Выбор предпочтительной единицы давления
- Авторы: Бондарев В.Н.1, Онучин М.Ф.2
-
Учреждения:
- Научно-промышленная ассоциация производителей холодильного оборудования «Холодпром»
- ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В. Б. Шнеппа»
- Выпуск: Том 91, № 10 (2002)
- Страницы: 26-28
- Раздел: Статьи
- URL: https://freezetech.ru/0023-124X/article/view/105845
- DOI: https://doi.org/10.17816/RF105845
- ID: 105845
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Многолетняя практика использования Международной системы единиц СИ (SI) согласно ГОСТ 8.417-81 «Единицы физических величин» показала, что применение предлагаемых в ней единиц давления приводит при расчетах к произвольным и непроизвольным ошибкам. Рассмотрим причины возникающих недоразумений и возможность избежать их.
Ключевые слова
Полный текст
Многолетняя практика использования Международной системы единиц СИ (SI) согласно ГОСТ 8.417-81 «Единицы физических величин» показала, что применение предлагаемых в ней единиц давления приводит при расчетах к произвольным и непроизвольным ошибкам. Рассмотрим причины возникающих недоразумений и возможность избежать их.
Метрическая система МКГСС. Единица силы, силы тяжести F=(единица массы)•(величина ускорения, равная стандартному ускорению свободного падения)=1(кг-масса)х 9,806 65 м / с2= 9,806 65 (кг-масса)•м/с2. Для удобства и упрощения расчетов эта дробная единица силы условно обозначена как 1 (килограмм-сила) = 1 кгс.
Единица давления р = FIS = 1 кгс / м2 (0,073 556 1 мм рт. ст.).
По своему значению данная основная единица давления далека от получившей всеобщее мировое признание величины нормального давления, которая точно соответствует величине физической атмосферы 1 атм, равной среднему барометрическому давлению 760 мм рт. ст., измеряемому ртутным барометром на уровне моря при температуре столба ртути 0 °С. Наиболее близкой к величине 1 атм оказалась десятичная кратная единица давления с размерностью кгс/см2, названная технической атмосферой: 1 ат = 1·104 кгс / м2=1 кгс/см2 (735,561 мм рт. ст.).
Техническая атмосфера не соответствует ряду стандартизированных десятичных кратных единиц физических величин. Тем не менее она получила широкое распространение в большинстве стран мира благодаря своей близости к наиболее естественной для человека величине атмосферного давления.
Отношение 1 атм/1 ат= 1,033 22 характеризует степень близости величины технической атмосферы к величине физической атмосферы. Любые значения абсолютного или избыточного давления, выраженные в технических атмосферах, легко осмысляются, так как являются практически кратными или дольными единицами от величины атмосферного давления, которая играет существенную роль при создании компрессорного и другого оборудования в различных областях техники.
Международная система единиц СИ.
Единица силы, силы тяжести F=1(кг-масса)•1 м / с2 = 1 ньютон = 1 Н.
Единицей давления и напряжения согласно принятой в 1960 г. Международной системе СИ является 1 паскаль: р = FIS = = 1 кг/(м·с2)=1 Н/м2=1 паскаль=1 Па (7,500 64-10-3 мм рт. ст.).
Для устранения неудобств применения основных и производных единиц системой СИ допускается использование десятичных дольных и кратных единиц, которые образуются умножением исходных единиц на один из множителей М, получаемых из уравнения М=103n, где п - целое отрицательное или положительное число в диапазоне от -6 до +6. В результате применения данного уравнения для образования десятичных кратных единиц образуется следующий ряд: МО3- МО6- МО9- МО12- МО15- МО18, т.е. кило-, мега-, гига-, тера-, пета- и экса-. Впоследствии этот ряд был дополнен внесистемными числами МО' и МО2, т.е. дека- и гекто-.
Установленные в системе СИ десятичные кратные паскалю единицы давления:
1 декапаскаль=1 даПа=МО1 Па;
1 гектопаскаль=1 гПа=МО2 Па;
1 килопаскаль=1 кПа=МО3 Па (7,500 64 мм рт. ст.);
1 мегапаскаль=1 МПа=МО6 Па (7 500,64 мм рт. ст.);
1 гигапаскаль=1 ГПа=МО9 Па и т.д.
Заметим, что все стандартизированные в системе СИ десятичные кратные паскалю единицы давления далеки по своей величине от нормального давления (760 мм рт. ст.).
Степень близости величин 1 МПа и 1 кПа к величине нормального давления составляет соответственно 0,1013 и 101Д
Отношения между единицами давления в системах единиц МКГСС и СИ.
1 ат=98 066,5 Па=9 806,65 даПа=98,066 кПа=0,0980665 МПа =0,9800665·104 ГПа;
1 атм = 101 325 Па= 10 132,5 даПа= 101,325 кПа = = 0,101 325 МПа = 0,101325·103 ГПа.
Заметим, что пересчет целых числовых значений давления с размерностью кгс/см2 в числовые значения давления с размерностью 1·106 Н/м2 (1 МПа) не приводит к целым числам.
Последствия перехода на новую единицу величины давления. В процессе осмысления числовых значений давления человеку наиболее естественно сопоставлять эти значения с обычной для него величиной атмосферного давления точно так же, как осмысляются космические расстояния с помощью единицы длины световой год, равной 9,46-1015 км. В компрессоростроении имеют дело чаще всего с давлениями, равными атмосферному давлению на суше и выше него. Однако в соответствии с ГОСТ 8.417-81 эти величины давления приходится измерять смежными с физической атмосферой и довольно далекими от величины барометрического давления десятичными кратными паскалю единицами:
1 МПа (7500,64 мм рт. ст.) или 1 кПа (7,500 64 мм рт. ст.). Действительно, в процессе осмысления заявленных значений давления, выраженных в мегапаскалях или килопаскалях, возникает интуитивная потребность в сопоставления этих значений с атмосферным давлением путем пересчета! использованием равенств
1 кПа = 0,010 197 16 ат или 1 МПа = 10,197 16 ат.
При этом возникают крупные непроизвольные ошибки в тех случаях, когда необходимый для осмысления пересчета чисел машинально забывают произвести. Кроме того, для упрощения пересчета обычно применяют приблизительные равенства 0,1 МПа ∼ 1 ат и 100 кПа ∼ 1 ат, что приводит к произвольной ошибке, равной 1,97 %.
Основная причина показанных неудобств и возможных ошибок кроется в том, что имеющаяся в наличии кратная паскалю единица давления 1 бар, равная 1·105 Па (точно) и по своей величине близкая к нормальному давлению, объявлена в системе СИ внесистемной единицей и допускается к практическому применению временно из-за несоответствия по ряду формально стандартизированных десятичных кратных паскалю единиц давления. В связи с этим в бывшем СССР было принято неосмотрительное решение: не рекомендовать к практическому применению единицу давления 1 бар, это и было зафиксировано в ГОСТ 8.417-81 со всеми вытекающими отсюда последствиями.
В 1968 г. было принято международное соглашение установить внесистемную единицу 2·10-5 Па в качестве исходного уровня звукового давления. Более того, под давлением общественности было принято решение допускать временно вез указания срока) использование других единиц, в том числе единицы измерения частоты вращения с размерностями об/с и об/мин, а также давления с размерностью бар. С целью достижения единообразия в результатах измерения механического напряжения принята единица 1 Н/мм2.
Кратная единица давления, временно допускаемая в системе СИ.
Единица давления 1 бар = 1·105 кг/(м-с2) = 1·105 Н/м2 = 1·105 Па точно. Отношения единицы 1 бар с единицами давления в системе МКГСС: 1 бар=1,019 716 ат=0.986 9 26 атм; 1 ат=0,980 665 бар. Степень близости величины 1 бар к величине нормального давления составляет: 1 атм/1 бар=1,013 25.
Единица давления 1 бар не соответствует нормализованному ряду десятичных кратных единиц (1 бар=1·105 Па точно), но она кратна паскалю и практически совпадает с наиболее естественной для человека среднегодовой величиной атмосферного давления (1 бар=750,064 мм рт. ст.), с получившей мировое признание величиной нормального давления 760 мм рт. ст., а также с технической ( 1 бар=1,019 716 ат) и физической ( 1 бар=0,986 926 атм) атмосферой. Заметим, величина 1 бар находится между величинами 1 ат и 1 атм, а также почти совпадает со средней величиной обычно наблюдаемого барометрического давления на суше в равнинной местности. Допущение равенства 1 ат=1 бар хотя и приводит к произвольной ошибке в 1,36% при пересчетах, но эта ошибка на 31% меньше произвольной ошибки, возникающей при допущении равенства 1 ат=0,1 МПа.
Единица измерения 1 бар удобна в применении практически во всем диапазоне наиболее часто встречающихся в рынке контролируемых величин избыточного и абсолютного давлений, а именно: от 1 миллибар=1 мба =0,001 бар до 10 килобар=10 кбар=10 000 бар.
Следовательно, стандартизированные десятичные кратные паскалю единицы давления, предназначенные для давлений в диапазоне от 1 гПа=1·102 Па до 1 ГПа=1·109 Па оказалось возможным заменить близкой к нормальному давлению и временно (без указания срока) допускаемой к практическому применению системой СИ одной единицей 1 бар.
Абсолютное значение давления, выраженное через бар, можно условно обозначить как рабс.бар, а избыточное давление - ризб.бар. Поскольку 1 бар практически совпадает со средней величиной изменяющегося барометрического давления на суше в равнинной местности, в обычных инженерных расчетах компрессорного и другого оборудования с достаточной степенью точности можно допустить равенство ризб.бар= рабс.бар - 1 бар. Следовательно, при целых числах задаваемого в барах абсолютного давления можно получать целые числовые значения в барах и для избыточного манометрического давления (см. рисунок). Рассчитанное с учетом равенства ризб.бар=рабс.бар – 1 бар компрессорное и другое оборудование будет эксплуатироваться в более близких к расчетным условиях, нежели оборудование, рассчитываемое в настоящее время с учетом равенства ризб.Мпа=рабс.МПа - 0,0981 МПа.
Численный пример влияния выбираемого значения барометрического давления на значение избыточного давления при заданном для расчета оборудования абсолютном значении давления: А — выбор барометрического давления 1 атм = 760 мм рт. ст. при заданном абсолютном давлении 2 ата. В — выбор барометрического давления 1 ат = 735,561 мм рт. ст. при заданном абс. давлении 2 ата. С — выбор барометрического давления 1 бар = 750,064 мм рт. ст. при заданном абс. давлении 2 бар абс. Примечание. Среднегодовое значение барометрического давления в Москве составляет 750 мм рт. ст.
Практически все зарубежные компрессоростроительные и другие фирмы при переходе на Международную систему единиц СИ безоговорочно приняли решение применять временно допускаемую десятичную кратную паскалю единицу 1 бар в качестве предпочтительной кратной единицы давления. Такое решение объясняется необходимостью, которая подобна необходимости постоянно допускать к практическому применению внесистемные единицы год, месяц, сутки, час, мин, астрономическая единица, световой год и т.д.
В текстах стандартов, разработанных Международной организацией по стандартизации, используется размерность бар наравне с размерностями Па, даПа, гПа, кПа, МПа и др.
В отличие от российских известные зарубежные издательства научно-технической литературы проводят демократическую политику в отношении используемых авторами статей единиц давления. К опубликованию принимаются материалы, в которых величины давлений выражены в прежних или в новых единицах. В подавляющем большинстве публикаций за последние годы численные значения давлений выражены через размерность бар.
Известно, что любое временно допускаемое в каком- либо законе положение вызвано необходимостью, которая через определенный период времени предположительно должна потерять свою актуальность. В тех случаях, когда необходимость продолжает сохранять востребованность, временно допускаемое положение остается постоянно действующим. Нечто подобное произошло с единицей 1 бар, востребованность которой остается и после более чем 40- летнего освоения системы единиц СИ. Международную рекомендацию допускать временно к практическому применению внесистемные единицы бар, об/с, об/мин, морская миля, карат и некоторые другие единицы следует рассматривать как предложение выяснить со временем (без указания срока) необходимость их применения постоянно, а не как закон, требующий срочно исключить эти единицы из обращения.
Попытка силовым государственным решением в бывшем СССР всемерно избегать применения единиц давления мм рт. ст., мм вод. ст., кгс/см2и бар не привела к желаемым результатам. В физических исследованиях и испытаниях оборудования по-прежнему применяются единицы давления мм рт. ст. и мм вод. ст. Техдокументация на оборудование разрабатывается с расточительным параллельным использованием МПа (или кПа) и кгс/см2 не без возможных при пересчетах произвольных и непроизвольных ошибок.
Много ошибок возникает в пересчетах величин давления при многочисленных поисках необходимого заказчикам оборудования с помощью ранее созданных в ЦИНТИхимнефтемаше на основе единицы давления 1 ат баз данных АФИПС (автоматизированных фактографических информационно-поисковых систем) по компрессорному, холодильному и другому оборудованию. Актуализация и перевод баз данных на размерность 1·106 Н/м2(1 МПа) величин давления приводит к множеству дробных числовых его значений, которые усложняют работу с базами данных и проведение диалогов при поисках оборудования.
В сфере эксплуатации оборудования отдается предпочтение единице давления 1 кгс/см2 из-за реальной опасности ошибки в оценке величин давления при переходе на стандартизированные единицы давления. По этой причине предприятия-изготовители до сих пор часто выпускают оборудование, оснащенное манометрами с градуировкой шкал в единицах кгс/см2. Поставляемое в Россию импортное оборудование оснащается манометрами со шкалами в барах. Использование в сфере эксплуатации манометров с градуировкой шкал в кгс/см2, МПа, кПа, бар и даже в фунтах па квадратный дюйм не способствует приобретению обслуживающим персоналом необходимых четких навыков в оценке величин давления.
Все перечисленные и, возможно, упущенные недостатки можно исключить применением единицы давления 1 бар.
Выводы. Популярность той или иной единицы измерения зависит в первую очередь от равенства ее значения какой-либо из естественных для человека величин. Проверка временем показала, что формальный подход при стандартизации десятичных кратных паскалю единиц без учета указанного фактора не приводит к желаемым результатам. Популярность единиц кгс/см2, мм рт. ст. и мм вод. ст. остается по-прежнему высокой точно так же, как популярность полученных ранее на основе естественных для человека исходных величин многих внесистемных единиц в том числе карат, морская миля, астрономическая единица, световой год, сутки, месяц, год, об/мин, об/ч и т.д., в связи с удобством их восприятия по сравнению с подобными единицами, регламентированными Международной системой единиц СИ.
Представляется необходимым дополнить ряд стандартизированных в ГОСТ 8.417-81 десятичных кратных паскали единиц давления весьма важной для компрессоростроения других областей техники единицей давления в барах в еле дующем порядке: 1 кПА (1·103 Па), 1 бар (1·105 Па), 1 МП (1·106 Па) и далее без изменения.
Ряд выраженных в технических атмосферах предпочтительных чисел по ГОСТ 12445-80, в соответствии с требованиями которого выбирают номинальные значения давлений для разрабатываемого оборудования, может быт адаптирован к кратной единице давления 1 бар без каких-либо технических и других затруднений.
В базах данных АФИПС по компрессорному и другому оборудованию вполне допустимо сохранить для решения информационных задач ранее введенное большое множество цифровых значений давления в технических атмосферах без и пересчета (путем простой замены размерности кгс/см2 на размерность бар, так как 1 ат = 0,981 бар).
Использование единицы 1 бар позволяет сохранить и при менять в дальнейшем привычный вид марок компрессорного и другого оборудования, в унифицированные обозначения которых входят для информативности числовые значения давления.
Применение размерности бар не сдерживается отечественной промышленностью контрольно-измерительных прим ров. По требованию заказчиков предприятия-изготовители готовы поставлять манометры и вакуумметры с любой градуировкой шкал, в том числе с двойной.
Подавляющее большинство компрессоростроительных и других зарубежных фирм при освоении Международной системы единиц СИ безоговорочно приняли решение перейти к применению единицы 1 бар в качестве предпочтительном десятичной кратной паскалю единицы давления. В англоязычных и других странах, в которых ранее применялись неметрические системы единиц, сейчас используются манометры с двойной градуировкой шкалы: в барах и в фунтах и квадратный дюйм.
Обособленное от других стран мира отрицательное отношение в России к применению бар для обозначения величины давления не способствует процессу мировой интеграции в преподавании, а также в исследовании, производстве и эксплуатации оборудования, работающего под давлением и вакуумом.
Таким образом, в настоящее время нет причин отказав обозначения величины бар для давления и нет оснований прогнозировать отказ от нее в обозримом будущем.
Об авторах
В. Н. Бондарев
Научно-промышленная ассоциация производителей холодильного оборудования «Холодпром»
Автор, ответственный за переписку.
Email: info@eco-vector.com
канд. техн. наук
РоссияМ. Ф. Онучин
ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В. Б. Шнеппа»
Email: info@eco-vector.com
Россия