Давление в динамических системах.

Динами­ческие системы более сложны для анализа, чем стати­ческие системы и соответственно более сложной является методика проведения измерений в них. В динамической системе давление обычно определяется с помощью трех различных терминов. Kак и в статических системах, динамическое давление действует одинаково во всех направлениях. Во-вторых, динамическое давление, связанно со скоростью потока в среде. И, наконец, в-третьих, полное давление, являющееся просто сум­мой статического и динамического давлений.

Установившиеся процессы в динамических системах. При измерениях давления в динамичес­ких системах должны быть приняты некоторые меры предосторожности. Для динамической системы в ус­тановившихся состояниях точное динамическое давле­ние может быть измерено в направлении, перпенди­кулярном к потоку среды. Установившимся считается состояние динамической системы, при котором не изменяются такие параметры, как давление, ско­рость потока и т. п. На Рис.5 показана динамическая система с веществом, текущим через трубу.

В этом примере статическое давление измеря­ется у стенки трубки в точке A. Трубка, вставленная в середину потока, называется трубкой Пито-Прандтля (в дальнейшем, для простоты, будем на­зывать ее трубкой Пито). Она измеряет полное давление в точке В системы. Полное давление, из­меренное в этой точке, называется стагнационным давлением. Стагнационное давление — это значе­ние давления, полученное, когда поток среды за­медляется до нулевой скорости, в изентропическом (без трения) процессе. Этот процесс преобразует всю энергию среды в давление, которое может быть измерено. Стагнационное, или полное давление, - сумма статического и динамического давлений. Очень трудно точно измерить собственно динами­ческие давления. И когда необходимость такого из­мерения все же возникает, то измеряют общее и статическое давление и затем вычисляется их раз­ность, чтобы получить динамическое давление. Ди­намическое давление может использоваться для определения скорости среды и скорости изменения потока в динамических системах. При измерении давлений в динамических системах необходимо за­ботиться о расположении датчика. Для измерения статического давления расположение датчика дав­ления должно быть выбрано так, чтобы на измере­ние не повлиял поток в среде. Обычно, датчики располагаются перпендикулярно к направлению по­тока. На Рис.5, датчик статического давления рас­положен в стенке трубы перпендикулярно потоку. На Рис.6a, 6б и 6в датчики статического давления (в точке A) также перпендикулярны потоку.

Для измерения общего или стагнационного дав­ления важно направить трубку Пито параллельно по­току с отверстием, направленным непосредственно в поток (Рис.6б и 6в). В то время как статическое дав­ление не зависит от направления, динамическое дав­ление является вектором и зависит от величины и направления общего давления. Если трубка Пито не направлена по потоку, погрешность измерения полно­го давления может возрасти. Kроме того, для точных измерений давления отверстия датчиков и измери­тельные трубки не должны вносить турбулентности в поток. Расположение датчиков для измерения стати­ческого и полного давления должно быть также тща­тельно подобрано. Не следует располагать датчик в любой точке системы, где может быть нарушена ламинарность потока, как до датчика, так и после него. K таким точкам относятся любые преграды типа клапа­нов, разветвителей потока, насосов, крыльчаток и т. п. Чтобы увеличивать точность измерения давления в динамической системе, следует отступить по крайней мере на 10 диаметров трубы вниз по течению от пре­грады и по крайней мере на 2 диаметра трубы вверх по течению. Kроме того, диаметр трубки Пито должен быть намного (по крайней мере в 30 раз) меньше диа­метра трубы, проводящей измеряемый поток. Могут также использоваться спрямители потока, чтобы ми­нимизировать любые изменения в направлении пото­ка. При использовании трубки Пито рекомендуется также измерять статическое давление на том же уров­не, что и полное давление.

При протекании потока через трубу поля скоро­стей, полное и динамическое давление неоднородны. Около стенки любой трубы вследствие трения суще­ствует область с нулевой скоростью потока. На Рис.5 показано приближенное распределение скоростей в трубе. Форма распределения будет зависеть от со­стояния среды, потока и давления. Чтобы точно опре­делить среднее динамическое давление в сечении трубы, необходимо получить ряд значений полного давления в ее сечении. Эти измерения давления должны быть проведены при различных радиусах и углах в полярной системе или различной ширине и высоте в декартовой системе координат для сечения. Однажды сняв эту характеристику для данной трубы, можно легко вычислить корреляцию между значени­ем полного давления в центре трубы и общим сред­ним давлением. Эта методика также используется, чтобы определить скоростной профиль внутри трубы.

Переходные режимы в динамических систе­мах. В переходных режимах изменяются различные параметры системы: давление, скорость потока и т. д. Измерения в этом случае являются наиболее слож­ными. Если скорость реакции измерительной систе­мы выше, чем скорость изменений в системе, тогда с системой можно обращаться как с квазистатической. То есть измерения будут столь же точны, как в устано­вившемся состоянии. Если измерительная система должна снять как бы мгновенную картину состояния, скорость измерения должна быть достаточной, чтобы картина не "смазалась" за время измерения. В систе­ме измерения давления имеется два фактора, кото­рые определяют время отклика системы:

1) время отклика датчика давления,

2) время отклика интерфейса, передающего дав­ление от среды к датчику и содержащего подсоеди­няющие трубки, экраны и т. п.

Два примера переходных систем представляют собой стиральные машины и вентиляционные трубы в зданиях. В стиральной машине высота воды в баке измеряется косвенно, по давлению на дне бака. По мере того как бак заполняется, давление изменяется. Время, за которое заполняется бак и изменяется дав­ление намного больше, чем время отклика системы.

В вентиляционных трубах изменение давления происходит, когда вентиляционные заслонки открыва­ются или закрываются, регулируя движение воздуха внутри здания. Давление системы изменяется в зави­симости от того, сколько заслонок открыто и закрыто. Изменения давления практически мгновенны. Для большинства промышленных и строительных приме­нений, как и в рассмотренных случаях, запаздывание в системах измерения давления незначительно.

Дифференциальные датчики давления (Рис.18) используются тогда, когда необходимо измерить разницу между двумя точками приложения давления. Типичным применением дифференциального дат­чика является измерение падения давления воздуха в воздушной трубке фильтра. Если подсоединить два входа датчика, подведенных к обеим сторонам диа­фрагмы фильтра, то измеряемое давление будет рав­но падению давления на фильтре. Если фильтр чист, то это давление будет близко к нулю. При загрязне­нии фильтра датчик покажет некоторую разницу, и это будет означать, что фильтр пора менять. Относи­тельный датчик (Рис. 19) — это тот же дифференци­альный датчик, одной стороной открытый в атмосферу. Примером такого датчика является меди­цинский измеритель давления крови.

В абсолютном датчике давления доступна толь­ко одна сторона (Рис. 20). На второй стороне позади диафрагмы внутри кристалла имеется откачанный вакуумный промежуток, давление в котором и явля­ется опорным. Абсолютные датчики давления ис­пользуются в барометрах, высотомерах, измерителях давления в трубах, на метеостанциях и воздушных шарах для метеоисследований.