р_атм..

Надлишковим називається тиск, який є більший за Р_атм.. Тиск, менший за Р_атм. називається тиском розрідження (вакуумом).

Розрізняють поняття “розрідження” (не менше 0,667бар. 500 мм. рт. ст) і “вакуум” (менше 500 мм. рт. ст.).

Якщо абсолютний тиск буде більший за атмосферний, то різницю тисків називають надлишковим тиском Р_Н

Р_Н = Р_абс – Р_атм. (2.2)

Якщо абсолютний тиск середовища за значенням менший за атмосферний, то вимірювану різницю тисків називають вакуумметричним тиском Р_В

Р_В = Р_атм – Р_абс. (2.3)

Висловлене вище відноситься до середовища, що знаходиться у стані спокою. Під час руху середовища його повний тиск Р_П складається з суми статичного Р_С і динамічного Р_Д тисків:

Р_П = Р_С + Р_Д, (2.4)

де статичний тиск Р_С характеризується запасом потенціальної енергії потоку, а динамічний тиск Р_Д – запасом кінетичної енергії, тобто залежить від швидкості руху середовища.

Повний внутрішній тиск у рухомому середовищі, наприклад, горизонтального напірного трубопроводу, визначається сумою зовнішнього, гідростатичного і гідродинамічного тиску (швидкісного напірного тиску), а також втратами тиску на тертя по

всій довжині труби і вихровими втратами при змінах величини і напрямку потоку в гідравлічних опорах (колінах, засувках, діафрагмах тощо). У напірних трубопроводах з енергоносіями виміряється, як правило, статичний тиск, що є різницею повного і динамічного тисків; при цьому швидкісні характеристики потоку враховуються у витратомірах і лічильниках при вимірюванні витрати і кількості середовища [46].

Внутрішній тиск рідких і газоподібних середовищ у стані спокою залежить не тільки від зовнішнього тиску, але і від ваги самого середовища. Ця залежність найбільш істотна для рідин, що володіють більшою густиною, ніж гази. Положення точки вимірювання щодо горизонтальних площин — поверхонь рівного тиску — визначає вагову складову внутрішнього тиску — гідростатичний тиск.

До 1963 року у технології за одиницю атмосфери було прийнято технологічну атмосферу ( сила 1 кГ на 1см² ), яка була рівна стовпчику води висотою 10 м і стовпчику ртуті висотою 735,56 мм. Між одиницями тиску існує співвідношення:

1 ат (технічна атмосфера) = 1 кгс/см² = 735,56 мм. рт. ст. = 9,8066510⁵ Па = 0,1 МПа при 0 ^оС

* Блез Паска́ль (червня 1623 — 19 серпня 1662) — французький філософ, фізик, математик.Відомий відкриттям формули біноміальних коефіцієнтів, вкладом в теорію йомовірності, винаходом гідравлічного пресу й шприца та іншими відкриттями.

1 =10000 мм. вод. ст. при 4 ^оС

У Міжнародній системі одиниць (СІ) за одиницю тиску приймають паскаль (Па), який мас розмірність 1 Н/м². При необхідності тиск вимірюють в. кратних і дольних одиницях: МПа, кПа, мПа , а також в барах 1 бар=10⁵ Па.

Враховуючи наявність значної кількості позасистемних одиниць тиску, які часто використовуються на практиці, у табл.2.1 подамо їх перелік і співвідношення з іншими одиницями:

1 атм (фізична атмосфера) = 1,0332 кгс/см² = 760 мм. рт ст. = 101325 Па = 760 Торр = 0.1МПа;

1 мм. вод. ст. = 1 кгс/м² = 9,80665 Па = 73,556.ІО^-3 мм. рт. ст;

1 мм. рт. ст. = 1,00000014 Торр = 133,322 Па;

1 фут/дюйм² = 0,070307208 кгс/см² (Велика Британія);

1 рsi (фут/дюйм²) = 0,070306682 кгс/см² (США).

У відповідності з ГОСТ 2405 прилади для вимірювання тиску класифікуються за принципом дії і за видом вимірювальної величини.

За принципом дії прилади бувають:

1) рідинні, які базуються на зрівноваженні вимірювального тиску гідростатичним тиском стовпа рідини;

2) вантажопоршневі, які використовують умови зрівноваження зусилля, що виникає на вільнорухомому поршні від дії вимірювального тиску вагою каліброваних вантажів;

3) деформаційні (пружинні), які вимірюють тиск по значеннях деформації різноманітних пружних елементів або по величині зусилля, яке ними розвивається;

4) електричні, які базуються на перетворенні тиску в будь-яку електричну величину або на зміні електричних властивостей матеріалу під дією зусилля.

За родом вимірювальної величини засоби для вимірювання тиску поділяються на:

1) манометри – прилади для вимірювання абсолютного і надлишкового тиску;

2) вакуумметри - прилади для вимірювання розрідження (вакууму);

3) мановакуумметри – прилади для вимірювання надлишкового тиску і вакууму;

4) диференціальні манометри (дифманометри) - прилади для вимірювання різниці тисків, жоден з яких не є тиском оточуючого середовища;

5) барометри - прилади для вимірювання атмосферного тиску;

6) напороміри, тягоміри і тягонапороміри - прилади для вимірювання невеликих значень (переважно не більше за 1 кПа) відповідно надлишкового тиску, розрідження і тиску і розрідження одночасно [35].

Для вимірювання тиску застосовують два основні методи:

а) прямий, який базується на безпосередньому вимірюванні зусилля, що діє на деяку поверхню (вантажопоршневі і рідинні манометри);

б) непрямий, який використовує різноманітні закони прикладної механіки, наприклад, пружну деформацію чутливого елемента під дією тиску (пружинні манометри) або електричні, оптичні чи хімічні явища, що мають місце при певних тисках, наприклад, зміну електричного опору чутливого елементу при високих тисках (електричні манометри).

Згідно ДСТУ 3651.1-97 "Одиниці фізичних величин. Похідні одиниці фізичних величин міжнародної системи одиниць та позасистемні одиниці. Основні поняття, назви та позначення" допускається тимчасово, до прийняття відповідних міжнародних ухвал, застосовувати на рівні з одиницями SI позасистемну одиницю тиску – бар [20].

Для переведення результатів вимірювання з позасистемних одиниць у Паскалі використовують відношення, що наведені у табл.2.1

Таблиця 2.1 – Відношення між одиницями тиску

Одиниця тиску	Па	Бар	кгс/см2	кгс/м2 (мм вод.ст.)	мм рт.ст.
Па	–	1·10–5	1,02∙10–5	0,101972	0,007501
Бар	1·105	–	0,981	10,2·103	750
кгс/см2	98066,5	0,980665	–	1·104	735,56
кгс/м2 (мм вод.ст.)	9,80665	9,80710-5	1·10–4	–	0,073556
мм рт.ст.	133,332	0,001333	0,00136	13,5951	–