Принцип действия основан на уравновешивании измеряемого давления или разности давлений давлением столба жидкости. Они имеют простое устройство и высокую точность измерения, широко применяются как лабораторные и поверочные приборы. Жидкостные манометры подразделяются на: U-образные, колокольные и кольцевые.
U-образные. Принцип действия основан на законе сообщающихся сосудов. Они бывают двухтрубные (1) и чашечные однотрубные(2).
1) представляют собой стеклянную трубку 1, укрепленную на плате 3 со шкалой и залитую запорной жидкостью 2. Разность уровней в коленах пропорциональна измеряемому перепаду давления. «-»1.ряд погрешностей: вследствие неточности отсчета положения мениска, изменения Т окруж. среды, явлений капиллярности (устраняется введением поправок). 2. необходимость двух отсчетов, что приводит к увеличению погрешности.
2) предст. собой модификацию двухтрубных, но одно колено заменено на широкий сосуд (чашечку). Под действием избыточного давления уровень жидкости в сосуде снижается, а в трубке повышается.
Поплавковые U-образные дифманометры по принципу действия подобны чашечным, но для измерения давления в них используют перемещение поплавка, помещенного в чашку, при изменении уровня жидкости. По средством передаточного устройства перемещение поплавка преобразуется в перемещение показывающей стрелки. «+» широкий предел измерения.
Колокольные манометры. Используются для измерения перепадов давления и разряжений.
В этом приборе колокол 1, подвешенный на пос-
тоянно растянутой пружине 2, частично погружен в разделительную жидкость 3, налитую в сосуд 4.При Р1=Р2 колокол прибора будет находиться в равновесии. При возникновении разности давлений равновесии нарушит-ся и появиться подъемная сила, кот. будет перемещать колокол. При перемещении колокола пружина сжимается.
Кольцевые манометры. Применяются для измерения разности давления, а также небольших давлений и разряжений. Действие основано на принципе «кольцевых весов».
32.Многоконтурные аср
Многоконтурные АСР обычно используют в тех случаях когда одноконтурный АСР даже с п-регулятором не позволяют получить требуемого кач-ва регулирования (чаще всего это объекты обладающие большим временем запаздывания). Широкое распространение в пищевой промышленности получили каскадные АСР, кот. также относятся к многоконтурным АСР. Каскадные обычно используют в тех случаях, когда наряду с основным технологическим параметром У, можно найти вспомогательный Уштрих, кот. также зависит от основного возмущаещего воздействия, но имеет меньшее время запаздывания.
Часто при решении задач в области физики приходится сталкиваться с такими приборами, как манометры. Но что такое манометр, как он работает и какие виды бывают? Об этом и поговорим сегодня.
Что такие манометр?
Данный прибор предназначен для измерения избыточного давления. Однако давление может быть разным, а потому и разные манометры существуют. Например, для измерения атмосферного давления применяются вакуумметры, для определения разности давлений используются Но в любом случае измеряют они только давление.
Невозможно сейчас описывать все области применения этих приборов, ведь их очень много. Они могут использоваться в автомобилестроении, в сельском хозяйстве, коммунальном и жилищном хозяйстве, в любом механическом транспорте, металлургической промышленности и т.д. В зависимости от предназначения, существуют разные виды данных измерителей, но суть их всегда сводится к одному - к измерению давления.
Также эти приборы делятся на разные группы в зависимости по принципу измерения. Теперь, когда более-менее понятно, что такое манометр, можно переходить к деталям. В частности, опишем виды и области их применения.
Виды манометров давления
В зависимости от предназначения, манометры могут быть разных видов. Например, жидкостные манометры используются для измерения давления столба жидкости. Есть пружинные приборы, способные измерить прикладываемую силу. Здесь давление измеряется благодаря уравновешиванию силой деформации пружины.
Менее популярными можно назвать поршневые манометры, где измеряемое давление уравновешивается силой, которая действует на поршень прибора.
Также отметим, что в зависимости от назначения и условия использования выпускаются следующие приборы:
- Технические - устройства общего назначения.
- Контрольные, предназначенные для проверки устанавливаемого оборудования.
- Образцовые - для проверки приборов и проведения измерений, где обязательна повышенная точность.
Также эти устройства можно делить по чувствительности элемента, классам точности. Например, по классам точности манометры бывают: 0.15, 0.25, 0.4, 0.6, 1, 1.5, 2.5, 4. Здесь число определяет точность прибора, и чем оно будет ниже, тем прибор точнее.
Пружинные
Предназначаются эти манометры для измерения избыточного давления. Их принцип измерения основан на использовании специальной пружины, которая деформируется под действием давления. Значение деформации чувствительного элемента (пружины) определяется специальным отсчетным устройством, которое, в свою очередь, имеет градуированную шкалу. На этой шкале пользователь видит значение измеряемого давления.
Чувствительным элементом в таких манометрах чаще всего выступает так называемая трубка Бурдона - чувствительная одновитковая пружина. Однако бывают и другие элементы: плоская гофрированная мембрана, многовитковая трубчатая пружина, сильфон (гармоникообразная мембрана). Все они одинаково эффективны, но наиболее простым и доступным и из-за этого наиболее распространенным является манометр, показывающий давление с помощью одновитковой пружины Бурдона. Именно такие модели активно применяются для измерения давления в диапазоне 0.6-1600 кгс/см 2 .
Жидкостные манометры
В отличие от пружинных, в жидкостных манометрах давление измеряется путем уравновешивания весом столба жидкости, а мера давления в данном случае - это уровень жидкости в сообщающихся сосудах. Такие приборы позволяют измерять давление в диапазоне 10-105 Па, и применяются они в основном в лабораторных условиях.
По сути, такой прибор - это U-образная трубка с жидкостью с большим удельным весом по сравнению с жидкостью, непосредственно в которой измеряется гидростатическое давление. Чаще всего такой жидкостью является ртуть.
В эту категорию косвенно можно отнести общетехнические и рабочие приборы типа манометра ТМ-510, ТВ-510, представляющие собой наиболее востребованную категорию. Они измеряют давление некристаллизующихся и неагрессивных паров и газов. Класс точности таких манометров: 1, 2.5, 1.5. Применяются такие на котельных, в системах теплоснабжения, при транспортировке жидкостей, а также в производственных процессах.
Электроконтактные манометры
К этой категории относятся в том числе вакууметры и мановакуумметры. Они предназначаются для измерения давления жидкостей и газов, являющихся нейтральными по отношению к стали и латуни. Конструкция этих приборов аналогичная пружинным, однако разница заключается лишь в больших геометрических размерах. Корпус электроконтактного манометра большой из-за устройства контактных групп. Также такой прибор может воздействовать на давление в контролируемой среде благодаря замыканию/размыканию контактов.
Благодаря особому электроконтактному механизму, который здесь используется, прибор можно применять в системе аварийной сигнализации. Собственно, в этой области он также используется.
Образцовые
Этот тип приборов предназначен для проверки манометров, используемых для измерений в лабораторных условиях. Их основное назначение - проверка исправности показаний рабочих манометров. Отличительная особенность таких приборов - очень высокий класс точности, который достигается благодаря конструктивным особенностям, а также зубчатому зацеплению в передаточном механизме.
Специальные
Эта категория приборов используется в разных отраслях промышленности для измерения давления таких газов, как аммиак, водород, кислород, ацетилен и т.д. Чаще всего измерение манометром специальным возможно только одного типа газа. Для каждого такого манометра указывается для измерения давления которого он предназначается. Также и сам манометр окрашивается в определенный цвет, соответствующий цвету газа, для которого этот прибор предназначен. В обозначении прибора также применяется определенная литера. К примеру, аммиачные манометры всегда окрашиваются в желтый цвет, обозначаются литерой A и имеют коррозионостойкое исполнение.
Существуют специальные виброустойчивые приборы, которые работают в условиях большого пульсирующего давления окружающей среды и сильных вибраций. Если в таких условиях использовать обычный манометр, то долго он не прослужит, т.к. передаточный механизм быстро выйдет из строя. Основной критерий виброустойчивого манометра - это герметичность и коррозионностойкая сталь корпуса.
Самопишущие
Основное отличие таких манометров следует из названия. Эти приборы непрерывно записывают измеряемое давление на диаграмме, что позже позволяет увидеть график изменения давления в определенном временном отрезке. Используются такие приборы в энергетике и промышленности для измерения получения показателей в неагрессивных средах.
Судовые
Эти предназначаются для измерения вакуумметрического давления газов, пара и жидкостей (масла, дизельного топлива, воды). Такие приборы отличаются более высокой влагозащитой, устойчивостью к климатическим воздействиям и вибрациям. Исходя из названия, можно понять их область применения - речной и морской транспорт.
Железнодорожные
В отличие от обычных манометров, показывающих значение давления, железнодорожные приборы не показывают, а преобразовывают давление в сигнал другого вида (цифровой, пневматический и т.д.). Для этого могут быть использованы различные методы.
Такие преобразователи давления активно используются в системах управления технологическими процессами, автоматики и, несмотря на свое прямое название, они применяются в отраслях нефтедобычи, химической и атомной энергетике.
Заключение
Измерение давления требуется во многих отраслях, и для каждой из них существуют специальные манометры со своими уникальными особенностями. Есть даже специальные эталонные манометры, которые предназначаются для настройки и обязательной проверки рабочих приборов. Они хранятся в Ростехнадзоре.
Но в любой отрасли и любой тип этих приборов предназначается для измерения только давления. Теперь вы знаете, что такое манометр, какие бывают виды и приблизительно понимаете принцип измерения давления.
Для измерения давления используют манометры и барометры. Барометры используются для измерения атмосферного давления. Для других измерений используются манометры. Произошло слово манометр от двух греческих слов: манос - неплотный, метрео - измеряю.
Трубчатый металлический манометр
Существуют различные типы манометров. Рассмотрим подробнее два из них. На следующем рисунке изображен трубчатый металлический манометр.
Его изобрел в 1848 году француз Э. Бурдон. На следующем рисунке видна его конструкции.
Основные составные части это: согнутая в дугу полая трубка (1), стрелка (2), зубчатка(3), кран(4), рычаг(5).
Принцип действия трубчатого манометра
Один конец трубки запаян. В другой конец трубки, с помощью крана соединяется с сосудом, в котором необходимо измерить давление. Если давление начнет увеличиваться, трубка будет разгибаться, при этом воздействуя на рычаг. Рычаг через зубчатку связан со стрелкой, поэтому при увеличении давления стрелка будет отклоняться, указывая давление.
Если же давление будет уменьшаться, то трубка будет сгибаться, а стрелка двигаться в обратном направлении.
Жидкостный манометр
Теперь рассмотрим другой тип манометра. На следующем рисунке изображен жидкостный манометр. Он имеет форму буквы U.
В его состав входит стеклянная трубка в форме буквы U. В эту трубочку налита жидкость. Один из концов трубки с помощью резиновой трубки соединяют с круглой плоской коробочкой, которая затянута резиновой пленкой.
Принцип действия жидкостного манометра
В исходном положении вода в трубках будет находиться на одном уровне. Если же на резиновую пленку будет оказываться давление, то уровень жидкости в одном колене манометра понизится, а в другом, следовательно, повысится.
Это показано на рисунке выше. Мы давим на пленку пальцем.
Когда мы надавливаем на пленку, давление воздуха, который находится в коробочке, увеличивается. Давление передается по трубке и доходит до жидкости, при этом вытесняя её. При понижении уровня в этом колене, уровень жидкости в другом колене трубки, будет увеличиваться.
По разности уровней жидкости, можно будет судить о разности атмосферного давления и того давления, что оказывается на пленку.
На следующем рисунке показано, как с помощью жидкостного манометра измерить давление в жидкости на различной глубине.
Давлением называется равномерно распределенная сила, действующая перпендикулярно на единицу площади. Оно может быть атмосферным (давление околоземной атмосферы), избыточным (превышающим атмосферное) и абсолютным (сумма атмосферного и избыточного). Абсолютное давление ниже атмосферного называется разреженным, а глубокое разряжение - вакуумным.
Единицей давления в международной системе единиц (СИ) является Паскаль (Па). Один Паскаль есть давление, создаваемое силой один Ньютон на площади один квадратный метр. Поскольку эта единица очень мала, применяют также единицы кратные ей: килопаскаль (кПа) = Па; мегапаскаль (МПа) = Па и др. Ввиду сложности задачи перехода от применявшихся ранее единиц давления к единице Паскаль, временно допущены к применению единицы: килограмм-сила на квадратный сантиметр (кгс/см) = 980665 Па; килограмм-сила на квадратный метр (кгс/м) или миллиметр водяного столба (мм вод.ст) = 9,80665 Па; миллиметр ртутного столба (мм рт.ст) = 133,332 Па.
Приборы контроля давления классифицируются в зависимости от метода измерения, используемого в них, а также по характеру измеряемой величины.
По методу измерения, определяющему принцип действия, эти приборы подразделяются на следующие группы:
Жидкостные, в которых измерение давления происходит путем уравновешивания его столбом жидкости, высота которого определяет величину давления;
Пружинные (деформационные), в которых значение давления измеряется путем определения меры деформации упругих элементов;
Грузопоршневые, основанные на уравновешивании сил создаваемых с одной стороны измеряемым давлением, а с другой стороны калиброванными грузами действующих на поршень помещенный в цилиндр.
Электрические, в которых измерение давления осуществляется путем преобразования его значения в электрическую величину, и путем замера электрических свойств материала, зависящих от величины давления.
По виду измеряемого давления приборы подразделяют на следуюшие:
Манометры, предназначенные для измерения избыточного давления;
Вакуумметры, служащие для измерения разрежения (вакуума);
Мановакууметры, измеряющие избыточное давление и вакуум;
Напоромеры, используемые для измерения малых избыточных давлений;
Тягомеры, применяемые для измерения малых разрежений;
Тягонапоромеры, предназначенные для измерения малых давлений и разрежений;
Дифференциальные манометры (дифманометры), с помощью которых измеряют разность давлений;
Барометры, используемые для измерения барометрического давления.
Наиболее часто используются пружинные или деформационные манометры. Основные виды чувствительных элементов этих приборов представлены на рис. 1.
Рис. 1. Виды чувствительных элементов деформационных манометров
а) - с одновитковой трубчатой пружиной (трубкой Бурдона)
б) - с многовитковой трубчатой пружиной
в) - с упругими мембранами
г) - сильфонные.
Приборы c трубчатыми пружинами.
Принцип действия этих приборов основан на свойстве изогнутой трубки (трубчатой пружины) некруглого сечения изменять свою кривизну при изменении давления внутри трубки.
В зависимости от формы пружины, различают пружины одновитковые (рис. 1а) и многовитковые (рис. 1б). Достоинством многовитковых трубчатых пружин является большее чем у одновитковых перемещение свободного конца при одинаковом изменении входного давления. Недостатком - существенные габариты приборов с такими пружинами.
Манометры с одновитковой трубчатой пружиной - один из наиболее распространенных видов пружинных приборов. Чувствительным элементом таких приборов является согнутая по дуге круга, запаянная с одного конца, трубка 1 (рис. 2) эллиптического или овального сечения. Открытым концом трубка через держатель 2 и ниппель 3 присоединяется к источнику измеряемого давления. Свободный (запаянный) конец трубки 4 через передаточный механизм соединен с осью стрелки перемещающейся по шкале прибора.
Трубки манометров, рассчитанных на давление до 50 кг/см изготавливаются из меди, а трубки манометров, рассчитанных на большее давление из стали.
Свойство изогнутой трубки некруглого сечения изменять величину изгиба при изменении давления в ее полости является следствием изменения формы сечения. Под действием давления внутри трубки эллиптическое или плоскоовальное сечение, деформируясь, приближается к круглому сечению (малая ось эллипса или овала увеличивается, а большая уменьшается).
Перемещение свободного конца трубки при ее деформации в определенных пределах пропорционально измеряемому давлению. При давлениях, выходящих из указанного предела, в трубке возникают остаточные деформации, которые делают ее непригодной для измерения. Поэтому максимальное рабочее давление манометра должно быть ниже предела пропорциональности с некоторым запасом прочности.
Рис. 2. Пружинный манометр
Перемещение свободного конца трубки под действием давления весьма невелико, поэтому для увеличения точности и наглядности показаний прибора вводят передаточный механизм, увеличивающий масштаб перемещения конца трубки. Он состоит (рис. 2) из зубчатого сектора 6, шестерни 7, сцепляющейся с сектором, и спиральной пружины (волоска) 8. На оси шестерни 7 закреплена указывающая стрелка манометра 9. Пружина 8 прикреплена одним концом к оси шестерни, а другим - к неподвижной точке платы механизма. Назначение пружины - исключить люфт стрелки, выбирая зазоры в зубчатом сцеплении и шарнирных соединениях механизма.
Мембранные манометры.
Чувствительным элементом мембранных манометров может быть жесткая (упругая) или вялая мембрана.
Упругие мембраны представляют собой медные или латунные диски с гофрами. Гофры увеличивают жесткость мембраны и ее способность к деформации. Из таких мембран изготавливают мембранные коробки (см. рис. 1в), а из коробок - блоки.
Вялые мембраны изготавливают из резины на тканевой основе в виде одногофровых дисков. Используются они для измерения небольших избыточных давлений и разряжений.
Мембранные манометры и могут быть с местными показаниями, с электрической или пневматической передачей показаний на вторичные приборы.
Для примера рассмотрим дифманометр мембранный типа ДМ, который представляет собой бесшкальный датчик мембранного типа (рис. 3) с дифференциально - трансформаторной системой передачи значения измеряемой величины на вторичный прибор типа КСД.
Рис. 3 Устройство мембранного дифманометра типа ДМ
Чувствительным элементом дифманометра является мембранный блок, состоящий из двух мембранных коробок 1 и 3, заполненных кремнийорганической жидкостью, находящихся в двух отдельных камерах, разделенных перегородкой 2.
К центру верхней мембраны прикреплен железный сердечник 4 дифференциально-трансформаторного преобразователя 5.
В нижнюю камеру подается большее (плюсовое) измеряемое давление, в верхнюю - меньшее (минусовое) давление. Сила измеряемого перепада давления уравновешивается за счет других сил, возникающих при деформации мембранных коробок 1 и 3.
При увеличении перепада давления мембранная коробка 3 сжимается, жидкость из нее перетекает в коробку 1, которая расширяется и перемещает сердечник 4 дифференциально-трансформаторного преобразователя. При уменьшении перепада давления сжимается мембранная коробка 1 и жидкость из нее вытесняется в коробку 3. Сердечник 4 при этом перемещается вниз. Таким образом, положение сердечника, т.е. выходное напряжение дифференциально-трансформаторной схемы однозначно зависит от значения перепада давления.
Для работы в системах контроля, регулирования и управления технологическими процессами путем непрерывного преобразования давления среды в стандартный токовый выходной сигнал с передачей его на вторичные приборы или исполнительные механизмы используются датчики-преобразователи типа "Сапфир".
Преобразователи давления этого типа служат: для измерения абсолютного давления («Сапфир-22ДА»), измерения избыточного давления («Сапфир-22ДИ»), измерения вакуума («Сапфир-22ДВ»), измерения давления - разряжения («Сапфир-22ДИВ»), гидростатического давления («Сапфир-22ДГ»).
Устройство преобразователя «САПФИР-22ДГ» показано на рис. 4. Они используются для измерения гидростатических давлений (уровня) нейтральных и агрессивных сред при температурах от -50 до 120 °С. Верхний предел измерения - 4 МПа.
Рис. 4 Устройство преобразователя «САПФИР -22ДГ»
Тензопреобразователь 4 мембранно-рычажного типа размещен внутри основания 8 в замкнутой полости 10, заполненной кремнийорганической жидкостью, и отделен от измеряемой среды металлическими гофрированными мембранами 7. Чувствительными элементами тензопреобразователя являются пленочные тензорезисторы 11 из кремния размещенные на пластине 10 из сапфира.
Мембраны 7 приварены по наружному контуру к основанию 8 и соединены между собой центральным штоком 6, который связан с концом рычага тензопреобразователя 4 с помощью тяги 5. Фланцы 9 уплотнены прокладками 3. Плюсовой фланец с открытой мембраной служит для монтажа преобразователя непосредственно на технологической емкости. Воздействие измеряемого давления вызывает прогиб мембран 7, изгиб мембраны тензопреобразователя 4 и изменение сопротивления тензорезисторов. Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из измерительного блока по проводам через гермоввод 2 в электронное устройство 1, преобразующее изменение сопротивлений тензорезисторов в изменение токового выходного сигнала в одном из диапазонов (0-5) мA, (0-20) мA, (4-20) мА.
Измерительный блок выдерживает без разрушения воздействие односторонней перегрузки рабочим избыточным давлением. Это обеспечивается тем, что при такой перегрузке одна из мембран 7 ложится на профилированную поверхность основания 8.
Похожее устройство имеют и указанные выше модификации преобразователей «Сапфир-22».
Измерительные преобразователи гидростатических и абсолютных давлений «Сапфир-22К-ДГ» и «Сапфир-22К-ДА» имеют выходной токовый сигнал (0-5) мА или (0-20) мА или (4-20) мА, а также электрический кодовый сигнал на базе интерфейса RS-485.
Чувствительным элементом сильфонных манометров и дифманометров являются сильфоны - гармониковые мембраны (металлические гофрированные трубки). Измеряемое давление вызывает упругую деформацию сильфона. Мерой давления может быть либо перемещение свободного торца сильфона, либо сила, возникающая при деформации.
Принципиальная схема сильфонного дифманометра типа ДС приведена на рис.5. Чувствительным элементом такого прибора являются один или два сильфона. Сильфоны 1 и 2 одним концом закреплены на неподвижном основании, а другим соединены через подвижный шток 3. Внутренние полости сильфонов заполнены жидкостью (водоглицериновой смесью, кремнийорганической жидкостью) и соединены друг с другом. При изменении перепада давления один из сильфонов сжимается, перегоняя жидкость в другой сильфон и перемещая шток сильфонного блока. Перемещение штока преобразуется в перемещение пера, стрелки, лекала интегратора или сигнал дистанционной передачи, пропорциональный измеряемому перепаду давления.
Номинальный перепад давления определяет блок винтовых цилиндрических пружин 4.
При перепадах давления выше номинального стаканы 5 перекрывают канал 6, прекращая переток жидкости и предупреждая таким образом сильфоны от разрушения.
Рис. 5 Принципиальная схема сильфонного дифманометра
Для получения достоверной информации о величине какого-либо параметра необходимо точно знать погрешность измерительного устройства. Определение основной погрешности прибора в различных точках шкалы через определенные промежутки времени производят путем его поверки, т.е. сравнивают показания поверяемого прибора с показаниями более точного, образцового прибора. Как правило, поверка приборов осуществляется сначала при возрастающем значении измеряемой величины (прямой ход), а затем при убывающем значении (обратный ход).
Манометры поверяют следующими тремя способами: поверка нулевой точки, рабочей точки и полная поверка. При этом две первые поверки производятся непосредственно на рабочем месте с помощью трехходового крана (рис. 6).
Рабочая точка поверяется путем присоединения контрольного манометра к рабочему манометру и сравнение их показаний.
Полная поверка манометров осуществляется в лаборатории на поверочном прессе или поршневом манометре, после снятия манометра с рабочего места.
Принцип действия грузопоршневой установки для поверки манометров основан на уравновешивании сил, создаваемых с одной стороны измеряемым давлением, а с другой - грузами, действующими на поршень, помещенный в цилиндр.
Рис. 6. Схемы поверки нулевой и рабочей точек манометра с помощью трехходового крана.
Положения трехходового крана: 1 - рабочее; 2 - поверка нулевой точки; 3 - поверка рабочей точки; 4 - продувка импульсной линии.
Приборы для измерения избыточного давления называются манометрами, вакуума (давления ниже атмосферного) - вакуумметрами, избыточного давления и вакуума - мановакуумметрами, разности давлений (перепада) - дифференциальными манометрами.
Основные серийно выпускаемые приборы для измерения давления по принципу действия делятся на следующие группы:
Жидкостные - измеряемое давление уравновешивается давлением столба жидкости;
Пружинные - измеряемое давление уравновешивается силой упругой деформации трубчатой пружины, мембраны, сильфона и т.д.;
Поршневые - измеряемое давление уравновешивается силой, действующей на поршень определенного сечения.
В зависимости от условий применения и назначения промышленностью выпускаются следующие типы приборов для измерения давления:
Магнитомодуляционные приборы для измерения давления
В таких приборах усилие преобразуется в сигнал электрического тока вследствие передвижения магнита, связанного с упругим компонентом. При движении магнит воздействует на магнитомодуляционный преобразователь.
Электрический сигнал усиливается в полупроводниковом усилителе и поступает на вторичные электроизмерительные устройства.
Тензометрические манометры
Преобразователи на основе тензометрического датчика работают на основе зависимости электрического сопротивления тензорезистора от величины деформации.
Рис-5
Тензодатчики (1) (рисунок 5) фиксируются на упругом элементе прибора. Электрический сигнал на выходе возникает вследствие изменения сопротивления тензорезистора, и фиксируется вторичными устройствами измерения.
Электроконтактные манометры
Рис-6
Упругим компонентом в приборе выступает трубчатая одновитковая пружина. Контакты (1) и (2) выполняются для любых отметок шкалы прибора, вращая винт в головке (3), которая находится на внешней стороне стекла.
При уменьшении давления и достижении его нижнего предела, стрелка (4) с помощью контакта (5) включит цепь лампы соответствующего цвета. При возрастании давления до верхнего предела, который задан контактом (2), стрелка замыкает цепь красной лампы контактом (5).
Классы точности
Измерительные манометры разделяют на два класса:
Образцовые.
Рабочие.
Образцовые приборы определяют погрешность показаний рабочих приборов, которые участвуют в технологии производства продукции.
Класс точности взаимосвязан с допустимой погрешностью, которая является величиной отклонения манометра от действительных величин. Точность прибора определяется процентным соотношением от максимально допустимой погрешности к номинальному значению. Чем больше процент, тем меньше точность прибора.
Образцовые манометры имеют точность намного выше рабочих моделей, так как они служат для оценки соответствия показаний рабочих моделей приборов. Образцовые манометры применяются в основном в условиях лаборатории, поэтому они изготавливаются без дополнительной защиты от внешней среды.
Пружинные манометры имеют 3 класса точности: 0,16, 0,25 и 0,4. Рабочие модели манометров имеют такие классы точности от 0,5 до 4.
Применение манометров
Приборы для измерения давления наиболее популярные приборы в различных отраслях промышленности при работе с жидким или газообразным сырьем.
Перечислим основные места использования таких приборов:
- В газо- и нефтедобывающей промышленности.
- В теплотехнике для контроля давления энергоносителя в трубопроводах.
- В авиационной отрасли промышленности, автомобилестроении, сервисном обслуживании самолетов и автомобилей.
- В машиностроительной отрасли при применении гидромеханических и гидродинамических узлов.
- В медицинских устройствах и приборах.
- В железнодорожном оборудовании и транспорте.
- В химической отрасли промышленности для определения давления веществ в технологических процессах.
- В местах с применением пневматических механизмов и агрегатов.
Полнотекстовый поиск.
Давлением называют физическую величину, равную отношению силы, действующей на элемент поверхности нормально к ней, к площади этого элемента.
Различают абсолютное и избыточное давление. Абсолютным (полным) называют давление, отсчитываемое от абсолютного нуля, т. е. истинное давление. Оно может быть как выше, так и ниже атмосферного. Если абсолютное давление ниже атмосферного, его называют остаточным. Разность между атмосферным и остаточным давлением называют вакуумом или разрежением. Избыточное давление представляет собой разность между абсолютным давлением и давлением окружающей среды.
Основная единица давления по Международной системе единиц (СИ) - паскаль (Па). Паскаль равен давлению, вызываемому силой 1Н (1 ньютон), равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1 м2, т. е. 1 Па - 1 Н/м2.
Соотношения между паскалем и некоторыми внесистемными единицами представлены ниже:
Классификация приборов для измерения давления
Приборы для измерения давления и разрежения обычно классифицируют по роду измеряемой величины и по принципу действия. Деление по первому принципу представлено ниже:
По второму принципу приборы подразделяются на жидкостные, деформационные и электрические манометры.
Жидкостные манометры
Жидкостные стеклянные манометры широко применяются в лабораториях для измерения барометрического давления атмосферного воздуха, вакуума, разности давлений, для градуировки и проверки приборов других систем.
Жидкостные манометры - самые простые и точные приборы для измерения давления. Верхний Предел измеряемых величин - 0,2 МПа (2кгс/см2).
Ртутные барометры
Для измерения атмосферного или близкого к нему давления в открытом пространстве применяют барометры, показывающие абсолютное давление воздуха.
Ртутный барометр (рис. 109) состоит из вертикальной стеклянной трубки, наполненной ртутью; верхний конец трубки запаян, а нижний опущен в чашку с ртутью. В верхней части трубки образуется вакуум. При увеличении давления воздух давит на поверхность ртути в чашке и часть ртути входит в трубку, а при понижении давления происходит обратное. Трубка заключена в оправу, в верхней части которой имеется вертикальный прорез, позволяющий видеть мениск ртути. В пределах этого прореза на оправе нанесена шкала в миллиметрах ртутного столба. Дополнительно имеется подвижная шкала-нониус, позволяющая измерять давление с точностью до десятых долей миллиметра. Перед отсчетом давления необходимо слегка постучать пальцем по защитной оправе барометра, чтобы мениск ртути принял нормальную форму, и установить при помощи винта нулевое деление нониуса на одной линии с верхним мениском ртутного столба.
Пример. На барометре, изображенном на рис. 108, давление в целых числах равно 762 мм рт. ст. К нему следует прибавить столько десятых долей миллиметра, сколько делений по нониусу приходится до первого совпадения одного из них с делениями основной шкалы. В нашем примере - это 7-е деление, следовательно атмосферное давление равно 762 + 0,7 = 762,7 мм рт. ст.
Ртутные барометры устанавливают в помещениях вдали от дверей и окон, укрепляя их на контрольной стене во избежание сотрясения.
При измерении давления барометром необходимо ввести поправки на температуру и силу тяжести. На практике пользуются готовыми таблицами поправок, прилагаемых к барометру. Барометры имеют еще инструментальную поправку, которая приводится в паспорте прибора.
Точность определения давления обычными ртутными барометрами составляет 13,3 Па (0,1 мм рт. ст.).
Жидкостные манометры для измерения избыточного давления
Для измерения давления больше атмосферного выпускаются стеклянные U-образные ртутные манометры с пределами измерения 100 и 160 мм рт. ст., а также U-образные жидкостные манометры, заполненные водой, силиконовым маслом, спиртом, этилфталатом, с пределами измерения 100, 160, 250, 400, 600, 1000 мм жидкостного столба.
Жидкостные манометры представляют собой открытую с обеих сторон стеклянную U-образную трубку, укрепленную на деревянном штативе со шкалой, расположенной между ветвями трубки (рис. 110) .Трубку манометра заполняют запирающей жидкостью до нулевой отметки шкалы. Левый конец трубки присоединяют к установке, в которой измеряется давление, а правый сообщается с атмосферой. Под действием измеряемого давления жидкость в трубке перемещается из одного колена в другое. Когда измеряемое давление уравновесится гидростатическим давлением столба жидкости, перемещение жидкости прекратится. Поскольку давление в системе выше атмосферного, высота столба жидкости в правом колене больше, чем в левом. Разность высот равна величине столба жидкости, измеряемой по градуированной шкале.
Ртутные манометры для измерения вакуума
Для измерения низкого вакуума (более 133 Па) наиболее распространен U-образный стеклянный ртутный вакуумметр (рис. 111). В U-образной манометрической трубке находится ртуть, полностью заполняющая левое колено. Когда вакуумметр будет присоединен к вакуумируемой установке, ртуть в левом колене начнет опускаться и остановится, когда разность уровней в обоих коленах будет соответствовать давлению в системе.
В вакуумметрах заводского изготовления манометрическая трубка сужена в месте нижнего изгиба, чтобы уменьшить скорость движения ртути и предупредить сильный удар в запаянный конец трубки при быстром впускании воздуха в манометр.
Иногда манометрические трубки изготавливают и заполняют ртутью в лаборатории. Манометр монтируют на деревянной подставке либо присоединяют его к установке для вакуумирования и шкалу с делениями укрепляют непосредственно на манометре. Перед заполнением манометрической трубки ртутью ее необходимо вымыть разбавленной азотной кислотой, водой и тщательно высушить; ртуть должна быть также тщательно очищена и осушена.
Предложено много методов заполнения манометра ртутью. По одному из них, заполнение проводят следующим образом: встряхиванием переводят в запаянное колено часть ртути и при помощи вакуум-насоса осторожно откачивают воздух из трубки, держа ее почти в горизонтальном положении. Когда пузырьки воздуха будут удалены, ртуть осторожно нагревают в вакууме спиртовой или газовой горелкой до кипения, непрерывно встряхивая трубку. После дегазации добавляют новую порцию ртути и повторяют эту операцию до тех пор, пока в правом колене уровень ртути не поднимется на 20-25 мм выше изгиба.
По другому способу, при помощи отрезка вакуумной резиновой трубки к манометру присоединяют почти встык стеклянный шар со ртутью, соединенный с масляным вакуумным насосом (рис. 112). Вакуумировав систему до предельного давления, создаваемого масляным насосом, закрывают кран и, поднимая шар, переливают часть ртути в трубку манометра. Затем манометр переворачивают сгибом вверх и снаружи осторожно нагревают пламенем горелки до тех пор, пока ртуть не закипит и из нее не удалятся пузырьки воды и воздуха. После этого в манометр подливают еще ртути, прогретой предварительно в шаре, и повторяют операцию кипячения. Наконец, заполняют и согнутую часть манометра, переворачивают манометр в нормальное положение и добавляют нужное количество ртути.
Затруднения, связанные с заполнением вакуумметра ртутью, могут быть значительно уменьшены, если закрытое колено манометрической трубки не запаяно, а имеет хорошо пришлифованный стеклянный кран (рис. 113). Для заполнения вакуумметра чистую ртуть с помощью водоструйного насоса засасывают в манометрическую трубку при открытом верхнем кране. Кран закрывают, когда ртуть попадает в расширение над ним. Затем ртуть с большой осторожностью нагревают в вакууме для удаления остатков адсорбированного воздуха.
Если манометр правильно заполнен ртутью и не загрязнен воздухом или парами веществ, то при присоединении его к масляному насосу ртуть в обоих коленах должна находиться на одинаковом уровне. Если внутрь закрытого конца манометра попадет воздух или пары веществ, то может возникнуть большая погрешность.
Точность измерений давления таким манометром составляет 66,5-133 Па (0,5-1,0 мм рт. ст.).
При выполнении работ под вакуумом до впуска воздуха в эвакуированную систему необходимо закрывать кран манометра, иначе ртуть загрязняется. Кран следует ненадолго открывать только непосредственно при снятии показаний.
Если в результате неосторожного обращения вода из водоструйного насоса или жидкость, с которой производилась работа в вакууме, попадет в манометр, его нужно разобрать, тщательно вымыть, высушить и вновь заполнить сухой ртутью.
Перед заполнением манометра сухой ртутью, чтобы предотвратить загрязнение ртути, рекомендуется прокипятить резиновый шланг в 5% растворе Na2CO3, тщательно промыть его дистиллированной водой, затем спиртом и высушить струей сухого чистого воздуха.
Уравнительный (подвижный) сосуд со ртутью следует поднимать осторожно, чтобы ртуть не попала в аппаратуру или насос.
Масса ртути для заполнения манометра обычно значительна (2,5-6 кг), потому необходимо очень осторожно обращаться с прибором и строго соблюдать правила работы со ртутью.
Для измерения давления в диапазоне 1330-0,0133 Па (10-0,0001 мм рт. ст.) часто применяют компрессионный ртутный манометр Мак-Леода, принцип действия которого основан на закономерном уменьшении известного объема газа при сжатии под действием ртути. Благодаря этому давление газа достигает заметной величины, а исходный объем газа, равный 100-300 мл, сокращается обычно в 10000-100000 раз. Наиболее употребительны измерительные баллоны шарообразной или грушевидной форм объемом в 100 мл.
Предложено много конструкций компрессионного манометра; две модели приведены на рис. 114. Чувствительность манометра Мак-Леода зависит от отношения объемов измерительного сосуда и измерительного капилляра (от степени сжатия).
Увеличивая объем измерительного сосуда при одновременном уменьшении объема капилляра, можно достигнуть любой степени точности измерения высокого вакуума. На практике точность показания манометра ограничивается массой ртути, препятствующей увеличению объема измерительного сосуда, и диаметром измерительного капилляра. Если диаметр капилляра меньше 0,5 мм, ртуть прилипает к стенкам и капилляр легко забивается.
Манометры Мак-Леода применяют для абсолютных измерений и калибровки вакуумметров других типов. Однако ими нельзя измерять давление паров углеводородов, воды и ртути, так как эти вещества при сжатии конденсируются и адсорбируются на стеклянных стенках прибора.
При пользовании простым манометром Мак-Леода поступают следующим образом: через отвод 8 манометр присоединяют к установке. Резервуар с ртутью 6 опускают так, чтобы ртуть вытекла из баллона 1 и капилляра 2. После того как вакуум в системе установится, резервуар 6 поднимают на такую высоту, чтобы уровень ртути в боковом, открытом капилляре 4 оказался на высоте верхнего конца запаянного капилляра 2. Объем воздуха, оставшегося в капилляре 2, пропорционален первоначальному остаточному давлению. Давление, в соответствии с законом Бойля-Мариотта, может быть вычислено по формуле:
где V1 - обьем баллона 1 вместе с капилляром; V2 - объем воздуха в капилляре 2 после сжатия; dh - разность уровней ртути в капиллярах.
Обычно манометры снабжаются шкалой, прокалиброванной для прямого отсчета давления по величине dh.
В некоторых случаях в паспорте манометра приводится постоянная капилляра К, измеряемая объемом на единицу длины капилляра. В этом случае давление может быть рассчитано по формуле:
Этот метод позволяет построить линейную шкалу зависимости разности уровней ртути от измеряемого давления для данного манометра. Зная разность уровней ртути dh, точный объем V1 и площадь сечения капилляра S, измеряемый вакуум можно также вычислить по формуле:
На основе этих вычислений можно заранее изготовить нелинейную квадратичную шкалу для данного манометра. Линейная шкала удобнее для измерения более высоких давлений, а квадратичная - для более низких.
Показывающие манометры для измерения избыточного давления
Для измерения избыточного давления применяются манометры с одновитковой и многовитковой трубчатыми пружинами. Показывающие лабораторные манометры изготовляют с одновитковой трубчатой пружиной. Последняя представляет собой полую металлическую трубку овального сечения, изогнутую по дуге и закрытую с одного конца. Второй конец пружины впаян в штуцер, соединяющий манометрическую трубку с установкой, в которой измеряется давление. Под действием давления трубчатая пружина меняет форму своего сечения, в результате чего ее запаянный конец перемещается пропорционально измеряемому давлению (трубка разгибается).
Для измерения давления до 5 МПа (50 кгс/см2) трубки изготовляют из латуни и бронзы, для более высоких давлений - из стали.
Показывающие манометры выпускают в круглом корпусе диаметром от 40 до 250 мм с верхними пределами измерений от 0,1 до 160 МПа. Нижний предел у всех манометров равен нулю.
Корпуса манометров, предназначенных для измерения давления различных газов, окрашиваются в соответствующие цвета: для кислорода - в голубой, водорода - в темно-зеленый, ацетилена - в белый, хлора и фосгена - в серовато-зеленый, горючих газов - в красный, а остальных негорючих газов - в черный.
Вакуумметры для различных диапазонов давления
Диапазон давлений, измеряемых вакуумметрами, значителен 1013 - 1,33 * 10 в минус 12 Па (760-10 в минус 13 мм рт. ст.), поэтому в настоящее время применяют различные манометры, каждый из которых имеет свой диапазон измеряемого давления.
Термопарный манометр типа ВТ-3 предназначен для индикации давления в диапазоне 665-66,5 Па (5-0,5 мм рт. ст.) и для измерения давления в диапазоне 13,3 - 0,133 Па (0,1 – 0,001 мм рт. ст.). Прибор состоит из измерительной установки и термопарного манометрического преобразователя (лампы) ЛТ-2 или ЛТ-4М. Измерительная установка обеспечивает питание манометрического преобразователя, измерение тока подогревателя и т. э. д. с.
В диапазоне индикации давления вакуумметр работает только с преобразователем ЛТ-2, работающим в режиме постоянства т. э. д. с., в диапазоне измерения давления - с преобразователями ЛТ-2 или ЛТ-4М, работающими в режиме постоянства тока нагревателя.
Отсчет давлений производится по градуировочным графикам, приведенным в приложении к выпускному аттестату, и инструкции по эксплуатации прибора.
Принцип действия термопарного манометрического преобразователя давления основан на зависимости теплопроводности газа от давления. Температура нагревателя определяет электродвижущую силу термопарного преобразователя. Если в преобразователе, вакуумно соединенном с обследуемым объемом, ток нагревателя поддерживать постоянным, то т. э. д. с. термопарного преобразователя будет определяться давлением окружающего газа, так как изменение температуры нагревателя зависит от теплопроводности окружающего газа. Следовательно, при понижении давления теплопроводность газа уменьшится, температура нагревателя увеличится, и возрастет т. э. д. с. термопары.
Ионизационно-термопарный вакуумметр ВИТ-2 имеет два диапазона измерений: 26,6-0,133 Па (0,2 – 0,001 мм рт. ст.) и 0,133 - 1,33 * 10 в минус 5 Па (10 в минус 3 – 10 в минус 7 мм рт. ст.). Точность измерения давлений в области высокого вакуума не очень велика, и порой определяется лишь порядок величины давления.
Прибор состоит из датчика, соединяемого с вакуумной системой, и отдельного блока электрического питания и измерения. Показания прибора зависят от вида газа, и он требует предварительной градуировки по каждому газу.
Принцип действия ионизационно-термопарных приборов основан на том, что при создании потока электронов в разреженном газе будет происходить ионизация и между двумя электродами, к которым подводится электрическое напряжение, возникнет ионный ток. Сила ионного тока при прочих равных условиях будет пропорциональна плотности газа, а следовательно, при определенной температуре пропорциональна его давлению.
Вакуумметр радиоизотопный ВР-4 предназначен для измерения давления газов в диапазоне давлений 1,33 * 0,01 - 1013 Па (10 в минус 4 - 760 мм рт. ст.) как в лабораторных, так и в производственных условиях.
Вакуумметр ВР-4 состоит из измерительной установки с выносным каскадом и радиоизотопного преобразователя МР-8.
Принцип действия преобразователя основан на свойстве а-частиц ионизировать газ, в результате чего образуется ионный ток, пропорциональный давлению газа.
Плутоний-238, используемый в преобразователе в качестве радиоактивного вещества, не обладает проникающим излучением. Прибор безопасен в эксплуатации. Вскрывать преобразователь категорически запрещается.
Регулирование давления
Приспособления, при помощи которых можно регулировать давление в вакуумируемой системе, по характеру действия могут быть разделены на две группы:
1)
регулирующие давление путем периодического впуска воздуха в систему, когда разрежение превышает заданную величину;
2)
регулирующие давление путем периодического включения и выключения вакуум-насоса.
Простое и достаточно эффективное приспособление для регулирования давления путем впуска воздуха в вакуумированную систему представлено на рис. 115. На шлифованной поверхности крана имеются риски, начинающиеся у отверстий и постепенно сходящие на нет. Скорость впуска воздуха регулируется длиной и диаметром капилляра.
Для регулирования вакуума наиболее распространены маностаты, в основе действия которых лежит гидростатический принцип (рис. 116). Кран 1 остается открытым до тех пор, пока не будет достигнуто нужное разрежение, затем его закрывают. Если в процессе работы давление в системе повышается, то в промывную склянку 2 через слой жидкости поступит такое количество газа, что разность давлений снова окажется постоянной. Нужная разность давлений устанавливается путем регулирования высоты положения уравнительного сосуда 3.
В качестве маностатной жидкости лучше всего пользоваться дибутилфталатом, силиконовым маслом, маслом для вакуум-насосов.
Ртутные маностаты контактного действия с помощью реле замыкают или размыкают электрическую цепь, что сопровождается включением или выключением электродвигателя вакуумного насоса. Одна из моделей изображена на рис. 117, а. Маностат состоит из замкнутой О-образной стеклянной трубки с краном вверху и с боковым отводом, присоединяемым к вакуумируемой системе. Нижняя часть трубки наполнена ртутью, которая постоянно соприкасается с одним нижним контактом и почти достигает второго контакта. Вначале устанавливают требуемое разрежение при открытом кране маностата, после чего кран закрывают. При увеличении вакуума ртуть в правом колене поднимается и замыкает электрическую цепь, в результате чего реле отключает питание электродвигателя вакуум-насоса.
Маностат другой конструкции (рис. 117,6) представляет собой манометрическую трубку с небольшим резервуаром, который соединен краном с нижней частью открытого колена трубки и трехходовым краном с верхней частью открытого колена и с атмосферой. Один из контактов введен в нижний изгиб трубки, а другой - в закрытое колено на середине расстояния между уровнями ртути в обоих коленах. В этом положении маностат установлен на нуль. Открывая нижний кран, можно спустить некоторое количество ртути из первого колена в резервуар и, таким образом, установить маностат на желаемое остаточное давление, при достижении которого электрическая цепь будет разомкнута. Для уменьшения требуемого остаточного давления резервуар, маностата, включенного в эвакуированную систему, соединяют при помощи трехходового крана с атмосферой, в результате чего ртуть в правом колене поднимается на нужную высоту.
