戴孝華/上海市計量測試技術(shù)研究院

第一講 壓力定義及其計量單位

1 壓力的定義

1.1 一般定義

壓力一般定義是：垂直作用并均勻分布在單位面積上的力。從字面上看，定義用字不多，很簡單；從另一面講，是精煉，是對壓力含義的高度概括。所以，在解讀壓力定義的時候，要著重理解其中兩個重要因素，即力的垂直性和分布的均勻性，這兩個重要的因素是從事壓力計量和測試的出發(fā)點。

壓力定義的科學(xué)性和可操作性還反映在可用簡單的數(shù)學(xué)公式表示：

式中：p — 產(chǎn)生的壓力；

F — 垂直作用力；

S — 承受作用力的單位面積由式（1）可以清楚地看出：壓力的大小決定于作用力和受力面積的大小。壓力的大小與作用力成正比，作用力大壓力大，作用力小壓力小；壓力大小與受力面積成反比，受力面積大壓力小，受力面積小壓力大?；钊綁毫τ嬍菍崿F(xiàn)式（1）的最理想的壓力計量儀器。

提示1：壓力在物理學(xué)上通常稱為壓強。

提示2：根據(jù)我國法定計量單位規(guī)定，式（1）中的壓力符號p 是用小寫斜體英文字母。不得使用符號大P字母。

1.2 廣義定義

前面介紹了壓力的一般定義，但在實際工程技術(shù)中常常需要使用到壓力的廣義定義。

現(xiàn)在假設(shè)有一任意平面S，如圖1所示，它的法線方向為n — n，即n — n垂直面積S。有一任意方向的作用力F，與法線n — n的夾角為α，因此，作用力F在法線方向上的分力Fn大小為：

圖1 壓力廣義定義示意圖

根據(jù)壓力一般定義，作用力F垂直作用在面積S上產(chǎn)生的壓力為

可見，由式（3）所獲得的壓力p′比式（1）獲得的壓力p要小，壓力減小的程度取決于夾角α的大小，α越大、p′越小，α越小、p′越大。因此，在檢定或校準(zhǔn)壓力表時，通常要求壓力表要垂直安裝；在活塞式壓力計的檢定規(guī)程中，對活塞的安裝位置也提出了垂直度的要求。道理就在這里。

壓力的定義是設(shè)計、制造、使用、計量壓力儀器儀表的依據(jù)，在壓力計量的實踐中應(yīng)全面、深入理解壓力定義的含義、并用它來指導(dǎo)壓力計量技術(shù)工作和計量檢定工作。

1.3 常用壓力定義及其相互關(guān)系

1.3.1 幾種常用的壓力定義

（1）大氣壓力

地球表面大氣層的空氣柱重力產(chǎn)生的壓力。通常以符號pb表示。

提示：大氣壓力隨著海拔高度和地理緯度的不同而變化。

（2）絕對壓力

以完全真空為參考點的壓力。通常以符號pa表示。

（3）差壓[力]

任意兩個相關(guān)壓力的差值。通常以符號pd表示。

（4）表壓力

以大氣壓力為參考點，大于或小于大氣壓力的壓力。

（5）正[表]壓力 （又稱 壓力）

以大氣壓力為參考點，大于大氣壓力的壓力。通常以符號p表示。

（6）負(fù)[表]壓力（又稱負(fù)壓）

以大氣壓力為參考點，小于大氣壓力的壓力。通常以符號ph表示。

（7）靜態(tài)壓力

在所研究的領(lǐng)域內(nèi)，不隨時間而變化或隨時間緩慢變化的壓力。

（8）動態(tài)壓力

在所研究的領(lǐng)域內(nèi)，隨時間而變化的壓力。

（9）脈動壓力

隨時間而作周期性變化的壓力。

（10）真空度

表示真空狀態(tài)下氣體的稀薄程度，通常也用壓力值表示。

1.3.2 幾種常用壓力的相互關(guān)系

如圖2所示，用一只壓力容器與一臺U形管壓力計相連通的裝置，來說明幾種常用壓力之間的關(guān)系：

圖2 幾種靜態(tài)壓力的相互關(guān)系

圖2（a）的狀態(tài)是壓力容器與大氣相通，而U形管也與大氣相通，兩者都受大氣壓力的作用，當(dāng)壓力平衡時，U形管兩邊工作介質(zhì)兩端面處于同一水平面O - O上，即pb= pb，所以，通常大氣壓力pb是用氣壓計來測量的。

圖2（b）的狀態(tài)是壓力容器內(nèi)的絕對壓力大于大氣壓力，使左邊管子內(nèi)的工作介質(zhì)下降，而右邊管子內(nèi)的工作介質(zhì)上升。當(dāng)壓力平衡時，在U形管內(nèi)形成了液位差h1，在同一水平面O - O上壓力相等，所以，絕對壓力pa等于大氣壓力pb與正[表]壓力p (p =ρg h1)之和，即pa= pb+ p， 又有p = pa-pb。由此可知，由壓力表測量的壓力是大于大氣壓力的正[表]壓，又稱為壓力。

圖2（c）的狀態(tài)是壓力容器內(nèi)的絕對壓力小于大氣壓力，使左邊管子內(nèi)的工作介質(zhì)上升，而右邊管子內(nèi)的工作介質(zhì)下降。當(dāng)壓力平衡時，在U形管內(nèi)形成了液位差h2，在同一水平面O - O上壓力相等，所以，絕對壓力pa等于大氣壓力pb與負(fù)[表]壓力p ( p = ρ gh2)之差，即 pa= pb- ph，又有 ph= pb- pa。由此可知，由真空表所測量的壓力是小于大氣壓力的負(fù)[表]壓，又稱為負(fù)壓。

圖2（d）的狀態(tài)是壓力容器內(nèi)的絕對壓力pa等于大氣壓力pb，即 pa= pb，所以，U形管內(nèi)工作介質(zhì)兩端面處于同一水平面O - O上。這是圖2（a）狀態(tài)的特殊形式，由氣壓計進(jìn)行測量。

1.3.3 幾種常用靜態(tài)壓力之間的相互位置關(guān)系，如圖3所示

圖3 大氣壓力、絕對壓力、表壓力相互位置關(guān)系

2 壓力計量

壓力計量是實現(xiàn)壓力單位統(tǒng)一、量值準(zhǔn)確、可靠、一致而進(jìn)行的壓力計量活動。所謂活動，包括技術(shù)工作、法制要求、計量管理等內(nèi)容。實現(xiàn)壓力單位統(tǒng)一，就是在我國統(tǒng)一實行法定計量單位。量值的準(zhǔn)確，是指量值準(zhǔn)確在一定的不確定度、誤差極限或允許誤差范圍內(nèi)；量值的可靠，是指量值是可重復(fù)、可再現(xiàn)（復(fù)現(xiàn)）、可比較的，是被確認(rèn)為具有有效性的；量值的一致，就是量值不僅在國內(nèi)是一致的，在國際上進(jìn)行量值比對時也是一致的。

3 壓力計量單位及其換算

由前面壓力定義可知，壓力大小決定于作用力大小和承受作用力面積大小。因此，壓力單位是一個導(dǎo)出單位，它是由力的單位和面積單位組合而成的單位。下文介紹壓力的法定單位和幾種常用的非法定計量單位及它們之間的換算關(guān)系。

3.1 壓力法定計量單位

1969年，國際計量委員會（CIPM）通過一項決議，建議給壓力一個專門單位“牛頓每平方米”（N/m2）。這就是國際單位制單位中具有專門名稱的導(dǎo)出單位“帕斯卡”（Pascal），符號為Pa。經(jīng)過1971年第十四屆國際計量大會（CGPM）批準(zhǔn)，正式規(guī)定壓力計量單位為帕斯卡。其目的是為了紀(jì)念法國科學(xué)家布萊斯·帕斯卡的功績，這就是國際單位制單位中壓力計量單位帕斯卡的由來。

壓力計量單位帕斯卡的物理意義是：1 N（牛頓）的重力垂直并均勻地作用在1 m2的面積上產(chǎn)生的壓力為1 Pa。由于Pa表示的量值過小，使用時可以在前面加詞頭，如k(千)、M（兆）、G（吉）等，可根據(jù)測量壓力的大小選擇GPa、MPa、kPa作計量單位。

帕斯卡在國際單位制中的量綱表示如下：

3.2 由物理學(xué)的絕對單位制形成的三種壓力單位

3.2.1 米·千克·秒制（MKGS制）

在米·千克·秒單位制中，力的單位是牛頓（簡稱牛，符號N），面積的單位是平方米（m2），因此，壓力單位是 牛頓 / 平方米（N/m2）。

1 N的物理意義：使質(zhì)量為1 kg 的物體產(chǎn)生1 m/s2加速度的力，稱為1 N。

3.2.2 厘米·克·秒制（CGS制）

在厘米·克·秒單位制中，力的單位是達(dá)因（dyn），面積的單位是平方厘米（cm2），因此，壓力單位是 達(dá)因 / 平方厘米（dyn/cm2）。

1 dyn的物理意義：使質(zhì)量為1 g 的物體產(chǎn)生1 cm/s2加速度的力，稱為1 dyn。

壓力單位達(dá)因 / 平方厘米又稱為巴利（barye）或微巴（μbar），1 μbar = 10-3mbar = 10-6bar。在氣象學(xué)中，曾用毫巴（mbar）做大氣壓力單位，現(xiàn)在已用百帕（hPa）做計量單位。

3.2.3 米·千克力·秒制（MKGFS制）

在米·千克力·秒單位制中，力的單位是千克力（kgf），面積的單位是平方米（m2），因此，壓力單位是 千克力/平方米（kgf/m2）。

3.3 由歷史條件形成的幾種壓力單位

3.3.1 工程大氣壓 － 來源于壓力定義

工程大氣壓的單位為kgf / cm2，符號為at，沒有專門名稱，定義是1 kg f 垂直并均勻地作用在1 cm2面積上產(chǎn)生的壓力。這是在法定計量單位使用前應(yīng)用最多的壓力單位。

1 kg f 的物理意義：使質(zhì)量為1 kg 的物體，產(chǎn)生9.806 65 m / s2加速度的力。

1 kg f ＝ 9.806 65 kg·m / s2＝ 9.806 65 N

3.3.2 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 － 來源于大氣壓力

標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的單位為Pa，符號為 atm，沒有專門名稱，定義是水銀（汞）在溫度為0℃、密度為13.595 1 g /cm3、重力加速度為980.665 m / s2時，760 mm高的汞柱在海平面上產(chǎn)生的壓力稱為1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力又稱為物理大氣壓力。

由于大氣壓力隨海拔高度、地理緯度的不同而變化，為了方便工程技術(shù)和科學(xué)研究中的使用，科學(xué)工作者對大氣壓力規(guī)定了一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力值，1954年第十屆國際計量大會定義：

3.3.3 毫米汞柱 － 來源于液體高度

毫米汞柱的單位為mmHg，符號為mmHg，沒有專門名稱，定義是水銀在溫度為0 ℃、密度為13 595.1 kg/m3、重力加速度為9.806 65 m /s2時，1 mm高的汞柱產(chǎn)生的壓力稱為1 mmHg。

3.3.4 毫米水柱 － 來源于液體高度

毫米水柱的單位為mmH2O，符號為mmH2O，沒有專門名稱，定義是水在溫度為4℃、密度為1 000 kg /m3、重力加速度為9.806 65 m / s2時，1 mm高的水柱產(chǎn)生的壓力稱為1 mmH2O。

3.3.5 英制壓力單位－磅力 / 英寸2

磅力 / 英寸2的單位為 bf / in2或 簡寫為 psi ，沒有專門的名稱，定義是1 bf垂直并均勻地作用在1 in2面積上產(chǎn)生的壓力。

1 bf 的物理意義：就是使1 b的物體，產(chǎn)生320 174 ft / s2加速度的力為1 bf。

3.4 壓力計量單位的換算關(guān)系

見表1。

表1 常用壓力計量單位換算