Манометры для измерения давления жидкости

Очень часто в жизни, а особенно на производстве, приходится сталкиваться с таким прибором измерения, как манометр.

Манометр — это прибор для измерения избыточного давления. Из-за того, что эта величина может быть различной, приборы тоже имеют разновидности. Областей применения этих приборов очень много. Применяться они могут в металлургической промышленности, в любом механическом транспорте, жилищном и коммунальном хозяйстве, сельском хозяйстве, автомобилестроении и прочих отраслях.

Виды и конструкция прибора

В зависимости от того, для каких целей приборы используются, они подразделяются на различные типы. Самыми распространёнными являются манометры пружинные. Они имеют свои преимущества:

• Измерение величины в широком диапазоне.
• Хорошие технические характеристики.
• Надёжность.
• Простота устройства.

В пружинном манометре чувствительным элементом является полая внутри изогнутая трубка. Она может иметь сечение в виде овала или эллипсоида. Эта трубка деформируется под воздействием давления. Она запаяна с одной стороны, а с другой находится штуцер, при помощи которого измеряют величину в среде. Конец трубки, который запаян, соединяется с передаточным механизмом.

Конструкция прибора такова:

• Корпус.
• Стрелки прибора.
• Шестерёнки.
• Ось.
• Поводок.
• Зубчатый сектор.

Между зубьями сектора и шестерёнки устанавливается специальная пружина, которая необходима для того, чтобы исключить мёртвый ход.

Измерительная шкала представлена в Барах или Паскалях. Стрелка показывает избыточное давление той среды, в которой проводится замер.

Принцип действия очень прост. Давление от измеряемой среды поступает внутрь трубки. Под его воздействием трубка пытается выровняться, так как площадь внешней и внутренней поверхностей имеет разную величину. Свободный конец трубки совершает движение, при этом стрелка поворачивается на определённый угол благодаря передаточному механизму. Измеряемая величина и деформация трубки находятся в прямолинейной зависимости. Именно поэтому значение, которое показывает стрелка, и является давлением определённой среды.

Разновидности систем для измерения давления

Есть много разных манометров для измерения низкого и высокого давления. Но технические характеристики у них разные. Основным отличительным параметром является класс точности. Манометр будет показывать точнее, если значение будет меньше. Самые точные — цифровые устройства.

По своему назначению манометры бывают следующих видов:

• Самопишущие. В них находится механизм, который на бумаге позволяет чертить график работы устройства.
• Железнодорожные. Применяются в железнодорожном транспорте.
• Судовые. Используются на морском и речном судне.
• Эталонные. У них высокий класс точности. Именно поэтому их применяют для испытаний, регулировки и проверки прочих измерительных приборов давления.
• Специальные. Используются для измерения величины разнообразных газов. В зависимости от того, для какого газа они предназначаются, имеют разные цвета корпуса и маркировочные буквы: для измерения горючих газов — красные, для негорючих — чёрные, жёлтые аммиачные (А), белые ацетиленовые (Ац), голубые кислородные (К).
• Электроконтактные. В них имеется электросигнализация, которая позволяет регулировать измеряемую среду. Эти приборы подразделяются на два типа: на основе электроконтактной приставки и с микровыключателями.
• Общетехнические. Предназначены для измерения давления в различных средах. Ими можно мерить избыточные и вакуумметрические давления.

По принципу работы выделяют такие типы:

• Пьезоэлектрические. Основываются на пьезоэффекте. В кристалле кварца появляется заряд при механическом воздействии.
• Деформационные. Основываются на деформации чувствительного элемента (мембраны, сильфона, пружины и прочих), который при деформации действует на стрелку.
• Жидкостные. Их основой является трубка, заполненная жидкостью. Они могут быть двух видов: с одной или двумя трубками. Приборы с двумя трубками используются для того, чтобы в разных средах сравнивать давление.
• Поршневые. Они состоят из цилиндра, внутрь которого вставлен поршень.

Жидкостные системы измерения

Величина в этих манометрах измеряется при помощи уравновешивания веса жидкостного столба. Мерой давления является уровень жидкости в сообщающихся сосудах. Этими приборами можно измерять величину в пределах 10−105 Па. Они нашли своё применение в лабораторных условиях.

По сути, это U-образная трубка, где находится жидкость с большим удельным весом в сравнении с той жидкостью, в которой непосредственно измеряется гидростатическое давление. Такой жидкостью чаще всего является ртуть.

К этой категории можно отнести рабочие и общетехнические приборы типа ТВ-510, ТМ-510. Эта категория наиболее востребована. С их помощью измеряют давление неагрессивных и некристаллизующихся газов и паров. Класс точности этих приборов: 1, 1.5, 2.5. Они нашли своё применение в производственных процессах, при транспортировке жидкостей, в системах водоснабжения и на котельных.

Электроконтактные приборы

В эту категорию можно отнести мановакуумметры и вакуумметры. Предназначаются они для измерения величины газов и жидкости, которые по отношению к латуни и стали являются нейтральными. Конструкция в них такая же, как и у пружинных. Отличие лишь в больших геометрических размерах. Из-за устройства контактных групп корпус электроконтактного прибора большой. Этот прибор на давление в контролируемой среде может воздействовать благодаря размыканию/замыканию контактов.

Благодаря используемому электроконтактному механизму этот прибор можно использовать в системе аварийной сигнализации.

Образцовые измерители

Предназначается это устройство для проверки манометров, которые измеряют величину в лабораторных условиях. Основным их назначением является проверка исправности данных рабочих манометров. Отличительной чертой служит очень высокий класс точности. Он достигается благодаря конструктивным особенностям и зубчатому зацеплению в передаточном механизме.

Специальные устройства

Эти приборы применяются в различных промышленных отраслях для измерения давления таких газов, как ацетилен, кислород, водород, аммиак и прочие. В основном измерять давление специальным манометром можно только у одного типа газа. На каждом приборе указывается тот газ, для которого он предназначается. Прибор также окрашен в цвет газа, для которого его можно использовать. Пишется и начальная буква газа.

Есть ещё и виброустойчивые специальные манометры, которые способны работать при сильных вибрациях и большом пульсирующем давлении окружающей среды. Если применять обычный манометр в подобных условиях, то он быстро сломается, так как из строя выйдет передаточный механизм. Главным критерием таких приборов является коррозионно-стойкая сталь корпуса и герметичность.

Аммиачные системы должны быть коррозионно-стойкими. В изготовлении измерительного механизма ацетиленовых не допускают сплавов меди. Связано это с тем, что при контакте с ацетиленом есть риск образования ацетиленистой взрывоопасной меди. Кислородные механизмы должны быть обезжиренными. Это связано с тем, что в некоторых случаях даже незначительный контакт чистого кислорода и загрязнённого механизма может вызвать взрыв.

Самопишущие приборы

Отличительной чертой таких приспособлений является то, что они способны на диаграмме записывать измеряемое давление, которое позволит увидеть изменения в определённое время. Своё применение они нашли в промышленности с неагрессивными средствами и энергетике.

Судовые и железнодорожные

Судовые манометры предназначены для того, чтобы измерить вакуумметрическое давление жидкостей (воды, дизельного топлива, масла), пара и газа. Их отличительными чертами является высокая влагозащита, устойчивость к вибрациям и климатическим воздействиям. Применяются в речном и морском транспорте.

Железнодорожные, в отличие от обычных манометров, давление не показывают, а преобразовывают в сигнал прочего типа (пневматический, цифровой и прочие). Для этих целей используются разные методы.

Активно такие преобразователи применяются в системах автоматики, управления технологическими процессами. Но несмотря на своё назначение, их активно используют в отраслях атомной энергетики, химической и нефтедобычи.

Виды измерительных приборов

Приборы для измерения давления подразделяются на такие разновидности:

• Тягонапоромеры — это мановакуумметр, который имеет крайние пределы измерения не выше 40 кПа.
• Тягомеры — вакуумметр, который имеет предел измерения равный (-40) кПа.
• Напорометр — это манометр малого избыточного давления (+40) кПа.
• Мановакуумметры — это устройства, которые способны измерять как вакуумметрическое, так и избыточное давление в пределах 60−240000 кПа.
• Вакуумметр — устройство, измеряющее разрежение (давление, которое ниже атмосферного).
• Манометр — устройство, которое способно измерять избыточное давление, то есть разность между абсолютным давлением и барометрическим. Его пределы колеблются от 0,06 до 1000 МПа.

Большинство импортных и отечественных манометров изготавливаются по всем общепринятым стандартам. Именно по этой причине существует возможность замены одной марки на другую.

При выборе прибора необходимо опираться на такие показатели:

• Расположение штуцера — осевое или радиальное.
• Диаметр резьбы штуцера.
• Класс точности прибора.
• Диаметр корпуса.
• Предел измеряемых значений.

Манометр ионизационный

Манометры ионизационные являются самыми чувствительными приборами измерения для очень маленького давления. Они производят замеры косвенно через измерение тех ионов, которые образуются при бомбардировке газов электронами. Чем меньше плотность газа, тем меньше будет образовано ионов. Калибрование ионизационного манометра нестабильно. Оно зависит от природы газа, который измеряется. А эта природа известна не всегда. Могут быть они откалибрированы через сравнение со значениями манометра Мак Леода, которые от химии независимы и более стабильны.

Термоэлектроды с атомами газа ударяются и регенерируют ионы. Они притягиваются к электроду под напряжением, которое для них подходит (это подходящее напряжение называется коллектором). В коллекторе ток пропорционален скорости ионизации, которая в системе является функцией давления. Именно так при помощи измерений тока коллектора можно определить газовое давление.

Большинство ионных манометров подразделяются на три вида:

1. Холодный катод.
2. Горячий катод. Электрически нагреваемая нить накала образует электронный луч. В этом случае электроны проходят через прибор и вокруг себя ионизируют молекулы газа. Ионы, которые образовались, скапливаются на электроде с отрицательным зарядом.
3. Прибор с вращающимся ротором. Он отличается высокой ценой и чувствительностью.

Калибрование ионных манометров очень чувствительно к химическому составу измеряемых газов, конструкционной геометрии, поверхностным напылениям и коррозии. Непригодной их калибровка может стать при включении в среде очень низкого или атмосферного давления.

Измерять давление необходимо во многих промышленных отраслях, вот только приборы для этого используют различные. Но независимо от этого данная величина ничем, кроме манометра, не определяется.

В жидкостных манометрах, или дифманометрах, измеряемое давление или разность давлений уравновешивается давлением столба жидкости. Измерение давления с по­мощью жидкостных манометров основано на изменении высоты столба (уровня) рабочей жидкости в стеклянной измерительной трубке в зависимости от прилагаемого дав­ления. В качестве манометрической (рабочей) жидкости чаще всего используются: этиловый спирт, дистиллирован­ная вода, ртуть. Использование этих веществ связано со стабильностью их физических свойств, незначительной вязкостью, несмачиваемостью стенок.

Процесс измерения давления можно осуществить с высокой степенью точности. Простота устройства и легкость измерения являются причиной широкого распространения жидкостных манометров.

К приборам этого типа относятся двухтрубные (U-об­разные, рисунок 6.1 а) и однотрубные чашечные (рис. 6.1 б) манометры, а также микроманометры.

а) б)

Рисунок 6.1 — Схема U-образного (а) и однотрубного чашечного манометра (б)

Двухтрубный манометр предназна­чен для измерения избыточных давлений или разности давлений. Шкала прибора обычно выполняется подвиж­ной. Перед началом измерений производят проверку нуля, соединив с атмосферой оба колена U-образного маномет­ра. При этом уровни рабочей жидкости устанавливаются на одной горизонтали ab. Перемещая шкалу прибора, сов­мещают нулевую отметку шкалы с установившимся уров­нем жидкости. При соединении одного колена трубки с емкостью, в которой необходимо измерить давление, жидкость пере­мещается до тех пор, пока измеряемое давление не урав­новесится давлением столба жидкости высотой H. Так как уровень жидкости в одной трубке повышается, а в другой понижается, то высота столба Н определяется как раз­ность двух отсчетов. Этот недостаток U-образных маномет­ров частично устранен в чашечном манометре, состоящем из сосудов разного диаметра. Измеряемое давление пода­ется в плюсовой (широкий) сосуд, а разность уровней оп­ределяется путем снятия одного отсчета по минусовой тон­кой трубке.

Для сечения а-б (рисунок 6.1 а) справедливо следующее равенство сил:

(6.2)

где р_а и р_б — абсолютное и атмосферное давление, Па; f — площадь отверстия измерительной трубки, м 2 ; H — высота подъема столба жидкости, м; — плотность рабо­чей жидкости, кг/м 3 ; g — ускорение свободного падения, м/с 2 .

Путем преобразования выражения (6.2) получим:

(6.3)

Очевидно, что при измерении избыточного давления высота подъема рабочей жидкости не зависит от площади поперечного сечения трубок. Исходя из условий удобства работы с прибором (для ограничения высоты трубок ма­нометра), при измерении избыточного давления 0,15 0,2 МПа рекомендуется в качестве рабочей жидкости исполь­зовать ртуть, при более низких давлениях воду или спирт.

Чашечный и U-образный манометры не могут исполь­зоваться при измерении малых избыточных давлений и разрежений, так как погрешность измерений становится чрезмерно большой. В этих случаях применяются специ­альные чашечные манометры с наклонной трубкой (микроманометры)

Рисунок 6.2 – Схема микроманометра с наклонной трубкой

Использование наклонной трубки (рисунок 6.2) позволяет, уменьшив угол , при той же высоте подъема столба жидкости h увеличить его длину, что превышает точность отсчета. Измерение длины и высоты столба жидкости связано соотношением h = l sin. Отсюда . Изменяя угол наклона трубки , можно изменять пределы измерений прибора. Минимальный угол на­клона трубки 8—10°. Погрешность прибора не превышает ±0,5% конечного значения шкалы.

Жидкостные (трубные) манометры функционируют по принципу сообщающихся сосудов – за счет уравновешивания фиксируемого давления весом жидкости-наполнителя: столб жидкости сдвигается на высоту, которая пропорциональна приложенной нагрузке. Измерения на основе гидростатического метода привлекают сочетанием простоты, надежности, экономичности и высокой точности. Манометр с жидкостью внутри оптимально подходит для измерения перепадов давления в пределах 7 кПа (в специальных вариантах исполнения – до 500 кПа).

Виды и типы приборов

Для лабораторных измерений или промышленного применения используются различные варианты манометров с трубной конструкцией. Наиболее востребованы такие виды приборов:

• U-образные. Основа конструкции – сообщающиеся сосуды, в которых определение давления осуществляется по одному или сразу нескольким уровням жидкости. Одна часть трубки соединяется с трубопроводной системой для проведения измерения. В то же время другой конец может быть герметически запаян или иметь свободное сообщение с атмосферой.
• Чашечные. Однотрубный жидкостный манометр во многом напоминает конструкцию классических U-образных приборов, но вместо второй трубки здесь применяется широкий резервуар, площадь которого в 500-700 раз больше площади сечения основной трубки.
• Кольцевые. В устройствах данного типа столб жидкости заключен в кольцевом канале. При изменении давления происходит перемещение центра тяжести, что в свою очередь приводит к перемещению стрелки указателя. Таким образом, прибор для измерения давления фиксирует угол наклона оси кольцевого канала. Эти манометры привлекают высокой точностью результатов, которые не зависят от плотности жидкости и газовой среды на ней. В то же время сфера применения таких изделий ограничивается их высокой стоимостью и сложностью обслуживания.
• Жидкостно-поршневые. Измеряемое давление вытесняет сторонний шток и уравновешивает его положение калиброванными грузами. Подобрав оптимальные параметры массы штока с грузами, удается обеспечить его выталкивание на величину, пропорциональную к измеряемому давлению, а, следовательно, удобную для контроля.

Применение жидкостного манометра

Простота и надежность измерений на основе гидростатического метода объясняют широкое применение прибора с жидкостным наполнителем. Такие манометры незаменимы при проведении лабораторных исследований или решении различных технических задач. В частности, приборы используются для таких типов измерений:

• Небольшие избыточные давления.
• Разность давлений.
• Атмосферное давление.
• Разрежение.

Важное направление применения трубных манометров с жидким наполнителем – поверка контрольно-измерительных приборов: тягомеров, напоромеров, вакуумметров барометров, дифманометров и некоторых типов манометров.

Манометр жидкостный: принцип действия

Самый распространенный вариант конструкции приборов – U-образная трубка. Принцип действия манометра показан на рисунке:

Схема U-образного жидкостного манометра

Один конец трубки имеет сообщение с атмосферой – на него воздействует атмосферное давление Pатм. Другой конец трубки с помощью подводящих устройств подключается к целевому трубопроводу – на него воздействует давление измеряемой среды Рабс. Если показатель Рабс выше Pатм, то жидкость вытесняется в трубку, сообщающуюся с атмосферой.

Инструкция по расчету

Разница высоты между уровнями жидкости рассчитывается по формуле:

h = (Рабс – Ратм)/((rж – rатм )g)
где:
Рабс – абсолютное измеряемое давление.
Ратм – атмосферное давление.
rж – плотность рабочей жидкости.
rатм – плотность окружающей атмосферы.
g – ускорение свободного падения (9,8 м/с2)
Показатель высоты рабочей жидкости H складывается из 2-ух составляющих:
1. h1 – понижение столба по сравнению с исходным значением.
2. h2 – повышение столба в другой части трубки в сравнении с исходным уровнем.
Показатель rатм в расчетах часто не учитывают, поскольку rж >> rатм. Таким образом, зависимость можно представить как:
h = Ризб/(rж g)
где:
Ризб – избыточное давление измеряемой среды.
На основе приведенной формулы, Ризб = hrж g.

Если необходимо измерить давление разряженных газов, применяются измерительные приборы, в которых один из концов герметически запаян, а к другому с помощью подводящих устройств подключают вакуумметрическое давление. Конструкция показана на схеме:

Схема жидкостного вакуумметра абсолютного давления

Для таких приборов применяется формула:
h = (Ратм – Рабс)/(rж g).

Давление в запаянном торце трубки равно нулю. При наличии в нем воздуха расчеты вакуумметрического избыточного давления выполняются как:
Ратм – Рабс = Ризб – hrж g.

Если воздух в запаянном конце откачан, и давление противодействия Ратм = 0, то:
Рабс= hrж g.

Конструкции, в которых воздух в запаянном конце откачивается и перед заполнением вакууммируется, подходят для применения в качестве барометров. Фиксация разницы высоты столба в запаянной части позволяет произвести точные расчеты барометрического давления.

Преимущества и недостатки

Жидкостные манометры имеют как сильные, так и слабые стороны. При их использовании удается оптимизировать капитальные и эксплуатационные издержки на контрольно-измерительные мероприятия. В то же время следует помнить о возможных рисках и уязвимых местах таких конструкций.

Среди ключевых преимуществ измерительных приборов с жидкостным наполнением следует отметить:

• Высокая точность измерений. Приборы с низким уровнем погрешности могут использоваться в качестве образцовых для поверки различного контрольно-измерительного оборудования.
• Простота использования. Инструкция по использованию прибора является предельно простой и не содержит каких-либо сложных или специфических действий.
• Невысокая стоимость. Цена жидкостных манометров значительно ниже по сравнению с другими типами оборудования.
• Быстрый монтаж. Подключение к целевым трубопроводам производится с помощью подводящих устройств. Осуществление монтажа/демонтажа не требует специального оборудования.

При использовании манометрических устройств с жидкостным наполнением следует учитывать и некоторые слабые стороны таких конструкций:

• Резкий скачок давления может привести к выбросу рабочей жидкости.
• Возможность автоматической фиксации и передачи результатов измерений не предусмотрена.
• Внутреннее устройство жидкостных манометров определяет их повышенную хрупкость
• Приборы характеризуются достаточно узким диапазоном измерений.
• Корректность измерений может быть нарушена некачественной очисткой внутренних поверхностей трубок.

Инструкция для жидкостного манометра

Для гидростатических измерений в манометрах могут использоваться различные рабочие жидкости: дистиллированная вода, ртуть, этиловый спирт, жидкость Туле и другие наполнители. При их использовании важно помнить о возможных рисках. В частности, вода приводит к коррозии железосодержащих сплавов, ртуть несет угрозу здоровью человека, а ацетилен и некоторые другие виды наполнителей являются психотропными веществами.