Единицы давления просты, но исходная точка отсчёта — нет
Большинство преобразований давления выполняются простым умножением — пси в кПа, бар в атм — и не вызывают больше проблем, чем преобразование любой другой пары единиц. Настоящая, связанная с безопасностью ошибка в измерении давления — это не ошибка коэффициента преобразования вообще. Это использование двух чисел, которые измеряют давление относительно разных исходных точек отсчёта, и их сравнение как сравнимых величин.
Избыточное и абсолютное давление — это не одна и та же величина
Избыточное давление измеряется относительно окружающего атмосферного давления — показание манометра 0 означает «то же самое, что и воздух вокруг него», а не «отсутствие давления». Абсолютное давление измеряется относительно идеального вакуума. Они различаются на величину локального атмосферного давления, примерно 101,3 кПа (14,7 psi) на уровне моря, и это смещение в точности равно размеру ошибки, если используется неправильная шкала.
Пример: давление в шине
Показание манометра шины «32 psi» отражает избыточное давление: 32 psi выше того давления, которое оказывает атмосфера снаружи шины. Абсолютное внутреннее давление в шине составляет примерно 32 + 14,7 ≈ 46,7 psi. Производители шин, манометры шин и наклейка с давлением внутри дверцы автомобиля по соглашению указывают избыточное давление, поэтому это редко вызывает реальную ошибку само по себе — ошибка возникает, когда кто-то использует показание манометра в физическом или инженерном расчёте, например в уравнении состояния идеального газа, которое требует абсолютного давления, и забывает прибавить назад 14,7 psi.
Пример: барометр
Метеорологические прогнозы используют противоположное соглашение. «1013 гПа» в прогнозе — это фигура абсолютного давления, точнее, абсолютное давление, скорректированное на уровень моря (см. ниже), а не давление, относительное к какой-то точке отсчёта. Стандартное атмосферное давление, ровно 101 325 Па, было установлено как «1 атмосфера» в 1954 году 10-й Генеральной конференцией по весам и мерам, и это же 101,325 кПа нужно прибавить к показанию манометра, чтобы получить абсолютное давление.
Ландшафт единиц
| Единица | Точное соотношение | Типичное применение |
|---|---|---|
| Паскаль (Па) | База СИ: 1 Н/м² | Базовая единица в науке и инженерии; редко цитируется в чистом виде из-за её малости |
| Бар | 100 000 Па точно | Давление в шинах в Европе, карты погоды, дайвинг |
| Атмосфера (атм) | 101 325 Па точно | Химия, дайвинг, определение «стандартных условий» |
| PSI | ≈6 894,757 Па (из фунт-сила/дюйм²) | Давление в шинах в США и Великобритании, гидравлика, сжатый газ |
| мм рт. ст. (условное) | 133,322387415 Па | Артериальное давление, старые барометрические показания |
| Торр | 101 325/760 = 133,3223684… Па | Системы вакуума, физика |
Мм рт. ст. и торр достаточно близки, различаясь примерно на 0,14 миллионных доли (мм рт. ст. = 133,322387415 Па против торр = 101 325/760 = 133,322368421… Па, разница 1,899×10⁻⁵ Па на базе около 133,3 Па), поэтому большинство справочников считают их взаимозаменяемыми, но они определены не одинаково: мм рт. ст. выводится из конкретной условной плотности ртути, объединённой со стандартным ускорением свободного падения, в то время как торр определяется как точная 1/760 доля стандартной атмосферы. В физике вакуума, где это различие иногда имеет значение, обычно используют торр именно потому, что его определение вообще не зависит от физических свойств ртути.
Проблема установки высотомера
Авиация зависит от абсолютного давления при определении высоты, и она зависит от актуальности этой ориентира. Высотомер воздушного судна механически является барометром, откалиброванным на чтение высоты вместо давления — ему нужно указать текущее эквивалентное давление на уровне моря, установку высотомера или QNH, чтобы преобразовать его необработанное показание давления в правильную высоту над средним уровнем моря. Полёт из области высокого давления в область более низкого давления без обновления этой установки приводит к тому, что высотомер продолжает считывать данные относительно старого, более высокого ориентира, поэтому он отображает высоту, превышающую реальную высоту воздушного судна. Стандартная мнемоника пилотов звучит так: «с высокого давления на низкое — смотри вниз»: ошибка направлена в опасную сторону, указывая на более значительный зазор от рельефа, чем фактически существует. Как приблизительная рабочая цифра, ошибка в 1 гПа в установке высотомера соответствует примерно 30 футам (9 м) ошибки высоты у уровня моря; точная цифра зависит от высоты и температуры, поскольку атмосферное давление падает логарифмически, а не линейно с высотой, но 30 футов на гПа — это стандартное практическое правило, которое пилоты используют для быстрой мысленной проверки.
Почему метеорологическое давление корректируется на уровень моря
Необработанное, или «станционное», атмосферное давление падает с высотой — в стандартной атмосфере США примерно 83 430 Па на высоте одной мили (1 609 м) по сравнению с 101 325 Па на уровне моря, примерно на 18% ниже, без каких-либо изменений в погоде. (Реальное станционное давление в Денвере, примерно 835–843 гПа, согласуется с этой цифрой.) Сообщение необработанного станционного давления сделало бы каждый город на большой высоте похожим на то, что он постоянно находится в системе сильного низкого давления, поэтому метеорологические отчёты корректируют станционное давление на то, что оно показывало бы, если бы станция была на уровне моря, используя известную высоту станции. Это откорректированное на уровень моря число, а не необработанное показание датчика, это то, что «1013 гПа» в прогнозе фактически представляет: второе, отдельное исправление от различия между избыточным и абсолютным давлением выше, и ещё одна причина, почему необработанный датчик давления в конкретном месте и опубликованная фигура погоды для того же места редко точно совпадают.
Отрицательное избыточное давление имеет собственную терминологию
Избыточное давление может быть отрицательным, когда измеренное давление ниже окружающей атмосферы, и отрасли, которые имеют дело с этим, обычно дают ему отдельное название «вакуум» вместо написания знака минус. Техники холодоснабжения, эвакуирующие линию кондиционера перед её пополнением, наблюдают показание манометра в дюймах ртути вакуума, работая в направлении примерно 28-30 дюймов ртути вакуума (близко к, но короче, чем идеальный вакуум) перед тем, как считать линию достаточно сухой для пополнения. Эта цифра всё ещё является измерением избыточного давления, просто считается в сторону вниз от атмосферного вместо подсчёта вверх, и преобразуется в абсолютное давление так же, как и положительный случай: вычтите его из локального атмосферного давления, а не добавьте.
Правило, которое разрешает большинство повседневной путаницы
Если показание давления поступает от чего-либо, предназначенного для размещения внутри большего окружающего давления, такого как шина, баллон для подводного плавания, гидравлическая линия, считайте избыточным. Если оно поступает от чего-либо, описывающего саму атмосферу, такого как метеорологический прогноз, таблица глубин для дайвинга, высотомер воздушного судна, считайте абсолютным, или, по крайней мере, абсолютным с коррекцией на уровень моря. Оба соглашения глубоко укоренены и оба разумны в своей собственной области; ошибка происходит только тогда, когда фигура переходит из одной области в расчёт, построенный для другой.