Повседневную жизнь на планете Земля во многом определяет вода, которая одновременно и источник жизни, и опасная стихия, и просто то, что освежает жарким летним днем. Ввиду абсолютной важности этого элемента необходим его надежный мониторинг.
Без точных измерений невозможно чем-то эффективно управлять. Планирование любых процессов от водоподготовки до очистки сточных вод и гидрометрии невозможно без правильных вводных параметров. Существует множество устройств и оборудования, позволяющих увидеть полную картину гидрометрической инфраструктуры. Однако почему-то популярным средством измерения уровня воды остается уровнемер с точностью до +/- 1 см, аналоговый, который нужно осматривать визуально и который не передает данные в цифровом формате. Но сегодня есть гораздо более совершенные и точные приборы для дистанционной передачи измеренных параметров, включая пьезорезистивные датчики для измерения уровня как поверхностных, так и грунтовых вод.
Измерение уровня с помощью датчиков давления
Датчики давления для измерения уровня устанавливаются на дне резервуара или водоема. В отличие от обычных уровнемеров, с них не считать показания не намочившись. Но в этом нет необходимости, так как пьезорезистивные датчики уровня разработаны, чтобы удовлетворять современным требованиям автоматического управления процессом. Они ведут измерения без человеческого вмешательства, что делает возможным непрерывный мониторинг уровня воды в труднодоступных местах.
Гидростатические датчики уровня измеряют гидростатическое давление на дне резервуара, где оно остается пропорциональным высоте водного столба. Кроме того, оно зависит от плотности жидкости и силы гравитации. Согласно закону Паскаля это приводит к следующей формуле:
p(h) = ρ * g * h + p0
p(h) = гидростатическое давление
ρ = плотность жидкости
g = сила гравитации
h = высота водного столба
Важные факторы для бесперебойного мониторинга уровня
Так как пьезорезистивные датчики давления размещаются на дне, они защищены от воздействия поверхностных факторов, таких как пена или мусор. Но, конечно, приборы должны быть адаптированы для подводных условий.
Например, в соленой воде лучше использовать датчик уровня в титановом корпусе. Но при возможных гальванических эффектах предпочтителен прибор из PVDF. Для большинства пресных жидкостей достаточно высококачественной нержавеющей стали. Наконец, во избежание повреждения приборов из-за молний необходимо правильное заземление.
Все данные с одного устройства
Пьезорезистивные датчики уровня можно использовать для измерения уровня в открытых водоемах и закрытых резервуарах, а также подземных вод. В открытых водах будут использоваться датчики относительного давления. В них компенсация атмосферного давления обеспечивается с помощью капиллярной трубки внутри кабеля. Датчики дифференциального давления обычно используются в емкостях, где нужно принимать во внимание слой газа, оказывающий давление на жидкость.
Так как пьезорезистивные датчики уровня работают автономно и их можно оптимизировать для очень высоких давлений, становятся возможными измерения на больших глубинах. Теоретически ограничений глубины нет, нужна лишь достаточная длина кабеля.
Кроме всего вышесказанного, стоит отметить универсальность современных датчиков. В конце концов, нас интересует не только уровень воды, очень важный фактор ее качество. Например, чистоту подземных вод можно определить по их электропроводности: чем ниже проводимость, тем чище вода. Кроме того, сегодня доступны датчики уровня, измеряющие температуру. Пьезорезистивные датчики уровня решают широкий спектр задач мониторинга, и, безусловно, стоит сделать выбор в их пользу.
Закон Паскаля для гидростатики.
В 1653 году французским ученым Б. Паскалем был открыт закон, который принято называть основным законом гидростатики.
Звучит он так:
Давление на поверхность жидкости, произведенное внешними силами, передается в жидкости одинаково во всех направлениях.
Закон Паскаля легко понимается если взглянуть на молекулярное строение вещества. В жидкостях и газах молекулы обладают относительной свободой, они способны перемещаться друг относительно друга, в отличии от твердых тел. В твердых телах молекулы собраны в кристаллические решетки.
Относительная свобода, которой обладают молекулы жидкостей и газов, позволяет передавать давление производимое на жидкость или газ не только в направлении действия силы, но и во всех других направлениях.
Закон Паскаля для гидростатики нашел широкое распространение в промышленности. На этом законе основана работа гидроавтоматики, управляющей станками с ЧПУ, автомобилями и самолетами и многих других гидравлических машин.
Определение и формула гидростатического давления
Из описанного выше закона Паскаля вытекает, что:
Величина гидростатического давления не зависит от формы сосуда, в котором находится жидкость и определяется произведением
P = ρgh , где
ρ – плотность жидкости
g – ускорение свободного падения
h – глубина, на которой определяется давление.
Для иллюстрации этой формулы посмотрим на 3 сосуда разной формы.
Во всех трёх случаях давление жидкости на дно сосуда одинаково.
Полное давление жидкости в сосуде равно
P = P0 + ρgh, где
P0 – давление на поверхности жидкости. В большинстве случаев принимается равным атмосферному.
Сила гидростатического давления
Выделим в жидкости, находящейся в равновесии, некоторый объем, затем рассечем его произвольной плоскостью АВ на две части и мысленно отбросим одну из этих частей, например верхнюю. При этом мы должны приложить к плоскости АВ силы, действие которых будет эквивалентно действию отброшенной верхней части объема на оставшуюся нижнюю его часть.
Рассмотрим в плоскости сечения АВ замкнутый контур площадью ΔF, включающий в себя некоторую произвольную точку a. Пусть на эту площадь воздействует сила ΔP.
Тогда гидростатическое давление формула которого выглядит как
Рср = ΔP / ΔF
представляет собой силу, действующую на единицу площади, будет называться средним гидростатическим давлением или средним напряжением гидростатического давления по площади ΔF.
Истинное давление в разных точках этой площади может быть разным: в одних точках оно может быть больше, в других – меньше среднего гидростатического давления. Очевидно, что в общем случае среднее давление Рср будет тем меньше отличаться от истинного давления в точке а, чем меньше будет площадь ΔF, и в пределе среднее давление совпадет с истинным давлением в точке а.
Для жидкостей, находящихся в равновесии, гидростатическое давление жидкости аналогично напряжению сжатия в твердых телах.
Единицей измерения давления в системе СИ является ньютон на квадратный метр (Н/м2) – её называют паскалем (Па). Поскольку величина паскаля очень мала, часто применяют укрупненные единицы:
килоньютон на квадратный метр – 1кН/м2 = 1*103 Н/м2
меганьютон на квадратный метр – 1МН/м2 = 1*106 Н/м2
Давление равное 1*105 Н/м2 называется баром (бар).
В физической системе единицей намерения давления является дина на квадратный сантиметр (дина/м2), в технической системе – килограмм-сила на квадратный метр (кгс/м2). Практически давление жидкости обычно измеряют в кгс/см2, а давление равное 1 кгс/см2 называется технической атмосферой (ат).
Между всеми этими единицами существует следующее соотношение:
1ат = 1 кгс/см2 = 0,98 бар = 0,98 * 105 Па = 0,98 * 106дин = 104 кгс/м2
Следует помнить что между технической атмосферой (ат) и атмосферой физической (Ат) существует разница. 1 Ат = 1,033 кгс/см2 и представляет собой нормальное давление на уровне моря. Атмосферное давление зависит от высоты расположения места над уровнем моря.
Измерение гидростатического давления
На практике применяют различные способы учета величины гидростатического давления. Если при определении гидростатического давления принимается во внимание и атмосферное давление, действующее на свободную поверхность жидкости, его называют полным или абсолютным. В этом случае величина давления обычно измеряется в технических атмосферах, называемых абсолютными (ата).
Часто при учете давления атмосферное давление на свободной поверхности не принимают во внимание, определяя так называемое избыточное гидростатическое давление, или манометрическое давление, т.е. давление сверх атмосферного.
Манометрическое давление определяют как разность между абсолютным давлением в жидкости и давлением атмосферным.
Рман = Рабс – Ратм
и измеряют также в технических атмосферах, называемых в этом случае избыточными.
Случается, что гидростатическое давление в жидкости оказывается меньше атмосферного. В этом случае говорят, что в жидкости имеется вакуум. Величина вакуума равняется разнице между атмосферным и и абсолютным давлением в жидкости
Рвак = Ратм – Рабс
и измеряется в пределах от нуля до атмосферы.
Свойства гидростатического давления
Гидростатическое давление воды обладает двумя основными свойствами:
Оно направлено по внутренней нормали к площади, на которую действует;
Величина давления в данной точке не зависит от направления (т.е. от ориентированности в пространстве площадки, на которой находится точка).
Первое свойство является простым следствием того положения, что в покоящейся жидкости отсутствуют касательные и растягивающие усилия.
Предположим, что гидростатическое давление направлено не по нормали, т.е. не перпендикулярно, а под некоторым углом к площадке. Тогда его можно разложить на две составляющие – нормальную и касательную. Наличие касательной составляющей из-за отсутствия в покоящейся жидкости сил сопротивления сдвигающим усилиям неизбежно привело бы к движению жидкости вдоль площадки, т.е. нарушило бы её равновесие.
Поэтому единственным возможным направлением гидростатического давления является его направление по нормали к площадке.
Если предположить что гидростатическое давление направлено не по внутренней, а по внешней нормали, т.е. не внутрь рассматриваемого объекта а наружу от него, то вследствие того, что жидкость не оказывает сопротивления растягивающим усилиям – частицы жидкости пришли бы в движение и её равновесие было бы нарушено.
Следовательно, гидростатическое давление воды всегда направлено по внутренней нормали и представляет собой сжимающее давление.
Из этого же правило следует, что если измениться давление в какой-то точке, то на такую же величину измениться давление в любой другой точке этой жидкости. В этом заключается закон Паскаля, который формулируется следующим образом: Давление производимое на жидкость, передается внутри жидкости во все стороны с одинаковой силой.
На применение этого закона основываются действие машин, работающих под гидростатическим давлением.
Ещё одним фактором влияющим на величину давления является вязкость жидкости, которой до недавнего времени приято было пренебрегать. С появлением агрегатов работающих на высоком давлении вязкость пришлось так же учитывать. Оказалось, что при изменении давления, вязкость некоторых жидкостей, таких как масла, может изменяться в несколько раз. А это уже определяет возможность использовать такие жидкости в качестве рабочей среды.
Вместе со статьей “Гидростатическое давление
Гидростатическое давление – это давление, производимое на жидкость силой тяжести.
Гидростатикой называется раздел гидравлики, в котором изучаются законы равновесия жидкостей и рассматривается практическое приложение этих законов.
Для того, чтобы понять гидростатику необходимо определиться в некоторых понятиях и определениях.
В этой статье мы подготовили для Вас, всю необходимую информацию о гидростатическом давлении, начиная от закона Паскаля и определения формулы гидростатического давления и до свойств давления и применения законов гидростатики в повседневной жизни.
