Манометры
МАНОМЕТРЫ (от греч. manos - редкий, неплотный и metreo - измеряю), служат для измерения давления жидкостей, газов и паров. Различают манометры для определения абс. давления, отсчитываемого от нуля (полного вакуума); избыточного давления, т.е. превышения давления над атмосферным; разности двух давлений, отличающихся от атмосферного (дифференциальные манометры, или дифманометры). Приборы для измерения давления, соответствующего атмосферному, наз. барометрами, давления ниже атмосферного - вакуумметрами, избыточного давления и давления ниже атмосферного-мановакуумметрами. Шкалы манометров могут быть градуированы в килопаскалях (кПа) или мегапаскалях (MПа), а также в кгс/м2, кгс/см2, барах, мм вод. ст., мм рт. ст. и др. По принципу действия манометры могут быть жидкостными, грузопоршневыми, деформационными (см. рис.), тепловыми и др., по способу представления информации о величине измеряемого давления - показывающими, регистрирующими и сигнализирующими. Кроме манометров с непосредств. отсчетом показаний применяют т. наз. бесшкальные датчики (измерительные преобразователи) давления с унифицированными (стандартизованными) пневматич. или электрич. выходными сигналами. Такие датчики широко используют в системах автоматич. контроля, регулирования и управления химико-технол. процессами, в частности при автоматизации пожаро- и взрывоопасных произ-в. Датчики давления должны надежно работать при наличии интенсивной вибрации, нестационарных температурных и электро-магн. полей, а также в агрессивных средах, в условиях высокой влажности, запыленности и загазованности окружающей среды. Дифманометры применяют в приборах для измерения уровня и плотности жидкости по величине гидростатич. давления, а также в приборах для измерения расхода жидкости, пара или газа по перепаду давлений на сужающих поток устройствах (диафрагмах, соплах Вентури и др.).
Основные типы манометров: жидкостные (а - U-образный, б, в - чашечные соотв. с постоянным и переменным углом j наклона трубки, г - поплавковый, д - колокольный, е - кольцевой); грузопоршневые (ж); деформационные (з - показывающий с трубчатой пружиной, и - мембранный разделитель давлений с закрытой камерой); 1 - поплавок; 2 - колокол; 3 - перегородка; 4 - опора; 5, 8 - грузы; 6 - поршень; 7 - цилиндр; 9 - пружина; 10 - передаточный механизм; 11 - камера; р, ратм - соотв. измеряемое и атмосферное давления; Н - высота столба манометрич. жидкости; х, ax - меры измеряемого давления.
Жидкостные манометры. В таких приборах измеряемое давление (разрежение) либо разность давлений уравновешивается давлением столба манометрич. жидкости, заполняющей прибор. Диапазон измерения - 10 - 105 Па. Жидкостные манометры применяют в осн. при определении давления в лаб. условиях и при поверке других манометров. Погрешность измерения U-образных и чашечных манометров (0,5-1,0%) определяется погрешностью самого прибора, ошибкой отсчета показаний и несоответствием действительного и расчетного значений плотности манометрич. жидкости. Двухчашечные (компенсационные) микроманометры с верх. пределами измерения до 2,5-103 Па имеют погрешность 0,02-0,05%. При малых пределах измерения (до 104 Па) манометры заполняют легкими жидкостями (водой, спиртом, толуолом, силиконовым маслом), при увеличении пределов измерения до 105 Па - ртутью.
В поплавковых, колокольных и кольцевых дифманометрах мера измеряемого давления (перепада) - не высота
столба жидкости, а определяемое им положение подвижного элемента прибора. Манометрич. жидкостью в поплавковых дифманометрах обычно служит ртуть или силиконовое масло. Пределы измерения серийных приборов (от 4-103 Па до 0,16 MПа) обеспечиваются изменением высоты и диаметра одного из сосудов дифманометра. Погрешность не более 2,5% от верх. предела измерения. Колокольные дифманометры (манометрич. жидкость - обычно вода или масло) используют для измерения малых давлений и перепадов давлений от 25 до 400 Па. Погрешность 1,5 и 2,5% от диапазона измерения.
В кольцевых дифманометрах (кольцевых весах) замкнутый сосуд с непроницаемой перегородкой в верх. части установлен на призматич. опору, к-рая расположена в центре тяжести сосуда.
Под действием разности давлений по обе стороны перегородки манометрич. жидкость перемещается внутри кольца в сторону полости с меньшим давлением. Кольцо поворачивается в обратном направлении, пока момент силы, действующей на перегородку, не станет равным моменту силы тяжести противодействующего груза. Мера измеряемой разности давлений - угол поворота кольца. Осн. достоинства кольцевых манометров: высокая чувствительность, независимость угла поворота от плотности манометрич. жидкости, независимость показаний от т-ры окружающего воздуха. Верх. пределы измерения от 400 до 2,5 • 104 Па, погрешность 1,0 и 1,5% от предела шкалы.
Поплавковые, колокольные и кольцевые дифманометры - показывающие или записывающие приборы, к-рые м. б. снабжены счетчиками расхода, регуляторами, сигнализаторами, а также устройствами для получения унифицированных пневматич. или электрич. сигналов дистанц. передачи.
Грузопоршневые манометры. В этих приборах измеряемое давление, действующее через манометрич. жидкость на поршень манометра, уравновешивается весом поршня и набора калиброванных грузов. наиб. распространены манометры с неуплотненным поршнем, между к-рым и цилиндром имеется небольшой зазор. Пространство под поршнем заполнено спец. маслом, к-рое под давлением поступает в зазор и обеспечивает
смазку трущихся пов-стей. При измерении давления для уменьшения трения между цилиндром и поршнем последний приводится во вращение электродвигателем или вручную. Изменяя вес грузов и площадь сечения поршня, можно изменять пределы измерения манометров в широком диапазоне (от 2500 Па до 2500 MПа). Приборы отличаются высокой точностью и стабильностью показаний; погрешность от 0,02 до 0,2% от верхнего предела измерения. Для определения небольших избыточных давлений, разрежения, абсолютного и атмосферного давлений применяют манометры спец. конструкций. Грузопоршневые манометры используют, как правило, для поверки манометров др. типов и при лаб. измерениях.
Деформационные манометры. Измеряемое давление или разность давлений определяется по деформации упругих чувствит. элементов: трубчатых манометрич. пружин - одно- и двухвитковых, S-образных, винтовых, геликоидальных, спиральных; плоских и гофрированных мембран; мембранных коробок; сильфонов; цилиндрич. трубок и стаканов. Пределы измерения от 10 до 2,5 • 109 Па. Простота преобразования давления в упругую деформацию чувствит. элемента и большое разнообразие удобных в эксплуатации конструкций обусловили широкое применение деформационных манометров в хим. пром-сти. наиб. распространены т. наз. пружинные манометры с одновитковым трубчатым чувствит. элементом. Под действием давления деформируется сечение пружины и происходит перемещение ее своб. конца, преобразуемое передаточным механизмом в перемещение стрелки, к-рая показывает давление по шкале. Диапазон измерения обычно от 0,1 до 2500 MПа, погрешность 0,16-4,0%.
В химии и хим. технологии для защиты пружинных манометров от контакта с агрессивными и высокотемпературными средами часто используют т. наз. мембранные разделители давления с закрытой камерой. Внутр. полость манометрич. пружины заполняется минер. или силиконовым маслом, через к-рое передается измеряемое давление рабочей среды, непосредственно соприкасающейся с разделительной мембраной. Последнюю изготовляют из нержавеющих сталей и сплавов, в т.ч. с высоким содержанием Ni и Мо, а также из титановых сплавов и Та. При измерении давления вязких, полимеризующихся и кристаллизующихся сред применяют т. наз. бескамерные манометры с открытым чувствит. или разделит. элементом - сильфоном либо мембраной.
Для измерения небольших давлений (разрежений) и разности давлений применяют манометры с чувствит. элементами в виде сильфонов, гофрированных мембран и мембранных коробок. В зависимости от диаметра, толщины и св-в материала, формы и глубины гофрировки чувствит. элементов можно измерять давление от 100 до 107 Па и более. Погрешность 0,5-2,5%.
В хим. пром-сти распространены датчики, основанные обычно на принципе электрич. (реже - пневматич.) компенсации. Диапазон измерения от 100 Па до 1000 MПа, погрешность 0,5-1,5%. наиб. перспективны приборы, действие к-рых основано на т. наз. тензорезистивном эффекте - изменении электрич. сопротивления твердого проводника (чувствит. элемента) в результате его деформации, пропорциональной измеряемому давлению. Эти датчики отличаются простотой конструкции, небольшими габаритами и массой, повыш. виброустойчивостью, высокими динамич. характеристиками и небольшой погрешностью (0,25-0,50%). В СССР разработан комплекс тензорезисторных преобразователей давления (избыточного и абсолютного, а также разрежения) и разности давлений с упругими чувствит. элементами на основе монокристаллич. подложек из искусств. сапфира с кремниевыми тснзорезисторами. Диапазон измерения от 60 до 108 Па, погрешность обычно не превышает 0,1, 0,25 или 0,5%. В комплекс входят также преобразователи гидростатич. давления, предназначенные для получения информации о плотности или уровне жидкостей, к-рые находятся в открытых либо закрытых резервуарах под давлением. Фланцевое крепление датчика к резервуару с рабочей жидкостью и бсскамерная конструкция мембранного измерит. узла позволяют контролировать
гидростатич. давление агрессивных, вязких и кристаллизующихся сред при 200-300°С.
В манганиновых датчиках под действием давления изменяется электрич. сопротивление тонкой манганиновой проволоки. Эти датчики обычно используют для измерения давления св. 100 MПа. Принцип устройства индуктивных датчиков состоит в изменении индуктивности системы при перемещений чувствит. элемента. Индуктивность системы зависит от магн. сопротивления зазора в магнитопроводе или от реактивного магн. сопротивления, к-рое изменяется с введением в зазор электропроводной пластины либо короткозамкнутого витка.
Действие емкостных датчиков основано на преобразовании перемещения чувствит. элемента в изменение емкости конденсатора, зависящее от зазора между обкладками, их площади, материала диэлектрика или диэлектрич. проницаемости. Этим датчикам свойственны значит. температурные погрешности. В трансформаторных датчиках входное перемещение чувствит. элемента и соединенного с ним плунжера изменяет коэф. индуктивной связи между системами обмоток, одна из к-рых питается переменным током. Эффективное значение эдс, наводимой в др. обмотке, является выходной величиной датчика. Погрешность обычно 1,5-2,5%.
Принцип действия электронных и ионных датчиков основан на изменении характеристик соотв. электронных и ионных ламп при взаимном перемещении их электродов, один из к-рых связан с чувствит. элементом датчика. Действие магнитоупругих датчиков обусловлено св-вом ферромагн. материалов изменять магн. проницаемость под действием давления. Чувствит. элемент - обмотка с замкнутым магнитопроводом, деформирующимся под влиянием входного перемещения или усилия, пропорционального измеряемому давлению. В пьезоэлектрич. датчиках используется эффект появления зарядов на гранях кристалла (обычно кварца) при его сжатии. Величина заряда пропорциональна уд. давлению и площади грани, перпендикулярной к "электрической" оси.
Радиац. датчики обычно состоят из чувствит. элемента, воспринимающего измеряемое давление, источника и приемника лучистой энергии и расположенного между ними экрана. Действие датчиков основано на зависимости от давления интенсивности потока, поступающего от источника излучения к приемнику. При изменении давления чувствит. элемент вызывает пропорциональное перемещение экрана, управляющего интенсивностью потока. наиб. распространены приборы, использующие видимый свет (оптич. датчики) либо проникающее g- или b-излучение. Источники: излучения видимого света - лампы накаливания, ртутные точечные лампы высокого давления, лампы тлеющего разряда и др.; жестких излучений - рентгеновские трубки, искусств. радиоактивные в-ва. Приемники: видимого излучения - вакуумные и газонаполненные элементы с внеш. фотоэффектом, фотосопротивления, вентильные фотоэлементы с фотоумножителями; жестких излучений - ионизац. камеры, счетчики Гейгера-Мюллера, пропорциональные, сцинтилляц. и кристаллич. счетчики.
Тепловые манометры. Используют для измерения небольших абс. давлений (1-103 Па). Действие основано на линейной зависимости теплопроводности газов от степени их разрежения в указанных пределах. Манометр представляет собой стеклянный баллон, внутр. полость к-рого соединена с аппаратом, где измеряется давление. Внутри баллона находится тонкая вольфрамовая нить, нагреваемая электрич. током. При изменении давления изменяется тсплоотвод от нити. Если поддерживать постоянным ток накала нити, то при изменении давления изменится ее т-ра. Изменяя силу тока так, чтобы эта т-ра оставалась постоянной, можно за меру измеряемого давления принять величину тока или напряжения, подаваемого на нить.
===
Исп. литература для статьи «МАНОМЕТРЫ»: Граменицкий В. Н., Грузопоршневые измерительные приборы, М., 1973; Преображенский В. П., Теплотехнические измерения и приборы, 3 изд., М., 1978; Гонек Н. Ф., Манометры, Л., 1979; Осипович Л. А., Датчики физических величин, М., 1979; Измерения в промышленности. Справочник, под
ред. П. Профоса, пер. с нем., М., 1980; Полупроводниковые тензорезисторные измерительные преобразователи теплоэнергетических параметров, под ред. А. Я. Юровского, М., 1983 А. Я. Юровский.
Страница «МАНОМЕТРЫ» подготовлена по материалам химической энциклопедии.