Определение:
Налягането е величина, характеризираща големината на натиска, действащ перпедикулярно върху единица площ.
Според международния стандарт ISO/IEC 80000, налягане наричаме отношението на силата към площта на повърхнината върху която е приложена. p = : където p – налягане, F – сила на натиск, S – площ върху която действа силата .
1. История
Голям принос в развитието на хидродинамиката и хидростатиката има френския математик, физик, религиозен философ,теолог и писател Блез Паскал (1623÷1662), който още тогава доказва че налягането, упражнявано от външни сили върху течности или газове (флоиди) се предава равномерно във всички посоки.
По точната формулировка на «Закона на Паскал» гласи, че налягането в даден флоид в равновесие е еднакво във всички негови точки на дадена дълбочина, което е тясно свързано с формулировката на основния принцип на хидростатиката.
Разликата в налягането на флуид между две точки с дадена дълбочина е равно на теглото на флоидния стълб на единица площ, имащ за височина разликата в дълбочините и сечение, равно на единицата площ.
Налягането се увеличава с нарастването на дълбочината. На 10 м дълбочина във воден басейн, налягането е два пъти по голямо от атмосферното.
От там следва формулата за налягане на течноста в произволна точка на дълбочина h P=P0+ρ.g.h,
където,P0 е налягането на повърхноста (атмосферното налягане), ако течноста е в допир с атмосферата, ρ е плътноста на течноста, а g е земното ускорение
Воден стълб с височина 10 м и сечение 1см2 тежи ≈ 1кг, налягането при основата на този воден стълб е = 1 кг/см2 =0.98 bar=98 kPa=735,6 мм Hg (живачен стълб) и т.н. в зависимост от мерната единица.
Живачния стълб е с плътност 13.59 пъти по голяма от тази на водата
Блез Паскал има голям принос в усъвършенстване на барометъра и хидравличната преса.
2. Видове налягания:
Абсолютно налягане
абсолютно налягане в дадена точка се нарича пълното натисково напрежение в точката, породено от действието на всички външни сили, включително и тези от атмосферното налягане.
Атмосферно налягане (барометрично):
атмосферно налягане е налягането създадено от тежеста на въздушния слой около земята, то действа върху всяка точка на земното кълбо. За нормално атмосферно налягане е прието налягането на височина на морското равнище и температура „20oC”
Относително налягане (манометрично):
разликата между абсолютното и атмосферното налягане
Хидростатично налягане
налягане във вътрешноста на течностите (дължи се на теглото на разположените отгоре слоеве и показанието му зависи от височината и плътноста на течноста).
Диферинцеално налягане
разликата на наляганията между две измервани точки.
3. Скали за измерване на налягане:
Съществуват две скали за измерване на налягане (абсолютна и относителна).
Абсолютната скала показва действително налягане и използва за „нула” идеалния вакуум, при нея липсват отрицателни стойности. Измереното налягане се нарича абсолютно или действително. Използва се най често в физиката а в последно време и в техниката
Относителната скала има за „нула” атмосферното налягане, което съществува при ниво на морското равнище и температура на въздуха „20” градуса по Целзий. Налягането което се измерва по тази скала се нарича още манометрично,ефективно, представлява разликата между абсолютното и атмосферното налягане. При тази скала показанията от нула (атмосферно налягане) до абсолютната нула (пълен вакуум) са отрицателни. Използва се навсякъде в бита и в техниката се работи предимно с него.
4. Единици за измерване на налягане:
метрични
Паскал (Pa)
Бар (bar)
kg/см2
kg/м2
англоамерикански
Паунд/инч2 (psi) (pounds per square inch)
Паунд/фут2 (psf)
атмосферни
Физична атмосфера (atm)
Техническа атмосфера (at)
Воден стълб
м H2O
см H2O
мм H2O
in H2O
ft H2O
Живачен стълб
м Hg
см Hg
мм Hg
in Hg
Сравнителна таблица
| Einheit | bar | mbar | kPa | psi | mWS | ft H2O | in.H2O | mmHg | in.Hg | kg/cm2 | atm | Pa |
| 1 bar | 1 | 1000 | 100 | 14.5038 | 10.1972 | 33.4553 | 401.463 | 750.064 | 29.53 | 1.01972 | 0.98692 | 0.98692 |
| 1 mbar | 0.001 | 1 | 0.1 | 0.0145 | 0.0102 | 0.03346 | 0.40146 | 0.75006 | 0.02953 | 0.00102 | 0.00099 | 0.00099 |
| 1 kPa | 0.01 | 10 | 1 | 0.14504 | 0.10197 | 0.33455 | 4.01463 | 7.50064 | 0.2953 | 0.0102 | 0.00987 | 0.00987 |
| 1 psi | 0.06895 | 68.9476 | 6.89476 | 1 | 0.70307 | 2.30666 | 27.6799 | 51.7151 | 2.03602 | 0.07031 | 0.06805 | 0.06805 |
| 1 mWS | 0.09807 | 98.0665 | 9.80665 | 1.42233 | 1 | 3.28084 | 39.3701 | 73.5561 | 2.8959 | 0.1 | 0.09678 | 0.09678 |
| 1 ft H2O | 0.02989 | 29.8907 | 2.98907 | 0.43353 | 0.3048 | 1 | 12 | 22.4199 | 0.88267 | 0.03048 | 0.0295 | 0.0295 |
| 1 in.H2O | 0.00249 | 2.49089 | 0.24909 | 0.03613 | 0.0254 | 0.08333 | 1 | 1.86833 | 0.07356 | 0.00254 | 0.00246 | 0.00246 |
| 1 mmHg | 0.00133 | 1.33322 | 0.13332 | 0.01934 | 0.0136 | 0.0446 | 0.53524 | 1 | 0.03937 | 0.00136 | 0.00132 | 0.00132 |
| 1 in.Hg | 0.03386 | 33.8639 | 3.38639 | 0.49115 | 0.34532 | 1.13293 | 13.5951 | 25.4 | 1 | 0.03453 | 0.03342 | 0.03342 |
| 1 kg/cm2 | 0.98067 | 980.665 | 98.0665 | 14.2233 | 10 | 32.8084 | 393.701 | 735.561 | 28.959 | 1 | 0.96784 | 0.96784 |
| 1 atm | 1.01325 | 1013.25 | 101.325 | 14.696 | 10.3323 | 33.8985 | 406.782 | 760 | 29.9213 | 1.03323 | 1 | 1 |
| 1 Pa | 0.00001 | 0.01 | 0.001 | 0.00014 | 0.0001 | 0.00033 | 0.00401 | 0.0075 | 0.00029 | 0.00001 | 0.0000098 | 1 |
Pressure units
|
Pressure units
|
||||||
|
(Pa)
|
(bar)
|
(at)
|
(atm)
|
(Torr)
|
(psi)
|
|
|
1 Pa
|
≡ 1 N/m2
|
10−5
|
1.0197×10−5
|
9.8692×10−6
|
7.5006×10−3
|
1.450377×10−4
|
|
1 bar
|
105
|
≡ 100 kPa
≡ 106 dyn/cm2
|
1.0197
|
0.98692
|
750.06
|
14.50377
|
|
1 at
|
9.80665×104
|
0.980665
|
≡ 1 kp/cm2
|
0.9678411
|
735.5592
|
14.22334
|
|
1 atm
|
1.01325×105
|
1.01325
|
1.0332
|
1
|
≡ 760
|
14.69595
|
|
1 Torr
|
133.3224
|
1.333224×10−3
|
1.359551×10−3
|
≡ 1/760 ≈1.315789×10−3
|
≡ 1 Torr
≈ 1 mmHg
|
1.933678×10−2
|
|
1 psi
|
6.8948×103
|
6.8948×10−2
|
7.03069×10−2
|
6.8046×10−2
|
51.71493
|
≡ 1 lbF /in2
|
5. Методи за измерване на налягане
Налягането характеризира явленията, свързани с флуидите. То играе важна роля при управлението на много технологични процеси. Разнообразието от диапазони на изменение на налягането /от абсолютен вакуум до свръх високи налягания/ е наложило много методи и средства за измерването му.
Хидростатични методи, при апаратите, базиращи се на тези методи, измерваното налягане се уравновесява от налягането, създавано от стълб течност с известна плътност и височина, пропорционална на налягането. Върху тези методи се основават живачните барометри, U – образните манометри, вакуумметри и др.
Методи, основаващи се на деформацията, която налягането предизвиква върху специални еластични преобразуватели. Еластичната сила от деформацията уравновесява силата, създавана от измерваното налягане. Като еластични елементи се използуват: тръбни пружини, мембрани, цилиндрични пружини и др. Най- голямо приложение са намерили манометрите с еластичен преобразувател.
Методи, основаващи се на механично уравновесяване на налягането, действуващо върху определена площ на подвижния му елемент. Към уредите, основаващи се на тези методи, спадат буталните манометри с механично уравновесяване. Буталните манометри се използуват като образцови уреди и притежават висок клас на точночт.
Електрически методи. Измерването на налягане при тези методи се основава на зависимостта между налягането и електрическите параметри на преобразувателния елемент. Към уредите, основаващи се на тези методи, спадат пиезоелектрическите манометри, магнитоеластичните манометри, йонизационни манометри и други получили общото наименование трансмитери за налягане.
6. Уреди за измерване на налягане
За измерване на налягане, в измерителната техника се използуват различни типове уреди. В зависимост от измерваната величина тези уреди са разделят на следните групи
Барометри – за измерване на атмосферно налягане
Манометри – измерване на свръхналягане
Течностни манометри
В техническите измервания се използуват два типа течностни манометри: U – образни и чашкови. И двата типа манометри са намерили приложение за измерване на свръхналягане, разреждане и разлика в налягане на течности и газове. Когато се измерва налягане до 7000 Ра, като работна течност се използува вода, а за налягане до 0.1 МРа, работната течност е живак.
Деформационни манометри
Тръбно-пружинни манометри
Като преобразувател на налягането в тези манометри се използува еднонавивкова или многонавивкова тръбна пружина, наречена още тръба на Бурдон
Бутални манометри
Работата на буталните манометри е в съответствие с основната дефиниция на налягането – сила, приложена върху единица площ или в случая, силата е следствие от действието на налягането върху площта на буталото и се уравновесява от поставените върху буталото еталонни тежести.
Електрически уреди за измерване на налягане
При електрическите уреди за измерване на налягане измерваната величина се преобразува директно в електрически параметър. На този принцип работят пиезоелектричните уреди, магнитоеластичните, капацитивните и други. При пиезоелектрическите манометри налягането директно се преобразува в електрически потенциал. Използват се предимно за измерване на налягане до 100 МРа. Сред посочваните им недостатъци са високото изходно съпротивление, трудностите при измерване на статично изменящи се налягания и други.
Диференциални манометри – за измерване разлики в налягания
Вакуумметри – за измерване на вакуум, когато Рабс < Ра, Pв = Pa − Pabc
7. Измерване на налягане на газове и течности
Поради това че газовете и течностите при своето движение проявяват някои общи особености, в механиката те се обединяват под общото название флуиди. Частта от механиката, в която се изучава движението на флуиди се нарича механика на флуидите.
Може би най-очевидната обща особеност, която се наблюдава при движение на течности и газове е, че движението им е съпроводено с непрекъснато и сложно изменение на формата на всяка разглеждана тяхна част. В покой газовете и течностите нямат собствена форма и приемат формата на съда, в който се намират.
При движение течностите не променят забележимо обема си, докато газовете променят обема си повече и понякога достатъчно забележимо. В покой газовете нямат собствен обем и запълват обема на съда, в който са затворени. Флуиди, които по свойства приличат повече на течности, т.е. при движение не променят обема си, се наричат несвиваеми флуиди, като типичен не свиваем флуид може да се посочи водата.
Налягане на газове
Когато газ е под налягане, молекулите му, които можe да се представят като малки сверични тела движещи се хаотично, се блъскат едно в друго и в стените на съда в който са затворени. Налягането на газ може да се изрази със следната формула.
P= 2, където, n – брой молекули в 1 m3, m – масата на молекула в (кг) и v – средната скорост на движение на молекулите в (m/s). Когато газ в затворено пространсво се загрее скороста на движение на молекулите се увеличава от там и налягането му нараства. Налягането на газовете в затворен съд действа с еднаква сила перпендикулярно на всяка точка от стените на съда.
Налягане на течности
Течностите за разлика от газавете имат много ниско ниво на свиваемост и на практика могат да се приемат за несвиваеми. При течностите за разлика от газовете, налягането се определя както от силите приложени от вън така и силите действащи от собственото тегло, което зависи от височината стълба на течноста и от нейната плътност (хидростатично налягане).
Δp=Δh.ρm.g, където. h – височина на течностния стълб, ρm – плътност на течноста и g – земното притегляне= 9.8. С тази формула се обяснява принципа на действие на U-образния манометър.
