Методы измерения атмосферного давления

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВПО «УДМУРТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

Институт нефти и газа им. М.С. Гуцериева

 

 

Специальность 131011 – Эксплуатация и обслуживание объектов добычи нефти.

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Метрология, квалиметрия и стандартизация»

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил

студент группы ЗСБ-131011- 34(К)     Гаврилов С.А.

 

 

 

 

Проверил:         Миловзоров Г.В.

 

 

 

 

 

 

Ижевск - 2013 г.

 

 

Содержание

1. Общие сведения.

2. Единицы и методы  измерения давления.

3. Методы измерения атмосферного давления.

4. Краткие сведения о  погрешностях.

5. Список используемой  литературы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Общие сведения.

В зависимости от назначения приборы для измерения давления делятся на следующие основные группы:

Манометры — для измерения избыточного давления. 
Мановакуумметры — для измерения вакуумметрического и избыточного давлений.

Вакуумметры — для измерения вакуумметрического давления (вакуума).

Барометры — для измерения атмосферного давления.

Баровакуумметры — для измерения абсолютного давления.

Дифференциальные манометры — для измерения разности давлений. 
По принципу действия все приборы для измерения давления можно разделить на жидкостные, пружинные, грузопорш-невые и с дистанционной передачей показаний.

Приборы, в которых измеряемое давление уравновешивается весом столба жидкости, а изменение уровнен жидкости в сообщающихся сосудах служит мерой давления, называются жидкостными. К этой группе относятся чашечные и U-образ-шые манометры, дифманометры и др. 
Пружинными приборами называются приборы, в которых измеряемое давление уравновешивается силами упругости пружины, деформация которой служит мерой давления. К этой группе относятся разнообразные приборы, отличающиеся по виду пружин (мембраны, сильфоны, манометрические трубки). Благодаря простоте конструкции и удобству пользования пружинные приборы получили широкое применение в технике.

Грузопоршневыми приборами называются приборы, в которых измеряемое давление уравновешивается усилием, создаваемым калиброванными грузами, воздействующими на свободно передвигающийся в цилиндре поршень.

К приборам с дистанционной передачей показаний относятся приборы, в которых используются изменения тех или иных электрических свойств вещества (электрического сопротивления проводников, электрической емкости, возникновение электрических зарядов на поверхности кристаллических минералов и др.) под действием измеряемого давления. К таким приборам относятся манганиновые манометры сопротивления, пьезоэлектрические манометры с применением кристаллов кварца, турмалина или сегнетовой соли, емкостные манометры, ионизационные манометры и др.

По метрологическому назначению измерительные приборы делятся на образцовые и рабочие. Образцовыми измерительными приборами называются приборы, предназначенные для поверки других измерительных приборов. Образцовые манометры имеют следующие классы точности :0,05; 0,2 — грузопоршневые манометры; 0,16; 0,25; 0,4 — пружинные манометры. 
Рабочими измерительными приборами называются все измерительные приборы, служащие для непосредственных измерений. Рабочие манометры имеют классы точности 0,5; 1; 1,5; 2,5; 4.

 

2. Единицы и методы измерения давления.

Давление является одной из характеристик состояния жидких и газообразных тел. Давление представляет собой распределенную силу, действующую нормально к поверхности, которая омывается газом или жидкостью. В связи с этим единица давления должна представлять производную от единиц силы и площади.

В практике технических измерений в СССР в качестве единицы давления чаще всего применяется техническая атмосфера. Эта величина определяется как давление, испытываемое плоской поверхностью с поперечным сечением в один квадратный сантиметр под действием равномерно распределенной нагрузки в один килограмм. Техническая атмосфера обозначается ат и равна  
1 кгс/см2 (98066,5 н/м2). Кроме технической атмосферы, применяются и другие единицы давления. Для измерения малых давлений и перепадов давления служат единицы в мм рт. ст., мм вод. ст. и м вод. ст.

1 мм. рт. ст. определяется как давление, оказываемое на горизонтальную поверхность столбиком ртути высотой в .1 мм при ускорении свободного падения 980,665 см/сек2 и температуре 0°С.

1 мм. под. ст. определяется как давление водяного столбика высотой в 1 мм при том же ускорении и при температуре + 4°С. Между технической атмосферой и этими единицами давления существует зависимость: 
1 кгс/см2 = 735,56 мм рт. ст.; 1 кгс/см2=10 м. вод. ст. = 10000 мм вод. ст. 
Нормальной величиной атмосферного давления принято давление 760 мм. рт. ст., которое (называется физической атмосферой и обозначается атм. Вес столба ртути высотой 760 мм при площади поперечного сечения 1 см2 равен 1,033 кгс. Отсюда 1 атм— 1,033 кгс/см2=760 мм рт. ст. = 10,333 м вод. ст., а 1 кгс/см2 = 0,968 атм.

Достоинством единиц измерения мм рт. ст. и мм вод. ст. является их наглядность н удобство применения для градуировки жидкостных приборов. Недостаток этих единиц заключается в том, что они не имеют размерности давления и величина давления соответствует высоте столба жидкости только при определенных температурах (0 или + 4°С) и при ускорении свободного падения, принятых в определении этих единиц. Если не вносить на эти величины поправки, то это влечет за собой погрешность. 
В метеорологии применяется единица давления миллибар, которая, является производной от бара (1 бар). Техническая атмосфера и эти единицы находятся по отношению друг к другу в следующей зависимости: 
1 кгс/см2 = 0,981 бар - 981 мбар; 1 мбар - 0,001 бар — 1,02 *103 кгс/см2.

В научных н технических измерениях в зависимости от природы контролируемого процесса или исследуемого явления берется или абсолютное давление Ри, или избыточное давление р.

При измерении абсолютного давления за начало отсчета принимается абсолютный нуль давления, который можно представить как давление внутри сосуда после полной откачки из пего воздуха, т. е. как давление “пустоты”. Для измерения абсолютного давления применяются манометры абсолютного давления. Абсолютное давление атмосферы измеряется барометрами, и поэтому атмосферное давление часто называется барометрическим.

Избыточное давление — это разность между абсолютным и барометрическим давлениями. При этом подразумевается, что 
абсолютное давление среды выше атмосферного и они между собой связаны соотношением Р=Ра - Рб. (1)

Избыточное давление измеряется в кгс/см2, а при малой величине — ,в мм рт. ст. или мм вод. ст. Приборы, измеряющие избыточное давление, называются манометрами.

Если абсолютное давление меньше атмосферного, то избыточное давление окажется отрицательным, и в этом случае оно называется вакуумметрическим давлением Рв= Рб -Ра , (2)

где, Ра - вакуумметрическое давление (Ра < Рб ).

Вакуумметрическое давление измеряется в мм рт. ст. или мм вод. ст. Для измерения вакуумметрического давления применяются приборы, называемые вакуумметрами. 
Способы измерения давлении основываются главным образом на уравновешивании действующих усилий при помощи столба жидкости или за счет деформации различного рода пружин.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Методы измерения атмосферного давления.

Атмосферное давление обычно принимается равным 100 кПа на высоте уровня моря, но может меняться в зависимости от высоты и погоды. Если абсолютная величина давления жидкости остается постоянной, то относительное давление той же жидкости будет изменяться в зависимости от изменения атмосферного давления. Например, когда автомобиль едет вверх по склону горы (атмосферное давление падает), относительное давление в шинах поднимается. Были определены некоторые стандартные величины атмосферного давления, например, 101.325 кПа или 100 кПа.

В некоторых инструментах одно из этих значений может использоваться в качестве точки отсчета вместо фактического значения давления окружающего воздуха. Это уменьшает точность этих приборов, особенно при использовании на больших высотах. Если атмосферное давление используется как точка отсчета, после единиц измерения обычно ставится буква g, например - 30 psi (pound per square inch – фунтов на квадратный дюйм) g. Это означает, что измеряемое давление равно разности абсолютного и атмосферного давления. Есть два вида установки нулевого (эталонного) значения для измерителя: для вентилируемого прибора и для герметично закрытого измерителя. Для вентилируемого измерителя датчик давления допускает воздействие внешнего давления воздуха на отрицательную сторону мембраны, воспринимающей давление, через вентилируемый кабель или отверстие в приборе так, чтобы прибор всегда измерял давление, соотносясь с атмосферным давлением. Таким образом, датчик давления вентилируемого прибора всегда должен измерять нулевое давление так, чтобы был открыт доступ воздуха. Для герметично закрытого измерителя процедура очень похожа, кроме того, что отрицательная сторона мембраны герметично закрыта. Обычно это применяется для приборов, измеряющих высокое давление, например, в гидравлике, где влияние изменения атмосферного давления на точность прибора пренебрежимо мало, поэтому вентиляция не является необходимой. Это также позволяет некоторым производителям предусматривать дополнительную защитную оболочку в качестве еще одной меры предосторожности на случай, если давление разрыва основной воспринимающей мембраны будет превышено. Есть другой способ установки нулевого значения герметично закрытого измерителя - на обратной стороне воспринимающей мембраны. В этом случае сигнал на выходе смещается так, что показания датчика давления при измерении атмосферного давления близки к нулю. Показания датчика при установке нулевого значения для герметично закрытого измерителя никогда не будут точно равняться нулю, поскольку атмосферное давление постоянно изменяется и качество нулевого значения в этом случае устанавливается давление в 1 бар.

Измерение абсолютного давления связано с понятием абсолютного вакуума. Лучшим примером абсолютного эталонного давления является атмосферное или барометрическое давление. При изготовлении датчиков абсолютного давления производитель создает вакуум высокого разряжения за воспринимающей мембраной. Если к соединению датчика абсолютного давления имеется доступ воздуха, датчик покажет текущее значение барометрического давления. Единицы измерения давления Паскаль (Pa, Па) Бар (bar, бар) Техническая атмосфера (at, ат) Физическая атмосфера (atm, атм) Миллиметр ртутного столба (мм рт.ст.,mmHg, Torr, торр) Фунт-сила на кв. дюйм (psi) 1 Па 1 Н/м2 10−5 10,197·10−6 9,8692·10−6 7,5006·10−3 145,04·10−6 1 бар 105 1·106 дин/см2 1,0197 0,98692 750,06 14,504 1 ат 98066,5 0,980665 1 кгс/см2 0,96784 735,56 14,223 1 атм 101325 1,01325 1,033 1 атм 760 14,696 1 мм рт.ст. 133,322 1,3332·10−3 1,3595·10−3 1,3158·10−3 1 мм рт.ст. 19,337·10−3 1 psi 6894,76 68,948·10−3 70,307·10−3 68,046·10−3 51,715 1 фунт/дюйм2 В системе СИ единицей измерения давления является паскаль, равный одному ньютону на квадратный метр (Н·м-2 или кг·м−1·с−2).

Официальное название этой единицы было принято в 1971 году, а до этого давление, согласно СИ, измерялось в Н·м-2. При указании значений давления, в скобках, после единиц измерения, указывается - относительным или абсолютным является значение. Например - 101 кПа (абс.). Такая единица измерения давления, как фунт на квадратный дюйм (psi), до сих пор широко используется в США и Канаде, например, при измерении давления воздуха в шинах. Часто к обозначению этих единиц добавляется буква, которая указывает на точку отсчета измерения: psia для абсолютных значений, psig для относительных, psid для перепада давления, хотя это не приветствуется со стороны Национального института стандартов и технологий. Поскольку традиционно давление измерялось по своей способности изменять высоту столба жидкости в манометре, давление часто измеряется в единицах высоты столба определенной жидкости (например, дюймах водяного столба). Чаще всего используется ртуть (Hg) и вода; вода нетоксична и общедоступна, а плотность ртути позволяет измерять давление при помощи столба меньшего объема (т.е. манометр будет более компактным). Плотность жидкостей и сила тяжести могут изменяться в зависимости от местных факторов, поэтому высота столба жидкости не всегда позволяет измерить давление достаточно точно. Если в настоящее время значение давления указывается где-либо в «миллиметрах ртутного столба» или «дюймах ртутного столба», эти значения не подразумевают существование реального ртутного столба и могут быть представлены в единицах системы СИ. Единицы, основанные на высоте водяного столба, связаны с одним из первоначальных определений килограмма как массы одного литра воды. Несмотря на неодобрение современных специалистов по измерениям, эти единицы измерения давления до сих пор используются во многих областях. Кровяное давление измеряется в миллиметрах ртутного столба в большинстве стран мира, а давление в легких – в сантиметрах водяного столба. Давление в газопроводах измеряется в дюймах водяного столба, эти единицы указываются как 'inch WC' ('Water Column'). Аквалангисты пользуются простым эмпирическим правилом: давление на глубине 10 метров, приблизительно, равно одной атмосфере. В вакуумных системах давление в основном измеряется в миллиметрах, микрометрах и дюймах ртутного столба. В миллиметрах и микрометрах обычно измеряется абсолютное давление, а в дюймах – относительное. Атмосферное давление обычно указывают в килопаскалях (кПа) или атмосферах, однако, метеорологи в США предпочитают гектопаскали (гПа) и миллибары (мбар). В США и Канаде при инженерных расчетах напряжение часто измеряется в килофунтах (kip – сокращенно от kilopound). Однако напряжение не эквивалентно давлению, поскольку не является скалярной величиной. В системе СГС (сантиметр-грамм-секунда) единица измерения давления называлась «барье» (ba) и равнялась 1дин·см−2. В системе МТС (метр-тонна-секунда) единицей давления была пьеза, эквивалентная 1 стену на квадратный метр. Также используется много гибридных единиц, таких как мм рт.ст./см² или грамм-силы/см² (иногда как кг/ см² или г/моль2 без указания единиц силы). Использование названий «килограмм-сила», «грамм-сила» недопустимо в системе СИ, поскольку единицей силы в СИ является ньютон (Н).