ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ: Характеристики, технологии и тенденции

Измерение и контроль давления — наиболее часто используемая технологическая переменная во многих сегментах индустрии управления технологическими процессами. Кроме того, с помощью давления можно определить ряд других переменных процесса, таких как уровень, объем, расход и плотность. В этой статье будут рассмотрены основные технологии наиболее важных технологий, используемых в датчиках давления, а также некоторые подробности, касающиеся установок датчиков давления, рынка и тенденций.

Измерение давления и немного истории

В течение многих лет измерение давления привлекало интерес науки. В конце XVI века итальянец Галилео Галилей (1564-1642) получил патент на систему водяного насоса, используемую для орошения. (В качестве курьеза: в 1592 году, используя просто пробирку и резервуар для воды, Галилей собрал первый термометр. Трубка была перевернута вверх дном и наполовину погружена в воду, поэтому, когда воздух внутри трубки остыл, объем уменьшился, а вода поднялась. Когда воздух нагревался, объем увеличивался, и вода вытеснялась. Таким образом, уровень воды измерял температуру воздуха.) Основой ее насоса была система всасывания, которая могла поднимать воду максимум на 10 метров. Он никогда не знал причину этого ограничения, что побудило других ученых изучить это явление. Кстати, датчики давления вы можете приобрести на страницах специализированного сайта.

В 1643 году итальянский физик Евангелиста Торричелли (1608-1647) изобрел барометр, с помощью которого он мог оценивать атмосферное давление, то есть силу воздуха над поверхностью земли. Он провел эксперимент, наполнив ртутью 1-метровую пробирку, запечатанную с одного конца и погруженную в ванну с ртутью с другого. Ртутный столб неизменно погружается в трубку примерно на 760 мм. Не зная точно причины этого явления, он приписал его силе, создаваемой на поверхности земли. Торричелли также пришел к выводу, что пространство, оставленное ртутью в начале трубки, было пустым, и назвал его “вакуумом”.

Пять лет спустя французский физик Блез Паскаль использовал барометр, чтобы показать, что давление воздуха на вершинах гор было меньше.

В 1650 году немецкий физик Отто фон Герике разработал первый эффективный воздушный насос, с помощью которого Роберт Бойл провел испытания на сжатие и декомпрессию, а 200 лет спустя французский физик и химик Жозеф Луи Гей-Люссак определил, что давление газа, находящегося в постоянном объеме, пропорционально его температуре.

В 1849 году Эжену Бурдону был выдан патент на трубку Бурдона, которая до сегодняшнего дня используется для измерения относительного давления. В 1893 году Э.Х. Амагат использовал поршень с собственным весом для измерения давления.

Рисунок 1 – Трубка Бурдона

Рисунок 1 – Трубка Бурдона

За последние несколько десятилетий, с появлением цифровых технологий, на рынке появилось огромное разнообразие оборудования для различных применений. Характеристика давления была действительно оценена с момента ее перевода в измеримые значения.

Вся система измерения давления состоит из первичного элемента, который будет находиться в прямом или косвенном контакте с процессом, в котором происходят изменения давления, и вторичного элемента (датчика давления), задачей которого будет преобразование изменения измеряемых значений для использования в индикации, мониторинге и управлении.

Рисунок 2 – Мужчины, которые вошли в историю измерения давления
Рисунок 2 – Мужчины, которые вошли в историю измерения давления

Основные принципы измерения давления

Давайте посмотрим на концепцию статического давления, взяв за основу рисунок 3. На нем изображен получатель с жидкостью, которая оказывает давление в точке, пропорциональное весу жидкости и расстоянию от точки до поверхности. (Принцип Архимеда: на тело, погруженное в жидкость, действует сила, известная как тяга, равная весу вытесненной жидкости. Например, этот принцип позволяет, если возможно, определить уровень, используя поплавок, подверженный воздействию уровня жидкости, который передается для индикатора движения, уровень которого измеряется, поскольку тяга изменяется в зависимости от плотности).

Статическое давление P определяется как отношение силы F, приложенной перпендикулярно поверхности площадью A: P = F/A [Н/м2).

Рисунок 3 – Давление в точке погружения P

Рисунок 3 – Давление в точке погружения P

Рисунок 4 – Давление на погруженное тело

Рисунок 4 – Давление на погруженное тело

На рисунке 4 показан параллелепипед со стороной A и длиной L с одной стороны, где давление на его верхней и нижней грани задается соответственно через Pd = hpg и Pu = (h + L) pg. Результирующее давление равно PU — PD = lpg. Давление, создаваемое силой, перпендикулярной поверхности жидкости, называется статическим давлением. Принцип Паскаля гласит, что любое увеличение давления жидкости будет одинаково передаваться во все точки жидкости. Этот принцип используется в гидравлических системах (например, в автомобильных тормозах) и может быть проиллюстрирован рисунком 5. Другими словами: приложенные силы имеют интенсивность, пропорциональную соответствующим областям.

Также стоит процитировать закон Ставена (1548-1620): для однородной и несжимаемой жидкости, находящейся в равновесии под действием силы тяжести, давление линейно растет с глубиной; разница давления между двумя точками равна произведению удельного веса жидкости на разницу уровня между рассматриваемыми точками.