По ту сторону нуля: абсолютная и относительная шкала давления

Этот насос создает вакуум в четверть атмосферы. И эта воздуходувка тоже создает вакуум в четверть атмосферы. Но, есть нюанс…

Насос создает достаточно глубокий вакуум, чтобы вода закипела при температуре +65 °С, а воздуходувка позволяет воде кипеть только при 92 °С. В чем же разница?

Отличие в том, откуда мы начинаем считать: со стороны атмосферы или со стороны вакуума.

В этой статье мы обсудим две шкалы для измерения давления и вакуума: абсолютную и относительную. Разберемся в их отличиях, и поймем, когда какую шкалу принято применять.

Точка отсчета

Рост человека мы измеряем от пяток до макушки. Расстояние между городами — от главпочтамта до главпочтамта. А вот откуда начать измерять давление?

У нас есть две очевидные точки старта: мы можем начать измерять давление от текущего атмосферного давления. Или можем начать с абсолютного отсутствия воздуха.

Если мы начинаем сравнивать наше текущее давление с абсолютным отсутствием воздуха, то такая шкала называется «абсолютной». А если мы меряем давление относительно текущей атмосферы, то такая шкала называется «относительной».

Пока все просто? Так и должно было быть: значения по абсолютной шкале помечаются как (абс), а значения по относительной шкале помечаются как (отн).

Но коварные люди придумали еще два термина, которые нам тоже придется выучить: остаточное и избыточное давление.

Остаточное давление — это буквально то же самое, что и давление абсолютное. Оба они отвечают на вопрос, насколько давление в сосуде больше, чем абсолютный вакуум. Чаще всего остаточное давление нас интересует в вакуумных системах. Именно там мы стремимся как можно ближе подойти к абсолютному отсутствию воздуха.

Избыточное давление — это буквально то же самое, что и относительное давление. Оно отвечает на вопрос, насколько текущее давление больше или меньше атмосферного давления в данной конкретной точке.

Еще есть дифференциальное давление. Оно отвечает на вопрос, насколько отличается давление в двух конкретных точках. У дифференциального давления нет привязки ни к относительной ни к абсолютной шкале. Это просто разница между давлениями в двух разных сосудах. Пользуются им довольно редко, поэтому подробно останавливаться на нем мы не будем.

Если мне удалось тебя запутать, то чуть позже мы посмотрим на примеры и во всем разберемся. Но сначала нам с тобой потребуется это давление в чем-то измерять.

Единицы измерения давления

Давай начнем с того, как измеряют атмосферное давление. Забудем на время про сложные цифровые устройства. Возьмем полую пустую трубу, закроем ее с одного конца герметично, а вторым концом опустим в жидкость. Теперь откачаем из нее весь воздух.

Атмосферное давление будет давить на жидкость в чаше. И жидкость будет заталкиваться в пустую трубу. По мере того, как жидкость будет подниматься все выше и выше, вес столба жидкости в этой трубе будет стремиться вытолкнуть жидкость обратно в чашу. Проще говоря, жидкость будет стремиться вытечь из трубы под собственной тяжестью.

В какой то момент вес жидкости (которая стремится вытечь вниз) сравняется с силой атмосферного давления (которое стремится затолкать жидкость вверх), и жидкость перестанет подниматься выше по трубе и зависнет на некоторой высоте.

Над жидкостью останется пустое пространство: там будут пары этой жидкости под очень-очень низким давлением, почти полный вакуум.

Так уж вышло, что на уровне моря атмосферное давление может поднять ртуть в трубке на 760 мм вверх. И поэтому принято считать, что атмосферное давление примерно равно 760 миллиметров ртутного столба. Вот тебе и первая единица измерения — миллиметр ртутного столба.

Кстати, воду это же самое атмосферное давление может поднять чуть выше десяти метров. И мы точно так же можем сказать, что атмосферное давление равно десяти метрам водяного столба. Если быть точным, то 10,33 м вод ст. Но такой точностью в гидравлике принято пренебрегать. Как ты понимаешь, вторая единица измерения давления — метр водяного столба.

Еще одна единица измерения, которая нам понадобится — это бар. Бар удобен тем, что он практически равен атмосфере (с погрешностью в 1,4 процента, но кому это важно?). То есть атмосферное давление на уровне моря равно 1 бар.

Ну а его удобно разделить на тысячу частей и получить производные единицы — миллибары. Как метр мы делим на части и получаем миллиметры, вот точно так же и с барами.

Атмосферное давление в миллибарах у нас будет ровно 1000 мБар.

1 атмосфера = 1 бар = 1000 мбар = 760 мм рт. ст. ≈ 10 м вод. ст.

Разумеется, реальное атмосферное давление каждый день разное. Его даже в прогнозе погоды объявляют каждый раз. Более того, оно отличается в зависимости от высоты над уровнем моря и временем суток. Но, как я уже говорил, в гидравлике принято такими мелочами пренебрегать (если, конечно, вы не собираетесь запускать свой насос высоко в горах).

Разбираемся на примерах

Взгляни на эту линейку:

Слева у нас полное отсутствие воздуха. По середине — атмосферное давление. А каждая клеточка — это примерно 100 мБар.

Если мы начинаем считать с самого левого края, то мы будем считать в цифрах абсолютного (остаточного) давления. Тогда любое реальное давление для нас будет положительным. Ноль мБар будет означать полное отсутствие воздуха, любое число между нулем и тысячей миллибар будет означать давление меньше атмосферы. Тысяча миллибар будет означать атмосферное давление. А числа больше тысячи миллибар будут означать давление больше атмосферы.

Измерять давление в абсолютных единицах удобно, когда мы говорим о глубоком вакууме и вакуумных насосах вообще.

Но когда мы говорим о воздуходувках, нам бывает удобнее рассуждать о том, насколько воздуходувка изменяет давление по сравнению с атмосферой. И в этом случае мы начинаем отсчет с атмосферного давления.

Взгляни на линейку:

Тут мы можем пойти как в плюс (создать давление выше атмосферы), так и в минус (создать давление меньше атмосферы, то есть вакуум).

Допустим, мы откачиваем четверть атмосферы, то есть минус 250 мБар относительного давления. Сколько это будет по абсолютной шкале?

Тысяча миллибар минус 250, остаётся 750 мБар абсолютного давления. Или три четверти атмосферы абсолютного.

А если наш насос создает вакуум в четверть атмосферы остаточного давления? Тогда мы идем по шкале абсолютного давления.

И в относительных числах это будет минус 750 мбар.

Можно пойти и выше атмосферы. Допустим, мы накачивали автомобильные шины до двух атмосфер избыточного давления. Сколько это будет в абсолютных числах?

Очевидно, что вакуума нет даже в новой камере. Там всегда что-то около атмосферного давления. Отметим нашу новую точку на шкале, и посмотрим:

Получается, что две атмосферы избыточного давления это три атмосферы абсолютного (ты же еще помнишь, что 3 тысячи миллибар это три бара, то есть три атмосферы?).

И тут есть важный момент: вправо по нашей шкале мы можем уходить бесконечно далеко. А вот влево наш путь ограничен: в нуле абсолютного давления воздух заканчивается, и больше нам откачивать нечего. А значит получить отрицательное давление по абсолютной шкале нельзя.

А что насчет относительной шкалы? Тут мы можем уйти на одну атмосферу в минус. Но не больше: ведь у нас изначально и была всего одна атмосфера воздуха. И когда она закончится, откачивать уже будет нечего.

Пойдем по приборам

Самый распространенный прибор для измерения давления — стрелочный манометр.

Он показывает относительное давление. То есть если на таком приборе стрелка показывает три бара, значит в трубопроводе на данный момент давление на три бара выше атмосферного. Три бара по относительной шкале, или четыре по абсолютной.

Стрелочный вакуумметр — тоже применяется часто. И он тоже показывает относительное давление, но уже со знаком минус. Если на вакуумметре ты видишь 300 мБар, значит это -300 мБар относительного давления или 700 мБар абсолютного.

Есть еще один стрелочный прибор — мановакуумметр. Он тоже показывает относительное давление. Но его стрелка может уйти как в плюс, при давлении выше атмосферного, так и в минус, при давлении ниже атмосферного.

Стрелочные приборы — дешевые и удобные. Но они не очень точны при глубоком вакууме. Поэтому есть целый ряд цифровых приборов: вакуумметры Пирани, мембранно-емкостные и ионные датчики. Все они выглядят довольно похоже, и предназначены для измерения абсолютного давления.

Такие приборы никогда не покажут тебе ноль. Они будут показывать все меньшие и меньше доли миллибара, пока хватает их разрешающей способности.

А вот если на вакуумметре Пирани ты видишь тысячу миллибар — значит давление в сосуде равно атмосферному.

Что в итоге

Поздравляю, теперь ты свободно ориентируешься в шкалах давления и вакуума. И даже знаешь несколько базовых единиц измерения! В следующих статьях тебе предстоит познакомиться с целым зоопарком этих самых единиц измерения. Ну а пока — хватай заслуженную печеньку и задумайся над таким вопросом:

Твой тонометр показал систолическое давление в 120 миллиметров ртутного столба. Речь идет про абсолютную или про относительную шкалу? Ответ смотри в нашей группе ВК